矿区泥石流形成条件的力学分析——以贵州省开阳县洋水河泥石流为例

吴秀通，李金泽

(1.贵州省有色金属和核工业地质勘查局五总队, 安顺　561000;

2.华东冶金地质勘查局八一一地质队, 滁州　239000)



矿区泥石流形成条件的力学分析
——以贵州省开阳县洋水河泥石流为例

吴秀通1，李金泽2

(1.贵州省有色金属和核工业地质勘查局五总队, 安顺561000;

2.华东冶金地质勘查局八一一地质队, 滁州239000)

摘要：贵州省开阳地区富含磷矿矿床，是我国少有的特大磷矿区。从1958年开阳磷矿建矿至今，期间由于大量的开采磷矿、爆破岩石、修建道路、建设矿区等，曾经诱发了多次崩塌、滑坡、泥石流等自然灾害。研究区域内大量矸石、矿渣和山体滑坡、崩塌堆积体等堆积于洋水河流域内，为泥石流暴发提供了大量的物源，强降雨条件下极易暴发大规模的泥石流过程，威胁沿途的矿厂设施和下游县城居民的安全，为此分析该矿区泥石流物源总量、分布情况、分布特征及其稳定情况，分析可能诱发泥石流的降雨强度和降雨时间，为该区泥石流预警预报和泥石流的防治提供一定的参考。

关键词：贵州；开阳县；矿渣泥石流；预警预报

矿山矿渣等一旦转化为泥石流，其危害巨大。例如1770年5月26日沪沽铁矿暴发的泥石流导致104人死亡，29人重伤；1990年5月31日四川省会理县益门镇煤矿暴发泥石流，导致31人死亡，3人失踪，29人受伤，直接经济损失400万元；1994年7月11日关金矿区泥石流暴发，导致51人死亡，上百人失踪，直接经济损失上亿元。“十五”期间我国各类开发建设工程项目共有7.68万个，中国经济飞速发展的同时，也给我们生存的环境带来了一定的破坏。以前的经验教训告诉我们，矿山泥石流由于矿渣等松散堆积体物源储量丰富，矿区建筑物、人口等密集，一旦泥石流暴发，造成的经济损失等不可估量。因此，本文以贵州省开阳县洋水河流域内的磷矿矿区为研究对象，研究矿山泥石流的特点和松散堆积体滑动转化为泥石流所遵循的力学规律与过程。

贵州开阳磷矿矿区位于贵州省开阳县内，距省会中心贵阳市北东直距约80 km，其范围内包含了沙坝、大水沟、狼鸡岭、勒马山、大雪山等地，矿区总共面积58 km2左右[1]，是国内少有的特大型磷矿产区。经过几十年的露天开采和井下开采，磷矿开采为国家创造了巨大的经济、物质财富，同时也给当地居民带来了一系列的问题，其中包含地下水断流、滑坡、泥石流等灾害，例如1991年7月上旬强降雨导致该区牛赶冲熊家坡[1]发生大规模滑坡、泥石流，导致5#天井采场被淹；1995年6月24日[1]特大暴雨诱发特大山洪和泥石流，直接经济损失到达20 500万元，18人死亡，3人失踪。为了更好的开采矿产和保护当地居民生命财产安全，缓解资源、环境和人类的矛盾，本文着重研究该区泥石流物源分布、物理特性等条件，为该区泥石流灾害预警预报和治理等提供一定的参考。

1洋水河流域概况

1.1地形地貌条件

开阳磷矿[2]地处于鄂湘黔中隆起洋水背斜，背斜轴向NE25°，东翼地层倾角为25°～45°、西翼地层倾角为45°～75°的不对称背斜，核部地层是由前震旦系板溪群清水江组地层，两翼依次出露震旦系、寒武系、二叠系、三叠系地层，部分第四系地层零星分布，其中缺失奥陶、志留、泥盆、石炭系地层。开阳洋水磷矿矿区[3]为总体以剥蚀型、侵蚀及岩溶型中低地形为主，地表切割强烈，冲沟发育较多，陡崖随处可见。矿区矿体露头主要分布在险峻的山坡和陡崖之下，其坡度较陡，大于50°，绝对高度800～1 700 m。矿区矿井平硐、选矿厂、采场和排土场主要沿洋水河流域分布。

洋水河沟沟域形态近似上小下大的“8”字形，流域内主、支沟以及次级支沟、冲沟发育。沟域形态受鄂湘黔中隆起洋水背斜构造影响呈分布不对称分布，流域具有典型的形成区、流通区和堆积区，沟域纵向长度10.24 km，平均宽度2.2 km，沟域面积22.53 km2。沟域最高点位于南东侧分水岭处，高程1 700 m，高程800 m，主沟长度12.43 km，沟谷平均纵坡降168‰ 。

1.2清水区地形地貌条件

清水区上游段(流域高程1 380～1 700 m之间)植被覆盖率90%以上，主要为荒废的农田和废弃的民房。主要由三条支沟汇流而成，沟床纵坡相对较缓，流域面积为4.31 km2。野外调查发现，该区存在地陷、地裂缝等变形破坏等迹象。清水区支流汇流平坦处为该区的排土场，估算该区可堆积130×104m3矿渣，为下游矿区安全带来严重的安全隐患。

1.3物源区地形地貌条件

物源区位于海拔1 380～950 m之间，清水区和物源区之间由高约100 m的跌水坎“鬼门关”分割。该区为磷矿开采主要集中区，主要分布有采场、排土场和选矿厂等，沟谷长约2.8 km，沟道纵比降约为668‰，流域面积约为6 km2。由于该区露天开采，山腰上开凿采矿平硐和开挖道路等导致山体基岩出露，植被覆盖度低，水土流失严重，陡峭岸坡及滑塌现象较发育，形成大量崩塌、滑坡堆积体。

该区沟谷岸坡陡峻，岩性坚硬，节理裂理发育良好，松散堆积体厚度相对较大，岸坡稳定性差，人工扰动大。沟道内多跌坎，沟床堆积物较为丰富，为泥石流活动提供了较丰富的启动物源。

2泥石流物源特征

泥石流物源野外调查发现，该区泥石流物源主要分为两大类：第一类是主要为矿渣和采矿、开路等形成的崩塌、滑坡堆积体，其颗粒分布粒级宽最小颗粒约为0.4 cm，主要颗粒粒径为5～60 cm，最大颗粒粒径到达1 m，且岩性以白云岩为主，含页岩和磷矿石等，其粒径分布关系见表2；第二类主要是沟道堆积物，其粒径分选性较好，上游沟道堆积物粒径主要集中在5～10 cm，下游沟道堆积物主要集中在0.5～2 cm之间。

洋水河泥石流物源野外调查发现(表1)，该区泥石流物源主要分布在斜坡上和沟道内，斜坡松散物源主要为矿渣、崩塌、滑坡堆积体，其粒径主要分布在5～20 cm块石、碎石为主，堆积坡度α在26°～34°之间，平均值为32.88°，磨圆度差，含泥量低，空隙比大，粗颗粒岩性主要以白云岩为主。沟道泥石流物源主要有近期降雨作用形成的沟道堆积物，其分选性好，黏粒含量极低，处于饱和状态，通过野外调查沟道泥石流物源堆积坡度在6°～10.5°。该区崩塌滑坡体自然堆积条件下的修止角φ约为33°，而沟道泥石流物源在饱和条件下堆积的自然休止角约为8°。而由野外调查发现洋水河流域内的泥石流物源主要为崩塌滑坡堆积体和排土场堆积的矿渣，其方量分别约为27.75×104m3和33.8×104m3。

表1　洋水河沟泥石流物源统计表

泥石流按照物源分布特征可以分为滑坡启动、坡面启动和沟道启动[5]，按照侵蚀方式可以分为对强度衰减启动、冲刷切割启动、沟槽(床)拖曳启动[6]。已有研究[7]认为矿山类泥石流是饱和条件下的地表径流剪切破坏诱发的，也有研究[8]认为由于强降雨突变导致泥石流物源的起动。王裕宜[9]等人研究认为当泥石流物源堆积体的含水量在11.5%时，其抗剪强度是最大的，当超过该含水量时，其抗剪强度将发生突变；坡面泥石流的研究[10]表明，当堆积体含水量在20%～30%时，其抗剪强度最大，当饱和度超过75%时，其粘聚力和内摩擦角都发生急剧下降；朱向东[11]等人研究碎石土斜坡破坏机理；许建聪[12]定义碎石土为指粒径大于2 mm 粒组的含量大于50%的土，而碎石土中粗大颗粒，比表面积小，粒间只在潮湿时具有微弱的毛细力连结，并且含水量多少对粗颗粒土的工程地质性质影响不大。

表2　洋水河碎石土样粒级范围表

根据余斌[13]泥石流容重计算公式得到的颗粒关系(表3)。可知该区泥石流主要为稀性泥石流，而稀性泥石流通用泥石流流速计算公式[14]。松散堆积体天然密度γ在2.27～2.36 t/m3之间，其内摩擦角φ在33°～35°之间。最佳含水量为1%～2%，而白云岩体天然密度为2.88 t/m3，地表糙率1/n在15～25之间，由土力学[15]计算可知，滑坡、崩塌堆积体的空隙比e为0.45。

表3　泥石流容重表

3泥石流物源起动的临界判别模型

由静力学可知，泥石流物源在天然自由状态下，处于平衡状态时，则有其初始内应力τ0大于其极限剪切状态下的剪应力τf，即τ0>τf,否则将不满足平衡条件而处于运动状态；降雨条件又将从物理性质、力学平衡等方面改变泥石流物源原有的受力特征。降雨条件直接影响到堆积体含水量、有效内聚力、内摩擦角等，泥石流物源内部应力条件、渗透系数、空隙比等将直接作用于堆积体的含水量、结构构造等。

图1　研究区地表径流形成示意图

由于降雨条件下，堆积体内自身的含水量、渗流量、以及渗透强度等因素，则沟道产生地表径流时单位时间的降雨量大于土壤的渗透量和含水量，其示意图如图1所示。 当降雨强度超多了土体的渗透性时，地表径流就会形成，由式1可知，流域地表径流的形成过程可以分成三个阶段、三种降雨强度进行分析和研究，三种降雨强度分别为低强度降雨、中等强度降雨和高强度降雨(包括激发雨强)，分别对应了三个阶段，即：

(1)

总结前人的研究成果，沿泥石流物源堆积体斜坡面建立X-Z轴的静力平衡方程组(如图2所示)。而地下水形成的地下渗流力、堆积体的抗剪应力和自重应力等分别为：

(1) 单位岩土体上的有效正应力。

(2) 饱和状态下松散岩土体的自重应力。

(3) Fredlund[20]松散岩土体的抗剪应力。

(4) 降雨作用形成地表径流时，流体由于其本身的粘稠度将在流体内和流体与堆积体接触面上发生剪切作用；径流剪切力随降雨历时表现出雨强越大，水深越厚，剪切力越大。

泥石流物源堆积体处于平衡状态时，沿剪滑面上应力也将满足平衡关系，即τ>τf：

(2)

(1)hw为水深；(2)z为粗化层厚度；(3)W为土体和水体的合重力；(4)F为静摩擦力；(5)N为支持力；(6)σ′为土的有效应力；(7)t为受到的剪应力；(8)tf为土的抗剪强度；(9)γsat为土的饱和容重；(10)gw为水的溶量；(11)φ′为有效内摩擦角图2　沟床松散物质临界起动的受力分析图

4 结论

(1) 本文以贵州省开阳地区为研究背景，研究了该区域的泥石流物源分布特征、物源方量等，为泥石流暴发规模提供了一定的参考。

(2) 本文根据洋水河泥石流物源空隙比为0.45，黏粒含量低，堆积颗粒粗大等特点，分析了该区泥石流物源稳定性特征和形成地表径流的局部降雨强度：16～24 mm/h。

(3) 本文以洋水河为背景研究出饱和条件下，泥石流物源失稳条件，当堆积厚度大于0.8 m时处于稳定状态，当堆积厚度小于0.8～0.98 m时，在临界降雨条件下可能失稳破坏，诱发泥石流暴发，符合泥石流野外现象。

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THE PHOSPHATE ROCK AREA DEBRIS FLOW WARNING FORECAST RESEARCH IN YANGSHUI RIVER，KAIYANGXIAN，GUIZHOU

WU Xiu-tong1,LI Jin-ze2

(1.Non-Ferrous Metals and Nuclear Industry Geological Exploration Bureau of Guizhou,Anshun561000,China;2.811 Geological Team of East China Metallurgical Geological Prospecting Bureau,Chuzhou239000,China)

Abstract:Kaiyang，Guizhou is rich in phosphate rock deposit, the jumbo phosphate rock rare in China. From 1958 kaiyang phosphate mine was built. so far , because of the mining phosphate rock, leading to many landslides ,collapse and debris flow disasters.A lot of waste rock, slag, etc from the stope and dump accumulate in the YangShui river basin, accumulation within the river basin provides a large number of source for debris flow outbreak, large-scale debris flow disasters easily starting in condition of strong rainfall , threatening the refinery facilities Along the way of the river and residents safety in the downstream county , therefore analysis of the mine debris flow provenance distribution, distribution characteristics and stable situation, analysis the possible rainfall intensity and rainfall time for induced debris flow is necessary, provide some reference for the debris flow warning forecast .

Key words：Guizhou; Kaiyang county; Debris flow; Warning forecast

作者简介：吴秀通(1987-)，男，主要从事岩土工程勘察、地质灾害方面的勘察设计工作。M-email:504573512@qq.com

中图分类号：TD167；P642.23

文献标识码：A

收稿日期：2015-09-20改回日期：2015-10-17

文章编号：1006-4362(2016)01-0017-05