甘肅武山縣蘭家溝泥石流危害特征及治理方案

張治家

(甘肅省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第二地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，甘肅 蘭州 730020)

武山縣地處西秦嶺山地和隴中黃土高原的過渡地帶，地震背景、地質(zhì)條件復(fù)雜，生態(tài)環(huán)境脆弱，斷裂發(fā)育，巖體破碎，山高谷深，溝壑縱橫，地質(zhì)災(zāi)害極其發(fā)育，危害嚴(yán)重[1]。本文對(duì)甘肅武山縣蘭家溝泥石流危害特征進(jìn)行分析，進(jìn)而提出治理方案，為地方政府防災(zāi)減災(zāi)提供可靠的數(shù)據(jù)支持。

1 概況

蘭家溝位于武山縣城西北約25 km的樺林鄉(xiāng)境內(nèi)，渭河左岸，流域面積8.64 km2，屬渭河北岸一級(jí)支流；處于隴中南部冷溫帶半濕潤氣候區(qū)，降雨主要集中在6—9月份，常以大雨或暴雨形式出現(xiàn)；研究區(qū)為一常年流水溝谷，流域形態(tài)呈“樹枝”狀，主溝長2.76 km，落差159 m，流量約5.0 L/s；屬溫帶草原土壤區(qū)，主要包括黑壚土、黃綿土、褐土和山地草甸土，砂礫含量較高，松散，固結(jié)能力差，抗侵蝕能力弱，水土流失嚴(yán)重；植被覆蓋率一般10%，除溝腦地帶殘留小面積喬、灌林木外，草本植物多殘存于溝壑及陡坡地段。

2 地質(zhì)環(huán)境條件

2.1 區(qū)域地質(zhì)特征

武山縣位于隴西旋卷構(gòu)造體系與祁呂賀蘭“山”字形構(gòu)造體系前弧西翼的復(fù)合部位，由一系列北西向壓扭性、扭性斷裂及褶皺組成，次級(jí)構(gòu)造復(fù)雜，斷裂的特點(diǎn)是規(guī)模大，并具多期活動(dòng)性，對(duì)挽近盆地的堆積起到控制作用。區(qū)內(nèi)主要次級(jí)構(gòu)造為邊家山—漳縣—武山“S”形構(gòu)造，發(fā)育于馬力—鴛鴦一線以西，由眾多斷裂褶皺組成，構(gòu)造線走向?yàn)镹W、NWW，以東漸向南轉(zhuǎn)而走向NNW。主要出露燕山期酸性巖漿巖和第四系黃土與殘—洪積物及泥石流堆積物。前者主要分布于蘭家溝支溝內(nèi)，呈不規(guī)則的巖基狀，主要為中—中粗?；◢弾r；后者主要為中更新統(tǒng)離石黃土、上更新統(tǒng)馬蘭黃土和全新統(tǒng)殘坡—沖洪積物及泥石流堆積物。

2.2 水文地質(zhì)特征

武山縣地處西秦嶺山地和隴中黃土高原的過渡地帶，地勢(shì)東北高西南低，最高點(diǎn)為尖角山，海拔2 446 m，最低點(diǎn)為謝家坡，海拔1 610 m，相對(duì)高差836 m。地貌依據(jù)成因和形態(tài)特征分為侵蝕堆積河谷平原和構(gòu)造剝蝕低山丘陵兩種類型。主要地下水類型為基巖裂隙水、黃土孔隙裂隙水和河(溝)谷松散巖類孔隙水。

2.3 新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)

區(qū)內(nèi)新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)比較活躍，以差異性升降運(yùn)動(dòng)為主，形成了渭河Ⅰ—Ⅸ級(jí)階地，各階地高差、級(jí)差5～75 m，存在多級(jí)階地，高差變化懸殊。

區(qū)內(nèi)處于銀川—武都南北向地震帶和天水—蘭州東西向地震帶的交匯部位，地震背景復(fù)雜，活動(dòng)頻繁，發(fā)生五級(jí)以上地震6次，抗震設(shè)防烈度為8度，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.20 g。

2.4 巖土體工程地質(zhì)特征

區(qū)內(nèi)屬隴東隴西黃土高原工程地質(zhì)區(qū)隴西黃土丘陵穩(wěn)定—較不穩(wěn)定亞區(qū)，細(xì)分為塊狀堅(jiān)硬侵入巖巖組、碎石土和黃土狀土工程地質(zhì)類型。前者分布于蘭家溝支溝內(nèi)，堅(jiān)硬致密，抗壓強(qiáng)度208～252 MPa；中者主要分布于蘭家溝流域內(nèi)基巖山體表層及、緩坡及谷地底部地帶，厚度4～8 m，碎石成分主要為花崗巖，無分選性，承載力300～350 kPa；后者主要分布于蘭家溝溝口至主溝中游上溝村一帶，連續(xù)性差，厚5～10 m，承載力150～200 kPa。

3 泥石流發(fā)育特征

3.1 泥石流的形成條件

蘭家溝為典型的溝谷型泥石流溝，主溝上游發(fā)育3條較大支溝，平面組合形態(tài)呈“樹枝”狀，利于降水的迅速匯集，走向呈西南—東北向，主溝溝道長2.76 km，較為順直，溝谷沖蝕、下切較為強(qiáng)烈，主溝最大高差159 m，溝道剖面形態(tài)呈“U”字形，在泥石流長期淤埋作用下，在溝口形成了早期泥石流堆積扇。

(1)陡峭的地形：主溝上游支溝內(nèi)山勢(shì)陡峭，山坡坡度多在30°以上，支溝中、上游橫剖面形態(tài)呈“V”字形，谷底寬8～15 m，較為狹窄，局部存在溝道淤積現(xiàn)象，堆積大量泥石流沖洪積物和采石廢渣，在支溝上游中見1處跌水陡坎；各支溝溝谷地段下游呈“U”字形，溝谷寬度約20 m。

(2)充沛的水源：區(qū)內(nèi)雨季6月底—9月底，降雨量約占全年的65.2%；日最大降水量為87.5 mm，小時(shí)最大降水量為38.9 mm，十分鐘最大降水量為19.9 mm，一場(chǎng)連續(xù)降水最大強(qiáng)度可達(dá)100.7 mm；當(dāng)10分鐘降雨量達(dá)到10 mm就可形成泥石流。

(3)流域中松散固體：區(qū)內(nèi)松散固體物質(zhì)來源主要有采石廢渣、滑坡、溝岸坍塌、坡面侵蝕及溝床沖刷，經(jīng)計(jì)算流域內(nèi)固體松散物質(zhì)總儲(chǔ)量約為486.6×104m3，可轉(zhuǎn)化為泥石流固體松散物質(zhì)總量為387.26×104m3。

3.2 泥石流的發(fā)育特征

蘭家溝泥石流為典型的暴雨侵蝕高頻溝谷型黏性泥石流，可細(xì)分為形成區(qū)、流通區(qū)和堆積區(qū)。形成區(qū)位于蘭家溝流域中上游地帶，面積8.50 km2，占流域總面積的98%；地形高差大，流域內(nèi)山坡坡度一般在30°～60°之間，產(chǎn)生泥石流的地形地貌條件和水動(dòng)力條件優(yōu)越，主溝及支溝兩側(cè)溝岸的采石廢渣、滑坡、坍塌堆積物及溝道內(nèi)的泥石流堆積物等固體松散物質(zhì)豐富，植被覆蓋率低，面狀沖蝕嚴(yán)重，松散物質(zhì)補(bǔ)給較為充分。流通區(qū)位于主溝下游，面積0.08 km2，溝谷形態(tài)為“U”形，溝道順直，局部寬度大于20 m，以過流為主；現(xiàn)狀溝道兩側(cè)為早期泥石流堆積物，高出溝底2～4 m，局部達(dá)5 m，主要成分以碎石為主，上覆薄層黃土狀粉土，現(xiàn)被村民整平為耕地。堆積區(qū)位于蘭家溝溝口以下，長約750 m，寬約850 m，面積約0.43 km2，高差約67 m，堆積厚度大于6 m，為多期泥石流堆積而成；堆積扇上修建村落、學(xué)校等人為改造現(xiàn)象嚴(yán)重，堆積扇完整性較差。

溝內(nèi)固體松散物質(zhì)主要集中于主溝及支溝兩側(cè)溝道堆積物、溝岸松散坡積體和采石廢渣。在遇到強(qiáng)降雨，雨水順坡面沖刷松散物質(zhì)至沖蝕溝道中，主要以支溝中上游溝岸松散坡積體和采石廢渣等物質(zhì)為主，流體內(nèi)的石塊和泥沙含量不斷增大，加大了泥石流的重度和流量，進(jìn)而形成大規(guī)模泥石流[2]。

3.3 泥石流堆積特征

蘭家溝泥石流溝口堆積形態(tài)為舌形，前端較陡，后部平緩；兩側(cè)較陡，中部平坦，總體寬度隨著距溝口距離的增加而變寬，說明泥石流容重較大，結(jié)構(gòu)密實(shí)，扇長較大；堆積體沒有明顯的水砂分離現(xiàn)象，也沒有明顯的顆粒分選現(xiàn)象；觀察兩層粗顆粒層，厚度10～15 cm，表明泥石流堆積后，后期水流和雨水沖蝕，將細(xì)粒物質(zhì)帶走，剩下中粗粒物質(zhì)和石塊，又被下一次泥石流覆蓋，形成明顯的堆積層面。

4 泥石流危害特征

自20世紀(jì)60年代以來，蘭家溝已有數(shù)次泥石流災(zāi)害發(fā)生，造成直接經(jīng)濟(jì)損失1700余萬元，危害性等級(jí)為特大型。

4.1 泥石流危害對(duì)象

區(qū)內(nèi)泥石流危害對(duì)象主要為溝谷處上溝村、溝口蘭溝村、謝家坡村、樺林鄉(xiāng)中心小學(xué)總計(jì)2 055人的生命財(cái)產(chǎn)及5 000多萬元的資產(chǎn)安全和隴海鐵路線、國道316線的運(yùn)行安全。

4.2 泥石流危害特征

區(qū)內(nèi)泥石流具有暴發(fā)突然、規(guī)模較大、沖擊力強(qiáng)和沖淤變幅大的特征。災(zāi)害性泥石流通常突然爆發(fā)，隨著強(qiáng)降雨的發(fā)生，往往泥石流暴發(fā)僅需十幾分鐘至幾十分鐘不等，對(duì)小氣候范圍內(nèi)泥石流的發(fā)生難于預(yù)測(cè)、預(yù)報(bào)；具有規(guī)模大、流速快等特征，比相似的洪水在流速、流量和泥深上均大50%以上；容重較高，可挾帶巨大的石塊快速運(yùn)動(dòng)，致災(zāi)能力強(qiáng)；含有大量的固體碎屑顆粒，具有驚人的輸移能力和沖淤速度[3-4]。

4.3 泥石流危害形式

區(qū)內(nèi)泥石流危害方式主要為淤埋、沖毀、擠壓主溝道。淤埋對(duì)區(qū)內(nèi)危害最大，泥石流規(guī)模大、流速快，來不及排泄，進(jìn)而越過排洪道，大量的泥沙和石塊停留下來，淤埋村莊和各種設(shè)施。沖刷常表現(xiàn)為受暴雨影響，大量坡面土體被帶走，土層遭受沖刷減薄，造成水體流失；沖刷貫穿整個(gè)溝道，并不斷接受邊岸及周圍的松散泥沙和石塊，隨著重度不斷增高，對(duì)溝口排洪道一帶和流通區(qū)沖刷增強(qiáng)，致使路基受掏蝕，排洪渠受損。擠壓主溝道常為主溝與較大支溝溝口處在遭受較大規(guī)模的泥石流時(shí)，支溝泥石流沖出的大量固體松散物質(zhì)阻塞溝道，致使上游局部形成堰塞湖，威脅溝谷低洼處村莊和道路安全。

5 治理方案

近年來，蘭家溝已在溝口處和謝家坡修建了排導(dǎo)渠，但不連續(xù)，且未能有效攔蓄上游支溝及主溝溝道內(nèi)的大量松散固體物質(zhì)，易形成漫流、洪流，造成嚴(yán)重的災(zāi)害。

(1)攔擋工程：根據(jù)小路溝、何家溝、大灣溝周邊地形、溝道兩側(cè)固體松散物質(zhì)、壩肩巖土性能、攔擋作用、壩間距及壩基和攔沙庫容等因素，擬在小路溝中下游、何家溝中下游、大灣溝中下游各修建2座攔擋壩，主溝修建1座攔擋壩，共計(jì)7座攔擋壩。擬進(jìn)行泥沙攔蓄，拓寬溝床寬度，提高溝床侵蝕基準(zhǔn)面，調(diào)緩溝床比降，進(jìn)而適當(dāng)降低泥石流的沖刷、搬運(yùn)能力，減輕對(duì)坡腳的沖蝕能力，達(dá)到固溝穩(wěn)坡的目的；此外，形成攔擋防護(hù)體系，適當(dāng)減少上游支溝松散固體物質(zhì)來源和流量，減輕泥石流對(duì)主溝的排溝壓力。

(2)排導(dǎo)工程：根據(jù)上溝村、蘭溝村及謝家坡村現(xiàn)有泥石流堆積現(xiàn)狀、排導(dǎo)渠分布特征，擬在上溝村靠溝道一側(cè)布置單側(cè)排導(dǎo)護(hù)堤工程和蘭溝村第一處過水路面向下游布設(shè)排導(dǎo)渠工程，長度分別為679 m和1 123 m，使區(qū)內(nèi)已建排導(dǎo)渠相連接，約束流動(dòng)方向，有效防治漫流發(fā)生，減少?zèng)_刷和掏蝕溝岸，避免淹埋耕地，保護(hù)溝道兩側(cè)人民群眾生命和財(cái)產(chǎn)安全。

6 結(jié)論

(1)蘭家溝為典型的溝谷型泥石流溝，陡峭的地形、充沛的水源和流域中松散固體易形成泥石流，危害性等級(jí)為特大型，主要威脅溝谷低洼居住村民的生命和財(cái)產(chǎn)安全。

(2)蘭家溝泥石流危害對(duì)象為溝谷中游、下游及溝口堆積區(qū)，危害方式為淤埋、沖毀、擠壓主溝道；擬修建7座攔擋壩、679 m單側(cè)排導(dǎo)護(hù)堤工程和1 123 m排導(dǎo)渠，有效保護(hù)區(qū)內(nèi)人員和財(cái)產(chǎn)的安全。