引用本文
丁旭强. 舟曲县水泉沟流域泥石流勘察及成因分析[J].中国地质调查, 2024,11(2): 90-96.
DING Xuqiang. Investigation and cause analysis of the debris flow in Shuiquangou watershed of Zhouqu County[J].Geological Survey of China, 2024,11(2): 90-96.  
doi: 10.19388/j.zgdzdc.2024.02.11
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舟曲县水泉沟流域泥石流勘察及成因分析
丁旭强
兰州博文科技学院,甘肃 兰州 730100

第一作者简介: 丁旭强(1992—),男,工程师,主要从事测绘工程工作。Email: 1123514915@qq.com。

收稿日期: 2022-11-24 修订日期: 2023-12-29
摘要

为探明甘肃省舟曲县泥石流成因,保护人民生命财产安全,以舟曲县水泉沟流域泥石流为研究对象,在调查分析研究区地质环境条件的基础上,采用区域测量、地面调查和地下勘探等手段,查明了泥石流的特征,分析了泥石流的成因,并对区内泥石流危害性进行分区。研究表明: 水泉沟坡面结构松散,山坡陡峻,在降水、地震、人类工程活动或重力作用下,会诱发泥石流; 水泉沟泥石流设计重度为18.7 kN/m3,年冲出量为1.24×104 m3/a,泥石流一次最大冲出量为0.66×104 m3,泥石流最大冲压力190.22 kN,泥石流最大爬高为6.2 m; 极危险区为水泉沟沟口至白龙江岸边,面积为0.13 km2,占区内总面积的9.8%,严重危害水泉新村、313省道以及峰迭新区。建议在主沟中、下游沟道内布置两座重力式浆砌石谷坊坝,堆积扇沟道内布置一座重力式浆砌石谷坊坝,建设894 m 排导堤。研究成果可为甘肃区域泥石流防治提供参考。

关键词: 舟曲县; 泥石流; 成因; 勘察
中图分类号:P642.22 文献标志码:A 文章编号:2095-8706(2024)02-0090-07
Investigation and cause analysis of the debris flow in Shuiquangou watershed of Zhouqu County
DING Xuqiang
Lanzhou Bowen University of Science and Technology, Gansu Lanzhou 730100, China
Abstract

In order to explore the formation cause of the debris flow in Zhouqu County of Gansu Province, and protect the safety of people's lives and property, the authors took the detris flow in Shuiquangou watershed of Zhouqu County as the research object. The regional survey, ground investigation and underground exploration methods were used to ascertain the characteristics of debris flow and analyze its formation cause, on the basis of geological environment conditions investigation and analyzation in the study area. Besides, the dangerous area of the debris flow was divided. The results show that the loose slope structure and steep slope could induce debris flow under the action of precipitation, earthquake, engineering activity or gravity. The design gravity of the debris flow in Shuiquangou is 18.7 kN/m3, and the annual discharge is 1.24×104 m3/a. The maximum discharge of the debris flow is 0.66×104 m3 and the maximum pressure of the debris flow is 190.22 kN, with maximum climbing height of 6.2 m. Extreme dangerous area is distributed from Shuiquangou estuary to Bailongjiang river bank, with the area of 0.13 km2, accounting for 9.8% of the total area, which has worst effects on Shuiquanxincun, 313 provincial road and Fengdie area. It is suggested that two gravity-grouted Shigufang dams should be arranged in the middle and lower reaches of the main ditch, and one should be arranged in the alluvial fan ditch, with a 894-meter-long drainage dam. This research could provide some reference for the debris flow prevention in Gansu Province.

Keyword: Zhouqu County; debris flow; cause; investigation
0 引言

舟曲县地处陇南山地西部和青藏高原东缘的交接部位, 泥石流等隐患点广布全县, 是甘肃省滑坡、泥石流严重发育区之一, 也是国家确定的长江上游水土保持重点治理县之一[1]。2008年“ 5· 12” 汶川8.0级特大地震和2010年舟曲“ 8· 8” 特大山洪泥石流灾害造成舟曲县人民生命财产受损严重[2, 3], 同时导致区内原本十分脆弱的地质环境急剧恶化, 其中三眼峪[4]、罗家峪[5]、庙儿沟[6]和水泉沟[7]等区域泥石流最为严重。上述泥石流区域对舟曲县人民生命财产安全构成严重威胁[8], 因此, 针对具有代表性的水泉沟流域进行地质探测具有重要的意义。

水泉沟流域内仅有一处居民点, 为水泉新村, 对水泉沟流域进行地质探测将有效地保护水泉新村, 杜绝地质灾害隐患, 防止特大山洪泥石流灾害悲剧重演。杨梦诗等[9]采用SAR灰度影像以及相干图进行灾害范围提取, 利用PALSAR和QuickBird影像研究舟曲泥石流取得较好的效果; 李瑞冬等[10]基于弹塑性有限差分方法计算分析了舟曲泥石流桩林拦挡结构的极限抗冲压能力; 杨月巧等[11]运用灰色关联法, 找出了此次泥石流灾害, 强降雨是“ 8.8” 泥石流灾害产生的直接因素, 人为活动是其产生的间接因素; 张成勇[12]认为舟曲县全县处于高山峡谷中, 地形陡峻, 沟壑密度大, 沟内滑坡、崩塌发育, 残坡积松散物质储量大, 夏季暴雨频发, 为区内泥石流的形成提供了有利条件。综合来看, 以往研究缺少全方位的实测基础数据作为支撑, 也未统筹分析各要素进行危害性分区, 进而提出可行的预防泥石流的方案。本研究从气象水文、地形地貌、岩土类型、地质构造、土壤与植被、人类工程活动等方面, 对舟曲县水泉沟流域进行了调查, 为危害性分区和工程防治提供了基础数据, 旨在为甘肃区域泥石流防治提供依据及建议。

1 研究区地质环境
1.1 气象水文

研究区内气温变化较小, 昼夜温差不大, 多年平均气温为12.9 ℃, 气温最热月(7月)平均气温为23.0 ℃, 气温最低月(1月)平均气温为1.7 ℃。区内降水少且不均匀, 冬春干燥, 夏秋多雨, 降水主要集中在5— 9月份。据舟曲县气象站统计资料, 研究区内多年平均降雨量为435.8 mm, 多年平均蒸发量为3 000 mm, 无霜期为250 d。降水季节分布不均, 春秋两季降水量相当, 各占年降水量的25.1% 和24.7%, 夏季平均降水量为219.8 mm, 占年降水量的49.2%, 冬季平均降水量仅为4.9 mm, 占年降水量的1.1%。降雨常以连阴雨和暴雨形式出现。据县气象局资料, 大于0.1 mm的年降水平均天数为120 d, 其中达到小雨级别(0.10~9.90 mm)的降水日数为91 d, 达到中雨级别(10~24.9 mm)的降水日数为11 d, 达到大雨级别(25~49.9 mm)的降水日数仅有1 d, 大都集中在7、8月, 达到暴雨级别(大于或等于50 mm)的降水日数19 a中仅出现过1次。降水日数最多的是5— 7月, 连续降水日数最多为14 d。2010年8月7日, 舟曲县城发生特大泥石流灾害时, 1 h最大降雨量为77.3 mm, 历时最大降雨量为96.3 mm。

研究区内河流有白龙江(图1), 全长535 km, 流域面积为32 810 km2, 多年平均流量为339 m3/s, 多年平均径流量为106.7× 108 m3。舟曲县白龙江段百年一遇洪峰流量约为1 438 m3/s, 50年一遇洪峰流量为1 250 m3/s。白龙江从舟曲县西北尕瓦山入境向南东方向径流, 舟曲县城以上干流总长为228 km, 占全长的43%, 流域面积为10 630 km2, 占全流域面积的33%, 河床比降为9.8%, 河谷下切较深, 河道曲折, 川峡相间, 水流湍急, 是一个典型的高、中山峡谷区, 两岸沟壑纵横, 以“ 山大沟深” 著称。水泉沟属季节性泥石流沟谷, 沟谷内无常年性流水。

图1 水泉沟流域泥石流全貌Fig.1 Overall view of the debris flow in Shuiquangou watershed

1.2 地形地貌及岩土类型

水泉沟流域平面组合形态呈树枝状、南北向展布, 总长为1 492 m。流域内地势总体南高北低, 最高点高程为2 574 m, 最低点高程为1 400 m, 相对高差为1 174 m, 为高山地貌。沟壑密度为3.77 km/km2, 沟道狭窄陡峻, 主沟谷底宽度在2~5 m之间, 谷坡坡度一般为30° ~45° , 局部大于50° 。支沟冲蚀、切割作用强烈, 沿主沟呈树枝状分布, 与主沟交角多在30° ~50° 之间, 支沟沟谷多呈狭窄“ V” 字形, 沟谷底宽度一般为2~4 m。沟口扇形地东西宽约410 m, 扇轴长为245 m。根据岩土体的成因和结构特征, 研究区岩体类型为软硬相间的层状、薄层状碳酸盐岩和碎屑岩岩组, 中厚层灰岩和硅质灰岩坚硬岩组, 土体类型为多层土。

研究区地层分区属西秦岭地层区, 出露地层为新近系和志留系: 水泉沟沟口白龙江两岸漫滩的冲洪积物、水泉沟中下游主沟沟口处的泥石流堆积物、主沟道及各个支沟内的重力堆积物为新近系; 原水泉村一带的宽缓梁峁台地及沟岸缓坡地段的黄土状土堆积物为中上志留统白龙江群及下志留统。前者组成白龙江复背斜两翼, 后者构成复背斜轴部, 岩性为中薄— 厚层块状灰岩, 夹千枚岩、板岩、粉砂岩。背斜两侧翼下志留统岩性为千枚岩、板岩及砂岩等。该套地层总厚度为9 000余m。

1.3 地质构造、新构造运动及地震

研究区在大地构造位置上属松潘— 甘孜地槽褶皱系和西秦岭地槽褶皱系两大构造单元的接壤部位, 处于秦岭褶皱系西段的南秦岭印支断裂褶皱带和中秦岭华力西期— 印支期断裂褶皱带构造亚带的分界线附近, 主要构造线呈NWW向, 经历了华力西期、印支期、燕山期、喜山期和新构造运动等多期构造变形运动, 其中华力西期和印支期构造运动尤为强烈。在上述构造运动的作用下, 区内断裂和褶皱构造发育, 表现出复杂的地质历史发展演化特点。

研究区内新构造活动强烈, 新构造运动与青藏高原的形成有十分密切的联系, 但时空分布上存在明显差异, 各次级断裂带空间上不同地段的活动性和强度不同, 断裂活动的时代也不同。本区50 a内地震动峰值加速度为0.20 g, 反应谱特征周期为0.45 s, 相应的地震基本烈度为Ⅷ 度。

1.4 土壤与植被

研究区内土壤主要为高山草甸土、亚高山草甸土、山地褐土及黄土等, 受地形气候等因素的影响, 土壤呈明显的垂直分带性, 海拔2 000 m以上多为高山草甸土, 其下为山地褐土及黄土。总体来说, 研究区土壤质地较粗, 砂砾含量较高, 结构松散, 固结能力差, 抗侵蚀能力弱, 易受水流冲刷流失。原水泉村以上至流域分水岭泥儿坪梁子区域自然植被为针、阔叶林区, 草本植物多残存于沟壑及陡坡地段, 代表性植物有针茅、冰草、野苜蓿、沙蓬、铁杆蒿、马茹刺、锦鸡儿等。水泉沟内植被分布界限明显, 上游地区植被良好, 流域植被覆盖率大于80%, 中下游区域因垦坡种地及流水冲蚀, 植被覆盖率较低。研究区是全县垦植指数较高的地区之一, 尤其在水泉沟流域, 有大量山坡荒地被开垦, 进行种植, 耕地利用率达35%。

1.5 水文地质条件

根据地下水赋存条件可分为基岩裂隙水和松散岩类孔隙水两大类型。基岩裂隙水是区内分布最广的一种地下水, 赋存于泥盆系基岩构造和风化裂隙内, 除局部构造部位有承压水外, 大部分为潜水。地下水接受大气降水补给, 沿裂隙网络系统运移, 在含水层被切割或受阻后以泉的形式溢出转化为地表水, 或间接补给其他类型地下水。研究区为中等富水区或弱富水区, 地下水径流模数小于6 L/s· km2, 矿化度为0.5~2 g/L, 属HCO3--Ca2+型水或HCO3--Ca2+· Mg2+型水。松散岩类孔隙水主要赋存于冲沟附近碎石类土和砂类土层中, 呈带状分布, 多为潜水, 水位埋深变化较大。

冲沟含水层为角砾碎石, 分选和磨圆度均较差, 且含泥量大, 富水性较差。接受大气降水、基岩裂隙水及地表水入渗补给, 沿(沟)谷向下游排泄。该层地下水以泉的形式在山体中、下部出露, 流量不稳定, 受降水影响较大。

1.6 人类工程活动

研究区人类活动较为强烈, 近几十年来, 由于人口剧增, 人类生存需求和工程活动日益加剧, 与泥石流及其危害有关的人类工程活动主要表现为过渡采伐、乱砍滥伐和陡坡耕植, 农业开发无序, 挤压、堵塞和占用沟道。目前, 已有大量的民宅建筑物压迫缩窄原沟道, 仅预留2~3.5 m宽度作为泥石流排泄通道, 沟口已建的排导槽内垃圾成堆、淤埋严重, 断面宽窄不均, 侧墙高低差异过大, 排洪能力不足, 堆积扇前缘至白龙江的主沟道已被整平挤占利用, 切断了泥石流最终的排泄途径。

2 泥石流分区特征与成因
2.1 泥石流分区特征

根据泥石流流域地貌特征及其形成、运移、堆积特征, 将泥石流流域分成3个区: 形成区、流通区和堆积区(图2)。泥石流流域分区面积见表1。水泉沟流域由1条主沟和4条冲沟组成, 主沟道长度为1.492 km, 支沟有4条, 由西至东分别为西侧1#冲沟、西侧2#冲沟、东侧3#冲沟、东侧4#冲沟(图2), 支沟总长为1.375 km。

图2 泥石流流域分区Fig.2 Division of the debris flow watershed

表1 泥石流流域分区面积统计 Tab.1 Statistics of the debris flow watershed area
2.2 泥石流成因

在泥石流的形成条件中, 地形地貌条件和一定储量的松散固体物质是泥石流形成的充分条件, 一定强度的降雨是激发泥石流形成的动力条件, 泥石流产生几率及其规模, 取决于这些条件的综合影响。

2.2.1 地形条件

水泉沟区域为高山地貌。主沟沟谷走向为SN向, 流域面积为0.76 km2。水泉沟流域地势陡峻: 主沟上游沟床平均纵比降为444‰ , 中下游沟床平均纵比降为599‰ ; 支沟沟床平均纵比降均大于400‰ ; 沟口扇形地段平均纵比降为187.8‰ 。

水泉沟两侧坡面覆盖厚度为5~10 m的残破积层和洪积物。水泉沟上游部分区域覆盖有黄土状土, 黄土分布地段多被当地村民开垦为耕地。这种松散的坡面结构加之山坡陡峻, 为坡面及冲沟泥石流的发育提供了丰富的固体物质和良好的地形。在水泉沟下游, 沿山麓分布的各种碎屑混杂的堆积物厚达十几米乃至几十米, 表明早期坡面侵蚀及冲沟泥石流的发育程度是比较活跃的。

2.2.2 固体物质补给条件

区域内地质构造较复杂, 区内周边断裂构造发育, 新构造活动较强烈, 岩层岩性主要为板岩、千枚岩等, 断裂活动和风化作用使得岩层十分破碎, 总体结构较为疏松。区内沟坡较陡, 沟道内及岸坡地带形成大量结构松散的残坡积堆积物, 新构造运动抬升沟谷, 导致沟床下切, 沿沟谷地带形成切谷地貌, 在降水、地震、人类工程活动或重力作用下, 沟谷下蚀、坡面冲蚀、小型滑坡等不良地质现象为泥石流形成提供了大量松散固体物源。

2.3 泥石流的形成过程

水泉沟流域内中上游较开阔, 支沟较发育, 有利于雨水的汇集, 松散堆积物丰富。突发暴雨后, 雨水短时间内汇集于沟道形成地表径流, 同时, 坡面、沟道中固体风化碎屑物质受坡面和沟道水流的片蚀、冲刷、侧蚀和各种侵蚀作用, 固体物质不断地进入, 随着侵蚀力度的不断加剧, 水流挟带的泥沙、石块数量不断增加, 而且在运动中又不断搅拌, 当固体物质含量达到某一极限值时, 且搅拌十分均匀, 流体性质发生变化, 已不再是牛顿体, 不同于挟沙水流, 成为具有特殊性质和流态的流体, 即泥石流。由于沟道堵塞程度较弱, 快速流动的泥石流具有强大的冲击力和搬运能力, 沟道内堆积物的搬运和沟岸坍塌活动剧烈, 泥石流容重不断增大, 大量块石被裹挟搬运(图3), 泥石流进入沟道比较顺直的流通区后, 侧蚀作用减弱, 沟床搬运与堆积同时进行, 流速有增无减, 此后进入堆积区, 不可避免地造成重大人员和财产损失。

图3 水泉沟沟道AA'剖面示意图Fig.3 AA' cross-sectional view for Shuiquangou channel

3 泥石流流体特征
3.1 泥石流堆积物粒度特征

泥石流堆积物颗粒特征与泥石流流体类型密切相关。泥石流流体类型不仅是研究其动力学特征的基础, 也是泥石流治理、危险性评价等的基础。水泉沟泥石流堆积物中以小于2 mm的颗粒为主, 将近占一半, 小于0.5 mm的颗粒占30%左右。图4为TJ1-1和TJ1-2两个监测点的颗粒累计曲线, 呈一向外凸的弯弓形, 由斜率不同的上下两段组成, 转点在0.5 mm附近, 反映出泥石流堆积物以细颗粒为主, 泥石流流体以悬浮的方式运动, 停积时流体几乎呈整体状堆积下来, 沉积物大小混杂, 大小颗粒几乎与运动状态时一样, 黏性泥石流特征明显。

图4 水泉沟泥石流堆积扇颗粒累计曲线Fig.4 Accumulative curve for the particles in Shuiquangou debris flow accumulation fan

水泉沟泥石流重度具有自上游至下游沿程变化逐步增大的特点, 和泥石流形成发育的过程相符合。此次综合考虑水泉沟泥石流形成的地质环境条件和在沟道现场实地调查的固体物质补给来源, 以及堆积物中浆体分布的特点和沟壁上泥位和泥面特点等, 综合确定水泉沟泥石流设计重度为18.7 kN/m3。

3.2 泥石流流量

本次清水流量相关计算公式中各参数(因子)取值根据流域特征, 按《甘肃省暴雨洪水图集》[13]对全省各地区小流域水文、降水要素的统计列表或图示, 查表或计算求取。水泉沟泥石流年冲出量为1.24× 104 m3/a, 泥石流一次最大冲出量为0.66× 104 m3。

3.3 泥石流动力学特征

3.3.1 泥石流整体冲压力

泥石流整体冲压力按《DZ/T 0239— 2004 泥石流灾害防治工程设计规范》[14]进行计算。主要对拟布设拦挡工程部位各断面1-1、2-2、3-3(图2)进行计算, 建筑物形状系数按矩形建筑取值1.33, 本研究主要选出各拟选坝位, 各断面泥石流整体冲压力计算参数及计算结果见表3。

表3 水泉沟泥石流整体冲压力计算结果 Tab.3 Shuiquangou debris flow overall pressure calculation results

3.3.2 泥石流爬高和最大冲起高度

泥石流爬高和最大冲起高度按照《DT/T 0220— 2006 泥石流灾害防治工程勘查规范》[15], 具体见表4。

表4 水泉沟泥石流最大冲起高度和泥石流爬高计算结果 Tab.4 Shuiquangou debris flow maximum surge height and climbing height calculation results
4 泥石流危害性分区
4.1 泥石流易发(严重)程度评价

依据《泥石流沟易发(严重)程度数量化表》[16], 对泥石流易发(严重)程度进行评价, 水泉沟流域泥石流危险度为0.71, 属于高度危险, 可造成重大灾难和严重危害, 对水泉新村、313省道及迭峰新区威胁巨大。

4.2 泥石流危害性分区

由图5可知, 极危险区分布范围为水泉沟沟口至白龙江岸边泥石流流通范围, 总面积为0.13 km2, 占全区面积的9.8%, 严重危害水泉新村、313省道及峰迭新区。极危险区区内灾害出现的频率高, 受灾损失大, 主要危害水泉新村村民30多户, 112人, 以及峰迭新区东侧区域。峰迭新区目前正处于全面规划及部分区域的前期建设, 其与县城共同承担居住、教育、商业服务和行政管理职能, 在可利用的1.2 km2的区域内容纳1.5万人, 每km2 集中1.25万人, 为人口密集区, 一旦发生泥石流, 将造成难以估量的巨大损失, 威胁人员2 000余人, 潜在经济损失1亿元。危险区分布于极危险区两侧, 总面积为0.32 km2, 占全区面积的24.2%, 主要危害水泉沟沟口洪积扇上建设的水泉新村, 以及即将建设的迭峰新区内其他企事业单位, 较重要的建筑有林业大厦、农牧大厦、加油站等。影响区灾害出现的频率较低, 但水泉沟排洪渠如果堵塞或上流拦挡坝溃坝, 此地段将是泥石流淹没区, 也可能造成较大的损失。

图5 水泉沟泥石流危害分区Fig.5 Debris flow hazard zoning in Shuiquangou

5 工程防治建议

据《GB 50201— 14 防洪标准》[17], 其防洪能力应为20~50 a一遇。建议: ①在水泉沟布置3座重力式浆砌石谷坊坝。谷坊坝坝址选择主沟内, 其中主沟中、下游沟道内布置两座, 堆积扇沟道内布置一座; ②排导渠的设计布局上结合峰迭新区建设规划, 尽量减少弯道, 上部与停淤场对接, 下游为减少通过峰迭新区的长度, 以一定的弧度向白龙江下游弯曲, 排导渠设计断面为双侧梯形断面, 排导堤长度为894 m; ③在水泉沟出山口下方的堆积扇上, 利用泥石流冲刷下切形成的凹地, 通过人工开挖扩大其规模, 形成具有一定停淤容积的凹地停淤场; ④根据凹地容积及预期停留泥石流数量, 决定在下游出口处修建一座停淤坝, 并对凹地开挖形成的边坡通过修建围堤进行防护; ⑤终点有排导渠的, 利用原有的人工挖掘的大坑, 将其部分利用, 修建一座沉砂池, 通过沉砂池的沉积作用, 可以减小泥石流重度, 改善通过峰迭新区段排导渠的排泄能力。

6 结论

(1)水泉沟坡面结构松散, 山坡陡峻, 在降水、地震、人类工程活动或重力作用下, 会诱发泥石流。水泉沟泥石流设计重度为18.7 kN/m3, 年冲出量为1.24× 104 m3/a, 泥石流一次最大冲出量为0.66× 104 m3, 泥石流最大冲压力为190.22 kN, 泥石流最大爬高为6.2 m。

(2)对水泉沟泥石流危害性进行分区, 极危险区为水泉沟沟口至白龙江岸边, 面积为0.13 km2, 占区内总面积的9.8%, 严重危害水泉新村、313省道以及峰迭新区。

(3)建议在水泉沟布置3座重力式浆砌石谷坊坝, 建设894 m排导堤, 在设计布局上配合峰迭新区建设规划。

(责任编辑: 刘丹)

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