窦晓东
(甘肃省地质环境监测院, 甘肃 兰州 730050)
大青沟位于安宁区北部,大青沟流域在区域上地处陇西黄土高原西部边缘与青藏高原的交接地带,位于黄河兰州段北岸,受区域构造控制,区域上山体呈近东西向展布,地势北高南低[1]。在大地构造上隶属于昆仑—秦岭地槽褶皱系祁连中间隆起带,区域上断裂发育,出露地层较少,主要为长城系、古近系及第四系地层。区内地下水类型划分为基岩裂隙水、碎屑岩类孔隙裂隙水和松散岩类孔隙水[2]。
据实际勘查,大青沟泥石流形成以冲蚀汇流和主沟冲蚀为主。区内的松散物质主要集中于流域中、上游的平山造地区。由于该区域填方土体松散、相互之间无固结,固体松散物质丰富,且场地平整、宽阔,具一定的纵坡比降,集水面积大,易于形成地表径流。暴雨期间,雨水顺平山造地场地地表而下,沿途冲蚀高填方表层的松散土体,成泥流状态汇集于下游主沟及支沟内,冲刷下游坡体坡面松散物质及沟道内滑坡、崩塌等物质[3]。由于下游坡面松散物质成分多为块石及碎石,泥流在该段冲蚀、冲刷、搬运该物质,从而转化为泥石流,而下游沟床比降所具有的势能及相对狭窄沟道的聚能,使其聚能加速,从而形成大规模的泥石流。
泥石流的流态、冲淤变化、流量、流速等受流域沟道特征、固体松散物质数量、补给方式和降雨量的控制。大青沟流域流通区长1.4 km,沟道纵比降68‰,形态呈“U”型,沟道较为顺直,两侧支沟汇入较少,泥石流以侧蚀为主,切冲蚀较弱。
大青沟流域中、上游受平山造地、回填沟谷的影响,固体物质较丰富。大青沟首先是在中、上游区域形成泥流,多为连续性流动,但由于平山造地区纵比降小,洪水汇集较慢、流速较慢。流经下游时,由于沟床纵比降相对中、上游增大,泥流沿主沟及支沟不断冲蚀,从而使侧蚀沟道内松散物质形成泥石流[4]。泥石流基本为连续性流动,但个别时候也出现间歇性阵流,先是含沙量较高的洪水流过,继而洪水裹携泥沙、块石、碎石从沟中冲出。
(1)沟道堆积。沟道堆积物主要分布于大青沟主沟下游段沟道内和支沟下游段沟道内。大青沟主沟下游形成区段沟床比降为68‰,沟谷呈“V”型向“U”型过渡,沟道较为宽阔,下切侵蚀较弱。依据ZK1、ZK2揭示,沟床堆积物厚度为3.0~3.2 m,其物质多为块石,其次为粉土、碎石及角砾。块石粒径一般5~10 cm,最大块石粒径0.4 m,块石风化较为强烈,岩性多为石英片岩及片麻岩,质地较为坚硬,局部夹砂岩,风化强烈,手掰易碎。大青沟主沟下游流通区段沟道呈“U”型,沟谷较为宽阔。依据钻孔ZK5揭示,沟床堆积物厚度为4.1 m,堆积物质多为块石,其次为角砾、砂砾,土的含量减少,相对形成区沟道堆积物颗粒成分有明显区别,其中碎、块石含量少于角砾,细粒物质显著增多,尤其粘粒含量远大于主沟道堆积物。大青沟支沟沟床比降为152‰,沟谷呈“U”型,沟道较为宽阔,下切侵蚀较弱。依据ZK3、ZK4揭示,沟床堆积物厚度为5.0~5.8 m,其物质多为块石,其次为粉土、碎石及角砾。
(2)沟口堆积。大青沟沟口为安宁区城建区,区内建筑密集,人类工程活动强烈,其原始堆积形态已被破坏,沟口泥石流扇形地不发育。目前,排导沟沟内所见最大粒径为0.5 m,颗粒分选较差,有一定程度磨圆,浅表层颗粒粒径明显小于下游沟道内沟床堆积物。
(1)泥石流冲毁、淤埋沟口城建区。泥石流具有强大的冲毁能力,现状大青沟沟口的排导渠已被人为堆弃的弃土弃石及建筑垃圾堵塞。泥石流在冲出沟口时,无汇流渠道,将迅速向两侧扩散,冲毁两侧的建筑物及城区道路。随着泥石流冲出沟口势能锐减,大量的泥沙石块停留下来,淤埋沟口城建区。
(2)堆积压埋沟道内道路及厂房。大青沟流域内主沟下游近沟口段现建设有水泥厂、采石厂等厂房,厂房均建设在泥石流沟道内,堵塞了大青沟泥石流的行洪通道。该段泥石流危害形式以堆积压埋为主,同时水流冲蚀沟道内路面路基边坡,易造成路基外缘垮塌。
受流域中上游平山造地回填沟谷及流域下游削坡采石的影响,沟内的地质环境条件特别是松散物质的补给条件仍在不段增强,大青沟泥石流仍处于不断发展之中,其规模和活动性将进一步增强。
大青沟主沟道下游近沟口处修建的2处挡墙并不具备防治泥石流的功能及作用,沟口的简易排导渠已被人工堵塞,需进一步拓宽、加固。流域内无任何可以阻挡或减缓泥石流的工程措施,其防灾形势严峻。
安宁区近年来中心区域的土地均已被开发利用,城市建设用地十分紧张。因此,安宁北山山前一带已成为安宁区重要的建设区。目前沟口有师大教学楼、变电所、驾校、在建北环路等重要设施,总人口2万余人,财产约3亿元。随着安宁区经济建设的发展,其人口及建筑物仍将不断增加,泥石流灾害的危险性、易损性将会不断增高。
大青沟泥石流危害区包括泥石流沟道两岸和泥石流堆积区,重点确定其堆积区范围。泥石流堆积区以历史最大一次淹没范围或根据泥石流的特征计算的最大淹没范围为危害区。本次计算方法采用相关规范中提到的覆盖范围法。
稀性泥石流扩散角一般为15°左右,可按下式计算:
L=60Qci0.7
(1)
式中:L为泥石流流动长度;Qc为泥石流最大流量,m3/s,;i为溢出处被埋没地区坡降,为0.0311。
依据上述公式计算,泥石流流动长度为329.3 m。泥石流危害总面积约0.045 km2。
根据大青沟泥石流的发育特征、形成规模、堆积区地形特征及城区企事业单位、居民点的分布情况,结合历次泥石流冲淤范围,可将该泥石流区分为严重危害区和一般危害区(或称波及区)。大青沟泥石流危害区总面积约0.051 km2,人口约2万人,固定资产约3亿元。
(1)严重危害区:为泥石流直接冲毁、预埋的范围,主要威胁财产为大青沟沟道内的磊鑫集团厂房及居民区、沟口师大教学楼、变电所、君安驾校、在建北环路等重要建筑物及居民区,总面积0.022 km2,占整个危险区的43%。
(2)一般危害区:为泥石流向两侧扩散后冲毁、预埋的范围,主要威胁财产为在建北环路、君安驾校部分场区等建筑物及居民区,总面积0.29 km2,占整个危险区的57%。
(1)拦砂坝类型及功能。拦砂坝主要作用是拦蓄泥石流中固体物质,降低容重,减低泥沙输出沟道,减少进入排导沟中的泥沙,防止排导沟淤积。可选择在沟道内设置7座拦砂坝,其主要功能在于拦沙,也兼有固沟稳岸的作用,其中大青沟主沟布设4座,大青沟支沟布设3座。其目的是利用相对宽大的沟道地形,最大限度地拦蓄泥沙,减少泥沙输出,此外还有稳定两侧沟岸的作用。
(2)拦砂坝构筑物形式。本次拦挡坝采用抗剪切、抗冲击力强的钢筋混凝土结构,其构筑物形式上采用钢筋混凝土重力坝。钢筋混凝土重力坝造价虽比浆砌块石坝要高,但防治效果良好,抗剪切、抗冲击力强,安全性、可靠性比浆砌块石坝更高。而且采用钢筋混凝土坝可以大幅度地增加坝高,最大限度地拦蓄泥沙,达到很好的拦沙效果。钢筋混凝土拦挡坝布置在沟道比降相对较缓、沟道宽度较宽、堆积粒径较小的坝址处。
排导沟的设计布局上采取直排的方式,上部从磊鑫有限公司采砂厂处开始,将排导堤修建至君安驾校门口,下部与安宁区北山山前南北向主排洪通道相接。排导沟设计断面按复式梯形设计,总长820 m。为防止沟床冲刷下切,保护排导沟护堤基础,建议对排导堤通道进行硬化,并在排导沟内布设防冲底槛。