四川峨邊縣蔣溝礦渣侵蝕泥石流成因與特征

呂學軍,倪化勇,徐如閣,巴仁基

(1.濱州學院建筑與城鄉規劃系,山東濱州256603;2.成都地質礦產研究所,成都610081)

2010年是西部大開發實施十周年。隨著西部山區開發和礦業開采的深入,大量礦渣的露天堆放,尤其是廢棄礦先期礦渣的處理,成為了一個突出的山區環境問題。堆放不合理的礦渣為泥石流的發生提供了大量的物源。這類由不合理堆放的礦渣所引發的泥石流被稱為礦山泥石流,屬于典型的人為泥石流之一[1]。目前,該類泥石流已經引起高度關注[2-11],其成因存在多種類型,歸納起來包括面蝕型、揭底型、側蝕型、潰決型和其他復合型等。

蔣溝系峨邊縣境內一條典型礦渣型泥石流,流域內早震旦系花崗巖分布廣泛且富含鉀長石,采礦-洗礦-輸沙等一系列礦業活動導致蔣溝流域環境生態惡化,早期開放式、露天式堆放的礦渣在近年的強降雨下遭受侵蝕,導致泥石流頻繁發生,形成了大雨大沖、小雨小沖的發生態勢。泥石流淤埋田地,大量砂石輸入大渡河,產生了一系列的環境問題與安全隱患,對其進行調查和探討在礦渣侵蝕類泥石流研究方面具有一定的代表性意義。

1 環境地質背景

蔣溝位于峨邊縣五渡鎮工農村,系大渡河右岸一級支流,由SSW 向NNE注入大渡河。流域地形地貌屬于中山-峽谷侵蝕地貌,流域面積3.5 km2,主溝長度6.5 km,相對高差1 020 m,流域形態呈葫蘆狀(圖1)。蔣溝泥石流流域左右明顯不對稱,右岸陡峻,流域狹窄,幾乎沒有支溝,而左岸開闊,坡度相對較緩,支溝眾多,水系呈梳狀。

流域地質構造比較復雜,構造部位處于龔嘴背斜東翼,五渡-利店斷層自NNE至SSW向沿溝穿越。流域內出露早震旦紀、震旦紀、奧陶紀、二疊紀和第四紀地層,巖性分別為早震旦系花崗巖(r22)、震旦系上統觀音崖組(Zbg)石英砂巖和灰巖、奧陶系下統紅石崖組(O1h)紫紅色、灰色砂巖、二疊系下統(P1)石灰巖含燧石條帶夾白云巖以及第四系沖積物、泥石流堆積物和坡積物等(圖1)。流域內地層以早震旦系花崗巖和二疊系下統(P1)石灰巖含燧石條帶夾白云巖為主,兩者以五渡-利店斷層為界分別分布于蔣溝的左岸和右岸,其中,早震旦系花崗巖分布占絕對優勢,分布面積廣泛(圖1)。但流域內花崗巖風化嚴重,處強風化狀態,部分全風化;奧陶系下統紅石崖組(O1h)紫紅色、灰色砂巖則分布于胡崗上游段r22與P1之間的河溝地帶,震旦系上統觀音崖組(Zbg)石英砂巖和灰巖分布較少,僅僅分布于流域最上游的羊兒坳一帶;第四系沖積物的分布以溝口堆積扇和溝道堆積為主,泥石流堆積物則分布于下游溝道寬闊地區。

蔣溝流域內礦業開采人類工程活動極其頻繁,生態環境惡化,植被破壞嚴重。據調查,流域中游左岸支溝內存在兩處早期開采的大型礦渣,目前正在進行的采礦、洗礦、采砂活動主要集中在中游左岸和下游左岸。據遙感解譯和現場調查,流域內目前正在開展的采礦、洗礦、采砂等大型礦區至少5處(圖1),大面積山體斜坡被采空,破碎不堪的挖空區代替了郁郁蔥蔥的植被,在降雨發生的情況下,水土流失嚴重,泥石流發生頻繁。

圖1 蔣溝泥石流流域、地質及礦渣分布圖

2 泥石流成因

同自然泥石流一樣,礦渣泥石流的發生需同時具備水源、物源和具有一定溝床比降的地形三個條件,但三者對泥石流發生的作用同自然溝谷泥石流不同,以大量松散礦渣為主的物源是蔣溝泥石流的決定性條件,而從蔣溝泥石流形成的動力條件來看,屬于降雨-侵蝕-崩滑-搬運復合型泥石流,侵蝕成為泥石流形成的關鍵環節。

2.1 礦渣與物源

蔣溝泥石流物源幾乎全部來自中上游支溝內早期鉀長石采礦過程中露天式開放堆積的砂礫石礦渣。同自然泥石流相比,蔣溝礦渣類泥石流物源方面呈現出明顯的集中性特征。據調查,早期礦渣主要有兩處(圖2),分別堆積于流域中上游左岸支溝兩岸(見圖1中的矩形框內),其位置、規模等見表1。

調查發現,早期渣堆(1)和早期渣堆(2)均沿溝橫向堆放,渣堆土體以含礫石砂土為主,礫石含量約占40%～50%,塊度2～5 mm,砂含量約占 50%～60%,土體松散,基本上無膠結,粘聚力差,透水性較強。其中,早期渣堆(1)渣堆沿溝邊坡坡度38.7°,早期渣堆(2)渣堆沿溝邊坡坡度44.5°。

表1 早期礦渣調查表

圖2 早期礦渣

同松散礫砂、粗砂在飽和狀態下內摩擦角為28°[12]相比,早期渣堆(1)和早期渣堆(2)都超過摩擦角上限。從現場來看,早期渣堆(1)受河水侵蝕和雨水沖刷的影響,渣堆溝壑縱橫,多處發生滑塌(圖2),嚴重擠占溝道,礦渣堆放處河床寬度僅僅2～3 m;對于早期渣堆(2),據訪問2009年6月前堆積體上方曾居住一住戶且已居住多年,渣堆被開墾為旱地。然而2009年6月28日,峨邊縣普降大到暴雨,渣堆坡腳遭受河水沖刷礦渣發生滑坡,住戶房屋、院壩一起滑落,使得渣堆穩定性降低,礦渣擠占溝道嚴重。

可見,兩處早期渣堆目前穩定性差,為以往曾經發生的泥石流以及今后可能發生的泥石流均提供大量的物源,且已經形成了降雨-侵蝕-礦渣崩滑-泥石流搬運-礦渣進一步滑塌-泥石流再次搬運的循環局面(圖3)。

圖3 洪水侵蝕-礦渣滑坡-補給泥石流關系圖

2.2 水源

蔣溝泥石流水源全部來自降雨及其匯流產生的溝道水流。整個蔣溝流域的匯水區面積主要包括570 m高程以上的流域,但事實上對泥石流發生起決定性作用的匯水區主要包括早期渣堆堆放的支溝流域(圖1),匯水面積僅僅0.35 km2,高程在640 m以上,形態呈紡錘狀。但該區氣候屬于亞熱帶濕潤季風氣候,雨量充沛,年均降水量為1 275.5 mm,年平均降水日達到163.3 d,最多達182 d,連續最長降水日數18 d,日最大降水量為157.4 mm,尤其是降水季節分布不均,主要集中在6-8月,三月降雨量占年降水量的57.4%?？梢?降雨量四季分布不均勻,汛期以暴雨降水為主,為溝道匯流創造了良好條件。

2.3 地形

從蔣溝泥石流啟動部位、運動路徑和堆積部位來看,蔣溝泥石流可明顯分為形成區、流通區和堆積區(圖4)。形成區包括匯水區和礦渣啟動區,主要指堆積有早期渣堆的支溝,支溝長約1 200 m,溝床比降336‰,明顯高于平均縱比降(157‰),溝谷呈V型,兩岸斜坡坡度為20°～40°,紡錘狀;流通區主要指高程720～550 m的主溝段,長約950 m,溝床比降僅143‰,比較平直,溝谷也呈V型,右岸斜坡陡峻,坡度 50°～ 70°,左岸相對較緩 ,坡度 25°～ 35°;堆積區主要分布在現5號選礦區上游,受該選礦區礦堆的阻擋作用,泥石流堆積于下游溝道,5號選礦區以下則為溝口段以及大渡河交匯段,溝道寬度3～5 m。該地形有利于雨水的匯集和徑流形成,使得泥石流的啟動條件降低。

圖4 蔣溝泥石流溝床縱剖面示意圖

3 泥石流特征

3.1 堆積與規模特征

蔣溝在下游溝道開闊處進行了堆積,形成一舌狀巨型堆積扇(圖5)。據測量,扇體長約300 m,寬平均約70 m,厚度約3～4 m,體積約5.5萬m3。這部分堆積體主要由2009-06-28泥石流所造成,屬于中等規模泥石流,但由于物源豐富,啟動條件具有重復性,因此水力條件的不同決定泥石流規模的差異性,降雨強烈,水力侵蝕能力大,礦渣補給多,則泥石流規模大,反之,泥石流規模小。

圖5 泥石流堆積

從堆積組成來看,蔣溝泥石流堆積物同礦渣物源在機械組成上具有一致性,堆積物機械組成同渣堆機械組成相同,均由砂和礫石組成,屬于粗粒土,幾乎不含有漂石和黏土,表明泥石流形成主要來自早期露天開放式堆放的渣堆,而流域內自然不良地質現象較少,從而呈現出堆積物機械組成的固定性和單一性特征。另外,同自然泥石流堆積相比,蔣溝泥石流的堆積比降較小,僅約5°,反映了其動力特征較弱。

3.2 易發性與頻發性特征

由于物源補給豐富,礦渣失穩的臨界條件低且不變,只要降雨形成溝道徑流后,即可對渣堆坡腳進行侵蝕,導致渣堆不斷垮塌,洪水含沙量的增加進一步增強了其侵蝕能力,渣堆垮塌規模不斷增大,洪水攜帶大量礫砂運動,隨著礦渣垮塌和流體中固體物質含量的增加,泥石流最終形成。可見,礦渣型泥石流啟動條件低,物源補給的連續不斷性決定了蔣溝泥石流的易發性和頻發性。

3.3 溝床地貌的復雜演變性特征

泥石流和洪水的交替發生對蔣溝溝床地貌的演變和塑造起到了巨大的沖淤變化作用,使得溝床地貌演變快速。2009年 7月22日調查發現,“2009-06-28”泥石流的發生,對早期渣堆(1)下游之溝床起到了很好的鋪床作用,溝床淤高近1 m且床面平坦(圖6);而8月28日再次調查發現,該處河床地貌發生了明顯變化,洪水再次侵蝕下切“2009-7-22”河床,下切深度近1 m,老河床礫石和漂石也被揭露出來,并在溝床兩側形成三級階面,造就了暫時性泥石流階地地貌景觀(圖6)。通過降雨觀測資料的推測,得知系由“2009-8-15”洪水的漲峰過程或峰頂過流所致。

圖6 泥石流對溝床的快速塑造作用

再如,在5號洗礦-采砂區上游的溝道開闊區,受局部彎道、礦區阻擋以及地形開闊的共同影響,泥石流流體擴散,流速和攜帶能力均降低,泥石流開始堆積,形成了一個平整的巨大舌狀扇體,蔚為壯觀。而后續的洪水快速侵蝕下切,下切深度達2.2 m,將扇體一分為二。

3.4 泥石流危害特征

蔣溝泥石流的危害主要表現在淤埋田地和環境破壞兩個方面(圖7)。

(1)淤埋田地。蔣溝流域內田地主要分布在下游右岸陡崖下方的開闊緩坡地帶,同泥石流在下游溝道內停淤場所一致。2009年泥石流堆積扇扇面面積達6.3萬m2,直接導致2 hm2多田地被淤埋,糧食絕收,還沖擊淤埋大量的灌叢。另外,河床被泥石流填埋淤高后,大量河水漫過扇面抵達高處,使得高處近1.3 hm2田地也受到影響。隨著扇體的進一步淤高,今后受到影響的田地也將進一步向高處延伸而增加。

(2)環境破壞。蔣溝泥石流對環境的影響進一步表現在水土流失、生態破壞和增大大渡河含沙量3個方面。通過實地調查發現,蔣溝泥石流的發生,實際上是對蔣溝流域內土體快速輸送的一種方式。隨著泥石流發生頻率的增加和規模的增大,大量的土體被攜帶至下游,改變河床地貌的同時,使得流域內土體減少從而影響環境;另外,作為土體輸送的一種快速方式,蔣溝泥石流最終將大量泥沙輸入了大渡河。調查發現,即使在平水期,蔣溝水體仍然渾濁,含沙量極高(圖7)。在入匯處,蔣溝水體呈現出明顯的高含沙量,隨著時間的積累,數十萬立方米的砂石將輸入大渡河,影響大渡河水體,甚至影響大渡河下游電力開發。

圖7 泥石流危害(左為淤埋田地,中為沖毀灌叢,右為輸沙)

4 結論與建議

通過對蔣溝泥石流的調查和上述分析認為:礦渣侵蝕類泥石流在形成條件上表現為物源集中性和機械組成以砂礫石土為主的固定性;發生過程呈現出降雨-侵蝕-崩滑-搬運復合型和循環性,侵蝕為泥石流形成和發生的關鍵環節;泥石流堆積物成分單一,堆積比降小,地貌塑造作用強;蔣溝泥石流在未來數年表現為高易發性和高頻發性特征。

為了進一步防止下游田地的淤埋和大量礦渣沙石輸入大渡河,建議對蔣溝泥石流采取必要的工程措施進行治理。根據蔣溝泥石流礦渣物源的分布、粒度特征和提供方式可以看出,水土分離、固床或擋墻措施成為該類泥石流防治的重要方法,防治效益比較明顯,防治成本亦較低。

對于早期礦渣(1),建議在礦渣坡腳處修建高約2 m,長約150 m的漿砌石擋墻,溝床采用漿砌石鋪底防止侵蝕下切;對于早期礦渣(2),建議在礦渣坡腳處修建高約3 m,長約60 m的漿砌石擋墻,溝床同樣采用漿砌石鋪底防止侵蝕下切。通過礦渣擋墻和河床鋪底的修建,汛期洪水將不再對礦渣進行侵蝕搬運,從而從物源上控制了泥石流的發生。除此之外,輔以必要的植被恢復工程,其效益將更加明顯。

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