甘肃武山县兰家沟泥石流危害特征及治理方案

张治家

(甘肃省地质矿产勘查开发局第二地质矿产勘查院，甘肃 兰州 730020)

武山县地处西秦岭山地和陇中黄土高原的过渡地带，地震背景、地质条件复杂，生态环境脆弱，断裂发育，岩体破碎，山高谷深，沟壑纵横，地质灾害极其发育，危害严重[1]。本文对甘肃武山县兰家沟泥石流危害特征进行分析，进而提出治理方案，为地方政府防灾减灾提供可靠的数据支持。

1 概况

兰家沟位于武山县城西北约25 km的桦林乡境内，渭河左岸，流域面积8.64 km2，属渭河北岸一级支流；处于陇中南部冷温带半湿润气候区，降雨主要集中在6—9月份，常以大雨或暴雨形式出现；研究区为一常年流水沟谷，流域形态呈“树枝”状，主沟长2.76 km，落差159 m，流量约5.0 L/s；属温带草原土壤区，主要包括黑垆土、黄绵土、褐土和山地草甸土，砂砾含量较高，松散，固结能力差，抗侵蚀能力弱，水土流失严重；植被覆盖率一般10%，除沟脑地带残留小面积乔、灌林木外，草本植物多残存于沟壑及陡坡地段。

2 地质环境条件

2.1 区域地质特征

武山县位于陇西旋卷构造体系与祁吕贺兰“山”字形构造体系前弧西翼的复合部位，由一系列北西向压扭性、扭性断裂及褶皱组成，次级构造复杂，断裂的特点是规模大，并具多期活动性，对挽近盆地的堆积起到控制作用。区内主要次级构造为边家山—漳县—武山“S”形构造，发育于马力—鸳鸯一线以西，由众多断裂褶皱组成，构造线走向为NW、NWW，以东渐向南转而走向NNW。主要出露燕山期酸性岩浆岩和第四系黄土与残—洪积物及泥石流堆积物。前者主要分布于兰家沟支沟内，呈不规则的岩基状，主要为中—中粗粒花岗岩；后者主要为中更新统离石黄土、上更新统马兰黄土和全新统残坡—冲洪积物及泥石流堆积物。

2.2 水文地质特征

武山县地处西秦岭山地和陇中黄土高原的过渡地带，地势东北高西南低，最高点为尖角山，海拔2 446 m，最低点为谢家坡，海拔1 610 m，相对高差836 m。地貌依据成因和形态特征分为侵蚀堆积河谷平原和构造剥蚀低山丘陵两种类型。主要地下水类型为基岩裂隙水、黄土孔隙裂隙水和河(沟)谷松散岩类孔隙水。

2.3 新构造运动

区内新构造运动比较活跃，以差异性升降运动为主，形成了渭河Ⅰ—Ⅸ级阶地，各阶地高差、级差5～75 m，存在多级阶地，高差变化悬殊。

区内处于银川—武都南北向地震带和天水—兰州东西向地震带的交汇部位，地震背景复杂，活动频繁，发生五级以上地震6次，抗震设防烈度为8度，设计基本地震加速度值为0.20 g。

2.4 岩土体工程地质特征

区内属陇东陇西黄土高原工程地质区陇西黄土丘陵稳定—较不稳定亚区，细分为块状坚硬侵入岩岩组、碎石土和黄土状土工程地质类型。前者分布于兰家沟支沟内，坚硬致密，抗压强度208～252 MPa；中者主要分布于兰家沟流域内基岩山体表层及、缓坡及谷地底部地带，厚度4～8 m，碎石成分主要为花岗岩，无分选性，承载力300～350 kPa；后者主要分布于兰家沟沟口至主沟中游上沟村一带，连续性差，厚5～10 m，承载力150～200 kPa。

3 泥石流发育特征

3.1 泥石流的形成条件

兰家沟为典型的沟谷型泥石流沟，主沟上游发育3条较大支沟，平面组合形态呈“树枝”状，利于降水的迅速汇集，走向呈西南—东北向，主沟沟道长2.76 km，较为顺直，沟谷冲蚀、下切较为强烈，主沟最大高差159 m，沟道剖面形态呈“U”字形，在泥石流长期淤埋作用下，在沟口形成了早期泥石流堆积扇。

(1)陡峭的地形：主沟上游支沟内山势陡峭，山坡坡度多在30°以上，支沟中、上游横剖面形态呈“V”字形，谷底宽8～15 m，较为狭窄，局部存在沟道淤积现象，堆积大量泥石流冲洪积物和采石废渣，在支沟上游中见1处跌水陡坎；各支沟沟谷地段下游呈“U”字形，沟谷宽度约20 m。

(2)充沛的水源：区内雨季6月底—9月底，降雨量约占全年的65.2%；日最大降水量为87.5 mm，小时最大降水量为38.9 mm，十分钟最大降水量为19.9 mm，一场连续降水最大强度可达100.7 mm；当10分钟降雨量达到10 mm就可形成泥石流。

(3)流域中松散固体：区内松散固体物质来源主要有采石废渣、滑坡、沟岸坍塌、坡面侵蚀及沟床冲刷，经计算流域内固体松散物质总储量约为486.6×104m3，可转化为泥石流固体松散物质总量为387.26×104m3。

3.2 泥石流的发育特征

兰家沟泥石流为典型的暴雨侵蚀高频沟谷型黏性泥石流，可细分为形成区、流通区和堆积区。形成区位于兰家沟流域中上游地带，面积8.50 km2，占流域总面积的98%；地形高差大，流域内山坡坡度一般在30°～60°之间，产生泥石流的地形地貌条件和水动力条件优越，主沟及支沟两侧沟岸的采石废渣、滑坡、坍塌堆积物及沟道内的泥石流堆积物等固体松散物质丰富，植被覆盖率低，面状冲蚀严重，松散物质补给较为充分。流通区位于主沟下游，面积0.08 km2，沟谷形态为“U”形，沟道顺直，局部宽度大于20 m，以过流为主；现状沟道两侧为早期泥石流堆积物，高出沟底2～4 m，局部达5 m，主要成分以碎石为主，上覆薄层黄土状粉土，现被村民整平为耕地。堆积区位于兰家沟沟口以下，长约750 m，宽约850 m，面积约0.43 km2，高差约67 m，堆积厚度大于6 m，为多期泥石流堆积而成；堆积扇上修建村落、学校等人为改造现象严重，堆积扇完整性较差。

沟内固体松散物质主要集中于主沟及支沟两侧沟道堆积物、沟岸松散坡积体和采石废渣。在遇到强降雨，雨水顺坡面冲刷松散物质至冲蚀沟道中，主要以支沟中上游沟岸松散坡积体和采石废渣等物质为主，流体内的石块和泥沙含量不断增大，加大了泥石流的重度和流量，进而形成大规模泥石流[2]。

3.3 泥石流堆积特征

兰家沟泥石流沟口堆积形态为舌形，前端较陡，后部平缓；两侧较陡，中部平坦，总体宽度随着距沟口距离的增加而变宽，说明泥石流容重较大，结构密实，扇长较大；堆积体没有明显的水砂分离现象，也没有明显的颗粒分选现象；观察两层粗颗粒层，厚度10～15 cm，表明泥石流堆积后，后期水流和雨水冲蚀，将细粒物质带走，剩下中粗粒物质和石块，又被下一次泥石流覆盖，形成明显的堆积层面。

4 泥石流危害特征

自20世纪60年代以来，兰家沟已有数次泥石流灾害发生，造成直接经济损失1700余万元，危害性等级为特大型。

4.1 泥石流危害对象

区内泥石流危害对象主要为沟谷处上沟村、沟口兰沟村、谢家坡村、桦林乡中心小学总计2 055人的生命财产及5 000多万元的资产安全和陇海铁路线、国道316线的运行安全。

4.2 泥石流危害特征

区内泥石流具有暴发突然、规模较大、冲击力强和冲淤变幅大的特征。灾害性泥石流通常突然爆发，随着强降雨的发生，往往泥石流暴发仅需十几分钟至几十分钟不等，对小气候范围内泥石流的发生难于预测、预报；具有规模大、流速快等特征，比相似的洪水在流速、流量和泥深上均大50%以上；容重较高，可挟带巨大的石块快速运动，致灾能力强；含有大量的固体碎屑颗粒，具有惊人的输移能力和冲淤速度[3-4]。

4.3 泥石流危害形式

区内泥石流危害方式主要为淤埋、冲毁、挤压主沟道。淤埋对区内危害最大，泥石流规模大、流速快，来不及排泄，进而越过排洪道，大量的泥沙和石块停留下来，淤埋村庄和各种设施。冲刷常表现为受暴雨影响，大量坡面土体被带走，土层遭受冲刷减薄，造成水体流失；冲刷贯穿整个沟道，并不断接受边岸及周围的松散泥沙和石块，随着重度不断增高，对沟口排洪道一带和流通区冲刷增强，致使路基受掏蚀，排洪渠受损。挤压主沟道常为主沟与较大支沟沟口处在遭受较大规模的泥石流时，支沟泥石流冲出的大量固体松散物质阻塞沟道，致使上游局部形成堰塞湖，威胁沟谷低洼处村庄和道路安全。

5 治理方案

近年来，兰家沟已在沟口处和谢家坡修建了排导渠，但不连续，且未能有效拦蓄上游支沟及主沟沟道内的大量松散固体物质，易形成漫流、洪流，造成严重的灾害。

(1)拦挡工程：根据小路沟、何家沟、大湾沟周边地形、沟道两侧固体松散物质、坝肩岩土性能、拦挡作用、坝间距及坝基和拦沙库容等因素，拟在小路沟中下游、何家沟中下游、大湾沟中下游各修建2座拦挡坝，主沟修建1座拦挡坝，共计7座拦挡坝。拟进行泥沙拦蓄，拓宽沟床宽度，提高沟床侵蚀基准面，调缓沟床比降，进而适当降低泥石流的冲刷、搬运能力，减轻对坡脚的冲蚀能力，达到固沟稳坡的目的；此外，形成拦挡防护体系，适当减少上游支沟松散固体物质来源和流量，减轻泥石流对主沟的排沟压力。

(2)排导工程：根据上沟村、兰沟村及谢家坡村现有泥石流堆积现状、排导渠分布特征，拟在上沟村靠沟道一侧布置单侧排导护堤工程和兰沟村第一处过水路面向下游布设排导渠工程，长度分别为679 m和1 123 m，使区内已建排导渠相连接，约束流动方向，有效防治漫流发生，减少冲刷和掏蚀沟岸，避免淹埋耕地，保护沟道两侧人民群众生命和财产安全。

6 结论

(1)兰家沟为典型的沟谷型泥石流沟，陡峭的地形、充沛的水源和流域中松散固体易形成泥石流，危害性等级为特大型，主要威胁沟谷低洼居住村民的生命和财产安全。

(2)兰家沟泥石流危害对象为沟谷中游、下游及沟口堆积区，危害方式为淤埋、冲毁、挤压主沟道；拟修建7座拦挡坝、679 m单侧排导护堤工程和1 123 m排导渠，有效保护区内人员和财产的安全。