乌鞘岭地区高速公路沿线地质灾害发育特征及防治措施

毛正君，杨晓华，王晓钟

（1.长安大学 公路学院，西安710064；2.甘肃路桥公路投资有限公司，兰州730030）

由于跨越多种地貌单元及地质环境，带状的公路工程与地质环境相互联系并相互影响。公路工程建设既受到各种地质灾害及潜在灾害因素的威胁和影响，又反过来对沿线地质环境造成强烈扰动，引发新的地质灾害。随着《地质灾害防治条例》、《全国地质灾害防治规划》及《全国突发性地质灾害应急预案》的实施，地质灾害监测预警成效明显，成功避让地质灾害500起，安全转移11 376人，避免财产损失3.41亿元[1]。由于地质灾害形成的复杂性和不确定性，地质灾害仍然造成人员伤亡和财产损失，2009年全国共发生各类地质灾害10 446起，造成人员伤亡809人，造成直接经济损失约17.7亿元[2]。公路地质灾害的发生将对公路基础工程设施的建设和运营产生严重的危害，不仅制约了公路交通持续稳定的发展，也成为区内国民经济建设和发展的重要制约因素[3]。

乌鞘岭地区位于黄土高原、内蒙古高原和青藏高原的交汇地带，地形与地貌类型复杂，地质构造复杂，岩性岩相变化大，地质环境条件复杂，生态环境脆弱。乌鞘岭地区高速公路是国道主干线系统中“五纵七横”的重要组成路段，是内陆与沿海重要的陆路交通要道；同时也是甘肃省公路网干线系统中“四纵四横”的主要组成路段，是河西走廊地区与兰州地区经济交流与合作的主要纽带。查明乌鞘岭地区高速公路沿线地质灾害隐患，分析地质灾害发育特征、时空分布规律及形成条件，将为乌鞘岭地区高速公路建设和运营阶段地质灾害防灾减灾提供基础依据。

1 地质环境概况

乌鞘岭地区高速公路起点位于兰州市永登县徐家磨村，接树（屏）徐（家磨）段高速公路的终点，沿途经永登、天祝和古浪三县，终止于古（浪）永（昌）段高速公路的起点。总体走向由南东向北西展布，建设段公路全长149.47km。乌鞘岭地区具有大陆性气候和青藏高原气候的综合特点，处于半干旱区向干旱区过渡地带，乌鞘岭南北气候各异，区内降雨空间分布不均，降雨少、蒸发量大、气温低、日照短、昼夜温差明显，夏季炎热而冬季寒冷，同一年内降水分布极不均匀，分为明显的雨季和旱季；区内河流为黄河一级支流庄浪河和内陆河流域的石羊河一级支流古浪河，属常年性河流；区内各地土壤不尽相同，山地多以草甸草原土为主，其次为大黑土、黑麻土，植被比较发育，且具有明显的垂直分带规律；该区地处黄土高原和祁连山地的交汇地带，地势西北高，东南低，海拔1 800～3 900m，具有山川相间，丘壑交错的特点；区内出露的地层主要有奥陶系、志留系、泥盆系、石炭系、三迭系、侏罗系、白垩系、上第三系和第四系；该区属祁连多字型构造体系——陇西帚状构造体系，祁连多字型构造体系展布在祁吕弧形褶带西翼之中，由一系列斜列相间的褶带构成，陇西帚状构造体系由三条主要弧形旋扭褶带组成；该区域在上升的大趋势下以不均衡的升降运动为特征，又地处祁连山—河西走廊地震带，新构造运动非常强烈[4]。

2 地质灾害特征

乌鞘岭地区高速公路沿线地质灾害类型主要为泥石流和不稳定斜坡两类地质灾害，其中泥石流灾害具有分布广泛、发生频率高等特点；不稳定斜坡局部或零星分布，且现状危害轻。

2.1 泥石流

乌鞘岭地区高速公路沿线发育泥石流沟124条。该地区高速公路沿线泥石流均由暴雨因素激发形成，集中发生于每年降雨强度高的月份；从地貌部位来看，均属山区泥石流，峡谷地形，坡陡势猛，破坏性大；从流域形态来看，沟谷型泥石流97条，流域呈扇形或狭长条形，沟长坡缓，规模大，山坡型泥石流27条，流域呈斗状，无明显流通区，形成区与堆积区直接相连，沟短；从物质组成来看，均为泥石流，由土、砂、石混杂组成，颗粒差异较大；从固体物质提供方式来看，为坡面侵蚀泥石流，固体物质主要由坡面或冲沟侵蚀提供；从流体性质来看，稀性泥石流约占80%，紊流，散流，浓度小，破坏力较弱，堆积物分选性强，粘性泥石流约占20%，层流，有阵流，浓度大，破坏力强，堆积物分选性差；从堆积物体积来看，大型泥石流沟3条，中型泥石流沟33条，小型泥石流沟88条[5－6]。乌鞘岭地区高速公路沿线泥石流灾害典型照片见图1。乌鞘岭地区高速公路沿线屯沟泥石流灾害示意图见图2。

图1 泥石流灾害典型照片

图2 屯沟泥石流灾害示意图[5]

2.2 不稳定斜坡

乌鞘岭地区高速公路沿线不稳定斜坡共发育20处，现状危害轻，可分为土质斜坡和岩质斜坡。土质斜坡物质组成有单一碎石土斜坡、单一黄土斜坡和黄土碎石土接触型斜坡；岩质斜坡仅一处。该区高速公路沿线不稳定斜坡具有以下特征：坡度大都40°，坡高多在60m以上，坡宽大都400m，现今皆无变形迹象，除局部坍塌。降雨和地震是导致斜坡失稳转变为崩塌或滑坡的主要诱发因素。乌鞘岭地区高速公路沿线不稳定斜坡典型照片见图3。乌鞘岭地区高速公路沿线柏林沟口不稳定斜坡剖面见图4。

图3 不稳定斜坡典型照片

图4 柏林沟口不稳定斜坡剖面图[5]

3 地质灾害时空分布规律

3.1 空间分布规律

泥石流主要沿庄浪河两岸呈带状分布，庄浪河左岸徐家磨—满城段、永登县城—陈家沟段分布密度最大，占泥石流总数的80%以上；其次在萱麻河右岸分布密度较大，其它路段零星分布。由于泥石流规模大多为小型，加之沟口人为活动强烈，所以冲洪积扇发育不完整。不稳定斜坡大多分布在庄浪河沟谷高阶地前缘、沟谷边缘及丘陵高陡斜坡地带，以主支沟交汇处较为常见，且成群出现；其次，乌鞘岭隧道群出入口及引线地段，也零星分布不稳定斜坡。人工开挖形成的不稳定斜坡主要分布于已建徐家磨至满城段路堑边坡。

3.2 时间分布规律

降水多的年份或年内雨量集中的年份为泥石流及滑坡崩塌的多发年份。乌鞘岭地区高速公路沿线泥石流以暴雨型为主，暴雨多集中于7—9月，而泥石流的暴发多集中于此期间，约占全部泥石流暴发频率的90%以上。区内泥石流的暴发频率较高，部分泥石流每年可暴发数次。

4 地质灾害形成条件

4.1 地形地貌

斜坡地形是滑坡、崩塌灾害产生的先决条件[7－8]。乌鞘岭地区高速公路沿线构造基岩山地、丘陵区，构造活动强烈，沟谷深切、地形陡峻、冲沟发育。流域形态以“柳叶形”、“桃叶形”和“瓢形”较多，利于雨水汇集和固体物质的起动。沟谷山坡坡度一般为20°～50°，沟床纵坡比降较大，大于100‰的占53.2%，小于100‰的占46.8%。乌鞘岭地区沟谷流域面积多为2～10km2，以小流域为主，因此特殊的地形条件有利于泥石流的形成。

徐家磨至满城段的庄浪河左岸高阶地和部分丘陵梁峁边缘地带边坡较陡，坡度多在35°以上，且下部因修建公路、铁路开挖坡脚形成人工边坡，坡度为50°～80°，高10～30m，为不稳定斜坡失稳创造了有利的临空条件。

4.2 地层结构

乌鞘岭地区高速公路沿线气候干旱，季节和昼夜温差大，岩石风化强烈，岩体力学强度低。基岩风化堆积物、黄土崩塌堆积物、冰雪冻融和风化剥蚀形成的松散堆积物为泥石流的形成提供了主要的固体松散物质。除此之外，沟谷冲洪积物以及人类活动的弃土弃渣也起到了一定的作用。

根据野外实地调查，沿线黄土垂直节理发育，具强湿陷性，遇水易崩解形成落水洞、地裂缝等，有利于雨水、洪水渗漏和谷底边角冲蚀，使土体结构遭受破坏。白垩系和第三系地层为泥岩夹砂岩，岩体泥质含量高，具较强的隔水性，干燥时强度较高，遇水软化后强度迅速下降，形成软弱面或软弱带，不利于岩土体稳定。黄土是区内最主要的易滑、易崩地层[9－10]。

4.3 降 雨

降雨是乌鞘岭地区地质灾害发育的主要诱发因素之一。多雨年份地质灾害发生频次明显高于正常年份，年内的地质灾害集中发生于夏秋7—9月的多雨季节。泥石流的形成与降雨密切相关，降雨是形成泥石流的主要条件。乌鞘岭地区年均降水量为介于200～500m[11]，处于甘肃省黄河以西区域，其可能发生泥石流的24h限界雨量H24（D）、最大1小时限界雨量 H1（D）和10min限界雨量 H1／6（D）依次为25mm、15 mm和5mm[12]。根据乌鞘岭地区高速公路沿线气象资料统计，永登县境内24h降水量最大值为70.0 mm，1h降水量最大值为46.7mm；天祝县境内24h降水量最大值为77.0mm，1h降水量最大值为65.0 mm；古浪县境内24h降水量最大值为40.0mm，1h降水量最大值为23.3mm[5]。乌鞘岭地区降雨条件均达到和超过泥石流形成的临界值，具备泥石流形成的条件。

4.4 人类工程活动

在地质灾害的控制与影响因素中，地质环境条件变化缓慢，降雨和人类工程活动则是最活跃的因素[13]。乌鞘岭地区人类工程活动主要表现为开挖边坡、筑路、开挖宅基等活动。这些人类工程活动改变了地质环境状态和斜坡的应力条件，形成了大量的松散堆积物，引发了一系列的泥石流、崩塌和滑坡等地质灾害。

4.5 地 震

本区处于我国南北地震带，历史上地震频发且强烈，地震惯性力及地震过程中坡脚应力瞬时增加，导致处在不稳定状态下的斜坡失稳而形成崩塌，是诱发山体陡坡失稳的重要因素之一，本区处于地震烈度Ⅶ—Ⅸ度区。地震一方面使斜坡岩土体结构破坏。另一方面，地震营力作用可直接使边坡失稳发生崩塌。

5 地质灾害防治措施

5.1 泥石流

（1）合理选线。通过在乌鞘岭地区高速公路建设初期的可行性研究阶段及后期设计阶段的合理选线，最终所采用的方案，规避了大型泥石流沟。

（2）监测预警。在乌鞘岭地区高速公路施工及运营中，开展气象地质灾害监测预警工作，建立乌鞘岭地区高速公路沿线降雨量与地质灾害历史资料数据库，不断提高乌鞘岭地区高速公路沿线气象地质灾害预警预报的水平。

（3）跨越疏导工程。修建桥涵，从泥石流沟上方跨越通过，并在沟谷水流冲刷区，沿沟谷修建导流渠，将泥石流引往远离乌鞘岭地区高速公路的区域。导流渠的设计必须考虑泥石流的最大流量，防止泥石流漫过导流渠的情况发生。

（4）生态恢复治理。依据恢复生态学原理，对乌鞘岭地区高速公路沿线泥石流沟进行生态恢复治理，因地制宜地提高植被覆盖率，截滞、拦蓄大气降水，减少地表径流，保持水土。

5.2 不稳定斜坡

（1）优化坡面形态。乌鞘岭地区高速公路路堤边坡与路堑边坡采用了较缓的坡率，比例为1∶1.5，对于高边坡，采取台阶型边坡，由上而下逐步放缓。

（2）排水措施。乌鞘岭地区高速公路沿线路基、路堑边坡及隧道洞口边仰坡均设置了排水沟、截水沟等排水措施。

（3）工程治理结合植物防护。对于路堤边坡和路堑边坡，采用拱形骨架结合植物防护或全断面植物防护；对于隧道洞口边仰坡，临时防护采用锚网喷，自上而下，随开挖分层及时施作，永久防护采用骨架护坡结合植物防护。

[1]中华人民共和国国土资源部.2005年中国国土资源公报[J].国土资源通讯，2006（8）：26－30.

[2]中华人民共和国国土资源部.2009年中国国土资源公报[J].国土资源通讯，2010（7）：4－13.

[3]陈开圣，肖涛，彭小平.贵州省公路地质灾害基本特征及防治对策研究[J].公路，2007（11）：135－139.

[4]甘肃省交通规划勘察设计院有限责任公司.连云港至霍尔果斯国道主干线永登（徐家磨）至古浪公路工程可行性研究报告[R].兰州：甘肃省交通规划勘察设计院有限责任公司，2004.

[5]甘肃省地质环境监测院.连云港—霍尔果斯国道主干线永登（徐家磨）至古浪公路地质灾害危险性评估报告[R].兰州：甘肃省地质环境监测院，2005.

[6]中国地质调查局.滑坡崩塌泥石流灾害详细调查规范（DD2008－02）[S].2008：9－11.

[7]雷祥义，魏青坷.陕北伤亡性黄土崩塌成因与对策研究[J].岩土工程学报，1998，20（1）：64－69.

[8]Nakamura H，Tsuchima S.Analysis of piles works assuming slide movement[J].Journal of the Japan Landslide Society，1987，24（2）：17－31.

[9]曲永新，张永双，覃祖淼.三趾马红土与西北黄土高原滑坡[J].工程地质学报，1999，7（3）：257－265.

[10]Derbyshire E.Geological hazards in loess terrain，with particular reference to the loess regions of China[J].Earth－Science Reviews，2001，54：231－260.

[11]李栋梁，刘德祥.甘肃气候[M].北京：气象出版社，2000.

[12]谭炳炎，段爱英.山区铁路沿线暴雨泥石流预报的研究[J].自然灾害学报，1995，4（2）：43－52.

[13]Rosen A M.The impact of environmental change and human land use on alluvial valleys in the Loess Plateau of China during the Middle Holocene[J].Geomorphology，2008，101：298－307.