地质力学学报  2019, Vol. 25 Issue (4): 554-562
引用本文
李晓乐, 杨为民, 程小杰, 周俊杰, 张树轩, 吴玉涛, 于鸿坤. 河北宣化赵川地区矿渣碎屑流工程特性及其启动机制[J]. 地质力学学报, 2019, 25(4): 554-562.
LI Xiaole, YANG Weimin, CHENG Xiaojie, ZHOU Junjie, ZHANG Shuxuan, WU Yutao, YU Hongkun. ENGINEERING CHARACTERISTICS AND START-UP MECHANISM OF SLAG CLASTIC FLOW IN ZHAOCHUAN DISTRICT, XUANHUA[J]. Journal of Geomechanics, 2019, 25(4): 554-562.
河北宣化赵川地区矿渣碎屑流工程特性及其启动机制
李晓乐1,2,3 , 杨为民1,3 , 程小杰4 , 周俊杰1,3,5 , 张树轩1,3,6 , 吴玉涛1,3,6 , 于鸿坤1,3,5     
1. 中国地质科学院地质力学研究所, 北京 100081;
2. 中兵勘察设计研究院有限公司, 北京 100053;
3. 活动构造与地壳稳定性评价重点实验室, 北京 100081;
4. 中国地质科学院岩溶地质研究所, 广西 桂林 541004;
5. 中国矿业大学(北京), 北京 100083;
6. 中国地质大学(北京), 北京 100083
摘要:张家口宣化地区存在大量具有潜在危险的松散矿渣堆积体,文章以该地区具有代表性的响水沟松散矿渣堆积体为研究对象,对矿渣的颗粒组成、矿物成分、力学性质等进行详细的室内试验研究,结果表明:矿渣堆积体属砾质砂土,粘粒含量少,且级配不良,松散易流动。同一干密度下,随含水率增加,矿渣抗剪强度先增大后减小,当含水率为15%时,其粘聚力最低,表明响水沟矿渣堆积体失稳启动下滑的界限含水率可能在15%左右。综合以上分析结果,拟合得到粘聚力与含水率关系公式,初步预测矿渣碎屑流启动下滑的临界含水率。这一认识对该区矿渣堆积体的稳定性评价及碎屑流灾害预警有重要意义。
关键词矿渣堆积体    碎屑流    含水率    抗剪强度    工程特性    
DOI10.12090/j.issn.1006-6616.2019.25.04.054     文章编号:1006-6616(2019)04-0554-09
ENGINEERING CHARACTERISTICS AND START-UP MECHANISM OF SLAG CLASTIC FLOW IN ZHAOCHUAN DISTRICT, XUANHUA
LI Xiaole1,2,3 , YANG Weimin1,3 , CHENG Xiaojie4 , ZHOU Junjie1,3,5 , ZHANG Shuxuan1,3,6 , WU Yutao1,3,6 , YU Hongkun1,3,5     
1. Institute of Geomechanics, Chinese Academy of Geological Sciences, Beijing 100081, China;
2. China Ordnance Industry Survey and Geotechnical Institute Co., Ltd., Beijing 100053, China;
3. Key Laboratory of Active Tectonics and Crustal Stability Assessment, Beijing 100081, China;
4. Institute of Karst Geology, Chinese Academy of Geological Sciences, Guilin 541004, Guangxi, China;
5. China University of Mining & Technology(Beijing), Beijing 100083, China;
6. China University of Geosciences(Beijing), Beijing 100083, China
Abstract: There are a large number of potentially dangerous loose slag accumulation bodies in Xuanhua area of Zhangjiakou. The representative Xiangshuigou loose slag accumulation bodies in the area is taken as the research object, and the laboratory tests are made on particle composition, mineral composition and mechanical properties. The test results show that the slag accumulation bodies belong to gravel sand with less clay content and poor gradation, loose and easy to flow. At the same dry density, the shear strength of slag increases first and then decreases with the increase of moisture content. When the moisture content is 15%, the cohesive force is the lowest, indicating that the limit moisture content of the slag accumulation bodies in Xiangshuigou may be around 15% at the beginning of the decline of instability. Based on the above analysis results, the formula of the relationship between cohesive force and water content is obtained by fitting, and the limit water content of the initial slide of clastic flow is predicted. This conclusion is of great significance to the stability evaluation of slag accumulation body and the early warning of clastic flow in this area.
Key words: slag accumulation body    clastic flow    water content    shear strength    engineering property    
0 引言

人类采矿中开挖的大量矿渣及尾矿随意堆放,除占用大量耕地、严重污染周边水资源和土地资源外,还经常导致各种地质灾害的发生,据不完全统计,全国已查明的受危害的矿山达30座以上,四川、云南、贵州、广东、广西、海南、湖南、湖北、江西、福建、山西、辽宁等省区均发生过矿渣乱堆乱放导致的碎屑流、泥石流灾害[1-2],河北宣化赵川地区采矿活动强烈,尤其是一些私人采矿场,多在人迹罕至的山中无序采矿,造成矿渣沿矿区沟谷内密集堆放,阻塞沟道。这些矿渣大多存在稳定性差、力学强度低等问题,发生灾害的危险性极高。如遇短时强降雨、矿渣堆载扰动以及地震振动等,易失稳下滑形成泥石流,对矿山的可持续发展、人员安全以及冲沟下游村庄构成重大威胁。

近年来,已有不少学者对矿渣堆积体开展过研究工作。陈循谦等[3]以云南东川因民矿矿渣引发泥石流灾害为例,认为泥石流的发生是由于沟床矿渣饱和、土体剪胀启动所致;莫志柏等[4]认为矿渣在充分饱水的情况下,由于矿震使得斜坡上表面土体液化并带动矿渣启动是矿山泥石流启动的主要原因;杨敏等[5]通过对小秦岭金矿区矿渣堆积体的研究,认为小秦岭金矿区矿渣型泥石流启动主要是特大暴雨下水动力引起,其启动模式表现为滑塌-堵塞-溃决型;徐友宁等[6]通过对潼关金矿区的研究,认为矿渣为泥石流的形成提供了丰富的松散固体物质,沟床比降较大使矿渣拥有巨大势能,陡峻的地形为势能转化为动能提供了有利条件,一旦遇暴雨极易形成泥石流;谢洪等[7]认为炭山沟泥石流是一场典型的人为泥石流,主要是沟内的大量采煤弃碴等松散碎屑堆积体在暴雨的激发下形成的。上述研究多集中于已发生的矿渣碎屑流、泥石流灾害,进而分析矿渣堆积体的启动机理与过程,而对存在潜在灾害隐患的矿渣堆积体的研究较少,缺少矿渣堆积体物理力学性质的试验研究。文章基于宣化赵川地区矿渣堆积体的野外调查,以该地区具有代表性的响水沟松散矿渣堆积体为研究对象,开展典型矿渣堆积体的物理力学特性的试验研究,剖析赵川地区矿渣碎屑流的启动机制,为赵川地区矿区大量堆积的矿渣碎屑流灾害预警和防治提供科学依据,以保证矿山资源合理开采和可持续发展。

1 环境地质条件 1.1 地质构造

河北宣化地区在地质构造上位于塔里木—华北板块桑干—平泉构造(结合)带,经历了多期构造变动,地质构造复杂。第四纪以来,新构造运动以断块差异升降为主,导致火山喷发、断裂活动、地震等,为地质灾害的形成创造了条件[8]

区内主要断裂为张家口断裂及其分支断裂(图 1)。张家口断裂总体走向北西,倾向南,倾角60°左右,为正断层,断层破碎带宽大,约80~100 m,由黄绿色断层泥、构造透镜体组成。野外调查及已有研究结果表明,张家口断裂活动性较强,错断了第四纪晚期松散堆积物,形成类似“崩积楔”的结构,最新活动持续到晚更新世—全新世[9]

图 1 宣化赵川地区地质简图 Fig. 1 Geological sketch of Zhaochuan district, Xuanhua
1.2 地形地貌

该区北部为中高山,海拔1500~2100 m、中部为中低山海拔1000~1400 m,南部山前盆地及低山丘陵,海拔900~1100 m。总体地势较高,呈北高南低,由北部中高山过渡到中低山,再过渡到南部丘陵盆地区。

1.3 气象水文

宣化区冬春季多风少雨雪;夏秋雨水较多,年平均降雨量380 mm,年最大降雨量591.5 mm,日最大降雨量约75 mm。宣化区降水年内变化较大,季节分布不均匀,夏季6—9月降水量占全年的80%,且降雨多以短时暴雨及连阴雨形式出现,因此6—9月是宣化区滑坡、泥石流等地质灾害的高发期。据统计,1953年至今,宣化地区共发生暴雨13次,中心雨量260~620 mm,历时多在2~3 h之间。雨量大、历时短的暴雨是各种地质灾害发生的重要诱发因素和动力条件。

2 采矿矿坑及堆弃废渣特征 2.1 采矿矿坑分布特征

宣化地区金属矿产资源丰富,随着当地经济发展,采矿活动日益增加,但大多为不合理的无序开采,导致环境污染、矿渣堵塞沟道等一系列问题。多年来的采矿活动产生了大量的矿渣堆积体、尾矿坝以及采矿坑(图 2)。矿渣堆积体多分布在采矿场附近的山坡、沟谷中,未经筛选且无任何防护措施;尾矿库是矿渣以拦挡坝的形式堆积于沟口,主要为选矿排放的细颗粒物质。

图 2 赵川地区矿渣堆积体、矿坑、尾矿库分布图 Fig. 2 Distribution of slag accumulation bodies, pits and tailings reservoirs in Zhaochuan district

根据实地调查及遥感解译结果统计分析,该区各类尾矿库、矿渣堆积体、采矿坑等共计400余处,其特点表现如下。

① 平面形状不规则。矿渣堆积体、尾矿库等遍布全区,分布杂乱无章,平面上多呈蠕虫状、线状、点状,总体呈不规则状,面积约占全区总面积的6.5%。

② 矿坑、矿渣堆积体大小不一。规模较大的矿渣堆积体统计见表 1,其中河阳沟村北东堆积体平面面积可达0.675 km2

表 1 宣化赵川地区大型矿渣堆积体统计 Table 1 Statistics of large slag accumulation bodies in Zhaochuan district, Xuanhua

③ 矿渣堆积体多堆积于矿坑周边,且与沟谷走向近垂直。如行人马沟村北侧采矿坑多沿沟谷方向(北西向)展布,采矿坑北侧矿渣堆积体及尾矿库则垂直于采矿坑分布。

④ 大型矿渣堆积体分布除与沟谷走向近垂直外,多沿沟谷呈线状延伸(图 2)。说明矿渣或尾矿遭遇强降雨后,部分矿渣堆积体沿沟谷发生下泄流动,局部形成泥石流。如韩家沟北侧矿渣堆积体多与沟谷走向垂直,且呈蠕虫状,延伸较远。

2.2 赵川响水沟矿渣堆积体坡面碎屑流

区内最具有代表性的堆积体为响水沟矿渣堆积体,对响水沟矿渣堆积体进行详细的调查研究有助于查明全区的矿渣特性。响水沟矿渣堆积体位于宣化区赵川县镇二道岭村北侧响水沟内右岸岸坡,平面大致呈梯形(图 2黄框内),坡脚下方即为赵川镇至四台咀乡的村村通公路。

响水沟所在区域地形地貌主要为中低山,沟道呈狭长的“V”字型,沟床比降较大,坡度约55°,冲沟坡脚堆积厚度不等的第四系次生黄土以及坡积物。该区域基岩岩性主要为太古界桑干群谷咀子组(Arg)灰黑色片麻岩,节理发育。其东侧见燕山旋迴第一侵入阶段(γ52-2)的花岗岩,岩体完整。西南侧见第四系冲洪积物(Q3al+pl)。其南侧谷咀子组(Arg)地层与第四系冲洪积物(Q3al+pl)交界位置发育张家口断裂(图 1)。

响水沟右岸堆积大量矿渣,方量约10000 m3,由渣土车运送倾倒至坡面,矿渣沿坡面自由向下流动(图 3a)。由于随意堆放,矿渣堆积体表面有大量雨水冲刷形成的小冲沟,坡顶处边缘发育拉张裂缝(图 3b),雨水易灌入,导致坡体变形失稳。在遇降雨时,碎屑流顺坡而下冲毁堵塞公路,在坡脚处堆积成小型冲积扇,组成冲积扇的土含水率极高,呈软塑状(图 3c)。小规模的坡面碎屑流反复发生,多次堵塞村村通公路(图 3d)。若遭遇强降雨,坡面碎屑流铲刮坡积物及坡脚第四系沉积物,则有可能发生泥石流。

a—矿渣堆积体沿坡面向下滑动;b—矿渣堆积体顶部拉裂缝;c—坡脚处冲积扇呈软塑状;d—矿渣堆积体阻塞道路 图 3 响水沟矿渣堆积体特征 Fig. 3 Characteristics of slag accumulation bodies in Xiangshuigou
3 响水沟矿渣堆积体工程特性的试验研究 3.1 矿渣土的物理性质

(1) 矿渣颗粒级配及土性

首先对响水沟矿渣堆积体的土样进行颗粒分析试验,结果表明响水沟矿渣中,砾粒绝对含量占49%,砂粒及粘粒绝对含量占51%,而粘粒的绝对含量约3%,属砾质砂土。再对小于2 mm的矿渣进行颗粒分析试验,试验曲线见图 4,小于2 mm的矿渣土颗粒成分中砂粒含量较高,砂粒和粉粒(d≥0.075 mm)的含量大于50%,其粒径范围窄,累计曲线陡,表明土的不均匀系数小,土粒均匀。由图 4计算得到矿渣土体的不均匀系数Cu=8.5,Cc=1.55,可见土粒均匀,粒径较齐全[10],其余常规土工试验结果表明,矿渣土孔隙度为0.3,渗透系数为5.21×10-4 mm·s-1

图 4 矿渣颗粒分析试验曲线 Fig. 4 Curve of particle analysis experiment

(2) 矿渣的成分

宣化地区矿渣堆积体主要由直接采矿后的废弃岩块、选矿破碎后的矿渣颗粒及粘粒组成,其中矿渣颗粒成分主要为品位较低的赤铁矿以及石英岩、石英砂岩,岩块主要由破碎的太古界灰黑色片麻岩组成,两者都被破碎成大小不一的颗粒。而矿渣堆积中的粘粒含量多少决定了矿渣碎屑流发生后是否进一步转化为泥石流。以往的研究结果表明,粘土矿物特别是蒙脱石和伊利石,对土的工程性质影响大[11]。蒙脱石具有膨胀性的晶格结构,层间能吸附多层水分子,层间距可从干燥状态下的0.1 μm膨胀至10倍,蒙脱石的膨胀特性使得其遇水后,土体抗剪强度会显著降低。而伊利石粒度小,表面积大,富含钾元素,并且具有释钾特性,表面光滑[10],当粗颗粒粒间充填粘土矿物时,粘土矿物的水敏性和片状特性降低了粗颗粒粒间摩擦力,从而导致矿渣土的抗剪强度降低[12-13]

响水沟矿渣粘粒矿物(粒径小于0.005 mm)的粉晶衍射XRF分析结果表明(图 5),矿渣堆积体中粘土成分以伊-蒙混层为主,蒙脱石相对含量占80%,伊利石相对含量约占15%,少量为高岭石和绿泥石。矿渣砾质砂土粒间充填的蒙脱石、伊利均为片状粘土矿物,当遭受剪切作用后,易发生定向排列,对粗颗粒粒间运动起着润滑作用,从而导致土体内摩擦角减小;另一方面,粒间粘土矿物的存在会增加矿渣土的粘聚力,这又增加了土的抗剪强度,但由于粘土矿物绝对含量≤3%,对土样的抗剪强度影响相对较小。在矿渣土遇降雨时,粒间蒙脱石、伊利石的水敏性降低了土的抗剪强度,而片状排列对粗颗粒起到润滑作用,使矿渣堆积体更易失稳变形。

图 5 矿渣中粘土矿物粉晶衍射图 Fig. 5 The X-ray powder diffraction data of clay minerals in slag
3.2 矿渣抗剪强度特性

为研究响水沟矿渣堆积体变形破坏时的临界含水率,开展了11组不同含水率、不同干密度条件下土体的直剪试验[14-16],以分析不同含水率、不同干密度条件下矿渣力学抗剪强度的变化规律[17-19]。试样取自张家口市宣化区赵川镇响水沟内的矿渣堆积体,制作筛分后粒径≤2 mm的扰动土样,进行不同含水率和不同干密度的快剪试验。

(1) 同一干密度控制不同含水率条件下的矿渣抗剪强度

试验矿渣土样控制干密度为1.6 g/cm3,配置含水率为0.3%、5%、10%、15%、20%的重塑土样进行快剪试验,其结果见图 6

图 6 响水沟矿渣堆积体不同含水率下抗剪强度变化曲线 Fig. 6 Shear strength variation curves of slag accumulation bodies under different water contents

试验土的粘聚力(或咬合力)变化为2~8 kPa,由于试验土样中含少量的粘土矿物,故表现出具有弱粘聚力的特点。当含水率从0%增大到15%时,粘聚力c不断减小;当含水率增加到15%时,粘聚力c达到最小值;当含水率继续增大至20%左右时,粘聚力c增大至7 kPa。已有的研究结果表明[14-16],粘性土粘聚力c随含水率增大而减小;而砂性土在含水率很低时,由于假凝聚力的作用会先呈现粘聚力增大的假象,当土体达到饱和时,粘聚力消失。试验结果显示响水沟矿渣土粘聚力c均小于10 kPa,这主要与矿渣土中粘土矿物的绝对含量小有关,试验土体主要表现为砂性土的特性。但试验土体含水率达20%时,土样的粘聚力为7 kPa,表明矿渣土中粘粒含量对其强度仍有较大影响。试验土样含水率达15%时,粘聚力值最小,指示响水沟矿渣堆积体在降雨条件下失稳变形的界限含水率可能在15%左右。

与粘聚力c不同,试样内摩擦角φ随含水率的变化范围为27.6°~31.6°,总体变化不大,这主要是由于试样为砂性土,粘粒含量少,粘聚力小,含水率对内摩擦角φ的影响较小所致。

图 6的试验结果进行相关性分析,得到矿渣堆积体含水率w与粘聚力c的拟合公式:

$ c = 8.076-0.33w-0.0042{w^2}-0.001{w^3} $ (1)

公式(1)中:c为矿渣堆积体的粘聚力或咬合力,kPa;w为矿渣堆积体的含水率,%。二者相关系数R2=0.9,可见矿渣土的粘聚力大小受含水率的影响明显,相关性较好。

(2) 同一含水率不同干密度条件下强度试验结果

采用控制含水率11.3%,干密度分别为1.40、1.50、1.60、1.70、1.80、1.90 g/cm3的重塑土样进行快剪试验。试验结果表明(图 7),随着干密度的增大,矿渣土的粘聚力总体呈增大趋势。干密度较低时,粘聚力c随干密度的增大变化较大,当干密度在1.4 g/cm3时,试样粘聚力基本为0,表明矿渣土松散时,几乎没有粘聚力。干密度在1.5 g/cm3时,其粘聚力高于干密度在1.6~1.7 g/cm3时的粘聚力,这可能是试验矿渣土属砂性土,在一定的含水率条件下存在假粘聚力的缘故。当干密度逐渐增大至1.66 g/cm3时,粘聚力最低,而后随着干密度的增大,粘聚力开始逐渐增大。

图 7 响水沟矿渣堆积体不同干密度下抗剪强度变化曲线 Fig. 7 Shear strength variation curves of slag accumulation bodies under different dry densities

试样内摩擦角φ随干密度的变化趋势与同一含水率不同干密度条件下的试验结果相似,变化范围为28.5°~32.5°,反映了不同干密度对砂性土的内摩擦角影响相对较小。

4 矿渣碎屑流启动机制分析

宣化赵川地区矿渣堆积体遍布,大量矿渣堆积体为碎屑流提供了丰富的物源条件。该地区坡度较大,沟床比降较大,降雨以短时强降雨为主。而矿渣堆积体孔隙率大,结构松散,力学强度低,而粒间粘土矿物中含大量具有膨胀性的片状蒙脱石和伊利石,导致矿渣堆积体多处于失稳的临界状态。堆积在坡面上的矿渣堆积体,遇短时间强降雨,由于雨水水量集中,地表水动力较强,雨水入渗快,土体含水率迅速增大。此时,粒间粘土矿物如蒙脱石、伊利石发生膨胀,致使粒间孔隙减小,水量不能及时排出,矿渣堆积体含水量持续增加,孔隙水压力升高,土体强度骤降;加上土体含水率的增加,土的自重应力增加,土体顺坡向的剪切力增加,导致矿渣堆积体局部出现张裂隙和剪裂隙。随着雨水继续入渗,孔隙水压力进一步增大,有效应力减小,剪切破坏区扩展连通形成剪切面,使土体强度进一步弱化。当剪切面上的剪切力大于抗滑力时,坡面上的松散堆积体将启动下滑,形成坡面碎屑流[20-22]

碎屑流下滑至坡脚后,对坡面及坡脚处原沉积的冲洪积次生黄土及坡积物产生铲刮作用,与矿渣碎屑流混合后一起向下流动。矿渣碎屑流中细颗粒含量的增高,增大了碎屑流的粘性,若水动力条件合适,则可进一步诱发泥石流。

根据室内试验结果,响水沟矿渣土颗粒级配曲线的曲率系数Cc为1.55,渗透系数为0.000521 mm·s-1,孔隙度为0.3。采用胡凯衡等[23]建立的临界土体含水率与土体渗透系数、颗粒曲率系数和孔隙度的多重线性关系式:

$ {W_{\rm{a}}} =-1.12K + 0.46n + 0.12{C_{\rm{c}}}-0.165 $ (2)

公式(2)中:Wa为临界含水率;K为土体渗透系数;n为土体孔隙度;Cc为土体颗粒的曲率系数。

计算得到响水沟矿渣土的临界含水率为15.8%,与矿渣土快剪试验得到的结果(图 6)基本一致,二者相互验证表明响水沟矿渣堆积体启动形成碎屑流的临界含水率为15%。试验矿渣土样含水率在15%时,矿渣土的抗剪强度最低,预示着当降雨一段时间后,土体含水率达15%时,矿渣堆积体会启动下滑流动。这一含水率值可以作为响水沟矿渣堆积体启动形成碎屑流的临界含水率。

5 结论

通过野外调查结合遥感资料,系统总结了宣化赵川地区采矿废渣的分布堆积特征,对最具代表性的响水沟松散矿渣堆积体进行室内试验揭示了矿渣的物理力学特性,获得了碎屑流启动的临界含水率,进一步分析了碎屑流的启动机制,为灾害预警提供了科学依据。主要认识和结论如下。

(1) 根据野外详细调查及遥感解译,宣化赵川地区采矿废渣共400余处,遍布全区,分布杂乱无章,平面上多呈不规则状,总体与沟谷走向近垂直,其大小不一,面积约占全区总面积的6.5%。该地区采矿废渣以矿渣堆积体及尾矿库两种形式存在,结构松散,力学强度低,大多发生过下泄流动,遇短时强降雨或地震振动等诱发因素易形成坡面碎屑流、泥石流等地质灾害。

(2) 具有代表性的响水沟矿渣堆积体属砾质砂土,级配不良,粘粒含量低,但粘土矿物多为蒙脱石、伊利石,降低了矿渣抗剪强度,加剧了矿渣堆积体的失稳变形。

(3) 同一干密度不同含水率试验中,随含水率增加,矿渣抗剪强度先增大后减小,当含水率达到15%时,矿渣抗剪强度最低,暗示响水沟矿渣堆积体启动下滑的临界含水率可能在15%左右,通过多重线性关系式验证了结果的准确性,并建立了粘聚力与含水率的拟合公式:c=8.076-0.33w-0.0042w2-0.001w3

(4) 松散矿渣堆放后,在堆积体顶部边缘出现明显拉裂缝,处于临界失稳状态。遇强降雨后失稳下滑,且反复发生,在坡脚形成含水率极高的泥石流冲积扇。这主要是由于强降雨时雨量集中,地表水动力较强,且砾质砂土雨水入渗快,土体自重增加;但矿渣中含有少量粘粒,矿渣排水慢,导致含水率快速增加,抗剪强度骤降,一旦强度丧失或坡面下滑力超过抗剪强度,堆积体启动下滑形成坡面碎屑流。碎屑流下滑过程中对坡面、坡脚的次生黄土的铲刮作用,增加了物源量及细颗粒物质,进而诱发泥石流。

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