銀廠溝礦渣型泥石流特征及危險度評價

王思奇，胡卸文，2

(1.西南交通大學 高速鐵路運營安全空間信息技術國家地方聯合工程實驗室，四川 成都 610031；2.西南交通大學 地球科學與環境工程學院，四川 成都 610031)

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銀廠溝礦渣型泥石流特征及危險度評價

王思奇1，胡卸文1，2

(1.西南交通大學 高速鐵路運營安全空間信息技術國家地方聯合工程實驗室，四川 成都 610031；2.西南交通大學 地球科學與環境工程學院，四川 成都 610031)

礦渣型泥石流；危險度評價；層次分析法；銀廠溝

瀘定縣銀廠溝屬于典型的礦渣型泥石流溝，溝域內分布大小礦場數處。盡管對大部分礦渣體做了固坡處理，但因固坡設施結構單薄，易失效，曾先后于1975、1992和2011年暴發中等規模泥石流，沖毀路基、阻塞主河道。根據銀廠溝泥石流啟動物源以礦石棄渣為主這一特點，選取渣堆穩定性、棄渣堆規模、匯水面積、溝道長度、溝道縱坡降、溝道彎曲度、日最大降雨量、泥石流發生頻率和歷史最大沖出量等9個因子，結合層次分析法對銀廠溝泥石流進行危險度評價，結果表明銀廠溝仍蘊藏暴發中等以上規模泥石流的風險，應盡快治理。

我國地域廣闊，蘊藏著豐富的礦產資源。礦產資源在被社會利用的同時，由礦產資源開采而產生的棄渣已成為一個突出的環境問題。尤其在一些溝道內，不合理堆放的棄渣為泥石流的發生提供了充足的物源，在降雨作用下極易誘發礦渣型泥石流。這類泥石流多表現為組成物質粒徑大且具有多發但又可控這一特殊性質[1]。鐘敦倫等在對我國大型礦山調查資料整理后發現，幾乎每座礦山都暴發過泥石流[2]，如：1984年云南民礦遭遇泥石流災害，傷亡120余人[3]；1994年陜西潼關金礦發生大規模泥石流，造成51人死亡，上百人失蹤[3]；2008年9月8日，山西襄汾新塔礦業公司鐵礦尾礦庫潰壩造成271人死亡，幾十人失蹤，經濟損失巨大[4]。

四川省瀘定縣興隆鎮興隆溝富藏鉛鋅礦，溝域內分布大小礦場數處。近年來由于礦渣堆放不合理而誘發的泥石流已經嚴重威脅到當地群眾的生命財產安全。銀廠溝是興隆溝左岸主要支溝之一，屬典型的礦渣型泥石流溝，自20世紀50年代礦山開采以來已多次暴發泥石流，對溝口居民的生命及財產安全構成嚴重威脅。因此，剖析礦渣型泥石流物源啟動條件及模式，進而運用層次分析法，對其進行危險度評價，能夠為此類泥石流監測預警提供科學依據。

1　研究區地質條件概況

研究區地處川西高原與四川盆地的過渡帶，大渡河東岸，屬典型的侵蝕堆積與構造地貌區。溝域形態近似柳葉形，區內海拔1 430—2 960 m。銀廠溝流域面積約6.01 km2，主溝長5.02 km，溝道平均縱坡降228‰。上、中游溝道順直陡峻，彎曲程度低，下游較平緩。流域內有5條支溝匯入，溝谷截面呈V形，兩側山坡坡度主要集中在20°～40°。三大斷裂帶(大渡河斷裂帶、金坪斷裂帶、龍門山斷裂帶)在研究區附近交匯，其中金坪斷裂近NS走向從溝內穿過。區內巖土體破碎，在降雨、地震等作用下容易塌滑。研究區出露的地層主要為震旦系下統花崗巖、臨湘組+五峰組泥灰巖夾頁巖及第四系坡殘積物。坡殘積物厚度0.1～2.0 m，分布于平緩山坡和山脊平臺之上。

2　銀廠溝泥石流基本特征

2.1泥石流分區特征

銀廠溝泥石流形成區位于溝谷上游2 380 ～2 960 m高程段，地形呈喇叭狀，后壁為陡崖。溝谷走向多與構造線或巖層走向近于直交或大角度斜交，兩岸常見基巖出露。1 570～2 380 m高程段是泥石流流通區，植被覆蓋率稍低于下游，平均坡降為211.97‰，補給物源有溝床堆積物、崩坡積物和礦山棄渣。泥石流堆積區位于1 430～1 570 m高程段，坡降相對較小，民房、鄉村公路、農田等保護對象均處于此段。

2.2泥石流災害史及活動性

銀廠溝為常年流水溝，自20世紀50年代采礦以來，分別在1975年7月20日、1992年7月13日、2011年8月5日暴發過中等規模泥石流，沖毀路基、阻塞道路、淹沒農田及房屋，造成人員傷亡，危害嚴重。此外，中小規模的高含沙山洪更是頻繁發生，呈現出大雨大暴發、小雨小暴發的特點，屬于高頻泥石流。

2.3礦渣堆砌情況及已有防護工程

銀廠溝中、上游高程2 300、1 855 m處分布兩個鉛鋅采礦場。礦場采用露天剝離的方式進行開采，加之溝域內花崗石的開采，目前堆放的棄渣總量在300萬m3左右。所有棄渣被分為6個棄渣堆，堆放于銀廠溝中下游溝道兩岸。渣堆邊坡坡度30°～35°，接近自然休止角。由于渣堆較高且坡腳處原有防護工程多已毀壞，故在常年流水淘刷作用下，極易發生滑塌，而棄渣散落到溝道里，則為泥石流暴發提供了大量物源。

3　泥石流危險度評價

3.1評價因子的選取

本研究以詳實的野外調查資料為基礎，參考前人的評價方法[4-10]，同時考慮該泥石流物源中礦渣比例大這一主要特點，將影響泥石流危險度的因素歸納為地質條件B1、地形地貌B2、氣象條件B3、歷史條件B4等4類基本條件，并將其進一步細分為渣堆穩定性C1、棄渣堆規模C2、匯水面積C3、溝道長度C4、溝道縱坡降C5、溝道彎曲度C6、日最大降雨量C7、歷史發生頻率C8、歷史最大沖出量C9等9個評價因子，如圖1所示。

圖1　銀廠溝泥石流危險度評價指標體系層次結構

3.2評價方法

采用指標加權評價法，即評價因子權重與因子賦值相乘求和的方法。危險度評價公式見參考文獻[10]，各評價因子分值劃分見表1。

3.3評價因子權重確定

評價因子權重確定關系到評價結果是否符合實際情況，本研究采用層次分析法進行確定。

銀廠溝泥石流危險度評價指標體系層次結構(圖1)確立了目標層、條件層和因子層之間的隸屬關系，這樣就可以對表1中各評價因子的相對重要性進行兩兩判斷。而對影響泥石流溝危險性的各因子重要程度進行排序即為標度，是層次分析法中的一個重要步驟。

表1　礦渣型泥石流危險度評價因子及賦值

注：溝道彎曲度即溝道彎曲段長度與溝道直線段長度的比值。

層次分析法中標度方式有很多種，但基本是根據美國著名運籌學家T.L.Saaty提出的1—9標度法進行的衍伸[11]。1—9標度法就是運用1—9之間的9個數及其倒數作為評價元素，標度各因子間相對重要性的大小，形成判斷矩陣。此方法不僅可以對影響因子之間的重要性及重要性大小明確地評價與判斷，而且還可以檢驗并保持評價過程的一致性。

3.3.1區分各個影響因子的重要性

根據表1列出的礦渣型泥石流危險度評價因子，再結合1—9標度方法進行打分，用相同重要、稍重要、較重要、明顯重要4種判斷表示各功能之間的重要性區別，并按以下規則進行標度賦值(表2)。各因子賦值后，得到目標層與條件層的判斷矩陣H-M(表3)，如Mi與Mj比較得αij，則其對稱元素(Mj與Mi比較的結果)為1/αij；對角元素(自身與自身比較的結果)為1。此判斷矩陣為1—9標度法的計算基礎。

表2　標度的意義

表3　判斷矩陣H-M

3.3.2重要性權值的確定與一致性檢驗

根據判斷矩陣H-M(表3)，求出該矩陣最大特征值λmax及其相應的特征向量。對特征向量歸一化處理后表示為W，即同一層級的因素對于上一層級某一要素的重要性權值。為了確保運用層次分析法得到的結論的合理性，檢驗評分過程的一致性，可以轉化為檢驗一致性比率CR= CI/RI是否小于0.1。其中，指標CI的計算式為

(1)

RI為隨機一致性指標，它是當判斷矩陣中的元素完全隨機時的一致性指標，與判斷矩陣的陣階數存在如下關系(表4)。

表4　平均隨機一致性指標RI

當CR<0.1時，判斷矩陣一致性好，判斷合理；CR=0.1時，判斷矩陣一致性較好，判斷較合理；CR>0.1時，判斷矩陣一致性差，需重新調整，直至具有滿意一致性為止[12]。

3.3.3實際應用

(1)層次單排序。運用表2所示標度，逐項對任意兩個評價因子進行比較，參考已有文獻及實地調查結果，確定它們的相對重要性并賦予相應標度值，分別得到目標層與條件層的判斷矩陣H-B，條件層與因子層的判斷矩陣B1-C、B2-C、B3-C、B4-C。

表5　目標層與條件層的判斷矩陣H-B

表6　條件層與因子層的判斷矩陣 B1-C

表7　條件層與因子層的判斷矩陣 B2-C

表8　條件層與因子層的判斷矩陣 B3-C

表9　條件層與因子層的判斷矩陣 B4-C

進一步計算可得到：判斷矩陣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，判斷矩陣一致性好；判斷矩陣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，判斷矩陣一致性好；判斷矩陣B1-C、B3-C、B4-C均為階數小于二的矩陣，判斷矩陣一致性好。詳見表10。

根據矩陣理論，條件層與目標層、因子層與條件層的層次單排序都具有滿意的一致性。

表10　層次單排序計算結果

(2)層次總排序。建立因子層(最低層)所有評價因子對于目標層(最高層)相對重要性的排序權值Pi，其計算式為

(2)

式中：bj表示條件層包含的4個條件在其層次單排序中所對應的權值；cij表示因子層包含的9個條件在層次單排序中對應的權值。pi的計算結果詳見表11。

表11　層次總排序權值

3.4評價結果

將銀廠溝泥石流的相關原始數據轉化為評價因子分值，代入危險度評價公式，得到銀廠溝礦渣型泥石流的危險度為0.716 2。根據現行通用的泥石流危險度劃分等級[12]:0～0.2為極低危險；0.2～0.4為低度危險；0.4～0.6為中度危險；0.6～0.8為高度危險；0.8～1.0為極高危險。銀廠溝礦渣型泥石流存在高度暴發風險，應盡快治理。

4　結　語

(1)銀廠溝自20世紀50年代開始采礦以來，分別在1975年7月20日、1992年7月13日、2011年8月5日暴發過中等規模泥石流，現狀物源50%以上為采礦棄渣，故仍存在暴發礦渣型泥石流的可能性。

(2)針對該溝礦渣型泥石流的形成條件，并結合礦渣是主要補給物源的特點，在泥石流危險度評價過程中，選取渣堆穩定性、棄渣堆規模、匯水面積、溝道長度、溝道縱坡降、溝道彎曲度、日最大降雨量、歷史發生頻率和歷史最大沖出量等9個因素作為評價因子，對該地區泥石流危險度進行評價是可行的。

(3)銀廠溝礦渣型泥石流危險度為0.716 2，屬于高度危險泥石流，應進行綜合治理以確保溝口人民群眾的生命和財產安全。

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(責任編輯孫占鋒)

2015-06-30

國家自然科學基金資助項目(41372293)；四川省國土資源廳科學研究計劃項目(KJ-2014-10)；長江學者和創新團隊發展計劃資助項目(PCSIRT)

P642.23

A

1000-0941(2016)04-0047-04

王思奇(1990—)，女，黑龍江大慶市人，碩士研究生，主要從事工程地質方面的研究工作；通信作者胡卸文(1963—)，男，浙江金華市人，教授，博士生導師，博士，主要從事工程地質、環境地質方面的教學與研究工作。