王思奇，胡卸文，2

(1.西南交通大學(xué) 高速鐵路運(yùn)營(yíng)安全空間信息技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610031；2.西南交通大學(xué) 地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，四川 成都 610031)

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銀廠溝礦渣型泥石流特征及危險(xiǎn)度評(píng)價(jià)

王思奇1，胡卸文1，2

(1.西南交通大學(xué) 高速鐵路運(yùn)營(yíng)安全空間信息技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610031；2.西南交通大學(xué) 地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，四川 成都 610031)

礦渣型泥石流；危險(xiǎn)度評(píng)價(jià)；層次分析法；銀廠溝

瀘定縣銀廠溝屬于典型的礦渣型泥石流溝，溝域內(nèi)分布大小礦場(chǎng)數(shù)處。盡管對(duì)大部分礦渣體做了固坡處理，但因固坡設(shè)施結(jié)構(gòu)單薄，易失效，曾先后于1975、1992和2011年暴發(fā)中等規(guī)模泥石流，沖毀路基、阻塞主河道。根據(jù)銀廠溝泥石流啟動(dòng)物源以礦石棄渣為主這一特點(diǎn)，選取渣堆穩(wěn)定性、棄渣堆規(guī)模、匯水面積、溝道長(zhǎng)度、溝道縱坡降、溝道彎曲度、日最大降雨量、泥石流發(fā)生頻率和歷史最大沖出量等9個(gè)因子，結(jié)合層次分析法對(duì)銀廠溝泥石流進(jìn)行危險(xiǎn)度評(píng)價(jià)，結(jié)果表明銀廠溝仍蘊(yùn)藏暴發(fā)中等以上規(guī)模泥石流的風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)盡快治理。

我國(guó)地域廣闊，蘊(yùn)藏著豐富的礦產(chǎn)資源。礦產(chǎn)資源在被社會(huì)利用的同時(shí)，由礦產(chǎn)資源開(kāi)采而產(chǎn)生的棄渣已成為一個(gè)突出的環(huán)境問(wèn)題。尤其在一些溝道內(nèi)，不合理堆放的棄渣為泥石流的發(fā)生提供了充足的物源，在降雨作用下極易誘發(fā)礦渣型泥石流。這類(lèi)泥石流多表現(xiàn)為組成物質(zhì)粒徑大且具有多發(fā)但又可控這一特殊性質(zhì)[1]。鐘敦倫等在對(duì)我國(guó)大型礦山調(diào)查資料整理后發(fā)現(xiàn)，幾乎每座礦山都暴發(fā)過(guò)泥石流[2]，如：1984年云南民礦遭遇泥石流災(zāi)害，傷亡120余人[3]；1994年陜西潼關(guān)金礦發(fā)生大規(guī)模泥石流，造成51人死亡，上百人失蹤[3]；2008年9月8日，山西襄汾新塔礦業(yè)公司鐵礦尾礦庫(kù)潰壩造成271人死亡，幾十人失蹤，經(jīng)濟(jì)損失巨大[4]。

四川省瀘定縣興隆鎮(zhèn)興隆溝富藏鉛鋅礦，溝域內(nèi)分布大小礦場(chǎng)數(shù)處。近年來(lái)由于礦渣堆放不合理而誘發(fā)的泥石流已經(jīng)嚴(yán)重威脅到當(dāng)?shù)厝罕姷纳?cái)產(chǎn)安全。銀廠溝是興隆溝左岸主要支溝之一，屬典型的礦渣型泥石流溝，自20世紀(jì)50年代礦山開(kāi)采以來(lái)已多次暴發(fā)泥石流，對(duì)溝口居民的生命及財(cái)產(chǎn)安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅。因此，剖析礦渣型泥石流物源啟動(dòng)條件及模式，進(jìn)而運(yùn)用層次分析法，對(duì)其進(jìn)行危險(xiǎn)度評(píng)價(jià)，能夠?yàn)榇祟?lèi)泥石流監(jiān)測(cè)預(yù)警提供科學(xué)依據(jù)。

1　研究區(qū)地質(zhì)條件概況

研究區(qū)地處川西高原與四川盆地的過(guò)渡帶，大渡河?xùn)|岸，屬典型的侵蝕堆積與構(gòu)造地貌區(qū)。溝域形態(tài)近似柳葉形，區(qū)內(nèi)海拔1 430—2 960 m。銀廠溝流域面積約6.01 km2，主溝長(zhǎng)5.02 km，溝道平均縱坡降228‰。上、中游溝道順直陡峻，彎曲程度低，下游較平緩。流域內(nèi)有5條支溝匯入，溝谷截面呈V形，兩側(cè)山坡坡度主要集中在20°～40°。三大斷裂帶(大渡河斷裂帶、金坪斷裂帶、龍門(mén)山斷裂帶)在研究區(qū)附近交匯，其中金坪斷裂近NS走向從溝內(nèi)穿過(guò)。區(qū)內(nèi)巖土體破碎，在降雨、地震等作用下容易塌滑。研究區(qū)出露的地層主要為震旦系下統(tǒng)花崗巖、臨湘組+五峰組泥灰?guī)r夾頁(yè)巖及第四系坡殘積物。坡殘積物厚度0.1～2.0 m，分布于平緩山坡和山脊平臺(tái)之上。

2　銀廠溝泥石流基本特征

2.1泥石流分區(qū)特征

銀廠溝泥石流形成區(qū)位于溝谷上游2 380 ～2 960 m高程段，地形呈喇叭狀，后壁為陡崖。溝谷走向多與構(gòu)造線(xiàn)或巖層走向近于直交或大角度斜交，兩岸常見(jiàn)基巖出露。1 570～2 380 m高程段是泥石流流通區(qū)，植被覆蓋率稍低于下游，平均坡降為211.97‰，補(bǔ)給物源有溝床堆積物、崩坡積物和礦山棄渣。泥石流堆積區(qū)位于1 430～1 570 m高程段，坡降相對(duì)較小，民房、鄉(xiāng)村公路、農(nóng)田等保護(hù)對(duì)象均處于此段。

2.2泥石流災(zāi)害史及活動(dòng)性

銀廠溝為常年流水溝，自20世紀(jì)50年代采礦以來(lái)，分別在1975年7月20日、1992年7月13日、2011年8月5日暴發(fā)過(guò)中等規(guī)模泥石流，沖毀路基、阻塞道路、淹沒(méi)農(nóng)田及房屋，造成人員傷亡，危害嚴(yán)重。此外，中小規(guī)模的高含沙山洪更是頻繁發(fā)生，呈現(xiàn)出大雨大暴發(fā)、小雨小暴發(fā)的特點(diǎn)，屬于高頻泥石流。

2.3礦渣堆砌情況及已有防護(hù)工程

銀廠溝中、上游高程2 300、1 855 m處分布兩個(gè)鉛鋅采礦場(chǎng)。礦場(chǎng)采用露天剝離的方式進(jìn)行開(kāi)采，加之溝域內(nèi)花崗石的開(kāi)采，目前堆放的棄渣總量在300萬(wàn)m3左右。所有棄渣被分為6個(gè)棄渣堆，堆放于銀廠溝中下游溝道兩岸。渣堆邊坡坡度30°～35°，接近自然休止角。由于渣堆較高且坡腳處原有防護(hù)工程多已毀壞，故在常年流水淘刷作用下，極易發(fā)生滑塌，而棄渣散落到溝道里，則為泥石流暴發(fā)提供了大量物源。

3　泥石流危險(xiǎn)度評(píng)價(jià)

3.1評(píng)價(jià)因子的選取

本研究以詳實(shí)的野外調(diào)查資料為基礎(chǔ)，參考前人的評(píng)價(jià)方法[4-10]，同時(shí)考慮該泥石流物源中礦渣比例大這一主要特點(diǎn)，將影響泥石流危險(xiǎn)度的因素歸納為地質(zhì)條件B1、地形地貌B2、氣象條件B3、歷史條件B4等4類(lèi)基本條件，并將其進(jìn)一步細(xì)分為渣堆穩(wěn)定性C1、棄渣堆規(guī)模C2、匯水面積C3、溝道長(zhǎng)度C4、溝道縱坡降C5、溝道彎曲度C6、日最大降雨量C7、歷史發(fā)生頻率C8、歷史最大沖出量C9等9個(gè)評(píng)價(jià)因子，如圖1所示。

圖1　銀廠溝泥石流危險(xiǎn)度評(píng)價(jià)指標(biāo)體系層次結(jié)構(gòu)

3.2評(píng)價(jià)方法

采用指標(biāo)加權(quán)評(píng)價(jià)法，即評(píng)價(jià)因子權(quán)重與因子賦值相乘求和的方法。危險(xiǎn)度評(píng)價(jià)公式見(jiàn)參考文獻(xiàn)[10]，各評(píng)價(jià)因子分值劃分見(jiàn)表1。

3.3評(píng)價(jià)因子權(quán)重確定

評(píng)價(jià)因子權(quán)重確定關(guān)系到評(píng)價(jià)結(jié)果是否符合實(shí)際情況，本研究采用層次分析法進(jìn)行確定。

銀廠溝泥石流危險(xiǎn)度評(píng)價(jià)指標(biāo)體系層次結(jié)構(gòu)(圖1)確立了目標(biāo)層、條件層和因子層之間的隸屬關(guān)系，這樣就可以對(duì)表1中各評(píng)價(jià)因子的相對(duì)重要性進(jìn)行兩兩判斷。而對(duì)影響泥石流溝危險(xiǎn)性的各因子重要程度進(jìn)行排序即為標(biāo)度，是層次分析法中的一個(gè)重要步驟。

表1　礦渣型泥石流危險(xiǎn)度評(píng)價(jià)因子及賦值

注：溝道彎曲度即溝道彎曲段長(zhǎng)度與溝道直線(xiàn)段長(zhǎng)度的比值。

層次分析法中標(biāo)度方式有很多種，但基本是根據(jù)美國(guó)著名運(yùn)籌學(xué)家T.L.Saaty提出的1—9標(biāo)度法進(jìn)行的衍伸[11]。1—9標(biāo)度法就是運(yùn)用1—9之間的9個(gè)數(shù)及其倒數(shù)作為評(píng)價(jià)元素，標(biāo)度各因子間相對(duì)重要性的大小，形成判斷矩陣。此方法不僅可以對(duì)影響因子之間的重要性及重要性大小明確地評(píng)價(jià)與判斷，而且還可以檢驗(yàn)并保持評(píng)價(jià)過(guò)程的一致性。

3.3.1區(qū)分各個(gè)影響因子的重要性

根據(jù)表1列出的礦渣型泥石流危險(xiǎn)度評(píng)價(jià)因子，再結(jié)合1—9標(biāo)度方法進(jìn)行打分，用相同重要、稍重要、較重要、明顯重要4種判斷表示各功能之間的重要性區(qū)別，并按以下規(guī)則進(jìn)行標(biāo)度賦值(表2)。各因子賦值后，得到目標(biāo)層與條件層的判斷矩陣H-M(表3)，如Mi與Mj比較得αij，則其對(duì)稱(chēng)元素(Mj與Mi比較的結(jié)果)為1/αij；對(duì)角元素(自身與自身比較的結(jié)果)為1。此判斷矩陣為1—9標(biāo)度法的計(jì)算基礎(chǔ)。

表2　標(biāo)度的意義

表3　判斷矩陣H-M

3.3.2重要性權(quán)值的確定與一致性檢驗(yàn)

根據(jù)判斷矩陣H-M(表3)，求出該矩陣最大特征值λmax及其相應(yīng)的特征向量。對(duì)特征向量歸一化處理后表示為W，即同一層級(jí)的因素對(duì)于上一層級(jí)某一要素的重要性權(quán)值。為了確保運(yùn)用層次分析法得到的結(jié)論的合理性，檢驗(yàn)評(píng)分過(guò)程的一致性，可以轉(zhuǎn)化為檢驗(yàn)一致性比率CR= CI/RI是否小于0.1。其中，指標(biāo)CI的計(jì)算式為

(1)

RI為隨機(jī)一致性指標(biāo)，它是當(dāng)判斷矩陣中的元素完全隨機(jī)時(shí)的一致性指標(biāo)，與判斷矩陣的陣階數(shù)存在如下關(guān)系(表4)。

表4　平均隨機(jī)一致性指標(biāo)RI

當(dāng)CR<0.1時(shí)，判斷矩陣一致性好，判斷合理；CR=0.1時(shí)，判斷矩陣一致性較好，判斷較合理；CR>0.1時(shí)，判斷矩陣一致性差，需重新調(diào)整，直至具有滿(mǎn)意一致性為止[12]。

3.3.3實(shí)際應(yīng)用

(1)層次單排序。運(yùn)用表2所示標(biāo)度，逐項(xiàng)對(duì)任意兩個(gè)評(píng)價(jià)因子進(jìn)行比較，參考已有文獻(xiàn)及實(shí)地調(diào)查結(jié)果，確定它們的相對(duì)重要性并賦予相應(yīng)標(biāo)度值，分別得到目標(biāo)層與條件層的判斷矩陣H-B，條件層與因子層的判斷矩陣B1-C、B2-C、B3-C、B4-C。

表5　目標(biāo)層與條件層的判斷矩陣H-B

表6　條件層與因子層的判斷矩陣 B1-C

表7　條件層與因子層的判斷矩陣 B2-C

表8　條件層與因子層的判斷矩陣 B3-C

表9　條件層與因子層的判斷矩陣 B4-C

進(jìn)一步計(jì)算可得到：判斷矩陣H-B，λmax=4.10，W=(0.10 0.36 0.36 0.18)，已知R4=0.89，可得出CR=0.04<0.1，判斷矩陣一致性好；判斷矩陣B2-C，λmax=4.08，W=(0.32,0.12,0.94,0.23)，已知R4=0.89，可得出CR=0.03<0.1，判斷矩陣一致性好；判斷矩陣B1-C、B3-C、B4-C均為階數(shù)小于二的矩陣，判斷矩陣一致性好。詳見(jiàn)表10。

根據(jù)矩陣?yán)碚摚瑮l件層與目標(biāo)層、因子層與條件層的層次單排序都具有滿(mǎn)意的一致性。

表10　層次單排序計(jì)算結(jié)果

(2)層次總排序。建立因子層(最低層)所有評(píng)價(jià)因子對(duì)于目標(biāo)層(最高層)相對(duì)重要性的排序權(quán)值Pi，其計(jì)算式為

(2)

式中：bj表示條件層包含的4個(gè)條件在其層次單排序中所對(duì)應(yīng)的權(quán)值；cij表示因子層包含的9個(gè)條件在層次單排序中對(duì)應(yīng)的權(quán)值。pi的計(jì)算結(jié)果詳見(jiàn)表11。

表11　層次總排序權(quán)值

3.4評(píng)價(jià)結(jié)果

將銀廠溝泥石流的相關(guān)原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為評(píng)價(jià)因子分值，代入危險(xiǎn)度評(píng)價(jià)公式，得到銀廠溝礦渣型泥石流的危險(xiǎn)度為0.716 2。根據(jù)現(xiàn)行通用的泥石流危險(xiǎn)度劃分等級(jí)[12]:0～0.2為極低危險(xiǎn)；0.2～0.4為低度危險(xiǎn)；0.4～0.6為中度危險(xiǎn)；0.6～0.8為高度危險(xiǎn)；0.8～1.0為極高危險(xiǎn)。銀廠溝礦渣型泥石流存在高度暴發(fā)風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)盡快治理。

4　結(jié)　語(yǔ)

(1)銀廠溝自20世紀(jì)50年代開(kāi)始采礦以來(lái)，分別在1975年7月20日、1992年7月13日、2011年8月5日暴發(fā)過(guò)中等規(guī)模泥石流，現(xiàn)狀物源50%以上為采礦棄渣，故仍存在暴發(fā)礦渣型泥石流的可能性。

(2)針對(duì)該溝礦渣型泥石流的形成條件，并結(jié)合礦渣是主要補(bǔ)給物源的特點(diǎn)，在泥石流危險(xiǎn)度評(píng)價(jià)過(guò)程中，選取渣堆穩(wěn)定性、棄渣堆規(guī)模、匯水面積、溝道長(zhǎng)度、溝道縱坡降、溝道彎曲度、日最大降雨量、歷史發(fā)生頻率和歷史最大沖出量等9個(gè)因素作為評(píng)價(jià)因子，對(duì)該地區(qū)泥石流危險(xiǎn)度進(jìn)行評(píng)價(jià)是可行的。

(3)銀廠溝礦渣型泥石流危險(xiǎn)度為0.716 2，屬于高度危險(xiǎn)泥石流，應(yīng)進(jìn)行綜合治理以確保溝口人民群眾的生命和財(cái)產(chǎn)安全。

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(責(zé)任編輯孫占鋒)

2015-06-30

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41372293)；四川省國(guó)土資源廳科學(xué)研究計(jì)劃項(xiàng)目(KJ-2014-10)；長(zhǎng)江學(xué)者和創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)發(fā)展計(jì)劃資助項(xiàng)目(PCSIRT)

P642.23

A

1000-0941(2016)04-0047-04

王思奇(1990—)，女，黑龍江大慶市人，碩士研究生，主要從事工程地質(zhì)方面的研究工作；通信作者胡卸文(1963—)，男，浙江金華市人，教授，博士生導(dǎo)師，博士，主要從事工程地質(zhì)、環(huán)境地質(zhì)方面的教學(xué)與研究工作。