肖家沟9#矿渣堆泥石流基本特征及防治建议

曾贞，胡文惠



肖家沟9#矿渣堆泥石流基本特征及防治建议

曾贞1，胡文惠2

（1.四川省地质矿产勘查开发局成都水文地质工程地质中心，成都 610081； 2. 四川省煤田地质工程勘察设计研究院，成都 610072）

肖家沟9#矿渣堆位于泸州叙永县落卜片区硫铁矿矿区，为一条由矿渣形成的潜在泥石流，威胁沟口厂矿企业和沿沟耕地。实地调查和勘查发现，肖家沟泥石流发育主要受沟道条件、物源条件、水源条件的影响。通过深入分析该泥石流基本特征值基础上，提出了通过对堆积体采用稳拦工程，进而实施堆积体土地复垦的防治建议。

泥石流；特征分析；防治建议；肖家沟

肖家沟9#矿渣堆泥石流位于泸州市叙永县落卜片区硫铁矿矿区，是一条由矿渣堆形成的潜在泥石流沟，主要危害对象为堆积区内大屯村二组村民、洪峰石场以及公路。现9#矿碴堆坡面松散，斜坡坡度较陡，在降雨作用下已出现拉槽等变形迹象，拉槽深度约1m，宽度2m，在雨季有发生坡面泥石流的可能性。因受到拦挡坝的约束，其进入下游沟道参与泥石流活动的可能性较小，因而危害较小。主要危害是因弃碴堆积造成的土地压占和地形地貌景观破坏[1]。

矿山地质环境问题与人民的生产生活息息相关，事关国家经济的稳步发展，事关人与自然的和谐统一。国土资源部将矿山生态环境保护确定为国土资源生态建设和环境保护的主要任务之一, 并把矿山生态环境恢复治理和土地复垦列为七大重点实施的工程之首[2]。

图1 Z03弃碴堆积体（9#弃碴堆积体）特征

图2 肖家沟右岸Z03弃碴堆积物源工程地质剖面图

1 泥石流形成条件

1.1 沟道条件

肖家沟纵向长度2.02km，平均宽度0.2km，流域面积0.43km2。流域最高点位于勘查区西侧施家山，高程1 017.80m，最低点位于肖家沟与大树河交汇处，高程约375.4m，相对高差约642.4m；主沟平均纵坡降207‰。肖家沟泥石流主要危害对象为堆积区内大屯村二组村民、洪峰石场以及公路。肖家沟口扇形地宽约30m，长约20m，沟道和沟口堆积物均砂卵石土为主，土质成分含量少，为主河大树河冲洪积，为稀性泥石流的特点，规模较小，未冲出沟口。

根据肖家沟可划分为三个沟段，分水岭至1#物源点附近为清水区，由1#物源点附近至现有拦挡坝段为物源区，现有拦挡坝段以下至沟口为流通堆积区[3]。

清水区两侧坡度较大，一般35°~50°，大者达60°以上；沟道长699m，坡降264.5‰，相对高差185m，沟谷横断面多呈"V"字型。沟源段植为耕地，总体上崩滑不良地质现象不发育。物源区沟道纵坡降也较大，谷底平均宽度5～8m，沟岸呈V型，岸坡坡度在35°以上，由于岸坡宽缓，不良地质现象不发育，大量采矿弃碴提供主要泥石流松散固体物源。该段沟道平均纵比降为149.67‰，流通堆积区该段沟道相对上游区相对宽缓，据调查，该段沟道平均宽度10～15m，平均纵坡降为201‰。

1.2 物源条件

肖家沟泥石流物源主要来自于沟道内的采矿弃碴，物源类型划分为采矿弃碴物源、沟道堆积物源等两类。据统计，流域内主要物源点共5处，物源总量7.3×104m3，动储量0.52×104m3。物源类型以采矿弃碴堆积物源所占比例较大，集中分布于肖家沟中段，以粒度小于5cm的细颗粒物质所占比例较大，不利条件下易于启动。各物源点基本情况统计如表1。

1.3 水源条件

流域内有少量矿坑水涌出，流量较小，沿沟无大的地表水体分布，形成泥石流的水源主要为降雨汇水。该地区降雨丰沛，且地形较陡峻，岩溶区松散层厚度较小，局部见基岩裸露，有利于降雨的汇聚，因而总体上具备发生泥石流的水源条件。

表1 泥石流物源量统计表

1.4 既有治理工程及效果

1）9#弃碴堆积体截排水工程（图3），起点位于9#弃碴堆积体顶部于肖家沟沟道交汇处，终点位于拦挡坝后，沟长227m，高差46m，沟道纵坡202‰，沟道采用梯形断面，C15毛石混凝土结构。沟顶宽1.5m，底宽1m，深1.2m，两侧厚0.4m，底厚0.2m。根据复核该截排水沟满足洪水过流。

2）9#弃碴堆积体拦挡工程（图4），拦挡坝长45m，高6m，基础埋深3.467m，采用仰斜式挡砂墙的结构形式。坝顶宽2.35m，迎水面坡率1∶0.25，设反滤层，背水面坡率1∶0.25，采用C15毛石混凝土，间隔10～25m设置沉降缝，布置两排泄水孔。该坝有效拦截上游泥石流固体物质，特别是对9#矿碴堆起到了稳固的作用，防治其启动参与泥石流活动。坝整体结

构良好，未见出现大的裂缝、倾倒等变形迹象。目前处于半库运行状态，经稳定性复核计算，坝体稳定性较好，工程有效。

3）红蜂石厂弃碴堆积拦挡工程，红蜂石厂弃碴堆积拦挡工程采用毛石混凝土谷坊坝，坝高约3m，宽10m，顶宽1m，现已淤满。因此失去了对上游泥石流物质拦挡的功能。

图3 9#矿碴截排水沟

图4 9#矿碴拦挡坝

2 泥石流基本特征值的计算

2.1 假设无治理工程约束条件下

1） 重度计算：查表打分法则具有综合性和预测性，所得结果具有较好的客观性，因此，泥石流重度综合取值采用查表法得到的结果。

表2 泥石流流体重度查表法结果统计表

2） 泥石流流速计算：根据调查和泥石流重度计算，此次泥石流流体性质主要稀性泥石流，因而采用铁二院公式进行计算。

计算公式为：

式中V—泥石流流速（m/s）；γ—泥石流固体物质重度（t/m3）；—泥石流泥沙修正系数；—泥石流沟床糙率系数；H—平均泥深（m）；I—泥位纵坡率，以沟道纵坡率代替。

据上式，计算参数和计算结果详见表3。

表3 泥石流流速计算表（铁二院公式）

3） 流量计算：由于为潜在泥石流沟，因此采用雨洪法进行计算。

a、暴雨洪峰流量计算，根据《泥石流灾害防治工程勘查规范》（DZ/T0220—2006）（以下简称《规范》[4]，采用《四川省水文水册》（1979年版）和《四川省中小流域暴雨洪水计算手册》（1984年版）公式计算地表水汇水流量，计算公式为：

式中，Q－最大洪峰流量（m3/s）；ψ－洪峰径流系数；i－最大平均暴雨强度；s－暴雨雨力；n－暴雨公式指数；F－集水面积（km2）；L－主河道长度（km）；J－沿L的河道平均坡度；τ－流域汇流时间（h）；τ0－当ψ＝1的流域汇流时间（h）；μ－产流参数（mm/h）；θ－流域特征系数；m－汇流参数。

表4 暴雨洪峰流量计算表

根据上述计算公式，流域特征参数F、L、J，最大1小时、6小时暴雨量均值H1、H6，及对应的Cv1、Cv6，选择适当的μ和m，并进行n2试算。根据试算的成果判断是否符合n2的范围，不符合则增加最大1/6小时或24小时的暴雨量均值及相应的Cv值，再用n1或n3试算。其中，n1范围：1/6～1小时；n2范围：1～6小时；n3范围：6～24小时。

计算参数中，暴雨雨力参数的确定主要根据《四川省中小流域暴雨洪水计算手册》，区内年最大24小时暴雨量平均值为70mm，变差系数为0.42；年最大6小时暴雨量平均值为65mm，变差系数为0.47；年最大1小时暴雨量平均值为35mm，变差系数为0.45；年最大10分钟暴雨量平均值为15mm，变差系数为0.40。其他流域特征参数主要从平面和纵横断面图上量算。据此，求得的各断面部位暴雨洪峰流量值详见表4。

b、泥石流峰值流量计算，根据《规范》，采用公式：

Q=（1）Q D

式中Q—泥石流断面峰值流量（m3/s）；—泥沙修正系数；Q—暴雨洪峰流量；D—堵塞系数，按勘查规范表I.1查表确定。

其中，泥沙修正系数采用查表法得到的结果。堵塞系数主要反映由于沟道过流条件可能对泥石流过流造成堵塞，松散固体物源以超出常态规模参与泥石流活动，放大泥石流流量的作用，其确定方法是按照泥石流按正常模式启动的条件下，按现有沟道的堵塞程度确定。

据此计算求得各断面处泥石流峰值流量如表5。

表5 泥石流峰值流量计算表

4） 一次过流总量和固体物质冲出量计算:按照《规范》计算公式为：=0.264TQ

表6 断面泥石流过流总量和固体物质冲出量计算表

根据上式，对其中沟口控制性断面一次过流总量和固体物质冲出总量进行了计算，计算结果如表6。

5）整体冲压力计算：泥石流整体冲压力按《泥石流灾害防治工程设计规范》（DZ/T0239－2004）3.1－8式计算：

式中—冲压力（KN）；—建筑物形状系数，圆形建筑物=1.0，矩形建筑物=1.33，方形建筑物=1.47；γc—泥石流重度（KN/m3）；νc—泥石流平均流速（m/s）；—建筑物受力面与泥石流冲压力方向的夹角。

表7 泥石流整体冲压力计算表

计算时，流速采用前述流速计算结果；泥石流重度采用查表；受力面与冲压方向夹角按正交取90°，计算参数及计算结果见表7。

6）冲高和爬高计算；泥石流爬高和最大冲起高度按照《规范》附录I提供的计算公式进行计算：

表8 泥石流冲起高度和爬高计算表

表9 泥石流流体重度查表法结果统计表

计算断面的确定、流速参数的确定与泥石流整体冲压力的计算参数相同，计算结果详见表8。

2.2 现有治理工程约束条件下

计算参数和断面与假设无治理工程约束条件下的相同，计算方法也采用雨洪法，但考虑既有治理工程有效的条件下，其可能启动的松散物源量将大大削减，相应的流体重度、泥沙修正系数也将减小。

1）重度计算：根据泥石流勘查规范，对易发程度进行评分，然后根据勘查规范附表G.2查出对应的泥石流重度和泥沙修正系数。肖家沟沟物源量相对较少，且主要为分散型物源，泥石流易发程度为轻度易发。据此泥石流易发程度评分、对应流体重度和泥沙修正系数情况详见表9。

表10 泥石流流速计算表（铁二院公式）

2）泥石流流速计算：根据调查和泥石流重度计算，此次泥石流流体性质主要稀性泥石流，因而也采用铁二院公式进行计算。计算参数和计算结果详见表10。

3）流量计算：①暴雨洪峰流量计算，计算方法和公式同假设无治理工程条件相的相同，但9#弃碴堆积体已修建拦挡坝处考虑截水沟将汇水截排至坝体下方，实现了水沙分离，因而集水面积为截水沟处至坝处面积。据此，各断面部位暴雨洪峰流量值详见表11。②泥石流峰值流量计算计算方法同前，计算参数和计算结果如表12。

表11 暴雨洪峰流量计算表

表12 泥石流峰值流量计算表

4）一次过流总量和固体物质冲出量计算：计算方法和公式同假设无治理工程约束条件相同，计算参数和计算结果如表13。

表13 断面泥石流过流总量和固体物质冲出量计算表

5）整体冲压力计算：计算方法和公式与假设无治理工程约束条件相同，其计算参数及计算结果详见表14。

表14 泥石流整体冲压力计算表

6） 冲高和爬高计算：计算方法和公式与假设无治理工程约束条件相同，计算参数和结果见表15。

表15 泥石流冲起高度和爬高计算表

3 防治工程方案建议

肖家沟泥石流为轻度易发，且中游区以9#弃碴堆积体为主的松散物源启动和进入下游沟道成灾的可能性较小，而下游虹峰石厂部分弃碴虽可能启动成灾，但属虹峰石场矿权范围，虹峰石场作为生产矿山为其责任主体，因而这部分属石场自身矿山环境治理与恢复的范围，不宜纳入治理工程。

因此，治理工程主要针对9#弃碴堆积体边坡可能发生坡面泥石流，并不断向下游坝前淤积，造成地形地貌景观破坏问题日益严重的问题。建议方案一：通过对堆积体的坡面整理，削坡填沟，进而实施堆积体的土地复垦,为绿化奠定基础。方案二：通过对堆积体采用稳拦工程，进而实施堆积体的土地复垦,为绿化奠定基础。

4 结论

肖家沟泥石流为潜在泥石流沟，从发生频率看属低频泥石流，发展阶段属发展期。通过野外调查、试验和计算，在无约束条件下肖家沟泥石流容重为1.481t/m3，在流通堆积区流速为1.831～4.445 m/s，在流通堆积区峰值流量为6.634～9.707 m3/s，泥石流过流总量为0.46×104m3，固体物质冲出量为0.13×104m3，泥石流规模为小型。在已有治理工程条件下肖家沟泥石流容重为1.433t/m3，在流通堆积区流速为0.406～4.193 m/s，在流通堆积区峰值流量为0.036～5.185 m3/s，泥石流过流总量为0.31×104m3，固体物质冲出量为0.06×104m3。

建议治理工程主要针对9#弃碴堆积体边坡可能发生坡面泥石流，并不断向下游坝前淤积，造成地形地貌景观破坏问题日益严重的问题，通过对堆积体的坡面整理，为该堆积体的土地复垦和绿化奠定基础。

[1] 高培.基于 GIS 和 RS 的葫芦岛矿山地质环境综合评价研究[D].北京:中国地质大学,2009.

[2] 张梁.我国矿山生态环境恢复治理现状和对策[J].中国地质矿产经济,2002, （4）:25-27, 31.

[3]曾贞，四川省泸州市叙永县落卜片区硫铁矿矿山地质环境治理示范工程（河西片区）9#矿碴堆（肖家沟）泥石流勘查报告 [R] .四川省华地建设工程有限责任公司, 2010 .

[4] DT/ T0220-2006 泥石流灾害防治工程勘查规范[S] .北京:中国标准出版社, 2006.

Basic Features and Control of the Debris Flow from Slag Heap 9 in the Xiaojia Gully

ZENG Zhen1HU Wen-hui2

（1-Chengdu Center of Hydrogeology and Engineering Geology, Chengdu 610081; 2-Sichuan Research Institute of Coalfield Geological Engineering Exploration andDesign, Chengdu 610072）

TheXiaojia Gully is located in a pyrite mine districtin Luopu, Xuyong County, Luzhou. It is a flow gully with potential debris formed from slag heap 9, threatening gully factory and mining enterprises and cultivated land along the ditch.A field investigation indicates that the development of thepossible debris flowwillbe influenced by channel conditions, material conditions and hydrogeological conditions as well as the existing engineering project. A suggestion on its control was made based on the analysis of possible movement characteristics of this debris flow.

debris flow; basic characteristics; a suggestion on control

2017-12-11

曾贞（1982-），女，四川泸州人，工程师，现从事水工环地质工作

P642.23

A

1006-0995（2018）04-0618-06

10.3969/j.issn.1006-0995.2018.04.019