铁山嶂矿山泥石流的基本特征与起动过程研究

樊姝芳，冯耀栋

(1.韶关市矿产资源与地质环境监测中心，广东 韶关 512000； 2.广东省有色矿山地质灾害防治中心，广东 广州 510000)

铁山嶂矿山泥石流的基本特征与起动过程研究

樊姝芳1，冯耀栋2

(1.韶关市矿产资源与地质环境监测中心，广东 韶关 512000； 2.广东省有色矿山地质灾害防治中心，广东 广州 510000)

通过野外调查和试验，对铁山嶂矿区典型矿山泥石流的分布特征、形成条件及起动过程和模式进行研究，基于动力学原理计算泥石流的密度、流速、流量等动力学参数，为泥石流防治工程的设计提供可靠依据。研究结果表明，该泥石流目前处于发展期，属暴雨沟谷型、高频、稀性、矿渣型泥石流，起动模式为滑塌-堵塞-溃决型。据此提出定期清理行洪通道废渣、修建截排水工程的防灾减灾措施。

矿山泥石流；形成条件；起动过程；运动特征；铁山嶂矿区

我国采矿历史悠久，矿业在国民经济和社会发展中发挥着重要的基础性作用，然而部分地区在资源开采时缺乏系统规划和科学管理，严重破坏了当地的地质环境和生态环境。采矿产生的废渣、尾矿随意堆放，引发或加剧了一系列的矿山地质环境问题。矿山泥石流属于人工泥石流，是一种典型的矿山地质灾害，相对于自然泥石流具有物源人为性、易发频发性、破坏灾难性、间接污染性及风险可避性等特点[1]。相关研究[2]发现，几乎我国每个大型矿山都爆发过泥石流灾害，有的还多次爆发。据不完全统计[3-5]，仅在1958～2005年，中国矿山发生泥石流609次，累计造成680人死亡。因此，对矿山泥石流的形成条件、运动特征等进行研究很有必要。

钟敦伦等[2]在1981年首次提出了“矿山泥石流”这一概念。2006年，徐友宁[6]依据小秦岭金矿区采矿废渣的特点提出了“矿渣型泥石流”的概念，并在2015年[7]研究了采矿废渣颗粒粒径对矿渣型泥石流起动的控制作用。李建林等[8]利用分形理论分析了矿山泥石流沟谷的形态特征。Chen N Sh等[9]通过实验探讨了不同粘土含量与土体失稳和泥石流形成之间的关系。矿山泥石流的研究尚处于初始阶段，且多偏重于对其危险性的评价[10-12]。本文重点从矿山泥石流物源的特殊性和沿海地区台风过境造成局部强降雨的水动力角度来研究铁山嶂泥石流的基本特征与起动过程。

1 研究区概况

铁山嶂铁矿是广东省兴宁市的一个中型富铁矿区,矿体裸露地表便于露天开采。该矿自1958年开始开采，至2005年停止。由于当时对地质灾害认识不足，存在管理混乱、矿渣随意堆弃的现象，致使铁山嶂矿区地质灾害普遍发生，松散堆积体边坡随处可见，水土流失非常严重，尤其在雨季，崩塌、滑坡、泥石流等地质灾害时有发生。由于沟域内修建了两道拦挡坝，泥石流并未对下游居民造成直接威胁，但随着时间的推移拦挡坝的库容量逐年减小。2013年8月台风“尤特”登陆造成强降水，该区爆发的泥石流灾害使拦挡坝严重淤积，现存库容量仅为原有的5%，河堤、公路以及下游的农田和水利设施均被破坏，对下游居民的人身和财产安全造成严重威胁。

2 铁山嶂矿山泥石流的形成条件

2.1 地形地貌

铁山嶂矿区属低山丘陵地貌，多为600～800 m的低山，周围均为丘陵，地貌形态受剥蚀切割作用影响明显，山坡陡峻，多激流瀑布及V型谷。地势东南高西北低，地形坡度20°～45°，局部较陡，沟谷较发育，汇水面积大，径流系数大。遇强降水易在短时间内形成较大径流，这为泥石流的起动提供了强大的水动力。

据调查，该区历史上基本年年爆发不同规模的泥石流，主沟区段具有典型的泥石流沟谷特征，属高频泥石流沟谷。主沟全长5.03 km，整个流域形态呈“鸭梨”形，沟谷弯道较多，以开阔“U”型谷为主，沟宽45～120 m，水系简单。纵坡降约61.49‰，局部沟床纵坡降约315.96‰，尤其在2#拦挡坝处形成高差约35 m的垂直地貌，为泥石流的形成提供了良好的势能条件。01支沟与主沟在高程380 m处呈锐角交汇，汇于主沟后继续参与泥石流活动；02支沟与主沟在高程345 m处呈近直角交汇，主要作用为水源汇聚。泥石流分布见图1。

图1 铁山嶂泥石流分布图

2.2 物源

研究区松散固体物源较丰富，主要为采矿形成的人工弃填土堆积物和原沟道堆积物。据钻孔数据统计，弃填土堆积物约286.81万m3，沟道堆积物约648.27万m3，总量约935.1万m3，可参与泥石流活动的动储量为98.77万m3。

2.2.1 弃填土堆积边坡物源

矿山开采对植被破坏严重，地形地貌改变较大(见图2)，人工边坡坡度较陡，稳定性差，在极端天气下易发生变形失稳破坏，进而转换为泥石流新的固体物源，进入泥石流沟道参与泥石流活动。在研究区此类边坡分布范围较广、规模较大，是最主要的松散固体物源。

2.2.2 沟道堆积物源

沟道堆积物具有明显铁矿开采产生弃渣的特征，主要来源于上游矿区。在多年常流水的作用下，矿区碎屑物被携带至泥石流沟道中(见图3)。由于沟道内堆积物较松散，地形又有利于地表降水的汇集，且汇流时间短水动力条件好，在暴雨情况下冲刷作用较强烈，其参与泥石流活动的方式主要为沟床的揭底冲刷。经统计，沟道堆积物物源动储量仅占总物源量的5.74%，占比较小，这是由于其在自重作用下逐渐压缩固结。探测发现，表层2 m以下的土体已呈稍密状态，又因沟道长而曲折和受纵坡及拦挡坝的限制，在流通过程中大部分堆积物又逐渐沉积下来。

图2矿山开采形成的裸露边坡图3沟道堆积物

2.3 气候与水源

铁山嶂为孤立山区，无大源流，只有小溪沟呈放射状分布，沟域内常年发育有5处固定水源，分别分布于主沟、01支沟、001支沟、001支沟右侧及02支沟，主要为潜水或基岩裂隙水。地下水类型主要为第四系松散岩类孔隙水和块状岩类裂隙水，主要接受大气降水的入渗补给，地下水随季节变化大。矿区属亚热带气候，位于低纬度地区，受东南季风影响明显，太阳辐射强，冬短夏长，日照充足，多年平均气温20.4 ℃，无霜期长，灾害性天气较多。降雨量在空间上的分布呈北大南小格局；在时间上分布不均，每年3～9月降雨较集中，占全年降雨量的84.27%。

3 铁山嶂矿山泥石流的基本特征

3.1 沟谷特征

沟谷纵坡较缓(纵坡度61.49‰)，拦挡坝的存在进一步降低了沟谷的纵坡。因此，铁山嶂泥石流沟谷具有流通与堆积的双重特征，将其划分为形成区、流通堆积区和次流通堆积区，见表1。

表1 铁山嶂泥石流分区特征

3.2 物源特点

根据钻孔揭露情况(见图4)，泥石流堆积物平均厚度约27.4m，物质成分较混杂，岩性不均一，以褐铁矿石废渣为主，夹杂细粒物质。粗颗粒物质基本呈棱角状、次棱角状、无磨圆，黏结力较差，密实度为稍密，粒径5～15 cm，偶见块石粒径25～40 cm，含量约70%～80%。细粒物质主要以铁矿石粉及残坡积土为主，粒径为1～5 cm，堆积稍密，有明显的分选性，粉土与碎屑含量约占20%～30%。由矿渣构成的物源在极端降雨情况下易发生堵溃放大泥石流规模[1]，这也是矿山泥石流与自然泥石流的区别之一。

矿渣形成的松散固体物源受暴雨洪水冲刷及泥石流冲刷后参与泥石流活动，由于受沟道地形的影响，矿渣堆积边坡滑塌形成的泥石流补给物源不一定全部参与整个泥石流活动，其中一部分会在沟道内堆积。即便汇入并参与主沟泥石流活动的物源也不一定全部被冲出泥石流沟，在运动过程中随着沟道纵比降和宽度的变化，部分地段发生水沙分离，必然有一部分固体物源会沿沟道发生堆积。因此，定期清理占据行洪通道的废渣，能有效避免或降低泥石流灾害的危险性。

图4 部分岩芯照片

3.3 极端强降雨

有研究表明[13]，发生地质灾害的临界雨量与地形高差呈负相关，且斜坡稳定性越差，引起滑坡、泥石流所需要的起动降雨量就越小。徐友宁[7]等的研究表明，废石渣的松散无联接、高孔隙率及极高渗透性的特点，决定了常遇降水难以起动废石渣堆。参照国内相似地区的研究结果[14-15]，确定该区发生滑坡、泥石流的临界降雨量为日降雨量≥50 mm或前期(1～10 d)累积降雨量≥100 mm。2013年8月13日至19日台风“尤特”期间，兴宁市部分雨量站降雨量统计数据见图5。台风过境期间铁山嶂矿区连续降雨量已达到激发泥石流的雨量阈值。因此，台风登陆形成的局部强降雨是铁山嶂泥石流灾害的诱发因素。

图5 “尤特”期间兴宁市部分雨量站降雨量统计

3.4 运动特征

3.4.1 泥石流容重

由于缺乏历史监测资料，只能通过现场试验法结合查表法、公式法来确定泥石流容重。在典型沟段内，选取有代表性的堆积物搅拌成爆发时的泥石流流体状态，访问当地居民进行样品鉴定，计算泥石流流体的容重：

(1)

式中：γC—泥石流重度(t/m3)；

Gc—样品的总质量(t)；

V—样品的总体积(m3)。

确定γC=1.61 t/m3，泥石流近于稀性与粘性的临界状态，通过地质宏观判断泥石流物质以块碎石夹砂粘土为主，因此属于稀性泥石流[16]。

3.4.2 泥石流流速

选用改进的铁道科学院西南所公式计算流速：

(2)

式中：Vc—泥石流流速，m/s；

γc—泥石流容重(t/m3)；

γH—泥石流中固体颗粒容重(t/m3)，按经验值取2.65 t/m3；

R—水力半径(m)，一般可用平均泥深H(m)代替；

I—泥石流水力梯度(‰)，一般可用沟床纵坡代替；

φ——泥沙修正数；

mc——巴克诺夫糙率系数。

3.4.3 泥石流流量

用东川公式计算流量：

QC=(1+φ)QB·DC

(3)

式中：Qc—频率为P的泥石流洪峰值流量(m3/s)；

QB—频率为P的暴雨洪水设计流量(m3/s)；

Dc—泥石流堵塞系数；可查经验表；

φ—泥石流泥沙修正系数；

3.4.4 一次泥石流固体冲出量

按照规范[16]计算：

QH=Q(γC-γW)/(γH-γW)

(4)

式中：QH—次泥石流冲出固体物质总量(m3)；

Q—次泥石流过流总量(m3)

γc—泥石流重度(t/m3)；

γw—水的重度(t/m3)；

γH—泥石流固体物质的重度(t/m3)。

3.4.5 泥石流整体冲压力

按照规范[16]提供的公式(铁二院公式)计算：

(5)

式中：P—泥石流体整体冲击压力(kN)；

g—重力加速度(m/s2)，取g=9.8 m/s2；

a—建筑物受力面与泥石流冲压力方向的夹角(°)；

λ—建筑物形状系数，矩形建筑物λ=1.33。

表2 参数取值表

部分参数取值见表2。经计算，铁山嶂矿山泥石流主沟沟口典型断面G11-G11′处，流速为2.85 m/s，峰值流量为314.27 m3/s，一次泥石流冲出总量为14.93万m3，泥石流整体冲压力为16.4 kPa。

4 铁山嶂泥石流起动过程与模式

铁山嶂泥石流的起动过程为：主沟和01支沟形成两股大型泥石流，并在两沟交汇处相互叠加堆积。01支沟由于具有更为丰富的松散固体物源和较大的径流系数形成粘性泥石流；主沟汇水面积大，水动力条件强，而物源相对较少，形成稀性泥石流。扇形地的堆积特征造成01支沟泥石流对主沟泥石流具有明显的挤压作用，在短暂的堆积停淤后，01支沟提供的巨量泥石流物源在主沟强大的水动力条件下重新启动，在相对宽缓和纵坡增大的流通堆积区内完成泥石流的下泄和沿途的堆积。

据现场调查、分析及计算，弃填土堆积边坡不稳定物源量约125.23万m3，暴雨及持续降雨条件下极易发生失稳破坏参与泥石流活动。这与蒋忠信[17]、陈晓清[18]等人的研究结果一致，滑坡起动与泥石流形成是一个连续的过程。不稳定的废渣堆滑塌或在冲刷作用下发生坡脚失稳进入河道，随山洪流动堵塞河道形成泥石流，其起动模式为：滑塌-堵塞-溃决型。这种堵溃型泥石流灾害的防治应以修建截排水工程为主。

5 结论

铁山嶂矿山泥石流目前处于发展期，属暴雨沟谷型、高频、稀性、矿渣型泥石流。无序开采和矿渣随意堆放是该沟爆发泥石流的基本条件。台风过境形成的强降雨是此次泥石流的激发因素。矿区松散固体物源总量约935.17万 m3，其中沟道内堆积物约648.27万 m3，可参与泥石流活动的动储量为98.77万 m3。运动特征值为容重1.61 t/m3，流速2.85 m/s，峰值流量314.27 m3/s，一次泥石流冲出总量14.93万 m3，泥石流整体冲压力16.4 kPa。起动模式为滑塌-堵塞-溃决型。根据上述基本特征，提出定期清理行洪通道废渣，以修建截排水工程为主的防灾减灾措施。

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Basiccharacteristicsandstart-upprocessofminedebrisflowinTieshanzhang

FAN Shu-fang1, FENG Yao-dong2

(1.MonitoringCenterofMineResourcesandGeologicalEnvironment,Shaoguan512000，China; 2.CenterforNonferrousMineGeologicalDisasterPreventionandControlofGuangdongProvince,Guangzhou510000，China.)

Through field investigation and experiment, this paper studies the distribution characteristics, forming conditions, starting process and mode of debris flow in typical mines in Tieshanzhang mining area, and calculates the dynamic parameters of debris flow, such as density, flow rate and flow rate, and provides a reliable basis for the design of debris flow control engineering. The results show that the debris flow is in the development period, which belongs to the Storm Gully type, high-frequency, dilute, slag-type debris flow, and the starting mode is sliding collapse-blockage-outburst type. Accordingly, the measures of preventing and reducing the waste residue and constructing the drainage works were put forward.

mine debris flow; forming conditions; starting process; movement characteristics; Tieshanzhang mining area

2017-06-12

樊姝芳(1983—)，女，甘肃张掖人，博士，工程师。

1674-7046(2017)05-0033-06

10.14140/j.cnki.hncjxb.2017.05.007

TU457

A