對某尾礦庫泥石流防治措施的探討

施燦海，孫高月，黃喬云，陳 旭

(1.昆明有色冶金設計研究院股份公司，云南 昆明 650051；2.中國有色金屬工業昆明勘察設計研究院有限公司，云南 昆明 650051)

mitigation

0 引 言

泥石流作為山區一種突發性的自然災變過程和現象，早在地質時期就已存在并發展著，當這種災變過程與人類的生產活動發生聯系，造成財產損失乃至人生傷亡時，才被視為災害。東川泥石流的研究始于20世紀50年代，以“泥石流的天然博物館”蔣家溝泥石流為代表的研究和治理取得了豐厚的成果。東川礦業開發歷史悠久，尾礦庫的建設及安全運行卻歷來是當地礦山企業面臨的一個難題。因此，中小型泥石流溝內已建尾礦庫泥石流防治措施的研究是一個值得探討和實踐的重要課題。

泥石流溝內尾礦庫的災害防治研究成果和工程實踐較少，但其對于尾礦庫壩體和排洪系統的安全運行是一個關鍵因子。泥石流災害治理方面，巴里新尾礦庫提出了消除庫區流域泥石流災害隱患的治理方案和降低泥石流發生可能的措施；后溝尾礦庫對泥石流采用“攔、固、排及局部支擋”的方案。在泥石流地質災害易發區，采用排洪系統雙進口方案并整體避讓泥石流溝谷危險區范圍布置的方法，增大系統安全度。泥石流災害易損性評價方面，研究建立了云鎳尾礦庫地質災害易損性評價指標和分級分區系統。

該文以某尾礦庫為研究對象，在專項泥石流勘察的基礎上，結合溝內地形地質條件，借鑒研究人員泥石流防治成功經驗。通過在已建排洪設施上游新增攔擋壩和庫區泥石流影響范圍內設置谷坊壩群，形成人工階梯-地形蓄泥消能系統，探討地質災害易發區尾礦庫安全運行中遇到的泥石流防治措施問題。

1 尾礦庫概況

某已建尾礦庫所在溝谷為中小型泥石流沖溝，工程場地抗震設防烈度為8度，設計地震基本加速度值為0.30 g(第三組)。尾礦庫溝谷為構造侵蝕地貌，地形條件可形成較大庫容，交通方便，庫區及周邊2.0 km范圍內無居民點，周邊環境條件較簡單，因不良地質作用及地質災害較發育，對尾礦庫的壩體和排洪設施安全運行造成了不利影響。

尾礦庫初期壩高60 m，堆積壩高48 m，總壩高108 m，全庫容1 200萬 m3，設計等別二等。庫外排洪設施采用擋水壩+排洪隧洞；庫內排洪設施采用排水井+排水管。

該尾礦庫原設計采取的泥石流防治措施是整體避讓下游堆積區(危險區)。由于上游未設置泥石流防治措施，在尾礦庫運行過程中，庫外排洪設施擋水壩壩前和排洪隧洞進口淤堵較為嚴重、排洪隧洞底板不同程度沖刷受損，見圖1。為確保尾礦庫排洪設施安全運行和壩體安全，必需增設泥石流防治措施。

圖1 排洪隧洞上游、進口位置淤堵及底板沖刷圖Fig.1 Picture of clogging of the upstream and inlet of the flood drainage tunnel and floor scour

2 泥石流專項勘查

該地地處小江地震帶，區內幾乎所有溝谷都有不同程度的泥石流發育。為解決尾礦庫安全設施運行過程中面臨的泥石流災害防治問題，需查明泥石流規模和特性，清水匯流區、形成區、流通區和堆積區的分布情況，松散固體物源總儲量和可移動物源量等，作為泥石流防治措施設計支撐。

2.1 泥石流活動分區特征

尾礦庫工程所在泥石流溝清水匯流區(A)7.5 km3，形成區(B)16 km3，流通區(C)5.0 km3，堆積區(D)0.5 km3，分區見圖2。清水匯流區和形成區對應泥石流危險性分區的影響區，流通區對應泥石流災害危險區，堆積區對應泥石流災害極危險區。

泥石流形成、流通、堆積交替發生，具有流通區、堆積區混合分布，非暴雨時多為堆積，暴雨時沖刷揭底，流通堆積相互動態轉換，并順序緩慢向下游推移的分區特征。

圖2 泥石流分區圖Fig.2 Diagram of debris flow zoning

2.2 泥石流形成機理

溝谷兩岸崩坡積層碎塊石進入溝谷，在洪水沖蝕下，造成崩坡積物產生塌岸，進入溝道內。由于溝谷狹窄導致沖淤積物堵塞溝道，形成小堰塞后潰決，大量洪水迅猛而下，引發泥石流。該泥石流溝只有在暴雨強度大、物源充足等各種利于泥石流發生的因素耦合作用才會產生。

總而言之，尾礦庫所在沖溝滿足了泥石流形成的地形、物源和水源條件。

2.3 泥石流特性

泥石流為溝谷泥石流，固體物多在溝谷下游段堆積，沿溝谷呈帶狀堆積，未進入下游河道，溝口地段形成了較明顯的泥石流堆積扇，最大塊石粒徑1.0 m，見圖3。

圖3 堆積區泥石流堆積扇Fig.3 Debris flow fan in the accumulation area

經計算，泥石流流體密度1.55 t/m3，固體密度值2.60 t/m3，屬暴雨型高頻泥石流，為發展期泥石流，主溝道正常年份以洪水沖刷為主，泥石流爆發年則以淤積為主。

泥石流溝屬稀性泥石流，流速計算值4.04 m/s，沖擊力2.8 kPa，最大沖起高度0.83 m，受阻爬起高度1.33 m，下游河段彎道超高計算結果為0.24 m。

溝道總體以陡坡為主，分布區巖層以軟巖為主，物源中大漂石、漂礫很少，流域溝谷無卡口，溝道總體上比較順直，流通區無崩塌、滑坡發育，總體上其為不易堵潰型泥石流。

2.4 泥石流溝現狀及發展趨勢

該泥石流溝無系統的防護工程，受災對象為尾礦庫。現狀尾礦庫擋水壩壩體完好，排洪隧洞結構完整，整體穩定性較好，未出現滑移、傾覆、揭底等現象，溝道及擋水壩壩前有泥石流堆積物堆積。

流域內近幾年來加大了生態環境的保護與恢復，潛在的崩塌體等不良地質作用及災害也得到有效遏制，未來發生大規模泥石流的概率呈下降趨勢。

3 泥石流防治設施設計

按現行規范規定，尾礦庫所在溝谷泥石流防治工程安全等級為一級，泥石流災害防治主體工程設計標準為100年一遇降雨強度。經計算，匯水面積內一次泥石流總量14 913 m3，固體質量3 728m3，按該數值進行防治工程措施的設計。在2號擋水壩上游180 m和490 m位置(泥石流流通區)分別設置1#和2#攔擋壩作為主控措施，以攔蓄泥石流固體物質為主要目的，并兼有調蓄洪峰流量、調控泥石流規模的功能。

在庫區及泥石流形成區沖溝設置谷坊群，共計14道谷坊壩，控制溝床侵蝕，保護溝道及岸坡穩定。庫區內設置2道臨時防護谷坊壩，尾礦庫安全設施影響范圍內泥石流形成區沖溝設置12道谷坊壩。泥石流防治設施設置情況見表1、圖4。

根據運行過程中攔擋壩壩前泥石流淤積情況，采取清淤措施以確保泥石流防治主控措施攔擋壩切實發揮效用。

圖4 泥石流防治措施平面布置圖Fig.4 Layout of debris flow prevention and control

表1 泥石流防治設施Tab.1 Debris flow control facilities

3.1 攔擋壩設計

根據現行泥石流災害防治工程設計規范，針對泥石流治理，在地形較好的流通區地帶，采用可靠的攔擋壩等，以攔載水沙，改變輸水輸沙條件和穩定溝谷；最終達到降低河床坡降，減緩泥石流流速，抑制上游河段縱、橫向侵蝕，保證下游設施安全的目的。除此之外，充分考慮利用溝谷內現有地形，攔擋壩形成人工階梯，并利用地形蓄泥消能，綜合利用人工消能結構和自然消能結構，保障下游尾礦庫的安全建設和運行。

為有效攔擋庫外泥石流，增加排洪系統的安全度，設置泥石流攔擋設施。經項目泥石流專項勘查資料分析，在泥石流流通區設置2座攔擋壩作為主控措施。

攔擋壩及副壩壩型為C25毛石混凝土重力壩，壩基以③全風化-強風化板巖為持力層。攔擋泥石流量及結構參數見表2。

1#攔擋壩壩前有一凹地，可充分利用其成為人工階梯-地形蓄泥消能系統的組成部分。1#攔擋壩詳見圖5。

表2 攔擋壩攔擋泥石流量及結構參數表Tab.2 Capacity and structural parameters of the mudslide dam

(a)平面布置圖

(b)縱斷面圖 (c)橫斷面圖

2#攔擋壩下游地形平緩，采用副壩消能工形成壩下消能，副壩與主壩重疊高度H′，計算公式如下：

式中：

H——副壩重疊高度(m)，Hc為溢流口上泥深/m；

經計算，副壩與2#攔擋壩重疊高度為4 m。

主、副壩間的距離L，計算公式如下：

式中：

L——主、副壩間距。

經計算，副壩與2#攔擋壩間距為24 m。2#攔擋壩和消能副壩形成消能工和地形綜合消能，將泥石流爆發年形成的泥石流在2#攔擋壩內淤積消能后剩余泥石流進入1#攔擋壩進行二次淤積消能。如此，將設防標準下尾礦庫上游泥石流流通區泥石流全部攔擋，攔擋過程“水石分離”，提高尾礦庫排洪系統安全度。

副壩壩高4 m，頂寬2 m，上、下游坡比1∶0.2和1∶0.6，見圖6。

攔擋壩穩定計算內容包括壩體抗滑穩定分析及抗傾覆穩定分析，均按現行規范要求進行計算。計算公式為：

式中：

kc——抗滑安全系數；

k0——抗傾覆安全系數，可根據防治工程安全等級及荷載組合取值；

∑N——垂直方向作用力的總和(kN)；

∑P——水平方向作用力的總和(kN)；

f——壩底與基巖之間的摩擦系數；

∑MN——抗傾覆力矩的總和(kN·m)；

∑MP——傾覆力矩的總和(kN·m)。

經計算，攔擋壩穩定計算結果見表3。

運用RCA分析處理后,杜絕了住院患者跌倒墜床事件的發生,有效地保障了患者住院安全。2016年1月-6月,科內無住院患者跌倒墜床事件發生,達到了護理質量的持續改進。

(a)2#攔擋壩和消能副壩平面布置圖 (b)2#攔擋壩縱斷面圖

(c)2#攔擋壩和消能副壩橫斷面圖 (d)消能副壩縱斷面圖

表3 攔擋壩體穩定計算結果Tab.3 Calculation of blocking dam stability

根據表3計算結果，壩體穩定計算抗滑和抗傾覆安全系數均滿足規范要求。在滿足安全生產管理條件下，壩體可穩定運行。

3.2 谷坊壩群設計

谷坊壩設置以護坡固床為主，壩址選擇在地形狹窄、岸坡較穩定、攔擋庫容較大，對不良地質體和強烈侵蝕溝段有控制作用的部位。同時，充分利用溝谷地形，使得谷坊壩群和溝谷地形成為人工階梯-地形蓄泥消能系統，固床和消能共同作用。

庫區內設置2道臨時防護谷坊壩，尾礦庫安全設施影響范圍內泥石流形成區沖溝設置12道谷坊壩。1#～8#谷坊壩攔擋泥石流量及結構參數見表4。

除此之外，在2#攔擋壩上游增設6道谷坊壩，共同組成谷坊壩群，起到攔砂固床和地形消能的效果，減緩沖溝繼續下切和泥石流暴發時的沖擊力。9#～14#谷坊壩壩高為4 m，采用鋼筋石籠堆筑成堤壩斷面形狀，結構參數同6#～8#谷坊壩，具體布置位置見圖4。

為確保泥石流防治措施固床和消能的設計要求，需根據尾礦庫運行情況及實施效果監測資料，對該次實施的谷坊壩內及時清淤或上游新增谷坊壩。

表4 谷坊壩攔擋泥石流量及結構參數表Tab.4 Capacity and structural parameters of debris check dam

3.3 泥石流防治措施監測

為確保治理工程施工能夠安全順利地進行，同時檢驗防治工程的實際效果，建立完善的監測網絡極為重要，能及時的掌握治理工程施工過程中和施工完成后，泥石流的發展趨勢和緩減情況。泥石流防治措施監測按規范要求設計，并納入尾礦庫工程整體監測系統，人工和在線監測相結合。

泥石流防治措施監測包含：施工期監測、防治效果監測。其中，防治效果監測的主要內容有：①主體工程監測；②雨量監測；③松散固體物質演變監測；④對泥石流的頻率、流量及泥石流流量變化監測。

3.4 工程防治效果預期

(1)物源控制情況

防治措施可將沖溝內大部分泥石流固體物源攔截在中上游區域，降低泥石流的水動力條件，減小泥石流流體密度，調節泥石流下泄峰量和固體物質總量，對泥石流起削弱調節作用。通過對物源的控制，并將物源啟動方式由集中啟動轉化為分散啟動。

(2)重度調節情況

防止措施可調節泥石流流體重度，也即泥沙修正系數的減小。隨著穩攔工程的作用，可參與泥石流活動的松散固體物質減少，而啟動泥石流的水源條件不變。因此，流體重度相應減小，隨著泥石流向下游運動，由于攔擋工程的攔蓄和消能作用，泥石流流體重度進一步削弱。

(3)防治目標效果分析

攔擋壩+谷坊壩群形成人工階梯-地形蓄泥消能系統，減少固體物質，降低泥石流的重度，做到因災設防，有針對性的保護了尾礦庫安全設施。

4 結 語

(1)為緩解中小型泥石流溝內已建尾礦庫排洪設施泥石流堆積物淤堵和沖刷的問題，設置主控設施攔擋壩，對泥石流起到“水石分離”和“攔”的作用，配套設置谷坊壩群起到“固”的作用，降低了泥石流爆發年對下游尾礦庫的沖擊和排洪系統的淤堵風險。

(2)攔擋壩和谷坊壩群均可形成人工階梯，利用其周邊地形空間形成地形蓄泥消能，組合形成人工階梯-地形蓄泥消能系統。

(3)攔擋壩+谷坊壩群的泥石流防治措施，物源控制、重度調節和防治目標效果評價滿足工程防治的要求。

(4)人類工程活動是促進泥石流發展的外因。因此，在尾礦庫安全設施及泥石流防治設施運行過程中，還需加大封山育林、禁伐禁牧的管理力度以恢復植被、控制水土流失。