朱莊子礦渣型泥石流成因及運動特征研究

劉 亮，郭 巨，李 超，郎 坤

(1.河北省地礦局第八地質(zhì)大隊，河北 秦皇島 066001； 2.東北大學(xué) 資源與土木工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110000；3.沈陽市自然資源局，遼寧 沈陽 110000； 4.秦皇島潤海房地產(chǎn)開發(fā)有限公司，河北 秦皇島 066001)

泥石流是我國山區(qū)常見的地質(zhì)災(zāi)害，破壞力強，危害性大。礦渣型泥石流作為泥石流的一個分支，屬人為型泥石流[1]，因物源松散豐富、破壞程度驚人，常常造成嚴(yán)重的人員傷亡及經(jīng)濟損失。據(jù)文獻記載，1984年云南東川民礦發(fā)生礦渣型泥石流，造成120余人遇難[2]；1994年陜西潼關(guān)西峪金礦區(qū)因暴雨引發(fā)人工泥石流，造成50余人遇難[3]；2008年山西襄汾鐵礦尾礦庫潰壩引發(fā)泥石流，導(dǎo)致270余人遇難[4]。因其物源獨特，礦渣型泥石流與自然泥石流相比具有人為性、頻發(fā)性、污染性、可控性等特點[5]。鄧龍勝等[6]對礦渣型泥石流發(fā)育特征進行了研究，得出礦渣型泥石流主要形成水石流，并具有固體物源補給量大、產(chǎn)流區(qū)集中、容易啟動、流通距離短和破壞性大的發(fā)育特征；常鳴等[7]提出，在水動力作用下礦山泥石流運動模式分為初期降雨降低廢棄礦渣穩(wěn)定性、持續(xù)降雨侵蝕礦渣坡面、雨水匯集形成洪流起動溝道礦渣、礦渣洪流裹挾運移起動泥石流、沿途侵蝕礦渣加強泥石流等5個過程；林玫玲等[8]利用離散元對某礦渣泥石流運動過程進行數(shù)值仿真模擬，揭示了礦渣堆積體作為泥石流物源在不同降雨作用下顆粒位移和速度的變化規(guī)律?；谏鲜鲅芯砍晒?，本研究以朱莊子泥石流溝為研究對象，采用現(xiàn)場調(diào)查、模擬試驗及經(jīng)驗公式法，研究泥石流運動特征，預(yù)測泥石流危險范圍，給出泥石流防治建議。

1 流域概況

朱莊子泥石流溝位于盧龍縣盧龍鎮(zhèn)朱莊子村，溝口地理坐標(biāo)為東經(jīng)118°50′59″、北緯39°50′57″，主溝長1.64 km，主溝縱坡比81.63‰。所在流域呈條帶狀，流域面積1.58 km2，流域內(nèi)最高點位于溝谷東南側(cè)分水嶺處(海拔176.4 m)，最低點位于西側(cè)溝口處(海拔35.0 m)，相對高差141.4 m。流域概況見圖1。

圖1 流域概況

2 泥石流成因

礦渣型泥石流發(fā)生的根本原因在于暴雨期渣堆受流水沖刷，坡腳細(xì)顆粒被水流沖走，破壞了邊坡穩(wěn)定性，進而導(dǎo)致上部礦渣塌落形成松散物源，之后水流繼續(xù)沖刷不穩(wěn)定坍塌礦渣，以此反復(fù)進行物源補給，在暴雨條件下最終形成泥石流。

2.1 礦渣物源

(1)物源分布及特征。朱莊子泥石流溝流域范圍內(nèi)礦業(yè)開采活動造成大量廢棄礦渣堆存于溝谷兩側(cè)，形成重要物源基礎(chǔ)。溝內(nèi)礦渣堆共有9處(見圖1)，其中1～3號渣堆位于主溝中下游流通區(qū)兩側(cè)，4～9號渣堆位于Ⅰ、Ⅱ號支溝形成區(qū)。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，溝內(nèi)渣堆高度為8～36 m，坡角28°～40°，渣堆侵蝕方式以水流沖蝕坡腳為主，部分陡坡渣堆存在坡頂開裂、坡面沖蝕現(xiàn)象，渣堆物源總量452 360 m3，見表1。

(2)物源成分及穩(wěn)定性。取溝道內(nèi)有代表性的渣堆物源進行顆粒分析試驗，取樣位置分別位于坡底、坡中、坡頂，分析結(jié)果見表2、圖2。坡底物源成分以碎石、塊石等大顆粒為主，坡中物源成分以圓礫、角礫等中顆粒為主，坡頂物源成分以粗砂夾粉土等小顆粒為主，這與文獻[6]的研究結(jié)果一致。分析其原因，一方面是由于渣堆傾倒過程的分選作用[6]，另一方面則是水流沖刷坡腳，細(xì)小顆粒被流水帶走，剩余大顆粒塊石留在原處，同時坡面發(fā)生崩塌后大顆粒塊石更易滾落到坡腳。

表1 礦渣物源統(tǒng)計

表2 渣堆物源顆粒質(zhì)量百分?jǐn)?shù)

圖2 顆粒級配曲線

根據(jù)顆粒分析試驗，礦渣以粗粒土為主，透水性強。坡腳滲透破壞類型判別，計算公式[9]為

(1)

cu=d60/d10

(2)

式中：d為粗、細(xì)顆粒區(qū)分粒徑，mm；d70、d60、d10分別為小于該粒徑的土質(zhì)量占總質(zhì)量70%、60%、10%的顆粒粒徑，mm；cu為土的不均勻系數(shù)。

根據(jù)坡底顆分曲線，d70為70 mm，d60為50 mm，d10為2 mm，則d=11.8 mm，對應(yīng)細(xì)顆粒質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為42.5%，cu=25，判斷渣堆坡腳滲透破壞類型為流土型。目前各渣堆在天然狀態(tài)下均處于穩(wěn)定狀態(tài)，未發(fā)生滑動。

2.2 地形條件

朱莊子泥石流溝形成區(qū)位于主溝上游、Ⅰ號支溝及Ⅱ號支溝處，匯水面積0.31 km2。其中主溝走向291°，相對高差90.9 m，平均縱坡降113.6‰，兩側(cè)坡度35°～45°，谷底寬6～15 m，呈V形，為主要匯水區(qū)及水動力條件提供區(qū)。

流通區(qū)主要位于民房區(qū)與1、2號渣堆之間，溝道長約0.5 km，兩側(cè)山體坡度小于35°，溝谷寬10～20 m，呈U形，溝內(nèi)淤積大量卵石，粒徑5～15 cm，部分溝道存在堵塞現(xiàn)象。據(jù)調(diào)查，暴雨期雨水及泥沙可沖進附近住戶院內(nèi)。

泥石流堆積區(qū)位于村西溝口開闊地，呈扇形，扇長550 m，扇緣寬470 m，扇面角約46°，面積約0.24 km2，地形平緩，縱坡降1.8‰。

2.3 水源條件

據(jù)盧龍縣氣象站多年統(tǒng)計資料，朱莊子泥石流溝流域年均降水量636.64 mm，最大年降水量1 099.1 mm(2012年)，最小年降水量332.9 mm(1982年)，最大日降水量211.9 mm(2012年7月28日)，多年平均24 h最大暴雨量110 mm、1 h最大暴雨量40 mm、10 min最大暴雨量17 mm。降雨集中在6—8月份，期間降水量可占全年的71.48%。朱莊子泥石流溝的水源主要來自大氣降水，溝口以上匯水面積約1.58 km2，且V形溝谷有利于降水短時間匯集形成洪峰，為泥石流的產(chǎn)生提供了水動力條件。

3 泥石流運動特征

3.1 泥石流容重

根據(jù)現(xiàn)場泥痕，采用配漿法確定泥石流流體容重，計算公式[10]為

γC=GC/V

(3)

式中：γC為泥石流流體狀態(tài)容重，t/m3；GC為模擬試驗配制的流體樣品質(zhì)量，t；V為模擬試驗配制的流體樣品體積，m3。

根據(jù)泥石流目擊者認(rèn)同程度，按照泥石流體積比，現(xiàn)場進行3次流體樣品配制(表3)，采用式3計算出該溝泥石流容重γC=1.55 t/m3，為稀性泥石流。

表3 現(xiàn)場試驗測定泥石流容重

3.2 泥石流流速

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，溝內(nèi)松散堆積體主要為碎塊石、砂卵石等物質(zhì)。通過渣堆顆粒級配分析可以看出，物質(zhì)來源在結(jié)構(gòu)特征上以砂卵石、碎塊石為主，砂土充填。鑒于上述物源特征，采用西南地區(qū)公式確定主溝溝口處泥石流流速，公式為

(4)

式中：VC為泥石流斷面平均流速，m/s；R為水力半徑，取平均水深，m；I為泥石流水力坡降，用溝床坡降代替，‰；γH為固體物質(zhì)容重，t/m3；φ為泥石流泥沙修正系數(shù)，取0.50；1/n為清水河床糙率系數(shù)，查水文手冊，取值12.50。

計算結(jié)果見表4。

表4 泥石流速度計算結(jié)果

3.3 泥石流流量

根據(jù)《秦皇島市水文手冊》計算20年一遇洪水的峰值流量為Q5%、50年一遇洪水的峰值流量為Q2%，采取雨洪法確定泥石流流量QC，公式為

QC=(1+φ)QPDC

(5)

式中：QC為頻率P的泥石流峰值流量，m3/s；QP為頻率P的暴雨洪水設(shè)計流量，m3/s；φ為泥石流泥沙修正系數(shù)，取0.50；DC為泥石流堵塞系數(shù)，取1.5。

計算結(jié)果見表5。

表5 泥石流流量計算參數(shù)及結(jié)果

4 泥石流危害及防治

(1)泥石流危險區(qū)預(yù)測。泥石流危險區(qū)范圍主要為堆積區(qū)，通過對歷史泥石流區(qū)的回訪和調(diào)查，預(yù)測泥石流堆積區(qū)最大危險范圍S，計算公式為

S=0.667LB-0.083B2sinR/(1-cosR)

(6)

式中：L為最大堆積長度，本研究取0.81 km；B為泥石流最大堆積寬度，取0.552 2 km；R為泥石流堆積幅角，取49.94°。

計算得知泥石流危險區(qū)最大范圍S=0.243 7 km2，主要威脅對象為主溝下游堆積區(qū)內(nèi)的居民及房屋。

(2)防治建議。礦渣型泥石流防治措施應(yīng)以防為主，防治結(jié)合，可采用清理加固、排導(dǎo)、攔擋方案[11]。在朱莊子泥石流物源形成區(qū)內(nèi)對4、5、7、8號渣堆進行清運，對6、9號渣堆修建壓腳擋墻；對下游1～3號渣堆設(shè)置兩級攔擋，防止因雨水沖刷坡面，坡體部分下滑沖入溝底；對危險區(qū)內(nèi)威脅對象設(shè)置導(dǎo)流堤，同時清理河道內(nèi)原有淤積物，引導(dǎo)泥石流順利排泄。

5 結(jié) 論

(1)朱莊子礦渣型泥石流溝流域地形陡峻、物源豐富，特別是渣堆透水性強，坡腳易被沖刷，造成渣堆塌滑補給物源，在汛期易形成水石流。

(2)朱莊子礦渣型泥石流容重為1.55 t/m3，主溝溝口處泥石流流速2.6 m/s，20年一遇峰值流量26.97 m3/s，50年一遇峰值流量45.68 m3/s。

(3)朱莊子礦渣型泥石流危險區(qū)最大范圍為0.243 7 km2，主要威脅對象為主溝下游堆積區(qū)內(nèi)的居民及房屋。建議對渣堆物源采取清運及加固措施，對下游危險區(qū)設(shè)置導(dǎo)流堤。

(盧龍縣國土資源局為本研究現(xiàn)場調(diào)查及資料收集提供了大力支持與幫助，在此表示誠摯感謝！)