高村排土場泥石流形成的可能性分析及防治措施

李 偉 陳紅權 陳宗援

(馬鋼集團南山礦業公司)

高村排土場是馬鋼南山礦業公司下屬高村鐵礦的配套排土場，設計排土堆置標高185 m，排土場設計容積8 690萬m3[1-2]。排土場東西長約1 350 m，南北寬約820 m，排土堆置標高90～180 m，有90，120，150，180 m 4個排土臺階，目前90～120 m臺階已經排棄結束。高村鐵礦剝巖采用汽車+膠帶運輸、排土機堆排的半連續排巖工藝，為提高排巖效率，排土機采取高臺階(段高65 m)堆排，利用高村排土場一期占地范圍北側220 m寬的臨時用地堆排185 m標高的平臺，由西向東排土。高村排土場作為高村鐵礦重要的排土場地，若產生大規模泥石流和滑坡等地質災害，勢必會危及到下游高村采場，更有可能危及到周邊村莊，對周邊安全環境和礦山的正常生產帶來極大影響。本研究對高村排土場泥石流形成的可能性進行分析，并對相應的防治措施進行討論。

1 排土場泥石流分類及其成因

按泥石流的基本動力作用，可將泥石流劃分為重力成因泥石流、水動力成因泥石流和復合成因泥石流3類；按泥石流體的流動特性劃分，可分為稀性泥石流和黏性泥石流。在無地表水系和地下水補給的情況下，一般礦山排土場的泥石流多屬重力成因泥石流。在流域斜坡上積聚的大量松散固體物質，其物理機械組成相當于干燥的泥石流體，當該類松散固體物質吸收水分并達到一定含水量時，便轉變為黏稠狀流體，在重力作用下沿著斜坡流動，從而形成重力成因泥石流。固體物質參與泥石流的過程有2種不同形式：一種是大量積聚于坡度較大的斜坡上的松散固體物質充水后，直接轉變為泥石流體，即為“堆積物滲水形成泥石流”；另一種是其他重力作用(滑坡、坍塌)下形成的泥石流，即為滑坡型泥石流。在黏土及細粒含量大的排土場，“堆積物滲水形成泥石流”較多。在顆粒較粗、透水性好的排土場，發生泥石流的可能性較小，但若周圍有隔水層(如排棄的黏土等形成相對隔水層，易形成貯水層)，在有暴雨或振動的情況下，形成滑坡型泥石流的可能性較大。

1.1 排土場滲水形成泥石流

排土場泥石流的產生與所排棄巖土的物理、力學性質及組成關系密切。如朱家包包鐵礦排土場的昔格達土和表土，昔格達土遇水強度急劇降低，且易軟化崩解。不良巖性的散體含量越多，越易形成泥石流。另外，水的作用對泥石流的產生起決定作用。水對排土場散體的作用分為靜水和動水作用，靜水作用導致散體的內摩擦角及含水量降低、增加巖土顆粒間的潤滑性及自身重量。

當排土場的松散物料細粒含量較多時，若粒徑為5 mm的黏粒含量超過40%，排土場易失穩，若粒徑小于0.05 mm的黏粒含量超過15%～20%，排土場散體在降水等外界因素的作用下失去穩定的過程，即為排土場泥石流、滑坡開始形成的過程。起初，降雨強度小于散體的穩定入滲值，散體未達到飽和狀態而仍可處于穩定平衡狀態，隨著降雨強度達到或超過散體的穩定入滲值后，上部松散巖土飽和或過飽和，其力學性質大大降低而失去穩定，開始向下蠕動，由固態變為流態，并逐步演變為泥石流。該類泥石流主要發生于新排棄的、黏土含量高的排上場上部或邊坡凸起部位，規模一般為中、小型。

1.2 滑坡型泥石流

滑坡型泥石流的形成條件有別于一般泥石流，其發生的首要條件是滑坡體位于斜坡上，即滑坡的剪出口并非邊坡底部，而是邊坡的中、上部，因而具有較大的位能，當斜坡坡度較陡時，在滑體前部有較大的滑坡空間或通道，在外部條件的作用下(如降雨、振動等)，使得滑體滑出后，其位能很快會轉化為動能。連續降雨、地下水的動水壓力和靜水壓力增大等都是形成滑坡型泥石流的重要條件。

形成滑坡型泥石流的必備條件為：①滑坡在空間經歷一段落差后，獲得足夠的動能，并且在運動過程中形成類似黏滯流體的碎屑流；②排土場散體含有足夠的泥化母巖； ③滑坡的同時有充足的大氣降水或地表水補給。

滑坡型泥石流的行程過程可分為2個階段：排土場初始破壞階段(滑坡階段)和流動階段。在滑坡階段，滑體的運動沿1個或幾個獨立的剪切面滑動，滑體經歷了有限變形；在流動階段，泥石流流體沿著無數個剪切面運動。排土場的滑坡絕大部分是由于暴雨的沖刷、匯聚和滲入引起排土場邊坡內的孔隙壓力上升，靜水作用使得散體的抗剪強度降低，并增加了巖土顆粒之間的潤滑性。排上場中上部滑坡不僅給泥石流的形成提供了豐富的固體物料，而且排土場自身坡度(達30°～38°)會促使滑體釋放的勢能絕大部分轉化為動能。由于滑坡的高速運動，在功能消耗的基礎上形成了類似黏滯流體的碎屑流。此時，若有足夠的雨水滲入，且散體中存在一定的泥化母巖(如黏土等)，發生水解后與硬巖塊及水相混合組成似液態的漿體，在滑坡動能作用下，加之溝床有較大的縱坡，會進一步促使滑坡向泥石流轉化，從而形成泥石流。

1.3 水動力成因泥石流

滑坡、坍塌形成了大量的松散物料堵塞于匯水大的溝谷地帶，經動水沖刷后形成的泥石流，即為水動力成因泥石流。該型泥石流與滑坡型泥石流的區別在于滑坡沒有直接形成泥石流。排土場中這2類泥石流的行成都是由于地表水作用或匯水面積較大所致。大部分礦山排土場都不易形成水動力成因泥石流。在排土場中后期，原溝道基本被堵塞，較長的溝道內分布有許多巨礫，使得泥石流的形成機制更為復雜。

1.4 坡面沖刷形成含沙洪水

排土場坡面受雨水沖刷較易形成含沙洪水，如潘洛鐵礦大格排土場、永平銅礦西北部排土場、海南鐵礦1#～4#排土場和德興銅礦排土場坡面都形成了較大的沖溝。排土場坡面沖刷與大氣降雨強度、排土場邊界條件、巖土體物理力學性質、顆粒大小級配等因素有關。

2 高村排土場泥石流形成的可能性

2.1 排土場滲水形成泥石流的可能性

在泥石流研究中，一般認為散體中細粒巖土(粒徑小于5 mm)含量大于40%，黏粒(粒徑小于0.05 mm)含量為15%～20%時，易形成滲水型泥石流，是由于黏粒粒徑小，范德華力和黏附力作用明顯，使得黏粒具有較大的親水性，遇水會很快泡脹。即細顆黏土(特別是黏粒)具有較強的持水性，易達到飽和狀態，在外力作用下，易產生滲水型泥石流。高村排土揚散體巖性較好，主要由輝長巖、花崗巖組成，從現場排土情況來看，散體中細粒(粒徑小于5 mm)含量不大于40%，并且黏粒含量極少，滲透性較大，在排土揚上部不易形成飽和帶，該類泥石流發生的可能性較小。但若采場集中剝離表土，并且進行集中排棄時(表土顆粒粒徑較小，黏粒含量較高)，則該類型泥石流也有可能發生。

2.2 滑坡型泥石流形成的可能性

滑坡型泥石流形成的條件為排土揚上部存在1個較大的軟弱層，靠近排土揚坡腳且下游地基坡度較陡，較大的大氣降水和地表逕流補給。高村排土場由于表土總量較小，可以采取分散排棄措施，避免排土場內部形成軟弱層；排土場上游山坡設置了截水坡構筑載截洪溝，切斷地表逕流補給通道，減少了排土場雨水匯聚，排棄物中黏土含量較少，很難形成軟弱層，因此發生滑坡型泥石流的可能性較小。

2.3 水動力成因泥石流形成的可能性

高村排土場無地表水源補給，徑流主要由大氣降雨和少量地下泉水補給，因而形成動力成因泥石流的主因水源不充足，故該礦排土場發生動力成因泥石流的可能性較小。

2.4 水動力成因泥石流形成的可能性

排土場坡面受雨水沖刷不可避免，由于高村排土場排土臺階高度較大，且排土粒度較細，遇暴雨極易在排土場坡面出現含沙洪水，一般來說，排土揚坡面泥沙流失量約占排土量的0.2%。

3 泥石流防治措施

(1)地表水和地下水。地下水和雨水對于排土場滑坡和泥石流的發生具有重要作用，因此需要采取一系列的工程措施進行地表水和地下水治理和疏排工作，防止排土場平臺的匯水浸蝕和沖刷排土場邊坡。可在平臺上鋪設黏土并經過排土車輛反復壓實，杜絕地表水下滲入臺階內部，并將排土平臺修成2%～3%的反坡，并保持排土場平臺平整、不出現低洼積水，使平臺匯水自然流向排土場坡根處，通過排水溝將水引出界外，可減少泥沙流失量，減輕坡面侵蝕。由于水動能力得以減小，導致其在坡面上的泥沙搬運能力大大降低，從而抑制了泥石流的發生。

(2)合理控制排土順序。在進行礦山排土規劃時，應分別將不同巖性的巖土(硬巖、軟巖、大塊和破碎巖石)排棄至排土場的不同位置[3]，同時將堅硬塊巖堆置于底層以穩固基底，或將大塊巖石堆置于最低一個臺階反壓坡腳。根據剝離巖石的性質，應設計不同的排土順序，尤其是剝離表土和風化巖石，需要合理堆排，實行巖、土(包括風化巖石)分排或巖、土混排，有利于提高排土場的穩定性。排棄表土和強風化巖石時，應控制排土場的推進速度，以免工作面一次推進距離過大，導致沉降變形大，對于生產設備的安全帶來危害，也易產生滑坡。為此，應有備用排土線，輪換作業，留出一定時間使新排土線達到充分沉降與壓實。針對剝離的不同巖性分別進行堆置，避免將表土和軟弱巖石堆置于排土場下部和中間，將堅硬巖石盡可能排棄于底層，以利于底部排水和穩固基底及坡腳。

(3)加強排土場安全檢查。應配備專門人員對排土場進行管理，加強排土場觀測，一旦出現裂縫、大量沉降、局部邊坡滑落等現象，應立即采取必要的措施防止滑坡、泥石流的產生，特別是雨季和雨后的1個半月內應加強觀測。

4 結 語

分析了高村采場泥石流形成的可能性，并對相應的防治措施進行了探討，對于類似采場泥石流災害防治有一定的參考價值。