大夏河高階地前緣典型泥石流災(zāi)害風險評估方法探討

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(甘肅省地礦局第一地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，甘肅 天水 741020)

大夏河高階地前緣典型泥石流災(zāi)害風險評估方法探討

方好麒，張莉莉

(甘肅省地礦局第一地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，甘肅 天水 741020)

針對大夏河高階地前緣地質(zhì)災(zāi)害普遍發(fā)育，危害范圍廣，威脅對象多的特點，本文對泥石流災(zāi)害的形成條件、危害特征進行了探討，并以崔家溝作為典型泥石流災(zāi)害點進行風險評估，提出泥石流工程治理方案，建議在溝內(nèi)修建攔擋壩穩(wěn)坡、溝口修建排導(dǎo)堤或排導(dǎo)溝，同時配套相應(yīng)的植樹造林等水保措施，對崔家溝泥石流溝進行全面治理。

高階地前緣；地質(zhì)災(zāi)害；典型泥石流；風險評估；防治方案

臨夏市位于甘肅省中部，是臨夏回族自治州政治、經(jīng)濟、文化中心。大夏河呈西南--東北向沿市區(qū)中部穿城而過。受大夏河高階地地形和巖土體條件控制，高階地前緣不穩(wěn)定斜坡、泥石流、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害高發(fā)，特別泥石流災(zāi)害具有分布區(qū)域廣、密度大、爆發(fā)頻率較高、突發(fā)性較強、危害嚴重的特點。經(jīng)調(diào)查，臨夏市現(xiàn)有災(zāi)害性泥石流溝平均發(fā)育密度0.15條/km2。泥石流堆積物淤埋居民區(qū)巷道和環(huán)北公路，威脅部分住戶建筑，威脅居民2 465人，財產(chǎn)2 800萬元，給當?shù)鼐用駧砗艽蟮姆罏?zāi)壓力。本文以崔家溝為典型泥石流災(zāi)害點，旨在查明泥石流的特征和危害，進行地質(zhì)災(zāi)害風險評估，提出科學合理的工程治理方案。

1 泥石流災(zāi)害發(fā)育背景

1．1 自然地理條件

崔家溝地處暖溫帶半濕潤氣候區(qū)，多年平均氣溫6.8℃，相對濕度66%，最大凍土深度86 cm。

本區(qū)降水量年際變化顯著，年最大降水量763.9 mm，最小降水量325 mm。年內(nèi)分配不均，多集中于6～8月，占全年降水量的59%。臨夏一帶為我省暴雨中心之一，降水強度大，日最大降雨量82.1 mm，小時最大降雨量48.6 mm，10 min最大降雨量19.8 mm，是引發(fā)地質(zhì)災(zāi)害的主要原因之一。

1．2 地質(zhì)環(huán)境條件

1.2.1 地形地貌

崔家溝呈條帶狀展布,包括大夏河Ⅳ級及以下階地和部分溝谷Ⅳ級以下的溝臺地。

1.2.2 地層巖性

崔家溝出露的地層相對簡單，主要為新近系(N)和第四系(Q)。新近系臨夏組(N21)：主要出露于崔家溝中上游地段中部。巖性以紅色泥巖為主，夾砂質(zhì)泥巖及砂礫巖，巖層產(chǎn)狀近水平，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，鈣質(zhì)膠結(jié)，表部2～3 m為強風化層，巖體較破碎。

第四系上更新統(tǒng)風積物(Q3eol)：分布于崔家溝頂部，巖性為淡黃色馬蘭黃土，質(zhì)地均一，結(jié)構(gòu)疏松，垂直節(jié)理發(fā)育，具濕陷性，其厚度隨地形變化。

第四系上更新統(tǒng)沖洪積物(Q3al+pl)，屬沖洪積成因，分布于崔家溝中上游溝谷兩側(cè)，直接覆蓋于上新統(tǒng)臨夏組之上，具二元結(jié)構(gòu)。厚度8～15 m。

第四系全新統(tǒng)殘坡積物(Q4del)，分布于北塬斜坡坡腳。巖性以粉土、泥巖風化碎屑為主，其結(jié)構(gòu)疏松，層厚1～2 m。

第四系全新統(tǒng)洪積物(Q4pl)，分布于崔家溝溝谷底部，層厚一般2 m左右，局部緩坡處厚度可達3～4 m。

1.2.3 地質(zhì)構(gòu)造與區(qū)域地殼穩(wěn)定性

(1) 地質(zhì)構(gòu)造。本區(qū)處于祁呂賀山字型構(gòu)造和隴西旋卷構(gòu)造體系的復(fù)合部位，屬祁呂賀山字型構(gòu)造體系前緣西翼東南端臨夏-臨洮凹斷陷的一部分，是夾于馬銜山—太子山之間的廣大紅層盆地與黃土丘陵地區(qū)，盆地內(nèi)主要為新近系上新統(tǒng)臨夏組與第四系黃土。(2) 新構(gòu)造運動及地震。第四紀以來，本區(qū)主要表現(xiàn)為不均勻升降運動。大面積的不均勻升降表現(xiàn)在大夏河北部II級階地為基座階地。而大夏河南岸的II級階地則為內(nèi)疊階地。

根據(jù)“中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖”和“中國地震反映譜特征周期區(qū)劃圖”(GB18306-2001)資料，評估區(qū)抗震設(shè)防烈度為Ⅶ度，設(shè)計地震動峰值加速度為0.15 g，設(shè)計地震反應(yīng)譜特征周期為0.35 s。

1.2.4 巖土體類型及工程地質(zhì)特征

依據(jù)《巖土工程勘察規(guī)范》(GB50021-2001)(2009年版)，本區(qū)巖土體主要分為新近系軟弱巖體和第四系上更新統(tǒng)與全新統(tǒng)。

(1)巖體工程地質(zhì)性質(zhì)。區(qū)內(nèi)軟弱層狀巖體，由新近系臨夏組巖體組成。巖性以紅色泥巖為主，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，成巖作用差，遇水易軟化，據(jù)區(qū)內(nèi)相關(guān)工程詳勘資料，該巖體軟化系數(shù)在0.45～0.50之間，抗壓強度11 MPa，屬軟弱巖組，為不良工程地質(zhì)巖組。其力學性質(zhì)較好，承載力特征值fak=400 kPa，承載力較高，壓縮性低，可作為防治工程基礎(chǔ)的主要持力層。

(2)土體工程地質(zhì)性質(zhì)。根據(jù)土體成因類型及結(jié)構(gòu)分為以下幾種：黃土及粉土、砂礫卵石雙層土體(Q3)：廣泛分布于調(diào)查區(qū)。上部為黃土，下部為粉土、砂礫卵石雙層土體。

黃土為馬蘭黃土。土體孔隙率高，通常多在39%～55.6%，平均達48%，粉土顆粒含量可達63%。濕陷系數(shù)為0.023～0.117，屬強至輕弱級，近地表濕陷性強，向下漸弱。內(nèi)聚力(c)在20～24 Kpa，隨含水率而變化，內(nèi)摩擦角23°～26°。其力學性質(zhì)一般，承載力特征值為fak=120 kPa；該層工程性質(zhì)較差，不宜作為擬建(構(gòu))筑物的基礎(chǔ)持力層。

粉土，淺黃褐色，稍濕、稍密，干強度低，局部夾薄層粉土及中、細砂層，局部含礫石，植物根系較發(fā)育，具層理，厚度一般10～20 m。其力學性質(zhì)一般，承載力特征值fak=140 kPa，工程性質(zhì)較差，不宜作為擬建(構(gòu))筑物的基礎(chǔ)持力層。

礫卵石，灰～青色，中密，分選性、磨圓度好，以次圓狀為主，粒徑2～20 mm占20%～25%，20～80 mm占45%～65%，其余為粒徑150～300 mm。層厚8～15 m。其力學性質(zhì)較好，承載力特征值fak=350 kPa，該層承載力高，壓縮性低，可作為建(構(gòu))筑物的天然基礎(chǔ)持力層。

洪積碎石土，主要分布于崔家溝溝底，層厚1～2 m，局部緩坡處達3～4 m，成分不均一，巖性以粉土、泥巖及圓礫、卵石為主，結(jié)構(gòu)疏松，密實度較差、變形較大，工程性質(zhì)較差，不宜直接作為基礎(chǔ)持力層。

2 泥石流災(zāi)害發(fā)育特征

2.1 泥石流溝分布特征

崔家溝位于城區(qū)環(huán)城北路紅園街道辦事處北山小學北部，為溝谷型泥石流溝。流域面積約0.14 km2，流域內(nèi)相對高差96 m，主溝長0.7 km，溝床縱坡降130‰，溝坡平均坡度65°，溝道岸坡淺層崩塌現(xiàn)象明顯，植被覆蓋率約10%。該溝屬溝谷型稀性泥石流溝，形成區(qū)位于溝谷中上游，面積約0.093 km2，溝谷橫斷面呈“V”字型，溝床寬15 m左右，溝坡平均坡度為70°，溝道兩側(cè)中小型坍塌體發(fā)育；流通區(qū)位于溝谷下游近溝口段，面積約0.03 km2，溝道呈窄“U”型，溝床寬10～20 m，溝坡平均坡度60°；堆積區(qū)位于泥石流溝溝口，面積約0.017 km2，平面形態(tài)呈扇形。

2.2 泥石流的類型

根據(jù)《勘查規(guī)范》，臨夏市崔家溝泥石流形成的水源主要為暴雨，泥石流溝谷形態(tài)呈“V”字型。泥石流溝槽較陡，溝道固、液兩相有股流和散流現(xiàn)象，沖淤變化較大，溝岸無泥漿殘留，說明沉積物以粗粒物質(zhì)為主，因此，該泥石流為暴雨、溝谷型、稀性泥石流。

2.3 泥石流形成條件

1)地形地貌條件。大夏河Ⅱ級階地后緣至Ⅲ級階地斜坡地帶，溝坡較陡峻，流域內(nèi)相對高差96 m，主溝長0.7 km左右，溝床縱坡降130‰，溝岸平均坡度65°左右，有利于降水在較短時間內(nèi)匯集，使主溝道泥石流的規(guī)模和峰值快速升級，從而形成一定規(guī)模的泥石流沖出溝外，在溝口處的開闊河谷地帶形成泥石流堆積扇，成為泥石流的渲瀉場地，而溝口處密集的民房和人口，使該泥石流溝具備了成災(zāi)條件。

2) 松散固體物質(zhì)補給條件。由于溝腦在建簡易土石路，人工削坡破壞原有地貌，形成松散堆積物；溝岸兩側(cè)的不穩(wěn)定斜坡常發(fā)生崩塌、滑溜，崩積物堆積在溝道內(nèi)，增加松散固體物質(zhì)。泥石流補給途徑為面蝕、溝岸崩滑物和溝底再搬運，補給區(qū)位置以中上游為主。

3) 降水條件。流域內(nèi)年降水量較豐富，多年平均544.5 mm，多集中在6-9月份，占年降雨量的59%，且多以暴雨形式出現(xiàn)，日最大降雨量82.1 mm，小時最大降雨量48.6 mm，10 min最大降雨量為19.8 mm。據(jù)《甘肅泥石流》，臨夏市形成泥石流的臨界雨強為25 mm/h，成災(zāi)雨強為40 mm/h。臨夏市的降水極易誘發(fā)泥石流的暴發(fā)。

2.4 泥石流流體特征

1)泥石流流體重度。根據(jù)泥石流易發(fā)程度數(shù)量化評分(N)與重度、(1+φ)關(guān)系對照表查找，崔家溝泥石流容重為1.579 t/m3。根據(jù)泥石流形態(tài)調(diào)查法，確定臨夏市崔家溝泥石流溝流體密度平均約為1.50 t/m3。經(jīng)驗公式法確定泥石流容重為1.332 t/m3，綜合分析確定該泥石流流體的重度取值為14.70 KN/m3。

2)泥石流流量。泥石流流量采用配方法計算：

Qc=QB(1+φ)×D

百年一遇清水流量按水利部門經(jīng)驗公式計算：

QB(1%)=19.3F0.68

泥石流百年一遇流量為6.98 m3/s。

3) 泥石流一次最大沖出量。一次最大沖出量計算采取經(jīng)驗公式：WH=0.278·Qc·T

泥石流一次性最大沖出量為0.34×10 m3，泥石流規(guī)模屬小型。

4)泥石流流速。稀性泥石流流速計算可采用鐵一院(西北地區(qū))經(jīng)驗公式：

Vc=(15.3/a)Hc2/3Ic3/8

計算結(jié)果為7.22 m/s。

2.5 泥石流危害特征

2.5.1 歷史災(zāi)情

崔家溝是一條低易發(fā)稀性泥石流溝，歷史上曾發(fā)生過多次泥石流，但因流域面積小，泥石流造成的經(jīng)濟損失小。據(jù)調(diào)查訪問，2010年8月，砂子洞溝、17巷溝泥石流發(fā)生泥石流，造成經(jīng)濟損失21萬元。

2.5.2 災(zāi)害現(xiàn)狀

1)崔家溝泥石流現(xiàn)狀危害范圍。崔家溝泥石流溝口堆積扇形態(tài)明顯，扇頂高程1 918 m，前緣高程1 906 m。目前，該溝泥石流主要危害的對象是為溝道左岸頂部潮音寺及溝口居民區(qū)。

2)泥石流的危害方式。崔家溝泥石流的危害方式主要為淤埋和漫流。(1)溝口已有攔攔、排導(dǎo)工程淺，泥石流在過流斷面相對較小地段排泄不暢，極易翻過排導(dǎo)槽，使得泥石流對排導(dǎo)槽東西兩側(cè)的房屋造成撞擊、爬高的危害；(2)泥石流對溝道的沖刷和磨蝕危害；(3)泥石流對公路、農(nóng)田的淹埋危害。

3)泥石流危害程度預(yù)測及危險性分區(qū)。

(1)危險區(qū)預(yù)測。崔家溝泥石流為稀性泥石流，其擴散角一般為15°左右，其危險性區(qū)范圍可用覆蓋范圍法確定。計算公式如下：

L=60Qci0.7

經(jīng)計算，崔家溝泥石流危害區(qū)的最遠距離為100 m，泥石流擴散最大寬度約為130 m，泥石流最大淹沒范圍約為13 000 m2。危害性預(yù)測：根據(jù)計算的崔家溝泥石流危險區(qū)，預(yù)測該泥石流溝危害對象包括村民和北山小學。崔家溝溝口兩側(cè)有村民和北山小學，一旦崔家溝發(fā)生較大規(guī)模的泥石流時，泥石流可能翻過排導(dǎo)槽，沖進該戶人家，威脅人數(shù)55人,威脅財產(chǎn)60萬元。

(2)危險性分區(qū)評價。根據(jù)臨夏市崔家溝泥石流的發(fā)育特征、形成規(guī)模、堆積區(qū)地形特征及居民點的分布情況，結(jié)合歷次災(zāi)害性泥石流沖淤范圍等，并通過對歷史泥石流的調(diào)查訪問和收集資料，可將泥石流危害區(qū)分為危害區(qū)與一般危害區(qū)(或稱波及區(qū))。一般危害區(qū)(或波及區(qū))：主要指臨夏崔家溝泥石流溝的形成區(qū)和流通區(qū)，該區(qū)域人員及建筑物稀少，威脅對象主要為隨機出現(xiàn)于該處的人員，可能造成的危害程度較輕，該區(qū)約占整個危害區(qū)面積的87.8%。危害區(qū)：主要指臨夏崔家溝泥石流溝的堆積區(qū)，該區(qū)域建筑及人員密集分布，威脅對象主要為溝口處的居民房屋、北山小學以及環(huán)北路過往的行人和車輛等，可能造成的危害程度嚴重，該區(qū)約占整個危害區(qū)面積的12.2%。

3 泥石流災(zāi)害風險評估

3.1 易發(fā)性評價

依據(jù)《泥石流易發(fā)程度數(shù)量化表》，對崔家溝泥石流易發(fā)程度進行數(shù)量化評分，得分為84分，確定崔家溝泥石流易發(fā)程度為低易發(fā)。

3.2 易損性評價

3.2.1 評價單元劃分

本次評價過程中，泥石流堆積區(qū)、形成區(qū)和溝道中部的不穩(wěn)定斜坡分別作為一個評價單元，共3個評價單元。

3.2.2 評價因子選取

評價因子包括生命易損性指標、經(jīng)濟易損性指標兩個因子。

3.2.3 易損性評價計算

(1)評價單元內(nèi)評價指標值統(tǒng)計。依據(jù)臨夏市地質(zhì)災(zāi)害評估價格標準，對各評價單元內(nèi)的承災(zāi)體的財產(chǎn)價值指標進行統(tǒng)計；人口的統(tǒng)計以評價單元內(nèi)的戶數(shù)為主(見表1)。

表1 崔家溝泥石流易損性評價指標值統(tǒng)計一覽表

(2)易損性值歸一化指數(shù)計算。分區(qū)單元的易損性值歸一化指數(shù)用下列公式計算：

Y損ij=Yij/Yjmax

(3)易損程度Y損的取值。將兩種因素易損性進行疊加，對所屬單元進行社會經(jīng)濟易損性信息的提取和數(shù)字化。數(shù)字化后所得的結(jié)果見表2。

(4)易損性評價結(jié)果分析及區(qū)劃。根據(jù)各單元地質(zhì)災(zāi)害易損性分區(qū)計算結(jié)果，崔家溝泥石流災(zāi)害高易損區(qū)集中在泥石流覆蓋區(qū)和不穩(wěn)定斜坡分布區(qū)，面積0.047 km2。不易損區(qū)集中在泥石流形成區(qū)、流通區(qū)，面積0.091 km2。

表2 各單元地質(zhì)災(zāi)害易損性值一覽表

3.3 泥石流災(zāi)害風險性評估

1)評價單元和評價因子。同危險性評價一致。

2)風險性評價分級標準。本次將調(diào)查區(qū)地質(zhì)災(zāi)害風險性劃分為四個級別：H級—地質(zhì)災(zāi)害高風險區(qū)、M級—地質(zhì)災(zāi)害中風險區(qū)、L級—地質(zhì)災(zāi)害低風險區(qū)、VL級—地質(zhì)災(zāi)害極低風險區(qū)。

3)風險性評價結(jié)果分析及區(qū)劃。根據(jù)各單元地質(zhì)災(zāi)害風險性分區(qū)計算結(jié)果，崔家溝泥石流災(zāi)害中風險區(qū)集中在泥石流覆蓋區(qū)和不穩(wěn)定斜坡分布區(qū)，面積0.047 km2，低風險區(qū)集中在泥石流形成區(qū)、流通區(qū)，面積0.091 km2。

4 災(zāi)害防治方案討論

根據(jù)崔家溝的地形條件、固體松散物質(zhì)分布、地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育特征、引發(fā)因素、成災(zāi)方式和危害特點等，可采取如下防治方案：

(1)排導(dǎo)方案：在泥石流溝口堆積扇上修建排洪堤，將泥石流有效地排導(dǎo)至北干渠內(nèi)，以保護溝口段居住的居民、學校的安全。

(2)攔擋方案：在泥石流溝道的中下游段修建1—2座攔擋壩，攔截溝道內(nèi)的松散的固體物質(zhì)，減輕溝口排導(dǎo)工程的排導(dǎo)壓力。

5 結(jié)語

崔家溝為低易發(fā)稀性泥石流溝，泥石流處于發(fā)展期，有繼續(xù)發(fā)育和發(fā)展的良好溝道條件、豐富的物源儲備和積累、極高的爆發(fā)頻率、良好的水源條件及觸發(fā)因素。泥石流活動強度較強，致災(zāi)能力較強，受災(zāi)體處于危險工作狀態(tài)，成災(zāi)可能性大。根據(jù)崔家溝溝道的現(xiàn)狀，溝口建筑物布局及其排洪現(xiàn)狀，本著因地制宜、減少投資，保護有效的原則，建議在溝內(nèi)修建攔擋壩穩(wěn)坡，攔沙，溝口修建排導(dǎo)堤或排導(dǎo)溝，同時在流域內(nèi)配套相應(yīng)的植樹造林等水保生物措施，對崔家溝泥石流溝進行全面地治理。

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P642.23

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1004-1184(2017)05-0129-03

2017-05-02

方好麒(1982-)，男，河南滎陽人，工程師，主要從事水工環(huán)地質(zhì)工作。