隧道弃渣颗粒粒径对泥石流起动的控制作用
——以兰州市烂泥沟为例

刘兴荣，崔 鹏，董耀刚，张连科，宿 星

(1.甘肃省科学院 地质自然灾害防治研究所，甘肃 兰州 730000；2.中国科学院/水利部 成都山地灾害与环境研究所，四川 成都 610041)

近年来，随着交通业的发展、矿区开采和城市规模的扩大，城市不断地向山区拓展空间，建设过程中不可避免地形成大量弃渣，由弃渣诱发或加剧的泥石流已成为山区经济社会可持续发展不容忽视的环境地质问题[1-2]。弃渣泥石流是一种典型的人为泥石流，最早引起人们关注的是矿山弃渣导致的泥石流，如2008年9月8日山西襄汾新塔矿业公司铁矿尾矿库溃坝引发的泥石流导致271人死亡或失踪[3-4]。近几年，人们对弃渣型泥石流越来越关注，对矿渣以外的弃渣问题也进行了研究，主要集中在两个方面：一是弃渣场边坡稳定性研究，如刘菲等通过试验和力学平衡探讨工程弃渣坡体失稳形成泥石流的过程，许虎等利用GEOSLOPE软件结合工程实例进行弃渣稳定性评价；

二是弃渣型泥石流危险性评价，如宫雪等分别对矿渣型泥石流危险度进行了评价。前述研究主要针对坡面弃土和弃渣，没有涉及隧道弃渣，而隧道弃渣岩土体类型相对单一，颗粒粒径更为集中，黏粒含量少，而且随着隧道施工工艺的发展，会在短时间内集中大量弃渣。因此，笔者对由隧道弃渣形成的泥石流进行研究，希望能为隧道弃渣堆放治理和渣场选址提供理论支持。

1 研究区概况

烂泥沟发育于兰州市榆中县和平镇邵家泉村，沟口位于兰州市城关区的焦家湾一带。流域呈长条形，面积22 km2，主沟长约12 km，沟道下切深度0.5～1.0 m。流域内最高点位于沟脑处的酸果子湾，海拔2 278 m，最低点位于沟口处，海拔1 550 m，流域相对高差约728 m，走向305°，沟床平均纵坡降46‰，沟道两岸边坡坡度为20°～55°，沟床宽10～60 m。上游呈V形，谷底狭窄，沟谷两岸边坡较陡，小型滑塌发育；中下游呈U形，谷底较宽，两岸坡体较完整。沟道两岸边坡岩性以泥岩和黄土为主，黄土披覆于基岩上部，厚度大于20 m。属北温带半干旱气候区，总体气候特点是降水稀少、干燥寒冷、昼夜温差大、冬季较长。据榆中县和兰州市城关区气象站资料统计，区内最大年降水量为607.3 mm，最小年降水量为231.1 mm，平均年降水量为395.3 mm，1 h最大降水量为51.9 mm，10 min最大降水量为18.6 mm。降水量年内分配很不均匀，多集中于5—9月份，期间降水量约占年降水量的64%。

据走访和查阅历史记载，烂泥沟分别在1946、1948、1951年发生过较大规模的泥石流灾害，共造成25人死亡。近几年，在修建古城岭隧道时向烂泥沟内集中堆积隧道弃渣约49万m3，修建南绕城公路隧道时在烂泥沟一级支沟咸水沟内堆积弃渣约30万m3，目前烂泥沟存在因隧道弃渣诱发或加剧泥石流的隐患。

2 研究方法

对烂泥沟内的古城岭隧道弃渣堆积场进行实地调查，获取和统计隧道渣体的体积、占用面积、渣体边坡高度及稳定性、堆放形式、物质组成及粒径大小等参数。在渣堆上随机选择3处弃渣样品(S1、S2、S3)，另随机选取2处原始沟床泥石流物质样品(Y1、Y2)作为对比。对所选5处样品进行颗粒级配分析，在实验室内采用排水法测定其渗透系数。

3 研究结果分析

3.1 隧道渣体堆宏观特征

渣体堆95%以上来自于隧道开挖，剩余的是残坡积物和修路开挖的边坡弃土。弃渣场依烂泥沟沟床而建，弃渣堆积时分层碾压夯填。弃渣场长1.4 km，顶宽30～62 m，堆积厚度15～40 m，堆积后沟床比降为1%，下游250 m呈台阶式布设，台阶长50 m，比降为2%，每两级台阶的高差为6 m，共分为5级台阶。弃渣场占地4.97 hm2，隧道弃渣为泥石流运动提供了主要物源。

通过X衍射岩性试验分析，隧道弃渣主要由方解石、石英、伊利石、绿泥石等构成，粉细粒砂状结构，成岩性差，泥质弱胶结，抗压及抗风化能力差。初堆积的渣体大小和形状相似，结构松散，厚度一般为10～20 cm。弃渣遇水后结构会迅速遭到破坏，经人工重新堆填和雨水冲刷，颗粒变小，内部粗细混合不均，颗粒之间的孔隙度变小，相对更密实。

3.2 颗粒级配特征

泥石流物源的颗粒级配是指不同粒径的颗粒搭配比例，直接反映渣体的渗透和压实等情况[2-4]。研究区隧道弃渣和原沟床泥石流物质的颗粒级配见表1和图1。由表1知，隧道弃渣(S1、S2、S3)颗粒变化相对集中。其中：<0.075 mm的粉粒物质仅占总质量的1.31%～1.64%，小于中砂(<0.5 mm)的颗粒占总质量的5.74%～7.32%，而<2 mm的颗粒占总质量的14.93%～19.51%，砾石级颗粒(2～60 mm)占总质量的80.49%～85.07%。隧道弃渣中砾石比例占绝对优势，细颗粒相对缺乏，<0.005 mm的黏粒物质几乎没有，属于无黏性的粗粒物质。根据费祥俊等[5]等提出的泥石流分类标准，将d≥2 mm的物质颗粒质量所占比例大于80%，且泥石流物质以砾石、卵石和漂砾为主的泥石流沟道划分为水石流。据此判断，此隧道弃渣导致的泥石流应属于水石流。

由表1和图1 可知，将隧道弃渣(S1、S2、S3)和原沟床物质(Y1、Y2)颗粒级配曲线进行对比，隧道弃渣颗粒变化范围相对较窄，其物源粒径累计质量分数变化不大，没有巨粒，属于典型的人工分选物，而原沟床泥石流物质的物源粒径累计质量分数变化较大；另外，隧道弃渣中<0.075 mm的细粒物质质量分数一般不超过2%，而原沟床泥石流物质中<0.075 mm的细粒物质质量分数在0.27%～7.07%之间，变化范围也较大；隧道弃渣颗粒粒径累计质量分数初始变化平缓(d<2 mm)，然后陡然升高(d≥2 mm)，而原沟床泥石流物质的表现形式正好相反，初始急剧升高(d<1 mm)，然后又趋于平缓上升(当d≥1 mm)，说明隧道弃渣颗粒不像原沟床泥石流物质那样有足够的细粒填充内部空隙。显然隧道弃渣颗粒级配明显不同于原有沟床泥石流物质，粒度变化范围较窄，3组泥石流物质颗粒级配曲线走势基本一致，即细颗粒少，粗颗粒占绝对量。

表1 研究区不同物源粒径累计质量分数

图1 研究区泥石流物源颗粒级配

崔鹏[6]利用准泥石流体进行了大量的野外试验，认为颗粒级配是决定松散堆积体结构和连接强度的主要因素，并且随着准泥石流体细颗粒含量的不同，其与水分的相互作用及对水分加入的响应程度差异显著。可见，准泥石流体的强度主要由细粒部分的连接作用确定。隧道弃渣粒径均值d50=8.27 mm，土样分类为圆砾、角砾，不均匀系数(Cu)范围在12.05～15.87，曲率系数(Cc)范围在1.83～2.23，属于级配良好砾；原沟床泥石流物质颗粒粒径均值(d50)范围为0.48～7.85 mm，Cu范围在7.38～31.88，Cc范围在0.13～0.93，其土样分类为含细粒土砂，属于级配不良砂。这进一步印证了隧道弃渣和原沟床泥石流物质颗粒级配存在显著区别。

3.3 隧道弃渣的透水性能

郭庆国[7]研究表明，当泥石流物源中的粗粒含量超过70%时，渗透系数显著增大。烂泥沟隧道弃渣粗粒含量平均为83.12%，渣体颗粒松散无黏结，在实验室通过排水法获得渣体的孔隙度为 36%～44%，平均为40%。同时，采用长水头渗透仪进行渗透试验，结果表明，隧道弃渣的渗透系数平均值为0.865 cm/s，是原泥石流沟床物质渗透系数平均值(0.024 cm/s)的36倍。隧道弃渣透水性能明显高于原沟床物质，分析其原因，粗颗粒含量大，粗颗粒形成的骨架细颗粒不能填满其空隙，颗粒间连通性强，渗透系数显著增大。这种现象有利于降水在弃渣中通过，不利于降水入渗产生静水压力，导致弃渣堆自重增加而失稳形成泥石流。因此，隧道弃渣在一般降雨条件下自身引发泥石流的几率较小，主要是在暴雨或强降雨作用下才能起动形成泥石流，或者是加剧已有泥石流的破坏程度。

4 讨 论

4.1 隧道弃渣颗粒组成对泥石流起动的影响

泥石流物源中颗粒的粗细直接影响泥石流的形成机理和起动模式，一般情况下在达到临界点之前，颗粒越细，临界起动的雨强越小[8-10]。但对隧道弃渣而言，其黏粒含量甚少，细颗粒在泥石流起动过程中的作用可以忽略。许多专家对矿渣型泥石流的起动模拟试验结果表明[11-12]，当细粒物质(d<1 mm)含量占到弃渣总量的28%时，其起动时所需雨强最小。根据试验数据，隧道弃渣中的细粒物质仅为11.04%～14.98%，而原沟床泥石流物质中的细粒物质为39.78%～71.04%，因此隧道弃渣起动比原沟床泥石流物质起动需要的雨强要大得多。

4.2 高透水性对泥石流起动的影响

降水入渗对泥石流起动的影响，首先表现在改变渣体的内部结构，使细颗粒迁移，内部侵蚀、孔压和含水量增加，破坏渣体结构[13]。隧道弃渣由于具有颗粒级配粗、孔隙度大、降水入渗快的特点，因此具有很好的导水能力。降雨入渗后，弃渣颗粒间的孔隙水压力变化不明显，一般降雨条件下，降水很快透过弃渣堆中的粗大孔隙渗漏排出，起动时这些碎屑物质并不能达到饱和状态，水动力强度一般达不到诱发泥石流起动的条件。除非遇到暴雨或特大暴雨，沟道内的渣堆在较短时间内受到较强的水动力冲刷破坏才会导致起动，进而形成泥石流。

4.3 隧道弃渣形成泥石流模式

隧道弃渣主要由方解石、石英、伊利石、绿泥石等碎岩块构成，松散无黏结，分选性相对较好，d≥2 mm的颗粒质量所占比例大于80%，黏粒物质几乎没有，这就决定了渣体内部具有极强的连通性能，大大加强了降水入渗的通过能力。相反，因孔隙水压力而造成渣体失稳的作用力较弱，一般降水条件下，隧道弃渣不易起动。但烂泥沟地处黄土区，降雨通过坡面冲刷，携带部分黏土颗粒进入主沟道，黏土颗粒的巨大表面积和亲水性，与水和沙粒组成高浓度浆体，使其具有宾汉流体的特性，加大了沟道内水体的淘蚀、冲刷作用，因此黏土颗粒在泥石流形成和运动中起着十分积极和重要的作用[14-16]，降低了隧道弃渣起动形成泥石流所需要的雨强。加上我国隧道施工工艺成熟，施工速度快，在比较短的时间内就会形成大量弃渣，这些弃渣占据主沟道，阻滞沟道泄洪，受强暴雨不断的淘蚀、冲刷，会在持续聚集的山洪作用下溃决而形成泥石流，即特大山洪携带黏土颗粒进入主沟槽—形成高浓度浆体—淘蚀或冲刷渣体—溃决形成泥石流。更为严重的是，隧道弃渣泥石流的发生通常需要大暴雨和较大的洪水流量，在极端天气条件下，隧道弃渣一次性补给量大、速度快，从而加剧了泥石流的破坏程度，一旦发生泥石流往往会造成大型甚至特大型灾害，可能比泥石流高发区形成的小型泥石流造成的危害更大，损失更严重。

4.4 隧道弃渣泥石流治理模式

隧道弃渣泥石流的发生通常需要暴雨或特大暴雨诱发，在一般降雨条件下不易发生，容易造成假象，使人们对防灾减灾工作有所松懈。因此，针对隧道弃渣存在的安全隐患，应该做到如下几点：①隧道弃渣应选择流域面积相对较小的沟道或支沟进行堆填，这样能保证水动力条件很难达到起动渣体要求，也可以选择在沟脑，这样有助于控制洪水中黏粒含量的增加，进而增大了起动隧道弃渣形成泥石流需要的水量。②做好群测群防，尤其是在渣体堆积初期，渣体量增加快，但相应的工程措施还没完全实施，因此在这个阶段要特别加强群测群防，保证遇到问题能第一时间处理。③坚持综合治理，渣体一般堆放于沟道内，距离城市相对较远，而治理费用又相对较高，很多施工单位堆渣后不去治理或不彻底治理，这都为渣体起动形成泥石流埋下安全隐患，隧道弃渣的治理要做到拦排结合，使渣体能稳在沟里，又不影响沟道行洪能力；拦挡措施应该在弃渣前就修建到位，等弃渣堆填完成后进一步完善排水工程，同时应采取必要的水保措施。

5 结 语

(1)隧道弃渣以人工开挖形成的碎岩块及岩屑构成，松散无黏结，分选性较好，粒径介于0.075～60 mm之间，平均粒径为8.27 mm，>2 mm的物质颗粒质量所占比例大于80%，黏粒物质几乎没有，此类物质形成的泥石流属于水石流范畴。

(2)隧道弃渣的孔隙度大，渣堆内部连通性好，具有极强的透水性，一般降水难以导致因渗水压力增大而起动形成泥石流。

(3)以粗颗粒为主、松散无黏结、高透水性能的隧道泥石流成灾模式为特大山洪携带黏土颗粒进入主沟槽—形成高浓度浆体—淘蚀或冲刷渣体—溃决形成泥石流。

(4)对于隧道弃渣的防治要分3个阶段：第一阶段做到选址科学、合理；第二阶段是在堆放弃渣过程中做好预防，除做好群测群防外，必要的拦挡措施也应到位；第三阶段对渣场进行综合防治，同时应采取必要的水保措施。

[参考文献]

[1] 中国科学院兰州冰川冻土研究所,甘肃省交通科学研究所.甘肃泥石流[M].北京:人民交通出版社,1982:1-20,106-114.

[2] 徐友宁,陈华清,杨敏,等.采矿废渣颗粒粒径对矿渣型泥石流起动的控制作用——以小秦岭金矿区为例[J].地质通报,2015,34(11):1993-2000.

[3] WANG G,SASSA K.Factors affecting rainfall-induced flowslides in laboratory flume tests[J].Geotechnique,2001,51(7):587-599.

[4] 刘菲,唐红梅.重庆库区工程弃渣泥石流形成机理[J].重庆交通大学学报(自然科学版),2010,29(4):620-623.

[5] 费祥俊,舒安平.泥石流运动机理与灾害防治[M]北京:清华大学出版社,2004:14.

[6] 崔鹏.泥石流起动机理的研究[D].北京:北京林业大学,1990:1-20.

[7] 郭庆国.粗粒土的工程特性及应用[M].郑州:黄河水利出版社,1998:15-16.

[8] 白志勇.泥石流松散物质启动条件的分析与计算[J].西南交通大学学报,2001,36(3):318-321.

[9] 倪化勇,铁永波,苏鹏程,等.弃渣型泥石流分类与灾害防治体系[J].资源与产业,2011,13(3):103-109.

[10] 邓龙胜,范文,熊炜,等.矿渣型泥石流发育特征及危险性评价[J].工程地质学报,2009,17(3):415-420.

[11] 王永清,宋卫东,杜翠凤,等.金属矿山井下泥石流发生机理分析[J].金属矿山,2006(8):62-67.

[12] 樊继平,王斐.梅山铁矿泥矿成因及危害防治[J].金属矿山,2003(1):13-15.

[13] 李泳,陈晓清,胡凯衡,等.泥石流颗粒组成的分形特征[J].地理学报,2005,60(3):495-502.

[14] 倪晋仁,廖谦,曲轶众,等.多组分流元模型在稀性泥石流堆积分选特征研究中的应用[J].水利学报,2001(2):16-23．

[15] 陈廷方,崔鹏,刘岁海,等.矿产资源开发与泥石流灾害及其防治对策[J].工程地质学报,2005,13(2):179-182.

[16] SAVAGE S B,LUN C K K.Particle size segregation in inclined chute flow of dry cohesionless granular solids[J].Journal of Fluid Mechanics,1988,189:311-335.