银厂沟矿渣型泥石流特征及危险度评价

王思奇，胡卸文，2

(1.西南交通大学 高速铁路运营安全空间信息技术国家地方联合工程实验室，四川 成都 610031；2.西南交通大学 地球科学与环境工程学院，四川 成都 610031)



银厂沟矿渣型泥石流特征及危险度评价

王思奇1，胡卸文1，2

(1.西南交通大学 高速铁路运营安全空间信息技术国家地方联合工程实验室，四川 成都 610031；2.西南交通大学 地球科学与环境工程学院，四川 成都 610031)

矿渣型泥石流；危险度评价；层次分析法；银厂沟

泸定县银厂沟属于典型的矿渣型泥石流沟，沟域内分布大小矿场数处。尽管对大部分矿渣体做了固坡处理，但因固坡设施结构单薄，易失效，曾先后于1975、1992和2011年暴发中等规模泥石流，冲毁路基、阻塞主河道。根据银厂沟泥石流启动物源以矿石弃渣为主这一特点，选取渣堆稳定性、弃渣堆规模、汇水面积、沟道长度、沟道纵坡降、沟道弯曲度、日最大降雨量、泥石流发生频率和历史最大冲出量等9个因子，结合层次分析法对银厂沟泥石流进行危险度评价，结果表明银厂沟仍蕴藏暴发中等以上规模泥石流的风险，应尽快治理。

我国地域广阔，蕴藏着丰富的矿产资源。矿产资源在被社会利用的同时，由矿产资源开采而产生的弃渣已成为一个突出的环境问题。尤其在一些沟道内，不合理堆放的弃渣为泥石流的发生提供了充足的物源，在降雨作用下极易诱发矿渣型泥石流。这类泥石流多表现为组成物质粒径大且具有多发但又可控这一特殊性质[1]。钟敦伦等在对我国大型矿山调查资料整理后发现，几乎每座矿山都暴发过泥石流[2]，如：1984年云南民矿遭遇泥石流灾害，伤亡120余人[3]；1994年陕西潼关金矿发生大规模泥石流，造成51人死亡，上百人失踪[3]；2008年9月8日，山西襄汾新塔矿业公司铁矿尾矿库溃坝造成271人死亡，几十人失踪，经济损失巨大[4]。

四川省泸定县兴隆镇兴隆沟富藏铅锌矿，沟域内分布大小矿场数处。近年来由于矿渣堆放不合理而诱发的泥石流已经严重威胁到当地群众的生命财产安全。银厂沟是兴隆沟左岸主要支沟之一，属典型的矿渣型泥石流沟，自20世纪50年代矿山开采以来已多次暴发泥石流，对沟口居民的生命及财产安全构成严重威胁。因此，剖析矿渣型泥石流物源启动条件及模式，进而运用层次分析法，对其进行危险度评价，能够为此类泥石流监测预警提供科学依据。

1　研究区地质条件概况

研究区地处川西高原与四川盆地的过渡带，大渡河东岸，属典型的侵蚀堆积与构造地貌区。沟域形态近似柳叶形，区内海拔1 430—2 960 m。银厂沟流域面积约6.01 km2，主沟长5.02 km，沟道平均纵坡降228‰。上、中游沟道顺直陡峻，弯曲程度低，下游较平缓。流域内有5条支沟汇入，沟谷截面呈V形，两侧山坡坡度主要集中在20°～40°。三大断裂带(大渡河断裂带、金坪断裂带、龙门山断裂带)在研究区附近交汇，其中金坪断裂近NS走向从沟内穿过。区内岩土体破碎，在降雨、地震等作用下容易塌滑。研究区出露的地层主要为震旦系下统花岗岩、临湘组+五峰组泥灰岩夹页岩及第四系坡残积物。坡残积物厚度0.1～2.0 m，分布于平缓山坡和山脊平台之上。

2　银厂沟泥石流基本特征

2.1泥石流分区特征

银厂沟泥石流形成区位于沟谷上游2 380 ～2 960 m高程段，地形呈喇叭状，后壁为陡崖。沟谷走向多与构造线或岩层走向近于直交或大角度斜交，两岸常见基岩出露。1 570～2 380 m高程段是泥石流流通区，植被覆盖率稍低于下游，平均坡降为211.97‰，补给物源有沟床堆积物、崩坡积物和矿山弃渣。泥石流堆积区位于1 430～1 570 m高程段，坡降相对较小，民房、乡村公路、农田等保护对象均处于此段。

2.2泥石流灾害史及活动性

银厂沟为常年流水沟，自20世纪50年代采矿以来，分别在1975年7月20日、1992年7月13日、2011年8月5日暴发过中等规模泥石流，冲毁路基、阻塞道路、淹没农田及房屋，造成人员伤亡，危害严重。此外，中小规模的高含沙山洪更是频繁发生，呈现出大雨大暴发、小雨小暴发的特点，属于高频泥石流。

2.3矿渣堆砌情况及已有防护工程

银厂沟中、上游高程2 300、1 855 m处分布两个铅锌采矿场。矿场采用露天剥离的方式进行开采，加之沟域内花岗石的开采，目前堆放的弃渣总量在300万m3左右。所有弃渣被分为6个弃渣堆，堆放于银厂沟中下游沟道两岸。渣堆边坡坡度30°～35°，接近自然休止角。由于渣堆较高且坡脚处原有防护工程多已毁坏，故在常年流水淘刷作用下，极易发生滑塌，而弃渣散落到沟道里，则为泥石流暴发提供了大量物源。

3　泥石流危险度评价

3.1评价因子的选取

本研究以详实的野外调查资料为基础，参考前人的评价方法[4-10]，同时考虑该泥石流物源中矿渣比例大这一主要特点，将影响泥石流危险度的因素归纳为地质条件B1、地形地貌B2、气象条件B3、历史条件B4等4类基本条件，并将其进一步细分为渣堆稳定性C1、弃渣堆规模C2、汇水面积C3、沟道长度C4、沟道纵坡降C5、沟道弯曲度C6、日最大降雨量C7、历史发生频率C8、历史最大冲出量C9等9个评价因子，如图1所示。

图1　银厂沟泥石流危险度评价指标体系层次结构

3.2评价方法

采用指标加权评价法，即评价因子权重与因子赋值相乘求和的方法。危险度评价公式见参考文献[10]，各评价因子分值划分见表1。

3.3评价因子权重确定

评价因子权重确定关系到评价结果是否符合实际情况，本研究采用层次分析法进行确定。

银厂沟泥石流危险度评价指标体系层次结构(图1)确立了目标层、条件层和因子层之间的隶属关系，这样就可以对表1中各评价因子的相对重要性进行两两判断。而对影响泥石流沟危险性的各因子重要程度进行排序即为标度，是层次分析法中的一个重要步骤。

表1　矿渣型泥石流危险度评价因子及赋值

注：沟道弯曲度即沟道弯曲段长度与沟道直线段长度的比值。

层次分析法中标度方式有很多种，但基本是根据美国著名运筹学家T.L.Saaty提出的1—9标度法进行的衍伸[11]。1—9标度法就是运用1—9之间的9个数及其倒数作为评价元素，标度各因子间相对重要性的大小，形成判断矩阵。此方法不仅可以对影响因子之间的重要性及重要性大小明确地评价与判断，而且还可以检验并保持评价过程的一致性。

3.3.1区分各个影响因子的重要性

根据表1列出的矿渣型泥石流危险度评价因子，再结合1—9标度方法进行打分，用相同重要、稍重要、较重要、明显重要4种判断表示各功能之间的重要性区别，并按以下规则进行标度赋值(表2)。各因子赋值后，得到目标层与条件层的判断矩阵H-M(表3)，如Mi与Mj比较得αij，则其对称元素(Mj与Mi比较的结果)为1/αij；对角元素(自身与自身比较的结果)为1。此判断矩阵为1—9标度法的计算基础。

表2　标度的意义

表3　判断矩阵H-M

3.3.2重要性权值的确定与一致性检验

根据判断矩阵H-M(表3)，求出该矩阵最大特征值λmax及其相应的特征向量。对特征向量归一化处理后表示为W，即同一层级的因素对于上一层级某一要素的重要性权值。为了确保运用层次分析法得到的结论的合理性，检验评分过程的一致性，可以转化为检验一致性比率CR= CI/RI是否小于0.1。其中，指标CI的计算式为

(1)

RI为随机一致性指标，它是当判断矩阵中的元素完全随机时的一致性指标，与判断矩阵的阵阶数存在如下关系(表4)。

表4　平均随机一致性指标RI

当CR<0.1时，判断矩阵一致性好，判断合理；CR=0.1时，判断矩阵一致性较好，判断较合理；CR>0.1时，判断矩阵一致性差，需重新调整，直至具有满意一致性为止[12]。

3.3.3实际应用

(1)层次单排序。运用表2所示标度，逐项对任意两个评价因子进行比较，参考已有文献及实地调查结果，确定它们的相对重要性并赋予相应标度值，分别得到目标层与条件层的判断矩阵H-B，条件层与因子层的判断矩阵B1-C、B2-C、B3-C、B4-C。

表5　目标层与条件层的判断矩阵H-B

表6　条件层与因子层的判断矩阵 B1-C

表7　条件层与因子层的判断矩阵 B2-C

表8　条件层与因子层的判断矩阵 B3-C

表9　条件层与因子层的判断矩阵 B4-C

进一步计算可得到：判断矩阵H-B，λmax=4.10，W=(0.10 0.36 0.36 0.18)，已知R4=0.89，可得出CR=0.04<0.1，判断矩阵一致性好；判断矩阵B2-C，λmax=4.08，W=(0.32,0.12,0.94,0.23)，已知R4=0.89，可得出CR=0.03<0.1，判断矩阵一致性好；判断矩阵B1-C、B3-C、B4-C均为阶数小于二的矩阵，判断矩阵一致性好。详见表10。

根据矩阵理论，条件层与目标层、因子层与条件层的层次单排序都具有满意的一致性。

表10　层次单排序计算结果

(2)层次总排序。建立因子层(最低层)所有评价因子对于目标层(最高层)相对重要性的排序权值Pi，其计算式为

(2)

式中：bj表示条件层包含的4个条件在其层次单排序中所对应的权值；cij表示因子层包含的9个条件在层次单排序中对应的权值。pi的计算结果详见表11。

表11　层次总排序权值

3.4评价结果

将银厂沟泥石流的相关原始数据转化为评价因子分值，代入危险度评价公式，得到银厂沟矿渣型泥石流的危险度为0.716 2。根据现行通用的泥石流危险度划分等级[12]:0～0.2为极低危险；0.2～0.4为低度危险；0.4～0.6为中度危险；0.6～0.8为高度危险；0.8～1.0为极高危险。银厂沟矿渣型泥石流存在高度暴发风险，应尽快治理。

4　结　语

(1)银厂沟自20世纪50年代开始采矿以来，分别在1975年7月20日、1992年7月13日、2011年8月5日暴发过中等规模泥石流，现状物源50%以上为采矿弃渣，故仍存在暴发矿渣型泥石流的可能性。

(2)针对该沟矿渣型泥石流的形成条件，并结合矿渣是主要补给物源的特点，在泥石流危险度评价过程中，选取渣堆稳定性、弃渣堆规模、汇水面积、沟道长度、沟道纵坡降、沟道弯曲度、日最大降雨量、历史发生频率和历史最大冲出量等9个因素作为评价因子，对该地区泥石流危险度进行评价是可行的。

(3)银厂沟矿渣型泥石流危险度为0.716 2，属于高度危险泥石流，应进行综合治理以确保沟口人民群众的生命和财产安全。

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(责任编辑孙占锋)

2015-06-30

国家自然科学基金资助项目(41372293)；四川省国土资源厅科学研究计划项目(KJ-2014-10)；长江学者和创新团队发展计划资助项目(PCSIRT)

P642.23

A

1000-0941(2016)04-0047-04

王思奇(1990—)，女，黑龙江大庆市人，硕士研究生，主要从事工程地质方面的研究工作；通信作者胡卸文(1963—)，男，浙江金华市人，教授，博士生导师，博士，主要从事工程地质、环境地质方面的教学与研究工作。