肖家溝9#礦渣堆泥石流基本特征及防治建議

曾貞，胡文惠

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肖家溝9#礦渣堆泥石流基本特征及防治建議

曾貞1，胡文惠2

（1.四川省地質礦產勘查開發局成都水文地質工程地質中心，成都 610081； 2. 四川省煤田地質工程勘察設計研究院，成都 610072）

肖家溝9#礦渣堆位于瀘州敘永縣落卜片區硫鐵礦礦區，為一條由礦渣形成的潛在泥石流，威脅溝口廠礦企業和沿溝耕地。實地調查和勘查發現，肖家溝泥石流發育主要受溝道條件、物源條件、水源條件的影響。通過深入分析該泥石流基本特征值基礎上，提出了通過對堆積體采用穩攔工程，進而實施堆積體土地復墾的防治建議。

泥石流；特征分析；防治建議；肖家溝

肖家溝9#礦渣堆泥石流位于瀘州市敘永縣落卜片區硫鐵礦礦區，是一條由礦渣堆形成的潛在泥石流溝，主要危害對象為堆積區內大屯村二組村民、洪峰石場以及公路。現9#礦碴堆坡面松散，斜坡坡度較陡，在降雨作用下已出現拉槽等變形跡象，拉槽深度約1m，寬度2m，在雨季有發生坡面泥石流的可能性。因受到攔擋壩的約束，其進入下游溝道參與泥石流活動的可能性較小，因而危害較小。主要危害是因棄碴堆積造成的土地壓占和地形地貌景觀破壞[1]。

礦山地質環境問題與人民的生產生活息息相關，事關國家經濟的穩步發展，事關人與自然的和諧統一。國土資源部將礦山生態環境保護確定為國土資源生態建設和環境保護的主要任務之一, 并把礦山生態環境恢復治理和土地復墾列為七大重點實施的工程之首[2]。

圖1 Z03棄碴堆積體（9#棄碴堆積體）特征

圖2 肖家溝右岸Z03棄碴堆積物源工程地質剖面圖

1 泥石流形成條件

1.1 溝道條件

肖家溝縱向長度2.02km，平均寬度0.2km，流域面積0.43km2。流域最高點位于勘查區西側施家山，高程1 017.80m，最低點位于肖家溝與大樹河交匯處，高程約375.4m，相對高差約642.4m；主溝平均縱坡降207‰。肖家溝泥石流主要危害對象為堆積區內大屯村二組村民、洪峰石場以及公路。肖家溝口扇形地寬約30m，長約20m，溝道和溝口堆積物均砂卵石土為主，土質成分含量少，為主河大樹河沖洪積，為稀性泥石流的特點，規模較小，未沖出溝口。

根據肖家溝可劃分為三個溝段，分水嶺至1#物源點附近為清水區，由1#物源點附近至現有攔擋壩段為物源區，現有攔擋壩段以下至溝口為流通堆積區[3]。

清水區兩側坡度較大，一般35°~50°，大者達60°以上；溝道長699m，坡降264.5‰，相對高差185m，溝谷橫斷面多呈"V"字型。溝源段植為耕地，總體上崩滑不良地質現象不發育。物源區溝道縱坡降也較大，谷底平均寬度5～8m，溝岸呈V型，岸坡坡度在35°以上，由于岸坡寬緩，不良地質現象不發育，大量采礦棄碴提供主要泥石流松散固體物源。該段溝道平均縱比降為149.67‰，流通堆積區該段溝道相對上游區相對寬緩，據調查，該段溝道平均寬度10～15m，平均縱坡降為201‰。

1.2 物源條件

肖家溝泥石流物源主要來自于溝道內的采礦棄碴，物源類型劃分為采礦棄碴物源、溝道堆積物源等兩類。據統計，流域內主要物源點共5處，物源總量7.3×104m3，動儲量0.52×104m3。物源類型以采礦棄碴堆積物源所占比例較大，集中分布于肖家溝中段，以粒度小于5cm的細顆粒物質所占比例較大，不利條件下易于啟動。各物源點基本情況統計如表1。

1.3 水源條件

流域內有少量礦坑水涌出，流量較小，沿溝無大的地表水體分布，形成泥石流的水源主要為降雨匯水。該地區降雨豐沛，且地形較陡峻，巖溶區松散層厚度較小，局部見基巖裸露，有利于降雨的匯聚，因而總體上具備發生泥石流的水源條件。

表1 泥石流物源量統計表

1.4 既有治理工程及效果

1）9#棄碴堆積體截排水工程（圖3），起點位于9#棄碴堆積體頂部于肖家溝溝道交匯處，終點位于攔擋壩后，溝長227m，高差46m，溝道縱坡202‰，溝道采用梯形斷面，C15毛石混凝土結構。溝頂寬1.5m，底寬1m，深1.2m，兩側厚0.4m，底厚0.2m。根據復核該截排水溝滿足洪水過流。

2）9#棄碴堆積體攔擋工程（圖4），攔擋壩長45m，高6m，基礎埋深3.467m，采用仰斜式擋砂墻的結構形式。壩頂寬2.35m，迎水面坡率1∶0.25，設反濾層，背水面坡率1∶0.25，采用C15毛石混凝土，間隔10～25m設置沉降縫，布置兩排泄水孔。該壩有效攔截上游泥石流固體物質，特別是對9#礦碴堆起到了穩固的作用，防治其啟動參與泥石流活動。壩整體結

構良好，未見出現大的裂縫、傾倒等變形跡象。目前處于半庫運行狀態，經穩定性復核計算，壩體穩定性較好，工程有效。

3）紅蜂石廠棄碴堆積攔擋工程，紅蜂石廠棄碴堆積攔擋工程采用毛石混凝土谷坊壩，壩高約3m，寬10m，頂寬1m，現已淤滿。因此失去了對上游泥石流物質攔擋的功能。

圖3 9#礦碴截排水溝

圖4 9#礦碴攔擋壩

2 泥石流基本特征值的計算

2.1 假設無治理工程約束條件下

1） 重度計算：查表打分法則具有綜合性和預測性，所得結果具有較好的客觀性，因此，泥石流重度綜合取值采用查表法得到的結果。

表2 泥石流流體重度查表法結果統計表

2） 泥石流流速計算：根據調查和泥石流重度計算，此次泥石流流體性質主要稀性泥石流，因而采用鐵二院公式進行計算。

計算公式為：

式中V—泥石流流速（m/s）；γ—泥石流固體物質重度（t/m3）；—泥石流泥沙修正系數；—泥石流溝床糙率系數；H—平均泥深（m）；I—泥位縱坡率，以溝道縱坡率代替。

據上式，計算參數和計算結果詳見表3。

表3 泥石流流速計算表（鐵二院公式）

3） 流量計算：由于為潛在泥石流溝，因此采用雨洪法進行計算。

a、暴雨洪峰流量計算，根據《泥石流災害防治工程勘查規范》（DZ/T0220—2006）（以下簡稱《規范》[4]，采用《四川省水文水冊》（1979年版）和《四川省中小流域暴雨洪水計算手冊》（1984年版）公式計算地表水匯水流量，計算公式為：

式中，Q－最大洪峰流量（m3/s）；ψ－洪峰徑流系數；i－最大平均暴雨強度；s－暴雨雨力；n－暴雨公式指數；F－集水面積（km2）；L－主河道長度（km）；J－沿L的河道平均坡度；τ－流域匯流時間（h）；τ0－當ψ＝1的流域匯流時間（h）；μ－產流參數（mm/h）；θ－流域特征系數；m－匯流參數。

表4 暴雨洪峰流量計算表

根據上述計算公式，流域特征參數F、L、J，最大1小時、6小時暴雨量均值H1、H6，及對應的Cv1、Cv6，選擇適當的μ和m，并進行n2試算。根據試算的成果判斷是否符合n2的范圍，不符合則增加最大1/6小時或24小時的暴雨量均值及相應的Cv值，再用n1或n3試算。其中，n1范圍：1/6～1小時；n2范圍：1～6小時；n3范圍：6～24小時。

計算參數中，暴雨雨力參數的確定主要根據《四川省中小流域暴雨洪水計算手冊》，區內年最大24小時暴雨量平均值為70mm，變差系數為0.42；年最大6小時暴雨量平均值為65mm，變差系數為0.47；年最大1小時暴雨量平均值為35mm，變差系數為0.45；年最大10分鐘暴雨量平均值為15mm，變差系數為0.40。其他流域特征參數主要從平面和縱橫斷面圖上量算。據此，求得的各斷面部位暴雨洪峰流量值詳見表4。

b、泥石流峰值流量計算，根據《規范》，采用公式：

Q=（1）Q D

式中Q—泥石流斷面峰值流量（m3/s）；—泥沙修正系數；Q—暴雨洪峰流量；D—堵塞系數，按勘查規范表I.1查表確定。

其中，泥沙修正系數采用查表法得到的結果。堵塞系數主要反映由于溝道過流條件可能對泥石流過流造成堵塞，松散固體物源以超出常態規模參與泥石流活動，放大泥石流流量的作用，其確定方法是按照泥石流按正常模式啟動的條件下，按現有溝道的堵塞程度確定。

據此計算求得各斷面處泥石流峰值流量如表5。

表5 泥石流峰值流量計算表

4） 一次過流總量和固體物質沖出量計算:按照《規范》計算公式為：=0.264TQ

表6 斷面泥石流過流總量和固體物質沖出量計算表

根據上式，對其中溝口控制性斷面一次過流總量和固體物質沖出總量進行了計算，計算結果如表6。

5）整體沖壓力計算：泥石流整體沖壓力按《泥石流災害防治工程設計規范》（DZ/T0239－2004）3.1－8式計算：

式中—沖壓力（KN）；—建筑物形狀系數，圓形建筑物=1.0，矩形建筑物=1.33，方形建筑物=1.47；γc—泥石流重度（KN/m3）；νc—泥石流平均流速（m/s）；—建筑物受力面與泥石流沖壓力方向的夾角。

表7 泥石流整體沖壓力計算表

計算時，流速采用前述流速計算結果；泥石流重度采用查表；受力面與沖壓方向夾角按正交取90°，計算參數及計算結果見表7。

6）沖高和爬高計算；泥石流爬高和最大沖起高度按照《規范》附錄I提供的計算公式進行計算：

表8 泥石流沖起高度和爬高計算表

表9 泥石流流體重度查表法結果統計表

計算斷面的確定、流速參數的確定與泥石流整體沖壓力的計算參數相同，計算結果詳見表8。

2.2 現有治理工程約束條件下

計算參數和斷面與假設無治理工程約束條件下的相同，計算方法也采用雨洪法，但考慮既有治理工程有效的條件下，其可能啟動的松散物源量將大大削減，相應的流體重度、泥沙修正系數也將減小。

1）重度計算：根據泥石流勘查規范，對易發程度進行評分，然后根據勘查規范附表G.2查出對應的泥石流重度和泥沙修正系數。肖家溝溝物源量相對較少，且主要為分散型物源，泥石流易發程度為輕度易發。據此泥石流易發程度評分、對應流體重度和泥沙修正系數情況詳見表9。

表10 泥石流流速計算表（鐵二院公式）

2）泥石流流速計算：根據調查和泥石流重度計算，此次泥石流流體性質主要稀性泥石流，因而也采用鐵二院公式進行計算。計算參數和計算結果詳見表10。

3）流量計算：①暴雨洪峰流量計算，計算方法和公式同假設無治理工程條件相的相同，但9#棄碴堆積體已修建攔擋壩處考慮截水溝將匯水截排至壩體下方，實現了水沙分離，因而集水面積為截水溝處至壩處面積。據此，各斷面部位暴雨洪峰流量值詳見表11。②泥石流峰值流量計算計算方法同前，計算參數和計算結果如表12。

表11 暴雨洪峰流量計算表

表12 泥石流峰值流量計算表

4）一次過流總量和固體物質沖出量計算：計算方法和公式同假設無治理工程約束條件相同，計算參數和計算結果如表13。

表13 斷面泥石流過流總量和固體物質沖出量計算表

5）整體沖壓力計算：計算方法和公式與假設無治理工程約束條件相同，其計算參數及計算結果詳見表14。

表14 泥石流整體沖壓力計算表

6） 沖高和爬高計算：計算方法和公式與假設無治理工程約束條件相同，計算參數和結果見表15。

表15 泥石流沖起高度和爬高計算表

3 防治工程方案建議

肖家溝泥石流為輕度易發，且中游區以9#棄碴堆積體為主的松散物源啟動和進入下游溝道成災的可能性較小，而下游虹峰石廠部分棄碴雖可能啟動成災，但屬虹峰石場礦權范圍，虹峰石場作為生產礦山為其責任主體，因而這部分屬石場自身礦山環境治理與恢復的范圍，不宜納入治理工程。

因此，治理工程主要針對9#棄碴堆積體邊坡可能發生坡面泥石流，并不斷向下游壩前淤積，造成地形地貌景觀破壞問題日益嚴重的問題。建議方案一：通過對堆積體的坡面整理，削坡填溝，進而實施堆積體的土地復墾,為綠化奠定基礎。方案二：通過對堆積體采用穩攔工程，進而實施堆積體的土地復墾,為綠化奠定基礎。

4 結論

肖家溝泥石流為潛在泥石流溝，從發生頻率看屬低頻泥石流，發展階段屬發展期。通過野外調查、試驗和計算，在無約束條件下肖家溝泥石流容重為1.481t/m3，在流通堆積區流速為1.831～4.445 m/s，在流通堆積區峰值流量為6.634～9.707 m3/s，泥石流過流總量為0.46×104m3，固體物質沖出量為0.13×104m3，泥石流規模為小型。在已有治理工程條件下肖家溝泥石流容重為1.433t/m3，在流通堆積區流速為0.406～4.193 m/s，在流通堆積區峰值流量為0.036～5.185 m3/s，泥石流過流總量為0.31×104m3，固體物質沖出量為0.06×104m3。

建議治理工程主要針對9#棄碴堆積體邊坡可能發生坡面泥石流，并不斷向下游壩前淤積，造成地形地貌景觀破壞問題日益嚴重的問題，通過對堆積體的坡面整理，為該堆積體的土地復墾和綠化奠定基礎。

[1] 高培.基于 GIS 和 RS 的葫蘆島礦山地質環境綜合評價研究[D].北京:中國地質大學,2009.

[2] 張梁.我國礦山生態環境恢復治理現狀和對策[J].中國地質礦產經濟,2002, （4）:25-27, 31.

[3]曾貞，四川省瀘州市敘永縣落卜片區硫鐵礦礦山地質環境治理示范工程（河西片區）9#礦碴堆（肖家溝）泥石流勘查報告 [R] .四川省華地建設工程有限責任公司, 2010 .

[4] DT/ T0220-2006 泥石流災害防治工程勘查規范[S] .北京:中國標準出版社, 2006.

Basic Features and Control of the Debris Flow from Slag Heap 9 in the Xiaojia Gully

ZENG Zhen1HU Wen-hui2

（1-Chengdu Center of Hydrogeology and Engineering Geology, Chengdu 610081; 2-Sichuan Research Institute of Coalfield Geological Engineering Exploration andDesign, Chengdu 610072）

TheXiaojia Gully is located in a pyrite mine districtin Luopu, Xuyong County, Luzhou. It is a flow gully with potential debris formed from slag heap 9, threatening gully factory and mining enterprises and cultivated land along the ditch.A field investigation indicates that the development of thepossible debris flowwillbe influenced by channel conditions, material conditions and hydrogeological conditions as well as the existing engineering project. A suggestion on its control was made based on the analysis of possible movement characteristics of this debris flow.

debris flow; basic characteristics; a suggestion on control

2017-12-11

曾貞（1982-），女，四川瀘州人，工程師，現從事水工環地質工作

P642.23

A

1006-0995（2018）04-0618-06

10.3969/j.issn.1006-0995.2018.04.019