杨家湾沟矿山泥石流发育特征及形成机制分析

石敬锋　岳建国

[摘要]与自然泥石流相比，矿山泥石流在物源补给、形成过程等方面均存在一定差异。本文从形成条件、分区特征、活动历史等方面分析了杨家湾沟矿山泥石流发育特征，并探讨了其形成机制。

[关键词]杨家湾沟 矿山泥石流 发育特征 形成机制

[中图分类号] P694 [文献码] B [文章编号] 1000-405X（2015）-3-5-2

随着人类对矿产资源的大量开采，引发了一系列地质环境问题，例如矿山泥石流。因其形成过程复杂、爆发突然、来势凶猛、历时短暂、破坏力强而成为山区经济建设、资源开发的一大灾害。根据钟敦伦等人[1-3]1981年对我国大型矿山的研究，发现每个矿山都暴发过泥石流，有的还曾多次暴发。

九寨沟县草地乡杨家湾沟于2003年开始露天开采金矿，采选后的弃渣沿岸坡顺坡堆放，至2010年底弃渣量已达1200万m3。2008年～2010年，每年均有泥石流发生，曾经将沟口的主河堵塞。该沟一旦暴发大规模的泥石流，可能引发堵河-形成堰塞湖-溃坝等连锁反应，威胁下游3公里处文县村寨数千人的生命财产安全，属于典型的矿山泥石流。

本文通过总结杨家湾沟矿山泥石流的发育特征、形成机制，期望提高类似矿山泥石流的认识，增强防灾减灾措施的针对性。

1地质环境条件概况

九寨沟县气候受地形影响显著，雨量少但降雨集中，常出现局地性暴雨和冰雹，县城年均降雨量552.3mm，降水集中在雨季（5～9月），约占全年降水量的75%。

九寨沟县草地乡地处青藏高原西北部，是青藏高原向四川盆地陡跌的两大地貌单元的过渡带，是我国第一大地形台阶的转折部位。

区内出露的地层主要为第四系矿渣、泥石流堆积和洪积层、崩坡积层、残坡积层，下伏基岩为三叠系上统侏倭组板岩、中统杂谷脑组灰岩。

九寨沟位于秦岭东西向构造带南缘，松潘-甘孜褶皱系东侧，南与龙门山北东向构造带相邻，三级不同方向构造线形成向南凸出的弧形弯曲，县境内及邻区地质构造复杂。第四纪以来，由于新构造运动强烈抬升，沟谷下蚀作用强烈，形成纵比降较大的“V”型沟谷。

2泥石流基本特征

2.1泥石流形成条件

矿山泥石流形成需要具备三个基本条件： 陡峻的地形条件和沟床比降、丰富的松散固体物质储备和高强度长历时的降雨过程[4]。

杨家湾沟位于白水江右岸，以构造侵蚀高中山地貌为主，主沟最高海拔2366m，沟口最低海拔1292m，相对高差1074m，流域面积7.1m2，主沟沟长3.5km，平面形态呈不规则扇形，汇水区呈漏斗状。平均坡降约356.8‰。两侧斜坡陡峭，地形坡度约40～50°，局部近70°，沟谷横断面多呈“V”型，沟底宽5～30m，平均沟底宽度10m。陡峻的地形有利于降雨的汇集，有利于地表降水的径流和汇集，为泥石流水源的汇流集中提供了基础。

物源分布较为集中，主要为矿渣、崩滑体、沟床堆积物等。其中矿渣类型单一，以碎块石为主，具有孔隙度大、结构松散、粘粒含量少、透水性强、稳定性弱的特点。因物源主要分布于杨家湾主沟中上游，补给泥石流的物源区段相对固定，物源补给具有集中性。据统计，目前沟域内共有松散固体物源1304.1×104m3，可能参与泥石流活动的动储量为111.6×104m3。

沟域内分布9条一级支沟，数条二级支沟，主要分布在中上游，水系呈树枝状，水源主要来自大气降水，研究区5～9月降雨较丰沛，且雨量集中，强震后暴雨量激增，完全满足激发泥石流的条件。

2.2 泥石流分区特征

清水区分布于上游，该区段植被发育，松散堆积层较薄，主要为泥石流的形成提供水动力条件。

形成区分布于中上游，也是采矿、选矿及堆放弃渣的主要区域（见图1），该区主沟平均纵坡降328.2‰，岸坡陡峻，斜坡坡度30°～40°。普遍表现为以冲为主的特点。在具备较强的水动力条件时，泥石流下蚀作用大于堆积作用，其冲淤特征以冲为主。在较小的洪水或泥石流条件下，局部地段也可能出现小规模的淤积。

堆积区分布于下游，该段纵坡较缓，有利于泥石流物质的淤积。但在大规模暴雨洪水或粘性泥石流作用下，其冲刷作用将加剧，仍可能对沟床产生一定的冲刷、下切侵蚀。

2.3泥石流活动历史

因构成泥石流物源的矿渣结构松散、抗冲刷稳定性差且缺乏有效防护，在遭受暴雨洪水侵蚀时，极易演化为泥石流，因而矿山泥石流活动具有易发性。

2008年～2010年雨季时，杨家湾沟曾暴发几起小型泥石流，多次冲毁草地乡唯一进出的通乡公路，其中2009年7月17日爆发的泥石流将沟口的主河堵塞。

泥石流龙头呈现舌状，无分选泥砾混杂堆积，仍能保持流动时的结构特征，剖面上可明显分辨不同期次泥石流沉积层面。新建拦渣坝和谷坊坝均已淤满，且埋入堆积体内深度超过3m，导致工程失效。

3泥石流形成机制分析

与自然泥石流相比，因矿山泥石流物源条件、地质环境的不同，杨家湾沟矿山泥石流的形成机制也有一定差异[5]，其形成过程主要如下：

（1）初期降雨导致新近弃渣稳定性降低。在降雨过程中，处于非饱和状态的弃渣含水量不断增加，使得其基质吸力下降甚至是完全丧失，孔隙水压力升高而造成土体抗剪强度降低，有效应力减小，直至整个矿渣堆处于饱和状态，坡体稳定性降低。同时这一过程伴随着弃渣中细颗粒的运移，细颗粒逐渐汇集到土体下部和土坡坡脚，从而使相应位置的渗透性降低，形成滑动面，最后导致滑坡泥石流[6]。

（2）高强度持续降雨导致矿渣坡面侵蚀。随着降雨的持续增加，坡体饱和后在表面形成径流，持续流水不断侵蚀坡面，导致矿渣间摩擦力降低，坡面出现崩塌、溜滑，部分矿渣开始起动，坡体表面出现细沟[7]，雨水逐渐向沟道汇集。

（3）雨水汇集形成洪流导致沟道矿渣起动。雨水不断沿弃渣向沟道汇集，逐渐形成洪流，洪流带动细颗粒运移，冲刷矿渣坡脚，岸坡弃渣局部垮塌，造成部分沟道堵塞。

（4）高含矿渣洪流裹挟运移起动泥石流。起初泥石流规模较小，主要表现为稀性泥石流特点，当遇到沟床狭窄、沟道堵塞区域，会暂时形成堰塞坝。随着泥石流不断聚集，蓄积的动能和势能导致溃决堰塞坝，瞬间形成高浓度泥石流，并具备强大的冲刷力，随着沟道侵蚀及岸坡冲刷使泥石流中固体物质浓度增加逐步转化为粘性泥石流。

（5）沿途加大侵蚀矿渣导致泥石流规模加强。随着洪流流速不断加强及溃坝后强大的冲刷力，沿途不断侵蚀坡脚导致大规模矿渣垮塌，局部出现沟道揭底、拉槽下切现象，使得泥杨家湾沟石流规模不断加强，对堆积区及下游的村寨、道路及居民生命财产安全造成严重威胁。

4结语

目前该矿山仍在进行露天采矿作业，2013年后将改为洞采，预计继续开采10年后停止开采。随着沟域内矿山开采面的扩大、生产方式的转变（露天开采转为洞采）和矿渣在堆载、碾压及重力作用下的沉降、固结，除引起固体物源总量和性状变化外，还直接或间接地改变了地表水、地下水的径流条件，其泥石流形成机理也将发生改变，对这一方面的研究将值得关注。

参考文献

[1]钟敦伦，严润群，陈金日.初论矿山泥石流[A].中国科学院成都地理研究所编.泥石流论文集（1）.重庆：科学技术文献出版社重庆分社，1981，43～48.

[2]徐友宁，何芳，陈社斌，等.矿山环境地质问题特点及类型划分.西北地质，2003.3：19-25.

[3]陈延方，崔鹏，刘岁海，等.矿产资源开发与泥石流灾害及其防治对策. 工程地质学报， 2005，13（2）： 179-182.

[4]王文龙等.神府东胜煤田开发中人为泥石流形成条件分析[J].水土保持学报.2003，10（6）：83-85.

[5]常鸣，唐川.基于水动力的典型矿山泥石流运动模式研究[J].水利学报.2014.

[6]王志兵，汪稔等.颗粒运移对蒋家沟土体渗透性影响的试验研究[J].岩土力学，2011，32（7）：2017-2024.

[7]胡明鉴，汪捻.蒋家沟流域暴雨滑坡泥石流共生关系试验研究[J].岩石力学与工程学报，2003：824-828.