淺析甘肅舟曲縣泥石流地質災害形成原因及防治措施

黃文勝

(甘肅省水利水電勘測設計研究院第二分院,甘肅隴西 748000)

2010年 8月 8日凌晨,甘肅省舟曲縣發生特大山洪泥石流災害(以下簡稱“8.8”特大山洪泥石流),給當地人民群眾生命、財產造成慘重損失。筆者根據災后泥石流溝道的應急搶險勘察及其后泥石流排洪溝道的勘察情況,就泥石流形成條件、形成機制進行了調查分析,并在此基礎上提出了對泥石流災害的防治措施。

1 災害的誘發因素

舟曲縣水資源相對豐富,白龍江、拱壩河、博峪河由西北流向東南,其在舟曲縣境內流程分別為67.5,78.5,37.5 k m。這 3條河及其支流多年平均徑流量36.98億 m3。流域內降雨充沛,年均降雨量600～800mm,降水比較集中,暴雨多,雨量大,突發性降雨多于一般性降雨,集中降雨是泥石流災害的誘發因素。

2 泥石流災害形成的基本條件

2.1 地形地貌

舟曲縣地處西秦嶺南脈山區的岷迭山系之隴南山地,白龍江上游,山體高聳挺拔,地勢險峻,河谷深切,水流湍急。流域中上游山地以中、高山為主,山高坡陡,坡度一般大于 40°,局部 60°以上,溝谷沖蝕,切割強烈,支溝發育,沿主溝呈樹枝狀分叉,主溝中上游及支溝呈 “V”型,平均縱坡比降 25% ～30%,下游溝谷呈 “U”型,平均縱坡比降 18% ～21%,堆積區呈扇狀,向白龍江傾斜,坡度 8°～10°。

2.2 地層巖性和地質構造

區域地質構造上,本區位于秦嶺褶皺系 -西秦嶺南部印支褶皺帶,北以臨潭 -宕昌斷裂帶與西秦嶺北部華力西褶皺帶分界,南以瑪曲 -石坊 -岸門口 -略陽斷裂帶與松潘 -甘孜地槽系毗鄰,構造線方向呈 NWW-S E E展布,南北寬超過 40 k m,東西長超過 200 k m。本區地處西秦嶺南部褶皺帶內的白龍江背斜北東翼上,構造線沿 NW285°～355°形成大致平行的擠壓帶,構成了區域內的褶皺、斷裂構造框架。區內發育的斷裂主要為臨潭 -宕昌斷裂帶和迭部 -舟曲斷裂帶,每條斷裂又有分支斷裂。整個區域處于蔥地 -鐵家山和坪定 -化馬兩條斷裂帶所夾的斷塊中,區域內出露地層為中泥盆統(D2)古道嶺組g)及二迭系(P),巖性主要有灰巖、白云質灰巖、鮞狀灰巖、炭質板巖、千枚巖及砂巖,巖層軟硬相間,風化強烈,斷裂兩側褶曲發育,巖體破碎,殘坡堆積層廣泛分布于各溝坡低洼地帶,松散,易被沖蝕,厚約0.3～3 m。溝道中部分布滑坡、崩塌、坍塌及溝道洪積物等第四系(Q4)松散堆積物。

2.3 不良物理地質現象

受白龍江背斜核部及其兩翼炭質或含炭千枚巖、板巖和地質復雜構造復合、疊加和強烈的構造擠壓,以及晚更新世以來區域地殼活動影響,舟曲縣城、周邊地域及其白龍江上游地區河谷深切,三眼峪、羅家峪均處于白龍江北岸中、高山區,流域內最高海拔3828.0 m,最低處白龍江入口海拔1326.3 m,相對高差2143.0～2502.0 m。山勢由北向南傾斜,山峰林立,溝谷切割強烈,加之從 20世紀中葉以來的大面積毀林墾荒等活動,使區內天然植被生態系統遭受了嚴重破壞。因此區內巖體卸荷變形、崩塌、滑坡和泥石流頻繁發生;降雨量豐富,又多為突發性暴雨形式,時間集中在 7、8、9月,使崩塌、滑坡、泥石流等物理地質現象十分突出,尤其是白龍江沙川壩 -武都河段滑坡、泥石流活動頻繁且規模很大。區內不良物理地質現象主要表現在以下方面。

(1)山體傾倒變形與卸荷。溝道中上游段地勢陡峻,溝谷深切,岸坡巖石中軟弱易滑、易變形、易碎的各種千枚巖、板巖和砂巖分布普遍,傾倒巖體比較發育,其厚度一般為 5～10 m,體積小,經常發生崩塌,是泥石流固體物質來源之一。

(2)滑坡相伴而生泥石流。泥石流多與滑坡相伴而生,泥石流頻發的溝中普遍存在滑坡或滑坡群。白龍江兩岸大型滑坡主要分布在中上游河段兩岸,大小滑坡有 100余處,大多分布于左岸。三眼峪溝、羅家峪溝中上游段地勢陡峻,溝谷深切,次級支溝十分發育,岸坡巖體軟弱易滑,溝兩岸滑坡或滑坡群發育,大多滑坡體前緣已至溝中,滑坡堆積物成為泥石流固體物質的主要來源。縣城白龍江南北兩岸由于山地植被稀疏,坡體陡峻,水土流失嚴重,多在暴雨之后,山洪攜帶大量碎石、泥沙等,形成泥石流,對白龍江河道及堤壩破壞作用強烈。據地質調查,城區北側分布的泥石流規模大、危害大、發生頻率高。舟曲境內較大泥石流溝左岸有寨子溝、老鴉溝、硝水溝、三眼峪溝、羅家峪溝,右岸有河南村溝。

2.4 水文地質條件

區域溝道內常年有地表徑流,在無大雨時地表徑流相對穩定且較小,但若降雨量大,降雨歷時長,降雨籠罩面積大,則地表徑流增大,降雨強度愈大,所產生的洪峰流量也愈大。三眼峪溝、羅家峪溝平常徑流量約為0.19 m3/s和0.14 m3/s,頻率 5%時洪峰流量約為 136 m3/s和 98 m3/s,頻率 10%時洪峰流量約為 136 m3/s和 98 m3/s。 “8.8”三眼峪泥石流最大流量達 2000 m3/s,泥石流沖出山口瞬時速度達 10 m/s,羅家峪泥石流最大流量達 300 m3/s。這次洪峰流量大 ,而且沖刷能力強,不僅搬運松散堆積物,且可搬運巨大巖塊,“8.8”泥石流后溝口堆積巖塊最大尺寸達十多米,重達上百噸。

區內的地下水,按含水層性質和地下水賦存條件可分為基巖裂隙水和第四系孔隙水兩種類型。

(1)基巖裂隙水。主要賦存于溝道兩側中低山區及溝腦中高山區和溝谷區的基巖表層風化帶和斷裂構造裂隙中,主要受大氣降水補給,溝谷底部受第四系潛水補給,而溝谷兩側基巖裂隙水向溝谷排泄,補給孔隙潛水,部分形成溝谷地表徑流。

(2)第四系孔隙潛水。主要賦存于溝床及其兩岸洪積扇下部的砂礫碎石土層中。溝床地下水埋深0.3～0.5 m,洪積扇地下水埋深3.5～8.5 m,滲透系數 20～40 m/d,第四系孔隙潛水主要受大氣降水和溝谷兩側基巖裂隙水補給,在沿溝谷徑流時與地表徑流相互轉化。

3 泥石流形成的機制

(1)有豐富的泥石流固體徑流物質來源。三眼峪溝、羅家峪溝泥石流形成區,兩岸谷坡巖體風化強烈,滑坡、崩塌體普遍發育,在千枚巖、板巖構成的山坡及坡腳,堆積有崩、坡積塊石碎石土,厚度變化較大,結構疏松,多具架空結構,最大塊石直徑約 2 m,一般 20～30 cm,含 20%～30%的砂壤土。

在沖溝溝底,為塊碎石土或砂礫碎石土,厚度 8～30 m不等,局部大于 35 m。塊碎石是以棱角狀的巖石塊體和碎石混雜堆積,有少量泥土充填于空隙間,主要為灰巖、砂巖、千枚巖等,粒徑大小混雜,結構疏松,質地不均。

強降雨致使兩岸滑坡、崩塌以及溝道內溝床松散堆積物為泥石流形成提供了大量的松散固體物質,這些固體物質是這次泥石流固體徑流物質的主要來源。

表1 溝道取樣顆粒級配分析

對三眼峪溝和羅家峪溝溝口洪積扇“8.8”特大泥石流堆積物取樣進行室內顆粒級配分析(見表1)。分析結果表明:洪積砂礫碎石量大,天然滲透系數較大。這樣在暴雨或陣雨形成的條件下,天然降水量集中,歷時長,使得徑流量陡然增大,洪水沖刷力加大,使原本疏松的地表造成崩塌、滑坡,從而容易形成較大的泥石流。

(2)泥石流溝道的形態特征便于泥石流物質匯集、蓄積能量、高速徑流。此次泥石流山洪災害形成的溝道(三眼峪溝、羅家峪溝)均位于縣城東北側,溝道長度較短,比降大,洪水流速較大,在溝口發育一定規模的泥石流及洪水洪積形成的洪積扇,其前緣伸入白龍江河床。

三眼峪溝流域屬白龍江左岸一級支流,是一條災害性泥石流溝。溝內轄區面積約25.75 k m2,呈“瓢”狀。三眼峪溝流域最高海拔 3828 m,最低海拔僅有 1340 m,落差高達 2488 m,主溝由大眼峪溝和小眼峪溝組成。羅家峪溝與三眼峪溝相鄰,流域面積15.43 k m2,主溝 8 k m,溝道流域最高海拔3410 m,入白龍江口 1320 m,相對高差 2090 m。流域上游為中高山區,山高坡陡,地勢險峻,溝谷沖蝕、切割強烈,支溝發育,沿主溝呈樹枝狀分叉,呈“V”字型,溝中有常年性流水。兩側山坡坡度大都在 45°～50°以上。長期以來的泥石流在三眼峪溝與另外幾條大溝的匯合處淤積,形成了一個面積約0.87 k m2的泥石流洪積扇。從三眼峪溝溝口到白龍江江邊的這塊空地看起來像一把扇子,地形相對平緩,舟曲縣城和城郊的 10個自然村就坐落在這泥石流洪積扇上。

泥石流形成區山高坡陡,溝谷沖蝕,切割強烈,支溝發育,有豐富的固體徑流物質來源,便于泥石流物質匯集;流通區為主溝下游,溝道縱比降大,溝谷順直,兩側山坡坡度陡峻,溝道束窄,使泥石流流速大,能量高,過流迅猛;出溝后的堆積區洪積扇地形相對平緩,大部被開發為城郊居民區和部分縣城區,僅留有約 4 m寬的地表徑流溝槽,泥石流出山后失去兩岸山坡約束,但流速高,沖擊力大,其過流區建筑損毀嚴重,人民生命財產遭受慘重損失。

(3)集中強降雨的誘發。2010年 8月 7日 23時許,甘肅省甘南州舟曲縣城北部山區突降特大暴雨,時最大降雨量達77.3mm。瞬間性集中強降雨在舟曲縣城北面的羅家峪、三眼峪等 4條溝的地質及地形條件下,大量的水體浸透山坡或溝床中的固體堆積物質,洪積粉細砂和砂礫碎石土,使其穩定性降低,飽含水分的固體堆積物質在自身重力及洪水沖刷作用下發生運動,出現特大山洪泥石流,由北向南橫穿縣城北部涌入白龍江,泥石流截斷白龍江,形成長1.5 k m、寬 100～120 m、水深 10 m、蓄水量約150萬 m3的堰塞湖,白龍江河床抬高近 10 m,縣城約 1/3被淹,城內大面積積水,街道上水深超過 2 m,積水最深的路段水深達 3～4 m。泥石流長約5000 m,平均寬度 300 m,平均厚度 5 m,總體積 750萬 m3,流經區域被夷為平地?？h城白龍江沿岸防洪堤基本全部淹沒。集中強降雨誘發本次山洪泥石流災害的發生。

4 歷史泥石流的活動狀況

據有關資料記載,自 1823～2000年以來的 170多年間,三眼峪溝曾爆發過 11次較大規模的泥石流災害。1992年 6月 4日,舟曲驟降暴雨,引發 50 a一遇的大規模泥石流。小規模泥石流在三眼峪二級支溝每年都有發生,較大規模泥石流平均 2～3年也會發生 1次。

在歷史上的幾次大地震中,崩塌的山體在溝內形成了 4座高 80～283 m的巨大淤積石壩,淤積石壩攔蓄了溝內大部分泥沙,造成三眼峪溝等泥石流溝內的堆積物增多。三眼峪溝內和溝道堆積物超過5000萬 m3,其中 2000萬 m3堆積物是不穩定的,突發性降雨時可直接變成泥石流的補給物。

5 人類活動對泥石流的影響

墾荒、放牧、砍柴等人為活動破壞了區內的原始植被,直接誘發了滑坡、泥石流等地質災害的不斷發生。

(1)過度砍伐,開墾坡地,嚴重破壞了原有植被。舟曲縣農業人口近 12萬人,農作物實際總播種面積14360.51 h m2,農業人口平均占有耕地0.08 h m2,單一的產業結構迫使農民大量開墾坡地。多年來,平均每年增加土地面積181.76 h m2,40°以下的坡地大部分被開墾,造成大面積水土流失,為泥石流形成創造了有利條件。

(2)工程建設中進行的大規模的取土削坡等活動,使溝道內的巖體松動,坡腳遭開挖,從而不斷引發崩塌、滑坡,大量的人工棄渣在溝道內堆積,為泥石流形成提供了豐富的松散固體物質。

(3)舟曲縣自建制以來,縣城就一直坐落在三眼峪溝泥石流堆積扇上。過去人口較少,城區集中分布在泥石流危害較輕的白龍江兩岸。自解放及改革開放以來,縣城的范圍迅速擴大(舟曲城區人口從 1996年 2萬多增加到 2010年的 4萬多),受當地地形條件所限,泥石流危險區也被開發,危險區隨著人口的增長而增大。三眼峪溝流域內林地面積減少100 k m2,原始植被受到很大的破壞,加劇了當地水土流失和泥石流的形成。

6 泥石流地質災害的防治

針對泥石流地質災害,應以預防與治理相結合,采取有效的預警機制,合理規劃城市及居民居住區,避開泥石流危險區,加強水土保持、生態環境的改善及工程的綜合治理,避免地質災害的發生。對于泥石流發生過的溝谷,有效治理措施包括生物和工程措施。泥石流災害的防治措施可概況如下。

(1)采用生物措施和水土保持防治。在區域內禁止濫砍濫伐,進行封山育林、植樹種草、保護植被。植被可增加地表對降雨的滯蓄能力,還可保持水土、改善生態環境等,因此要大力保護和治理極易發生滑坡及有泥石流發生的區域的植被。

(2)采用工程措施治理。在三眼峪溝、羅家峪溝進行水利防治。具體措施是在三眼峪溝、羅家峪溝開挖應急排洪槽的基礎上,修建排洪渠道,排洪渠布置均以泥石流溝道出山口為起點,沿現有應急排洪槽布設,將不利于永久布設排洪渠的局部段進行改線,末段匯入白龍江。布設中應充分考慮泥石流溝口段排洪渠與末段白龍江防洪堤的充分銜接。

(3)采取積極有效的監測、預警措施。制定地質災害避防的預案,合理規劃城區建筑和人口布局,疏通排洪溝道,對原有治理工程采取加固和后期規劃工程進行建設,以減輕災害發生的規模和危害,減小災害造成的損失。

(4)利用科學的防洪技術。隨著現代防洪科學技術的迅速發展,對水資源綜合利用的迫切要求,相鄰學科的滲透、促進,以及洪水給人類社會經常造成重大災害損失等,促使人們利用科學的防洪技術。根據山洪災害分布成因、特點及防治任務,以小流域為單元,因地制宜建設包括監測系統、縣級山洪災害防御信息接收平臺、預警系統和群測群防體系組成的山洪災害防治非工程措施平臺。利用新技術、新設備提高洪水預報警報的水平,為山洪災害防治提供先進手段,為指揮調度決策提供科學依據,為社會公眾提供信息服務。

[1] 崔冠英,潘品蒸.水利工程地質學(第二版)[M].北京:水利電力出版社,1989.

[2] 中華人民共和國水利部.G B50487-2008.水利水電工程地質勘察規范[S].北京:中國計劃出版社,2009.

[3] 中華人民共和國國家發展和改革委員會.D L/T 5356-2006,水利水電工程粗粒土試驗規范[S].北京:中國電力出版社,2007.