柏水溝泥石流震后特征及發(fā)展趨勢研究

穆 鵬

(1.武警工程學(xué)院,陜西西安 710086;2.長安大學(xué)西部礦產(chǎn)資源與地質(zhì)工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西西安 710054)

柏水溝泥石流震后特征及發(fā)展趨勢研究

穆 鵬1,2

(1.武警工程學(xué)院,陜西西安 710086;2.長安大學(xué)西部礦產(chǎn)資源與地質(zhì)工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西西安 710054)

地震;泥石流;發(fā)展趨勢;危害程度;柏水溝

“5?12”汶川地震除直接造成了嚴(yán)重的人員傷亡和財產(chǎn)損失外,還誘發(fā)了大量的崩塌、滑坡等次生山地災(zāi)害。崩塌、滑坡等又為震區(qū)泥石流活動提供了豐富的松散固體物質(zhì),使這些泥石流溝在今后較長一段時間內(nèi)處于活躍期。以地震重災(zāi)區(qū)隴南柏水溝泥石流為例,在分析泥石流形成條件和泥石流特征的基礎(chǔ)上,預(yù)測其發(fā)展趨勢,并根據(jù)泥石流危險性提出了相應(yīng)的防治建議。

“5?12”汶川特大地震不僅誘發(fā)了大量崩塌、滑坡等次生山地災(zāi)害,而且為泥石流的形成提供了豐富的固體物質(zhì),降低了泥石流暴發(fā)需要的激發(fā)降水量,使得地震災(zāi)區(qū)泥石流的活動頻率和規(guī)模都大大增強(qiáng)[1-2]。隴南地區(qū)是汶川地震重災(zāi)區(qū),是我國四大滑坡、泥石流密集區(qū)之一,地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)育程度、暴發(fā)頻率、發(fā)生規(guī)模和危害均居全國之首[3]。本文以隴南柏水溝泥石流為例,在分析泥石流形成條件和基本特征的基礎(chǔ)上,預(yù)測其發(fā)展趨勢,并提出了相應(yīng)的防治對策,以期為保障群眾的生命財產(chǎn)安全、實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展提供參考。

1 泥石流的形成條件

1.1 地形條件

柏水溝溝谷大致呈南北走向,與白龍江近直角相交,山體相對高差大,山高坡陡,溝谷深切。流域面積 9.97 km2,平面形狀近似扇形,流域內(nèi)最高點(diǎn)海拔 2 915m,出山口海拔 1 080m,相對高差 1 835m。主溝長度 5.6 km,平均比降11%,主溝上段呈 V形,溝道狹窄,兩岸山坡平均坡度在 50°以上;下段則呈 U形,溝道寬闊,兩岸山坡坡度為 15°～30°。溝口堆積扇后部建有民房、磚廠,前部則被當(dāng)?shù)卮迕窀脑鞛檗r(nóng)田。總體上講,該溝谷地形陡、坡降大,為泥石流的形成提供了非常適宜的條件。

1.2 固體物質(zhì)補(bǔ)給條件

柏水溝地形陡峻、巖石松散、裂隙發(fā)育、風(fēng)化強(qiáng)烈,加之受地質(zhì)構(gòu)造、地震的影響,滑坡、崩塌等不良地質(zhì)現(xiàn)象十分發(fā)育,為泥石流的形成提供了豐富的松散固體物質(zhì)。①滑坡。經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查,柏水溝溝道中共有大小滑坡 14處,類型以堆積層滑坡為主,分布面積約 0.07 km2,體積約 60萬 m3。②崩、滑塌。“5? 12”地震在溝道內(nèi)引發(fā)了多處崩、滑塌,成為溝谷內(nèi)重要的固體物質(zhì)補(bǔ)給來源。經(jīng)調(diào)查,溝谷內(nèi)共有崩、滑塌 30多處,分布面積約 0.60 km2,體積 56萬 m3。③溝道堆積物與坡面風(fēng)化物。柏水溝溝道狹窄,溝道堆積物通過溝岸坍塌和溯源侵蝕的方式補(bǔ)給泥石流,據(jù)調(diào)查統(tǒng)計,溝道堆積物總量為 80萬m3。

經(jīng)調(diào)查估算,柏水溝松散固體物質(zhì)儲量為 54.71萬 m3/km2,松散固體物質(zhì)總量為 545萬 m3。

1.3 降水條件

大量研究表明,隴南地區(qū)泥石流發(fā)生的臨界降水量 1 h雨量為 15～20mm、10min雨量為 8～10mm,是甘肅泥石流臨界雨強(qiáng)最小的地區(qū)。而流域內(nèi)暴雨頻發(fā),24 h最大降水量為 90.5 mm,1 h最大降水量為 40mm,10min最大降水量為 16.2 mm。1939年以來,降水量為 25～50mm/d的大雨平均每年 2～3次,降水量為 50～75mm/d的暴雨和 ＞75mm/d的大暴雨每 10年2～3次。流域內(nèi)降雨集中、多暴雨、降水強(qiáng)度大,為泥石流災(zāi)害的發(fā)生創(chuàng)造了條件。

2 泥石流的特征

2.1 流域特征

根據(jù)泥石流的形成、運(yùn)移和堆積特征,將柏水溝劃分為泥石流形成區(qū)、流通區(qū)和堆積區(qū)三部分。

形成區(qū)面積 9.13 km2,長度 4.4 km。區(qū)內(nèi)溝壑密集,地形高差大,下切侵蝕強(qiáng)烈,谷坡坡度多在 50°以上,匯流面積大,具備泥石流發(fā)生的地形條件和水動力條件;滑坡、崩塌等產(chǎn)生的松散固體物質(zhì)豐富,坡面物質(zhì)疏松、植被覆蓋率低、面蝕強(qiáng)烈,松散固體物質(zhì)補(bǔ)給量占流域總補(bǔ)給量的 60%～70%,具備良好的松散固體物質(zhì)補(bǔ)給條件。

流通區(qū)位于溝谷中段近溝口位置,面積 0.45 km2,長度1.04 km,谷坡坡度小于 30°。流通區(qū)以過流為主,間有侵蝕、搬運(yùn)與堆積現(xiàn)象,松散固體物質(zhì)補(bǔ)給量占流域總補(bǔ)給量的 10%～15%。

堆積區(qū)位于溝口下游,泥石流堆積形成了面積較大的堆積扇,扇長約 900m,呈中部隆起向側(cè)緣、前緣傾斜狀。經(jīng)人工改造,堆積扇已成為大堡里村村民生產(chǎn)、生活用地,匯集的泥石流及洪流順人工溝槽排入白龍江。

2.2 流體特征

對泥石流流體特征進(jìn)行分析,是認(rèn)識泥石流和設(shè)計泥石流防治工程的基礎(chǔ)。由于缺少泥石流發(fā)生時的實(shí)地觀測數(shù)據(jù),我們主要是根據(jù)已有資料,類比利用目前泥石流運(yùn)移特征及動力特征研究成果對柏水溝泥石流流體特征進(jìn)行分析[4]。

(1)泥石流容重。據(jù)調(diào)查,溝內(nèi)松散固體物質(zhì)儲量為 545萬 m3,采用經(jīng)驗(yàn)公式

式中:γC為泥石流容重,kN/m3;A為流域單位面積泥沙補(bǔ)給量,萬 m3/km2,取 54.7萬 m3/km2。

經(jīng)計算,確定該溝泥石流容重為 17.1 kN/m3,屬稀性—黏性泥石流。

(2)泥石流流量。采用配方法計算公式

式中:QB為泥石流溝定重現(xiàn)期的清水流量,采用隴南地區(qū)經(jīng)驗(yàn)公式計算,選擇重現(xiàn)期為 100年,m3/s;QC為與 QB相同重現(xiàn)期的泥石流流量,m3/s;D為堵塞系數(shù),取 1.0;φ為泥石流流量增加系數(shù);γC為泥石流容重,kN/m3;γH為泥石流中固體顆粒容重,kN/m3,取 26.5 kN/m3;F為流域面積,km2。

經(jīng)計算,柏水溝 100年一遇清水流量為 77.31m3/s、泥石流流量為 134.27m3/s,50年一遇清水流量為 61.85m3/s、泥石流流量為 107.42m3/s。

(3)泥石流沖出量。1984年 8月 3日柏水溝發(fā)生了一次100年一遇的泥石流,歷時30min,是當(dāng)?shù)赜忻鞔_記錄的最大規(guī)模的一次泥石流災(zāi)害。采用經(jīng)驗(yàn)公式計算泥石流一次最大沖出量。

式中:WH為泥石流一次最大沖出量,m3;K為系數(shù),取 0.1～0.5;H為單位時間最大降水量,mm/h;α為系數(shù),取 0.3;其余參數(shù)意義同上。

經(jīng)計算,柏水溝泥石流一次最大沖出量為 4.95萬 m3。

3 泥石流溝發(fā)展趨勢與危害程度預(yù)測

3.1 泥石流溝發(fā)展趨勢

柏水溝泥石流發(fā)展趨勢受諸多因素影響,主要包括以下幾個方面:

(1)區(qū)域構(gòu)造運(yùn)動導(dǎo)致兩側(cè)山體不斷隆升,溝谷下切侵蝕強(qiáng)烈。柏水溝屬發(fā)展期(壯年期)泥石流溝,加之巖土體結(jié)構(gòu)特殊,溝岸滑坡、崩塌現(xiàn)象層出不窮,形成的松散固體堆積物受溝谷地形條件的限制,絕大部分堆積于狹窄的溝道兩側(cè),為泥石流的形成提供了源源不斷的松散固體物質(zhì),加劇了泥石流災(zāi)害的發(fā)生。

(2)地震對該區(qū)巖土體結(jié)構(gòu)的破壞性非常大,對泥石流起到了激發(fā)和加劇作用。2006年 6月 21日臨江地震、2008年“5?12”汶川地震對當(dāng)?shù)氐臏瞎?、溝岸造成了不利的影?溝岸局部發(fā)生的崩塌、滑坡堵塞溝道。尤其是在柏水溝中下游一帶,溝岸兩側(cè)產(chǎn)生的滑塌體堆積于溝道中,嚴(yán)重堵塞溝道,加劇了泥石流暴發(fā)的危險性,一旦遇強(qiáng)降雨有可能誘發(fā)較大規(guī)模的泥石流災(zāi)害。

(3)區(qū)內(nèi)生態(tài)環(huán)境脆弱,水土流失嚴(yán)重。受山高坡陡、人多地少、坡地開墾、植被稀少、土壤持水能力差、溝谷集流速度快等因素影響,泥石流發(fā)生的速度、頻率不斷提高。

綜上所述,該溝在其自身地質(zhì)環(huán)境、新構(gòu)造運(yùn)動、地震、地質(zhì)外營力等因素的綜合影響下,泥石流災(zāi)害活躍,發(fā)生的頻率和規(guī)模都在不斷增大。

3.2 泥石流危害程度預(yù)測

柏水溝泥石流頻發(fā)不僅降低了白龍江的過流能力,而且嚴(yán)重威脅著溝口附近居民的生命財產(chǎn)安全,其危害特征表現(xiàn)在以下幾個方面:

(1)淤埋大堡里村民房、公共設(shè)施和農(nóng)田。中、小規(guī)模的泥石流出溝后,沿途在大堡里村的房前屋后、街頭巷尾堆積了大量的泥沙和碎石,如遇較大規(guī)模泥石流,一旦泥石流破堤而出就會沖毀房屋、堵塞白龍江,在南側(cè)河灘漫流、淤埋農(nóng)田,造成人員傷亡和財產(chǎn)損失。

(2)加劇了白龍江河床淤高,降低了防洪能力。泥石流將大量泥沙輸送到白龍江邊,在溝口以下形成扇形地,減小了白龍江的行洪和挾沙能力,在洪水期間嚴(yán)重阻礙水流下泄,抬高水位,不僅威脅到岸邊建筑物的安全,而且造成泥沙大量淤積。目前,河床正以 10 cm/a的速率持續(xù)淤高,使白龍江河堤的防洪能力逐年下降、防洪壓力加大。該溝位于武都城區(qū)上游,現(xiàn)河床已高出武都城區(qū)中心 2.1m,造成城區(qū)內(nèi)的雨洪和生活污水排泄困難,排水渠附近夏季臭氣熏天、蚊蠅肆虐,雨季積水橫溢、行路困難。同時,河床淤高也造成了地下水位升高、水質(zhì)惡化,降低了建筑物基礎(chǔ)強(qiáng)度,縮短了使用壽命。

(3)誘發(fā)溝內(nèi)不良地質(zhì)作用,加速生態(tài)環(huán)境惡化。因長期的暴雨沖刷,溝內(nèi)經(jīng)常發(fā)生溝岸坍塌補(bǔ)給泥石流的現(xiàn)象,在溝岸兩側(cè)堆積了大量的泥石流堆積物。不良的地質(zhì)作用,加上不合理的采石、砍伐、墾殖活動,導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境惡化、人地關(guān)系極不和諧。

(4)威脅在建高速公路安全。武罐(武都—罐子溝)高速公路從柏水溝溝口前通過,高速公路基礎(chǔ)設(shè)施和今后的通行安全也受到溝內(nèi)泥石流的威脅。

3.3 泥石流危害程度分區(qū)

根據(jù)泥石流的發(fā)育特征、形成規(guī)模、堆積區(qū)地形特征及居民點(diǎn)的分布情況,結(jié)合歷次災(zāi)害性泥石流沖淤范圍等,將該溝泥石流危害區(qū)分為嚴(yán)重危害區(qū)與一般危害區(qū)。①嚴(yán)重危害區(qū)。分布于柏水溝下游堆積區(qū)東部,包括大堡里村所在地。特大暴雨誘發(fā)的泥石流會嚴(yán)重威脅村民的生命財產(chǎn)安全。同時,武罐高速公路的武都出入口也設(shè)在嚴(yán)重危害區(qū)范圍內(nèi),作為高速公路的輔助設(shè)施,將架設(shè)出入高速公路的立交橋,若暴發(fā)大規(guī)模泥石流將會損壞立交橋等輔助設(shè)施,進(jìn)而威脅到高速公路通行安全。②一般危害區(qū)。主要分布于堆積區(qū)西部,威脅到這里居住的一小部分大堡里村村民的安全。

4 防治建議

根據(jù)柏水溝泥石流的形成、運(yùn)移和堆積特征以及成災(zāi)方式、危害特點(diǎn),提出以下防治建議:①攔排結(jié)合,以攔為主。柏水溝泥石流松散固體物質(zhì)主要來源于溝岸兩側(cè)的滑坡、崩塌體,因此治理時要以攔擋為主,即利用攔擋壩攔蓄泥沙、穩(wěn)固兩側(cè)溝岸、抬高侵蝕基準(zhǔn)面,達(dá)到穩(wěn)定溝槽的目的。另外,溝口村落建筑密布,必須輔以排導(dǎo)措施,疏導(dǎo)泥石流,防止突發(fā)大規(guī)模泥石流造成人員傷亡。②以生物措施為輔,減少泥石流物源。根據(jù)泥石流活動及危害特征,采取一定的生物措施,通過植樹造林,盡可能就地固定溝內(nèi)滑坡和崩塌的堆積物,使現(xiàn)有的松散固體物質(zhì)就地穩(wěn)定下來,盡量減少向下游輸移的固體物質(zhì)數(shù)量。

5 結(jié) 語

(1)甘肅省隴南市武都區(qū)是國內(nèi)受泥石流危害最為嚴(yán)重的地區(qū)之一,柏水溝是一條處在發(fā)育期的泥石流溝,“5?12”汶川地震后,在溝坡、溝道內(nèi)產(chǎn)生了大量新的崩塌體,使得溝內(nèi)松散固體物質(zhì)儲量增加,具備了發(fā)生大規(guī)模泥石流災(zāi)害的條件,對災(zāi)后重建集中安置點(diǎn)、部分村民房屋以及在建高速公路的安全構(gòu)成了威脅。

(2)柏水溝流域面積 9.97 km2,主溝長度 5.6 km,溝床平均比降 11%,具有明顯的形成區(qū)、流通區(qū)和堆積區(qū)。

(3)調(diào)查研究表明,溝內(nèi)各種松散堆積物總量為 545萬 m3,單位面積儲量為 54.71萬 m3/km2,松散固體物質(zhì)儲量豐富。該溝泥石流誘發(fā)雨量小,泥石流容重 17.1 kN/m3,屬稀性—黏性泥石流,100年一遇泥石流流量為 134.27 m3/s,50年一遇為107.42m3/s,泥石流一次最大沖出量為 4.95萬 m3。

(4)該溝在其自身地質(zhì)環(huán)境、新構(gòu)造運(yùn)動、地震、地質(zhì)外營力和人類工程活動等因素的綜合影響下,泥石流災(zāi)害活躍,泥石流發(fā)生的頻率和規(guī)模都在不斷增大。根據(jù)該溝泥石流的形成、運(yùn)移和堆積特征、成災(zāi)方式和危害特點(diǎn),提出攔排結(jié)合、以攔為主、輔以生物措施防治的建議。

[1]陳寧生,黃蓉,李歡,等.汶川 5? 12地震次生泥石流溝應(yīng)急判識方法與指標(biāo)[J].山地學(xué)報,2009,27(1):108-114.

[2]莊建琦,崔鵬,葛勇剛,等.“5?12”地震后都汶公路沿線泥石流溝危險性評價[J].四川大學(xué)學(xué)報:工程科學(xué)版,2009,41(3):131-139.

[3]黃忠恕,余應(yīng)中.長江上游隴南地區(qū)泥石流分布發(fā)育特征[J].人民長江,1998,29(7):44.

[4]DZ/T 0220—2006,泥石流災(zāi)害防治工程勘查規(guī)范[S].

P642.23

A

1000-0941(2011)04-0057-03

武警工程學(xué)院基礎(chǔ)研究基金資助項目(WJY 201038);長安大學(xué)西部礦產(chǎn)資源與地質(zhì)工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金項目(CHD2010JC 146);交通運(yùn)輸部行業(yè)聯(lián)合科技攻關(guān)項目(2008353361420)

穆鵬(1979—),男,安徽蕭縣人,講師,在讀博士,主要從事巖土工程技術(shù)方面的研究。

2010-09-15

(責(zé)任編輯 李楊楊)