对某尾矿库泥石流防治措施的探讨

施灿海，孙高月，黄乔云，陈 旭

(1.昆明有色冶金设计研究院股份公司，云南 昆明 650051；2.中国有色金属工业昆明勘察设计研究院有限公司，云南 昆明 650051)

mitigation

0 引 言

泥石流作为山区一种突发性的自然灾变过程和现象，早在地质时期就已存在并发展着，当这种灾变过程与人类的生产活动发生联系，造成财产损失乃至人生伤亡时，才被视为灾害。东川泥石流的研究始于20世纪50年代，以“泥石流的天然博物馆”蒋家沟泥石流为代表的研究和治理取得了丰厚的成果。东川矿业开发历史悠久，尾矿库的建设及安全运行却历来是当地矿山企业面临的一个难题。因此，中小型泥石流沟内已建尾矿库泥石流防治措施的研究是一个值得探讨和实践的重要课题。

泥石流沟内尾矿库的灾害防治研究成果和工程实践较少，但其对于尾矿库坝体和排洪系统的安全运行是一个关键因子。泥石流灾害治理方面，巴里新尾矿库提出了消除库区流域泥石流灾害隐患的治理方案和降低泥石流发生可能的措施；后沟尾矿库对泥石流采用“拦、固、排及局部支挡”的方案。在泥石流地质灾害易发区，采用排洪系统双进口方案并整体避让泥石流沟谷危险区范围布置的方法，增大系统安全度。泥石流灾害易损性评价方面，研究建立了云镍尾矿库地质灾害易损性评价指标和分级分区系统。

该文以某尾矿库为研究对象，在专项泥石流勘察的基础上，结合沟内地形地质条件，借鉴研究人员泥石流防治成功经验。通过在已建排洪设施上游新增拦挡坝和库区泥石流影响范围内设置谷坊坝群，形成人工阶梯-地形蓄泥消能系统，探讨地质灾害易发区尾矿库安全运行中遇到的泥石流防治措施问题。

1 尾矿库概况

某已建尾矿库所在沟谷为中小型泥石流冲沟，工程场地抗震设防烈度为8度，设计地震基本加速度值为0.30 g(第三组)。尾矿库沟谷为构造侵蚀地貌，地形条件可形成较大库容，交通方便，库区及周边2.0 km范围内无居民点，周边环境条件较简单，因不良地质作用及地质灾害较发育，对尾矿库的坝体和排洪设施安全运行造成了不利影响。

尾矿库初期坝高60 m，堆积坝高48 m，总坝高108 m，全库容1 200万 m3，设计等别二等。库外排洪设施采用挡水坝+排洪隧洞；库内排洪设施采用排水井+排水管。

该尾矿库原设计采取的泥石流防治措施是整体避让下游堆积区(危险区)。由于上游未设置泥石流防治措施，在尾矿库运行过程中，库外排洪设施挡水坝坝前和排洪隧洞进口淤堵较为严重、排洪隧洞底板不同程度冲刷受损，见图1。为确保尾矿库排洪设施安全运行和坝体安全，必需增设泥石流防治措施。

图1 排洪隧洞上游、进口位置淤堵及底板冲刷图Fig.1 Picture of clogging of the upstream and inlet of the flood drainage tunnel and floor scour

2 泥石流专项勘查

该地地处小江地震带，区内几乎所有沟谷都有不同程度的泥石流发育。为解决尾矿库安全设施运行过程中面临的泥石流灾害防治问题，需查明泥石流规模和特性，清水汇流区、形成区、流通区和堆积区的分布情况，松散固体物源总储量和可移动物源量等，作为泥石流防治措施设计支撑。

2.1 泥石流活动分区特征

尾矿库工程所在泥石流沟清水汇流区(A)7.5 km3，形成区(B)16 km3，流通区(C)5.0 km3，堆积区(D)0.5 km3，分区见图2。清水汇流区和形成区对应泥石流危险性分区的影响区，流通区对应泥石流灾害危险区，堆积区对应泥石流灾害极危险区。

泥石流形成、流通、堆积交替发生，具有流通区、堆积区混合分布，非暴雨时多为堆积，暴雨时冲刷揭底，流通堆积相互动态转换，并顺序缓慢向下游推移的分区特征。

图2 泥石流分区图Fig.2 Diagram of debris flow zoning

2.2 泥石流形成机理

沟谷两岸崩坡积层碎块石进入沟谷，在洪水冲蚀下，造成崩坡积物产生塌岸，进入沟道内。由于沟谷狭窄导致冲淤积物堵塞沟道，形成小堰塞后溃决，大量洪水迅猛而下，引发泥石流。该泥石流沟只有在暴雨强度大、物源充足等各种利于泥石流发生的因素耦合作用才会产生。

总而言之，尾矿库所在冲沟满足了泥石流形成的地形、物源和水源条件。

2.3 泥石流特性

泥石流为沟谷泥石流，固体物多在沟谷下游段堆积，沿沟谷呈带状堆积，未进入下游河道，沟口地段形成了较明显的泥石流堆积扇，最大块石粒径1.0 m，见图3。

图3 堆积区泥石流堆积扇Fig.3 Debris flow fan in the accumulation area

经计算，泥石流流体密度1.55 t/m3，固体密度值2.60 t/m3，属暴雨型高频泥石流，为发展期泥石流，主沟道正常年份以洪水冲刷为主，泥石流爆发年则以淤积为主。

泥石流沟属稀性泥石流，流速计算值4.04 m/s，冲击力2.8 kPa，最大冲起高度0.83 m，受阻爬起高度1.33 m，下游河段弯道超高计算结果为0.24 m。

沟道总体以陡坡为主，分布区岩层以软岩为主，物源中大漂石、漂砾很少，流域沟谷无卡口，沟道总体上比较顺直，流通区无崩塌、滑坡发育，总体上其为不易堵溃型泥石流。

2.4 泥石流沟现状及发展趋势

该泥石流沟无系统的防护工程，受灾对象为尾矿库。现状尾矿库挡水坝坝体完好，排洪隧洞结构完整，整体稳定性较好，未出现滑移、倾覆、揭底等现象，沟道及挡水坝坝前有泥石流堆积物堆积。

流域内近几年来加大了生态环境的保护与恢复，潜在的崩塌体等不良地质作用及灾害也得到有效遏制，未来发生大规模泥石流的概率呈下降趋势。

3 泥石流防治设施设计

按现行规范规定，尾矿库所在沟谷泥石流防治工程安全等级为一级，泥石流灾害防治主体工程设计标准为100年一遇降雨强度。经计算，汇水面积内一次泥石流总量14 913 m3，固体质量3 728m3，按该数值进行防治工程措施的设计。在2号挡水坝上游180 m和490 m位置(泥石流流通区)分别设置1#和2#拦挡坝作为主控措施，以拦蓄泥石流固体物质为主要目的，并兼有调蓄洪峰流量、调控泥石流规模的功能。

在库区及泥石流形成区冲沟设置谷坊群，共计14道谷坊坝，控制沟床侵蚀，保护沟道及岸坡稳定。库区内设置2道临时防护谷坊坝，尾矿库安全设施影响范围内泥石流形成区冲沟设置12道谷坊坝。泥石流防治设施设置情况见表1、图4。

根据运行过程中拦挡坝坝前泥石流淤积情况，采取清淤措施以确保泥石流防治主控措施拦挡坝切实发挥效用。

图4 泥石流防治措施平面布置图Fig.4 Layout of debris flow prevention and control

表1 泥石流防治设施Tab.1 Debris flow control facilities

3.1 拦挡坝设计

根据现行泥石流灾害防治工程设计规范，针对泥石流治理，在地形较好的流通区地带，采用可靠的拦挡坝等，以拦载水沙，改变输水输沙条件和稳定沟谷；最终达到降低河床坡降，减缓泥石流流速，抑制上游河段纵、横向侵蚀，保证下游设施安全的目的。除此之外，充分考虑利用沟谷内现有地形，拦挡坝形成人工阶梯，并利用地形蓄泥消能，综合利用人工消能结构和自然消能结构，保障下游尾矿库的安全建设和运行。

为有效拦挡库外泥石流，增加排洪系统的安全度，设置泥石流拦挡设施。经项目泥石流专项勘查资料分析，在泥石流流通区设置2座拦挡坝作为主控措施。

拦挡坝及副坝坝型为C25毛石混凝土重力坝，坝基以③全风化-强风化板岩为持力层。拦挡泥石流量及结构参数见表2。

1#拦挡坝坝前有一凹地，可充分利用其成为人工阶梯-地形蓄泥消能系统的组成部分。1#拦挡坝详见图5。

表2 拦挡坝拦挡泥石流量及结构参数表Tab.2 Capacity and structural parameters of the mudslide dam

(a)平面布置图

(b)纵断面图 (c)横断面图

2#拦挡坝下游地形平缓，采用副坝消能工形成坝下消能，副坝与主坝重叠高度H′，计算公式如下：

式中：

H——副坝重叠高度(m)，Hc为溢流口上泥深/m；

经计算，副坝与2#拦挡坝重叠高度为4 m。

主、副坝间的距离L，计算公式如下：

式中：

L——主、副坝间距。

经计算，副坝与2#拦挡坝间距为24 m。2#拦挡坝和消能副坝形成消能工和地形综合消能，将泥石流爆发年形成的泥石流在2#拦挡坝内淤积消能后剩余泥石流进入1#拦挡坝进行二次淤积消能。如此，将设防标准下尾矿库上游泥石流流通区泥石流全部拦挡，拦挡过程“水石分离”，提高尾矿库排洪系统安全度。

副坝坝高4 m，顶宽2 m，上、下游坡比1∶0.2和1∶0.6，见图6。

拦挡坝稳定计算内容包括坝体抗滑稳定分析及抗倾覆稳定分析，均按现行规范要求进行计算。计算公式为：

式中：

kc——抗滑安全系数；

k0——抗倾覆安全系数，可根据防治工程安全等级及荷载组合取值；

∑N——垂直方向作用力的总和(kN)；

∑P——水平方向作用力的总和(kN)；

f——坝底与基岩之间的摩擦系数；

∑MN——抗倾覆力矩的总和(kN·m)；

∑MP——倾覆力矩的总和(kN·m)。

经计算，拦挡坝稳定计算结果见表3。

运用RCA分析处理后,杜绝了住院患者跌倒坠床事件的发生,有效地保障了患者住院安全。2016年1月-6月,科内无住院患者跌倒坠床事件发生,达到了护理质量的持续改进。

(a)2#拦挡坝和消能副坝平面布置图 (b)2#拦挡坝纵断面图

(c)2#拦挡坝和消能副坝横断面图 (d)消能副坝纵断面图

表3 拦挡坝体稳定计算结果Tab.3 Calculation of blocking dam stability

根据表3计算结果，坝体稳定计算抗滑和抗倾覆安全系数均满足规范要求。在满足安全生产管理条件下，坝体可稳定运行。

3.2 谷坊坝群设计

谷坊坝设置以护坡固床为主，坝址选择在地形狭窄、岸坡较稳定、拦挡库容较大，对不良地质体和强烈侵蚀沟段有控制作用的部位。同时，充分利用沟谷地形，使得谷坊坝群和沟谷地形成为人工阶梯-地形蓄泥消能系统，固床和消能共同作用。

库区内设置2道临时防护谷坊坝，尾矿库安全设施影响范围内泥石流形成区冲沟设置12道谷坊坝。1#～8#谷坊坝拦挡泥石流量及结构参数见表4。

除此之外，在2#拦挡坝上游增设6道谷坊坝，共同组成谷坊坝群，起到拦砂固床和地形消能的效果，减缓冲沟继续下切和泥石流暴发时的冲击力。9#～14#谷坊坝坝高为4 m，采用钢筋石笼堆筑成堤坝断面形状，结构参数同6#～8#谷坊坝，具体布置位置见图4。

为确保泥石流防治措施固床和消能的设计要求，需根据尾矿库运行情况及实施效果监测资料，对该次实施的谷坊坝内及时清淤或上游新增谷坊坝。

表4 谷坊坝拦挡泥石流量及结构参数表Tab.4 Capacity and structural parameters of debris check dam

3.3 泥石流防治措施监测

为确保治理工程施工能够安全顺利地进行，同时检验防治工程的实际效果，建立完善的监测网络极为重要，能及时的掌握治理工程施工过程中和施工完成后，泥石流的发展趋势和缓减情况。泥石流防治措施监测按规范要求设计，并纳入尾矿库工程整体监测系统，人工和在线监测相结合。

泥石流防治措施监测包含：施工期监测、防治效果监测。其中，防治效果监测的主要内容有：①主体工程监测；②雨量监测；③松散固体物质演变监测；④对泥石流的频率、流量及泥石流流量变化监测。

3.4 工程防治效果预期

(1)物源控制情况

防治措施可将冲沟内大部分泥石流固体物源拦截在中上游区域，降低泥石流的水动力条件，减小泥石流流体密度，调节泥石流下泄峰量和固体物质总量，对泥石流起削弱调节作用。通过对物源的控制，并将物源启动方式由集中启动转化为分散启动。

(2)重度调节情况

防止措施可调节泥石流流体重度，也即泥沙修正系数的减小。随着稳拦工程的作用，可参与泥石流活动的松散固体物质减少，而启动泥石流的水源条件不变。因此，流体重度相应减小，随着泥石流向下游运动，由于拦挡工程的拦蓄和消能作用，泥石流流体重度进一步削弱。

(3)防治目标效果分析

拦挡坝+谷坊坝群形成人工阶梯-地形蓄泥消能系统，减少固体物质，降低泥石流的重度，做到因灾设防，有针对性的保护了尾矿库安全设施。

4 结 语

(1)为缓解中小型泥石流沟内已建尾矿库排洪设施泥石流堆积物淤堵和冲刷的问题，设置主控设施拦挡坝，对泥石流起到“水石分离”和“拦”的作用，配套设置谷坊坝群起到“固”的作用，降低了泥石流爆发年对下游尾矿库的冲击和排洪系统的淤堵风险。

(2)拦挡坝和谷坊坝群均可形成人工阶梯，利用其周边地形空间形成地形蓄泥消能，组合形成人工阶梯-地形蓄泥消能系统。

(3)拦挡坝+谷坊坝群的泥石流防治措施，物源控制、重度调节和防治目标效果评价满足工程防治的要求。

(4)人类工程活动是促进泥石流发展的外因。因此，在尾矿库安全设施及泥石流防治设施运行过程中，还需加大封山育林、禁伐禁牧的管理力度以恢复植被、控制水土流失。