浅析甘肃舟曲县泥石流地质灾害形成原因及防治措施

黄文胜

(甘肃省水利水电勘测设计研究院第二分院,甘肃陇西 748000)

2010年 8月 8日凌晨,甘肃省舟曲县发生特大山洪泥石流灾害(以下简称“8.8”特大山洪泥石流),给当地人民群众生命、财产造成惨重损失。笔者根据灾后泥石流沟道的应急抢险勘察及其后泥石流排洪沟道的勘察情况,就泥石流形成条件、形成机制进行了调查分析,并在此基础上提出了对泥石流灾害的防治措施。

1 灾害的诱发因素

舟曲县水资源相对丰富,白龙江、拱坝河、博峪河由西北流向东南,其在舟曲县境内流程分别为67.5,78.5,37.5 k m。这 3条河及其支流多年平均径流量36.98亿 m3。流域内降雨充沛,年均降雨量600～800mm,降水比较集中,暴雨多,雨量大,突发性降雨多于一般性降雨,集中降雨是泥石流灾害的诱发因素。

2 泥石流灾害形成的基本条件

2.1 地形地貌

舟曲县地处西秦岭南脉山区的岷迭山系之陇南山地,白龙江上游,山体高耸挺拔,地势险峻,河谷深切,水流湍急。流域中上游山地以中、高山为主,山高坡陡,坡度一般大于 40°,局部 60°以上,沟谷冲蚀,切割强烈,支沟发育,沿主沟呈树枝状分叉,主沟中上游及支沟呈 “V”型,平均纵坡比降 25% ～30%,下游沟谷呈 “U”型,平均纵坡比降 18% ～21%,堆积区呈扇状,向白龙江倾斜,坡度 8°～10°。

2.2 地层岩性和地质构造

区域地质构造上,本区位于秦岭褶皱系 -西秦岭南部印支褶皱带,北以临潭 -宕昌断裂带与西秦岭北部华力西褶皱带分界,南以玛曲 -石坊 -岸门口 -略阳断裂带与松潘 -甘孜地槽系毗邻,构造线方向呈 NWW-S E E展布,南北宽超过 40 k m,东西长超过 200 k m。本区地处西秦岭南部褶皱带内的白龙江背斜北东翼上,构造线沿 NW285°～355°形成大致平行的挤压带,构成了区域内的褶皱、断裂构造框架。区内发育的断裂主要为临潭 -宕昌断裂带和迭部 -舟曲断裂带,每条断裂又有分支断裂。整个区域处于葱地 -铁家山和坪定 -化马两条断裂带所夹的断块中,区域内出露地层为中泥盆统(D2)古道岭组g)及二迭系(P),岩性主要有灰岩、白云质灰岩、鲕状灰岩、炭质板岩、千枚岩及砂岩,岩层软硬相间,风化强烈,断裂两侧褶曲发育,岩体破碎,残坡堆积层广泛分布于各沟坡低洼地带,松散,易被冲蚀,厚约0.3～3 m。沟道中部分布滑坡、崩塌、坍塌及沟道洪积物等第四系(Q4)松散堆积物。

2.3 不良物理地质现象

受白龙江背斜核部及其两翼炭质或含炭千枚岩、板岩和地质复杂构造复合、叠加和强烈的构造挤压,以及晚更新世以来区域地壳活动影响,舟曲县城、周边地域及其白龙江上游地区河谷深切,三眼峪、罗家峪均处于白龙江北岸中、高山区,流域内最高海拔3828.0 m,最低处白龙江入口海拔1326.3 m,相对高差2143.0～2502.0 m。山势由北向南倾斜,山峰林立,沟谷切割强烈,加之从 20世纪中叶以来的大面积毁林垦荒等活动,使区内天然植被生态系统遭受了严重破坏。因此区内岩体卸荷变形、崩塌、滑坡和泥石流频繁发生;降雨量丰富,又多为突发性暴雨形式,时间集中在 7、8、9月,使崩塌、滑坡、泥石流等物理地质现象十分突出,尤其是白龙江沙川坝 -武都河段滑坡、泥石流活动频繁且规模很大。区内不良物理地质现象主要表现在以下方面。

(1)山体倾倒变形与卸荷。沟道中上游段地势陡峻,沟谷深切,岸坡岩石中软弱易滑、易变形、易碎的各种千枚岩、板岩和砂岩分布普遍,倾倒岩体比较发育,其厚度一般为 5～10 m,体积小,经常发生崩塌,是泥石流固体物质来源之一。

(2)滑坡相伴而生泥石流。泥石流多与滑坡相伴而生,泥石流频发的沟中普遍存在滑坡或滑坡群。白龙江两岸大型滑坡主要分布在中上游河段两岸,大小滑坡有 100余处,大多分布于左岸。三眼峪沟、罗家峪沟中上游段地势陡峻,沟谷深切,次级支沟十分发育,岸坡岩体软弱易滑,沟两岸滑坡或滑坡群发育,大多滑坡体前缘已至沟中,滑坡堆积物成为泥石流固体物质的主要来源。县城白龙江南北两岸由于山地植被稀疏,坡体陡峻,水土流失严重,多在暴雨之后,山洪携带大量碎石、泥沙等,形成泥石流,对白龙江河道及堤坝破坏作用强烈。据地质调查,城区北侧分布的泥石流规模大、危害大、发生频率高。舟曲境内较大泥石流沟左岸有寨子沟、老鸦沟、硝水沟、三眼峪沟、罗家峪沟,右岸有河南村沟。

2.4 水文地质条件

区域沟道内常年有地表径流,在无大雨时地表径流相对稳定且较小,但若降雨量大,降雨历时长,降雨笼罩面积大,则地表径流增大,降雨强度愈大,所产生的洪峰流量也愈大。三眼峪沟、罗家峪沟平常径流量约为0.19 m3/s和0.14 m3/s,频率 5%时洪峰流量约为 136 m3/s和 98 m3/s,频率 10%时洪峰流量约为 136 m3/s和 98 m3/s。 “8.8”三眼峪泥石流最大流量达 2000 m3/s,泥石流冲出山口瞬时速度达 10 m/s,罗家峪泥石流最大流量达 300 m3/s。这次洪峰流量大 ,而且冲刷能力强,不仅搬运松散堆积物,且可搬运巨大岩块,“8.8”泥石流后沟口堆积岩块最大尺寸达十多米,重达上百吨。

区内的地下水,按含水层性质和地下水赋存条件可分为基岩裂隙水和第四系孔隙水两种类型。

(1)基岩裂隙水。主要赋存于沟道两侧中低山区及沟脑中高山区和沟谷区的基岩表层风化带和断裂构造裂隙中,主要受大气降水补给,沟谷底部受第四系潜水补给,而沟谷两侧基岩裂隙水向沟谷排泄,补给孔隙潜水,部分形成沟谷地表径流。

(2)第四系孔隙潜水。主要赋存于沟床及其两岸洪积扇下部的砂砾碎石土层中。沟床地下水埋深0.3～0.5 m,洪积扇地下水埋深3.5～8.5 m,渗透系数 20～40 m/d,第四系孔隙潜水主要受大气降水和沟谷两侧基岩裂隙水补给,在沿沟谷径流时与地表径流相互转化。

3 泥石流形成的机制

(1)有丰富的泥石流固体径流物质来源。三眼峪沟、罗家峪沟泥石流形成区,两岸谷坡岩体风化强烈,滑坡、崩塌体普遍发育,在千枚岩、板岩构成的山坡及坡脚,堆积有崩、坡积块石碎石土,厚度变化较大,结构疏松,多具架空结构,最大块石直径约 2 m,一般 20～30 cm,含 20%～30%的砂壤土。

在冲沟沟底,为块碎石土或砂砾碎石土,厚度 8～30 m不等,局部大于 35 m。块碎石是以棱角状的岩石块体和碎石混杂堆积,有少量泥土充填于空隙间,主要为灰岩、砂岩、千枚岩等,粒径大小混杂,结构疏松,质地不均。

强降雨致使两岸滑坡、崩塌以及沟道内沟床松散堆积物为泥石流形成提供了大量的松散固体物质,这些固体物质是这次泥石流固体径流物质的主要来源。

表1 沟道取样颗粒级配分析

对三眼峪沟和罗家峪沟沟口洪积扇“8.8”特大泥石流堆积物取样进行室内颗粒级配分析(见表1)。分析结果表明:洪积砂砾碎石量大,天然渗透系数较大。这样在暴雨或阵雨形成的条件下,天然降水量集中,历时长,使得径流量陡然增大,洪水冲刷力加大,使原本疏松的地表造成崩塌、滑坡,从而容易形成较大的泥石流。

(2)泥石流沟道的形态特征便于泥石流物质汇集、蓄积能量、高速径流。此次泥石流山洪灾害形成的沟道(三眼峪沟、罗家峪沟)均位于县城东北侧,沟道长度较短,比降大,洪水流速较大,在沟口发育一定规模的泥石流及洪水洪积形成的洪积扇,其前缘伸入白龙江河床。

三眼峪沟流域属白龙江左岸一级支流,是一条灾害性泥石流沟。沟内辖区面积约25.75 k m2,呈“瓢”状。三眼峪沟流域最高海拔 3828 m,最低海拔仅有 1340 m,落差高达 2488 m,主沟由大眼峪沟和小眼峪沟组成。罗家峪沟与三眼峪沟相邻,流域面积15.43 k m2,主沟 8 k m,沟道流域最高海拔3410 m,入白龙江口 1320 m,相对高差 2090 m。流域上游为中高山区,山高坡陡,地势险峻,沟谷冲蚀、切割强烈,支沟发育,沿主沟呈树枝状分叉,呈“V”字型,沟中有常年性流水。两侧山坡坡度大都在 45°～50°以上。长期以来的泥石流在三眼峪沟与另外几条大沟的汇合处淤积,形成了一个面积约0.87 k m2的泥石流洪积扇。从三眼峪沟沟口到白龙江江边的这块空地看起来像一把扇子,地形相对平缓,舟曲县城和城郊的 10个自然村就坐落在这泥石流洪积扇上。

泥石流形成区山高坡陡,沟谷冲蚀,切割强烈,支沟发育,有丰富的固体径流物质来源,便于泥石流物质汇集;流通区为主沟下游,沟道纵比降大,沟谷顺直,两侧山坡坡度陡峻,沟道束窄,使泥石流流速大,能量高,过流迅猛;出沟后的堆积区洪积扇地形相对平缓,大部被开发为城郊居民区和部分县城区,仅留有约 4 m宽的地表径流沟槽,泥石流出山后失去两岸山坡约束,但流速高,冲击力大,其过流区建筑损毁严重,人民生命财产遭受惨重损失。

(3)集中强降雨的诱发。2010年 8月 7日 23时许,甘肃省甘南州舟曲县城北部山区突降特大暴雨,时最大降雨量达77.3mm。瞬间性集中强降雨在舟曲县城北面的罗家峪、三眼峪等 4条沟的地质及地形条件下,大量的水体浸透山坡或沟床中的固体堆积物质,洪积粉细砂和砂砾碎石土,使其稳定性降低,饱含水分的固体堆积物质在自身重力及洪水冲刷作用下发生运动,出现特大山洪泥石流,由北向南横穿县城北部涌入白龙江,泥石流截断白龙江,形成长1.5 k m、宽 100～120 m、水深 10 m、蓄水量约150万 m3的堰塞湖,白龙江河床抬高近 10 m,县城约 1/3被淹,城内大面积积水,街道上水深超过 2 m,积水最深的路段水深达 3～4 m。泥石流长约5000 m,平均宽度 300 m,平均厚度 5 m,总体积 750万 m3,流经区域被夷为平地。县城白龙江沿岸防洪堤基本全部淹没。集中强降雨诱发本次山洪泥石流灾害的发生。

4 历史泥石流的活动状况

据有关资料记载,自 1823～2000年以来的 170多年间,三眼峪沟曾爆发过 11次较大规模的泥石流灾害。1992年 6月 4日,舟曲骤降暴雨,引发 50 a一遇的大规模泥石流。小规模泥石流在三眼峪二级支沟每年都有发生,较大规模泥石流平均 2～3年也会发生 1次。

在历史上的几次大地震中,崩塌的山体在沟内形成了 4座高 80～283 m的巨大淤积石坝,淤积石坝拦蓄了沟内大部分泥沙,造成三眼峪沟等泥石流沟内的堆积物增多。三眼峪沟内和沟道堆积物超过5000万 m3,其中 2000万 m3堆积物是不稳定的,突发性降雨时可直接变成泥石流的补给物。

5 人类活动对泥石流的影响

垦荒、放牧、砍柴等人为活动破坏了区内的原始植被,直接诱发了滑坡、泥石流等地质灾害的不断发生。

(1)过度砍伐,开垦坡地,严重破坏了原有植被。舟曲县农业人口近 12万人,农作物实际总播种面积14360.51 h m2,农业人口平均占有耕地0.08 h m2,单一的产业结构迫使农民大量开垦坡地。多年来,平均每年增加土地面积181.76 h m2,40°以下的坡地大部分被开垦,造成大面积水土流失,为泥石流形成创造了有利条件。

(2)工程建设中进行的大规模的取土削坡等活动,使沟道内的岩体松动,坡脚遭开挖,从而不断引发崩塌、滑坡,大量的人工弃渣在沟道内堆积,为泥石流形成提供了丰富的松散固体物质。

(3)舟曲县自建制以来,县城就一直坐落在三眼峪沟泥石流堆积扇上。过去人口较少,城区集中分布在泥石流危害较轻的白龙江两岸。自解放及改革开放以来,县城的范围迅速扩大(舟曲城区人口从 1996年 2万多增加到 2010年的 4万多),受当地地形条件所限,泥石流危险区也被开发,危险区随着人口的增长而增大。三眼峪沟流域内林地面积减少100 k m2,原始植被受到很大的破坏,加剧了当地水土流失和泥石流的形成。

6 泥石流地质灾害的防治

针对泥石流地质灾害,应以预防与治理相结合,采取有效的预警机制,合理规划城市及居民居住区,避开泥石流危险区,加强水土保持、生态环境的改善及工程的综合治理,避免地质灾害的发生。对于泥石流发生过的沟谷,有效治理措施包括生物和工程措施。泥石流灾害的防治措施可概况如下。

(1)采用生物措施和水土保持防治。在区域内禁止滥砍滥伐,进行封山育林、植树种草、保护植被。植被可增加地表对降雨的滞蓄能力,还可保持水土、改善生态环境等,因此要大力保护和治理极易发生滑坡及有泥石流发生的区域的植被。

(2)采用工程措施治理。在三眼峪沟、罗家峪沟进行水利防治。具体措施是在三眼峪沟、罗家峪沟开挖应急排洪槽的基础上,修建排洪渠道,排洪渠布置均以泥石流沟道出山口为起点,沿现有应急排洪槽布设,将不利于永久布设排洪渠的局部段进行改线,末段汇入白龙江。布设中应充分考虑泥石流沟口段排洪渠与末段白龙江防洪堤的充分衔接。

(3)采取积极有效的监测、预警措施。制定地质灾害避防的预案,合理规划城区建筑和人口布局,疏通排洪沟道,对原有治理工程采取加固和后期规划工程进行建设,以减轻灾害发生的规模和危害,减小灾害造成的损失。

(4)利用科学的防洪技术。随着现代防洪科学技术的迅速发展,对水资源综合利用的迫切要求,相邻学科的渗透、促进,以及洪水给人类社会经常造成重大灾害损失等,促使人们利用科学的防洪技术。根据山洪灾害分布成因、特点及防治任务,以小流域为单元,因地制宜建设包括监测系统、县级山洪灾害防御信息接收平台、预警系统和群测群防体系组成的山洪灾害防治非工程措施平台。利用新技术、新设备提高洪水预报警报的水平,为山洪灾害防治提供先进手段,为指挥调度决策提供科学依据,为社会公众提供信息服务。

[1] 崔冠英,潘品蒸.水利工程地质学(第二版)[M].北京:水利电力出版社,1989.

[2] 中华人民共和国水利部.G B50487-2008.水利水电工程地质勘察规范[S].北京:中国计划出版社,2009.

[3] 中华人民共和国国家发展和改革委员会.D L/T 5356-2006,水利水电工程粗粒土试验规范[S].北京:中国电力出版社,2007.