河南小秦岭金矿区泥石流发生机理分析及治理措施

姚永成,周延奎,李永江

(1.灵宝市国土资源局,河南灵宝472500;2.河南省地质矿产勘查开发局第一水文地质工程地质队,河南郑州450045)

1 引言

河南小秦岭金矿区位于灵宝市西部,与陕西华阴、洛南接壤,包括灵宝市朱阳、豫灵、故县和阳平4乡镇大部,东西长45km,南北宽 10～17km,面积约600km2,是我国第二大黄金产区,由于采矿剥离的废石和弃渣堆放不合理,在暴雨或连续降雨条件诱发下,历史上曾多次发生严重的泥石流地质灾害,造成了生命财产的重大损失。虽然近年来中央和地方政府加大了对该地区矿山地质环境治理的力度,但潜在的地质灾害点(处)还十分严重,治理任务任重道远。为此,笔者根据近年来参与的部分项目和掌握的有关资料,对该地区泥石流的发生机理进行了分析研究,对近年来已实施治理工程项目措施进行了总结和评价,同时提出了今后治理项目优化措施的一些建议。

2 矿区泥石流危害及发生机理分析

2.1 泥石流危害的特征

河南小秦岭金矿区泥石流主要分布于中低山区,具有暴发突然、运动速度快、能量大的特点,其破坏性非常强,对人民生命财产造成极大的危害,危害程度一般为重大级、特大级。其发育特征为沟谷深切,沟床纵坡比降大,固体物质以开矿废渣为主,废石直径0.1～0.3m,大小混杂,磨圆度差,多呈棱角状,遇强暴雨、暴雨、洪水挟带矿渣废石形成泥石流。1994年7月11日位于豫陕交界处的大西峪沟暴发泥石流,造成51人死亡,矿区全部停产,经济损失巨大;1996年8月,小秦岭地区连降暴雨,大西峪、文峪沟引发泥石流,冲毁矿区公路 13km、通讯线路3km,直接经济损失690万元;1998年7月文峪金矿发生泥石流灾害,毁坏矿区公路16km,桥梁涵洞10多处,变压器、空压机等大型机械设备数台,供电、通讯中断,经济损失473万元。2000年8月,文峪、西峪、大湖峪相继发生泥石流,冲毁公路,矿山停产,经济损失惨重。

2.2 潜在泥石流发生机理分析

2.2.1 丰富的松散矿渣物质来源

据调查[1],泥石流灾害高易发区沟谷内矿渣堆积总量达1444.41×104t以上,尾矿1571.02万t。经调查和现场试验,矿区矿渣堆工程地质特征包括矿区矿渣堆积体的物质成份主要由采矿剥离的围岩废石和贫矿碎屑构成,岩性以混合花岗岩、片麻岩、灰绿岩、石英脉岩等母岩碎屑为主。矿渣堆积体块度以 4～8cm及小于 4cm为主,占 70.12%,8～15cm占13.09%,15～30cm占10.07%,大于30cm的占5.72%。矿渣堆松散系数为1.27～1.70。矿渣堆物理力学性质为抗剪强度低,内摩擦角为35°,内聚为0.5kPa。矿渣堆坡度一般在35～42°之间,具有结构松散、含沙石多,含土量少,持水能力差、透水能力强、抗剪强度底等特征。这些散乱堆放的矿渣,在强降雨的作用下,极易直接进入河道成为泥石流的物源。其中需重点防治的10条泥石流沟涉及威胁人口10余万人,潜在经济损失2.4亿元。

2.2.2 地形地貌因素

河南小秦岭金矿区泥石流灾害高易发区分布于西峪、大湖峪、枣乡峪、武家山及苍珠峪、杨砦峪、朱家峪一带的小秦岭中山地区,海拔高程多数在1000m以上,最高2413.8m(老鸦岔脑)。以深、陡、窄V型沟谷为,主泥石流沟谷纵坡降比为8%～25%,沟坡坡度为32～60°,其支沟纵坡降比为15.6%～58.4%。分水岭至出山口最大相对高差达900m。其地形地貌,具备发育泥石流的基本条件,主要泥石流沟的详细情况见表1。

表1 主要泥石流沟基本情况

2.2.3 水文气象因素

河南小秦岭金矿区区域洪水主要为自然降雨,据灵宝市气象站1956～2000年气象资料,该地区年平均降水量720mm,年最大降水量984.7mm(1958年),最小降水量为318.7mm(1997年),年内降水量多集中在7、8、9三个月,占全年降水量的60%,并具有夏季多暴雨特点,最大时每小时降雨量93.2mm(1960年7月22日)。为预测该地区暴雨诱发泥石流灾害的可能性,笔者按30年一遇降雨强度对矿区10条河道流域泥石流发生量进行了计算。

(1)洪水总量计算。[2]每条泥石流沟洪水总量计算,按照水科院水文所计算洪峰流量公式进行计算：

Qm为设计洪峰流量(m3/s);ψ为洪峰径流系数;τ为洪峰汇流时间(h);F为流域面积(km2);L为主沟长度(km);J为主沟平均坡度(%);S为设计最大1h雨量平均强度(mm);n为设计暴雨递减系数;μ为平均入渗率(mm/h);m为汇流参数。

根据灵宝市历年降水资料,按30年一遇洪水频率24h最大降水量均值H24p=65mm,由《河南省暴雨参数图集》(河南省水文局编制)提供的当地暴雨递减指数 n1=0.55、n2=0.75、Cv=0.45、Cs=3.5Cv。暴雨径流系数为0.7,汇流参数0.8。经计算,10条主要泥石流沟洪水总量计算结果见表2。

表2 河南小秦岭金矿区主要泥石流沟洪水总量计算结果表

(2)泥石流峰值流量计算[3]。

式中Qc表示频率为P的泥石流洪峰值流量(m3/s);Qp表示频率为P的暴雨流水设计流量(m3/s);φ为泥石流泥砂修正系数;γc为泥石流重度(t/m3);γw为清水的重度(t/m3);γH为泥石流中固体物质比重(t/m3);Dc为泥石流堵塞系数。

(3)一次泥石流过程总量和固体物质总量计算。

式中Q为一次泥石流过程总量(m3);K=0.264,当F＜5km2,K=0.202;F=5～10km2,K=0.113;F=10～100km2,K=0.0378;T为泥石流历时;QH为一次泥石流过程固体物质总量(m3)。

表3 河南小秦岭金矿区主要泥石流沟总量及输砂量总量预测

通过以上分析和计算,矿区大量不合理堆放在沟谷中及沟谷两侧坡体上的松散矿渣,在强降雨条件下极有可能发生较大规模的泥石流。

3 泥石流的防治措施

河南小秦岭金矿区泥石流以矿山废渣、废石、弃土为物源的泥石流为主,包括沟谷形泥石流和坡面泥石流二类。泥石流的防治措施多种多样,设计时应从山地环境特点和泥石流演化发展规律出发,贯彻综合治理的原则,整个泥石流沟域全面规划,突出重点,工程措施和生物措施相结合。

3.1 清理矿渣疏通河道

清理占据沟谷的矿渣、消除泥石流固体物质的补给来源,疏浚矿区的排水通道,保证矿区行洪排水安全,该手段是一种较为经济的工程措施。

3.2 拦挡工程

拦挡工程措施主要是利用重力式浆砌石挡渣墙和重力式实体拦挡坝。重力式浆砌石挡渣墙,即在矿渣边坡前缘砌筑拦渣挡墙,其目的是将矿渣堆就地拦挡固化,减少在暴雨作用下,泥石流的发生和起动,避免矿渣成为泥石流物源。措施功能特点包括简单易行,对材料要求不高,可以在矿渣堆就地取材。防护效果持久、稳定。

重力式实体拦挡坝[4],即在同一河段修筑一系列的拦挡坝,一般不少于3座,其功能包括拦截水沙,改变输水输沙条件,调节下泄水量;利用回淤效应,稳定斜坡和沟谷;降低河床沟坡降,减缓泥石流流速,抑制上游河段纵、横向侵蚀,调节泥石流流向。

3.3 排水工程

小秦岭金矿区的开矿弃渣基本上是就地堆放在坑口两侧的山坡上或沟谷河道内,经过日积月累形成了许多弃渣堆积体。这些矿渣堆积体在暴雨作用下极易跨塌进而形成泥石流灾害。为防止暴雨冲刷矿渣堆积体,通常在矿渣堆积体边界以外修筑截水沟和排水沟,并与矿区排水系统相连接。

3.4 坡面防护处理

为有效降低坡面的水力侵蚀,防治水土流失,一般采用干砌石或浆砌石护坡措施。石料以片石为主,其结构主要由脚槽、坡面、封顶三部分组成[5]。其中脚槽主要用于阻止砌石坡面下滑,起到稳定坡面的作用。干砌石厚度一般不小于30cm,其下设不小于10cm厚的碎石或砂砾垫层。浆砌石护坡采用M7.5砂浆砌筑,坡面设置泻水孔,间距 2～3m,泻水孔局部范围内设反滤层,以防淤塞。较长较高的坡面还应设置伸缩缝和分级设置马道。

3.5 矿渣堆坡面植被恢复

3.5.1 缓坡覆土

通过工程措施实现渣体的稳定控制后再实施植被恢复。对于坡度较陡的矿渣坡,应在砌石挡渣墙前采取削坡措施将陡坡挖缓,使总坡比控制在1.0∶1.0～1.0∶1.5。然后进行覆土,厚度为25cm,土壤要使用理化性质较好的腐熟土。覆土宜于9月中、下旬进行,春季覆土播种。

3.5.2 植被品种选择

应优先采用适应环境能力强,适合当地生长的乡土树种和草种,或景观设计所需的树种和草种。①草本类：如高羊茅、猫尾草,此类型植物属冷季型草,根系发达,耐寒抗旱,较耐瘠薄,适应能力强;②藤本类：如葛藤、爬山虎、五叶地锦,均属多年生木质藤本,利用其攀援、缠绕,蔓延生长和触地生根的特性,能迅速形成庞大的网状植物体,加强吸收、抗旱能力,同时对废弃地坡面进行固定,缓解雨水冲刷,有利于其他植物进一步定居,且葛藤是豆科植物,具固氮作用,更适合在该区种植;③灌木类：如珍珠梅、紫穗槐、荆条。珍珠梅和荆条是小秦岭矿区石渣坡分布最广泛的灌木品种,种子易采集,适生性强。紫穗槐则是一种非常耐旱、耐贫瘠豆科植物,不仅根部有大量根瘤,能固氮满足自身氮的需要,而且粗壮的主根、侧根,有利于向深处生长,对渣坡的固定作用强;④乔木类：如旱柳、山毛桃、侧柏、刺槐,以上4种乔木品种都属于该区乡土树种,尤以旱柳和刺槐效果最好,二者是最耐干旱、瘠薄的先锋乔木树种,在石渣坡的闭坑较早的渣坡上,常见自然分布。[6]

4 治理效果评价及治理措施改进建议

4.1 治理效果评价

自2004年以来河南省级财政和中央财政投入6000余万元,在灵宝市地质矿产局牵头组织下对矿区9条泥石流沟谷进行了整治(见表4)。这些项目根据立地条件差异,采取了不同的技术组合模式进行了治理,取得了较好治理效果。

表4 河南小秦岭金矿区泥石流治理项目

4.2 治理措施改进建议

总结近年来河南小秦岭金矿区已实施治理项目来看,治理项目使用的工程措施较多,生物防护技术应用较少,人工痕迹太多,影响了与周遍环境的和谐,建议在今后的治理项目中在保证工程安全的前提下,采取工程与生物相结合的综合措施,避免太多的人工痕迹,使治理后的工程与矿区周遍的生态环境相协调、相融合。

[1]河南省国土资源科学研究院.灵宝市地质灾害防治规划(2005-2015年)[R].郑州：河南省国土资源科学研究院,2004.

[2]河南省水文地质工程地质勘察院.灵宝黄金股份有限公司崟鑫矿区矿山地质环境综合治理工程设计书[R].郑州：河南省水文地质工程地质勘察院,2006.

[3]DZ/T O220-2006,泥石流灾害防治工程勘查规范[S].北京：中国标准出版社,2006.

[4]DZ/T O239-2004,泥石流灾害防治工程设计规范[S].北京：中国标准出版社,2004.

[5]赵方莹,孙保平.矿山生态植被恢复技术[M].北京：中国林业出版社,2009.

[6]韩军旺,姚冠忠,袁志良,等.小秦岭矿区石渣坡植被恢复与植物配置模式研究[J]安徽农业科学.2008,36(28)：12243～12244.