甘肃舟曲特大泥石流灾害形成机制及减灾对策

唐 兰 ，陈洪凯

（重庆交通大学 岩 土工程研究所，重庆 4 00074）

0 引言

泥石流的形成条件为充足的水源、丰富的物源以及优势的地形。其中降雨是泥石流形成的诱发因素，国内外针对发生的泥石流分析了泥石流的降雨诱发因素［2-5］。R.M.Wooten等（2008）描述了发生在North Carolina飓风尾诱导泥石流发生的过程，并利用轻微观测模型和变化的数字评价模型确定泥石流区域，分析了飓风的形态和飓风诱导泥石流发生的过程［6］。Domenico Tropeano等 （2004）根据调查收集的具有历史意义的资料，分析运用这些资料对拟建城市进行危险干预并正确选择城市建设方案［7］。白龙江流域泥石流的分布密度和发生频次在甘肃省内居首位，分布范围6400km，有泥石流 1000多处，其中较大泥石流沟490处［8］。陈洪凯（1997）等探究了白龙江流域第四纪以来地貌发育基本模式，区域隆升特性与青藏高原主体隆升模式相一致［9］。王协康等（1999）对白龙江流域泥石流沟形态进行了非线性研究［10］。王建力等（2000）白龙江流域全新世泥石流与环境的演变作了初步研究［11］。马东涛、祁龙（2010）对舟曲泥石流的形成条件、形成机制、防灾形势的严峻、治理方案和防治措施进行了分析［12］。胡凯衡等人（2010）通过对舟曲泥石流的调查，研究了泥石流的成因和泥石流的性质，泥石流的发展趋势以及泥石流的防治措施［13］。胡向德等（2011）分析了甘肃舟曲三眼峪沟泥石流的形成条件与发展趋势［14］。崔云等（2011）以舟曲泥石流为背景分析了强降雨在山地灾害链成灾演化中的关键控制作用［15］。本文对舟曲2010年8月特大型泥石流灾害的形成原因、机制进行了分析，据此探索其减灾措施。

1 致灾区域地理环境特征

1.1 地形地貌

舟曲县地处青藏高原东缘，西秦岭西翼与岷山山脉交汇，属于构造山地，受区域构造与三眼峪、罗家峪流域的河流侵蚀作用控制，形成重峦叠嶂，峰尖谷深的地形。致灾区属三眼峪沟流域与罗家峪夹带区，两流域总体呈南北向展布，地势北高南低，属典型高山峡谷地形。地形切割强烈，沟壑纵横，沟内形成多处跌水陡坎。两流域山体坡度大于45°，中上游河流沟谷呈V型，下游呈窄深 U型，具有北高南低的地势。三眼峪区内最高点为陡石山山顶，海拔3828m，最低点位于三眼峪沟入江口海拔 1304m，相对高差2488m。罗家峪区内最高点海拔为3789m，最低为白龙江河谷，海拔为1350m，相对高差为2439m。

1.2 气候特征

泥石流区域属于北亚热带季风气候带，年内气候受季风控制明显，空气湿润，夏季高温多雨，冬季低温少雨。高山地带寒暑交替，四季分明，河谷地带冬无严寒，夏无酷暑。区内气温变化较小，昼夜温差不大，多年平均气温12.9℃。

降雨多集中在6～9月份，春季平均降雨量占全年的1/4，夏季占1/2，秋季与冬季占1/4，降雨常以连阴雨和暴雨形式出现，降雨多为集中区域降雨。致灾区所在的白龙江流域降雨量大约在300～400mm，舟曲县城年降雨量在400mm左右（图1）。

图1 舟曲年降雨量图Fig.1 Annual precipitation on average of Zhouqu

1.3 水文情况

三眼峪、罗家峪系白龙江流域一级支流，白龙江属长江流域嘉陵江水系，两流域横穿舟曲县县城，流域面积分别为 22km2、16km2，主沟长度分别为10.37km、9.55km。三眼峪沟流域呈“瓢”状，主要由大眼沟峪，小眼沟峪，龙庙沟，板子脚沟组成，其中大眼峪沟为主支，大小眼峪沟构成流域的主体格架，二者平面组合形态呈“Y”型，主沟长5.1km，小水沟位于主沟沟口西侧，板子脚沟位于沟口东侧（图2）。整个三眼峪沟流域正处在河流发育初期，支流交错贯通，成为网状地势。

图2 三眼峪罗家峪流域Fig.2 Sanyanyu valley and Luojiayu valley

2 泥石流灾难形成机制

2.1 泥石流形成的潜在性

2.1.1 泥石流沟形成在构造应力场作用下的必然性印度板块和欧亚板块碰撞作用决定了西北地区新构造运动的基本特征［16］。由此可知舟曲新构造运动主要受印度板块和欧亚板块碰撞作用控制。舟曲地区构造应力场中主压应力方向大致为东南—西北方向。为进一步确定舟曲新构造应力场方向，根据舟曲内地层志留系中上统白龙江群地层炭质千枚岩中的123条裂隙进行统计，采用裂隙走向玫瑰花图反演构造应力场。统计结果中可分出北西西、北北西、和北东东三组优势方向，见裂隙走向玫瑰花图3。

阿东说：“我不想读了。其实读和不读，找起工作来，都是一样的。这年头，文凭也不讲了，光讲有没有硬关系。我只担心阿里怎么办。”

图3 千枚岩内裂隙走向玫瑰花图Fig.3 Crack strike rose figure in phyllite

由第一组裂隙和第二组裂隙两组裂隙在平面上组成X共轭裂隙，推测出舟曲构造应力场主压应力方向如图4所示。三眼峪沟方位角为25°，罗家峪沟方位角为57°（图5），三眼峪沟和罗家峪沟与主压应力方向σ1夹角在20°左右，在地质研究上可把这两条泥石流沟与新构造应力场的主压应力方向视为垂直的［17］。由艾南山等的观点：泥石流的爆发暴雨是不可缺少的外界营力条件，但泥石流沟发育的优势方向与新构造应力的主压应力方向是垂直的［18］，可知三眼峪罗家峪泥石流沟发展的优势方向正处在与主压应力垂直的方向上，说明两泥石流沟的形成存在必然性和天生性。

图4 构造应力场主压应力方向Fig.4 Principal compressive stress direction in tectonic stress field

图5 三眼峪罗家峪泥石流沟方位角Fig.5 The azimuthally angle of Sanyanyu and Luojiayu debris flow gully

2.1.2 沟内丰富的物源

泥石流形成的物源主要为第四纪松散物质，包括冲洪积物、泥石流堆积物、重力堆积物、残—坡积物、黄土。在三眼峪、罗家峪上游泥石流沟内主要分布大量的重力堆积物，泥石流形成区处于秦岭东西向构造带的西延部分，受西秦岭构造多期活动的影响，构造活动十分强烈，断裂发育，并且河流切割强烈，岩体破碎，区域内地震活动频繁，崩塌、滑坡发育，在沟内形成大量松散物质也就是重力堆积物，是泥石流主要的物源。下游沟口中低山处分布有大量的黄土，这也是泥石流的重要物源（图6）。

图6 三眼峪罗家峪物源图Fig.6 Sou rce figure of Sanyanyu and Luojiayu

三眼峪的大眼峪和小眼峪形成了4座80～280m高的堆积坝，三眼峪4条支沟共有滑坡8处，滑动面0.88km2，滑坡总体积1303.9×104m3，发育崩塌体58个，体积约2830.1×104m3，此外沟内还发育滑塌、坍塌和沟道堆积物约1029×104m3，以上各项共计5163×104m3，可以直接补给泥石流的松散固体物质2510×104m3（图6）。

2.1.3 利于物源聚集流动最终致灾的地形

三眼峪泥石流沟在平面上大致呈现出直线型，利于泥石流流动并且流速不会因为受阻而降低（图7）。在龙庙沟与三眼峪沟汇集处由于冲击消能使泥石流流速减缓，在聚集口下方有一个陡降的地形，又增加了泥石流流速（图8）。罗家峪没有支流，地形较三眼峪缓（图9），并且加上其沟在平面上成弧形，在弯道处降低了泥石流流速（图7），最后致灾后果三眼峪稍轻，但由于三眼峪罗家峪流域上中游的地形决定了泥石流形成的必然性。

舟曲泥石流区为高山峡谷地貌，三眼峪、罗家峪地形成圈椅型，上中游支沟沟谷狭窄，呈 V型，沟谷两侧坡度大于40°，利于物源水源的聚集，并且坡降大，支沟比降在30％左右，具有有利的启动条件，启动速度大，在地形上不管是坡降还是谷降，对泥石流的运动都有推动作用。两流域下游沟谷呈窄深的U型，利于泥石流的流动。

图7 两泥石流沟横纵剖面布置图Fig.7 Cross and longitudinal section arranging figure of the two debris flow gullies

图8 三眼峪下游横纵剖面图Fig.8 Cross and longitudinal section arrange figure of Sanyanyu downstream

图9 罗家峪下游横纵剖面图Fig.9 Cross and longitudinal section figure of Luojiayu downstream

2.1.4 封闭的地形导致水汽在大气环流作用形成高强度降雨

舟曲泥石流暴雨区域集中于泥石流形成区的中上游，即峪支沟—罐子坪以上的区域［19］。三眼峪罗家峪沟谷地区降强暴雨不是在气流带的影响下形成的，降雨呈现局部性是由于舟曲县城附近属于高山峡谷地形，这种地形导致在舟曲县城小范围降强暴雨，强降雨与舟曲县的高山峡谷地形有关。舟曲县城附近地面水汽蒸发气压上升，气流到达山顶受到峡谷的阻碍，导致气流方向发生变化而在泥石流沟谷上空汇集形成高气压，最后在狭窄的谷地降大暴雨（图10）。

图10 局部强降雨Fig.10 Local heavy rain fall

舟曲每年每个月的蒸发量都远远超出降雨量（图11），月均蒸发量和降雨量在7、8月份以前呈现增加趋势，在7、8月份以前温度逐渐升高，并且降雨量远小于蒸发量而且他们之间的差量增加，在泥石流沟上空聚集的水汽增加，7、8月份舟曲上空的气压增到最大，在峡谷区域形成急剧局部的暴雨，造成了这次泥石流的发生。

图11 舟曲月蒸发量、气温Fig.11 Monthly evaporation capacity and air temperature on average of Zhouqu

2.2 高强度的降雨

水源是形成泥石流的诱发条件，8月7日晚10时舟曲降强暴雨，暴雨引发了本次特大型泥石流。舟曲县降雨多集中于6～9月份（图12），这些月份降雨频率高，并且降雨量大，常以连阴雨和暴雨形式出现，这次泥石流发生在8月，正是降雨量集中的月份，并且局部降强暴雨，降雨量 1h达到 77.4mm，4h达99.6mm，暴雨降雨量才只需大于或等于50mm，而在这次灾害中 1h达到 77.4mm，4h降雨量就高达99.6mm，在近20年内还是第一次发生。三眼峪、罗家峪沟谷中上游汇集了大量的降雨形成洪水，具备充分的水源条件。

图12 舟曲月均降雨量图Fig.12 Monthly precipitation on average of Zhouqu

2.3 城建开发不合理导致泥石流致灾

三眼峪和罗家峪山地冬冷夏热，沟谷冬暖夏凉，沟谷成了人们选择的良好居住地。除此之外，人类有着靠山而建的传统。大量的人口和居民区选择建在地势平坦开阔、基础较软且物质均匀的泥石流堆积区，他们居住的地方以及种植的农作物恰位于泥石流沟的泥石流沉积区内，泥石流来临时，泥石流体覆盖农作物与房屋，导致灾情的发生。灾难是针对人类而言，没有人类的选择问题，泥石流的发生不至于形成灾难。

3 泥石流灾害减灾对策

3.1 因势利导，修建泥石流防护结构

三眼峪、罗家峪地区土质疏松，在沟谷内易形成许多松散堆积体，这些堆积体成为了泥石流可吸纳的物源。根据图6中崩塌、坍塌、泥石流体、滑坡、黄土的位置，在大眼峪中布置三个拦渣坝和小眼峪中布置两个拦渣坝，三眼峪布置两个拦渣坝。罗家峪上游布置两个拦渣坝，下游布置两个拦渣坝，拦渣坝和排导槽需要定期疏沙。罗家峪布置情况同三眼峪。

3.1.1 拦渣坝的布置

在泥石流流通区，采用拦渣坝拦挡泥石流渣体，排泄泥石流浆体，降低泥石流流体的冲刷能力，相对降低泥石流的携带能力，减轻对泥石流堆积区城镇的致灾能力［20］。拦渣坝主要是用来拦挡泥石流沟内的松散物质，三眼峪泥石流沟内有4个大型的堆石坝高达80～283m，由于堆石坝在洪水来临时有被冲倒的可能，考虑静止倒塌，拦渣坝与堆石坝的距离要大于堆石坝的高度，避免拦渣坝被掩埋，丧失其功能，在距离堆石坝一定距离的地方布置拦渣坝4个：坝3、坝4、坝6、坝7。在滑坡、坍塌、崩塌潜在物源下方根据情况布置一定量的拦渣坝，并布置在沟内缓坡处和转弯消能后的沟道内，三眼峪沟拦渣坝布置如图13。同样在罗家峪沟内布置4个拦渣坝（图13）。

图13 三眼峪罗家峪拦渣坝布置Fig.13 Block dam arrangement of Sanyanyu and Luojiayu

3.1.2 排导槽与护坡的布置

三眼峪流域中大眼峪的地形较小眼峪陡，泥石流流速大于小眼峪，两支流泥石流体汇流后沿着三眼峪泥石流沟的东侧冲向舟曲县城，罗家峪泥石流体则沿着泥石流沟中部冲向居民区。在三眼峪东侧、罗家峪下游泥石流沟中部居民集中区域设置排导槽，三眼峪左侧种农作物、修建居住区。在泥石流发生时，泥石流体沿着排导槽流入白龙江，不影响居民的正常生活。在泥石流未发生时，排导槽作为灌溉农作物的水渠，用于农作物的灌溉。排导槽应经常疏通，防止泥石流体在沟内堆积，影响排导的作用。

为了减少固体物质来源，在三眼峪流域上游荒弃的山体种植植被护坡，峪门口黄土坡采用铁网加植被护坡方式稳定坡体，网上种植高度呈阶梯级变化的植物，形成密实的森林护坡，减少坡体表面、沟内松散物质的汇集。

3.2 加强政策引导，合理规划、开发利用泥石流沟流域

政府出台相关政策强制要求相关单位处理工程活动中产生的废弃物。政府部门严格把关后批准达到要求的工程活动，减少人工活动形成沟壑。定量化检查相关工程活动。根据结果进行管理，执行政府的控制作用。政府强制实施植被保护措施。政府加强宣传，增强民众对泥石流的认识。

选择城镇居民住址应仔细调查当地地质情况，避开地质活动活跃地带，选址前进行危险性评价并选择危险性最小的地域作为居民住址，在三眼峪流域内房屋靠泥石流沟左侧建筑，避开泥石流的冲击和破坏。政府应随时做好疏导工作和工程防治措施。

耕种作物区域根据地质、岩土情况确定作物类型，利用排导槽进行农作物的灌溉。黄土地区选择性耕种，退耕高山地域，高山退耕地区种植高大植物，农作物与经济作物在坡脚种植，植被的种植在垂直于地表上应呈现由低到高的渐变化的植被形态。

3.3 对降雨量和泥石流进行紧密监测、预报

收集泥石流沟附近影响泥石流形成的各种活动情况，分析其影响程度大小，综合所有资料掌握泥石流变化发展状况，确定临界雨量。在多雨季节，区域内降雨量和降雨情况随时随地地紧密监测，采用雨量计、水位计、摄影录像进行监测，雨量计需要在整个流域布置，隔一定距离布置一个，水位计主要布置在泥石流沟上游，用于监测洪水水位，摄影录像放在泥石流沟的弯道处和泥石流体汇流处，观察泥石流沟内的动态变化。根据监测情况通过安装在沟口处的广播警报器对泥石流及时进行预警预报，提醒沟内居民采取有效的避险措施。并向有关部门汇报，采取进一步避灾减灾措施。

4 结论

（1）三眼峪泥石流沟轴线的方位角为25°，罗家峪泥石流沟轴线的方位角为57°，新构造运动的主压应力的方向与三眼峪和罗家峪的夹角小于20°，两泥石流沟的走向与新构造运动的主压应力的方向近乎垂直，说明此两泥石流沟的形成存在必然性。

（2）三眼峪和罗家峪沟内松散物质主要由重力堆积物、残坡积物、泥石流堆积物、拦渣坝碎块和黄土组成。在极端降雨条件下，底层胶结物质在雨水作用下强度降低产生蠕动，大块物质在底层土体的带动下发生滚动，降雨达到一定程度后上下层混合发生流动。

（3）对泥石流沟采取防沙、拦挡、疏沙综合治理的方法治理，在三眼峪泥石流沟布置了9个拦渣坝，罗家峪布置了4个拦渣坝。采用水位计、雨量计、摄像录影进行预警。在两流域下游采用铁网植被护坡。

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