河南小秦嶺金礦區(qū)泥石流發(fā)生機(jī)理分析及治理措施

姚永成,周延奎,李永江

(1.靈寶市國土資源局,河南靈寶472500;2.河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第一水文地質(zhì)工程地質(zhì)隊(duì),河南鄭州450045)

1 引言

河南小秦嶺金礦區(qū)位于靈寶市西部,與陜西華陰、洛南接壤,包括靈寶市朱陽、豫靈、故縣和陽平4鄉(xiāng)鎮(zhèn)大部,東西長45km,南北寬 10～17km,面積約600km2,是我國第二大黃金產(chǎn)區(qū),由于采礦剝離的廢石和棄渣堆放不合理,在暴雨或連續(xù)降雨條件誘發(fā)下,歷史上曾多次發(fā)生嚴(yán)重的泥石流地質(zhì)災(zāi)害,造成了生命財(cái)產(chǎn)的重大損失。雖然近年來中央和地方政府加大了對該地區(qū)礦山地質(zhì)環(huán)境治理的力度,但潛在的地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)(處)還十分嚴(yán)重,治理任務(wù)任重道遠(yuǎn)。為此,筆者根據(jù)近年來參與的部分項(xiàng)目和掌握的有關(guān)資料,對該地區(qū)泥石流的發(fā)生機(jī)理進(jìn)行了分析研究,對近年來已實(shí)施治理工程項(xiàng)目措施進(jìn)行了總結(jié)和評價(jià),同時(shí)提出了今后治理項(xiàng)目優(yōu)化措施的一些建議。

2 礦區(qū)泥石流危害及發(fā)生機(jī)理分析

2.1 泥石流危害的特征

河南小秦嶺金礦區(qū)泥石流主要分布于中低山區(qū),具有暴發(fā)突然、運(yùn)動速度快、能量大的特點(diǎn),其破壞性非常強(qiáng),對人民生命財(cái)產(chǎn)造成極大的危害,危害程度一般為重大級、特大級。其發(fā)育特征為溝谷深切,溝床縱坡比降大,固體物質(zhì)以開礦廢渣為主,廢石直徑0.1～0.3m,大小混雜,磨圓度差,多呈棱角狀,遇強(qiáng)暴雨、暴雨、洪水挾帶礦渣廢石形成泥石流。1994年7月11日位于豫陜交界處的大西峪溝暴發(fā)泥石流,造成51人死亡,礦區(qū)全部停產(chǎn),經(jīng)濟(jì)損失巨大;1996年8月,小秦嶺地區(qū)連降暴雨,大西峪、文峪溝引發(fā)泥石流,沖毀礦區(qū)公路 13km、通訊線路3km,直接經(jīng)濟(jì)損失690萬元;1998年7月文峪金礦發(fā)生泥石流災(zāi)害,毀壞礦區(qū)公路16km,橋梁涵洞10多處,變壓器、空壓機(jī)等大型機(jī)械設(shè)備數(shù)臺,供電、通訊中斷,經(jīng)濟(jì)損失473萬元。2000年8月,文峪、西峪、大湖峪相繼發(fā)生泥石流,沖毀公路,礦山停產(chǎn),經(jīng)濟(jì)損失慘重。

2.2 潛在泥石流發(fā)生機(jī)理分析

2.2.1 豐富的松散礦渣物質(zhì)來源

據(jù)調(diào)查[1],泥石流災(zāi)害高易發(fā)區(qū)溝谷內(nèi)礦渣堆積總量達(dá)1444.41×104t以上,尾礦1571.02萬t。經(jīng)調(diào)查和現(xiàn)場試驗(yàn),礦區(qū)礦渣堆工程地質(zhì)特征包括礦區(qū)礦渣堆積體的物質(zhì)成份主要由采礦剝離的圍巖廢石和貧礦碎屑構(gòu)成,巖性以混合花崗巖、片麻巖、灰綠巖、石英脈巖等母巖碎屑為主。礦渣堆積體塊度以 4～8cm及小于 4cm為主,占 70.12%,8～15cm占13.09%,15～30cm占10.07%,大于30cm的占5.72%。礦渣堆松散系數(shù)為1.27～1.70。礦渣堆物理力學(xué)性質(zhì)為抗剪強(qiáng)度低,內(nèi)摩擦角為35°,內(nèi)聚為0.5kPa。礦渣堆坡度一般在35～42°之間,具有結(jié)構(gòu)松散、含沙石多,含土量少,持水能力差、透水能力強(qiáng)、抗剪強(qiáng)度底等特征。這些散亂堆放的礦渣,在強(qiáng)降雨的作用下,極易直接進(jìn)入河道成為泥石流的物源。其中需重點(diǎn)防治的10條泥石流溝涉及威脅人口10余萬人,潛在經(jīng)濟(jì)損失2.4億元。

2.2.2 地形地貌因素

河南小秦嶺金礦區(qū)泥石流災(zāi)害高易發(fā)區(qū)分布于西峪、大湖峪、棗鄉(xiāng)峪、武家山及蒼珠峪、楊砦峪、朱家峪一帶的小秦嶺中山地區(qū),海拔高程多數(shù)在1000m以上,最高2413.8m(老鴉岔腦)。以深、陡、窄V型溝谷為,主泥石流溝谷縱坡降比為8%～25%,溝坡坡度為32～60°,其支溝縱坡降比為15.6%～58.4%。分水嶺至出山口最大相對高差達(dá)900m。其地形地貌,具備發(fā)育泥石流的基本條件,主要泥石流溝的詳細(xì)情況見表1。

表1 主要泥石流溝基本情況

2.2.3 水文氣象因素

河南小秦嶺金礦區(qū)區(qū)域洪水主要為自然降雨,據(jù)靈寶市氣象站1956～2000年氣象資料,該地區(qū)年平均降水量720mm,年最大降水量984.7mm(1958年),最小降水量為318.7mm(1997年),年內(nèi)降水量多集中在7、8、9三個(gè)月,占全年降水量的60%,并具有夏季多暴雨特點(diǎn),最大時(shí)每小時(shí)降雨量93.2mm(1960年7月22日)。為預(yù)測該地區(qū)暴雨誘發(fā)泥石流災(zāi)害的可能性,筆者按30年一遇降雨強(qiáng)度對礦區(qū)10條河道流域泥石流發(fā)生量進(jìn)行了計(jì)算。

(1)洪水總量計(jì)算。[2]每條泥石流溝洪水總量計(jì)算,按照水科院水文所計(jì)算洪峰流量公式進(jìn)行計(jì)算：

Qm為設(shè)計(jì)洪峰流量(m3/s);ψ為洪峰徑流系數(shù);τ為洪峰匯流時(shí)間(h);F為流域面積(km2);L為主溝長度(km);J為主溝平均坡度(%);S為設(shè)計(jì)最大1h雨量平均強(qiáng)度(mm);n為設(shè)計(jì)暴雨遞減系數(shù);μ為平均入滲率(mm/h);m為匯流參數(shù)。

根據(jù)靈寶市歷年降水資料,按30年一遇洪水頻率24h最大降水量均值H24p=65mm,由《河南省暴雨參數(shù)圖集》(河南省水文局編制)提供的當(dāng)?shù)乇┯赀f減指數(shù) n1=0.55、n2=0.75、Cv=0.45、Cs=3.5Cv。暴雨徑流系數(shù)為0.7,匯流參數(shù)0.8。經(jīng)計(jì)算,10條主要泥石流溝洪水總量計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 河南小秦嶺金礦區(qū)主要泥石流溝洪水總量計(jì)算結(jié)果表

(2)泥石流峰值流量計(jì)算[3]。

式中Qc表示頻率為P的泥石流洪峰值流量(m3/s);Qp表示頻率為P的暴雨流水設(shè)計(jì)流量(m3/s);φ為泥石流泥砂修正系數(shù);γc為泥石流重度(t/m3);γw為清水的重度(t/m3);γH為泥石流中固體物質(zhì)比重(t/m3);Dc為泥石流堵塞系數(shù)。

(3)一次泥石流過程總量和固體物質(zhì)總量計(jì)算。

式中Q為一次泥石流過程總量(m3);K=0.264,當(dāng)F＜5km2,K=0.202;F=5～10km2,K=0.113;F=10～100km2,K=0.0378;T為泥石流歷時(shí);QH為一次泥石流過程固體物質(zhì)總量(m3)。

表3 河南小秦嶺金礦區(qū)主要泥石流溝總量及輸砂量總量預(yù)測

通過以上分析和計(jì)算,礦區(qū)大量不合理堆放在溝谷中及溝谷兩側(cè)坡體上的松散礦渣,在強(qiáng)降雨條件下極有可能發(fā)生較大規(guī)模的泥石流。

3 泥石流的防治措施

河南小秦嶺金礦區(qū)泥石流以礦山廢渣、廢石、棄土為物源的泥石流為主,包括溝谷形泥石流和坡面泥石流二類。泥石流的防治措施多種多樣,設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)從山地環(huán)境特點(diǎn)和泥石流演化發(fā)展規(guī)律出發(fā),貫徹綜合治理的原則,整個(gè)泥石流溝域全面規(guī)劃,突出重點(diǎn),工程措施和生物措施相結(jié)合。

3.1 清理礦渣疏通河道

清理占據(jù)溝谷的礦渣、消除泥石流固體物質(zhì)的補(bǔ)給來源,疏浚礦區(qū)的排水通道,保證礦區(qū)行洪排水安全,該手段是一種較為經(jīng)濟(jì)的工程措施。

3.2 攔擋工程

攔擋工程措施主要是利用重力式漿砌石擋渣墻和重力式實(shí)體攔擋壩。重力式漿砌石擋渣墻,即在礦渣邊坡前緣砌筑攔渣擋墻,其目的是將礦渣堆就地?cái)r擋固化,減少在暴雨作用下,泥石流的發(fā)生和起動,避免礦渣成為泥石流物源。措施功能特點(diǎn)包括簡單易行,對材料要求不高,可以在礦渣堆就地取材。防護(hù)效果持久、穩(wěn)定。

重力式實(shí)體攔擋壩[4],即在同一河段修筑一系列的攔擋壩,一般不少于3座,其功能包括攔截水沙,改變輸水輸沙條件,調(diào)節(jié)下泄水量;利用回淤效應(yīng),穩(wěn)定斜坡和溝谷;降低河床溝坡降,減緩泥石流流速,抑制上游河段縱、橫向侵蝕,調(diào)節(jié)泥石流流向。

3.3 排水工程

小秦嶺金礦區(qū)的開礦棄渣基本上是就地堆放在坑口兩側(cè)的山坡上或溝谷河道內(nèi),經(jīng)過日積月累形成了許多棄渣堆積體。這些礦渣堆積體在暴雨作用下極易跨塌進(jìn)而形成泥石流災(zāi)害。為防止暴雨沖刷礦渣堆積體,通常在礦渣堆積體邊界以外修筑截水溝和排水溝,并與礦區(qū)排水系統(tǒng)相連接。

3.4 坡面防護(hù)處理

為有效降低坡面的水力侵蝕,防治水土流失,一般采用干砌石或漿砌石護(hù)坡措施。石料以片石為主,其結(jié)構(gòu)主要由腳槽、坡面、封頂三部分組成[5]。其中腳槽主要用于阻止砌石坡面下滑,起到穩(wěn)定坡面的作用。干砌石厚度一般不小于30cm,其下設(shè)不小于10cm厚的碎石或砂礫墊層。漿砌石護(hù)坡采用M7.5砂漿砌筑,坡面設(shè)置瀉水孔,間距 2～3m,瀉水孔局部范圍內(nèi)設(shè)反濾層,以防淤塞。較長較高的坡面還應(yīng)設(shè)置伸縮縫和分級設(shè)置馬道。

3.5 礦渣堆坡面植被恢復(fù)

3.5.1 緩坡覆土

通過工程措施實(shí)現(xiàn)渣體的穩(wěn)定控制后再實(shí)施植被恢復(fù)。對于坡度較陡的礦渣坡,應(yīng)在砌石擋渣墻前采取削坡措施將陡坡挖緩,使總坡比控制在1.0∶1.0～1.0∶1.5。然后進(jìn)行覆土,厚度為25cm,土壤要使用理化性質(zhì)較好的腐熟土。覆土宜于9月中、下旬進(jìn)行,春季覆土播種。

3.5.2 植被品種選擇

應(yīng)優(yōu)先采用適應(yīng)環(huán)境能力強(qiáng),適合當(dāng)?shù)厣L的鄉(xiāng)土樹種和草種,或景觀設(shè)計(jì)所需的樹種和草種。①草本類：如高羊茅、貓尾草,此類型植物屬冷季型草,根系發(fā)達(dá),耐寒抗旱,較耐瘠薄,適應(yīng)能力強(qiáng);②藤本類：如葛藤、爬山虎、五葉地錦,均屬多年生木質(zhì)藤本,利用其攀援、纏繞,蔓延生長和觸地生根的特性,能迅速形成龐大的網(wǎng)狀植物體,加強(qiáng)吸收、抗旱能力,同時(shí)對廢棄地坡面進(jìn)行固定,緩解雨水沖刷,有利于其他植物進(jìn)一步定居,且葛藤是豆科植物,具固氮作用,更適合在該區(qū)種植;③灌木類：如珍珠梅、紫穗槐、荊條。珍珠梅和荊條是小秦嶺礦區(qū)石渣坡分布最廣泛的灌木品種,種子易采集,適生性強(qiáng)。紫穗槐則是一種非常耐旱、耐貧瘠豆科植物,不僅根部有大量根瘤,能固氮滿足自身氮的需要,而且粗壯的主根、側(cè)根,有利于向深處生長,對渣坡的固定作用強(qiáng);④喬木類：如旱柳、山毛桃、側(cè)柏、刺槐,以上4種喬木品種都屬于該區(qū)鄉(xiāng)土樹種,尤以旱柳和刺槐效果最好,二者是最耐干旱、瘠薄的先鋒喬木樹種,在石渣坡的閉坑較早的渣坡上,常見自然分布。[6]

4 治理效果評價(jià)及治理措施改進(jìn)建議

4.1 治理效果評價(jià)

自2004年以來河南省級財(cái)政和中央財(cái)政投入6000余萬元,在靈寶市地質(zhì)礦產(chǎn)局牽頭組織下對礦區(qū)9條泥石流溝谷進(jìn)行了整治(見表4)。這些項(xiàng)目根據(jù)立地條件差異,采取了不同的技術(shù)組合模式進(jìn)行了治理,取得了較好治理效果。

表4 河南小秦嶺金礦區(qū)泥石流治理項(xiàng)目

4.2 治理措施改進(jìn)建議

總結(jié)近年來河南小秦嶺金礦區(qū)已實(shí)施治理項(xiàng)目來看,治理項(xiàng)目使用的工程措施較多,生物防護(hù)技術(shù)應(yīng)用較少,人工痕跡太多,影響了與周遍環(huán)境的和諧,建議在今后的治理項(xiàng)目中在保證工程安全的前提下,采取工程與生物相結(jié)合的綜合措施,避免太多的人工痕跡,使治理后的工程與礦區(qū)周遍的生態(tài)環(huán)境相協(xié)調(diào)、相融合。

[1]河南省國土資源科學(xué)研究院.靈寶市地質(zhì)災(zāi)害防治規(guī)劃(2005-2015年)[R].鄭州：河南省國土資源科學(xué)研究院,2004.

[2]河南省水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘察院.靈寶黃金股份有限公司崟鑫礦區(qū)礦山地質(zhì)環(huán)境綜合治理工程設(shè)計(jì)書[R].鄭州：河南省水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘察院,2006.

[3]DZ/T O220-2006,泥石流災(zāi)害防治工程勘查規(guī)范[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2006.

[4]DZ/T O239-2004,泥石流災(zāi)害防治工程設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2004.

[5]趙方瑩,孫保平.礦山生態(tài)植被恢復(fù)技術(shù)[M].北京：中國林業(yè)出版社,2009.

[6]韓軍旺,姚冠忠,袁志良,等.小秦嶺礦區(qū)石渣坡植被恢復(fù)與植物配置模式研究[J]安徽農(nóng)業(yè)科學(xué).2008,36(28)：12243～12244.