舟曲县瓜咱沟泥石流灾害特征、形成条件及工程治理

2015-04-23范小文

地下水 2015年6期

范小文

(甘肃地质工程勘察院，甘肃张掖734000)

舟曲县位于甘肃省南部，甘南藏族自治州的东南，东与武都区、文县毗邻，西接迭部县，南倚四川省九寨沟县，北壤宕昌县，东西长约 99.4 km，南北宽约 88.7 km，总面积2 983.7 km3。县城呈宽带状，呈北西—南东向展布。舟曲县是一个传统的农业县，经济以农业为主，产值约占全县工农业总产值的89.37%，从事农业的人口117 363人，占全县总人口的88.9%。由于区内重峦迭嶂，沟壑纵横，岩体破碎松散，地质环境脆弱，所以舟曲县是甘肃省地质灾害较为严重的地区之一。2010年8月8日，舟曲县城白龙江北岸的三眼峪沟暴发特大型山洪泥石流地质灾害，给舟曲县造成巨大人员伤亡和经济财产损失。

图1 调查区地理位置图

1 自然地理概况

舟曲县属北亚热带向北温带的过渡地带，受大气环流和地形影响，具有垂直气候分带明显和干湿季分明两大特点［1］，区内降水少而不均，春秋两季降水量基本相当。据舟曲县气象站统计资料，降雨常以连阴雨和暴雨形式出现，暴雨多集中在7、8两个月。

研究区内分布有常年性水系白龙江，属嘉陵江上游一级支流，白龙江发源于西倾山与岷山之间的郎木寺，属嘉陵江上游一级支流，于舟曲县西北尕瓦山入境，向东南方向径流。舟曲县属西秦岭地质构造带陇南山地，西秦岭与岷山山脉呈西北—东南向横贯全县，区内重峦迭嶂，沟壑纵横，白龙江自北西向东南沿省道313线在两河口处与岷江交汇。受构造侵蚀和流水冲蚀的共同影响，研究区地貌形态可划分为构造侵蚀高中山和冲洪积河谷两种地貌类型。

研究区地处秦岭西翼与岷山山脉交汇地带，属秦岭地层分区。就研究区而言，出露地层主要为第四系及前第四系泥盆系中统西汉水群古道岭组(D22g1)、志留系中上统白龙江群(S2+3bl1)、志留系下统(S1)和侵入岩。

研究区地处秦岭东西向构造带的西延部分，构造活动十分强烈，对本区地层分割控制明显，并影响着山体的总体走向。地理位置如图1所示。

2 地质灾害特征

研究区地质灾害类型主要有:崩塌、滑坡、不稳定斜坡、坡面及小型沟谷泥石流等几种主要类型。由于该区不良地质现象发育，特别是在瓜咱沟泥石流物源区，由于“5·12”汶川地震的强烈影响，以及沟谷内频繁的人为开山采石活动，致使沟谷两侧山体表面所覆盖植被遭受严重破坏，岩体出现松动，从而为山体产生中小型崩塌、滑坡、不稳定斜坡及泥石流灾害等不良地质现象埋下了隐患。根据调查研究，瓜咱沟内共发育有崩塌1处，滑坡3处，不稳定斜坡18处，坡面及小型沟谷泥石流12处。以下将瓜咱沟内物源区的崩塌、滑坡、不稳定斜坡及泥石流等不良地质灾害作以叙述，并对其稳定性进行定性评价。

表1 舟曲县瓜咱沟地质灾害汇总表

2.1 崩塌

瓜咱沟内共发育有崩塌1处，崩塌体在受到地震作用或暴雨冲刷和浸润时极易发生垮塌，其崩落后将直接堆积于沟道内，并有可能堵塞沟道，崩落形成的松散固体物质将全部参与泥石流。该崩塌体位于瓜咱沟主沟道中游沟道左岸侧，该崩塌体为一巨石堆积体(见图2)，巨石岩性为灰岩，规模为小型。该危岩体前沿有数块巨石临空，危岩体坡度80°，近于直立，有随时崩落的可能性，其属于岩石崩塌，崩塌前缘岩体垂直节理发育，现稳定性较差。该崩塌在受到地震作用和暴雨冲刷时极易发生崩塌，其崩塌体崩落后将直接堆积于沟道内，由于该段沟道较窄，崩塌堆积物有可能堵塞沟道，形成堰塞，之后由于堆积方量较小，很快溃决，为泥石流的形成提供了较大的能量和物源。

图3 瓜咱沟右岸B1崩塌照片

图4 瓜咱沟右岸H1滑坡剖面示意图

2.2 滑坡

研究区内共发育有3处滑坡，均为表层松散堆积层滑坡，根据本次调查，3处滑坡均分布于瓜咱沟主沟沟谷右侧岸坡。沟域内3处滑坡在地震、暴雨的作用下极易发生滑动，滑坡体受到外荷载作用后产生滑动并直接涌入沟道内，其松散固体物质成为沟内泥石流的又一主要固体物源之一。以H1滑坡为例，该滑坡位于瓜咱沟沟谷右岸一侧，滑坡体物质为第四系松散残坡积的块、碎石土，滑动面形成于松散残坡积层之中，属于浅层土质滑坡(见图4)。

图5 瓜咱沟右岸H1滑坡照片

滑坡后缘位于右侧山坡中下部，剪出口位于斜坡下部，坡脚有一新近滑体，且有一引水灌渠从坡脚下通过。坡体表层土体松散，暂处于稳定状态，坡体两侧各有数条冲沟。坡面松散土体在受到雨水浸润后在其自身重力的作用下极易产生滑动形成滑坡体，堆积于沟道底部［2］。在暴雨季节，当物源区上游泥石流过流时，易携带堆积于沟道底部的松散物质，将其转化为泥石流固体物源之一。据现场调查分析，该滑坡为新近发生的新滑坡，目前堆积于坡脚的松散固体物质暂时处于稳定状态，但遇到强降雨时，极易再次产生滑动，对河道的畅通造成威胁。

2.3 不稳定斜坡

瓜咱沟范围内共发育有18处不稳定斜坡，分布于瓜咱沟沟谷左右两侧岸坡上，均为土质不稳定斜坡。由于人为开挖修路及河流切割作用，导致斜坡体前缘陡立临空，根据现场调查发现，部分斜坡已出现蠕动变形的迹象，在地震、暴雨的作用下其极易发生滑塌进入沟道，其松散固体物质将成为瓜咱沟泥石流的主要固体物源之一［3］。以X6不稳定斜坡为例，该斜坡体位于瓜咱沟右岸，坡体物质为第四系松散残坡积的块、碎石土，具体状况如图6。

坡脚由于洪水冲刷形成陡坎，根据野外现场调查，判断其现状稳定性差。该斜坡体由残破积碎石土组成，透水性较强，为软弱的易滑地层，在暴雨季节，降水形成的地表水沿坡体表面节理、裂隙渗入坡体内部，致使斜坡内的土体软化，同时，沟内河水冲蚀坡脚，造成坡脚失去支撑，在其自重力作用下引起不稳定斜坡沿坡体方向产生滑移，并最终堆积于河道内，当物源区上游泥石流过流时，携带着堆积于河道内的松散物质流向谷沟下游，从而成为沟内泥石流的固体物源补给之一。

2.4 坡面及小型沟谷泥石流

瓜咱沟区内共发育有坡面及小型泥石流共计12处。其中，瓜咱沟主沟道内分布有11处，格布沟内有1处。按类型分，小型沟谷泥石流8条，其分别位于瓜咱沟主沟内及格布沟内，其沟谷两侧山体坡度较陡，沟谷相对高差大。坡面型泥石流4处，分布于瓜咱沟两侧岸坡上，人类工程活动强烈，坡体上大小冲沟发育。沟内分布的12处泥石流沟受近期暴雨的影响，部分沟口地带形成了规模大小不同的泥石流堆积扇，且泥石流沟沟道两侧的坡体裸露多为松散的残坡积碎、块石土，在暴雨的冲刷和浸润下极易被冲出沟口直接进入主沟道，其冲出的松散固体物质将成为瓜咱沟泥石流的主要固体物源之一。

图7 瓜咱沟左岸的X6不稳定斜坡

3 泥石流形成条件

3.1 瓜咱沟流域地形条件

瓜咱沟泥石流流域最高点2 885 m，最低点(白龙江入口处)1 404.3 m，相对高差约1 481 m，沟谷强烈切割，流域沟道平面形态呈树枝状，最大切深约500 m。沟道宽10～30 m。流域相对高差大、沟谷切割强烈，为泥石流的形成提供了较大能量，促使物源区上游的过境水流能迅速携带物源区沟道大量固体物质，将其转化为泥石流中的固体物质成分，为泥石流的形成创造了较好的集雨、汇流条件;而沟道宽窄变化大，又为泥石流水砂混合、流动、阻塞和溃决起到了控制作用。因此，瓜咱沟具备泥石流形成的良好流域地形条件。

3.2 瓜咱沟沟道地形条件

按瓜咱沟泥石流沟道特征(见图8)，可将其分为3个区。

3.2.1 清水汇流动力区

该区为原始自然沟道或斜坡，切割较浅，植被发育，以灌木丛和草丛为主。该区沟道窄且平坦，松散固体物源极少，适宜清水汇流。当雨水顺原始斜坡或自然沟道汇流至瓜咱沟主沟物源区时，上游汇集的水流便成为具有较大动能的洪流，因此，该区为瓜咱沟泥石流的主要水源汇集与水能集积段。同时由于本段植被覆盖率高，除极少量面蚀残坡积物进入洪流外，基本无其它松散固体物源，因此，水流性质仅为清水流或挟砂洪流。

3.2.2 泥石流形成及流通区

由于该区汇水面积较大，沟岸又十分陡峭，残坡积碎石土、粉质粘土在大量降雨及上游汇流的冲刷作用下发育大量崩塌、滑坡及坡面侵蚀，从而为泥石流提供大量松散固体物质，进而形成泥石流;同时过境洪流在经过物源区沟道时向沟道底部及两侧冲蚀，进一步形成新的物源，为泥石流的形成提供更多的固体物质来源。

3.2.3 泥石流堆积区

泥石流堆积区起于瓜咱沟沟口处，向北至白龙江右岸，上与流通区交接，其两侧为峰迭乡瓜咱村、咀上村的居民区、耕地及S313省道等。堆积区岩性为碎石土，碎、砾石成分以灰岩、板岩为主，粒径以50～200 mm为主。其岩性为第四系泥石流堆积的泥质块碎石。

综上所述，瓜咱沟汇水面积大、相对高差大、坡降差异大、沟谷强烈切割，这为瓜咱沟泥石流的形成提供了较大的能量［4］，同时沟道形态又为泥石流的形成创造了较好的集雨、汇流条件，为瓜咱沟泥石流的形成提供了有利的水动力条件。而沟道宽窄变化大，又为泥石流水砂混合、流动、阻塞起到了促进作用［5－6］。由此可见，瓜咱沟具备泥石流形成和发展的良好的沟道地形条件。

图8 瓜咱沟泥石流分区特征图

3.3 瓜咱沟泥石流形成的固体物源条件

研究区内由于内外营力的作用，储存了一定的松散固体物质，为瓜咱沟泥石流的形成提供了丰富的物源。瓜咱沟泥石流固体物源的类型有:崩滑堆积物、泥石流堆积物、坡残积物等;固体物源分布相对较集中，主要分布在瓜咱沟主沟的沟道底部和两侧地段。由于“5·12”强烈的地震活动和受强降雨的影响，这些地段内的山体表层的岩土体结构遭到强烈破坏，致使瓜咱沟沟道两岸斜坡不良地质现象频发，在大量降雨与汇流冲刷的情况下，从而成为瓜咱沟泥石流固体物源最重要的储存和主要补给地段。表2为各类物源量的统计。

4 防治方案设计

根据泥石流防治的指导思想与防治原则，并结合泥石流的发生条件、活动特点、危害状况及泥石流自身的特点和规律等，舟曲县瓜咱沟泥石流的防治应从削弱或消除可能发生泥石流的条件、改变或控制泥石流的活动规律及性质、减轻或消除泥石流的危害等方面采取一系列相应的对策与措施，全方位多层次的进行泥石流防治。因此，我们提出了具有针对性的防治工程建议方案。

以“排导”为主，“拦挡”为辅的综合工程治理措施［7］。针对瓜咱沟内泥石流具体的危害对象和对沟口瓜咱村、咀上村和白龙江的危害情况，瓜咱沟泥石流治理的总体思路为:采用防护工程措施(拦挡坝+排导堤)消除泥石流对沟口瓜咱村和咀上村的直接危害。针对各支沟特点，瓜咱沟主沟中下段采用拦挡坝工程;瓜咱沟沟口采用排导工程。沟谷上游、下游段的地质环境条件变化较大，上游地段基岩裸露，沟槽较深，物源主要集中在沟底，固体物质组成主要以崩落的大块石为主，下游沟槽较浅，沟岸两侧的沟坡多为不稳定斜坡体，堆积了大量的残坡积物质，物质组成则以坡积的细颗粒碎石土为主。在瓜咱沟主沟中下段采用拦挡坝和翻坝路工程(即在瓜咱沟主沟的下、中游段沟道布设1#、2#拦挡坝并在1#拦挡坝处布设翻坝路。1#、2#拦挡坝将泥石流中的固体物质拦挡于库区内，防止泥石流的形成，同时还起到提高侵蚀基准面，稳定岸坡、降低坡降和减缓水流速度的作用;另在瓜咱沟沟口，在原有水利部门修建护堤基础上，将河道右侧刘茂生家搬迁后，对原有护堤进行加固、加高并拓宽。其中北侧护堤(河道左侧)为1#护堤，总长382.8 m，顺地势自然加高至1.5 m段，长98.7 m;顺地势整体加高1.5 m段，长233.5 m;上游加高1.5 m至下游自然尖灭段，长50.6 m。南侧护堤(河道右侧)为新建2#护堤，将原有护堤拆除重建，两护堤间距离为10.7 m，总长337 m。并对沟底进行清淤处理，清淤厚度1～3 m不等，桥涵下游排导护堤整体清淤1 m，并对原有排导护堤进行加固处理，加固处理及清淤长度265 m。以保证进入沟口的挟沙洪流，能顺畅地排入白龙江中。对于1#小支沟，沟内的物源主要以两侧山体松散残坡积物及沟底泥石流堆积物为主，沟床低部堆积厚度5～15 m，大部分泥石流物源来源于1#小支沟。沟谷形态呈“V”字型，布设拦挡坝工程的地形条件较好，因此在1#小支沟沟口处布设拦挡坝工程。对于中厂沟，该段的泥石流物源主要以两侧山体松散残坡积物及沟底堆积物为主，堆积厚度5 m左右，沟道两侧坡体上有盘旋道路至沟脑坡顶处中厂村，且修路形成的大量弃渣任意堆积在沟道内，堵塞沟道，为泥石流提供物源，根据沟形条件，在沟口处布设拦挡坝对物源进行拦截和稳固。以抬高侵蚀基准面。

各拦挡坝具体参数如表3所示。

表2 瓜咱沟泥石流各类物源量统计汇总表 104m3

表3 拦挡坝特征参数设计

5 治理效果分析

在沟道的中下游布设拦挡坝工程，泥石流中的固体物源进行拦挡，本方案起到了主动防护作用，一方面达到“水、石”分离的效果，起到固源的作用，另一方面起到提高侵蚀基准面，减缓水力坡度的作用，减低泥石流或挟砂洪流的冲刷力度的作用)，并且在沟下游居民聚集地修建排导堤工程，能很好地保护沟口居民的安全，因此，治理效果较好。采取以上措施可达到如下目的:

(1)基本消除泥石流对沟口村民的危害。

(2)将流域内绝大部分物源就地稳固和沟内停淤，将排入白龙江的泥石流固体物质降到最低程度。

(3)拦挡工程措施可起到固源的作用，还能够提高侵蚀基准面，减缓水力坡度的作用，降低泥石流或挟砂洪流的冲刷力度的作用。

综上所述，瓜咱沟泥石流在“拦+排”结合的综合治理工程实施后，该泥石流能够达到较好的治理效果。