隧道棄渣顆粒粒徑對泥石流起動的控制作用
——以蘭州市爛泥溝為例

劉興榮，崔 鵬，董耀剛，張連科，宿 星

(1.甘肅省科學院 地質自然災害防治研究所，甘肅 蘭州 730000；2.中國科學院/水利部 成都山地災害與環境研究所，四川 成都 610041)

近年來，隨著交通業的發展、礦區開采和城市規模的擴大，城市不斷地向山區拓展空間，建設過程中不可避免地形成大量棄渣，由棄渣誘發或加劇的泥石流已成為山區經濟社會可持續發展不容忽視的環境地質問題[1-2]。棄渣泥石流是一種典型的人為泥石流，最早引起人們關注的是礦山棄渣導致的泥石流，如2008年9月8日山西襄汾新塔礦業公司鐵礦尾礦庫潰壩引發的泥石流導致271人死亡或失蹤[3-4]。近幾年，人們對棄渣型泥石流越來越關注，對礦渣以外的棄渣問題也進行了研究，主要集中在兩個方面：一是棄渣場邊坡穩定性研究，如劉菲等通過試驗和力學平衡探討工程棄渣坡體失穩形成泥石流的過程，許虎等利用GEOSLOPE軟件結合工程實例進行棄渣穩定性評價；

二是棄渣型泥石流危險性評價，如宮雪等分別對礦渣型泥石流危險度進行了評價。前述研究主要針對坡面棄土和棄渣，沒有涉及隧道棄渣，而隧道棄渣巖土體類型相對單一，顆粒粒徑更為集中，黏粒含量少，而且隨著隧道施工工藝的發展，會在短時間內集中大量棄渣。因此，筆者對由隧道棄渣形成的泥石流進行研究，希望能為隧道棄渣堆放治理和渣場選址提供理論支持。

1 研究區概況

爛泥溝發育于蘭州市榆中縣和平鎮邵家泉村，溝口位于蘭州市城關區的焦家灣一帶。流域呈長條形，面積22 km2，主溝長約12 km，溝道下切深度0.5～1.0 m。流域內最高點位于溝腦處的酸果子灣，海拔2 278 m，最低點位于溝口處，海拔1 550 m，流域相對高差約728 m，走向305°，溝床平均縱坡降46‰，溝道兩岸邊坡坡度為20°～55°，溝床寬10～60 m。上游呈V形，谷底狹窄，溝谷兩岸邊坡較陡，小型滑塌發育；中下游呈U形，谷底較寬，兩岸坡體較完整。溝道兩岸邊坡巖性以泥巖和黃土為主，黃土披覆于基巖上部，厚度大于20 m。屬北溫帶半干旱氣候區，總體氣候特點是降水稀少、干燥寒冷、晝夜溫差大、冬季較長。據榆中縣和蘭州市城關區氣象站資料統計，區內最大年降水量為607.3 mm，最小年降水量為231.1 mm，平均年降水量為395.3 mm，1 h最大降水量為51.9 mm，10 min最大降水量為18.6 mm。降水量年內分配很不均勻，多集中于5—9月份，期間降水量約占年降水量的64%。

據走訪和查閱歷史記載，爛泥溝分別在1946、1948、1951年發生過較大規模的泥石流災害，共造成25人死亡。近幾年，在修建古城嶺隧道時向爛泥溝內集中堆積隧道棄渣約49萬m3，修建南繞城公路隧道時在爛泥溝一級支溝咸水溝內堆積棄渣約30萬m3，目前爛泥溝存在因隧道棄渣誘發或加劇泥石流的隱患。

2 研究方法

對爛泥溝內的古城嶺隧道棄渣堆積場進行實地調查，獲取和統計隧道渣體的體積、占用面積、渣體邊坡高度及穩定性、堆放形式、物質組成及粒徑大小等參數。在渣堆上隨機選擇3處棄渣樣品(S1、S2、S3)，另隨機選取2處原始溝床泥石流物質樣品(Y1、Y2)作為對比。對所選5處樣品進行顆粒級配分析，在實驗室內采用排水法測定其滲透系數。

3 研究結果分析

3.1 隧道渣體堆宏觀特征

渣體堆95%以上來自于隧道開挖，剩余的是殘坡積物和修路開挖的邊坡棄土。棄渣場依爛泥溝溝床而建，棄渣堆積時分層碾壓夯填。棄渣場長1.4 km，頂寬30～62 m，堆積厚度15～40 m，堆積后溝床比降為1%，下游250 m呈臺階式布設，臺階長50 m，比降為2%，每兩級臺階的高差為6 m，共分為5級臺階。棄渣場占地4.97 hm2，隧道棄渣為泥石流運動提供了主要物源。

通過X衍射巖性試驗分析，隧道棄渣主要由方解石、石英、伊利石、綠泥石等構成，粉細粒砂狀結構，成巖性差，泥質弱膠結，抗壓及抗風化能力差。初堆積的渣體大小和形狀相似，結構松散，厚度一般為10～20 cm。棄渣遇水后結構會迅速遭到破壞，經人工重新堆填和雨水沖刷，顆粒變小，內部粗細混合不均，顆粒之間的孔隙度變小，相對更密實。

3.2 顆粒級配特征

泥石流物源的顆粒級配是指不同粒徑的顆粒搭配比例，直接反映渣體的滲透和壓實等情況[2-4]。研究區隧道棄渣和原溝床泥石流物質的顆粒級配見表1和圖1。由表1知，隧道棄渣(S1、S2、S3)顆粒變化相對集中。其中：<0.075 mm的粉粒物質僅占總質量的1.31%～1.64%，小于中砂(<0.5 mm)的顆粒占總質量的5.74%～7.32%，而<2 mm的顆粒占總質量的14.93%～19.51%，礫石級顆粒(2～60 mm)占總質量的80.49%～85.07%。隧道棄渣中礫石比例占絕對優勢，細顆粒相對缺乏，<0.005 mm的黏粒物質幾乎沒有，屬于無黏性的粗粒物質。根據費祥俊等[5]等提出的泥石流分類標準，將d≥2 mm的物質顆粒質量所占比例大于80%，且泥石流物質以礫石、卵石和漂礫為主的泥石流溝道劃分為水石流。據此判斷，此隧道棄渣導致的泥石流應屬于水石流。

由表1和圖1 可知，將隧道棄渣(S1、S2、S3)和原溝床物質(Y1、Y2)顆粒級配曲線進行對比，隧道棄渣顆粒變化范圍相對較窄，其物源粒徑累計質量分數變化不大，沒有巨粒，屬于典型的人工分選物，而原溝床泥石流物質的物源粒徑累計質量分數變化較大；另外，隧道棄渣中<0.075 mm的細粒物質質量分數一般不超過2%，而原溝床泥石流物質中<0.075 mm的細粒物質質量分數在0.27%～7.07%之間，變化范圍也較大；隧道棄渣顆粒粒徑累計質量分數初始變化平緩(d<2 mm)，然后陡然升高(d≥2 mm)，而原溝床泥石流物質的表現形式正好相反，初始急劇升高(d<1 mm)，然后又趨于平緩上升(當d≥1 mm)，說明隧道棄渣顆粒不像原溝床泥石流物質那樣有足夠的細粒填充內部空隙。顯然隧道棄渣顆粒級配明顯不同于原有溝床泥石流物質，粒度變化范圍較窄，3組泥石流物質顆粒級配曲線走勢基本一致，即細顆粒少，粗顆粒占絕對量。

表1 研究區不同物源粒徑累計質量分數

圖1 研究區泥石流物源顆粒級配

崔鵬[6]利用準泥石流體進行了大量的野外試驗，認為顆粒級配是決定松散堆積體結構和連接強度的主要因素，并且隨著準泥石流體細顆粒含量的不同，其與水分的相互作用及對水分加入的響應程度差異顯著。可見，準泥石流體的強度主要由細粒部分的連接作用確定。隧道棄渣粒徑均值d50=8.27 mm，土樣分類為圓礫、角礫，不均勻系數(Cu)范圍在12.05～15.87，曲率系數(Cc)范圍在1.83～2.23，屬于級配良好礫；原溝床泥石流物質顆粒粒徑均值(d50)范圍為0.48～7.85 mm，Cu范圍在7.38～31.88，Cc范圍在0.13～0.93，其土樣分類為含細粒土砂，屬于級配不良砂。這進一步印證了隧道棄渣和原溝床泥石流物質顆粒級配存在顯著區別。

3.3 隧道棄渣的透水性能

郭慶國[7]研究表明，當泥石流物源中的粗粒含量超過70%時，滲透系數顯著增大。爛泥溝隧道棄渣粗粒含量平均為83.12%，渣體顆粒松散無黏結，在實驗室通過排水法獲得渣體的孔隙度為 36%～44%，平均為40%。同時，采用長水頭滲透儀進行滲透試驗，結果表明，隧道棄渣的滲透系數平均值為0.865 cm/s，是原泥石流溝床物質滲透系數平均值(0.024 cm/s)的36倍。隧道棄渣透水性能明顯高于原溝床物質，分析其原因，粗顆粒含量大，粗顆粒形成的骨架細顆粒不能填滿其空隙，顆粒間連通性強，滲透系數顯著增大。這種現象有利于降水在棄渣中通過，不利于降水入滲產生靜水壓力，導致棄渣堆自重增加而失穩形成泥石流。因此，隧道棄渣在一般降雨條件下自身引發泥石流的幾率較小，主要是在暴雨或強降雨作用下才能起動形成泥石流，或者是加劇已有泥石流的破壞程度。

4 討 論

4.1 隧道棄渣顆粒組成對泥石流起動的影響

泥石流物源中顆粒的粗細直接影響泥石流的形成機理和起動模式，一般情況下在達到臨界點之前，顆粒越細，臨界起動的雨強越小[8-10]。但對隧道棄渣而言，其黏粒含量甚少，細顆粒在泥石流起動過程中的作用可以忽略。許多專家對礦渣型泥石流的起動模擬試驗結果表明[11-12]，當細粒物質(d<1 mm)含量占到棄渣總量的28%時，其起動時所需雨強最小。根據試驗數據，隧道棄渣中的細粒物質僅為11.04%～14.98%，而原溝床泥石流物質中的細粒物質為39.78%～71.04%，因此隧道棄渣起動比原溝床泥石流物質起動需要的雨強要大得多。

4.2 高透水性對泥石流起動的影響

降水入滲對泥石流起動的影響，首先表現在改變渣體的內部結構，使細顆粒遷移，內部侵蝕、孔壓和含水量增加，破壞渣體結構[13]。隧道棄渣由于具有顆粒級配粗、孔隙度大、降水入滲快的特點，因此具有很好的導水能力。降雨入滲后，棄渣顆粒間的孔隙水壓力變化不明顯，一般降雨條件下，降水很快透過棄渣堆中的粗大孔隙滲漏排出，起動時這些碎屑物質并不能達到飽和狀態，水動力強度一般達不到誘發泥石流起動的條件。除非遇到暴雨或特大暴雨，溝道內的渣堆在較短時間內受到較強的水動力沖刷破壞才會導致起動，進而形成泥石流。

4.3 隧道棄渣形成泥石流模式

隧道棄渣主要由方解石、石英、伊利石、綠泥石等碎巖塊構成，松散無黏結，分選性相對較好，d≥2 mm的顆粒質量所占比例大于80%，黏粒物質幾乎沒有，這就決定了渣體內部具有極強的連通性能，大大加強了降水入滲的通過能力。相反，因孔隙水壓力而造成渣體失穩的作用力較弱，一般降水條件下，隧道棄渣不易起動。但爛泥溝地處黃土區，降雨通過坡面沖刷，攜帶部分黏土顆粒進入主溝道，黏土顆粒的巨大表面積和親水性，與水和沙粒組成高濃度漿體，使其具有賓漢流體的特性，加大了溝道內水體的淘蝕、沖刷作用，因此黏土顆粒在泥石流形成和運動中起著十分積極和重要的作用[14-16]，降低了隧道棄渣起動形成泥石流所需要的雨強。加上我國隧道施工工藝成熟，施工速度快，在比較短的時間內就會形成大量棄渣，這些棄渣占據主溝道，阻滯溝道泄洪，受強暴雨不斷的淘蝕、沖刷，會在持續聚集的山洪作用下潰決而形成泥石流，即特大山洪攜帶黏土顆粒進入主溝槽—形成高濃度漿體—淘蝕或沖刷渣體—潰決形成泥石流。更為嚴重的是，隧道棄渣泥石流的發生通常需要大暴雨和較大的洪水流量，在極端天氣條件下，隧道棄渣一次性補給量大、速度快，從而加劇了泥石流的破壞程度，一旦發生泥石流往往會造成大型甚至特大型災害，可能比泥石流高發區形成的小型泥石流造成的危害更大，損失更嚴重。

4.4 隧道棄渣泥石流治理模式

隧道棄渣泥石流的發生通常需要暴雨或特大暴雨誘發，在一般降雨條件下不易發生，容易造成假象，使人們對防災減災工作有所松懈。因此，針對隧道棄渣存在的安全隱患，應該做到如下幾點：①隧道棄渣應選擇流域面積相對較小的溝道或支溝進行堆填，這樣能保證水動力條件很難達到起動渣體要求，也可以選擇在溝腦，這樣有助于控制洪水中黏粒含量的增加，進而增大了起動隧道棄渣形成泥石流需要的水量。②做好群測群防，尤其是在渣體堆積初期，渣體量增加快，但相應的工程措施還沒完全實施，因此在這個階段要特別加強群測群防，保證遇到問題能第一時間處理。③堅持綜合治理，渣體一般堆放于溝道內，距離城市相對較遠，而治理費用又相對較高，很多施工單位堆渣后不去治理或不徹底治理，這都為渣體起動形成泥石流埋下安全隱患，隧道棄渣的治理要做到攔排結合，使渣體能穩在溝里，又不影響溝道行洪能力；攔擋措施應該在棄渣前就修建到位，等棄渣堆填完成后進一步完善排水工程，同時應采取必要的水保措施。

5 結 語

(1)隧道棄渣以人工開挖形成的碎巖塊及巖屑構成，松散無黏結，分選性較好，粒徑介于0.075～60 mm之間，平均粒徑為8.27 mm，>2 mm的物質顆粒質量所占比例大于80%，黏粒物質幾乎沒有，此類物質形成的泥石流屬于水石流范疇。

(2)隧道棄渣的孔隙度大，渣堆內部連通性好，具有極強的透水性，一般降水難以導致因滲水壓力增大而起動形成泥石流。

(3)以粗顆粒為主、松散無黏結、高透水性能的隧道泥石流成災模式為特大山洪攜帶黏土顆粒進入主溝槽—形成高濃度漿體—淘蝕或沖刷渣體—潰決形成泥石流。

(4)對于隧道棄渣的防治要分3個階段：第一階段做到選址科學、合理；第二階段是在堆放棄渣過程中做好預防，除做好群測群防外，必要的攔擋措施也應到位；第三階段對渣場進行綜合防治，同時應采取必要的水保措施。

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