水砂分離在武都北山泥石流災(zāi)害治理中的應(yīng)用

張建文，張 磊,2，喬向平

(1.蘭州大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院，甘肅 蘭州 730000；2.甘肅省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)院，甘肅 蘭州 730000)

水砂分離在武都北山泥石流災(zāi)害治理中的應(yīng)用

張建文1，張 磊1,2，喬向平1

(1.蘭州大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院，甘肅 蘭州 730000；2.甘肅省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)院，甘肅 蘭州 730000)

武都北山流域構(gòu)造運(yùn)動(dòng)活躍，固體物源豐富，地形起伏，溝道比降大，極端降雨氣候頻現(xiàn)，為泥石流的形成提供充足條件。2007年，通過采取攔排結(jié)合的方案對(duì)武都北山泥石流進(jìn)行治理，治理效果顯著。但隨著時(shí)間推移，攔擋壩自上游向下游不斷淤滿，泥石流不斷向溝口推進(jìn)；建筑物遍布泥石流溝口，房屋基礎(chǔ)擠壓、占用排導(dǎo)渠和排洪管網(wǎng)，致使其過流能力嚴(yán)重不足。泥石流活動(dòng)趨勢(shì)逐年增強(qiáng)，易損性增大，險(xiǎn)情擴(kuò)大，需再次治理北山流域泥石流?？紤]到治理工程的重點(diǎn)在于排水和避讓房屋建筑，提出水砂分離的截排水方法治理北山泥石流，從北山流域的內(nèi)部著手，解決泥石流災(zāi)害的威脅。

武都北山；泥石流；治理工程；截排水；水砂分離

我國(guó)對(duì)泥石流的研究始于上世紀(jì)50年代，起步較晚[1]，早期的泥石流治理以單一工程治理手段為主，而泥石流流成因復(fù)雜，治理效果差強(qiáng)人意。隨著對(duì)泥石流規(guī)律認(rèn)識(shí)的深入，泥石流的治理方法逐漸變成了因地適宜，采取多種治理手段共同作用的綜合治理方法[2、3]。武都北山流域泥石流堆積區(qū)居民集中聚居，人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)遭受泥石流威脅，該片區(qū)域的治理需求日益迫切。

武都是隴南地區(qū)行屬所在地，是甘肅省少有的長(zhǎng)江流域地區(qū)，也是泥石流最為發(fā)育的城市之一，武都城區(qū)坐落于白龍江兩側(cè)階地之上，在南北兩山的山谷之間，是典型的兩山夾一河地形[4]。北山走向與白龍江走向一致，皆是北西-南東走向。流域兩側(cè)分布有北峪河和東江水溝兩條白龍江一級(jí)支流，同白龍江一起將北山流域及其下部平臺(tái)呈“口袋裝”包裹，平臺(tái)平均寬度220 m，地勢(shì)平坦，地表土層以砂礫卵石層和早期的沖洪積物為主，良好的地基條件和平坦的地形被充分利用，各類建筑物逐漸在平臺(tái)上形成規(guī)模。早期的建筑數(shù)量不多，建筑用地有意避開泥石流的威脅區(qū)域，但是隨著時(shí)代的發(fā)展，城市規(guī)模不斷擴(kuò)大，城區(qū)人口劇增，各類住宅、建筑物逐漸向山坡坡腳及泥石流溝道延伸，蓋房的過程中肆意擠占泥石流排洪通道，增加了泥石流爆發(fā)的危害性。此次研究的目的是尋找城市泥石流的一種治理方法，在解決泥石流災(zāi)害威脅的同時(shí)盡量減少對(duì)泥石流堆積區(qū)的土地占用。

1 泥石流發(fā)育背景

1.1 泥石流流域工程地質(zhì)條件

武都北山在大地構(gòu)造上屬于西秦嶺—柴達(dá)木單元次級(jí)單元西傾山—迭山逆沖褶斷帶，次級(jí)構(gòu)造復(fù)雜多變，由一系列向南突出的弧形斷裂和復(fù)合式背斜組成[5]，受區(qū)域構(gòu)造的控制，各溝谷大致呈N—S向展布，與白龍江的走向呈直角相交。流域內(nèi)出露的前第四系以志留系為主，分布于流域中上游和下游溝道溝岸兩側(cè)，巖性主要為千枚巖、板巖，顏色為灰色、灰綠色，傾角大多在40°～60°。流域內(nèi)第四系廣泛分布，主要為風(fēng)積黃土、沖洪積、殘坡積、重力堆積、泥石流堆積物質(zhì)。各泥石流流域緊密相連，泥石流溝溝口直對(duì)下游城區(qū)，且由北至南呈串珠狀分布。

1.2 泥石流形成條件

北山泥石流流域共發(fā)育有9條泥石流溝，包括郭家溝、招待所溝、糧站溝、藥王溝、大山溝、小山溝、籠子溝、教場(chǎng)小溝和橋子溝?？偯娣e為2.81 km2，各溝流域面積差別較大，最大的郭家溝流域面積為0.85 km2，最小的藥王溝面積僅0.02 km2，其溝壑密度近2條/km2。流域最高海拔1 848 m，最低點(diǎn)990 m。區(qū)內(nèi)泥石流溝主溝長(zhǎng)在0.24～1.45 km之間，溝床比降18.5%～33.8%，溝坡坡度多集中于30°～50°之間，溝道斷面除招待所溝及橋子溝為“U”型外，其余溝道均為“V”型。流域內(nèi)溝坡陡峻，溝道縱比降較大，利于降水在短期內(nèi)匯集，使坡面水流迅速集中并在溝道中獲得能量，使泥石流的規(guī)模和峰值快速升級(jí)，從而形成泥石流沖出溝外。

根據(jù)調(diào)查，北山九條溝泥石流的固體松散物質(zhì)主要來源于滑坡、崩塌、溝道堆積物、坡面松散堆積物及工程活動(dòng)形成的坡面堆渣等五類物質(zhì)，對(duì)九條泥石流溝物源分析可知，滑坡和坡面松散物質(zhì)是流域泥石流的主要補(bǔ)給物源。研究區(qū)內(nèi)九條溝流域溝道中共有大小滑坡13處，其中黃土滑坡6處，堆積層碎石土滑坡7處，各溝內(nèi)均有滑坡分布，滑坡多集中發(fā)育于各溝道上游至溝腦段或溝口地段，中游發(fā)育滑坡較少，大部分滑坡都不穩(wěn)定。由于構(gòu)造斷裂發(fā)育，巖體破碎，基巖風(fēng)化強(qiáng)烈，碎石、巖屑在坡面形成堆積，相互間無粘結(jié)力，質(zhì)地松散，細(xì)粒物質(zhì)多，極易被水流沖蝕、搬運(yùn)。

北山流域在氣候上屬北亞熱濕潤(rùn)向暖溫半濕潤(rùn)的過渡帶，為季風(fēng)氣候，降雨量以夏秋兩季為主，其中6-9月的降水占全年的67.5%，具有降雨集中、多暴雨、雨強(qiáng)大的特點(diǎn)。大量研究表明，武都泥石流發(fā)生的臨界降水量小時(shí)雨強(qiáng)為15～20 mm，十分鐘雨量為8～10 mm，是甘肅省泥石流臨界雨強(qiáng)最小的地區(qū)。市區(qū)24 h最大降水量為90.5 mm，1 h最大降水量40 mm，10 min最大降水量16.2 mm。1939年以來，降水量為25～50 mm/d的大雨平均2～3次/a，降水量大于50～75 mm/d的暴雨和降水量大于75 mm/d的大暴雨每10 a約有2～3次[6]。說明本區(qū)的降雨條件足以誘發(fā)泥石流。

2 泥石流治理工程分析

目前泥石流的治理主要分為以治水為主、以治土為主和以排導(dǎo)為主結(jié)合其他措施的治理方案[7]。北山流域大多溝道內(nèi)均有布設(shè)攔擋壩，若對(duì)已經(jīng)淤滿和基本淤滿的溝段繼續(xù)增設(shè)攔擋壩，拓寬排導(dǎo)渠和排洪管網(wǎng)，需要拆遷拓寬范圍內(nèi)的建筑物，而流域泥石流溝溝口建筑物密集，拆遷費(fèi)用高昂，可行性較低。新修攔擋和改建排導(dǎo)的方法在這種工況條件下是行不同的，因此，可以考慮以治水為主的截排水方法對(duì)北山泥石流流域進(jìn)行治理。截排水工程主要利用水砂分離技術(shù)，在流域內(nèi)布設(shè)多級(jí)截排水渠道，通過截排水渠的形式對(duì)區(qū)域內(nèi)坡面匯流進(jìn)行排泄，達(dá)到水砂分離的效果，同時(shí)減少匯流流量，讓泥石流達(dá)不到起動(dòng)強(qiáng)度，降低泥石流災(zāi)害的發(fā)生概率，減弱其危害強(qiáng)度[8]。采用截排水的方式治理武都北山泥石流，用以下3點(diǎn)論證其可行性：

(1) 郭家溝、大山溝、教場(chǎng)小溝、籠子溝、橋子溝屬溝谷型泥石流溝，其補(bǔ)給物質(zhì)主要來源于坡面松散物和流域溝腦和上游的滑坡。暴雨時(shí)溝道地表徑流不斷側(cè)蝕沿程滑坡前緣，帶走滑體物質(zhì)，滑坡臨空面增大，側(cè)向支撐減弱，破壞滑坡已有的平衡狀態(tài)，導(dǎo)致滑坡后部物質(zhì)逐次或整體的向下滑動(dòng)，泥石流固體物質(zhì)不斷累積；與此同時(shí)，廣泛分布的坡面松散物質(zhì)受水流沖蝕、搬運(yùn)，順坡面匯入溝道內(nèi)，進(jìn)一步增加泥石流固體物質(zhì)。截排水工程能夠靈活地布置在北山流域內(nèi)，截留其上部的匯水，一方面削弱徑流沖蝕泥石流溝道兩側(cè)滑坡前緣；另一方面減少坡面匯流侵蝕、搬運(yùn)坡面松散物，抑制泥石流的形成。

(2) 經(jīng)調(diào)查，北山流域已布設(shè)25座攔擋壩，已有5座壩已完全淤滿，分別為大山溝4座，教場(chǎng)小溝1座，另有4座壩基本淤滿，分別位于大山溝、籠子溝和教場(chǎng)小溝，另有3座壩尚未淤積，均位于小山溝，其余各壩均有一定程度的淤積。已建攔擋壩攔蓄總量達(dá)27 962 m3，占設(shè)計(jì)攔蓄量的38%，雖然看似還有較大的攔蓄空間，但部分溝道如大山溝、小山溝的溝道堆積物量大，其攔擋壩的攔蓄功效已進(jìn)入瓶頸；北山流域除糧站溝和藥王溝之外的大部分泥石流溝已在溝口修建了排導(dǎo)堤，或留有排導(dǎo)渠、涵，但是在溝口居民在建房筑路的過程中，自行改造排導(dǎo)渠和排洪管網(wǎng)，致使行水管網(wǎng)尺寸偏小，部分甚至被堵死，排導(dǎo)能力已嚴(yán)重不足。截排水渠能夠緩解攔擋壩的攔蓄及排導(dǎo)渠的泄洪壓力，延長(zhǎng)攔擋壩的使用年限，和排導(dǎo)、攔擋工程形成一個(gè)完整的防治體系。

(3)北山流域面積不大，僅為2.81 km2，截排水渠的工程造價(jià)不高，經(jīng)濟(jì)方面具有可行性。北山地形起伏，山坡坡度大，開挖一條能夠布設(shè)截排水渠的山路會(huì)破壞山坡表層巖土體完整性，在治理泥石流災(zāi)害的同時(shí)可能會(huì)引發(fā)新的不良地質(zhì)現(xiàn)象。為了避開這一問題，截排水渠的布設(shè)路線需要依托北山已有地形，減少對(duì)山坡坡體的開挖。經(jīng)勘察，流域內(nèi)有始于郭家溝溝口至郭家溝溝腦穿越招待所溝、糧站溝、藥王溝、小山溝、大山溝的北山公路，沿道路修筑有排水渠，排水渠局部有斷開和破損的情況?？梢愿脑煸信潘榻嘏潘貙捑植窟^流斷面，以滿足排水要求；大山溝上游至橋子溝上游有一條寬約1 m的沿山小路，沿途沒有不良地質(zhì)現(xiàn)象，可以順著小路修建一條與之同一高程的截排水渠；大山溝中上游至橋子溝中上游有綠化灌溉道路，道路寬度超過2 m，灌溉引水渠寬度不足道路寬度一半，自2009年使用至今，證明此條道路布設(shè)渠道沒有地基承載和形變上的問題，滿足截排水渠的布設(shè)條件。

3 治理工程布局和類型

截排水渠穿越北山9條泥石流溝流域，將截留的降水進(jìn)行集中匯流，匯流通過截排水渠向流域兩側(cè)的北浴河和東江水溝牽引，利用涵洞和隧洞的形式穿過山梁匯入北峪河和東江水溝。

3.1 截排水渠布局

按照排導(dǎo)條件，將9條泥石流溝沿小山溝右側(cè)分水嶺劃分為兩大區(qū)域，右側(cè)為北區(qū)，左側(cè)為南區(qū)。北側(cè)區(qū)域治理工程主要利用已有上山道路的路邊截排水渠道，根據(jù)攔截面積的大小，修建分段式漸變渠道(后稱Ⅲ級(jí)截排水)。道路多次橫向穿越四條溝流域，有效截排坡面匯流并最終匯至郭家溝，由郭家溝排導(dǎo)排泄至北峪河。南部區(qū)域幾條溝均呈現(xiàn)匯水面積較大，后部溝坡陡峻的特點(diǎn)，故在其流域中上游布設(shè)兩級(jí)截排水渠道，一級(jí)布設(shè)高度較高，高程在1 280 m附近，主要利用已有上山小路布設(shè)一條截排水渠道(Ⅱ級(jí)截排水渠)，排水渠分別由大山溝左岸溝坡、東江水梁兩側(cè)向中間排泄，在教場(chǎng)小溝右側(cè)山梁處匯流，之后沿山梁將水流排泄至下部截排水渠中。下部則利用目前上水灌溉工程在小山溝、大山溝流域中游修建的截排水渠道，高程1 080 m附近，對(duì)其進(jìn)行改建并將其順沿等高線方向至橋子溝內(nèi)(Ⅰ級(jí)截排水渠)，不僅將Ⅰ、Ⅱ級(jí)渠道中間部分坡面匯流進(jìn)行攔截，同時(shí)在各溝溝道布設(shè)沉砂池將溝道匯流亦進(jìn)行攔截，一起向外排泄。Ⅰ級(jí)截排水渠起于小山溝右側(cè)山梁，在教場(chǎng)小溝右側(cè)山梁與Ⅱ級(jí)截排水渠匯合，終于橋子溝左側(cè)山梁，之后以隧洞形式穿過東江水梁，排泄至東江水溝(見圖1)。通過流域面積計(jì)算，該截排水工程基本攔截區(qū)域內(nèi)總面積74%的匯流。

圖1 工程平面布置圖

3.2 截排水渠類型

由于截排水渠道穿越農(nóng)田、橄欖林，故設(shè)計(jì)渠道寬度應(yīng)在滿足排導(dǎo)能力的條件下，盡可能的減小。選取對(duì)占地面積要求小、施工簡(jiǎn)單的矩形渠道形式。截排水渠較長(zhǎng)，若如渠道在某一點(diǎn)處發(fā)生錯(cuò)段，則上游所有攔截水流將沿錯(cuò)段處外泄，不僅增大了泥石流產(chǎn)生的可能，同時(shí)也增大了災(zāi)害的危害程度，故在一定條件下保證渠道的強(qiáng)度，防止外在力量對(duì)渠道的破壞是十分必要的。將遭受打擊可能性較大的Ⅰ、Ⅱ級(jí)渠道做成鋼筋混凝土渠道，增加其抗擊打強(qiáng)度，保證工程的安全性。而Ⅲ級(jí)渠道沿上山公路修建，遭受打擊的可能性小，且多處為不改造渠道，故采用混凝土形式渠道進(jìn)行布設(shè)。據(jù)調(diào)查，小山溝、大山溝Ⅰ級(jí)渠道經(jīng)過處，坡體巖性為全風(fēng)化千枚巖，松散物質(zhì)多呈倒石錐狀堆積于坡腳，且該處受原有渠道影響，渠底比降較小，設(shè)計(jì)流速相對(duì)較小，對(duì)泥沙的沖淤能力不高；Ⅱ級(jí)渠道教場(chǎng)小溝段斜坡巖性為全風(fēng)化千枚巖，坡面松散物質(zhì)亦較多；故對(duì)兩處渠道范圍設(shè)計(jì)增加蓋板，保護(hù)渠道，減少渠道淤積量。

4 結(jié)語(yǔ)

(1)武都北山泥石流固體松散物源豐富，地形起伏，溝道比降大，降雨集中、多暴雨、雨強(qiáng)大，新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)不斷抬升，溝谷處于發(fā)展期，郭家溝、大山溝等溝谷型泥石流溝的發(fā)展仍有逐步增強(qiáng)的趨勢(shì)。

(2)泥石流溝溝口房屋密集，所需拆遷費(fèi)用高昂，導(dǎo)致排導(dǎo)結(jié)合的方案不適用于武都北山泥石流溝的治理。

(3)水砂分離的截排水方法解決了排水和避讓房屋建筑的問題，無論是在安全、經(jīng)濟(jì)還是運(yùn)作上可行性都較高。攔擋、排導(dǎo)及截排水三項(xiàng)工程相結(jié)合，各工程相互銜接，互作補(bǔ)充，形成完整的系統(tǒng)工程，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)泥石流災(zāi)害治理的長(zhǎng)治久安。

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The application of water-sand separation in Wudu Beishan debris flow control

ZHANG Jian-wen1，ZHANG Lei1，2，QIAO Xiang-ping1

(1.School of Civil Engineering and Mechanics , Lanzhou University , Lanzhou 730000，China；2.Gansu Institute for environmental geology , Lanzhou 730020，China)

The active tectonic movement, rich solids source, topographic relief ,large channel gradient, frequent extreme rainfall climate of Wudu Beishan valley make adequate preparation for the formation of debris flow. In 2007, Wudu Beishan debris flow have been treated by a scheme combining row and blocking with significant effect. Over time, the dam continue to fill up from upstream to downstream, mudslides continue to promote to stream exit; Buildings spread around stream exit. Building foundation squeeze and occupy flood canal and flood drainage network resulting in its flow capacity insufficient. Debris flow activity trend increases year by year . Due to the vulnerability increase and danger expand, Beishan debris flow need to be governed again. Considering the treatment project focuses on drainage and avoid housing construction, separating water and sand is proposed to address the threat of debris flow in Beishan valley.

Wudubeishan；debris flow；treatment project；cut drainage works；water-sand separator

2016-08-14

張建文(1992-)，男，湖北洪湖人，主攻方向：地質(zhì)災(zāi)害。

P642.23

B

1004-1184(2017)01-0143-03