柏水沟泥石流震后特征及发展趋势研究

穆 鹏

(1.武警工程学院,陕西西安 710086;2.长安大学西部矿产资源与地质工程教育部重点实验室,陕西西安 710054)

柏水沟泥石流震后特征及发展趋势研究

穆 鹏1,2

(1.武警工程学院,陕西西安 710086;2.长安大学西部矿产资源与地质工程教育部重点实验室,陕西西安 710054)

地震;泥石流;发展趋势;危害程度;柏水沟

“5◦12”汶川地震除直接造成了严重的人员伤亡和财产损失外,还诱发了大量的崩塌、滑坡等次生山地灾害。崩塌、滑坡等又为震区泥石流活动提供了丰富的松散固体物质,使这些泥石流沟在今后较长一段时间内处于活跃期。以地震重灾区陇南柏水沟泥石流为例,在分析泥石流形成条件和泥石流特征的基础上,预测其发展趋势,并根据泥石流危险性提出了相应的防治建议。

“5◦12”汶川特大地震不仅诱发了大量崩塌、滑坡等次生山地灾害,而且为泥石流的形成提供了丰富的固体物质,降低了泥石流暴发需要的激发降水量,使得地震灾区泥石流的活动频率和规模都大大增强[1-2]。陇南地区是汶川地震重灾区,是我国四大滑坡、泥石流密集区之一,地质灾害的发育程度、暴发频率、发生规模和危害均居全国之首[3]。本文以陇南柏水沟泥石流为例,在分析泥石流形成条件和基本特征的基础上,预测其发展趋势,并提出了相应的防治对策,以期为保障群众的生命财产安全、实现经济可持续发展提供参考。

1 泥石流的形成条件

1.1 地形条件

柏水沟沟谷大致呈南北走向,与白龙江近直角相交,山体相对高差大,山高坡陡,沟谷深切。流域面积 9.97 km2,平面形状近似扇形,流域内最高点海拔 2 915m,出山口海拔 1 080m,相对高差 1 835m。主沟长度 5.6 km,平均比降11%,主沟上段呈 V形,沟道狭窄,两岸山坡平均坡度在 50°以上;下段则呈 U形,沟道宽阔,两岸山坡坡度为 15°～30°。沟口堆积扇后部建有民房、砖厂,前部则被当地村民改造为农田。总体上讲,该沟谷地形陡、坡降大,为泥石流的形成提供了非常适宜的条件。

1.2 固体物质补给条件

柏水沟地形陡峻、岩石松散、裂隙发育、风化强烈,加之受地质构造、地震的影响,滑坡、崩塌等不良地质现象十分发育,为泥石流的形成提供了丰富的松散固体物质。①滑坡。经现场调查,柏水沟沟道中共有大小滑坡 14处,类型以堆积层滑坡为主,分布面积约 0.07 km2,体积约 60万 m3。②崩、滑塌。“5◦ 12”地震在沟道内引发了多处崩、滑塌,成为沟谷内重要的固体物质补给来源。经调查,沟谷内共有崩、滑塌 30多处,分布面积约 0.60 km2,体积 56万 m3。③沟道堆积物与坡面风化物。柏水沟沟道狭窄,沟道堆积物通过沟岸坍塌和溯源侵蚀的方式补给泥石流,据调查统计,沟道堆积物总量为 80万m3。

经调查估算,柏水沟松散固体物质储量为 54.71万 m3/km2,松散固体物质总量为 545万 m3。

1.3 降水条件

大量研究表明,陇南地区泥石流发生的临界降水量 1 h雨量为 15～20mm、10min雨量为 8～10mm,是甘肃泥石流临界雨强最小的地区。而流域内暴雨频发,24 h最大降水量为 90.5 mm,1 h最大降水量为 40mm,10min最大降水量为 16.2 mm。1939年以来,降水量为 25～50mm/d的大雨平均每年 2～3次,降水量为 50～75mm/d的暴雨和 ＞75mm/d的大暴雨每 10年2～3次。流域内降雨集中、多暴雨、降水强度大,为泥石流灾害的发生创造了条件。

2 泥石流的特征

2.1 流域特征

根据泥石流的形成、运移和堆积特征,将柏水沟划分为泥石流形成区、流通区和堆积区三部分。

形成区面积 9.13 km2,长度 4.4 km。区内沟壑密集,地形高差大,下切侵蚀强烈,谷坡坡度多在 50°以上,汇流面积大,具备泥石流发生的地形条件和水动力条件;滑坡、崩塌等产生的松散固体物质丰富,坡面物质疏松、植被覆盖率低、面蚀强烈,松散固体物质补给量占流域总补给量的 60%～70%,具备良好的松散固体物质补给条件。

流通区位于沟谷中段近沟口位置,面积 0.45 km2,长度1.04 km,谷坡坡度小于 30°。流通区以过流为主,间有侵蚀、搬运与堆积现象,松散固体物质补给量占流域总补给量的 10%～15%。

堆积区位于沟口下游,泥石流堆积形成了面积较大的堆积扇,扇长约 900m,呈中部隆起向侧缘、前缘倾斜状。经人工改造,堆积扇已成为大堡里村村民生产、生活用地,汇集的泥石流及洪流顺人工沟槽排入白龙江。

2.2 流体特征

对泥石流流体特征进行分析,是认识泥石流和设计泥石流防治工程的基础。由于缺少泥石流发生时的实地观测数据,我们主要是根据已有资料,类比利用目前泥石流运移特征及动力特征研究成果对柏水沟泥石流流体特征进行分析[4]。

(1)泥石流容重。据调查,沟内松散固体物质储量为 545万 m3,采用经验公式

式中:γC为泥石流容重,kN/m3;A为流域单位面积泥沙补给量,万 m3/km2,取 54.7万 m3/km2。

经计算,确定该沟泥石流容重为 17.1 kN/m3,属稀性—黏性泥石流。

(2)泥石流流量。采用配方法计算公式

式中:QB为泥石流沟定重现期的清水流量,采用陇南地区经验公式计算,选择重现期为 100年,m3/s;QC为与 QB相同重现期的泥石流流量,m3/s;D为堵塞系数,取 1.0;φ为泥石流流量增加系数;γC为泥石流容重,kN/m3;γH为泥石流中固体颗粒容重,kN/m3,取 26.5 kN/m3;F为流域面积,km2。

经计算,柏水沟 100年一遇清水流量为 77.31m3/s、泥石流流量为 134.27m3/s,50年一遇清水流量为 61.85m3/s、泥石流流量为 107.42m3/s。

(3)泥石流冲出量。1984年 8月 3日柏水沟发生了一次100年一遇的泥石流,历时30min,是当地有明确记录的最大规模的一次泥石流灾害。采用经验公式计算泥石流一次最大冲出量。

式中:WH为泥石流一次最大冲出量,m3;K为系数,取 0.1～0.5;H为单位时间最大降水量,mm/h;α为系数,取 0.3;其余参数意义同上。

经计算,柏水沟泥石流一次最大冲出量为 4.95万 m3。

3 泥石流沟发展趋势与危害程度预测

3.1 泥石流沟发展趋势

柏水沟泥石流发展趋势受诸多因素影响,主要包括以下几个方面:

(1)区域构造运动导致两侧山体不断隆升,沟谷下切侵蚀强烈。柏水沟属发展期(壮年期)泥石流沟,加之岩土体结构特殊,沟岸滑坡、崩塌现象层出不穷,形成的松散固体堆积物受沟谷地形条件的限制,绝大部分堆积于狭窄的沟道两侧,为泥石流的形成提供了源源不断的松散固体物质,加剧了泥石流灾害的发生。

(2)地震对该区岩土体结构的破坏性非常大,对泥石流起到了激发和加剧作用。2006年 6月 21日临江地震、2008年“5◦12”汶川地震对当地的沟谷、沟岸造成了不利的影响,沟岸局部发生的崩塌、滑坡堵塞沟道。尤其是在柏水沟中下游一带,沟岸两侧产生的滑塌体堆积于沟道中,严重堵塞沟道,加剧了泥石流暴发的危险性,一旦遇强降雨有可能诱发较大规模的泥石流灾害。

(3)区内生态环境脆弱,水土流失严重。受山高坡陡、人多地少、坡地开垦、植被稀少、土壤持水能力差、沟谷集流速度快等因素影响,泥石流发生的速度、频率不断提高。

综上所述,该沟在其自身地质环境、新构造运动、地震、地质外营力等因素的综合影响下,泥石流灾害活跃,发生的频率和规模都在不断增大。

3.2 泥石流危害程度预测

柏水沟泥石流频发不仅降低了白龙江的过流能力,而且严重威胁着沟口附近居民的生命财产安全,其危害特征表现在以下几个方面:

(1)淤埋大堡里村民房、公共设施和农田。中、小规模的泥石流出沟后,沿途在大堡里村的房前屋后、街头巷尾堆积了大量的泥沙和碎石,如遇较大规模泥石流,一旦泥石流破堤而出就会冲毁房屋、堵塞白龙江,在南侧河滩漫流、淤埋农田,造成人员伤亡和财产损失。

(2)加剧了白龙江河床淤高,降低了防洪能力。泥石流将大量泥沙输送到白龙江边,在沟口以下形成扇形地,减小了白龙江的行洪和挟沙能力,在洪水期间严重阻碍水流下泄,抬高水位,不仅威胁到岸边建筑物的安全,而且造成泥沙大量淤积。目前,河床正以 10 cm/a的速率持续淤高,使白龙江河堤的防洪能力逐年下降、防洪压力加大。该沟位于武都城区上游,现河床已高出武都城区中心 2.1m,造成城区内的雨洪和生活污水排泄困难,排水渠附近夏季臭气熏天、蚊蝇肆虐,雨季积水横溢、行路困难。同时,河床淤高也造成了地下水位升高、水质恶化,降低了建筑物基础强度,缩短了使用寿命。

(3)诱发沟内不良地质作用,加速生态环境恶化。因长期的暴雨冲刷,沟内经常发生沟岸坍塌补给泥石流的现象,在沟岸两侧堆积了大量的泥石流堆积物。不良的地质作用,加上不合理的采石、砍伐、垦殖活动,导致生态环境恶化、人地关系极不和谐。

(4)威胁在建高速公路安全。武罐(武都—罐子沟)高速公路从柏水沟沟口前通过,高速公路基础设施和今后的通行安全也受到沟内泥石流的威胁。

3.3 泥石流危害程度分区

根据泥石流的发育特征、形成规模、堆积区地形特征及居民点的分布情况,结合历次灾害性泥石流冲淤范围等,将该沟泥石流危害区分为严重危害区与一般危害区。①严重危害区。分布于柏水沟下游堆积区东部,包括大堡里村所在地。特大暴雨诱发的泥石流会严重威胁村民的生命财产安全。同时,武罐高速公路的武都出入口也设在严重危害区范围内,作为高速公路的辅助设施,将架设出入高速公路的立交桥,若暴发大规模泥石流将会损坏立交桥等辅助设施,进而威胁到高速公路通行安全。②一般危害区。主要分布于堆积区西部,威胁到这里居住的一小部分大堡里村村民的安全。

4 防治建议

根据柏水沟泥石流的形成、运移和堆积特征以及成灾方式、危害特点,提出以下防治建议:①拦排结合,以拦为主。柏水沟泥石流松散固体物质主要来源于沟岸两侧的滑坡、崩塌体,因此治理时要以拦挡为主,即利用拦挡坝拦蓄泥沙、稳固两侧沟岸、抬高侵蚀基准面,达到稳定沟槽的目的。另外,沟口村落建筑密布,必须辅以排导措施,疏导泥石流,防止突发大规模泥石流造成人员伤亡。②以生物措施为辅,减少泥石流物源。根据泥石流活动及危害特征,采取一定的生物措施,通过植树造林,尽可能就地固定沟内滑坡和崩塌的堆积物,使现有的松散固体物质就地稳定下来,尽量减少向下游输移的固体物质数量。

5 结 语

(1)甘肃省陇南市武都区是国内受泥石流危害最为严重的地区之一,柏水沟是一条处在发育期的泥石流沟,“5◦12”汶川地震后,在沟坡、沟道内产生了大量新的崩塌体,使得沟内松散固体物质储量增加,具备了发生大规模泥石流灾害的条件,对灾后重建集中安置点、部分村民房屋以及在建高速公路的安全构成了威胁。

(2)柏水沟流域面积 9.97 km2,主沟长度 5.6 km,沟床平均比降 11%,具有明显的形成区、流通区和堆积区。

(3)调查研究表明,沟内各种松散堆积物总量为 545万 m3,单位面积储量为 54.71万 m3/km2,松散固体物质储量丰富。该沟泥石流诱发雨量小,泥石流容重 17.1 kN/m3,属稀性—黏性泥石流,100年一遇泥石流流量为 134.27 m3/s,50年一遇为107.42m3/s,泥石流一次最大冲出量为 4.95万 m3。

(4)该沟在其自身地质环境、新构造运动、地震、地质外营力和人类工程活动等因素的综合影响下,泥石流灾害活跃,泥石流发生的频率和规模都在不断增大。根据该沟泥石流的形成、运移和堆积特征、成灾方式和危害特点,提出拦排结合、以拦为主、辅以生物措施防治的建议。

[1]陈宁生,黄蓉,李欢,等.汶川 5◦ 12地震次生泥石流沟应急判识方法与指标[J].山地学报,2009,27(1):108-114.

[2]庄建琦,崔鹏,葛勇刚,等.“5◦12”地震后都汶公路沿线泥石流沟危险性评价[J].四川大学学报:工程科学版,2009,41(3):131-139.

[3]黄忠恕,余应中.长江上游陇南地区泥石流分布发育特征[J].人民长江,1998,29(7):44.

[4]DZ/T 0220—2006,泥石流灾害防治工程勘查规范[S].

P642.23

A

1000-0941(2011)04-0057-03

武警工程学院基础研究基金资助项目(WJY 201038);长安大学西部矿产资源与地质工程教育部重点实验室开放基金项目(CHD2010JC 146);交通运输部行业联合科技攻关项目(2008353361420)

穆鹏(1979—),男,安徽萧县人,讲师,在读博士,主要从事岩土工程技术方面的研究。

2010-09-15

(责任编辑 李杨杨)