礦區(qū)群發(fā)性泥石流綜合防治研究

賈雪梅，周自強，劉興榮，張國信

(甘肅省科學院地質自然災害防治研究所，甘肅 蘭州 730000)

甘肅省位于黃土高原、青藏高原、內蒙古高原三大高原和西北干旱區(qū)、青藏高寒區(qū)、東部季風區(qū)三大自然區(qū)域的交匯處，由于特殊的地理位置，區(qū)內地質構造復雜，是全國地質災害最為發(fā)育的省份之一，同時也是全國礦業(yè)資源大省，其礦產資源種類居全國前三。城鎮(zhèn)建設、交通建設、水利水電建設、特別是礦山建設及開采中由于棄土棄渣的不合理堆砌，往往導致礦山泥石流災害頻發(fā)，給人民生命財產造成巨大損失。目前礦山泥石流的系統(tǒng)研究尚處于發(fā)展階段，從礦山泥石流個案研究[1- 4]、礦山泥石流形成、評價及防治對策[5- 7]，到有關礦山泥石流[8]形成機理的研究逐漸深入，疊加礦區(qū)地質環(huán)境特定條件下的群發(fā)性泥石流研究仍然很少。本文通過對紅古北山礦區(qū)群發(fā)性泥石流形成條件、發(fā)育特征的深入調查，提出符合當地實際的泥石流防治模式和綜合治理方案，進而總結提出了礦區(qū)群發(fā)性泥石流防治建議，以期對礦區(qū)群發(fā)性泥石流防治實踐提供技術支撐。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于蘭州市紅古區(qū)海石灣鎮(zhèn)，地處紅古西部湟水河與大通河交匯處，紅古海石灣城區(qū)即坐落于湟水河河谷北岸的二級階地上，其北部為黃土丘陵溝壑區(qū)，黃土下伏白堊系棕紅色砂泥巖以及侏羅系含煤地層。窯街煤電集團公司海石灣煤礦即位于研究區(qū)內，該礦井田東西長約2km，傾斜寬5km，8.11km2。區(qū)內新構造運動比較活躍，地質環(huán)境條件復雜，山高坡陡、地形破碎，共發(fā)育包括麻昌溝、上沿溝、公園溝、澇壩溝、下沿溝、槽壩溝、海石大溝和棗兒溝等在內的8條泥石流災害，泥石流穿城而過，其中發(fā)育最為嚴重的海石大溝泥石流威脅近1/3的城區(qū)(如圖1所示)。

圖1 研究區(qū)衛(wèi)星影像圖

2 泥石流形成條件

陡峭的地形、充沛的降水和流域內豐富的松散固體物質是泥石流形成的基本條件，礦區(qū)日益活躍的人類工程經濟活動加速了泥石流的暴發(fā)強度和頻率。

2.1 地形條件

泥石流形成的地形要素主要包括泥石流溝的流域形態(tài)、流域面積、山坡坡度及溝床比降等，是泥石流發(fā)生的動力來源。研究區(qū)地形輪廓呈狹長的“山”字型，北面依山，西南臨水，地勢西北高東南低，自西北向東南逐漸傾斜，海拔高度1720～2462mm。北山溝谷深切，總體呈“V”字型，植被主要為草本植物，覆蓋率一般小于10%，溝坡坡度一般30°～50°，局部陡峭地區(qū)達80°以上，主溝縱坡比121.56‰～224.26‰，溝谷主溝長度490～6385m、流域面積0.319～13.33km2，單溝流域內相對高差110～742m，溝谷呈“長條形”“桃葉形”“扇形”等不同形態(tài)特征。

2.2 物源條件

松散的固體物質是形成泥石流最基本的條件之一，其種類和來源形式多種多樣，主要有坡面松散堆積物、溝岸崩塌、滑坡以及溝道堆積建筑、生活垃圾和煤矸石等，其中煤矸石堆積物量大且較為集中、松散，成為礦區(qū)泥石流的鮮明特征。據統(tǒng)計，北山8條泥石流溝流域內的可轉化為泥石流的固體物質貯量為0.32×104～295.68×104m3，以危害最嚴重的海石大溝泥石流為例，坡面松散堆積物占24.48%，崩塌占3.91%，滑坡占64.12%，建筑、生活垃圾占1.72%，煤矸石堆積占5.77%，煤矸石堆積物總量僅次于滑坡和坡面松散堆積物。區(qū)內黃土下伏白堊系砂泥巖屬于典型的易滑地層，受礦產資源開采以及極端天氣影響，滑坡發(fā)育多達28處，為泥石流發(fā)育提供了豐富的物源。2018年4月9日13～16時，海石大溝上游海石灣煤礦上工業(yè)廣場突發(fā)大規(guī)?；?如圖2—3所示)，系一老滑坡局部復活，分南、北2塊，南側體積290×104m3，北側50×104m3，分級滑動，滑坡前緣直抵溝底，進一步增加了泥石流物源。同時，流域內分布著海石灣煤礦、油頁巖礦以及幾處小規(guī)模粉煤廠，歷史上缺少科學合理的規(guī)劃，將煤礦開采產生的大量廢棄礦渣隨意、無序堆放在溝道內，形成大小不一，規(guī)模不等的渣堆群(如圖4所示)。渣堆不僅壓占土地資源、污染水土環(huán)境，影響地形地貌景觀，同時也構成泥石流松散固體物質主要來源之一，是潛在地質災害隱患。如“4·9”滑坡北側老滑坡的復活主要就受煤矸石堆載誘發(fā)。

圖2 滑坡典型斷面

圖3 海石灣煤礦上工業(yè)廣場滑坡全貌

圖4 海石大溝支溝煤矸石堆擠占溝道

2.3 水動力條件

紅古區(qū)多年平均降水量349.6mm，年內降雨分配不均，5—9月為暴雨多發(fā)期，尤以7—8月份發(fā)生的暴雨最大，并且具局地性、短時程、強度大等特征。短歷時、大強度降雨為泥石流形成提供了充足的水動力條件。據有關資料，區(qū)內形成泥石流的臨界雨強為25mm/h，成災雨強為40mm/h[9]。而紅古區(qū)小時最大降水量為39.0mm，10分鐘最大降水量為18.6mm，具備形成泥石流的水動力條件。

3 泥石流特征

3.1 泥石流類型

泥石流的類型有多種劃分方案，根據野外調查及顆分試驗，紅古北山泥石流按照水源和物源分類屬于暴雨型，按照集水區(qū)地貌特征分類為溝谷型，按照暴發(fā)頻率分類屬于高頻，按照一次暴發(fā)規(guī)模分類海石大溝為中型，其余均為小型。按照物質組成和流體性質分類，粘、粉、沙、礫等各種粒度均有分布且不均(如圖5所示)，重度1.3～1.6t/m3，綜合判斷北山泥石流均為稀性泥石流。

圖5 紅古北山典型泥石流顆分曲線

3.2 泥石流危害特征

研究區(qū)泥石流具有暴發(fā)突然、沖擊力強、沖淤變幅大的特點，主要危害方式以淤埋和漫流、撞擊和爬高及擠壓主河道為主，災害放大效益明顯。

根據DZ/T 0220—2006《泥石流災害防治工程勘查規(guī)范》單溝泥石流危險區(qū)預測計算公式：

S=0.6667L×B-0.0833B2sinR/(1-cosR)

(1)

式中，L—泥石流最大堆積長度，km，L=0.8061L+0.015A+0.000033W;B—泥石流最大堆積寬度，km，B=0.5452+0.0034D+0.000031W;R—泥石流堆積幅角，(°)，R=47.8296-1.3085D+8.8876H;A—流域面積，km2；B—松散固體物質處理，104km3；D—主溝長度，km；H—流域最大高度，m。

極端天氣情況下，若泥石流群發(fā)，相鄰溝道泥石流疊加，流量、流速、淹沒范圍和沖擊力等參數瞬間增大，對位于溝口泥石流堆積扇上的城區(qū)及市政設施等可構成嚴重威脅(如圖6所示)，直接威脅紅古城區(qū)各類企事業(yè)單位、住宅商鋪、公路橋涵，蘭青鐵路、國道109以及供水供電通信線路、管道設施、護城河堤等，威脅人數高達12000人，潛在直接經濟損失19.5億元，險情等級放大，屬于特大型。

圖6 紅古北山泥石流危害范圍分區(qū)圖

4 綜合防治

泥石流治理工程應以保護人民生命財產安全為首要任務，按照“誰引發(fā)，誰治理”；全面規(guī)劃、綜合治理；溝坡兼治，治溝為主的原則，做到以人為本，綜合分析，全面規(guī)劃，制定安全有效、經濟合理的治理方案和措施。根據GB 50201—2014《防洪標準》《甘肅省地質災害防治工程勘查設計技術要求》(試行)等相關規(guī)范，確定海石大溝泥石流綜合治理工程設防標準為100年一遇(P=1%)，治理工程構筑物等級為甲類構筑物；其余泥石流溝防洪標準按50年(P=2%)，治理工程為丙類構筑物。

4.1 設計參數

泥石流設計重度rc采用甘肅省泥石流重度經驗公式[10- 11]和野外實地采樣分析綜合確定，北山泥石流重度13.72～15.55kN/m3，通過攔排結合的治理工程實施以后，泥石流重度下降至12.7～13.5kN/m3以下，成為含沙洪水。

泥石流流量采用配方法計算[12- 13]，即

QC=(1+?C)QP·DC

(2)

式中，QC—頻率為C的泥石流峰值流量，m3/s；QP—暴雨洪峰流量,m3/s；?C—泥石流泥砂修正系數，?C=(γc-γw)/(γH-γc)；γc—泥石流重度，kN/m3；γw—清水重度，kN/m3，取為1；γH—泥石流中固體物質比重，t/m3，根據現(xiàn)場實驗取值；DC—泥石流堵塞系數，取1.0～1.5。

根據“鐵一院”西北地區(qū)公式計算百年一遇清水流量：

(3)

式中，QP—暴雨洪峰流量，m3/s；k1—產流因子，k1=0.278SF(S為面積平均暴雨參數，mm/h)；F—流域面積，km2；k2—損失因子，k2=RSr1-1，其中R和r1為損失系數和損失指數，取前期土壤中等潮濕，R=1.02，r1=0.697；P1—同時匯流面積系數；x—綜合匯流因子；n′—隨暴雨遞減指數n而變化的指數；y—反映流域匯流特征的指數。

50年一遇的清水流量、泥石流流量按照系數折算法計算。據紅古區(qū)降水、水文特征和有關資料，折算系數取0.8。確定海石大溝100年一遇泥石流流量為96.89m3/s，治理后100年一遇泥石流流量為66.03m3/s。其余泥石流溝50年一遇泥石流流量為4.33～15.03m3/s，治理后50年一遇泥石流流量下降至3.46～11.27m3/s，同頻率泥石流流量降低20%～25%。

4.2 綜合防治方案

紅古北山群發(fā)性泥石流綜合防治分3個層次，分期實施，首先對流域內建筑和生活垃圾以及煤矸石堆先行治理，其次對海石大溝主溝上游滑坡進行專項治理，穩(wěn)溝固坡，控制泥石流物源，最后針對泥石流群進行綜合治理。泥石流綜合治理主要采取“攔擋+排導+防沖檻+附屬工程”措施，自東向西，主溝修建攔擋壩工程15座，總體布局為東部棗兒溝和中部海石大溝單排進入湟水河，西部澇壩溝、曹壩溝、公園溝、下沿溝泥石流自出山口新建排導渠引至北環(huán)路北側，沿北環(huán)路北側自東向西引至惠民巷東側后，接城建部門沿惠民巷東側向南既有排洪渠至窯街路，再折向西引至紅山路，匯入交通部門在建排洪渠，最終匯入湟水河(如圖7所示)。

圖7 紅古北山群發(fā)性泥石流治理方案示意圖

5 結論

紅古山泥石流綜合治理工程實施已經3年，其效果良好，切實保護了當地人民生命財產安全，針對礦區(qū)群發(fā)性泥石流防治提出以下幾點建議：

(1)源頭管控，防患于未然。強化生態(tài)文明思想，本著資源開發(fā)與環(huán)境保護并重的理念，實現(xiàn)礦山采選棄渣的全方位管控。首先，采取廢土棄渣的減量化排放或者資源化再利用等技術；其次對于新規(guī)劃棄渣場，選址要科學、合理，并做好棄渣堆放設計方案及應急預案；再次對已堆放棄渣要加強監(jiān)測和必要的攔渣穩(wěn)渣擋墻及排導工程措施，從源頭上減少、控制泥石流成災物源[14- 15]。

(2)統(tǒng)籌兼顧，系統(tǒng)規(guī)劃。統(tǒng)籌各要素，規(guī)劃前要加強與建設、水利、交通、自然資源等部門的溝通協(xié)調，做好城鎮(zhèn)化、水利水保、災區(qū)移民搬遷、地質災害治理、礦山環(huán)境恢復治理等項目的規(guī)劃銜接。

(3)綜合治理，分期實施。礦區(qū)群發(fā)性泥石流具有群發(fā)性特征，活動性強、危險性大、災害放大效應明顯，治理要從“單項治理”向“綜合治理”轉變，結合礦區(qū)地質環(huán)境條件特點，不僅考慮單溝泥石流治理，還要考慮多條泥石流溝區(qū)域性的綜合治理；治理措施也要綜合工程措施、生物措施以及監(jiān)測措施，充分發(fā)揮各自優(yōu)勢，達到最優(yōu)組合。統(tǒng)一部署，分步實施，有序推進，才能確保區(qū)內生態(tài)環(huán)境不斷向好。