评工程师论文工程师职称评审论文：基于水动力条件的矿山泥石流成因和特征以石棉县后沟为例摘要: 四川省石棉县后沟是一条典型的高频矿山泥石流沟,坡面矿渣面蚀、沟道矿渣揭底和沟口尾矿侧蚀溃决是泥石流发生的三种主要成因。水动力条件通过对矿渣提供方式的影响而导致矿山泥石流在成因、规模等方面的差异。计算表明,单纯洪水难以对后沟尾矿库稳定性构成威胁, 10 a一遇泥石流主要由坡面矿渣面蚀和沟道矿渣揭底引发,流量10 m的老泥石流堆积扇,直接通过该切口通道流向楠垭河。22弃渣补给与矿山泥石流四川石棉矿矿山开采活动主要集中在后沟流域距离沟口25 km以下的下游右岸(见图1),矿山开采导致后沟流域内环境地质问题突出: (1)粗放式开采增大了矿山边坡角,造成山体斜坡失稳,产生大量滑坡、崩塌等松散堆积体,进入沟中成为泥石流的固体物质来源; (2)矿山坑道开采中只掘硐,不回填的作业方式,导致一系列地面塌陷、沉降等矿山地质环境问题; (3)矿山公路施工中的“之”字走向,使地表植被遭到极大破坏,距沟口2 km以下两侧斜坡几乎裸露; (4)采矿过程中产生的大量废石、尾矿任意顺坡堆放,这些松散物质顺坡排入沟中,抬高河床。根据遥感解译和现场调查,采矿区植被覆盖率不足20%,与其他地区85%以上植被覆盖率成为鲜明对比。流域内矿渣补给主要来自3个方面: (1)尾矿坝。后沟石棉矿开采最多的矿渣集中堆放在沟口开阔处,形成了一座“渣山”,几乎挤占了整个沟道,且基本无防护。据测量,尾矿场规模已超过35104m3(图4-a和4-b),这是后沟矿渣泥石流最重要物源。(2)坡面矿渣与公路弃渣。由于斜坡较陡,在重力作用、雨水冲刷和坡面渗流作用下,矿渣和弃渣时常失稳发生崩塌和坡面泥石流,沿着斜坡一直堆积到坡脚(图4-c),两者方量约5104m3。(3)沟床矿渣。沟床矿渣主要堆积在下游长约25km沟道范围内(图4-d),平均宽约30 m,厚度一般052 m,方量约8104m3。从矿渣物质组成来看,后沟流域矿渣类型单一,以碎块石为主,但尾矿坝矿渣粒度粗于其他矿渣。上述三个方面的矿渣通过三种方式补给并引发泥石流,尾矿库矿渣通过侧蚀甚至溃决方式为泥石流提供大量物源(图4-b),坡面矿渣或弃渣主要通过面蚀补给泥石流(图4-c),而沟床矿渣主要通过揭底方式参与泥石流(图4-d)。23水动力与侵蚀231洪水动力与侵蚀后沟流域地处川西高原与四川盆地的过渡带,受太平洋、印度洋与青藏高原大气环流的影响,气候是以亚热带季风气候为基带的山地气候。据石棉县气象局观测资料,后沟沟口多年平均年降水量为1 2009 mm1),但季节分配不均, 59月降雨量占全年降雨总量的864%。集中强降雨为后沟矿渣泥石流的发生提供了水动力条件。根据四川省中小流域暴雨洪水计算手册提供的暴雨资料9,对后沟流域不同频率下洪峰流量进行了计算,结果见表1。调查发现,沟口尾矿坝S侧有一缺口,洪水及以往发生的数次泥石流均是从此处通过并流向楠垭河(图5)。由于尾矿坝矿渣表面堆放坡度约3540,接近矿渣自然休止角10,结构松散、孔隙度大,透水性强,几乎无胶结,稳定性差,时常发生崩落。因此,在雨水冲刷和侧蚀等外力作用下,尾矿坝稳定性明显降低,但由于尾矿坝长宽比接近1,整体溃决可能性小,将主要通过“剥皮式”为泥石流的发生不断提供,从而增大泥石流的规模和危险性。测量得知,尾矿坝S侧缺口过流断面面积约20 m2,受弯道和尾矿坝阻挡作用的影响,后沟洪水流速一般34m/s,结合表1中所计算的洪峰流量发现百年一遇洪水难以对尾矿坝进行侵蚀。相反,洪水或小规模泥石流携带的矿渣部分在尾矿坝坡脚处堆积,形成高约2 m的矿渣侧积平台,进一步抑制了洪水对尾矿坝的侵蚀,而沟道S侧斜坡堆积于下伏基岩之上的弃渣侧积堤厚度约35 m,通过比对可以旁证洪水对尾矿坝的侧蚀作用有限。访问、调查也证明,后沟泥石流形成过程主要先后经历: (1)在暴雨或持续降雨发生情况下,形成坡面径流,雨水汇积于沟中形成洪流; (2)洪流强烈地冲刷沟床和沟侧的废石矿渣等,坡面矿渣通过面蚀,沟道矿渣揭底侵蚀卷入洪流,成为高含沙洪流; (3)高含砂洪流挟着上述固体物质沿沟床向前推进,沿途滚雪球似的不断壮大规模,形成稀性泥石流以及(4)泥石流侧蚀尾矿,泥石流规模增大4个阶段。综上,洪水动力主要导致坡面矿渣面蚀和沟道矿渣揭底侵蚀,导致小型泥石流发生,而对尾矿坝并没有直接侧蚀,以面蚀或揭底方式事先形成且泥位超过2 m的泥石流才开始侧蚀尾矿坝。232泥石流动力与侵蚀在洪水发生和面蚀、揭底作用引起小型泥石流发生前提下,进一步探讨泥石流动力条件及其对尾矿坝的侵蚀作用。由于尾矿坝位于后沟沟口,采用配方法计算泥石流流量时可不考虑尾矿坝的影响。因此,在洪峰流量计算基础上,假设泥石流与暴雨同频率、同步发生且计算断面的暴雨洪水设计流量全部转变为泥石流的流量,采用配方法8计算尾矿坝没有参与情形下后沟泥石流发生的洪峰流量,计算结果见表2。计算中泥石流容重取14 t/m3,矿渣容重取26 t/m3,沟道堵塞程度一般,堵塞系数取15。采用西南地区(铁二院)公式8对后沟稀性矿渣泥石流进行计算式中Hc为计算断面的平均泥深; Ic为泥石流水力坡度,测算为105;1n为泥石流沟床的糙率系数按规范8取10。按照不同泥深,分别根据公式计算泥石流流速,进而计算出缺口断面的可通过流量,结果见表3。对比表2和表3可以看出,从10 a一遇的泥石流开始,泥石流泥位将首次超过2 m, 20 a一遇泥石流作用下,泥石流泥位将达到34 m,而在100 a一遇泥石流作用下,泥石流泥位将达到45 m。由于上游弯道、尾矿坝阻挡以及通道束缚等因素的共同影响,泥石流在此雍高,从而导致侧蚀尾矿坝的可能性增大,并致使尾矿坝稳定性降低而垮塌甚至局部溃决,从而形成较大规模泥石流。而低于10 a一遇的高频泥石流,将主要通过面蚀和沟道侵蚀形成中小型泥石流,出现了“大雨大冲,小雨小冲”的高发态势。据访问和现场调查,自1973-07第一次暴发泥石流以来,每年汛期在暴雨作用下均发生23次泥石流,下游左岸泥石流堆积侧积堤和沟口堆积,界面新鲜,保存有数次泥石流的证据,但从块度相对较小的堆积体来看,体积最大且块度较粗的尾矿坝则很少参与这些泥石流或者仅有很少