东河河道演变对千吨选厂尾矿库的影响分析

　 摘要：河流受地球自转所产生的科里奥利力和离心惯性力的影响，对河岸形成冲刷，从而使河道发生弯曲演变，在河道的演变过程中，有的地方从河道变为可岸阶地，有的地方则从河岸变成河道，这种变化不可避免地对河岸上的各种建构筑物产生不良影响。对于选址于河岸附近的尾矿库而言，按照《尾矿库安全技术规程》等法规的规定，必须充分考虑到这种不良影响，并具备可靠的防范措施，以保证尾矿库的运行安全。
　　 关键词：河道演变；侧蚀作用；千吨选厂；尾矿库；选址
　　在实际工作中，尾矿库的选址工作一直是设计人员与矿山管理人员非常重视的工作，在一些地区，当没法找到合适的山沟建库时，就只有在山间河滩上选地建库，而此时就不可避免的有部分坝段接近河流边缘，山间河流极易爆发山洪、泥石流等灾害，可能由于河道下切冲蚀或河床淤积等使河床在水平和垂直方向上发生变化，从而对建于河滩之上的尾矿库造成不良影响，下面以柿竹园矿千吨选厂尾矿库为例对其影响进行分析。
　　 一、东河及千吨选厂尾矿库概况
　　（一）东河概况
　　东河原名大浪江，源于西坪头岭，流经柿竹园矿、白露塘、雅市，从大面洲注入东江，为东江一级支流，全长约42.7km。东河在柿竹园公司总部南部延伸9.5km，河床宽窄不一，最宽处位于金狮岭采石场上，宽60余米，最窄处位于建设桥南100m处，河床宽仅10余米；河道两侧为柿竹园公司柴山工区以及多金属采场，同时还存在大量民采，故两岸多处存在采矿废石场。从矿部所处位置山口流出后，河床骤然开阔，其河漫滩及阶地宽度可达千米以上。水量受降雨量控制，流量一般为0.3～55m3/s，平水期平均流量4m3/s，枯水期平均流量0.5m3/s，雨季比平水期增大数倍。
　　（二）千吨选厂尾矿库概况
　　柿竹园矿千吨选厂尾矿库于1998年10月投入使用，初期坝采用砂卵石堆筑，坝顶标高187m，坝高6m，后期最终堆积标高191m。最大坝高10m，总库容238.3万m3，总有效库容202.5万m3。可满足选厂服务10.5年。2002年长沙有色冶金设计院对该库进行了扩容设计：在原有坝基础上加高4m，增加总库容150万m3。
　　库区位于东河西岸河漫滩，沿河向成长方形分布，东部紧贴河道，坝脚与东河之间仅为一个宽不到10m的台阶；西侧阶地宽阔平缓，广布农田。库区地形平坦，尾矿库汇水面积0.4km2，占河滩40hm2，四面筑坝形成库区。
　　库区地质条件单一，表层多为厚度不超过0.5m的粉砂或粉土覆盖，仅西北角有一层灰色或桔黄色粉质粘土出露，覆土之下，全区广泛连续埋藏深厚卵砾石层，初期坝及排洪设施均置于其上，卵砾石含砂率不高，含泥微少，岩质坚硬，最大粒径100～400mm之间，颇为密实，透水性良好。地下水为孔隙型潜水，埋藏深度一般2.2～2.8m，流向由南向北偏东。在建库时，表层土基本被挖走，坝基基本上是座落在卵砾石层之上。
　　（三）河道整治
　　东河在尾矿库建设过程中对库区经过河段的弯道进行了整治，使其在尾矿库东部形成一条直线河道，紧挨库区南侧与原河道相接；改直河流底坡降i=0.01，河床宽40m，与下游整治河道一致，河道平均开挖2m深，长为800m，河道开挖量用于填筑河堤和筑坝，河岸及靠河道的坝外侧下部用浆砌块石护坡，河道内修建了5道驼峰滚水坝及3道丁字坝，以减缓流速、固定水流、保护河堤。
　　 二、2006年东河洪水造成尾矿库局部垮坝
　　2006年7月14日至15日，受强台风“碧利斯”的影响，郴州地区遭受500年一遇强暴雨袭击，短时间内，山洪裹挟着大量矿山废弃泥石从东河上游直冲而下，对上游山谷内的沟床冲刷十分严重，冲出沟口后，大量的泥沙、石块等逐渐堆积在谷口以下3km的范围内，将此处河床抬高，洪水漫堤后直冲尾矿库东坝局部地段，造成该处被不断掏空，形成垮坝，流失尾矿上万立方米，对下游造成了不良的社会影响。
　　 三、东河河床演变趋势及特征分析
　　（一）河床演变的理论依据
　　受地球自转所形成的科里奥利力及惯性离心力的影响，流动的河水将对河岸形成冲刷，对于北半球的河流而言，自西向东的河流右岸冲刷严重，自东向西的河流左岸冲刷严重，南北向的河流右岸冲刷严重。
　　河水及其携带的碎屑物对河床两侧或河谷谷坡的破坏作用称侧蚀作用。侧蚀作用的结果是使河谷展宽，使河床变弯曲。在河流的任一河段其下蚀作用和侧蚀作用都是同时进行的，但在河流纵比降较小的弯道河段中侧蚀作用占主要地位。这是由于弯道河段流水的惯性离心力，使主流线偏移并发生单向横向环流的结果。
　　河水进入弯道河段后，水流受惯性离心力的影响，其主流线逐渐向凹岸偏移，至河弯顶部，主流线紧靠凹岸，使弯顶的凹岸受流水的强烈冲蚀，经过反复冲蚀，使凹岸壁底部被掏空并发生崩坍而向后退。水流的主要冲击点（称顶冲）则与流量的变化存在密切关系，低水位时，顶冲位于弯顶稍靠上的部位，高水位时，顶冲位置会向下游偏移，发生在弯顶以下，导致流水对弯顶的冲刷位置发生周期性的移动。
　　与此同时，弯道水流在其惯性离心力作用下产生单向横向环流。单向环流的表流对凹岸进行侵蚀，底流则把破坏下的碎屑物质带向凸岸。
　　由于单向环流、主流线的偏移，弯顶附近的凹岸受到强烈的冲蚀使岸脚被掏空并导致岸壁塌落、后退。与此同时，环流还将部分较细的碎屑物质带至凸岸沉积，使凸岸不断前伸，致使河谷或河床愈来愈弯曲。
　　（二）东河河床演变的趋势与演变特征
　　东河为一条典型的山溪季节性冲积河流，流经不同的地质区域，受河道边界条件和河床质地因素的限制，河床形态的发育和平面位置始终是在冲刷和沉积的过程中调整变化。
　　不同河段的河床形态随水流条件而异，受河流的冲刷河床断面变窄，而泥沙的淤积将使河床变宽，通过对河道的调整让河流过程达到一种新的相对平衡，河床横断面形态也随之不断变化。其横断面形态变化在空间上表现为：上游山谷内河段以下蚀、冲刷为主，横断面形态多呈“V”字型；中下游河段河床冲、淤作用兼有，河床横断面形态多呈“U”字型。
　　在河道中下游，弯道对河床形态变化的影响极大。弯道改变了水流力学性质和泥沙输移方式。河流冲淤过程随水流方向、水流曲率发生变化，研究表明，在不稳定流条件下，河流横断面随时间变化，并且通过冲刷和淤积，不断地对河道进行着改造调整，以达到相对平衡。
　　柿竹园公司总部以南山谷内河段河流比降较大，水流具有较强的携沙能力，输沙常处于不饱和状态，东河的河床演变是以纵向冲刷下切、横向侵蚀拓宽为主的发展趋势。由于上游河段通过地段两侧为柿竹园公司的两个开采工区以及大量民采，这些采矿活动对地表植被破坏极大，还在地表遗留了大量的松散废石，因此上游汇水区的保水能力下降，极易导致破坏性山洪爆发，山洪爆发的时候会将上游存在的大量废石携带至山谷之外，携石水流的冲刷能力十分强大，但由于山谷内坚硬河床的限制，此河段内河流横向摆动的可能性极小，最主要的演变是河床的下切侵蚀，这一点从上游河床内的多外拦石坝被冲毁就可得到证明。
　　东河在公司总部冲出山口后，河谷突然变宽，河床坡降明显变缓，在原来没有改造的情况下，东河在此地段是多弯的，并且还在慢慢地摆动；在对河道进行拉直整治，尤其是在千吨选厂尾矿库建成后其东侧河段拉直后，在尾矿库上游不远处与原河道相接位置还是一个大弯道，河水冲过弯道后直接进入拉直的河段。在这种特殊边界条件和水文条件的局部河段，发生显著的河床变形，一则是河道变缓后大量砂石淤积，使河床抬高，河宽展宽，这一点从2006年“碧利斯”引发的洪水过后东河河床抬高近1m得到证明；二则高速洪流的侧蚀作用对河岸的冲刷破坏将导致河流有从直向弯转变的趋势，甚至导致河流脱离原有河道。
　　（三）东河河床演变对尾矿库的破坏
　　东河河床演变对千吨选厂尾矿库的破坏主要表现在如下方面：
　　1．每年雨季，山洪爆发时将上游大量的泥沙、废石带出山沟，形成稀性泥石流，对下游河道内及附近建构筑物造成极大的安全威胁。
　　2．山洪带下的泥石冲出山沟后在沟口几公里范围内快速沉积，将河床抬高，经过几次洪水后，原有的河堤等设施基本失去作用，洪水越过河堤对尾矿库造成威胁。
　　3．由于尾矿库上游不远处的弯道引起河内洪水的横向摆动，对坝脚形成侧蚀，造成尾矿库临河坝段发生垮坝，引起尾矿流失，造成极大的社会影响。
　　 四、尾矿库的安全防范措施
　　为保护千吨选厂尾矿库的安全，必须对东河进行必要治理、治理过程中应坚持“统筹兼顾、综合溃理、因地制宜、因势利导、变害为利”的原则。根据东河河道演变情况控制河势变化，结合河道周边条件和当地经济、材料情况，对其进行综合治理。
　　1．清淤筑堤。可结合河道清淤筑堤，加大河道行洪断面，提高河道行洪标准。
　　2．在弯道后的顺直河道内修丁坝、调整河势，但丁坝不能修得过高或过长，在现场选好角度，兼顾左右岸，以免威胁对岸。
　　3．必要时调整尾矿库上游河道的弯度，减小其侧向惯性离心力对两侧河岸的影响。
　　4．结合矿山的整治，尤其是对民采矿山的整治，搞好河流上游水土保持。
　　5．制定东河的长期治理规划。
　　6．由于柿竹园属于多金属矿，其尾矿中含有较多的未选有用成分，利用价值很高，在技术允许的情况下可以对尾矿进行综合利用，把尾矿库从该处搬走，彻底消除河流对尾矿库的不良影响。
　　 五、结语
　　河流的弯直演变是自然界的一种常见的地质现象，在其演变过程中，不可避免地对人们的经济活动造成不良影响，为了应对这种不良影响，则需要人们采取各种措施以保证人类活动不受影响。
　　尾矿库作为矿山企业中一个十分重要的生产设施，也是国家安全生产方面关注的重点，其选址不单只注意尾矿库自身条件与因素，也应考虑外界因素对尾矿库可能造成的影响，这样才不会造成不必要的损失。
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　　作者简介：郭朝阳（1971－），男，湖南有色冶金劳动保护研究院水工环地质工程师，注册岩土工程师。