甘肅隴南市武都區(qū)小水溝泥石流治理防治工程

王奎，岳方偉，朱力軍

(甘肅安順地質災害監(jiān)理咨詢有限責任公司，甘肅蘭州 730020)

甘肅隴南市武都區(qū)小水溝泥石流治理防治工程

王奎，岳方偉，朱力軍

(甘肅安順地質災害監(jiān)理咨詢有限責任公司，甘肅蘭州 730020)

2008年“5.12”汶川特大地震對甘肅省隴南市造成了嚴重危害。震后次生地質災害對隴南市城鎮(zhèn)村莊、交通和人民群眾生命財產安全造成嚴重威脅。武都區(qū)蒲池鄉(xiāng)小水溝震后產生了大量的崩塌、滑塌堆積體，一旦遭遇暴雨，極易發(fā)生泥石流災害，直接危及小水溝溝口左岸九年制義務學校一座及溝口兩岸居民，因此治理該泥石流溝是十分必要的。通過對當地暴雨特征、地層巖性、地質構造、泥石流固體物質源及形成的踏勘，針對該泥石流具有危險度高，流量大的特點，執(zhí)行全面規(guī)劃、重點治理的設計思路，采取了防護、生物工程相結合的綜合防治措施。攔擋工程為有效發(fā)揮工程瀉洪、攔渣、調節(jié)、固床、穩(wěn)坡和控制固體物質補給量，預防溝道下切及溝壑發(fā)展，減少泥石流對下游村莊危害，起到了積極作用;生物工程的主要作用是穩(wěn)固堤前砂土、減緩水石流流速、減小水石流對護堤的直接沖蝕和破壞、保障堤內居民生命財產安全和耕地的正常使用、增大植被覆蓋率，綠化環(huán)境等。

泥石流;攔擋壩;生物工程;排導溝;甘肅隴南市武都區(qū)

1 自然環(huán)境概況

1.1 災害點位置

隴南市位于甘肅東南邊陲，是甘肅唯一的長江流域地區(qū)，東連陜西，南接四川，北靠天水，西連甘南，為甘肅南下東出之要沖。既是甘肅的南大門，也是祖國西南進入西北的重要通道之一。

武都區(qū)是隴南市政治、經濟、文化中心，位居隴南市中部，研究區(qū)位于武都城區(qū)北部蒲池鄉(xiāng)政府駐地。

工作區(qū)交通較為便利，蒲池鄉(xiāng)有鄉(xiāng)鎮(zhèn)道路與212國道連接，距離10km。東距陜西略陽184km，南抵四川成都524km，西到省會蘭州458km，北至天水市286km［1］。

1.2 氣候

隴南市區(qū)屬北亞熱帶季風氣候，受境內高山深谷地形的影響，氣候垂直差異明顯，降水隨海拔增高呈上升趨勢?？偟臍夂蛱卣魇嵌焊稍铮募救庇?，秋季多雨，易洪易澇。

隴南市區(qū)平均溫度為14.6℃，最冷月1月平均氣溫2.9℃，最熱月7月平均溫度24.8℃，極端最低－8.1℃，極端最高40℃。平均相對濕度61%，9月相對濕度最大為72%。

隴南市區(qū)歷年平均蒸發(fā)量1740.0mm，月蒸發(fā)量最大7月為230.0mm，最小1月為56.6mm。隴南市區(qū)最大凍土深度為11cm。

1.3 水文地質條件

隴南市區(qū)水系主要屬長江流域嘉陵江水系一級支流白龍江水系，主要河流有白龍江及其支流北峪河、姚寨河。溝壩河為白龍江左岸一級支溝，小水溝為溝壩河右岸一級支溝，為常年性溝谷，2009年4月1日實測地表水流量為150m2/h。

區(qū)內地下水按含水介質和埋藏條件可分為基巖裂隙水和松散巖類孔隙水。

1.3.1 基巖裂隙水

基巖裂隙水分布于調查區(qū)西部一帶，主要賦存于志留系千枚巖、板巖裂隙中，水量貧乏，地下水涇流模數6～9L/s·km2。地下水接受大氣降水補給，沿裂隙網絡系統(tǒng)運移，在含水層被切割或受阻后以泉的形式溢出，轉化為地表水或間接補給其它類型地下水。區(qū)內基巖裂隙水水質較差，礦化度在0.85～2.5g/L。

1.3.2 松散巖類孔隙水

松散巖類孔隙水主要賦存于區(qū)內溝壩河及各溝道中，呈帶狀分布，巖性為碎石土，潛水含水層厚度在1～3m，滲透系數90～120m/d，水位埋深一般小于3m，礦化度小于0.5g/L，屬HCO3-Ca-Mg型水。主要接受大氣降水、地表水入滲補給及基巖裂隙水側向補給，排泄方式主要沿含水層向下游涇流［1］。

2 地層巖性、地質構造、節(jié)理構造

調查區(qū)西山出露的主要地層有:1.前第四系。2.第四系(Q)，第四系沉積物豐富多樣，松散易動，是泥石流的主要物源。

本區(qū)在大地構造上屬于西秦嶺—柴達木單元次級單元西傾山—迭山逆沖褶斷帶。次級構造復雜多變，由一系列向南突出的弧形斷裂和復合式背斜組成。

本區(qū)新構造運動以差異升降運動為主要特征。第四紀以來受喜馬拉雅山運動的影響，武都西部地區(qū)卷入青藏高原總體隆升，使山地的海拔達3500m以上，其它地區(qū)則以升降運動為主，形成高山、深谷的特殊地貌，水文網深切，白龍江河谷形成了八級階地，高差達350m。溝谷下切形成“V”字型，高差達1000～1500m，褶皺、斷裂發(fā)育，溝谷中多見跌水陡坎［2］。

3 人類活動

區(qū)內人類工程活動較為強烈，主要是近50年來，由于人口急增，人類生存需求和工程活動日益加劇，與泥石流及其危害有關的人類工程活動主要表現為兩個方面。

3.1 浦池鄉(xiāng)鄉(xiāng)鎮(zhèn)改擴建堵塞泥石流排泄通道

隨著經濟的迅速發(fā)展和人口的不斷增加，鄉(xiāng)鎮(zhèn)規(guī)模不斷擴大，受地形條件限制，各種建筑向各泥石流溝溝口及溝道擴展，堵塞了泥石流排泄通道，同時在建筑過程中的坡角挖掘導致邊坡失穩(wěn)，發(fā)生滑坡、崩塌，增加了溝道內的固體松散物質儲量，使泥石流災害的破壞力和受災體增加，增大了泥石流的危害程度。

3.2 毀林墾荒使生態(tài)環(huán)境日趨惡化

隨著人口的不斷增加，耕地面積日趨緊張，毀林墾荒、開墾土地、修建水利設施等活動破壞植被，現有的林木植被已縮退至海拔2000m以上的山脊之上，導致生態(tài)環(huán)境嚴重惡化，造成大面積水土流失，增加了溝道內的固體松散物質儲量，加劇了泥石流等災害發(fā)生。

4 泥石流發(fā)育特征

4.1 泥石流發(fā)育特征

小水溝泥石流為溝谷型泥石流。小水溝匯水面積為13km2，流域呈桃葉形，形成區(qū)與流通區(qū)的界線明顯，松散物質主要儲存于中游地段，不良地質現象發(fā)育的規(guī)模和強度較大，溝道斷面呈“V”型。堆積區(qū)面積為0.005km2，受鄉(xiāng)鎮(zhèn)規(guī)模擴大及學校建設，堆積區(qū)外形輪廓已不明顯。

4.2 泥石流特征

4.2.1 泥石流發(fā)育歷史

據中科院蘭州冰川所在武都地區(qū)的泥石流研究資料，老泥石流活躍期大約在2×104～3×104a前，而現代泥石流的活躍則始于1×104a前的全新世，主要發(fā)生在6000a前后。小水溝泥石流堆積扇由新、老泥石流共同作用而成，1967年5月連續(xù)暴雨引發(fā)泥石流，河床被抬高2m;1975年6月連續(xù)暴雨引發(fā)泥石流，河床抬高2.5m;1984年5月發(fā)生泥石流，河床抬高了3m，洪積扇面積約0.005km2，比降為6%～8%，其厚度在溝口超過10m。

4.2.2 泥石流規(guī)模

小水溝溝床比降大、山坡陡峻，固體物質較為豐富，具有匯流快，流量大的特點。據調查，該溝泥石流活躍，每年都要發(fā)生2～3次泥石流，流量多在50m3/s左右。本次調查中，在主溝下游發(fā)現1處2008年泥石流的泥痕，過流面積約為85m2，計算泥石流流量50.6m3/s。據此推算，小水溝泥石流洪峰流量模數達30～40m3/s·km2。

4.2.3 泥石流容重和性質

泥石流容重反映了流體中含砂量的多少，而泥石流性質決定于含砂量和粒度。據調查，小水溝泥石流容重20.50kN/m3，屬粘性泥石流。

4.2.4 粒度特征

該溝上游多為千枚巖、灰?guī)r風化產生的殘坡積物，粒徑一般較小，下游溝道中石塊粒徑大多小于20cm，床面較平整。經取樣分析，各溝中堆積物中大于20mm的顆粒質量占總量的5%左右，2～20mm的顆粒質量約占18%，小于2mm的顆粒質量約占總量的20%左右。總體來說，細顆粒含量不多，粒度較粗，屬碎石［2］。

5 工程治理原則及方案

蒲池鄉(xiāng)小水溝泥石流危害的重點是溝口浦池鄉(xiāng)政府，包括其中九年制義務中學廣大師生、居民建筑和周邊村莊人民群眾的生命和財產安全。因而，其治理事關重大，它不應同于一般的水土保持和改善生態(tài)環(huán)境的防治工程。既要求見效快，又要求安全可靠，使用年限長。因此，需要有一個科學合理的治理方案。

5.1 治理目的、任務

小水溝泥石流治理是一項減災防災工程，其主要目的是保護泥石流危險區(qū)內1530余人和1500萬元資產不再遭受泥石流的直接危害。同時，通過治理減少向溝壩河的泥沙輸入，避免堵江和減緩溝壩河河床上漲速度，基本消除淹沒校區(qū)和村莊的泥石流災害，并為鄉(xiāng)鎮(zhèn)的發(fā)展創(chuàng)造有利條件，為當地的水土保持及環(huán)境保護工作服務。

泥石流的形成和發(fā)展是環(huán)境惡化到嚴重程度的產物，通過積極地治理來控制泥石流、崩塌的規(guī)模，減輕災害損失是完全可以辦得到的。通過這次重點治理，要實現在設計標準內不造成災害，在發(fā)生大規(guī)模泥石流(超過設計標準)的情況下，把災害損失降低到最低程度。為此，主要任務是:

(1)控制可補給泥石流的松散固體物質的數量和方式;

(2)減緩地表徑流速度、延長和削減形成洪峰的時間和流量;

(3)改變泥石流的流動條件，使其不能通暢順利出山;

(4)降低泥石流容重，減小泥石流流速，削弱其沖刷力;

(5)控制泥石流出山后肆意漫流，使其安全排泄到溝壩河。

5.2 治理原則

根據泥石流的形成原因、流通狀況、堆積特征及成災方式，結合治理的指導思想，擬定了以下治理原則:

5.2.1 全面規(guī)劃、綜合整治

蒲池鄉(xiāng)小山溝泥石流形成條件復雜，在全面調查分析的基礎上，抓住重點，全面規(guī)劃，綜合整治，才能發(fā)揮顯著而長期的減災效益和社會效益。

5.2.2 以攔為主、攔排結合

小水溝泥石流松散固體物質非常豐富，主要來源于溝岸兩側的滑坡、崩塌體、坡積物，所以在治理時要以攔擋為主，即利用攔擋壩攔蓄的泥沙穩(wěn)固兩側溝岸，抬高侵蝕基準面，達到穩(wěn)定河床的目的。由于溝口人口稠密，且建筑物密布，必須輔以排導措施。

5.2.3 治溝與治坡相結合、以治溝為主

小水溝泥石流溝谷流域內坡面侵蝕強烈，通過植樹造林等生物工程措施，可以大大減少從山坡進入流域的水量，減弱坡面水土流失，降低泥石流容重和流量，進而減少進入壩庫和排導溝內的泥沙量。

5.3 治理方案及措施

5.3.1 攔擋壩工程

用攔擋壩穩(wěn)定滑坡是泥石流治理中經常采用的措施，它具有安全、可靠、造價低廉的優(yōu)點。攔擋壩通過攔蓄泥沙，提高溝床侵蝕基準面，增加滑體的被動土壓力，來達到穩(wěn)定滑坡的目的。同時，它還能拓寬溝床寬度，調緩溝床比降，從而可大大降低水流的沖刷搬運能力，減輕水流對坡腳的沖蝕作用，減少泥石流的泥沙含量和流量。此種措施在武都區(qū)的馬槽溝、甘家溝取得了明顯的治理效果。宕昌縣大地溝、文縣關家溝等泥石流防治中也成功運用了此種措施。

本次在溝內修筑穩(wěn)攔壩7座，壩高7.8～10m，谷坊5座，高3～4m。在2#－7#攔擋壩溢流口前緣，進行塊石鋪墊，鋪墊厚度1m，寬度5m，長度為溢流口向兩側延伸1m。

5.3.2 排導溝

在溝下游修建雙側排導渠，寬10～15m，深3m，排導溝長450m。

5.3.3 清淤工程

根據現場調查，小水溝溝口已有排洪堤，其寬度在10～15m，但現已基本淤滿，需進行徹底清淤。同時，原排導溝兩側的河堤年久失修，與它所承擔的保護居民區(qū)的重任很不相稱，需改造成漿砌塊石結構，其長度為450m，兩側共900m。排導渠出口以下的低洼地原為小水溝停淤場，因大量固體物質在排導溝內停積后，僅有挾沙水流匯集于此。小水溝泥石流經過排導渠后最后排入溝壩河內，經沉沙后清水流入溝壩河內。經勘查計算，排導溝內需清除泥沙淤積量約2.43×104m3。

5.3.4 植樹造林

植樹造林對延緩匯流過程，削減洪峰流量，減小坡面水力侵蝕具有重要意義，因此，它對控制泥石流的形成和發(fā)展也具有十分重要的作用。植樹造林主要安排在較為平緩的山坡上及分水嶺上，采用修水平條田和魚鱗坑的方式種植油松、柏樹、洋槐等。植樹造林計劃的實施，不僅將起到控制泥石流的作用，還將美化城區(qū)環(huán)境。流域內2008年植樹973畝，2009年植樹2950畝，主要是落葉松、油松［2］。

5.4 設計參數選取

設計參數是工程設計的重要依據，其分析計算是設計工作的一項主要內容，它的正確與否直接關系到工程的安全性、可靠性以及投資的合理性［3］。由于泥石形成和運動機理十分復雜，目前還沒有十分成熟的理論來計算它，小水溝泥石流防治工程參數設計主要依據有關規(guī)范，按照小水溝地質環(huán)境條件實際情況和隴南地區(qū)的一些經驗公式分析確定。

5.4.1 設計標準

小水溝泥石流治理工程設計標準按國家《防洪標準》(GB 50201—94)和甘肅省國土資源廳2003年發(fā)布的《甘肅省地質災害防治工程勘查設計技術要求》(試行)等相關規(guī)范和要求及鄉(xiāng)鎮(zhèn)應達到的20a一遇的防洪標準的要求執(zhí)行。竹園壩地震安置點為20萬人口以下的一般小村鎮(zhèn)，屬四等工程，其泥石流防洪工程設計標準為20a一遇。

依據《中國地震動參數區(qū)劃圖》(GB18306—2001)和《構筑物抗震設計規(guī)范(GB50191—937)》，武都區(qū)的抗震設防烈度為Ⅷ度區(qū)，設計區(qū)基本地震加速度為0.2g，其水平地震力系數a/g=0.2［4］。

5.4.2 泥石流容重設計

(1)固體物質儲備量計算法

泥石流容重反映了流體的含砂量，它受到流域內泥沙補給條件和溝床輸沙能力的共同控制。采用固體物質儲量計算法。計算公式如下:

γC=1.1·A·0.11

式中:γC——泥石流重度;

A——單位面積固體物質補給量(×104m3/km2)。

上式不僅反映了流域的產沙能力，同時也反映了輸沙能力。在設計中對其計算結果又按調查資料進行了局部調整(表1)。表中治理后容重按固體物質補給和溝床條件的變化情況設計，適用于攔擋壩溢流口和排導溝的設計［3］。

(2)形態(tài)調查法

在小水溝口請當地親眼目睹過泥石流暴發(fā)的居民3人描述泥石流流體特征和流體運動狀況。然后按表2的特征確定泥石流流體重度。

經當地居民描述，3人均認為呈稠粥狀，綜合分析后認為泥石流呈稠粥狀比較符合實際，據此，泥石流重度應在18～23t/m3，取其平均值為20.5t/m3。

5.4.3 泥石流流量設計

流量設計采用配方法:

式中:QB——一定重現期的清水流量(m3/s);

QC——與QB相同重現期的泥石流流量(m3/s);

D——堵塞系數，取1.0～1.2;

φ——泥石流流量增加系數。

式中:γC——泥石流容重(kN/m3);

γH——泥石流顆粒容重，取27kN/m3。

清水流量(QB)采用隴南地區(qū)經驗公式計算，該公式在本區(qū)廣泛應用于城建、水利、交通部門，同時在淤地壩設計中使用效果良好，來計算設計流量。

經驗公式:

式中:QB(1%)——清水流量，重現期為100a;

F——流域面積(km2)。

小水溝泥石流流量計算結果見表3。攔擋壩斷面處的泥石流設計流量按下式換算分配:

表3 泥石流流量設計表Table 3 Debris flow flux estimations

Qci=(Fi/F)Qc

式中:F——主溝流域面積(km2);

Qci——攔擋壩控制的流量(m3/s);

Fi——攔擋壩控制的匯流面積(km2)。

各攔擋壩斷面處設計泥石流流量計算結果見表4。

表4 壩斷面處泥石流設計流量計算表Table 4 Estimation of discharge of debris flow at dam section

5.4.4 泥沙輸出量設計

(1)泥石流年平均沖出量計算

根據徑流折算經驗公式概算:

WH=1000 K·H·α·F·Φ

式中:WH——泥石流年平均沖出量(m3);

K——泥石流形成系數，取0.2;

H——引起泥石流的雨季期間平均降雨總量，取40mm;

α——徑流系數，取0.3;

F——流域面積(km2);

Φ——系數，取0.5。

計算結果見表5。

表5 年均輸沙量計算成果表Table 5 Calculations of average annual sediments

(2)泥石流最大一次沖出量

泥石流為20a一遇泥石流，為目前所見到的最大規(guī)模，歷時30min，據此按三角形簡化流量過程線后計算，計算的一次最大輸沙量如表5～6。

泥石流最大一次沖出量采用下式計算:

QW=0.278·QC·T

式中:QW——一次最大沖出量(×104m3);

QC——泥石流流量(m3/s);

T——泥石流過程時間，該區(qū)取30分鐘，即1800s。

根據以上公式，計算結果如表6。

表6 泥沙沖出量計算成果表Table 6 Calculation of sediments-out

5.4.5 泥石流沖擊力設計

沖擊力是破壞工程構筑物的主要作用力之一，它的大小與泥石流流量、容重和流速等有關，其設計要經過多次試算才能完成，沖擊力用下式計算:

f=K·(γC/g)·VC·2

式中:f——單位面積沖擊力(kN/m2);

K——系數，在2.5～4.0之間，取3.0;

γC——泥石流容重(kN/m3);

g——重力加速度(m/s2);

VC——泥石流流速(m/s)，用下式計算

VC=mC·HC·2/3·iC·1/2

式中:mC——泥石流溝道的糙率系數;

HC——平均泥深或水力半徑(m);

iC——溝床比降或水面坡度。［2］

根據以上公式，計算結果如表7。

表7 攔擋壩處的泥石流沖擊力計算表Table 7 Estimations of impact fores at the blocking dam

6 結束語

工程實施后，將基本解除20a一遇泥石流對下游居住的村民和學校師生的危害，有效保護危害區(qū)內1650多人，1500萬元資產的安全，另外有效保障了鄉(xiāng)鎮(zhèn)公路的暢通，同時避免了溝道周邊泥流漫流災害，其減災效益較可觀。

治理工程實施后，可使流域治理程序達80%以上，再加上攔擋壩的穩(wěn)坡、固溝作用益，大大減輕了其對學校、村莊、公路、農田及間接對白龍江的危害，同時也有利于小水溝流域植被的增加和恢復，生態(tài)環(huán)境逐漸優(yōu)化，使小流域氣候也得以改善。

長期以來，蒲池鄉(xiāng)居民受其小水溝泥石流威脅和危害，每逢暴雨每條泥石流溝出口以下的居民、單位和領導干部就投入緊張的防洪抗洪中去，泥石流過后又投入清除淤沙、排水，恢復生產生活的戰(zhàn)斗之中，嚴重干擾了當地政府企事業(yè)單位和居民的日常生活和工作。通過這次治理，將使危害區(qū)內的人民生命財產得到保障，從而安居樂業(yè)，發(fā)展生產，促進當地經濟建設和社會各項事業(yè)的全面發(fā)展。

［1］魏玉濤，羅鴻東，侯燕軍，等.隴南市武都區(qū)蒲池鄉(xiāng)小水溝泥石流治理工程勘察報告［R］.2008.

［2］魏玉濤，羅鴻東，侯燕軍，等.隴南市武都區(qū)蒲池鄉(xiāng)小水溝泥石流治理工程設計書［R］.2008.

［3］DZ/T0239－2004.泥石流災害防治工程設計規(guī)范［S］.

［4］DZ/T0220－2006.泥石流災害防治工程勘察規(guī)范［S］.

Abstract:Wenchuan Earthquake on May 12，2008 sever hit Longnan City of Gansu Province and brought serious damages there.The secondary geo-hazards by quake have adversely impacted the communications and buildings in the towns and villages，threatening the safety of the lives and properties of the local residents.Lots of piles appeared after collapses and landfalls by the quake，at Xiaoshuigou，in Puchi Town，Wudu District.The piles are prone to become debris flow when hit by storm，which would directly destroy a primary school and the residential houses at the mouth of the gully.Thus，taking engineering measures to prevent the potential debris is not only necessary but very urgent. Based on the knowledge of storms in the area and field survey of the lithology，geological structure，solid resources of debris flow，the paper proposed a comprehensive treatment plan for debris flow at Xiaoshui Gully，in which there was an overall planning with considerations of key points and engineering measures，like blocking bar and biological engineering projects.Blocking bars could be very effective to effuse flood，block sediments，adjust flows，stable the bed，control the solid mass recharge，and prevent the ditch from developing deep.Biological engineering could stable the sand and soil in front of the dam，retard the flow，and reduce the erosion of the embankment by the flow，which could be protective to the residents and farm lands and improve the coverage of vegetation.

Key words:debris flow;blocking dam;biological engineering projects;drainage ditches;Wudu District，Longnan City，Gansu Province

Engineering treatment for debris flow at Xiaoshui Gully，in Puchi Town，Wudu District，Longnan City

WANG Kui，YE Fang-wei，ZHU Li-jun
(Anshun Geo-Hazards Supervision and Consulting Co.，Ltd，Gansu.Lanzhou，Gansu Province730020，China)

1003-8035(2010)03-0046-06

P642.23

A

2010-02-22;

2010-05-27

王奎(1985—)，男，監(jiān)理工程師，目前從事地質災害監(jiān)理工作.

E-mail:349957390@qq.com