甘肃陇南市武都区小水沟泥石流治理防治工程

王奎，岳方伟，朱力军

(甘肃安顺地质灾害监理咨询有限责任公司，甘肃兰州 730020)

甘肃陇南市武都区小水沟泥石流治理防治工程

王奎，岳方伟，朱力军

(甘肃安顺地质灾害监理咨询有限责任公司，甘肃兰州 730020)

2008年“5.12”汶川特大地震对甘肃省陇南市造成了严重危害。震后次生地质灾害对陇南市城镇村庄、交通和人民群众生命财产安全造成严重威胁。武都区蒲池乡小水沟震后产生了大量的崩塌、滑塌堆积体，一旦遭遇暴雨，极易发生泥石流灾害，直接危及小水沟沟口左岸九年制义务学校一座及沟口两岸居民，因此治理该泥石流沟是十分必要的。通过对当地暴雨特征、地层岩性、地质构造、泥石流固体物质源及形成的踏勘，针对该泥石流具有危险度高，流量大的特点，执行全面规划、重点治理的设计思路，采取了防护、生物工程相结合的综合防治措施。拦挡工程为有效发挥工程泻洪、拦渣、调节、固床、稳坡和控制固体物质补给量，预防沟道下切及沟壑发展，减少泥石流对下游村庄危害，起到了积极作用;生物工程的主要作用是稳固堤前砂土、减缓水石流流速、减小水石流对护堤的直接冲蚀和破坏、保障堤内居民生命财产安全和耕地的正常使用、增大植被覆盖率，绿化环境等。

泥石流;拦挡坝;生物工程;排导沟;甘肃陇南市武都区

1 自然环境概况

1.1 灾害点位置

陇南市位于甘肃东南边陲，是甘肃唯一的长江流域地区，东连陕西，南接四川，北靠天水，西连甘南，为甘肃南下东出之要冲。既是甘肃的南大门，也是祖国西南进入西北的重要通道之一。

武都区是陇南市政治、经济、文化中心，位居陇南市中部，研究区位于武都城区北部蒲池乡政府驻地。

工作区交通较为便利，蒲池乡有乡镇道路与212国道连接，距离10km。东距陕西略阳184km，南抵四川成都524km，西到省会兰州458km，北至天水市286km［1］。

1.2 气候

陇南市区属北亚热带季风气候，受境内高山深谷地形的影响，气候垂直差异明显，降水随海拔增高呈上升趋势。总的气候特征是冬春干燥，夏季缺雨，秋季多雨，易洪易涝。

陇南市区平均温度为14.6℃，最冷月1月平均气温2.9℃，最热月7月平均温度24.8℃，极端最低－8.1℃，极端最高40℃。平均相对湿度61%，9月相对湿度最大为72%。

陇南市区历年平均蒸发量1740.0mm，月蒸发量最大7月为230.0mm，最小1月为56.6mm。陇南市区最大冻土深度为11cm。

1.3 水文地质条件

陇南市区水系主要属长江流域嘉陵江水系一级支流白龙江水系，主要河流有白龙江及其支流北峪河、姚寨河。沟坝河为白龙江左岸一级支沟，小水沟为沟坝河右岸一级支沟，为常年性沟谷，2009年4月1日实测地表水流量为150m2/h。

区内地下水按含水介质和埋藏条件可分为基岩裂隙水和松散岩类孔隙水。

1.3.1 基岩裂隙水

基岩裂隙水分布于调查区西部一带，主要赋存于志留系千枚岩、板岩裂隙中，水量贫乏，地下水泾流模数6～9L/s·km2。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它类型地下水。区内基岩裂隙水水质较差，矿化度在0.85～2.5g/L。

1.3.2 松散岩类孔隙水

松散岩类孔隙水主要赋存于区内沟坝河及各沟道中，呈带状分布，岩性为碎石土，潜水含水层厚度在1～3m，渗透系数90～120m/d，水位埋深一般小于3m，矿化度小于0.5g/L，属HCO3-Ca-Mg型水。主要接受大气降水、地表水入渗补给及基岩裂隙水侧向补给，排泄方式主要沿含水层向下游泾流［1］。

2 地层岩性、地质构造、节理构造

调查区西山出露的主要地层有:1.前第四系。2.第四系(Q)，第四系沉积物丰富多样，松散易动，是泥石流的主要物源。

本区在大地构造上属于西秦岭—柴达木单元次级单元西倾山—迭山逆冲褶断带。次级构造复杂多变，由一系列向南突出的弧形断裂和复合式背斜组成。

本区新构造运动以差异升降运动为主要特征。第四纪以来受喜马拉雅山运动的影响，武都西部地区卷入青藏高原总体隆升，使山地的海拔达3500m以上，其它地区则以升降运动为主，形成高山、深谷的特殊地貌，水文网深切，白龙江河谷形成了八级阶地，高差达350m。沟谷下切形成“V”字型，高差达1000～1500m，褶皱、断裂发育，沟谷中多见跌水陡坎［2］。

3 人类活动

区内人类工程活动较为强烈，主要是近50年来，由于人口急增，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两个方面。

3.1 浦池乡乡镇改扩建堵塞泥石流排泄通道

随着经济的迅速发展和人口的不断增加，乡镇规模不断扩大，受地形条件限制，各种建筑向各泥石流沟沟口及沟道扩展，堵塞了泥石流排泄通道，同时在建筑过程中的坡角挖掘导致边坡失稳，发生滑坡、崩塌，增加了沟道内的固体松散物质储量，使泥石流灾害的破坏力和受灾体增加，增大了泥石流的危害程度。

3.2 毁林垦荒使生态环境日趋恶化

随着人口的不断增加，耕地面积日趋紧张，毁林垦荒、开垦土地、修建水利设施等活动破坏植被，现有的林木植被已缩退至海拔2000m以上的山脊之上，导致生态环境严重恶化，造成大面积水土流失，增加了沟道内的固体松散物质储量，加剧了泥石流等灾害发生。

4 泥石流发育特征

4.1 泥石流发育特征

小水沟泥石流为沟谷型泥石流。小水沟汇水面积为13km2，流域呈桃叶形，形成区与流通区的界线明显，松散物质主要储存于中游地段，不良地质现象发育的规模和强度较大，沟道断面呈“V”型。堆积区面积为0.005km2，受乡镇规模扩大及学校建设，堆积区外形轮廓已不明显。

4.2 泥石流特征

4.2.1 泥石流发育历史

据中科院兰州冰川所在武都地区的泥石流研究资料，老泥石流活跃期大约在2×104～3×104a前，而现代泥石流的活跃则始于1×104a前的全新世，主要发生在6000a前后。小水沟泥石流堆积扇由新、老泥石流共同作用而成，1967年5月连续暴雨引发泥石流，河床被抬高2m;1975年6月连续暴雨引发泥石流，河床抬高2.5m;1984年5月发生泥石流，河床抬高了3m，洪积扇面积约0.005km2，比降为6%～8%，其厚度在沟口超过10m。

4.2.2 泥石流规模

小水沟沟床比降大、山坡陡峻，固体物质较为丰富，具有汇流快，流量大的特点。据调查，该沟泥石流活跃，每年都要发生2～3次泥石流，流量多在50m3/s左右。本次调查中，在主沟下游发现1处2008年泥石流的泥痕，过流面积约为85m2，计算泥石流流量50.6m3/s。据此推算，小水沟泥石流洪峰流量模数达30～40m3/s·km2。

4.2.3 泥石流容重和性质

泥石流容重反映了流体中含砂量的多少，而泥石流性质决定于含砂量和粒度。据调查，小水沟泥石流容重20.50kN/m3，属粘性泥石流。

4.2.4 粒度特征

该沟上游多为千枚岩、灰岩风化产生的残坡积物，粒径一般较小，下游沟道中石块粒径大多小于20cm，床面较平整。经取样分析，各沟中堆积物中大于20mm的颗粒质量占总量的5%左右，2～20mm的颗粒质量约占18%，小于2mm的颗粒质量约占总量的20%左右。总体来说，细颗粒含量不多，粒度较粗，属碎石［2］。

5 工程治理原则及方案

蒲池乡小水沟泥石流危害的重点是沟口浦池乡政府，包括其中九年制义务中学广大师生、居民建筑和周边村庄人民群众的生命和财产安全。因而，其治理事关重大，它不应同于一般的水土保持和改善生态环境的防治工程。既要求见效快，又要求安全可靠，使用年限长。因此，需要有一个科学合理的治理方案。

5.1 治理目的、任务

小水沟泥石流治理是一项减灾防灾工程，其主要目的是保护泥石流危险区内1530余人和1500万元资产不再遭受泥石流的直接危害。同时，通过治理减少向沟坝河的泥沙输入，避免堵江和减缓沟坝河河床上涨速度，基本消除淹没校区和村庄的泥石流灾害，并为乡镇的发展创造有利条件，为当地的水土保持及环境保护工作服务。

泥石流的形成和发展是环境恶化到严重程度的产物，通过积极地治理来控制泥石流、崩塌的规模，减轻灾害损失是完全可以办得到的。通过这次重点治理，要实现在设计标准内不造成灾害，在发生大规模泥石流(超过设计标准)的情况下，把灾害损失降低到最低程度。为此，主要任务是:

(1)控制可补给泥石流的松散固体物质的数量和方式;

(2)减缓地表径流速度、延长和削减形成洪峰的时间和流量;

(3)改变泥石流的流动条件，使其不能通畅顺利出山;

(4)降低泥石流容重，减小泥石流流速，削弱其冲刷力;

(5)控制泥石流出山后肆意漫流，使其安全排泄到沟坝河。

5.2 治理原则

根据泥石流的形成原因、流通状况、堆积特征及成灾方式，结合治理的指导思想，拟定了以下治理原则:

5.2.1 全面规划、综合整治

蒲池乡小山沟泥石流形成条件复杂，在全面调查分析的基础上，抓住重点，全面规划，综合整治，才能发挥显著而长期的减灾效益和社会效益。

5.2.2 以拦为主、拦排结合

小水沟泥石流松散固体物质非常丰富，主要来源于沟岸两侧的滑坡、崩塌体、坡积物，所以在治理时要以拦挡为主，即利用拦挡坝拦蓄的泥沙稳固两侧沟岸，抬高侵蚀基准面，达到稳定河床的目的。由于沟口人口稠密，且建筑物密布，必须辅以排导措施。

5.2.3 治沟与治坡相结合、以治沟为主

小水沟泥石流沟谷流域内坡面侵蚀强烈，通过植树造林等生物工程措施，可以大大减少从山坡进入流域的水量，减弱坡面水土流失，降低泥石流容重和流量，进而减少进入坝库和排导沟内的泥沙量。

5.3 治理方案及措施

5.3.1 拦挡坝工程

用拦挡坝稳定滑坡是泥石流治理中经常采用的措施，它具有安全、可靠、造价低廉的优点。拦挡坝通过拦蓄泥沙，提高沟床侵蚀基准面，增加滑体的被动土压力，来达到稳定滑坡的目的。同时，它还能拓宽沟床宽度，调缓沟床比降，从而可大大降低水流的冲刷搬运能力，减轻水流对坡脚的冲蚀作用，减少泥石流的泥沙含量和流量。此种措施在武都区的马槽沟、甘家沟取得了明显的治理效果。宕昌县大地沟、文县关家沟等泥石流防治中也成功运用了此种措施。

本次在沟内修筑稳拦坝7座，坝高7.8～10m，谷坊5座，高3～4m。在2#－7#拦挡坝溢流口前缘，进行块石铺垫，铺垫厚度1m，宽度5m，长度为溢流口向两侧延伸1m。

5.3.2 排导沟

在沟下游修建双侧排导渠，宽10～15m，深3m，排导沟长450m。

5.3.3 清淤工程

根据现场调查，小水沟沟口已有排洪堤，其宽度在10～15m，但现已基本淤满，需进行彻底清淤。同时，原排导沟两侧的河堤年久失修，与它所承担的保护居民区的重任很不相称，需改造成浆砌块石结构，其长度为450m，两侧共900m。排导渠出口以下的低洼地原为小水沟停淤场，因大量固体物质在排导沟内停积后，仅有挟沙水流汇集于此。小水沟泥石流经过排导渠后最后排入沟坝河内，经沉沙后清水流入沟坝河内。经勘查计算，排导沟内需清除泥沙淤积量约2.43×104m3。

5.3.4 植树造林

植树造林对延缓汇流过程，削减洪峰流量，减小坡面水力侵蚀具有重要意义，因此，它对控制泥石流的形成和发展也具有十分重要的作用。植树造林主要安排在较为平缓的山坡上及分水岭上，采用修水平条田和鱼鳞坑的方式种植油松、柏树、洋槐等。植树造林计划的实施，不仅将起到控制泥石流的作用，还将美化城区环境。流域内2008年植树973亩，2009年植树2950亩，主要是落叶松、油松［2］。

5.4 设计参数选取

设计参数是工程设计的重要依据，其分析计算是设计工作的一项主要内容，它的正确与否直接关系到工程的安全性、可靠性以及投资的合理性［3］。由于泥石形成和运动机理十分复杂，目前还没有十分成熟的理论来计算它，小水沟泥石流防治工程参数设计主要依据有关规范，按照小水沟地质环境条件实际情况和陇南地区的一些经验公式分析确定。

5.4.1 设计标准

小水沟泥石流治理工程设计标准按国家《防洪标准》(GB 50201—94)和甘肃省国土资源厅2003年发布的《甘肃省地质灾害防治工程勘查设计技术要求》(试行)等相关规范和要求及乡镇应达到的20a一遇的防洪标准的要求执行。竹园坝地震安置点为20万人口以下的一般小村镇，属四等工程，其泥石流防洪工程设计标准为20a一遇。

依据《中国地震动参数区划图》(GB18306—2001)和《构筑物抗震设计规范(GB50191—937)》，武都区的抗震设防烈度为Ⅷ度区，设计区基本地震加速度为0.2g，其水平地震力系数a/g=0.2［4］。

5.4.2 泥石流容重设计

(1)固体物质储备量计算法

泥石流容重反映了流体的含砂量，它受到流域内泥沙补给条件和沟床输沙能力的共同控制。采用固体物质储量计算法。计算公式如下:

γC=1.1·A·0.11

式中:γC——泥石流重度;

A——单位面积固体物质补给量(×104m3/km2)。

上式不仅反映了流域的产沙能力，同时也反映了输沙能力。在设计中对其计算结果又按调查资料进行了局部调整(表1)。表中治理后容重按固体物质补给和沟床条件的变化情况设计，适用于拦挡坝溢流口和排导沟的设计［3］。

(2)形态调查法

在小水沟口请当地亲眼目睹过泥石流暴发的居民3人描述泥石流流体特征和流体运动状况。然后按表2的特征确定泥石流流体重度。

经当地居民描述，3人均认为呈稠粥状，综合分析后认为泥石流呈稠粥状比较符合实际，据此，泥石流重度应在18～23t/m3，取其平均值为20.5t/m3。

5.4.3 泥石流流量设计

流量设计采用配方法:

式中:QB——一定重现期的清水流量(m3/s);

QC——与QB相同重现期的泥石流流量(m3/s);

D——堵塞系数，取1.0～1.2;

φ——泥石流流量增加系数。

式中:γC——泥石流容重(kN/m3);

γH——泥石流颗粒容重，取27kN/m3。

清水流量(QB)采用陇南地区经验公式计算，该公式在本区广泛应用于城建、水利、交通部门，同时在淤地坝设计中使用效果良好，来计算设计流量。

经验公式:

式中:QB(1%)——清水流量，重现期为100a;

F——流域面积(km2)。

小水沟泥石流流量计算结果见表3。拦挡坝断面处的泥石流设计流量按下式换算分配:

表3 泥石流流量设计表Table 3 Debris flow flux estimations

Qci=(Fi/F)Qc

式中:F——主沟流域面积(km2);

Qci——拦挡坝控制的流量(m3/s);

Fi——拦挡坝控制的汇流面积(km2)。

各拦挡坝断面处设计泥石流流量计算结果见表4。

表4 坝断面处泥石流设计流量计算表Table 4 Estimation of discharge of debris flow at dam section

5.4.4 泥沙输出量设计

(1)泥石流年平均冲出量计算

根据径流折算经验公式概算:

WH=1000 K·H·α·F·Φ

式中:WH——泥石流年平均冲出量(m3);

K——泥石流形成系数，取0.2;

H——引起泥石流的雨季期间平均降雨总量，取40mm;

α——径流系数，取0.3;

F——流域面积(km2);

Φ——系数，取0.5。

计算结果见表5。

表5 年均输沙量计算成果表Table 5 Calculations of average annual sediments

(2)泥石流最大一次冲出量

泥石流为20a一遇泥石流，为目前所见到的最大规模，历时30min，据此按三角形简化流量过程线后计算，计算的一次最大输沙量如表5～6。

泥石流最大一次冲出量采用下式计算:

QW=0.278·QC·T

式中:QW——一次最大冲出量(×104m3);

QC——泥石流流量(m3/s);

T——泥石流过程时间，该区取30分钟，即1800s。

根据以上公式，计算结果如表6。

表6 泥沙冲出量计算成果表Table 6 Calculation of sediments-out

5.4.5 泥石流冲击力设计

冲击力是破坏工程构筑物的主要作用力之一，它的大小与泥石流流量、容重和流速等有关，其设计要经过多次试算才能完成，冲击力用下式计算:

f=K·(γC/g)·VC·2

式中:f——单位面积冲击力(kN/m2);

K——系数，在2.5～4.0之间，取3.0;

γC——泥石流容重(kN/m3);

g——重力加速度(m/s2);

VC——泥石流流速(m/s)，用下式计算

VC=mC·HC·2/3·iC·1/2

式中:mC——泥石流沟道的糙率系数;

HC——平均泥深或水力半径(m);

iC——沟床比降或水面坡度。［2］

根据以上公式，计算结果如表7。

表7 拦挡坝处的泥石流冲击力计算表Table 7 Estimations of impact fores at the blocking dam

6 结束语

工程实施后，将基本解除20a一遇泥石流对下游居住的村民和学校师生的危害，有效保护危害区内1650多人，1500万元资产的安全，另外有效保障了乡镇公路的畅通，同时避免了沟道周边泥流漫流灾害，其减灾效益较可观。

治理工程实施后，可使流域治理程序达80%以上，再加上拦挡坝的稳坡、固沟作用益，大大减轻了其对学校、村庄、公路、农田及间接对白龙江的危害，同时也有利于小水沟流域植被的增加和恢复，生态环境逐渐优化，使小流域气候也得以改善。

长期以来，蒲池乡居民受其小水沟泥石流威胁和危害，每逢暴雨每条泥石流沟出口以下的居民、单位和领导干部就投入紧张的防洪抗洪中去，泥石流过后又投入清除淤沙、排水，恢复生产生活的战斗之中，严重干扰了当地政府企事业单位和居民的日常生活和工作。通过这次治理，将使危害区内的人民生命财产得到保障，从而安居乐业，发展生产，促进当地经济建设和社会各项事业的全面发展。

［1］魏玉涛，罗鸿东，侯燕军，等.陇南市武都区蒲池乡小水沟泥石流治理工程勘察报告［R］.2008.

［2］魏玉涛，罗鸿东，侯燕军，等.陇南市武都区蒲池乡小水沟泥石流治理工程设计书［R］.2008.

［3］DZ/T0239－2004.泥石流灾害防治工程设计规范［S］.

［4］DZ/T0220－2006.泥石流灾害防治工程勘察规范［S］.

Abstract:Wenchuan Earthquake on May 12，2008 sever hit Longnan City of Gansu Province and brought serious damages there.The secondary geo-hazards by quake have adversely impacted the communications and buildings in the towns and villages，threatening the safety of the lives and properties of the local residents.Lots of piles appeared after collapses and landfalls by the quake，at Xiaoshuigou，in Puchi Town，Wudu District.The piles are prone to become debris flow when hit by storm，which would directly destroy a primary school and the residential houses at the mouth of the gully.Thus，taking engineering measures to prevent the potential debris is not only necessary but very urgent. Based on the knowledge of storms in the area and field survey of the lithology，geological structure，solid resources of debris flow，the paper proposed a comprehensive treatment plan for debris flow at Xiaoshui Gully，in which there was an overall planning with considerations of key points and engineering measures，like blocking bar and biological engineering projects.Blocking bars could be very effective to effuse flood，block sediments，adjust flows，stable the bed，control the solid mass recharge，and prevent the ditch from developing deep.Biological engineering could stable the sand and soil in front of the dam，retard the flow，and reduce the erosion of the embankment by the flow，which could be protective to the residents and farm lands and improve the coverage of vegetation.

Key words:debris flow;blocking dam;biological engineering projects;drainage ditches;Wudu District，Longnan City，Gansu Province

Engineering treatment for debris flow at Xiaoshui Gully，in Puchi Town，Wudu District，Longnan City

WANG Kui，YE Fang-wei，ZHU Li-jun
(Anshun Geo-Hazards Supervision and Consulting Co.，Ltd，Gansu.Lanzhou，Gansu Province730020，China)

1003-8035(2010)03-0046-06

P642.23

A

2010-02-22;

2010-05-27

王奎(1985—)，男，监理工程师，目前从事地质灾害监理工作.

E-mail:349957390@qq.com