潼關(guān)礦山泥石流發(fā)育特征及防治探討

王葵穎

0 前言

礦山泥石流是山地礦產(chǎn)資源開發(fā)區(qū)比較多見的地質(zhì)災(zāi)害類型之一[1]，對人民生命財產(chǎn)和礦山生產(chǎn)活動產(chǎn)生過顯著影響。陜西潼關(guān)金礦區(qū)地處小秦嶺北麓，歷史上發(fā)生過數(shù)次礦山泥石流災(zāi)害，造成了重大的人員傷亡和財產(chǎn)損失。例如：1994年7月11日，西峪上游大暴雨形成山洪，沖蝕溝道中采礦渣，形成泥石流，沖毀礦區(qū)公路9 km，涵洞3 km，淤埋文峪金礦礦山設(shè)備百余臺，51人死亡，上百人失蹤。7月12日，支溝洪水將文峪金礦尾礦庫潰壩，形成的坡面泥石流進(jìn)入主溝，形成溝谷泥石流。1996年8月15日，東桐峪在強(qiáng)降雨作用下發(fā)生泥石流災(zāi)害，沖毀房屋、橋梁、農(nóng)田及金礦石，直接經(jīng)濟(jì)損失340萬元。2010年7月23日，蒿岔峪旮旯溝在暴雨作用下，上游山體發(fā)生淺層梳狀滑坡，在溝谷匯聚形成泥石流，沖毀下游選礦廢渣，造成8人死亡的地質(zhì)災(zāi)害[2]。從礦業(yè)開發(fā)階段看，上述泥石流災(zāi)害均屬開發(fā)活躍期的礦山地質(zhì)災(zāi)害，具有人為性、頻發(fā)性、再發(fā)性等特點。

泥石流的形成與發(fā)生受物源的含水率影響，土體的水理性質(zhì)決定了土壤吸水量和透水量的大小和變化，而土壤的吸水性、持水性和透水性的變化直接影響了水分的入滲[3]。多年長期堆存的采礦廢渣，穩(wěn)定性、孔隙度、物質(zhì)組成、植被覆蓋等參數(shù)以及人類活動影響程度，均不同于開采新堆放的廢渣。堆放三年以上的廢渣的入滲速率和入滲時間的相關(guān)性明顯高于新堆放廢渣[4]。對于陜西潼關(guān)金礦區(qū)而言，目前隨著資源的枯竭，開發(fā)強(qiáng)度越來越弱。雖然新渣增量接近于零，但由于歷史廢渣堆組成結(jié)構(gòu)、水分條件的改變，其礦山泥石流隱患依然嚴(yán)重。本文通過分析典型泥石流溝的地質(zhì)環(huán)境條件和金礦開發(fā)廢渣堆發(fā)育特征，探討資源枯竭礦區(qū)的礦山泥石流防治思路。

1 典型泥石流隱患溝地質(zhì)環(huán)境條件

善車峪位于潼關(guān)縣太要鎮(zhèn)，是潼關(guān)南部山區(qū)七條峪道之一，是重要的金礦開發(fā)區(qū)，其礦業(yè)開發(fā)主要集中在中、上游的干溝、鱉蓋子溝、對溝岔、偏岔一帶。善車峪主溝方向呈北北西向，海拔700～1900 m，縱坡降10.64%，峪道呈“V”字形。

1.1 地形地貌

干溝位于善車峪上游，溝長1.5 km，溝谷走向約65°，溝道橫斷面呈“V”字型，海拔1100～1500 m，縱坡降38%，匯水面積約 0.79 km2，兩側(cè)坡體坡度約 30°～40°，溝底一般寬 30～60 m。兩側(cè)山坡上植被多為喬、灌木及草地，出露基巖為條帶狀混合巖、斜長片麻巖等，巖石結(jié)構(gòu)較完整，弱風(fēng)化。陡峻的地形地貌條件有利于坡面徑流迅速匯集，勢能轉(zhuǎn)化為動能，且暴漲猛落，使得坡面水、溝谷水流具有較強(qiáng)的沖蝕和搬運(yùn)能力。高陡的地形地貌為泥石流發(fā)生提供了條件。

1.2 地層巖性

地層巖性為太華群翁岔鋪組黑云母斜長片麻巖夾角閃斜長片麻巖，巖層片麻理產(chǎn)狀240°∠45°，塊狀結(jié)構(gòu)，片麻狀構(gòu)造，巖石節(jié)理發(fā)育，弱風(fēng)化。

1.3 降雨量

研究區(qū)屬暖溫帶半干旱大陸性季風(fēng)氣候，四季分明，年均氣溫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），季節(jié)分配不均，7月～9月三個月的降雨量占全年降水量的50.8%，且多為暴雨（圖1）。此前歷史上24 h最大降雨量113.4 mm（1985年7月24日），1 h為 93.2 mm，10 min為 26.2 mm（1960年7月22日）。極端降雨事件是該區(qū)域暴發(fā)泥石流的激發(fā)因素，由于礦渣的大粒徑、多孔隙等特征，一般降雨情況下，很難起動溝道堆積的礦渣。一旦遇到超強(qiáng)暴雨，由于特殊的地形條件，洪流快速匯集，形成超強(qiáng)洪流，搬運(yùn)起動溝道礦渣，從而形成泥石流。例如在2010年7月23日誘發(fā)的旮旯溝泥石流時間，就是由于典型的超強(qiáng)降雨事件誘發(fā)，據(jù)氣象站統(tǒng)計資料，7月23日13:05～19:30的6.42 h內(nèi)，累計降雨量142.9 mm，其中泥石流發(fā)生前1 h降雨量57.1 mm，前10 min為4.3 mm，為特大暴雨。高強(qiáng)度、短歷時的極端降雨直接誘發(fā)了“7.23”泥石流。

圖1 潼關(guān)縣多年月均降水量直方圖

1.4 開發(fā)活動

潼關(guān)金礦開發(fā)歷史悠久，北宋時即有開采記錄，而規(guī)模開發(fā)始于1975年，20世紀(jì)90年代達(dá)到高峰，后經(jīng)礦山秩序整頓，金礦企業(yè)大幅減少。目前已經(jīng)進(jìn)入資源枯竭期，僅有零星開發(fā)活動。歷史上干溝分布數(shù)家金礦企業(yè)，開發(fā)方式以平硐為主，采出的礦石、廢渣隨意堆放于硐口。

1.5 威脅對象

善車峪上游干溝內(nèi)住有數(shù)十人的采礦工人，以及礦山工業(yè)場地、機(jī)械設(shè)備等設(shè)施，下游的主峪道內(nèi)建有重要的國防設(shè)施。這些均可能遭受上游開采區(qū)礦山泥石流的潛在威脅。

2 典型泥石流隱患溝采礦廢渣的分布特征

2.1 廢渣堆分布

30年來的金礦開發(fā)，使干溝內(nèi)采礦坑口眾多，形成“樓上樓”的采礦活動，采礦廢石隨意堆放，形成重重疊疊礦渣帶。經(jīng)實地調(diào)查發(fā)現(xiàn)，溝內(nèi)堆積廢渣約4.13萬m3，堆積面積約3.81萬m2，溝內(nèi)松散廢石堆高度一般在10～25 m，個別高達(dá)30 m。渣石堆邊坡坡角30°～40°，大多處于失穩(wěn)的臨界狀態(tài)。隨著廢渣的增加，河道“卡口”、“瓶頸”增多，多年洪水?dāng)y帶廢石淤積墊高河床達(dá) 1～3 m。

2.2 廢渣堆物質(zhì)組成

潼關(guān)主要開采石英脈型金礦，采礦排放的廢石主要是含金石英脈的圍巖（片麻巖、角閃巖等）及含金品位極低的石英石，巖石抗壓、抗風(fēng)化能力強(qiáng)（表1）。

無論1994年、1996年歷史上發(fā)生的泥石流地質(zhì)災(zāi)害，還是目前泥石流地質(zhì)災(zāi)害隱患，采礦廢石占泥石流物源的90%。廢石粒度級配寬，塊度大，孔隙度大（表2）。采礦廢石塊直徑大小懸殊、棱角明顯、混雜堆積。礫徑為0.2 cm×0.2 cm×0.2 cm～20 cm×30 cm×40 cm，平均為10 cm×15 cm×15 cm。廢石礫塊間存在較大的孔隙，山坡匯水能夠較快滲透通過廢石堆，很難將其浮托起或形成潰決型渣水混合物（表3）。隨著時間推移，溝坡兩側(cè)殘坡積物質(zhì)的加入，細(xì)的物質(zhì)含量增多，滯水能力增大，泥石流發(fā)生的可能性將增大。

表1 片麻巖工程力學(xué)參數(shù)

表2 物源顆粒級配

表3 物源容重、空隙度

2.3 廢渣堆穩(wěn)定性

干溝溝長1500 m，廢渣補(bǔ)給長度與溝長比0.43，溝道兩側(cè)坡角40°，河道彎度率1.10，河道堵塞率0.87，渣量穩(wěn)定性0.84，采礦強(qiáng)度大，渣石堆層層疊疊，渣堆大部分無擋護(hù)墻，穩(wěn)定性差。在暴雨、礦震、重力等作用下，有向下滑塌的危險。

3 礦山泥石流的防治措施與建議

3.1 建立泥石流監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)

在上游地表水匯流區(qū)，布設(shè)雨量監(jiān)測站，參照歷史泥石流發(fā)生時降雨量，設(shè)立降雨量臨界值，形成南部山區(qū)降雨預(yù)警預(yù)報；在流通區(qū)建立泥位監(jiān)測站、地聲監(jiān)測器，采集泥石流實時信息，積累泥石流研究所需數(shù)據(jù)的同時，觸發(fā)報警系統(tǒng)；在下游設(shè)立報警系統(tǒng)和責(zé)任人，實現(xiàn)提前預(yù)警，避免災(zāi)害傷亡。

3.2 形成區(qū)采用透水柔性穩(wěn)渣措施

根據(jù)研究區(qū)采礦廢石類型，參照其他地區(qū)泥石流防治經(jīng)驗，在廢石渣集中的上游支溝，采用鉛絲籠防治措施，即用鉛絲編制結(jié)成網(wǎng)格的籠狀物體，內(nèi)填塊石，既起到攔渣穩(wěn)渣作用，又具有透水性，并利用回淤，降低溝谷坡降，削減泥石流能量和流速，減少洪水對渣堆和壩體的沖擊作用，保證廢石堆邊坡穩(wěn)定，減少滑塌形成泥石流，從源頭上消除和化解泥石流的成災(zāi)因素。

3.3 流通區(qū)修筑攔擋設(shè)施

在溝道的中游通過修建多道攔砂壩，主要用于攔蓄泥沙，排泄上游洪水并疏干庫內(nèi)積水和淤積物孔隙水；避免攔砂壩控制段內(nèi)的上游重力侵蝕和下游溝道水力侵蝕，起穩(wěn)定岸坡與滑坡，制止溝道下切和側(cè)向擺動的作用；抑制泥石流發(fā)生，限制（約束）泥石流運(yùn)動，減輕泥石流災(zāi)害的作用。

3.4 疏通河道，引導(dǎo)排水

排渣場應(yīng)事先做好排水（如在棄渣下方事先修建維護(hù)方便的排水管道或其他通道）、防護(hù)等工作。主峪道內(nèi)疏通河道、改善排水條件，清理溝內(nèi)淤積砂礫石和滾石等，修建全流域河流通道，使水流在流域內(nèi)順暢、迅速排向下游。

3.5 廢渣綜合利用

提高礦產(chǎn)利用率，減少廢渣排放對環(huán)境的影響；加大棄渣的再次利用率，用于采空區(qū)回填、筑路與建材等。

4 結(jié)論

（1）善車峪干溝地形陡峻，暴雨頻發(fā)，采礦廢渣發(fā)育，穩(wěn)定性差，具備形成礦山泥石流的條件。

（2）在泥石流物源堆積區(qū)，針對采礦廢渣顆粒粗、孔隙度、透水性好的特點，建議采用鉛絲籠等工程手段固定物源，其具有造價低、施工速度快、自適應(yīng)性強(qiáng)、選材容易、不增加泥石流物源及具有透水性等優(yōu)點。

（3）在泥石流流通區(qū)，清理占據(jù)河道的廢石堆和障礙物，拓寬和疏通河道，修建護(hù)堤，保證行洪和泥石流的暢通。同時，采用重力壩、格柵壩等工程措施，攔蓄泥沙，控制廢渣穩(wěn)定性的同時，有效降低靜水壓力，避免群死群傷的重大泥石流地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生。

[1]徐友寧,何芳,張江華,等.礦山泥石流特點及其防災(zāi)減災(zāi)對策[J].山地學(xué)報,2010,28（4）：463-469.

[2]莊建琦,崔鵬,胡凱衡,等.溝道松散物質(zhì)起動形成泥石流實驗研究[J].四川大學(xué)學(xué)報,2010,42（5）：230-236.

[3]吳欽孝,韓冰,李秧秧.黃土丘陵區(qū)小流域土壤水分入滲特征研究[J].中國水土保持科學(xué),2004,2(2):1-5.

[4]陳華清,徐友寧,張江華.小秦嶺大湖峪礦渣型泥石流的物源特征及其危險度評價[J].地質(zhì)通報,2008,27(8):1292-1298.