土佛溝泥石流發育特征的研究

摘 要：基于對武威市涼州區地質災害詳細調查和風險調查，重點分析研究區內土佛溝泥石流災害發育的特征，并針對研究區泥石流具體的危害對象和對受災體的危害情況，提出了相應的治理措施。

關鍵詞：泥石流；特征；治理工程

中圖分類號：P642.23 文獻標志碼：B 文章編號：2095–3305（2024）02–0-03

武威市涼州區金塔鎮土佛溝位于構造剝蝕低中山與山前傾斜平原過渡帶，屬泥石流災害中易發段。但隨著河西地區降雨量及暴雨頻次呈逐漸增加的趨勢，區內泥石流等地質災害活動頻次增加，這給相關區域的地質災害防治工作提出了新的要求。基于對土佛溝泥石流溝攔蓄物源、固坡穩溝、加強疏通、完善排導的基本原則，對其進行工程地質勘查及地質災害治理，改善土佛溝流域尤其溝口及臨近地帶村民生產生活環境，具有十分重要的防災減災意義。

據現場實地調查及訪問流域內年長的村民，土佛溝泥石流溝近年來受災頻率增加，尤其是2018年，由于短時間強降雨極端天氣影響，造成土佛溝暴發泥石流災害，此次災害主要沖毀耕地、灌溉渠等，造成直接經濟損失近千萬元。目前，該泥石流威脅溝口村莊、道路、農田，威脅人口98戶360余人，間接威脅了金塔鎮的吳家臺子村和邢家莊等村社及相關農田地、通信、通電線路等，潛在經濟損失約4 000萬元[2]。

以甘肅省武威市涼州區土佛溝泥石流為研究對象，在現場調查、勘探、無人機測量及以往勘查資料的基礎上，重點調查泥石流特征，分析其形成條件和引發泥石流的成因機制和影響因素，預測泥石流的發展趨勢和危害范圍，最終對其提出相應的治理工程措施，為武威市涼州區境內祁連山山前地帶發育的泥石流工程治理提供參考。

1 泥石流區域概況

1.1 地形地貌

土佛溝為金塔河主要次級支溝之一，流域平面形態呈不規則的長樹葉狀，面積11.98 km2，海拔1 774～

2 545 m，相對高差達771 m。土佛溝溝口以西地貌類型屬構造剝蝕低中山地貌，山體遭受風化、剝蝕，切割較強烈。溝谷中、上游支溝的溝谷橫斷面分別呈深“V”“U”字形，匯水面積較大。切深多為50～200 m，主、支溝溝呈現寬緩“U”形，低山丘陵渾圓狀。主溝道長9.00 km，高差達700 m，溝床平均縱比降8.57%。上游最低點海拔2 216 m，相對高差達329 m，主溝段長2.13 km，溝床平均縱比降15.42%。中游最低點海拔1 875 m，相對高差達341 m，主溝段長4.97 km，溝床平均縱比降6.85%。下游最低點海拔11 774 m，相對高差達101 m，主溝段長1.89 km，溝床平均縱比降5.33%。流域內平均溝壑密度1.06 km/km2。兩側溝坡呈上緩下陡的折線式坡形，上部斜坡坡度一般為15°～30°，下部受側蝕作用多在25°～60°。兩側支溝多呈“V”字形，上游陡、窄，下游舒緩、較寬。在主溝道溝口北側發育一條支溝，呈“V”字形，溝床縱比降10.24%。溝岸滑坡、崩塌等不良地質現象發育，形成重力侵蝕的溝坡地貌形態。土佛溝溝口至金塔河段屬山前傾斜平原，地形相對平坦、開闊，坡度一般在6°～10°，為堆積區，是農田、道路、灌溉渠系及居民區所在地；南營水庫截留地表水自西南向東北通過渠系流經此處。

1.2 地層巖性

土佛溝流域內地層巖性主要有寒武系中下統變質砂巖，分布于勘查區中、上游的南半部，為一套巨厚淺變質的淺海相類復理石建造，主要由變質細砂巖夾千枚狀板巖組成，韻律不完整；第四系上更新統洪積含礫粉土、礫卵石（Q2pl、Q3pl），分布于土佛溝中、下游主溝道及以東的金塔河河谷中，由相互聯結的大、小洪積扇所形成的山前傾斜平原。一般厚度1.5～6.0 m。風積黃土；第四系上更新統風積黃土（Q3eol），分布于中、下游兩岸山梁，在主溝道下游也見零星分布。土黃色，風積成因，垂直節理、裂隙發育，針狀孔隙發育，可見厚度達5.0 m，一般厚度為0.30～1.00 m，披覆分布于基巖之上。

1.3 地質構造

區內新構造運動強度自南而北有逐漸減弱的趨勢，南部祁連山的上升幅度遠大于北部地區。根據《中國地震動參數區劃圖》（GB 18306—2015），勘查區地震動峰值加速度為0.20 g；地震動反應譜特征周期為0.45 s，

抗震設防烈度為Ⅷ度。

1.4 水文地質條件

根據勘查區地下水賦存條件和含水層介質特征，該區地下水類型分為基巖裂隙水和第四系松散巖類孔隙水兩大類。其中，勘查區第四系松散巖類孔隙水主要為溝谷潛水，呈條帶狀或串珠狀分布于土佛溝及其較大的支溝溝床地帶，主要賦存于碎石土層孔隙中，為潛水，由于下伏基座，一般為透水不含水。含水層厚度為0.5～2.0 m，水位埋深一般0.5～8.0 m。由于含水層厚度小，富水性弱，單井涌水量可達10～30 m3/d。

1.5 人類工程活動

勘查區與泥石流災害相關的人類工程活動主要是村莊建設、農業生產、道路、灌溉渠系及其與生產生活有關的附屬工程建設等。在近二三十年以來，由于人口增加，村社擴建使得土佛溝溝口至金塔河段的泄洪能力受到嚴重影響，排導段天然淤堵、人工填塞和擠占現象嚴重。類比土佛溝以南的流水溝、旱溝、寺底溝，及以北的廟溝、松牛溝泥石流災害分析，土佛溝過流斷面不足，為泥石流暴發創造了更好的條件。

2 泥石流形成機制

根據現場調查，土佛溝泥石流的松散固體物質主要來源包括3種類型，分別為滑坡堆積物、崩塌堆積物、溝道與坡面松散物質[1]。

土佛溝內全為土質滑坡，是以斜坡碎石、砂礫夾粉土質為主的堆積層滑坡，此次共確定2處滑坡點，借以反映工作區內滑坡特征，粗略估計區內滑坡總體積約0.014×104 m3。

土佛溝流域內及其下游共確定崩塌13處，借以反映流域內崩塌的分布及其特征，初步估算區內崩塌補給總體積約1.296×104 m3，一般體積300～2 000 m3。

根據現場調查，溝岸坍塌側蝕段長1 600 m，單側坍塌側蝕方量按6 m3/m計，經估算流域內溝岸坍塌側蝕物源量有0.96×104 m3；流域內坡面侵蝕按0.35 m深度計算，結合相關地區DEM數據進行分析計算，以15°～40°區間的面積為重點統計，坡面侵蝕面積約5.85 km2，共計坡面侵蝕物源量205.00×104 m3。

經計算，土佛溝泥石流全流域內殘坡積物總儲存

量為205.96×104 m3。根據土佛溝溝道與坡面松散固體物質的厚度、堆積體的位置、密實固結程度、植被覆蓋率及人類活動強度等因素，經實際測量、勘查和估算，在土佛溝流域內，可逐步轉化為松散固體物質

的總量約為301.77×104 m3，單位面積補給量為25.19×

104 m3·km2。

根據土佛溝流域松散固體物質的分布、發育和泥石流的轉化方式等情況，經測量計算，土佛溝流域內可轉化為泥石流的松散固體物源量為150.885×104 m3，

占松散物源總量的50%。

根據涼州區氣象資料，區內24 h、1 h和10 min最大降水量分別為89.9、43.2和16.0 mm，各數值遠大于土佛溝泥石流可爆發的臨界值。因此，當流域內物源條件滿足時，土佛溝則會暴發泥石流災害。

綜上所述，土佛溝地形陡峭、地質構造復雜，溝道內具有充足的物源，在充足的水源條件下，匯集為強勁水流，沿溝道揭底沖刷和側蝕溝側岸坡，形成坡面坍塌、滑坡，坡面大量松散固體物質匯入水流，傾瀉而下，并撞擊、侵蝕、沖刷中下游溝道及兩側坡腳，不斷形成新的坍塌、滑坡，更多松散固體物質匯入水流，最終爆發泥石流。

3 泥石流運動特征

根據土佛溝泥石流發生時的實際觀測數據，對其運動特征進行定性分析，主要包括泥石流重度、流量、流速、一次泥石流過流總量、一次泥石流固體沖出物和泥石流整體沖擊力[3]。

3.1 泥石流重度

泥石流重度與流域內可補給泥石流的松散固體物質儲備量關系密切，可參考下述經驗公式：

rc=10.6AC0.12（1）

最終計算得泥石流容重為14.37 kN/m3；采用查表法對泥石流進行數量化綜合打分，土佛溝分值為95，對應的重度值為16.55 kN/m3；根據訪問土佛溝經歷泥石流災害的多名村民描述，土佛溝泥石流的流體特征和運動狀態呈稠漿狀，判定其流體重度應在13.0～16.0 kN/m3。按照3種方法綜合確定土佛溝泥石流重度為15.04 kN/m3。

3.2 泥石流流量

結合勘查區所處的地理位置及區內泥石流的發育特征分析，勘查區內泥石流的清水流量用雨洪法進行計算，然后根據計算的清水流量再分別計算泥石流流量。

泥石流流量按配方法計算，計算公式為：

QC=（1+Φc）Qp·DC（2）

清水流量采用本地區暴雨洪峰流量簡易計算公式：

Qp（1%）=0.278RIF（3）

采用雨洪法計算百年、五十年和二十年一遇泥石流流量分別為129.84、103.88和64.92 m3/s。

3.3 泥石流流速

土佛溝泥石流為稀性泥石流，流體是由少量黏性物質組成，紊動強烈，固、液兩相做不等速運動，流速一般較大，根據土佛溝泥石流的實際情況選用西北地區（鐵一院）公式，計算得主溝和支溝擬布設攔擋壩處的泥石流流速分別為2.72、1.83 m/s。

VC=（15.2/a）·HCIc（4）

a=（γHΦ+1）1/2（5）

3.4 一次泥石流過流總量

泥石流一次最大沖出量采用以下經驗公式進行計算，其計算方法主要根據泥石流歷時和最大流量，按泥石流暴漲暴落的特點，將其過程線概化成“三角形”狀（圖1），按下式進行計算：

Q=0.264TQC（6）

根據上述公式可計算得出土佛溝泥石流在百年、五十年和二十年一遇下泥石流最大沖出量6.17×104、4.11×104和2.06×104 m3。

3.5 一次泥石流固體沖出物質總量

一次泥石流沖出的固體物質總量按下式進行計算：

QH=Q（7）

根據上式計算土佛溝泥石流在百年、五十年和二十年一遇工況下泥石流一次泥石流沖出物質總量為1.88×104、1.26×104和0.63×104 m3。

3.6 泥石流整體沖擊力

泥石流整體沖擊壓力δ根據規范按以下公式進行計算。計算公式如下：

δ=（Vc2sinα）·λ（8）

根據上式計算得出土佛溝泥石流整體沖擊壓力為15.07 kPa。

土佛溝泥石流隨著逐年泥石流松散固體物質的淤積，溝道有逐年擴大的趨勢，同時，上、中游物源區的溝道也隨著溝岸坍塌的發育和發展，溝道逐漸向兩側發展，溝道范圍有逐年擴大的趨勢，為泥石流提供了大量的物源，不僅促進了泥石流的發育，還促進了泥石流溝道的持續擴寬。

4 泥石流防治措施

土佛溝泥石流治理工程設計標準按國家《防洪標準》（GB 50201—2014）、《泥石流災害防治工程設計規范》（DZ/T 0239—2004）、《泥石流防治工程設計規范（試行）》（T/CAGHP021—2018）等相關規范和要求執行。土佛溝泥石流設防標準按20年一遇（P=5%）標準設計，防治工程安全等級為三級。

此次設計參數采用治理后的重度進行取值計算，設計流速、流量及沖擊力根據治理后擬布設攔擋壩處特征值計算結果取值。最終確定土佛溝治理工程方案：在土佛溝主溝流通區下游及北側支溝溝口地帶布設2座攔擋壩，目的是對中、上游泥石流固體物質進行攔截，同時起到削減洪峰、調節洪流，減輕或削弱泥石流的形成與強度，進而穩固溝床，減輕沖蝕、破壞作用。結合攔擋工程，在居民居住區和耕地側布設雙側排導堤工程，即達到穩固溝岸，又可保護居民區村民的生命、財產安全，使泥石流按指定路徑排導，防止泥石流對居民居住點沖擊破壞的目的。

5 結束語

泥石流地質災害對社會經濟的發展和人民群眾的生命安全具有廣泛而又深刻的影響，不僅會給人們的財產和生命帶來一定的威脅或損傷，還會給社會環境造成一定的破壞，甚至給社會的和諧發展帶來不利影響[4]。

通過對土佛溝泥石流的發育特征、形成機制等進行研究，計算泥石流運動特征，并對其治理工程措施進行分析，得出以下結論：（1）土佛溝位于構造剝蝕低中山與山前傾斜平原過渡帶，在有利的地形地貌、豐富的松散固體物質和充足的水源3個因素的影響下，促使土佛溝泥石流的形成和發生。（2）針對土佛溝泥石流的流域特點和一次泥石流固體物質沖出量，設計以土佛溝治理后泥石流的重度、流速、流量和沖擊力為參數，在土佛溝泥石流主溝及支溝流通區下游各布設1座攔擋壩；（3）在流通區出口處，居民區和耕地兩側布設雙側排導堤工程，使泥石流順暢排導，保護集中居住點村民的生命、財產安全。

參考文獻

[1] 趙亮.武威市礦山地質災害的危險性評價及治理建議[J].世界有色金屬，2021（15）：166-167.

[2] 袁磊，陳新，吳煥恒，等.席家溝泥石流形成機制及治理工程措施研究[J].路基工程，2020（4）：212-221.

[3] 毛岳.油庫溝泥石流形成條件及防治措施研究[J].甘肅科技，2020，36（16）：59-60.

[4] 鄒根.藏區某擬建水電站1#泥石流溝形成機制及發展趨勢分析[J].珠江水運，2022（17）：105-107.