潼关矿山泥石流发育特征及防治探讨

2018-04-02王葵颖

陕西水利 2018年1期

王葵颖

0 前言

矿山泥石流是山地矿产资源开发区比较多见的地质灾害类型之一[1]，对人民生命财产和矿山生产活动产生过显著影响。陕西潼关金矿区地处小秦岭北麓，历史上发生过数次矿山泥石流灾害，造成了重大的人员伤亡和财产损失。例如：1994年7月11日，西峪上游大暴雨形成山洪，冲蚀沟道中采矿渣，形成泥石流，冲毁矿区公路9 km，涵洞3 km，淤埋文峪金矿矿山设备百余台，51人死亡，上百人失踪。7月12日，支沟洪水将文峪金矿尾矿库溃坝，形成的坡面泥石流进入主沟，形成沟谷泥石流。1996年8月15日，东桐峪在强降雨作用下发生泥石流灾害，冲毁房屋、桥梁、农田及金矿石，直接经济损失340万元。2010年7月23日，蒿岔峪旮旯沟在暴雨作用下，上游山体发生浅层梳状滑坡，在沟谷汇聚形成泥石流，冲毁下游选矿废渣，造成8人死亡的地质灾害[2]。从矿业开发阶段看，上述泥石流灾害均属开发活跃期的矿山地质灾害，具有人为性、频发性、再发性等特点。

泥石流的形成与发生受物源的含水率影响，土体的水理性质决定了土壤吸水量和透水量的大小和变化，而土壤的吸水性、持水性和透水性的变化直接影响了水分的入渗[3]。多年长期堆存的采矿废渣，稳定性、孔隙度、物质组成、植被覆盖等参数以及人类活动影响程度，均不同于开采新堆放的废渣。堆放三年以上的废渣的入渗速率和入渗时间的相关性明显高于新堆放废渣[4]。对于陕西潼关金矿区而言，目前随着资源的枯竭，开发强度越来越弱。虽然新渣增量接近于零，但由于历史废渣堆组成结构、水分条件的改变，其矿山泥石流隐患依然严重。本文通过分析典型泥石流沟的地质环境条件和金矿开发废渣堆发育特征，探讨资源枯竭矿区的矿山泥石流防治思路。

1 典型泥石流隐患沟地质环境条件

善车峪位于潼关县太要镇，是潼关南部山区七条峪道之一，是重要的金矿开发区，其矿业开发主要集中在中、上游的干沟、鳖盖子沟、对沟岔、偏岔一带。善车峪主沟方向呈北北西向，海拔700～1900 m，纵坡降10.64%，峪道呈“V”字形。

1.1 地形地貌

干沟位于善车峪上游，沟长1.5 km，沟谷走向约65°，沟道横断面呈“V”字型，海拔1100～1500 m，纵坡降38%，汇水面积约 0.79 km2，两侧坡体坡度约 30°～40°，沟底一般宽 30～60 m。两侧山坡上植被多为乔、灌木及草地，出露基岩为条带状混合岩、斜长片麻岩等，岩石结构较完整，弱风化。陡峻的地形地貌条件有利于坡面径流迅速汇集，势能转化为动能，且暴涨猛落，使得坡面水、沟谷水流具有较强的冲蚀和搬运能力。高陡的地形地貌为泥石流发生提供了条件。

1.2 地层岩性

地层岩性为太华群翁岔铺组黑云母斜长片麻岩夹角闪斜长片麻岩，岩层片麻理产状240°∠45°，块状结构，片麻状构造，岩石节理发育，弱风化。

1.3 降雨量

研究区属暖温带半干旱大陆性季风气候，四季分明，年均气温13.6℃，年均降水量645.8 mm，最大年降水量984.7 mm（1958年），最小年降水量318.7 mm（1997年），季节分配不均，7月～9月三个月的降雨量占全年降水量的50.8%，且多为暴雨（图1）。此前历史上24 h最大降雨量113.4 mm（1985年7月24日），1 h为 93.2 mm，10 min为 26.2 mm（1960年7月22日）。极端降雨事件是该区域暴发泥石流的激发因素，由于矿渣的大粒径、多孔隙等特征，一般降雨情况下，很难起动沟道堆积的矿渣。一旦遇到超强暴雨，由于特殊的地形条件，洪流快速汇集，形成超强洪流，搬运起动沟道矿渣，从而形成泥石流。例如在2010年7月23日诱发的旮旯沟泥石流时间，就是由于典型的超强降雨事件诱发，据气象站统计资料，7月23日13:05～19:30的6.42 h内，累计降雨量142.9 mm，其中泥石流发生前1 h降雨量57.1 mm，前10 min为4.3 mm，为特大暴雨。高强度、短历时的极端降雨直接诱发了“7.23”泥石流。

图1 潼关县多年月均降水量直方图

1.4 开发活动

潼关金矿开发历史悠久，北宋时即有开采记录，而规模开发始于1975年，20世纪90年代达到高峰，后经矿山秩序整顿，金矿企业大幅减少。目前已经进入资源枯竭期，仅有零星开发活动。历史上干沟分布数家金矿企业，开发方式以平硐为主，采出的矿石、废渣随意堆放于硐口。

1.5 威胁对象

善车峪上游干沟内住有数十人的采矿工人，以及矿山工业场地、机械设备等设施，下游的主峪道内建有重要的国防设施。这些均可能遭受上游开采区矿山泥石流的潜在威胁。

2 典型泥石流隐患沟采矿废渣的分布特征

2.1 废渣堆分布

30年来的金矿开发，使干沟内采矿坑口众多，形成“楼上楼”的采矿活动，采矿废石随意堆放，形成重重叠叠矿渣带。经实地调查发现，沟内堆积废渣约4.13万m3，堆积面积约3.81万m2，沟内松散废石堆高度一般在10～25 m，个别高达30 m。渣石堆边坡坡角30°～40°，大多处于失稳的临界状态。随着废渣的增加，河道“卡口”、“瓶颈”增多，多年洪水携带废石淤积垫高河床达 1～3 m。

2.2 废渣堆物质组成

潼关主要开采石英脉型金矿，采矿排放的废石主要是含金石英脉的围岩（片麻岩、角闪岩等）及含金品位极低的石英石，岩石抗压、抗风化能力强（表1）。

无论1994年、1996年历史上发生的泥石流地质灾害，还是目前泥石流地质灾害隐患，采矿废石占泥石流物源的90%。废石粒度级配宽，块度大，孔隙度大（表2）。采矿废石块直径大小悬殊、棱角明显、混杂堆积。砾径为0.2 cm×0.2 cm×0.2 cm～20 cm×30 cm×40 cm，平均为10 cm×15 cm×15 cm。废石砾块间存在较大的孔隙，山坡汇水能够较快渗透通过废石堆，很难将其浮托起或形成溃决型渣水混合物（表3）。随着时间推移，沟坡两侧残坡积物质的加入，细的物质含量增多，滞水能力增大，泥石流发生的可能性将增大。

表1 片麻岩工程力学参数

表2 物源颗粒级配

表3 物源容重、空隙度

2.3 废渣堆稳定性

干沟沟长1500 m，废渣补给长度与沟长比0.43，沟道两侧坡角40°，河道弯度率1.10，河道堵塞率0.87，渣量稳定性0.84，采矿强度大，渣石堆层层叠叠，渣堆大部分无挡护墙，稳定性差。在暴雨、矿震、重力等作用下，有向下滑塌的危险。

3 矿山泥石流的防治措施与建议

3.1 建立泥石流监测预警系统

在上游地表水汇流区，布设雨量监测站，参照历史泥石流发生时降雨量，设立降雨量临界值，形成南部山区降雨预警预报；在流通区建立泥位监测站、地声监测器，采集泥石流实时信息，积累泥石流研究所需数据的同时，触发报警系统；在下游设立报警系统和责任人，实现提前预警，避免灾害伤亡。

3.2 形成区采用透水柔性稳渣措施

根据研究区采矿废石类型，参照其他地区泥石流防治经验，在废石渣集中的上游支沟，采用铅丝笼防治措施，即用铅丝编制结成网格的笼状物体，内填块石，既起到拦渣稳渣作用，又具有透水性，并利用回淤，降低沟谷坡降，削减泥石流能量和流速，减少洪水对渣堆和坝体的冲击作用，保证废石堆边坡稳定，减少滑塌形成泥石流，从源头上消除和化解泥石流的成灾因素。