刘家峡水库大寺沟泥石流基本特征与防治对策

王周萼 王英奎

摘要：大寺沟泥石流频发，对炳灵寺石窟造成了严重影响，为此需研究泥石流基本特征，以便采取针对性治理措施。根据现场调查并研阅历史资料，分析了形成泥石流的地形、物源、降雨等触发因素，明确大寺沟属于泥石流沟。在此基础上，研究了泥石流物源区、流通区、堆积区的地质特征。研究表明：泥石流堵塞程度为中等，发育程度为中等易发。在防治方面，经比较植被恢复、稳坡护坡、主沟拦挡及主沟导排等措施，选择主沟导排，并拟定了排导洞治理方案。因大寺沟流域地质资料欠缺，无法准确获取泥石流部分参数，下一步需加强地勘工作，以便为治理方案设计提供依据。

關键词：泥石流;基本特征;易发程度;排导洞;刘家峡水库

中图法分类号：P642.23文献标志码：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2021.03.003

文章编号：1006 - 0081（2021）03 - 0018 - 05

1研究背景

泥石流具有突发性、流速快、流量大及破坏力强等特点。常会冲毁房屋，破坏交通设施甚至村镇等，危害巨大。2010年8月7日发生在甘南藏族自治州的舟曲“8·7”特大泥石流灾害，造成了重大人员伤亡和财产损失。因此，对于危害对象明确的泥石流沟谷，分析研究泥石流的基本特征具有重要意义。

位于刘家峡水库库尾附近的大寺沟是黄河一级支流，沟口地段为炳灵寺石窟，该石窟为第一批全国重点文物保护单位，是全国著名的六大石窟之一。大寺沟泥石流频发，洪水携带大量泥砂在炳灵寺石窟前淤积，淤积面逐年增高，对石窟造成了严重影响。为此，兰州大学开展了大寺沟山洪对炳灵寺石窟的影响初步研究[1]，甘肃省水利水电勘测设计研究院进行了炳灵寺石窟防洪治沙工程方案研究[2]，两项研究均取得了丰硕成果，为山洪灾害防治提供了可靠的基础资料。

本文在吸收前人研究成果的基础上，通过实地调查走访并研阅有关文献，结合泥石流形成条件，确认大寺沟为泥石流沟。在此基础上，研究了泥石流基本地质特征，分析比较了各种泥石流防治措施，推荐采用排导洞治理方案。因大寺沟流域基础地质资料欠缺，难以估算松散固体物质储量，无法准确获取泥石流特征参数（如泥石流重度、泥石流一次最大冲出量等），需在下一步工作中予以解决。

2 大寺沟流域地质概况

大寺沟流域属温带大陆性半干旱气候，降水量少，蒸发量大，年均降水量450.7 mm，年均蒸发量1 457 mm。降水集中于5～9月，降水量占全年降水量的80%。降雨持续时间短，1 a有1～2次暴雨，如2018年7月22日，3 h内降雨量108 mm。

大寺沟主要由直沟与上寺沟两条支沟组成，流域面积约11.50 km2，水滴岭以上的流域面积约占整个流域面积的90%。大寺沟流域水系见图1。

直沟与上寺沟的沟床宽6～12 m，最宽20～25 m。中下游沟床比降5%～10%，少数地段可达20%，局部形成高3 m左右的跌水;中上游沟段比降30%～45%，局部形成陡坎。直沟常年有水，水量随季节变化，汇水面积占全流域的70%，支沟众多，陡坎较多;上寺沟只有季节性流水，沟道无明显陡坎，分支多，沟道短。直沟与上寺沟汇合后称为下寺沟，沟床宽且顺直，水滴岭以上平均宽约18 m，沟床比降3.5%～6.0%，平均约4%;以下沟床平均宽约62 m，平均比降约2%。水滴岭处宽仅3.5 m左右，该部位为一滑塌体堵塞沟床后冲出的狭窄沟道，为下寺沟最窄处。

流域内为中山地貌，地形复杂，地表受冲沟侵蚀下切强烈，沟谷深切、高差大。最高处分水岭附近高程约2 402 m，最低处位于沟口，高程约1 722 m，相对高差680 m。岸坡陡立，山顶尖棱，呈山高谷深、峰林式丹霞地貌形态。

基岩大面积出露，地层为下白垩系河口群（K1hk），岩层厚达300 m。岩性为浅紫红、棕红色细砂岩、含砾中砂岩与砾岩，呈互层状，为一套河湖相沉积物。岩层倾向320°～340°，倾角2°～7°。第四系主要分布于坡体中下部或坡脚及沟床，属崩积或洪积成因，崩积物岩性主要为碎石、角砾夹砂性土，洪积物岩性主要为含泥中粗砂，夹有碎石、角砾，偶见大块石。

地质构造相对简单，不存在区域性深大断裂，断裂小构造及垂直节理较发育。不良地质现象主要为泥石流与崩塌。

3 泥石流沟判识

泥石流的发生跟多种因素有关，如冲沟及松散堆积物、地形条件、降雨条件、汇水面积、植被覆盖率以及人类活动影响等，这些因素中的几种作用相互影响，才可能发生泥石流，其中起关键作用的是物源条件、地形条件与降雨条件[3-5]。

大寺沟流域植被稀疏，岩土多裸露，地质环境条件脆弱，各支沟沟床及两岸分布的洪积物与崩坡积物，为泥石流的形成提供了丰富的物源。地形条件是影响泥石流形成和运动的重要因素，主要通过沟床比降和沟坡坡度体现。一般来说，泥石流物源区的沟床坡度在15°～40°范围内时，沟床坡度越大越有利于泥石流的形成，大寺沟流域的地形特征有利于泥石流的发生。降雨是泥石流的激发因素，泥石流的暴发不仅决定于降雨量，更重要的是降雨强度。据有关统计资料，日降水量>50 mm且具有充足松散堆积物的沟谷就有可能暴发泥石流。据记载，大寺沟流域在2018年7月22日3 h内降雨量达108 mm，超过发生泥石流的降雨强度，因降雨致泥石流发生的概率增大。流域汇水面积大，携带松散物质的能力强，发生泥石流的概率与规模也会增大。

综上所述，大寺沟具备发生泥石流的主要条件，并有多次发生泥石流的记录，称其为泥石流沟是合适的。

4 泥石流基本特征

4.1 泥石流形成区、流通区与堆积区

标准型泥石流可划分出形成区、流通区与堆积区[6]，大寺沟泥石流也具备这些特征。流域内各支沟中上游至分水岭地段，山体较破碎，受水流冲刷、侵蚀严重，暴雨带走松散物质形成坡面泥石流，成为泥石流固体物质的最初来源（见图2）。各支沟中下游沟谷比降较大，宽窄不一，沟床两侧时有崩坡积物与洪积物堆积，泥石流侧蚀作用强，成为泥石流固体物质的重要来源之一（见图3）。

直沟、上寺沟交汇处至水滴岭区段，沟床分布较厚的洪积角砾及砂性土，结构较密实，洪水对沟床的铲刮强度较弱。因该段沟床比降较小，部分粒径较大的块石在该段停滞形成堆积现象，沟床两侧零散分布的崩积物与洪积物易被洪水带走。总体而言，泥石流物源主要为坡面侵蚀和沟道堆积类物源，形成区、流通区有重叠，但形成区主要位于上寺沟和直沟中上游区域。

堆积区主要位于水滴岭以下沟段，该段呈长条状，面积约5.2万m2，初步估算堆积量约100万～120万m3。因沟床平缓（见图4），流速低，大颗粒最先沉积，越往沟口，颗粒相对越细，但总体上各地段颗粒差异较小，不同时期泥石流组成物质也无较大变化，这可从清淤沟槽断面得到佐证。究其原因，在于物源区主要以砂性土夹碎石、角砾为主，加之流通区沟床坡降较小，大颗粒多在流通区沉积，使得堆积区没有大的粗粒物质。据颗分试验成果，堆积物粒径小于0.075 mm的粉粒及粘粒含量平均为1.8%;粒径0.075～2 mm的砂粒含量平均为44.2%，其中粗砂含量平均为22%，中砂含量平均为8%，细砂含量平均为14%;粒径2～20 mm的角砾含量平均为36%;粒径20～60 mm的碎石含量平均为18%。可以看出，堆积物主要以砂性土与角砾为主，其次是碎石，细粒土含量少。

4.2 泥石流堵塞程度

泥石流堵塞程度可参照表1判定，大寺沟沟槽一般顺直，局部存在陡坎及卡口，形成区在流域中上游均有分布，且与流通区有重叠，流体物质一般较稀，综合判断堵塞程度为中等。

4.3 泥石流一次最大冲出量

大寺沟流域缺乏一定比例尺地形图，无法确定松散固体物质分布情况及储量，难以准确估算泥石流一次最大冲出量。据有关资料，2018年7月22日爆发的泥石流，为有记载以来最大的一次，其固体物质在炳灵寺石窟一带堆积量约16.5万m3，部分固体物质已进入刘家峡水库，可以认为，大寺沟泥石流一次最大冲出量不低于16.5万m3。

4.4 泥石流发育程度

泥石流的发育程度可参照表2确定。根据炳灵寺石窟位置及流域地质条件，大寺沟泥石流发育程度为中等。

4.5 泥石流易发程度

泥石流易发程度可采用数量化评分法进行评价[7]，结果见表3。首先对影响泥石流发育的因子逐项打分，然后根据综合评分结果划分易发性，大寺沟泥石流易发程度数量化得分为92分，属中等易发（见表4）。

4.6 泥石流类型划分

按不同的分类方法，泥石流可划分为不同类型。根据集水区地貌特征，大寺沟泥石流为沟谷型;按流体性质分类，大寺沟泥石流为稀性泥石流;据调查走访及石窟管理部门记载，大寺沟泥石流基本每5 a爆发一次，按泥石流的暴发频率，大寺沟为高频率泥石流沟谷（Ⅰ类），破坏程度等级为严重。

5 防治对策

大寺沟泥石流主要影响炳灵寺石窟，该遗产价值不可估量，一旦发生泥石流，造成的损失大，危害程度大，危险性大[8-10]，进行适当治理是必要的。根据大寺沟地质条件并结合泥石流特征，可考虑的治理措施包括“植被恢复、稳坡护坡、主沟拦挡、主沟导排”等[11]，各措施主要特点如下：

（1）植被恢复措施。主要从源头上减少泥石流物源。大寺沟流域内土层薄，植树造林难度大，成活率较低，见效慢，难以及时有效解决炳灵寺石窟当前面临的泥石流危害。

（2）稳坡护坡措施。适用于滑坡、不稳定堆积体等物源的防护，大寺沟泥石流物源主要为坡面侵蚀和沟道堆积类物源，稳坡护坡的防护效果有限，且流域范围广，地形复杂，全面进行稳坡护坡的难度很大。

（3）主沟拦挡。主要用于控制泥石流的流量和动能，降低泥石流的破坏性，拦挡坝一般要求有较大库容且具备清淤条件。大寺沟主沟坡降小，主沟附近分布有大量文物景点，拦挡坝高度受限，备淤库容难以容纳多次较大规模的泥石流堆积，须及时清淤才能继续发挥作用。另外，将泥石流固体物质拦挡在主沟内，某种程度上汇集了物源，加大了下一次泥石流的规模及灾害风险。因此，主沟拦挡措施也不适用于大寺沟泥石流的治理。

（4）主沟导排。炳灵寺石窟位于泥石流堆积区，是泥石流治理的主要保护对象。通过修建穿越或避绕窟前堆积区的导排设施，将泥石流直接从流通区有序排入黄河，能有效解除泥石流对炳灵寺石窟的危害，是见效迅速且长期有效的根治措施，同时也是当前治理大寺沟泥石流的最佳选择。

根据炳灵寺石窟面临的泥石流灾害特点及治理形势，选择主沟导排措施，并拟定排导洞方案。排导洞布置在大寺沟左岸山体内，进口位于水滴岭上游约200 m 的沟道左岸，出口位于大寺沟沟口下游约400 m 的黄河左岸小支沟内，利用隧洞将泥石流改道直接排入黄河。排导洞布置见图5。

6 结论与建议

（1）大寺沟流域具备形成泥石流的地形、物源及降雨等主要条件，洪流组成物质符合泥石流的一般特征，表明大寺沟为泥石流沟。

（2）大寺沟泥石流属于暴雨引发的沟谷型稀性泥石流，为中等易发，主要威胁炳灵寺石窟，危害程度大，危险性大，进行适当治理十分必要。经综合比较，采用排导洞方案，将泥石流直接排入黄河，避开泥石流堆积区，有效解除对炳灵寺石窟的危害。

（3）大寺沟流域地质条件复杂，历次地质工作仅限于调查走访，流域内松散堆积物分布及储量无法确定，泥石流一次最大冲出量无法准确获取。建议开展全流域地质勘察工作，为泥石流治理设计提供地质依据。

参考文献：

[1] 兰州大学. 刘家峡水库和山洪对炳灵寺石窟的影响初步研究[R]. 兰州大学，2013.

[2] 甘肃省水利水电勘测设计研究院.  甘肃炳灵寺石窟防洪治沙工程方案研究[R]. 甘肃省水利水电勘测设计研究院，2019.

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（编辑：唐湘茜）