東河河道演變對千噸選廠尾礦庫的影響分析

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摘要：河流受地球自轉所產生的科里奧利力和離心慣性力的影響，對河岸形成沖刷，從而使河道發(fā)生彎曲演變，在河道的演變過程中，有的地方從河道變?yōu)榭砂峨A地，有的地方則從河岸變成河道，這種變化不可避免地對河岸上的各種建構筑物產生不良影響。對于選址于河岸附近的尾礦庫而言，按照《尾礦庫安全技術規(guī)程》等法規(guī)的規(guī)定，必須充分考慮到這種不良影響，并具備可靠的防范措施，以保證尾礦庫的運行安全。

　　關鍵詞：河道演變；側蝕作用；千噸選廠；尾礦庫；選址

　　在實際工作中，尾礦庫的選址工作一直是設計人員與礦山管理人員非常重視的工作，在一些地區(qū)，當沒法找到合適的山溝建庫時，就只有在山間河灘上選地建庫，而此時就不可避免的有部分壩段接近河流邊緣，山間河流極易爆發(fā)山洪、泥石流等災害，可能由于河道下切沖蝕或河床淤積等使河床在水平和垂直方向上發(fā)生變化，從而對建于河灘之上的尾礦庫造成不良影響，下面以柿竹園礦千噸選廠尾礦庫為例對其影響進行分析。

　　一、東河及千噸選廠尾礦庫概況

　?。ㄒ唬〇|河概況

　　東河原名大浪江，源于西坪頭嶺，流經柿竹園礦、白露塘、雅市，從大面洲注入東江，為東江一級支流，全長約42.7km。東河在柿竹園公司總部南部延伸9.5km，河床寬窄不一，最寬處位于金獅嶺采石場上，寬60余米，最窄處位于建設橋南100m處，河床寬僅10余米；河道兩側為柿竹園公司柴山工區(qū)以及多金屬采場，同時還存在大量民采，故兩岸多處存在采礦廢石場。從礦部所處位置山口流出后，河床驟然開闊，其河漫灘及階地寬度可達千米以上。水量受降雨量控制，流量一般為0.3～55m³/s，平水期平均流量4m³/s，枯水期平均流量0.5m³/s，雨季比平水期增大數(shù)倍。

　?。ǘ┣嵾x廠尾礦庫概況

　　柿竹園礦千噸選廠尾礦庫于1998年10月投入使用，初期壩采用砂卵石堆筑，壩頂標高187m，壩高6m，后期最終堆積標高191m。最大壩高10m，總庫容238.3萬m³，總有效庫容202.5萬m³?？蓾M足選廠服務10.5年。2002年長沙有色冶金設計院對該庫進行了擴容設計：在原有壩基礎上加高4m，增加總庫容150萬m³。

　　庫區(qū)位于東河西岸河漫灘，沿河向成長方形分布，東部緊貼河道，壩腳與東河之間僅為一個寬不到10m的臺階；西側階地寬闊平緩，廣布農田。庫區(qū)地形平坦，尾礦庫匯水面積0.4km²，占河灘40hm²，四面筑壩形成庫區(qū)。

　　庫區(qū)地質條件單一，表層多為厚度不超過0.5m的粉砂或粉土覆蓋，僅西北角有一層灰色或桔黃色粉質粘土出露，覆土之下，全區(qū)廣泛連續(xù)埋藏深厚卵礫石層，初期壩及排洪設施均置于其上，卵礫石含砂率不高，含泥微少，巖質堅硬，最大粒徑100～400mm之間，頗為密實，透水性良好。地下水為孔隙型潛水，埋藏深度一般2.2～2.8m，流向由南向北偏東。在建庫時，表層土基本被挖走，壩基基本上是座落在卵礫石層之上。

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　　東河在尾礦庫建設過程中對庫區(qū)經過河段的彎道進行了整治，使其在尾礦庫東部形成一條直線河道，緊挨庫區(qū)南側與原河道相接；改直河流底坡降i=0.01，河床寬40m，與下游整治河道一致，河道平均開挖2m深，長為800m，河道開挖量用于填筑河堤和筑壩，河岸及靠河道的壩外側下部用漿砌塊石護坡，河道內修建了5道駝峰滾水壩及3道丁字壩，以減緩流速、固定水流、保護河堤。

　　二、2006年東河洪水造成尾礦庫局部垮壩

　　2006年7月14日至15日，受強臺風“碧利斯”的影響，郴州地區(qū)遭受500年一遇強暴雨襲擊，短時間內，山洪裹挾著大量礦山廢棄泥石從東河上游直沖而下，對上游山谷內的溝床沖刷十分嚴重，沖出溝口后，大量的泥沙、石塊等逐漸堆積在谷口以下3km的范圍內，將此處河床抬高，洪水漫堤后直沖尾礦庫東壩局部地段，造成該處被不斷掏空，形成垮壩，流失尾礦上萬立方米，對下游造成了不良的社會影響。

　　三、東河河床演變趨勢及特征分析

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　　受地球自轉所形成的科里奧利力及慣性離心力的影響，流動的河水將對河岸形成沖刷，對于北半球的河流而言，自西向東的河流右岸沖刷嚴重，自東向西的河流左岸沖刷嚴重，南北向的河流右岸沖刷嚴重。

　　河水及其攜帶的碎屑物對河床兩側或河谷谷坡的破壞作用稱側蝕作用。側蝕作用的結果是使河谷展寬，使河床變彎曲。在河流的任一河段其下蝕作用和側蝕作用都是同時進行的，但在河流縱比降較小的彎道河段中側蝕作用占主要地位。這是由于彎道河段流水的慣性離心力，使主流線偏移并發(fā)生單向橫向環(huán)流的結果。

　　河水進入彎道河段后，水流受慣性離心力的影響，其主流線逐漸向凹岸偏移，至河彎頂部，主流線緊靠凹岸，使彎頂?shù)陌及妒芰魉膹娏覜_蝕，經過反復沖蝕，使凹岸壁底部被掏空并發(fā)生崩坍而向后退。水流的主要沖擊點（稱頂沖）則與流量的變化存在密切關系，低水位時，頂沖位于彎頂稍靠上的部位，高水位時，頂沖位置會向下游偏移，發(fā)生在彎頂以下，導致流水對彎頂?shù)臎_刷位置發(fā)生周期性的移動。

　　與此同時，彎道水流在其慣性離心力作用下產生單向橫向環(huán)流。單向環(huán)流的表流對凹岸進行侵蝕，底流則把破壞下的碎屑物質帶向凸岸。

　　由于單向環(huán)流、主流線的偏移，彎頂附近的凹岸受到強烈的沖蝕使岸腳被掏空并導致岸壁塌落、后退。與此同時，環(huán)流還將部分較細的碎屑物質帶至凸岸沉積，使凸岸不斷前伸，致使河谷或河床愈來愈彎曲。

　?。ǘ〇|河河床演變的趨勢與演變特征

　　東河為一條典型的山溪季節(jié)性沖積河流，流經不同的地質區(qū)域，受河道邊界條件和河床質地因素的限制，河床形態(tài)的發(fā)育和平面位置始終是在沖刷和沉積的過程中調整變化。

　　不同河段的河床形態(tài)隨水流條件而異，受河流的沖刷河床斷面變窄，而泥沙的淤積將使河床變寬，通過對河道的調整讓河流過程達到一種新的相對平衡，河床橫斷面形態(tài)也隨之不斷變化。其橫斷面形態(tài)變化在空間上表現(xiàn)為：上游山谷內河段以下蝕、沖刷為主，橫斷面形態(tài)多呈“V”字型；中下游河段河床沖、淤作用兼有，河床橫斷面形態(tài)多呈“U”字型。

　　在河道中下游，彎道對河床形態(tài)變化的影響極大。彎道改變了水流力學性質和泥沙輸移方式。河流沖淤過程隨水流方向、水流曲率發(fā)生變化，研究表明，在不穩(wěn)定流條件下，河流橫斷面隨時間變化，并且通過沖刷和淤積，不斷地對河道進行著改造調整，以達到相對平衡。

　　柿竹園公司總部以南山谷內河段河流比降較大，水流具有較強的攜沙能力，輸沙常處于不飽和狀態(tài)，東河的河床演變是以縱向沖刷下切、橫向侵蝕拓寬為主的發(fā)展趨勢。由于上游河段通過地段兩側為柿竹園公司的兩個開采工區(qū)以及大量民采，這些采礦活動對地表植被破壞極大，還在地表遺留了大量的松散廢石，因此上游匯水區(qū)的保水能力下降，極易導致破壞性山洪爆發(fā)，山洪爆發(fā)的時候會將上游存在的大量廢石攜帶至山谷之外，攜石水流的沖刷能力十分強大，但由于山谷內堅硬河床的限制，此河段內河流橫向擺動的可能性極小，最主要的演變是河床的下切侵蝕，這一點從上游河床內的多外攔石壩被沖毀就可得到證明。

　　東河在公司總部沖出山口后，河谷突然變寬，河床坡降明顯變緩，在原來沒有改造的情況下，東河在此地段是多彎的，并且還在慢慢地擺動；在對河道進行拉直整治，尤其是在千噸選廠尾礦庫建成后其東側河段拉直后，在尾礦庫上游不遠處與原河道相接位置還是一個大彎道，河水沖過彎道后直接進入拉直的河段。在這種特殊邊界條件和水文條件的局部河段，發(fā)生顯著的河床變形，一則是河道變緩后大量砂石淤積，使河床抬高，河寬展寬，這一點從2006年“碧利斯”引發(fā)的洪水過后東河河床抬高近1m得到證明；二則高速洪流的側蝕作用對河岸的沖刷破壞將導致河流有從直向彎轉變的趨勢，甚至導致河流脫離原有河道。

　?。ㄈ〇|河河床演變對尾礦庫的破壞

　　東河河床演變對千噸選廠尾礦庫的破壞主要表現(xiàn)在如下方面：

　　1．每年雨季，山洪爆發(fā)時將上游大量的泥沙、廢石帶出山溝，形成稀性泥石流，對下游河道內及附近建構筑物造成極大的安全威脅。

　　2．山洪帶下的泥石沖出山溝后在溝口幾公里范圍內快速沉積，將河床抬高，經過幾次洪水后，原有的河堤等設施基本失去作用，洪水越過河堤對尾礦庫造成威脅。

　　3．由于尾礦庫上游不遠處的彎道引起河內洪水的橫向擺動，對壩腳形成側蝕，造成尾礦庫臨河壩段發(fā)生垮壩，引起尾礦流失，造成極大的社會影響。

　　四、尾礦庫的安全防范措施

　　為保護千噸選廠尾礦庫的安全，必須對東河進行必要治理、治理過程中應堅持“統(tǒng)籌兼顧、綜合潰理、因地制宜、因勢利導、變害為利”的原則。根據東河河道演變情況控制河勢變化，結合河道周邊條件和當?shù)亟洕?、材料情況，對其進行綜合治理。

　　1．清淤筑堤。可結合河道清淤筑堤，加大河道行洪斷面，提高河道行洪標準。

　　2．在彎道后的順直河道內修丁壩、調整河勢，但丁壩不能修得過高或過長，在現(xiàn)場選好角度，兼顧左右岸，以免威脅對岸。

　　3．必要時調整尾礦庫上游河道的彎度，減小其側向慣性離心力對兩側河岸的影響。

　　4．結合礦山的整治，尤其是對民采礦山的整治，搞好河流上游水土保持。

　　5．制定東河的長期治理規(guī)劃。

　　6．由于柿竹園屬于多金屬礦，其尾礦中含有較多的未選有用成分，利用價值很高，在技術允許的情況下可以對尾礦進行綜合利用，把尾礦庫從該處搬走，徹底消除河流對尾礦庫的不良影響。

　　五、結語

　　河流的彎直演變是自然界的一種常見的地質現(xiàn)象，在其演變過程中，不可避免地對人們的經濟活動造成不良影響，為了應對這種不良影響，則需要人們采取各種措施以保證人類活動不受影響。

　　尾礦庫作為礦山企業(yè)中一個十分重要的生產設施，也是國家安全生產方面關注的重點，其選址不單只注意尾礦庫自身條件與因素，也應考慮外界因素對尾礦庫可能造成的影響，這樣才不會造成不必要的損失。

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　　作者簡介：郭朝陽（1971－），男，湖南有色冶金勞動保護研究院水工環(huán)地質工程師，注冊巖土工程師。