排土场泥石流灾害分析与防护.doc

排土场泥石流灾害分析与防护屈春阳 建筑与土木工程（在职硕士） G20104004露天矿排土场稳定性对于矿山安全生产都具有重要的意义。在我国重点冶金矿山中，露天开采占70%以上。近年来随着露天开采规模的日益扩展，露天矿排土场除了占用大量的山林、耕地和造成严重的环境污染之外，排土场的滑坡及泥石流也给矿山安全生产带来严重灾害。为了矿山安全生产和控制排土场可能产生的灾害，需要对排土场稳定性进行研究并采取相应的治理措施。很多矿山排土场多建造在丘陵和山谷地区，地形起伏变化大，条件复杂，地形较高一般从几十米到300m，排土场地基坡度一般为10-50，地基多有表土和软岩覆盖层，厚度从0.5m到10m左右。基岩比较稳固，承载能力较强，排土场地基不稳往往是由于表土层松软，受外荷载作用而产生滑动。矿山排土场的灾害形式因地质、地理、气象等自然条件不同而异，按其对环境危害的表现形式，大体上可分为三类：(1) 排土场滑坡。排土场滑坡是排土场灾害中最为普遍、发生频率最高的一种，因松散岩土在自身应力和外部条件影响下产生大规模错动和滑坡，并对环境造成破坏性危害，按排土场滑坡产生机理又分为排土场与基底接触面滑坡、排土场沿基岩软弱层滑坡和排土场内部滑坡三种类型。(2) 排土场泥石流。大气降水和地表水对排土场散体的浸润和冲蚀作用使排土场边坡初始稳定状态发生变化，其稳定性条件迅速恶化，初期排土场为三元介质体（固体颗粒、空气和附着水三相组成）而转变为液固相流体流动泥石流对环境造成很大危害；排土场泥石流从成因上一般分为水动力型泥石流和滑坡型泥石流。水动力成因泥石流是大量松散的固体物料在动水冲刷作用下沿陡坡地形急速流动，堆积在汇水面积大的山谷地带。滑坡型泥石流是岩土遇水软化，含水量达一定量时，便转化为粘稠状泥石流；它也可能由滑坡体在雨水作用下直接转变为泥石流。(3) 排土场环境污染。排弃在排土场的岩土会产生有毒气体或液体，携带有害粉尘或泥沙对排土场周围环境、空气、水源和农田造成污染性危害。由于排土作业时散体颗粒的重力分选作用，微细颗粒、中小颗粒、大块岩土自然地分布在排土场坡面的上部、中部、下部。微细颗粒只分布在坡顶以下1/3边坡范围内。国内外露天排土场统计资料证实，当排土场中散体粒径小于5mm的细粒含量大于15%-20%时，就会发生排土场泥石流；当粒径小于5mm的细粒含量大于40%时，就会失稳滑坡。微细粒含有大量的孔隙水（结晶水、薄膜水自由水），当薄膜水厚度增加时，水分子之间的粘滞力减小，土粒之间容易滑动，单个土粒周围存在毛细水和重力水，重力水是重力作用下载土中移动的自由水，具有溶解能力，能够传递静水压力，并在水头作用下产生动水压力而影响土体稳定性，产生滑坡及泥石流。1引言矿山泥石流是山地地区矿产资源开发过程中废石渣堆放引发形成的人工泥石流。矿产资源开发在促进山区社会经济发展的同时，修筑道路、修建工业场地、露天剥采及井下开采等过程中，排放的废石渣堆积在山坡上及沟谷中，破坏及与压占土地植被，造成或加剧水土流失，恶化生态环境。在强降雨、水库溃决、冰雪消融等水动力激发下形成矿山泥石流失。大多数情况下，形成矿山泥石流的固体物质来源于采矿过程中排放的废石渣，由于废石渣的特点，矿山泥石流的形成与防治有别于自然泥石流或其他人工泥石流。相对于自然泥石流，目前矿山泥石流的系统研究尚处于初始阶段，多偏重于矿山泥石流个案研究。由定义可见矿山泥石流属于人为泥石流的范围。大量研究资料显示，在人类开始大规模改造自然环境以来泥石流灾害的发生、发展，在一定程度上与人类活动有着密切的联系，很早就有人认识到人类活动是影响和诱发泥石流灾害爆发的重要因素。1.1国外矿山泥石流研究现状国外学者将矿山泥石流和其他采矿事故归为一类进行研究，因此专项研究矿山泥石流的文献比较少见。1972年加拿大不列颠哥伦比亚省SPanwood发生尾矿泥石流，造成2人死亡。80年代，Britannia铜矿区又发生一系列泥石流灾害，冲毁桥梁、房屋，造成11人遇难。灾后使用1500万美元用于修筑挡墙、挖深疏通行洪通道必。2010年3月14日， ONENewS发出警告：泰晤士河流域采矿活动将会造成洪水或泥石流灾害。加拿大学者 0Hungr(2002)研究了加拿大不列颠哥伦比亚省采矿废弃物流的形成机理，提出采矿废弃物的失事是由于细粒物质在水的作用下流变侵蚀导致的。在国外的文献中，矿山废弃物引发的泥石流往往被称为“flowslides”。1.2我国矿山泥石流研究现状中国泥石流研究从起步时就注意了人为活动对泥石流爆发的影响作用，许多泥石流专家分别从地学、生态学等不同角度进行探索。但大都将人类活动作为一种间接因素。由于人类大规模的开垦荒坡、砍伐植被、超载畜牧，破坏了生态平衡，进而促使泥石流的发生和发展。近几年来，我国加强了人为泥石流的研究深度，根据人为干扰类型将人为泥石流进行分类。首先，矿产、冶金部门与泥石流研究人员合作进行了主要矿山泥石流形成原因的定性统计分析，对川、滇、赣、闽、粤等地矿山弃土弃渣而产生的泥石流进行研究。研究成果表明，在矿山开采过程中，露天矿剥离的大量表土、洞采矿排出的废弃围岩碎石、选矿的尾矿砂，如堆排位置不当，就会改变局部地形和地表物质结构、压缩沟床、增大沟谷纵坡降，甚至平地起山。大量聚集的松散堆积物与自然界各种内外地质营力产生的固体物质在结构、粒度、物理化学性质、风化程度等方面都有较大的差异，并且这些松散物质的堆积速度比自然风化松散体快很多倍，在同等水源条件下，其爆发泥石流的几率、规模、频率都要大得多。目前，我国矿山泥石流研究主要借鉴自然泥石流的研究方法进行物源起动、运动流态和堆积特征方面的研究，其中物源起动的研究尚处于试验摸索阶段，还没有形成一致的结论。徐友宁(2004-2009)等在小秦岭金矿区进行了系统全面的调查研究，对当地的泥石流危险度、物源特征、防治对策等方面进行研究，并采用水槽冲刷试验研究小秦岭金矿区矿渣型泥石流物源起动的特征，分别得出沟床坡度、颗粒级配、径流流量等条件对矿渣型泥石流物源起动的影响情况。唐克丽(2001)等在神东矿区进行了起动、预测、危险度评价等一系列研究工作。总结国内外矿山泥石流的研究成果，根据泥石流形成的3个基本条件，可以得出矿山泥石流的几个共同规律：(1)矿产资源开发对植被的破坏，使得岩石风化加速，导致环境恶化，促使侵蚀加剧；(2)改变了矿区局部地形，使汇流加速，增大了径流量和水流动能；(3)大量采矿弃土弃渣，直接为泥石流提供了源源不断的固体物质来源，这往往导致泥石流发生频率攀升、灾害规模的扩大。2矿山泥石流特点矿山泥石流与自然泥石流的形成类型同样具有多样性，如坡面泥石流、沟谷型泥石流及河谷型泥石流；有水石流、泥石流和泥流等类型。成灾后同样会造成群死群伤的灾难性后果。但因矿山泥石流的形成、演化过程中主要受控于矿产资源开发人为活动的影响，因此矿山泥石流还具有一般泥石流不同的特点：人为性在降雨强度、降雨量、地理条件等泥石流形成的基本条件不变的情况下，矿山泥石流的发生与演化主要受矿产资源开发的人为活动控制。采矿排放的松散土石堆积在陡峻而狭窄、易于集水集物的沟谷中，加大了沟床纵坡降比，在缺乏有效的拦渣、稳渣护挡及排导工程措施的情况下，人为地为泥石流发生提供了丰富的松散物，使原本非泥石流沟或低频泥石流沟演变成泥石流沟或高频泥石流沟，加剧了泥石流的发生、发展和危害。(2)频发性在地形高差、植被盖度、降雨等条件不变的情况下，泥石流沟的活动性受控于固体物质补给程度。通常情况下，一次自然泥石流发生后，原有物质被搬运出集水区外，沟谷中泥石流物源的形成需要几十年甚至上百年时间，沟谷就很难再形成泥石流。但是在矿山，一次泥石流过后，只有采矿活动不停止，采矿的废石渣又会持续不断地、速聚堆积在沟坡中，为泥石流再发生提供新的物源。加之，采矿废石渣的凝聚力和内摩擦角小，抗冲能力减弱，在采矿爆破、矿震、采空塌陷、地震等影响下，导致激发泥石流形成的降雨量限值降低。因此，山地矿山成为泥石流的易发区和频发地。如西北地区同一矿山发生2次泥石流的有23处，3次的有7处，4次的有4处。宁夏汝箕沟煤矿区先后于1997年8月13日、1998年5月20日、2002年6月7日发生泥石流，共造成8人死亡，直接经济损失4000万元、2.4km导洪堤被毁、沿沟两侧高压线电杆全部倾倒、4400亩农田受灾。(3)污染性山区金属矿山采矿排放的废石、贫矿及尾矿渣中，通常含有汞、铅、福、砷、铜、锌等重金属元素，因此废石渣型泥石流，特别是尾矿沙型泥石流，除具一般泥石流冲毁淤埋等致灾作用外，还会污染河流、农田、造成水源地污染，引发重大社会问题。(4)可控性由于矿山废石渣、尾矿沙是导致矿山泥石流形成的主要松散物质，因其堆积位置、数量是确定的，即矿山泥石流形成的地点是明确的，其危及对象就是此地段下游流通区、堆积区内的矿山设施及人员。因此，与一般泥石流的区别在于矿山泥石流的防治重点在于源头预防。选择合理的堆渣场所，修建拦渣稳渣挡墙、废渣场地排水排导等工程措施；控制采空塌陷区山体的稳定性，减少崩塌、滑坡堆积物成为泥石流的物源。通过控制矿山泥石流的物源，就能达到控制和减轻矿山泥石流的发生及其灾害损失。3基于事件树的泥石流灾变风险性分析方法发生泥石流的情况下，承灾体是否会(或者说是否容易)发生损毁，由一系列具有时间先后顺序的事件共同决定，比如是否会遭遇泥石流，是否发生损毁，损毁程度是否严重。这些事件符合事件树特征，可采用事件树分析方法分析和评价承灾体损失的可能性和严重程度。本项目结合灾变模型，分析承灾体受损难易程度的影响因素，并借助事件树模型方法描述致灾结果与致灾影响因子的关系，通过对事件树分支事件发生可能性的判别，以及事故链损失的分析，计算某种危险性下可能产生的损失值，也即风险值。计算路线如图1所示。图1基于事件树的泥石流风险性分析技术路线图3.1泥石流灾变预警与可行决策方案泥石流减灾方案的提出是减灾方案优化分析的一个基础工作，当前主要根据专家经验确定减灾方案。如果能够提供一条提方案的理论途径，将有助于普通的减灾技术人员开展减灾工作。分析表明，泥石流灾变具有阶段性。当泥石流体未与承灾体接触时，为自然演化阶段;进入承灾区或与承灾体接触时，为致灾演化阶段;离开承灾区时，为后续演化阶段，该阶段可能发生致灾作用，也可能只是一般的自然演化。由于人类活动区多数情况处于泥石流堆积区，泥石流致灾演化阶段多为泥石流堆积阶段，即泥石流活动末期。泥石流减灾工作大体可分为灾前防御和应急响应两种类型(或理念)。两者的差别在于，前者在灾变开始之前实施灾变控制，后者则是在灾变开始后，在这个约束条件下，两个理念的泥石流减灾模式有所不同，阶段控制也会有所不同。探讨各种类型的灾变控制模式及可行方案的提出方法，并根据近期的几个灾害事件，总结了泥石流减灾的要点，特别强调减灾的教育培训和信息技术问题。研究技术路线如图2所示。图2 排土场泥石流灾害预警管理决策系统3.2泥石流致灾演化阶段泥石流输移路径经过人类活动区时，便有可能造成灾害，我们把这个过程称为泥石流致灾演化过程。泥石流致灾控制即对泥石流致灾演化影响因素的调控。由于泥石流具有多种致灾模式，涉及到多种承灾体类型。本文将泥石流致灾模式归结为动力致灾和物质致灾两种模式，并选取比较常见的高速公路承灾类型及乡村承灾类型，分别探讨基本致灾控制模式与高速公路和乡村的致灾控制模式。分析表明，泥石流致灾模式除了与泥石流致灾作用有关外，还与泥石流地区的山区开发有关，而后者某种意义上说从根本上决定了泥石流致灾模式。山区开发的特点是:力求把山地河谷的河滨区、微倾斜超河漫滩阶地和其它一些宜用区段(其中包括古泥石流堆积扇)用作为建筑场地、农田，并修建各种线路工程与外界联系，有时候山区资源的输运通道也从这些地段通过。此类地区便于通行，适合于规划、设置各种线性工程和平面设施，从而较易于用作为住宅区和开发区。可是这些地区恰好又通常是泥石流衰减区，即大量泥石流冲出物的流通堆积区，因而道路、引水渠道、输电线路等线路工程经常遭受泥石流冲出物的冲毁、淤埋或堵塞，居民区、山区水电站、矿山企业、山地旅游运动场所等建筑场地遭受损毁和淤埋，此外还有山区林业、农业、畜牧业等也不同程度地会受到泥石流的威胁。应当强调指出，随着山区开发的进展，人类活动对山区各种自然现象的干预必然会增强，遭受的泥石流威胁也将日趋增大。可见，泥石流致灾具有其特殊性。首先是泥石流活动创造了适合开发的各种场地，这些场地处在泥石流卸荷区，其次是人类在开发利用这些卸荷区场地的同时，也会往纵深方向开发泥石流孕灾自然环境，结果可能是越来越多的人类财富暴露在泥石流的输移路径上，相应地产生了多种致灾模式。若未采取相应的防护措施，则泥石流对其输移路径上的人类社会财富都会造成某种程度的损害。泥石流往往携带大量的固体物质，并且具有一定的速度，因此同时具有流体和固体的动力破坏作用，这种破坏作用足以冲断桥梁、冲垮房屋，或者淘蚀基础使建筑物倾斜倒塌，有时也会由于固体物质的动力磨蚀效果而造成承灾体的毁坏。此外，泥石流携带的固体物质还具有淤埋作用，泥石流正常卸载时，可能把卸载路径上的承灾体予以淤埋，淤埋过程同时对承灾体施加动力破坏;而处于行进期的泥石流体若遭遇强烈阻断时，也可能发生卸载进而淤埋该阻断体，并淤埋阻断体后方的承灾体。归结起来，泥石流致灾模式可分为动力致灾和物质致灾。这两类致灾作用往往同时存在，但实际发生作用的可能仅是其中的一种。泥石流致灾模式的这些情况，使得泥石流灾变控制具有一些特殊性，这里选取地震灾变进行对比分析。地震灾变的致灾作用为动力破坏，仅有动力致灾模式。泥石流灾变还包括物质致灾，即提供动力的物质媒介本身也会致灾。这使得实施泥石流灾变控制时，需要同时考虑动力致灾模式和物质致灾模式。与泥石流灾变情况类似的还有滑坡、崩塌、海啸等，与地震灾变类似的还有风。地震动力传播速度快，人类基本来不及反应。而泥石流动力传播受到媒介属性的限制，传播速度相对较慢，而人类活动区往往处在泥石流卸荷区，所以泥石流动力形成伊始到传至人类活动区，以及在人类活动区传播往往需要一定的时间，这便给人类应对泥石流灾变提供宝贵的反应时间。地震致灾范围广，相对分散，对某个地区而言，动力作用相差不大，泥石流致灾范围则主要集中在泥石流卸荷区，对不同区的危害形式往往不同。地震致灾动力的这种一致性和广泛性，使得同一个地区的承灾体需要面对同样的有效致灾能量。而泥石流致灾能量的这种集中性与差异性，则为因地制宜地采取不同控制措施提供了可能。地震动力目前来说尚不能控制，而泥石流的动力和物质基本可控，而且通过控制其物质致灾，往往可以同时实现对动力致灾的控制。在这种情况下，地震灾变的控制对象为承灾体，而泥石流的控制对象可包括致灾体和承灾体。通过上述地震灾变和泥石流灾变的属性、时空特点及可控途径等问题的对比分析，有助于我们从更高地层次去认识泥石流致灾控制甚至是灾变控制问题，从而从对泥石流致灾控制的普遍性问题进行探讨。4排土场安全防护（1） 主动防护4.1.1 界面疏导调控排渗盲沟和泄流基底选择在所有山谷间利用岩性坚硬耐水性较好的大块废石先行填筑形成排渗盲沟，基于界面疏导原理构筑的泄流基底确保降雨不再成为排土场滑坡的诱发因素。4.1.2 软弱地基第一台阶堆载预压控制排土场第一台阶高度，预压地基，提高。地基承载力。，并将第一台阶作为后续台阶的。基础。第一台阶堆高按下式确定： （1）4.1.3 软合理使用排土空间，调整土场生成过程1 针对同一排弃点不同高差关系，自下而上，形成多台阶覆盖式；2 针对同一排弃点不同平面位置关系，由远及近。此二者利用岩土固结理论，前者是固结压力，后者是固结时差，目标是形成稳定坡脚；3 针对多个平面排弃点，对称、均匀推进，对称加载，避免偏压。4 不同岩性废石料采取分区跳跃点排法，防止贯通的弱面形成。4.1.4 控制的排土速度，按单位时间内单位排土线长度的废石流量控制根据排土料所需达到的固结度反求固结时间t，单段排土速度可由式（3）求得。 (2) (3)式中，H 为排土段高，m；为单段土场坡面角，()。其他符号同前。4.1.5 滑坡突变成泥石流的事先控制矿山排土场滑坡突变成泥石流的的预调控应从三个方面着手：纵坡降、细粒含量和与料源含水量。1）纵坡降控制：在启动坡段坡脚选用大块废石设立拦截堤，运动停淤区域构筑多级平坝，增强沟库的阻抗因素，使泥石流态返回准泥石流态；2）细粒含量控制：通过表土剥离岩土分排即可减少排土过程中的粉化细粒含量，尤其是粘粒含量；3）料源含水量控制：采用7.1.1 界面疏导调控排渗盲沟和泄流基底措施完全可以松散体的饱和度和湿化及泥化作用；（2）防排洪4.2.1排土场防排洪设计所需基础资料应包括以下内容：1 排土场场址的工程地质和水文地质勘察资料。2 能圈定汇水面积的现状地形图。3 当地水文手册。4.2.2当排土场外围汇水面积较大，形成的洪水影响排土场稳定时，外围必须设置完整的防排洪系统。防止水土流失，淤塞河道，淹没农田，影响周边环境。4.2.3 排土场防洪设施设计频率，对于特大型、大型矿山为2%，中型矿山为5%，小型矿山为10%。4.2.4截洪沟等防洪工程设计应进行计算洪峰流量，洪峰流量计算应根据当地水文站的实测资料确定。当缺乏当地水文站的实测资料时，可选用下列方法之一进行计算：1 形态调查法；2 公路科学研究所简化公式法；3 当地经验公式法。4.2.5 沿山谷或山坡堆置的排土场，当外围汇水面积较大时，应在场外周边设置截洪沟。4.