朱庄子矿渣型泥石流成因及运动特征研究

刘 亮，郭 巨，李 超，郎 坤

(1.河北省地矿局第八地质大队，河北 秦皇岛 066001； 2.东北大学 资源与土木工程学院，辽宁 沈阳 110000；3.沈阳市自然资源局，辽宁 沈阳 110000； 4.秦皇岛润海房地产开发有限公司，河北 秦皇岛 066001)

泥石流是我国山区常见的地质灾害，破坏力强，危害性大。矿渣型泥石流作为泥石流的一个分支，属人为型泥石流[1]，因物源松散丰富、破坏程度惊人，常常造成严重的人员伤亡及经济损失。据文献记载，1984年云南东川民矿发生矿渣型泥石流，造成120余人遇难[2]；1994年陕西潼关西峪金矿区因暴雨引发人工泥石流，造成50余人遇难[3]；2008年山西襄汾铁矿尾矿库溃坝引发泥石流，导致270余人遇难[4]。因其物源独特，矿渣型泥石流与自然泥石流相比具有人为性、频发性、污染性、可控性等特点[5]。邓龙胜等[6]对矿渣型泥石流发育特征进行了研究，得出矿渣型泥石流主要形成水石流，并具有固体物源补给量大、产流区集中、容易启动、流通距离短和破坏性大的发育特征；常鸣等[7]提出，在水动力作用下矿山泥石流运动模式分为初期降雨降低废弃矿渣稳定性、持续降雨侵蚀矿渣坡面、雨水汇集形成洪流起动沟道矿渣、矿渣洪流裹挟运移起动泥石流、沿途侵蚀矿渣加强泥石流等5个过程；林玫玲等[8]利用离散元对某矿渣泥石流运动过程进行数值仿真模拟，揭示了矿渣堆积体作为泥石流物源在不同降雨作用下颗粒位移和速度的变化规律。基于上述研究成果，本研究以朱庄子泥石流沟为研究对象，采用现场调查、模拟试验及经验公式法，研究泥石流运动特征，预测泥石流危险范围，给出泥石流防治建议。

1 流域概况

朱庄子泥石流沟位于卢龙县卢龙镇朱庄子村，沟口地理坐标为东经118°50′59″、北纬39°50′57″，主沟长1.64 km，主沟纵坡比81.63‰。所在流域呈条带状，流域面积1.58 km2，流域内最高点位于沟谷东南侧分水岭处(海拔176.4 m)，最低点位于西侧沟口处(海拔35.0 m)，相对高差141.4 m。流域概况见图1。

图1 流域概况

2 泥石流成因

矿渣型泥石流发生的根本原因在于暴雨期渣堆受流水冲刷，坡脚细颗粒被水流冲走，破坏了边坡稳定性，进而导致上部矿渣塌落形成松散物源，之后水流继续冲刷不稳定坍塌矿渣，以此反复进行物源补给，在暴雨条件下最终形成泥石流。

2.1 矿渣物源

(1)物源分布及特征。朱庄子泥石流沟流域范围内矿业开采活动造成大量废弃矿渣堆存于沟谷两侧，形成重要物源基础。沟内矿渣堆共有9处(见图1)，其中1～3号渣堆位于主沟中下游流通区两侧，4～9号渣堆位于Ⅰ、Ⅱ号支沟形成区。根据现场调查，沟内渣堆高度为8～36 m，坡角28°～40°，渣堆侵蚀方式以水流冲蚀坡脚为主，部分陡坡渣堆存在坡顶开裂、坡面冲蚀现象，渣堆物源总量452 360 m3，见表1。

(2)物源成分及稳定性。取沟道内有代表性的渣堆物源进行颗粒分析试验，取样位置分别位于坡底、坡中、坡顶，分析结果见表2、图2。坡底物源成分以碎石、块石等大颗粒为主，坡中物源成分以圆砾、角砾等中颗粒为主，坡顶物源成分以粗砂夹粉土等小颗粒为主，这与文献[6]的研究结果一致。分析其原因，一方面是由于渣堆倾倒过程的分选作用[6]，另一方面则是水流冲刷坡脚，细小颗粒被流水带走，剩余大颗粒块石留在原处，同时坡面发生崩塌后大颗粒块石更易滚落到坡脚。

表1 矿渣物源统计

表2 渣堆物源颗粒质量百分数

图2 颗粒级配曲线

根据颗粒分析试验，矿渣以粗粒土为主，透水性强。坡脚渗透破坏类型判别，计算公式[9]为

(1)

cu=d60/d10

(2)

式中：d为粗、细颗粒区分粒径，mm；d70、d60、d10分别为小于该粒径的土质量占总质量70%、60%、10%的颗粒粒径，mm；cu为土的不均匀系数。

根据坡底颗分曲线，d70为70 mm，d60为50 mm，d10为2 mm，则d=11.8 mm，对应细颗粒质量百分数为42.5%，cu=25，判断渣堆坡脚渗透破坏类型为流土型。目前各渣堆在天然状态下均处于稳定状态，未发生滑动。

2.2 地形条件

朱庄子泥石流沟形成区位于主沟上游、Ⅰ号支沟及Ⅱ号支沟处，汇水面积0.31 km2。其中主沟走向291°，相对高差90.9 m，平均纵坡降113.6‰，两侧坡度35°～45°，谷底宽6～15 m，呈V形，为主要汇水区及水动力条件提供区。

流通区主要位于民房区与1、2号渣堆之间，沟道长约0.5 km，两侧山体坡度小于35°，沟谷宽10～20 m，呈U形，沟内淤积大量卵石，粒径5～15 cm，部分沟道存在堵塞现象。据调查，暴雨期雨水及泥沙可冲进附近住户院内。

泥石流堆积区位于村西沟口开阔地，呈扇形，扇长550 m，扇缘宽470 m，扇面角约46°，面积约0.24 km2，地形平缓，纵坡降1.8‰。

2.3 水源条件

据卢龙县气象站多年统计资料，朱庄子泥石流沟流域年均降水量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，期间降水量可占全年的71.48%。朱庄子泥石流沟的水源主要来自大气降水，沟口以上汇水面积约1.58 km2，且V形沟谷有利于降水短时间汇集形成洪峰，为泥石流的产生提供了水动力条件。

3 泥石流运动特征

3.1 泥石流容重

根据现场泥痕，采用配浆法确定泥石流流体容重，计算公式[10]为

γC=GC/V

(3)

式中：γC为泥石流流体状态容重，t/m3；GC为模拟试验配制的流体样品质量，t；V为模拟试验配制的流体样品体积，m3。

根据泥石流目击者认同程度，按照泥石流体积比，现场进行3次流体样品配制(表3)，采用式3计算出该沟泥石流容重γC=1.55 t/m3，为稀性泥石流。

表3 现场试验测定泥石流容重

3.2 泥石流流速

根据现场调查，沟内松散堆积体主要为碎块石、砂卵石等物质。通过渣堆颗粒级配分析可以看出，物质来源在结构特征上以砂卵石、碎块石为主，砂土充填。鉴于上述物源特征，采用西南地区公式确定主沟沟口处泥石流流速，公式为

(4)

式中：VC为泥石流断面平均流速，m/s；R为水力半径，取平均水深，m；I为泥石流水力坡降，用沟床坡降代替，‰；γH为固体物质容重，t/m3；φ为泥石流泥沙修正系数，取0.50；1/n为清水河床糙率系数，查水文手册，取值12.50。

计算结果见表4。

表4 泥石流速度计算结果

3.3 泥石流流量

根据《秦皇岛市水文手册》计算20年一遇洪水的峰值流量为Q5%、50年一遇洪水的峰值流量为Q2%，采取雨洪法确定泥石流流量QC，公式为

QC=(1+φ)QPDC

(5)

式中：QC为频率P的泥石流峰值流量，m3/s；QP为频率P的暴雨洪水设计流量，m3/s；φ为泥石流泥沙修正系数，取0.50；DC为泥石流堵塞系数，取1.5。

计算结果见表5。

表5 泥石流流量计算参数及结果

4 泥石流危害及防治

(1)泥石流危险区预测。泥石流危险区范围主要为堆积区，通过对历史泥石流区的回访和调查，预测泥石流堆积区最大危险范围S，计算公式为

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

(6)

式中：L为最大堆积长度，本研究取0.81 km；B为泥石流最大堆积宽度，取0.552 2 km；R为泥石流堆积幅角，取49.94°。

计算得知泥石流危险区最大范围S=0.243 7 km2，主要威胁对象为主沟下游堆积区内的居民及房屋。

(2)防治建议。矿渣型泥石流防治措施应以防为主，防治结合，可采用清理加固、排导、拦挡方案[11]。在朱庄子泥石流物源形成区内对4、5、7、8号渣堆进行清运，对6、9号渣堆修建压脚挡墙；对下游1～3号渣堆设置两级拦挡，防止因雨水冲刷坡面，坡体部分下滑冲入沟底；对危险区内威胁对象设置导流堤，同时清理河道内原有淤积物，引导泥石流顺利排泄。

5 结 论

(1)朱庄子矿渣型泥石流沟流域地形陡峻、物源丰富，特别是渣堆透水性强，坡脚易被冲刷，造成渣堆塌滑补给物源，在汛期易形成水石流。

(2)朱庄子矿渣型泥石流容重为1.55 t/m3，主沟沟口处泥石流流速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)朱庄子矿渣型泥石流危险区最大范围为0.243 7 km2，主要威胁对象为主沟下游堆积区内的居民及房屋。建议对渣堆物源采取清运及加固措施，对下游危险区设置导流堤。

(卢龙县国土资源局为本研究现场调查及资料收集提供了大力支持与帮助，在此表示诚挚感谢！)