四达沟泥石流特征研究及治理措施探讨

2013-09-13王晋伟

太原理工大学学报 2013年4期

王晋伟

（山西省煤炭厅资源地质局，太原030045）

四达沟属于汾河水系虎峪沟支沟，位于太原市西山地区，南邻大虎峪村，西为杜儿坪煤矿，该流域地处国家最大的炼焦煤生产基地——西山煤田。由于早期不合理开采，沟谷内堆积有大量煤矸石，加之崩塌、滑坡等形成的崩（滑）积物，构成了大量泥石流物源，一旦形成泥石流，将严重威胁下游人民生命财产安全。本研究运用合理的工作方法查明四达沟地质环境条件，进行泥石流判别分析［1－2］并探讨了治理措施。

1 地质环境概况

项目区位于山西高原吕梁山脉中段，属低山区，海拔在1 000～1 400m之间。区内地势西北高东南低，最高峰位于西部，海拔1 376．3m，最低点位于四达沟入口处，海拔1 094．2m，相对高差约282m。

本区流域呈北西－南东向分布，流域平面形态为“漏斗”形，水系呈树枝状，均属季节性沟河，主沟全长1．5km，流域面积 1．42km2，沟床坡比降为73．3‰，切割深度30～60m，坡角30°～60°，沟道弯曲形态较为复杂，堆积有枯死的树木等杂物。总体特征表现为坡面陡峻，沟谷深窄，沟床比降较大。

本区属暖温带半干旱大陆性季风气候，四季分明，年降雨量一般300～600mm，根据1979—2011年石千峰降水量资料，年降雨量一般300～600 mm，降雨量主要集中在6—9月份，平均年降水量426．3mm，最大年降水量985．6mm（1996）。年降雨分布呈西多东少，山区明显高于平川区之特点。较大强度的降雨量主要集中在7—9月份，汛期降水量占全年降雨量的55%～85%。

2 地质灾害现状

根据调查，项目区地质灾害类型主要为潜在泥石流。区内泥石流按物质组成划分属水石（渣）型；按泥石流活动产出的环境分以沟谷型泥石流为主，局部分布有坡面型泥石流，后者是形成沟谷型泥石流的主要物源；按泥石流成因分类是以人类不合理活动型为主。

四达沟泥石流物源包括人工堆积物源和天然堆积物源两部分（图1）。

图1 四达沟流域地质灾害现状图

2．1 人工堆积物源

项目区内共见有6处煤矸石堆，堆积量约114 700m3，分布于主沟分叉处支沟中。煤矸石堆下部以棱角状、次棱角状黑色泥岩、砂岩、粉砂岩块石为主，粒径范围在0．2～0．4m，个别达0．7m；上部以风化后的黑色泥土、碎石为主，粒径范围在0．02～0．05m。

大量煤矸石顺沟随意堆放、填埋沟谷，严重阻塞沟谷排洪通道，暴雨期间极易被洪水冲刷带走，煤矸石堆为四达沟泥石流主要固体物源。

2．2 天然堆积物源

2．2．1 崩塌

区内调查发现10处崩塌，崩塌体位于沟谷两侧的高陡山体地带，宽约12～75m，长约5～30m，相对高差约4～25m，形成崩积物体积约0．02～1．0×104m3。崩积物质由岩土块体组成，崩塌体块石呈棱角状，块径多在0．2～1m之间，少部分大于1m。

崩积物质堆积于坡脚以及下部缓坡地带和冲沟内，在暴雨等因素的作用下，极易发生块体垮塌现象，崩积物为泥石流形成提供了丰富的物源。

2．2．2 不稳定斜坡

区内发育有不稳定斜坡（潜在崩塌）3处。沟谷基岩出露，边坡陡直，由二迭系砂岩、粉砂岩、泥岩组成，岩层产状较平缓，倾角较小。表层风化强烈，残坡积物由岩块和土质组成，厚度约0．3～0．8m。

岩石软硬相间，岩层碎裂、松散，已处于临界不稳定或潜在不稳定状态，局部块段随时可见零星掉块现象，在暴雨、爆破震动等因素的作用下，易发生块体垮塌现象，形成泥石流物源。

3 泥石流沟判别分析

3．1 地形地貌条件

地貌类型属低中山，新第三纪以来，处于持续抬升状态，地势险峻，地形高差大，沟壑纵横。流域平面形态为“漏斗”形，水系呈树枝状，主沟全长1．5 km，流域面积1．42km2，沟床坡比降为73．3‰，侵蚀模数高达10 000t／km2以上，水土流失面积占总面积的80%以上。沟道底宽3～10m，流程较短，沟道弯曲形态较为复杂。

综上，四达沟坡面陡峻，沟谷深窄，沟床比降较大，均满足泥石流形成的地形条件。较大的高差和流域面积使得地表水快速而大量的汇集，并侵蚀地表和带动松散固体物质的运动，从而产生泥石流。

3．2 松散堆积物条件

通过现场调查，四达沟流域内包括煤矸石堆、崩塌及不稳定斜坡堆积物在内，松散堆积物总量约为145 600m3。

煤矸石堆放在沟口地带河道内，呈阶梯状顺沟延伸，堆积量约114 700m3，占松散堆积物总量的78．8%，矸石堆未采取任何治理措施，稳定性较差，此外，随着堆放时间增加，煤矸石逐渐被风化，大型煤矸石均发生自燃，使得粗粒径逐渐减少，而易被水流带走的细粒径物质逐渐增加。崩积物和不稳定斜坡堆积物散落于山坡和沟谷地带，堆积量约30 900 m3，占松散堆积物总量的21．2%。

钟敦伦、谢洪［3］等学者用单位流域内松散固体物质动储量进行判别。流域内暴发泥石流的碎屑物量最低标准＝暴发泥石流的单位面积碎屑物量最低标准×沟床比降关系系数×流域面积，根据文献［3］求得四达沟暴发泥石流的碎屑物量最低量为11 000 m3／km2×1．2×1．42km2＝18 744m3，泥石流发生的判别值＝碎屑物聚集总量／暴发泥石流的碎届物量最低标准＝7．7＞1。满足泥石流启动的要求。

3．3 降水条件

水是泥石流的组成部分，又是搬运介质的基本动力，一方面浸润饱和山坡松散物质，使其摩擦阻力减小，滑动力增大，增大了滑移能力，另一方面水流对边坡的侧蚀作用产生滑坡、崩塌等，增加了固体物质的来源。

谭炳炎［4］研究了山西省10min，1h，24h可能发生泥石流的限界值分别为6mm，15mm，30mm。项目区所在西山地区暴雨每年都有发生，且年10 min，1h，24h最大强度降雨量分别为15．5～29．1 mm，43．5～78．8mm，104．5～279mm，均超过本地区可能发生泥石流的界限值，地表径流呈暴涨暴落，为泥石流的形成提供了较为有利的水动力条件。

综合分析，四达沟流域已经具备形成泥石流的基本条件，在暴雨的激发下极有可能发生泥石流地质灾害，造成人员和财产的极大损失，直接威胁到下游区域太原市民和厂矿企业的人身财产安全，应及早开展地质灾害治理工作。

4 治理工程措施探讨

根据四达沟泥石流崩塌体及人工堆积物源较多，植被破坏严重及距保护对象较近等特点，建议采用拦挡工程、排导工程、植物措施［5－6］的综合方案进行防治工作。

1）崩塌治理。根据所处的环境地质条件，采取坡脚修建重力式挡墙、碎落台、排水沟（挡墙后部）等措施。

挡墙采用仰斜式浆砌石挡墙结构，外边坡为1∶0．6，内边坡为1：0．2，挡墙顶宽0．8m，墙高6．0 m。挡墙基础埋深1．5m。沿挡墙方向每隔15m设置一道沉降伸缩缝，缝宽2cm，缝内设沥青麻絮及橡胶止水带。沿挡墙高度间隔2．0m设置孔径10cm的排水孔。

2）煤矸石堆的治理。项目区6处煤矸石堆沿沟道两侧分布，采用固源工程和排导工程（图2）。

图2 排导工程示意图

一煤矸石堆位于沟头位置，堆放量约为10万m3，占煤矸石总堆放量的87%，对该矸石堆进行固源处理，治理措施有：拦挡工程、排水工程、煤矸石清理、土地平整及覆土设计；其余5处煤矸石堆的治理采用固源工程结合排导工程。泥石流的治理主要为疏导，除上述固源工程，沿四达沟沟底两侧设置排导工程，采用浆砌块石结构。为了排泄坡面汇流，在排导工程内侧设浆砌石排水沟，采用浆砌石梯形断面形式，底宽50cm，深50cm，坡比一侧为1：0，另一侧为1：0．5，壁厚30cm。

3）不稳定斜坡治理。项目区不稳定斜坡共3处，其中两处为岩质斜坡，另一处为土质斜坡。

对岩质边坡在其坡面上采用“锚杆＋柔性网边坡防护”，边坡防护面积1 250m2。运用SNS柔性网覆盖、包裹在危岩体清除后的坡面上，以防止坡面碎石坍塌坠落，这样不仅对不稳定斜坡起加固作用，也可将落石控制于一定范围内运动，对不稳定斜坡起到围护作用。对土质斜坡采用1：1削坡处理，不稳定斜坡高4m，削坡工程量为160m3。

4）植物措施。主要为植被恢复工程，在整治后的区域内种植适宜当地生长的油松，在排导工程的两侧种植旱柳进行绿化。

本方案不仅可以在短期内有效地稳固崩塌体及不稳定斜坡，对煤矸石堆进行固源，而且具有对交通影响小，对环境破坏小等优点。防止了泥石流的的发生，从而达到了防灾减灾的目的。