矿区群发性泥石流综合防治研究

贾雪梅，周自强，刘兴荣，张国信

(甘肃省科学院地质自然灾害防治研究所，甘肃 兰州 730000)

甘肃省位于黄土高原、青藏高原、内蒙古高原三大高原和西北干旱区、青藏高寒区、东部季风区三大自然区域的交汇处，由于特殊的地理位置，区内地质构造复杂，是全国地质灾害最为发育的省份之一，同时也是全国矿业资源大省，其矿产资源种类居全国前三。城镇建设、交通建设、水利水电建设、特别是矿山建设及开采中由于弃土弃渣的不合理堆砌，往往导致矿山泥石流灾害频发，给人民生命财产造成巨大损失。目前矿山泥石流的系统研究尚处于发展阶段，从矿山泥石流个案研究[1- 4]、矿山泥石流形成、评价及防治对策[5- 7]，到有关矿山泥石流[8]形成机理的研究逐渐深入，叠加矿区地质环境特定条件下的群发性泥石流研究仍然很少。本文通过对红古北山矿区群发性泥石流形成条件、发育特征的深入调查，提出符合当地实际的泥石流防治模式和综合治理方案，进而总结提出了矿区群发性泥石流防治建议，以期对矿区群发性泥石流防治实践提供技术支撑。

研究区位于兰州市红古区海石湾镇，地处红古西部湟水河与大通河交汇处，红古海石湾城区即坐落于湟水河河谷北岸的二级阶地上，其北部为黄土丘陵沟壑区，黄土下伏白垩系棕红色砂泥岩以及侏罗系含煤地层。窑街煤电集团公司海石湾煤矿即位于研究区内，该矿井田东西长约2km，倾斜宽5km，8.11km2。区内新构造运动比较活跃，地质环境条件复杂，山高坡陡、地形破碎，共发育包括麻昌沟、上沿沟、公园沟、涝坝沟、下沿沟、槽坝沟、海石大沟和枣儿沟等在内的8条泥石流灾害，泥石流穿城而过，其中发育最为严重的海石大沟泥石流威胁近1/3的城区(如图1所示)。

图1 研究区卫星影像图

陡峭的地形、充沛的降水和流域内丰富的松散固体物质是泥石流形成的基本条件，矿区日益活跃的人类工程经济活动加速了泥石流的暴发强度和频率。

2.1 地形条件

泥石流形成的地形要素主要包括泥石流沟的流域形态、流域面积、山坡坡度及沟床比降等，是泥石流发生的动力来源。研究区地形轮廓呈狭长的“山”字型，北面依山，西南临水，地势西北高东南低，自西北向东南逐渐倾斜，海拔高度1720～2462mm。北山沟谷深切，总体呈“V”字型，植被主要为草本植物，覆盖率一般小于10%，沟坡坡度一般30°～50°，局部陡峭地区达80°以上，主沟纵坡比121.56‰～224.26‰，沟谷主沟长度490～6385m、流域面积0.319～13.33km2，单沟流域内相对高差110～742m，沟谷呈“长条形”“桃叶形”“扇形”等不同形态特征。

2.2 物源条件

松散的固体物质是形成泥石流最基本的条件之一，其种类和来源形式多种多样，主要有坡面松散堆积物、沟岸崩塌、滑坡以及沟道堆积建筑、生活垃圾和煤矸石等，其中煤矸石堆积物量大且较为集中、松散，成为矿区泥石流的鲜明特征。据统计，北山8条泥石流沟流域内的可转化为泥石流的固体物质贮量为0.32×104～295.68×104m3，以危害最严重的海石大沟泥石流为例，坡面松散堆积物占24.48%，崩塌占3.91%，滑坡占64.12%，建筑、生活垃圾占1.72%，煤矸石堆积占5.77%，煤矸石堆积物总量仅次于滑坡和坡面松散堆积物。区内黄土下伏白垩系砂泥岩属于典型的易滑地层，受矿产资源开采以及极端天气影响，滑坡发育多达28处，为泥石流发育提供了丰富的物源。2018年4月9日13～16时，海石大沟上游海石湾煤矿上工业广场突发大规模滑坡(如图2—3所示)，系一老滑坡局部复活，分南、北2块，南侧体积290×104m3，北侧50×104m3，分级滑动，滑坡前缘直抵沟底，进一步增加了泥石流物源。同时，流域内分布着海石湾煤矿、油页岩矿以及几处小规模粉煤厂，历史上缺少科学合理的规划，将煤矿开采产生的大量废弃矿渣随意、无序堆放在沟道内，形成大小不一，规模不等的渣堆群(如图4所示)。渣堆不仅压占土地资源、污染水土环境，影响地形地貌景观，同时也构成泥石流松散固体物质主要来源之一，是潜在地质灾害隐患。如“4·9”滑坡北侧老滑坡的复活主要就受煤矸石堆载诱发。

图2 滑坡典型断面

图3 海石湾煤矿上工业广场滑坡全貌

图4 海石大沟支沟煤矸石堆挤占沟道

2.3 水动力条件

红古区多年平均降水量349.6mm，年内降雨分配不均，5—9月为暴雨多发期，尤以7—8月份发生的暴雨最大，并且具局地性、短时程、强度大等特征。短历时、大强度降雨为泥石流形成提供了充足的水动力条件。据有关资料，区内形成泥石流的临界雨强为25mm/h，成灾雨强为40mm/h[9]。而红古区小时最大降水量为39.0mm，10分钟最大降水量为18.6mm，具备形成泥石流的水动力条件。

3.1 泥石流类型

泥石流的类型有多种划分方案，根据野外调查及颗分试验，红古北山泥石流按照水源和物源分类属于暴雨型，按照集水区地貌特征分类为沟谷型，按照暴发频率分类属于高频，按照一次暴发规模分类海石大沟为中型，其余均为小型。按照物质组成和流体性质分类，粘、粉、沙、砾等各种粒度均有分布且不均(如图5所示)，重度1.3～1.6t/m3，综合判断北山泥石流均为稀性泥石流。

图5 红古北山典型泥石流颗分曲线

3.2 泥石流危害特征

研究区泥石流具有暴发突然、冲击力强、冲淤变幅大的特点，主要危害方式以淤埋和漫流、撞击和爬高及挤压主河道为主，灾害放大效益明显。

根据DZ/T 0220—2006《泥石流灾害防治工程勘查规范》单沟泥石流危险区预测计算公式：

S=0.6667L×B-0.0833B2sinR/(1-cosR)

(1)

式中，L—泥石流最大堆积长度，km，L=0.8061L+0.015A+0.000033W;B—泥石流最大堆积宽度，km，B=0.5452+0.0034D+0.000031W;R—泥石流堆积幅角，(°)，R=47.8296-1.3085D+8.8876H;A—流域面积，km2；
B—松散固体物质处理，104km3；
D—主沟长度，km；
H—流域最大高度，m。

极端天气情况下，若泥石流群发，相邻沟道泥石流叠加，流量、流速、淹没范围和冲击力等参数瞬间增大，对位于沟口泥石流堆积扇上的城区及市政设施等可构成严重威胁(如图6所示)，直接威胁红古城区各类企事业单位、住宅商铺、公路桥涵，兰青铁路、国道109以及供水供电通信线路、管道设施、护城河堤等，威胁人数高达12000人，潜在直接经济损失19.5亿元，险情等级放大，属于特大型。

图6 红古北山泥石流危害范围分区图

泥石流治理工程应以保护人民生命财产安全为首要任务，按照“谁引发，谁治理”；
全面规划、综合治理；
沟坡兼治，治沟为主的原则，做到以人为本，综合分析，全面规划，制定安全有效、经济合理的治理方案和措施。根据GB 50201—2014《防洪标准》《甘肃省地质灾害防治工程勘查设计技术要求》(试行)等相关规范，确定海石大沟泥石流综合治理工程设防标准为100年一遇(P=1%)，治理工程构筑物等级为甲类构筑物；
其余泥石流沟防洪标准按50年(P=2%)，治理工程为丙类构筑物。

4.1 设计参数

泥石流设计重度rc采用甘肃省泥石流重度经验公式[10- 11]和野外实地采样分析综合确定，北山泥石流重度13.72～15.55kN/m3，通过拦排结合的治理工程实施以后，泥石流重度下降至12.7～13.5kN/m3以下，成为含沙洪水。

泥石流流量采用配方法计算[12- 13]，即

QC=(1+∅C)QP·DC

(2)

式中，QC—频率为C的泥石流峰值流量，m3/s；
QP—暴雨洪峰流量,m3/s；
∅C—泥石流泥砂修正系数，∅C=(γc-γw)/(γH-γc)；
γc—泥石流重度，kN/m3；
γw—清水重度，kN/m3，取为1；
γH—泥石流中固体物质比重，t/m3，根据现场实验取值；
DC—泥石流堵塞系数，取1.0～1.5。

根据“铁一院”西北地区公式计算百年一遇清水流量：

(3)

式中，QP—暴雨洪峰流量，m3/s；
k1—产流因子，k1=0.278SF(S为面积平均暴雨参数，mm/h)；
F—流域面积，km2；
k2—损失因子，k2=RSr1-1，其中R和r1为损失系数和损失指数，取前期土壤中等潮湿，R=1.02，r1=0.697；
P1—同时汇流面积系数；
x—综合汇流因子；
n′—随暴雨递减指数n而变化的指数；
y—反映流域汇流特征的指数。

50年一遇的清水流量、泥石流流量按照系数折算法计算。据红古区降水、水文特征和有关资料，折算系数取0.8。确定海石大沟100年一遇泥石流流量为96.89m3/s，治理后100年一遇泥石流流量为66.03m3/s。其余泥石流沟50年一遇泥石流流量为4.33～15.03m3/s，治理后50年一遇泥石流流量下降至3.46～11.27m3/s，同频率泥石流流量降低20%～25%。

4.2 综合防治方案

红古北山群发性泥石流综合防治分3个层次，分期实施，首先对流域内建筑和生活垃圾以及煤矸石堆先行治理，其次对海石大沟主沟上游滑坡进行专项治理，稳沟固坡，控制泥石流物源，最后针对泥石流群进行综合治理。泥石流综合治理主要采取“拦挡+排导+防冲槛+附属工程”措施，自东向西，主沟修建拦挡坝工程15座，总体布局为东部枣儿沟和中部海石大沟单排进入湟水河，西部涝坝沟、曹坝沟、公园沟、下沿沟泥石流自出山口新建排导渠引至北环路北侧，沿北环路北侧自东向西引至惠民巷东侧后，接城建部门沿惠民巷东侧向南既有排洪渠至窑街路，再折向西引至红山路，汇入交通部门在建排洪渠，最终汇入湟水河(如图7所示)。

图7 红古北山群发性泥石流治理方案示意图

红古山泥石流综合治理工程实施已经3年，其效果良好，切实保护了当地人民生命财产安全，针对矿区群发性泥石流防治提出以下几点建议：

(1)源头管控，防患于未然。强化生态文明思想，本着资源开发与环境保护并重的理念，实现矿山采选弃渣的全方位管控。首先，采取废土弃渣的减量化排放或者资源化再利用等技术；
其次对于新规划弃渣场，选址要科学、合理，并做好弃渣堆放设计方案及应急预案；
再次对已堆放弃渣要加强监测和必要的拦渣稳渣挡墙及排导工程措施，从源头上减少、控制泥石流成灾物源[14- 15]。

(2)统筹兼顾，系统规划。统筹各要素，规划前要加强与建设、水利、交通、自然资源等部门的沟通协调，做好城镇化、水利水保、灾区移民搬迁、地质灾害治理、矿山环境恢复治理等项目的规划衔接。

(3)综合治理，分期实施。矿区群发性泥石流具有群发性特征，活动性强、危险性大、灾害放大效应明显，治理要从“单项治理”向“综合治理”转变，结合矿区地质环境条件特点，不仅考虑单沟泥石流治理，还要考虑多条泥石流沟区域性的综合治理；
治理措施也要综合工程措施、生物措施以及监测措施，充分发挥各自优势，达到最优组合。统一部署，分步实施，有序推进，才能确保区内生态环境不断向好。