柏水溝泥石流震后特征及發展趨勢研究

穆 鵬

(1.武警工程學院,陜西西安 710086;2.長安大學西部礦產資源與地質工程教育部重點實驗室,陜西西安 710054)

柏水溝泥石流震后特征及發展趨勢研究

穆 鵬1,2

(1.武警工程學院,陜西西安 710086;2.長安大學西部礦產資源與地質工程教育部重點實驗室,陜西西安 710054)

地震;泥石流;發展趨勢;危害程度;柏水溝

“5?12”汶川地震除直接造成了嚴重的人員傷亡和財產損失外,還誘發了大量的崩塌、滑坡等次生山地災害。崩塌、滑坡等又為震區泥石流活動提供了豐富的松散固體物質,使這些泥石流溝在今后較長一段時間內處于活躍期。以地震重災區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上,預測其發展趨勢,并根據泥石流危險性提出了相應的防治建議。

“5?12”汶川特大地震不僅誘發了大量崩塌、滑坡等次生山地災害,而且為泥石流的形成提供了豐富的固體物質,降低了泥石流暴發需要的激發降水量,使得地震災區泥石流的活動頻率和規模都大大增強[1-2]。隴南地區是汶川地震重災區,是我國四大滑坡、泥石流密集區之一,地質災害的發育程度、暴發頻率、發生規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上,預測其發展趨勢,并提出了相應的防治對策,以期為保障群眾的生命財產安全、實現經濟可持續發展提供參考。

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,流域內最高點海拔 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,前部則被當地村民改造為農田?？傮w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 固體物質補給條件

柏水溝地形陡峻、巖石松散、裂隙發育、風化強烈,加之受地質構造、地震的影響,滑坡、崩塌等不良地質現象十分發育,為泥石流的形成提供了豐富的松散固體物質。①滑坡。經現場調查,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?！?? 12”地震在溝道內引發了多處崩、滑塌,成為溝谷內重要的固體物質補給來源。經調查,溝谷內共有崩、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給泥石流,據調查統計,溝道堆積物總量為 80萬m3。

經調查估算,柏水溝松散固體物質儲量為 54.71萬 m3/km2,松散固體物質總量為 545萬 m3。

1.3 降水條件

大量研究表明,隴南地區泥石流發生的臨界降水量 1 h雨量為 15～20mm、10min雨量為 8～10mm,是甘肅泥石流臨界雨強最小的地區。而流域內暴雨頻發,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。流域內降雨集中、多暴雨、降水強度大,為泥石流災害的發生創造了條件。

2 泥石流的特征

2.1 流域特征

根據泥石流的形成、運移和堆積特征,將柏水溝劃分為泥石流形成區、流通區和堆積區三部分。

形成區面積 9.13 km2,長度 4.4 km。區內溝壑密集,地形高差大,下切侵蝕強烈,谷坡坡度多在 50°以上,匯流面積大,具備泥石流發生的地形條件和水動力條件;滑坡、崩塌等產生的松散固體物質豐富,坡面物質疏松、植被覆蓋率低、面蝕強烈,松散固體物質補給量占流域總補給量的 60%～70%,具備良好的松散固體物質補給條件。

流通區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°。流通區以過流為主,間有侵蝕、搬運與堆積現象,松散固體物質補給量占流域總補給量的 10%～15%。

堆積區位于溝口下游,泥石流堆積形成了面積較大的堆積扇,扇長約 900m,呈中部隆起向側緣、前緣傾斜狀。經人工改造,堆積扇已成為大堡里村村民生產、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行分析,是認識泥石流和設計泥石流防治工程的基礎。由于缺少泥石流發生時的實地觀測數據,我們主要是根據已有資料,類比利用目前泥石流運移特征及動力特征研究成果對柏水溝泥石流流體特征進行分析[4]。

(1)泥石流容重。據調查,溝內松散固體物質儲量為 545萬 m3,采用經驗公式

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

經計算,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為泥石流溝定重現期的清水流量,采用隴南地區經驗公式計算,選擇重現期為 100年,m3/s;QC為與 QB相同重現期的泥石流流量,m3/s;D為堵塞系數,取 1.0;φ為泥石流流量增加系數;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日柏水溝發生了一次100年一遇的泥石流,歷時30min,是當地有明確記錄的最大規模的一次泥石流災害。采用經驗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,取 0.1～0.5;H為單位時間最大降水量,mm/h;α為系數,取 0.3;其余參數意義同上。

經計算,柏水溝泥石流一次最大沖出量為 4.95萬 m3。

3 泥石流溝發展趨勢與危害程度預測

3.1 泥石流溝發展趨勢

柏水溝泥石流發展趨勢受諸多因素影響,主要包括以下幾個方面:

(1)區域構造運動導致兩側山體不斷隆升,溝谷下切侵蝕強烈。柏水溝屬發展期(壯年期)泥石流溝,加之巖土體結構特殊,溝岸滑坡、崩塌現象層出不窮,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,為泥石流的形成提供了源源不斷的松散固體物質,加劇了泥石流災害的發生。

(2)地震對該區巖土體結構的破壞性非常大,對泥石流起到了激發和加劇作用。2006年 6月 21日臨江地震、2008年“5?12”汶川地震對當地的溝谷、溝岸造成了不利的影響,溝岸局部發生的崩塌、滑坡堵塞溝道。尤其是在柏水溝中下游一帶,溝岸兩側產生的滑塌體堆積于溝道中,嚴重堵塞溝道,加劇了泥石流暴發的危險性,一旦遇強降雨有可能誘發較大規模的泥石流災害。

(3)區內生態環境脆弱,水土流失嚴重。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,泥石流發生的速度、頻率不斷提高。

綜上所述,該溝在其自身地質環境、新構造運動、地震、地質外營力等因素的綜合影響下,泥石流災害活躍,發生的頻率和規模都在不斷增大。

3.2 泥石流危害程度預測

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

(1)淤埋大堡里村民房、公共設施和農田。中、小規模的泥石流出溝后,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,在南側河灘漫流、淤埋農田,造成人員傷亡和財產損失。

(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。該溝位于武都城區上游,現河床已高出武都城區中心 2.1m,造成城區內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、水質惡化,降低了建筑物基礎強度,縮短了使用壽命。

(3)誘發溝內不良地質作用,加速生態環境惡化。因長期的暴雨沖刷,溝內經常發生溝岸坍塌補給泥石流的現象,在溝岸兩側堆積了大量的泥石流堆積物。不良的地質作用,加上不合理的采石、砍伐、墾殖活動,導致生態環境惡化、人地關系極不和諧。

(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,高速公路基礎設施和今后的通行安全也受到溝內泥石流的威脅。

3.3 泥石流危害程度分區

根據泥石流的發育特征、形成規模、堆積區地形特征及居民點的分布情況,結合歷次災害性泥石流沖淤范圍等,將該溝泥石流危害區分為嚴重危害區與一般危害區。①嚴重危害區。分布于柏水溝下游堆積區東部,包括大堡里村所在地。特大暴雨誘發的泥石流會嚴重威脅村民的生命財產安全。同時,武罐高速公路的武都出入口也設在嚴重危害區范圍內,作為高速公路的輔助設施,將架設出入高速公路的立交橋,若暴發大規模泥石流將會損壞立交橋等輔助設施,進而威脅到高速公路通行安全。②一般危害區。主要分布于堆積區西部,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

根據柏水溝泥石流的形成、運移和堆積特征以及成災方式、危害特點,提出以下防治建議:①攔排結合,以攔為主。柏水溝泥石流松散固體物質主要來源于溝岸兩側的滑坡、崩塌體,因此治理時要以攔擋為主,即利用攔擋壩攔蓄泥沙、穩固兩側溝岸、抬高侵蝕基準面,達到穩定溝槽的目的。另外,溝口村落建筑密布,必須輔以排導措施,疏導泥石流,防止突發大規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滑坡和崩塌的堆積物,使現有的松散固體物質就地穩定下來,盡量減少向下游輸移的固體物質數量。

5 結 語

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

(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、流通區和堆積區。

(3)調查研究表明,溝內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,松散固體物質儲量豐富。該溝泥石流誘發雨量小,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)該溝在其自身地質環境、新構造運動、地震、地質外營力和人類工程活動等因素的綜合影響下,泥石流災害活躍,泥石流發生的頻率和規模都在不斷增大。根據該溝泥石流的形成、運移和堆積特征、成災方式和危害特點,提出攔排結合、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急判識方法與指標[J].山地學報,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].四川大學學報:工程科學版,2009,41(3):131-139.

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

[4]DZ/T 0220—2006,泥石流災害防治工程勘查規范[S].

P642.23

A

1000-0941(2011)04-0057-03

武警工程學院基礎研究基金資助項目(WJY 201038);長安大學西部礦產資源與地質工程教育部重點實驗室開放基金項目(CHD2010JC 146);交通運輸部行業聯合科技攻關項目(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方面的研究。

2010-09-15

(責任編輯 李楊楊)