楊 敏，陳華清，張江華

(中國地質(zhì)調(diào)查局西安地質(zhì)調(diào)查中心，陜西西安710054)

礦渣型泥石流是山區(qū)礦產(chǎn)資源開發(fā)活動中不合理堆排廢石棄渣引發(fā)或加劇的嚴(yán)重危及礦山正常生產(chǎn)和人員安全的一種地質(zhì)災(zāi)害類型，其物源90%以上來源于采礦過程中排放的廢石棄渣，因物源充分、堆積集中，可使非泥石流溝演變?yōu)槟嗍鳒?、低頻泥石流溝演變?yōu)楦哳l泥石流溝［1］。近年來，礦山礦渣型泥石流災(zāi)害發(fā)生頻繁:1989年7月21日神府煤田發(fā)生泥石流，淤平礦井11處、露天礦坑9處，沖毀礦堤1870 m，造成直接經(jīng)濟(jì)損失2000多萬元［2］;1994年7月11日西峪泥石流沖毀礦區(qū)公路9 km、涵洞3 km，淤埋礦山設(shè)備百余臺，致使礦區(qū)交通、水電中斷，共造成52人死亡、上百人失蹤，礦區(qū)全部停產(chǎn)，直接經(jīng)濟(jì)損失上億元［3－5］。礦渣型泥石流的發(fā)生頻次和災(zāi)害損失隨著采礦業(yè)的發(fā)展呈現(xiàn)出加劇的趨勢［6］。

源區(qū)物源的滲透過程是泥石流形成全過程中不可缺少的一個子過程［7］，而泥石流防治的要點是阻止其形成準(zhǔn)泥石流體，或準(zhǔn)泥石流體起動形成泥石流，或?qū)\動中的泥石流體加以疏導(dǎo)以降低災(zāi)害損失［8］，因此對于礦渣型泥石流而言，研究物源的滲透性對于探索泥石流形成機(jī)理、計算泥石流臨界降雨量等具有重要的意義。本研究選擇黃河中游某金礦區(qū)礦渣型泥石流物源——采礦廢石、尾礦砂、殘坡積土［9］，對其顆粒級配、滲透系數(shù)進(jìn)行測試，與已有的自然泥石流物源滲透特性的研究成果進(jìn)行對比，分析礦渣型泥石流物源滲透特征，為進(jìn)一步研究和治理礦渣型泥石流提供參考。

1 研究區(qū)概況

以黃河中游某金礦區(qū)為研究區(qū)，該區(qū)位于陜西、山西、河南三省交界處，是我國重要的黃金產(chǎn)區(qū)。開采區(qū)主要位于基巖山地，山脈主體呈東西向展布，北麓山勢陡峭，溝谷切割強烈，整體海拔700—2300 m，平均海拔1500 m，溝坡平均坡度25°～35°，溝谷多呈U形，分水嶺至出山口最大相對高差約900 m，為泥石流形成提供了重力勢能條件。

該區(qū)年均降水量645.8 mm，最大年降水量984.7 mm，降水多集中在6—9月份，且多為暴雨，因此具備引發(fā)泥石流的短歷時、高強度的暴雨條件。

該區(qū)地臺基底為太古界太華群變質(zhì)巖系，賦存有大量與構(gòu)造破碎帶有關(guān)的含金石英脈［3］。主要開采石英脈型金礦，采礦排放的廢石棄渣粒徑多為1～500 mm，石渣堆固結(jié)弱。礦區(qū)堆渣量巨大，從溝口到溝腦、山腳到山頂、山坡到溝道，采礦廢石、選礦尾礦渣隨意堆放，集中堆排在文峪、棗鄉(xiāng)峪、大湖峪等的廢渣堆積量約為2.629億m3，占該區(qū)礦山廢石總量4.612億m3的57%。據(jù)調(diào)查，金礦區(qū)80%以上的廢渣堆沒有配套防護(hù)工程設(shè)施，廢渣堆穩(wěn)定性極差，為泥石流的發(fā)生提供了豐富的松散物源。研究區(qū)廢石堆分布情況見表1。

表1 研究區(qū)廢石堆分布情況

2 試驗材料及方法

土體的滲透試驗是研究泥石流起動過程和機(jī)理的重要手段。由于土體孔隙的斷面大小和形狀十分不規(guī)則，水在土體孔隙中的流動是非常復(fù)雜的，即使是單純的砂土，也不可能求出流速分布的規(guī)律或者孔隙中真實流速的大小，因此土的透水性只能用平均的概念，用單位時間內(nèi)通過土體單位面積的水量這種平均滲透速度來代替真實速度［10］。陳寧生［7］曾采用徑流產(chǎn)流試驗對泥石流物源區(qū)弱固結(jié)礫石土的滲透特性進(jìn)行了研究，測得蔣家溝泥石流形成區(qū)的穩(wěn)定下滲率是0.13 mm/min，即自然泥石流物源的穩(wěn)定滲透系數(shù)為2.17×10－4cm/s。

2.1 試驗材料

試驗土樣是于2010年4月采自研究區(qū)東桐峪溝道內(nèi)堆棄的采礦廢石渣和尾礦砂，取土深度0～1 m。由于采礦廢石渣主要為粗粒土石混合料，采集原狀土樣比較困難，因此采用重塑土樣進(jìn)行試驗。選擇具有代表性的5處廢石渣堆、2處尾礦砂堆、2 處殘坡積土，采用 20、15、10、5、2、1 cm 以及 5、2、0.83、0.45、0.3、0.2、0.1、0.075 mm 的不同孔徑的篩子進(jìn)行篩析，得到顆粒級配曲線(圖1)。再進(jìn)行孔隙度測試，得到采礦廢石渣的平均孔隙度高達(dá)42.2%，尾礦砂平均孔隙度為18.82%。采用多數(shù)學(xué)者認(rèn)可的5 mm的固定粒徑，將d＞5 mm的顆粒稱為粗料，含量用P5表示，其余稱為細(xì)料［11］。采礦廢石渣中粗料形成骨架，細(xì)料充填孔隙，填充得越密實，廢石渣的孔隙越小。孔隙的大小直接關(guān)系到廢石渣的滲透特性和滲透穩(wěn)定性。

圖1 研究區(qū)不同泥石流物源顆粒級配對比

2.2 試驗方法

采用直徑10 cm、高30 cm的常水頭滲透儀進(jìn)行試驗(圖2)。采礦廢石渣粗顆粒粒徑大且松散，不易取原狀樣，因此采用12個采礦廢石渣重塑樣和10個尾礦砂重塑樣進(jìn)行試驗。根據(jù)《土工試驗規(guī)程》，試樣顆粒粒徑不得超過儀器口徑的1/10［12］。對于超徑料的處理采用“等量替代法”［11］，將粗粒土中超徑料等重量地用允許最大粒徑(dmax)至5 mm的粗料按含量加權(quán)平均代替，在有限的試驗條件下最大限度地模擬原狀樣。

2.2.1 采礦廢石渣的滲透系數(shù)

圖2 常水頭滲透儀

通過顆粒級配對比，采礦廢石渣有著與常見泥石流物源不同的特點，包括粗粒含量大，P5=78.19%～91.38%，孔隙率較大，為42%，因此其滲透系數(shù)也不同于其他物源。

2.2.2 尾礦砂的滲透系數(shù)

尾礦砂顆粒級配狹窄，以中細(xì)沙—粉粒為主，孔隙率較小，為18.82%。試驗結(jié)果見3。

2.2.3 殘坡積土的滲透系數(shù)

采集研究區(qū)殘坡積土進(jìn)行滲透試驗，與礦渣型泥石流物源的滲透系數(shù)進(jìn)行對比，結(jié)果見表4。采礦廢石渣滲透試驗結(jié)果見表2。

3 試驗結(jié)果分析

3.1 不同物源滲透系數(shù)對比

從滲透試驗結(jié)果可以看出，采礦廢石渣滲透系數(shù)較大，為0.094～0.127 cm/s，平均 0.107 cm/s;尾礦砂滲透系數(shù)比采礦廢石渣小，為 4.9 ×10－4～1.37 ×10－3cm/s，平均 1.03 ×10－3cm/s;殘坡積土滲透系數(shù)為 0.052～0.056 cm/s，平均 0.055 cm/s。采礦廢石渣的滲透系數(shù)是陳寧生［7］研究結(jié)果值的493倍，是殘坡積土的1.9倍、尾礦砂的104倍。需要說明的是，受試驗設(shè)備的限制，試驗采用的廢石渣顆粒要比實際物源細(xì)得多，也就是說實際廢石渣堆的滲透系數(shù)比試驗數(shù)據(jù)還要大。

表2 采礦廢石渣滲透試驗數(shù)據(jù)

3.2 滲透性能與顆粒級配的關(guān)系

郭慶國［11］認(rèn)為:當(dāng)土體中粗料(礫石)含量＜30%時，粗料在土體中被細(xì)料所包裹，加上礫石本身又不透水，減小了滲透面積，延長了部分滲透路徑，所以滲透系數(shù)不但不增大，反而會有所減少;當(dāng)粗料含量超過30%之后，粗料顆粒開始有局部接觸，滲透系數(shù)逐漸增大;當(dāng)粗料含量超過70%之后，粗料已經(jīng)完全形成了骨架，細(xì)料填不滿孔隙，滲透系數(shù)顯著增大。根據(jù)上述理論，由顆粒篩分試驗知:5處采礦廢石渣堆的P5平均值為84.5%，粗料已經(jīng)完全形成土體骨架，細(xì)粒物質(zhì)不能填滿孔隙，造成土體內(nèi)部孔隙度大、連通性好、滲透系數(shù)較大;而尾礦砂則全部由細(xì)粒物質(zhì)組成，孔隙率較小、孔隙狹窄、連通性較差，因此其滲透系數(shù)遠(yuǎn)小于采礦廢石渣。

表3 尾礦砂滲透試驗數(shù)據(jù)

表4 殘坡積土滲透試驗數(shù)據(jù)

3.3 滲透性能與泥石流發(fā)育規(guī)律的關(guān)系

(1)礦渣型泥石流多為暴雨山洪泥石流。礦渣型泥石流物源的滲透性能比自然泥石流物源的滲透性能強很多倍，一般降雨條件下洪水很快透過礦渣堆中的粗大孔隙滲漏排出，很難匯集形成兇猛的洪峰或堵塞形成堰塞塘，因此除非遇到特大暴雨，研究區(qū)溝道內(nèi)的渣堆才能在洪水沖擊下起動進(jìn)而形成泥石流。這也就是說礦渣型泥石流是暴雨或特大暴雨誘發(fā)型泥石流，從7月23日蒿岔峪泥石流形成當(dāng)日潼關(guān)縣3個鄉(xiāng)鎮(zhèn)降水量超過100 mm，最大降水量為204.8 mm，可以得到證明。

(2)礦渣型泥石流致災(zāi)嚴(yán)重。溝谷切割強烈，降雨強度大，加之溝道內(nèi)礦渣堆數(shù)量龐大，攔擋支護(hù)措施明顯不足，因此研究區(qū)具備礦渣型泥石流的發(fā)生條件。更為嚴(yán)重的是，礦渣型泥石流的發(fā)生通常需要大暴雨和較大的洪水流量，因此一旦發(fā)生泥石流往往會造成大型甚至特大型災(zāi)害，可能比泥石流高發(fā)區(qū)形成的小型泥石流造成的危害更大、損失更嚴(yán)重。

(3)加強礦渣型泥石流的預(yù)防和治理。由于礦渣型泥石流的形成通常需要特大暴雨誘發(fā)，在一般降雨條件下不易發(fā)生，因此容易造成假象，使人們對防災(zāi)減災(zāi)工作有所松懈。針對金礦區(qū)存在的礦渣型泥石流安全隱患，應(yīng)該做到堅持治理、群測群防。對于研究區(qū)，預(yù)防礦渣型泥石流應(yīng)針對不穩(wěn)定渣堆修建重力擋墻，將渣堆與行洪通道隔離開來，阻斷泥石流固體物質(zhì)的來源;對于礦區(qū)溝道擠占嚴(yán)重、洪水排泄不暢的狀況，采取清理河道卡口的廢石堆、疏通河道及修建排導(dǎo)渠，使洪水排泄通暢;對于存在重大泥石流隱患的局部河段，通過修建谷坊、網(wǎng)格壩、縫隙壩、重力壩等工程，盡可能地減輕泥石流危害。

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