兰州市主城区人工弃渣型泥石流研究

王喜红，刘兴荣，张 芮，张国信，张丽娟，张海粟

(1.甘肃农业大学水利水电工程学院，甘肃 兰州 730070；2.甘肃省科学院地质自然灾害防治研究所，甘肃 兰州 730000)

兰州市作为一个典型黄土丘陵地区山间河谷型城市，黄河两岸南北两山沟道众多，仅主城区分布有沟道108条，均为丰水期行洪通道和泥石流沟道，降雨极易诱发泥石流灾害的发生和发展[1- 3]；主城区“两山夹一河”的地域限制和复杂的地形地貌特征，以及不断扩大的人口规模，使得原本紧张的土地供需关系和城市建设发展需求之间矛盾尖锐，不得不将城市建设和发展方向逐渐向南北两山前缘及其周围沟道内拓展，甚至向周围乡镇延伸，通过削山填沟等方式获取可利用土地，在此过程中弃土、弃渣等人工堆渣体应运而生，在适宜条件下形成受人类工程活动影响的人为泥石流灾害，其发生、发展及规模都受到人类工程活动的干涉[4- 7]，这既是城市大规模建设发展的结果，也是导致泥石流沟道内物质的量不断增加的主要原因。目前，兰州市主城区(城关区、七里河区、西固区和安宁区)的开发建设和人类工程活动的加剧，大量道路修建形成的弃渣、场地平整形成的弃渣(多为挖山填沟)、矿山开采形成的弃渣(多为采石、采砂弃渣)以及建筑和生活垃圾等人工弃渣的沿沟堆放，已成为加剧兰州市主城区泥石流发生的巨大潜在威胁。

近年来，越来越多的地质人员和地质灾害防治人员及管理者对人工弃渣引发或加剧的泥石流予以关注[8- 11]。由于人工弃渣型泥石流是伴随着人类大量工程活动的建设而发生的，最早是从矿山弃渣进行研究的，以神府东胜矿区和陕西潼关金矿区的矿渣研究较系统和全面，主要集中在矿渣泥石流的形成条件、危险性评价及其防治上，而对因城市建设和道路等基础设施完善而引起的人工弃渣泥石流研究相对较少[12- 14]。本文在前人研究和实地调查研究的基础上，结合兰州市主城区人工弃渣特点，以自然泥石流沟道的研究方法为参照，对人工弃渣型泥石流进行系统研究，建立人工弃渣型泥石流防治体系，对大中城市在建设过程中形成的人工弃渣堆积与泥石流的防治相结合提供科学的指导意义和实用价值。

1 兰州市人工弃渣泥石流概况

兰州市主城区地处黄土高原丘陵地区，呈典型的“两山夹一河”的地貌特征，总面积约1645.38 km2，占全市12.6 %。区内地域狭长，地形切割强烈，沟壑发育，沟坡坡度在35°～45°之间，沟谷平面形态多呈“漏斗形”或“柳叶形”，有利于降雨汇集。据统计，兰州市主城区南北两山发育面积大于0.1 km2的沟道共有105条，其中南岸37条，北岸68条，北岸较南岸沟道更为发育(见表1)。区内多年平均降水量为293.5mm，最多年降水量为407.7mm，最少年降水量为168.3mm，年际、年内分配不均，短时强降雨较多，降雨多集中于6—8月，约占全年的55.74%。据调查，兰州市主城区人工弃渣分布面积约为4.47 km2，约占主城区面积的0.27%，以安宁区和城关区分布最为广泛，西固区和七里河区次之(见表2)，其分布特征与人类工程活动密切相关。

表1 兰州市沟道分布表

表2 兰州市主城区人工弃渣统计表

2 兰州市人工弃渣形成原因

兰州市是我国西部地区公路、铁路、输油气管线的枢纽。近几年来，由于城市建设发展和土地供需矛盾紧张，以及不断扩大的人口规模，使得城市建设和发展方向逐渐向南北两山前缘及其周围沟道内拓展，甚至向周围乡镇延伸，不得不通过削山填沟等方式获取可利用土地，在此过程中大量弃土弃渣应运而生；另外，交通建设和采石采砂活动形成的弃石、弃渣、弃土依沟而弃，挤占沟道行洪通道。上述人类工程活动造成了兰州市人工弃渣逐年增加而治理力度相对落后的困局，致使兰州市主城区的防灾隐患也与日俱增。归纳其形成原因，主要有以下几点：

(1)交通运输、输油气管道、住宅等工程密集布设。近年来，兰州市相继修建了宝兰客专铁路、兰渝铁路、兰州至中川机场的城际铁路、南绕城公路、北绕城公路以及兰郑长、兰成渝、涩宁兰、西部输油气管道等数条输油气管道，甚至诸多住宅开发项目等。通过调查结果，兰州市沟道发育且数量分布众多，地形地貌结构复杂，这些工程的修建势必要对沿途山体进行挖山削坡或修建隧道，对沿途沟道进行填埋或架设高架桥，均会形成大量的坡面或沟道堆积的人工弃土、弃石，造成流域内人工弃渣污染。如宝兰客专铁路和兰渝铁路修建时，仅烂泥沟人工弃渣堆积量达80×104m3(如图1所示)；北绕城公路修建时，为避免大量搬迁和征地，路线多选择以隧道和高架形式为主，导致逢沟必有弃渣；兰州恒大文旅城住宅建设项目开发过程中，削平山体以填埋附近的沟道，在沟道上游形成较大的汇水平台。

图1 烂泥沟人工弃渣

(2)城市建设向南北两山及其沟道拓展，开发密度高。兰州市“两山夹一河”的条带状狭窄地形特征严重制约城市区建设和发展，东西狭长而南北窄，向南北方向开发只能依靠开发沟道土地资源。如城关区九洲开发区，规划总开发面积7.78 km2，可开发建设用地面积8972亩，为甘肃省省级开发区，目前沟道内的原始沟床形态已不复存在；城关区大砂沟作为兰州市北大门，是城关区最大的旧城改造区，目前是集商业、居住于一体的区域，总建筑面积近11×104m2，沟道内不同程度的挖填现象随处可见(如图2所示)。此种因沟道开发而形成的工程弃土弃渣范围大、体量多，但相对应的治理和绿化等措施略显滞后。

图2 大砂沟人工弃渣

(3)采石、采砂活动频繁。采石、采砂场在砂、石等剥离过程中，由于地表风化层较厚，排弃物以砂、土、风化岩石等细粒物质为主，随着剥离逐渐深入，原生岩石也相继增多，一旦遭受大雨冲刷，很容易形成泥石流。如安宁区深沟，每年砂、石等剥离物和废弃物均超过2×104m3，累计总量已超过30×104m3(如图3所示)；安宁区大沙沟，采砂活动不仅改变了沟道及周围坡体的原始地貌，使沟道表层破碎，仅临时堆放的砂料就超过5×104m3，这些都是潜在泥石流物质的供应场地。

图3 深沟弃渣

(4)建筑、生活垃圾等不规范处理。兰州市部分沟道两侧居住着很多旧城区居民，多以老旧平房为主，此类建筑区排水系统相对较差，垃圾排放点分布不均匀，因使用不便而出现生活垃圾随沟倾倒的现象；在沟道中上游离村庄较远的区域常会有不明车辆随沟倾倒建筑垃圾及生活垃圾。如安宁区泥麻沙沟上游在平整场地时沿沟形成高10～30 m的高陡边坡，下游又在边坡表面堆填建筑垃圾，沟道两侧均堆有厚1～2 m，高3～6 m的垃圾，这些垃圾多为建筑垃圾，均较松散，无任何处理措施，其危害程度较大(如图4所示)。

图4 泥麻沙沟弃渣

3 兰州市人工弃渣特征及起动机理

3.1 粒径特征

不同沟道人工弃渣的颗粒级配，反映了其在不同粒度组成的物源中各级粒度所占的数量，直接影响渣体的渗透、容重、抗剪强度、压实等特性[15]，进而影响渣堆的稳定和泥石流的起动。兰州市主城区不同人工弃渣的颗粒级配如图5所示。

图5 兰州市主城区人工弃渣颗粒级配图

由图5可知，研究区弃渣颗粒从细粒土(<0.075mm)到卵石(<80mm)都有，但小于0.075mm的粉土和黏土物质仅占总质量的0.27～2.87%，4条沟含量均较少；砂粒级(0.075～2mm)的颗粒占总质量的18.19%～32.85%，除烂泥沟为隧道弃渣，砂粒级含量为18.19%，另外3条沟的砂粒含量都在32%以上；砾粒级(2～20mm)占16.9%～59.79%，卵石级(20～80mm)占 15.46～32.24%，4条沟含量差异均较大。弃渣中砂粒、砾石、卵石级粒级占总量的92.3%以上，细颗粒相对缺乏。

3.2 渣体堆积特征

兰州市沟道弃渣堆积方式相对较单一，主要归类为挤占沟槽和沿沟两侧堆填两种方式。

(1)挤占沟槽。主要是大范围压缩沟槽后新建洪水、泥石流通道，如城关区大砂沟(如图2所示)；或者直接回填整个沟槽，抬升原沟床而形成新的沟床，如城关区的烂泥沟(如图1所示)。此类固体物质为新近搬运的渣体，堆填松散，孔隙度大，容易达到饱和，故沟谷内人工弃渣泥石流的起动主要受洪峰流量、流速、弃渣量、沟床比降等控制，直接作为固体物质参与泥石流，其参与规模相对较大，参与周期较短。

(2)沿沟两侧堆填。其中，一种方式是采石、采砂过程中或垃圾等随沟倾倒，覆于地面表层，无任何处理措施，如安宁深沟(如图3所示)；另一种方式是保持原沟床不变，但在沟道两侧堆积、回填大量人工弃渣，在堆填过程中进行了简单处理，形成高陡边坡，如安宁泥麻沙沟(如图4所示)。该类泥石流沟道内固体物质的补充主要受边坡的稳定性决定，降雨初期，边坡局部地方坍塌进入泥石流补给，塌陷区会继续受洪水或泥石流冲刷进而塌陷补给泥石流，直至堆积体冲刷完全。此类堆积渣体为边坡失稳后进入沟道的固体物质参与泥石流，也就是间接参与泥石流的暴发，其参与规模相对较小，参与周期较长。

3.3 渣体启动机理

3.3.1颗粒级配对泥石流起动的影响

泥石流物源中颗粒的粗细直接影响泥石流的形成机理和起动模式。陈中学等[16]认为，泥石流的启动过程中黏土颗粒含量具有临界性，当黏粒含量少于5%或大于18%时，难以形成泥石流，而渣体的黏粒含量均小于5%(粉土和黏粒的和仅占总质量的0.27%～2.87%)，也就是说人工弃渣的起动较常规泥石流起动比较困难，需要更大的降雨量才能起动。

深沟、大砂沟、烂泥沟和泥麻沙沟中粒径大于2mm(含2mm)的粒径(主要包括砾粒和卵粒)占总量的比例依次为：49.14%、44.66%、80.42%、65.7%。费俊祥等[17]在泥石流分类中，将d≥2mm 的颗粒所占的百分比含量大于80%，且主体以砾石、卵石和漂砾为主的泥石流划为水石流，只有烂泥沟弃渣导致的泥石流属于费俊祥等[17]分类中的水石流类型，其余3条沟都为泥石流。烂泥沟弃渣主要是隧道渣体，土体成分较单一，粒径主要集中在砾粒和卵粒级；其余3条沟土体成分相对较广，砂粒含量较多。在泥石流起动中烂泥沟和另外3条沟不同，因此，在渣体选址、堆放形式和治理措施上均应有所区别。

3.3.2挤占沟槽的渣体对泥石流起动的影响

(1)理论依据

受洪水或泥石流冲刷，挤占沟槽的渣体起动可引用刘菲等[7]提出的泥石流起动稳定系数K计算。以烂泥沟为例进行计算说明。

式中，f—摩擦系数；W—渣体重力；α—堆积渣体沟床坡度；U—水流浮力；L—渣体长度；B—渣体宽度；c—土的黏聚力；Q—洪水流量；γ水—水体重度；u水—水体流速；g—重力加速度；Δt—降雨历时；J—沟床坡降；R—水力半径。

(2)实例分析

实例1：烂泥沟为一季节性冲沟，形成区汇水面积约22km2，主沟长12km，纵比降46‰。两侧斜坡区地形陡峻，据境内榆中县和兰州市城关区气象站资料统计，区内小时最大暴雨量为51.9mm，10分钟最大降水量为18.6mm，诱发泥石流的可能性也是最大的。该沟道内其中1处弃渣堆积长度约1400m，宽30～62 m，高15～40 m，体积约为3×105m3，沟床底坡约10°。由观测资料可知，该沟50年一遇的洪峰流量为138m3/s，流速4.6m/s。饱和内摩擦角11°，饱和黏聚力为0.009MPa，容重为18kN/m3，水的容重10.0kN/m3。其稳定性计算如下：

W=LBHγ=2.3× 107kN；

sinα=0.174；

cosα=0.984；

f=tanφ=0.194；

U=γ水hLB=1.3×107kN，其中h为弃渣厚，取15m；

则

=0.6

该弃渣体为不稳定的弃渣体，能被较强降雨起动充当泥石流物质，从而加剧该沟泥石流的破坏程度。

3.3.3沿沟两侧堆填的渣体对泥石流起动的影响

(1)理论依据

沿沟两侧堆填的渣体，可视为不稳定斜坡，其破坏方式也是先失稳再进入沟道充当泥石流物质。其稳定性可按边坡稳定性计算方式进行判定，采用slide5.0计算软件分析计算， 采用GB 50330—2013《建筑边坡工程技术规范》中规定的Bshop simplified(简化毕肖普法)进行计算。其计算公式如下：

式中，i—将坡体分成i块条块；∑Ri—各滑块沿圆弧滑面的抗滑力，kN/m；∑Ti—各滑块沿圆弧滑面的滑动力，kN/m。

(2)实例分析

实例2：安宁区的泥麻沙沟内人工弃渣体长500 m，宽10～20 m，高10～30 m。该处沟宽15 m，沟床底坡10°，天然容重γ为18.0 kN/m3，饱和容重γd为21 kN/m3，天然内摩擦角为28°，天然黏聚力为18kPa， 饱和内摩擦角24.5°，饱和黏聚力为15kPa。其稳定性计算如下：

①软件边界条件设置：

采用规范:通用方法；

计算目标:安全系数计算；

安全系数计算目标: 圆弧滑动法；

地震烈度: 8度；

水平地震系数:0.200；

地震作用综合系数:0.250；

地震作用重要性系数:1.000

地震力作用位置: 滑弧处

水平加速度分布类型：矩形

圆弧稳定分析方法:瑞典条分法

稳定计算目标:自动搜索最危险滑裂面

土条重切向分力与滑动方向反向时: 当下滑力对待

条分法的土条宽度:0.500(m)

搜索时的圆心步长:0.500(m)

搜索时的半径步长:0.500(m)

②计算工况

通过野外调查及勘查中未揭露地下水的实际情况，本次计算不考虑地下水的影响，但考虑到坡面汇水和降雨下渗，为了安全起见土体重度在自重+暴雨工况下取饱和重度，c、φ值根据地区经验进行强度折减。

③计算结果

计算模型的计算解译结果见图6。自重+暴雨工况下稳定性系数为0.974，按照GB 50330—2013《建筑边坡工程技术规范》中规定，稳定安全系数取1.30，稳定性计算结果均小于1.30，说明该边坡总体不稳定。

图6 边坡稳定性的计算解译结果图

由以上研究可知，相对传统泥石流来说，渣体的颗粒级配和堆放形式都是人工弃渣型泥石流起动的关键条件，而地表径流的冲刷力作用是较小的，因此，人工弃渣型泥石流的治理模式应与传统泥石流治理模式有所区别，其治理理念和治理措施针对性更强。

4 人工弃渣型泥石流防治对策

4.1 制定针对兰州市的人工弃渣堆积规范

人工弃渣型泥石流与传统泥石流的区别较大，加上兰州市是一个交通枢纽和西部大开发的重镇，基础设施建设和城市扩建工程蓬勃发展，兰州市又是低丘缓坡开发利用试点区，随之带来的人工弃渣安置问题也越来越严重。因此，为了科学的、有条理的堆放人工弃渣，避免引发或加剧大的泥石流，制定适合兰州市的人工弃渣堆放的技术规范迫在眉睫。

4.2 按人工弃渣类型分类堆积

针对各类人工弃渣颗粒级配之间差异性较大的特点，需对各类人工弃渣进行分类堆积处理。如修建隧道、采石和建筑等工程形成的人工弃渣颗粒级配较单一且颗粒较大，该类弃渣按同一类进行堆积；平整场地挖山填沟和采砂时形成的人工弃渣细颗粒含量较高，该类弃渣应作为同一类进行堆积。按此方法针对不同类型的弃渣进行专门堆放，有助于专门治理工程的实施，也便于进行相应的环境保护。

4.3 选择科学、合理的弃渣场位置

人工弃渣型泥石流的起动相对于传统泥石流的起动，其需要的降水量更大。因此，对于开挖隧道、采石和建筑等形成的较大颗粒的人工弃渣场应选择在相对平缓、沟床较宽且流域面积相对较小的支沟，这样，在保证有足够库容的情况下，治理工程相对集中、单一，节约治理费用且治理效果明显，另外，对于小流域的支沟很难在短时间内汇聚起动渣体的流量；对于细颗粒弃渣应选择在相对较宽的沟床，沟床中间或一侧修排导渠，排导渠外围堆积弃渣，这样让沟道内水体和弃渣分离，避免被水流带走形成泥石流。

4.4 按危险性程度分类治理

通过确定致灾因子对区内人工弃渣的危险性进行评价，按危险性大小分区进行轻重缓急排序，对极高危险性和高危性区域应及早进行治理，对中度危险性和低度危险性区域可加强监测，定期整治，争取早日治理，对极低度危险性沟道进行监测即可。

4.5 加强夯实措施

由于密实度对于黄土地区人工堆积体场地泥石流物质的转化起着关键的控制作用。因此，夯填过程中拌和一些粘土或者分层加土工格栅，以期能尽量增大其夯实系数，减小水体下渗量，从而减缓湿陷破坏；依照试验数据，场地湿陷深度较大且不均匀，在夯填时一定要从最底层开始，夯实系数尽量要均匀，避免水体冲蚀、破坏软弱处；边施工边在顶面临时铺盖土工布，防止其被雨水冲刷。

4.6 加强堆积体场地临空侧治理措施

应加强临沟侧回填措施，在夯填时应分层、分台实施，且施工过程中刚性和柔性治理结合，可在回填过程中加秸秆或者土工布，并在坡脚加挡土墙，同时做好截排水工程，使台面积水能顺利排入下游沟槽。

5 结语

近年来，受兰州市城市开发力度加大和基础设施建设规模扩大的影响，兰州市的人工弃渣不断增大，潜在的危害也愈来愈大，对城区人口和基础设施构成了严重的威胁，人工弃渣型泥石流灾害频繁发生的势头不会消减，因此，兰州市人工弃渣型泥石流灾害及其带来的环境问题应该引起相关部门的广泛关注[18- 19]。本文针对兰州市人工弃渣引发或加剧泥石流灾害的严峻现实和不容乐观的发展趋势，就兰州市人工弃渣的形成原因和人工弃渣特征及兰州市人工弃渣型泥石流的起动机理进行探讨，并提出了相应的防治对策，希望能引起社会各界的重视，以利于大中城市人工弃渣泥石流防治经验的积累。