平凉鸭儿沟泥石流形成过程及特征分析.pdf

第5 3 卷第1 期甘肃水利水电技术V 0 1 5 3 ，N o 1 2 0 1 7 年1 月 G A N S UW A T E RR E S O U R C E SA N DH Y D R O P O W E RT E C H N O L O G Y J a n ，2 0 1 7 设计与研究 平凉鸭儿沟泥石流形成过程及特征分析 凌袜1 ，陶蓉1 ，白晓华： ( 1 兰州大学土木工程与力学学院，甘肃兰州7 3 0 0 0 0 ； 2 甘肃省科学院地质自然灾害防治研究所，甘肃兰州7 3 0 0 0 0 ) 摘要：平凉市鸭儿沟流域在特殊的地形地貌和水文条件影响下，泥石流发育较为严重，历史上已发生数次较大规模泥 石流灾害。造成巨大的经济损失。通过详细调查鸭儿沟流域地形地貌、水文气象、地层岩性以及地质构造等条件，将流 域划分为泥石流形成区、流通区和堆积区，分析了泥石。流从沟脑斜坡至沟口前方堆积的长期搬运机制及其流动特征， 为鸭儿沟泥石流的治理提供了防灾减灾的理论依据。 关键词：泥石流；流域分区；形成过程；流动特征；搬运机制 中图分类号：P 6 4 2 2 3文献标志码：A文章编号：2 0 9 5 - 0 1 4 4 ( 2 0 1 7 ) 0 1 0 0 1 8 - 0 4 1前言 平凉市崆峒区属陇东黄土高原丘陵沟壑区，境 内地形多变，地质构造复杂，新构造运动强烈，断 裂、褶皱较为发育，岩土体破碎，人类工程活动较强 烈，造成泥石流、崩塌、滑坡等地质灾害较为发育， 是甘肃省地质灾害较为密集的地区之一。特别是泥 石流灾害最为严重，具有周期短、频率高、造成损失 较大的特征。据崆峒区防汛办公室统计，1 9 4 9 2 0 1 4 年间，泥石流灾害造成直接经济损失达4 5 亿元以 上。 泥石流往往是由块石、碎石、泥土以及大量的 水所构成的流体，沿着山坡和沟谷向下流动的一 种自然现象【1 1 。泥石流的诱发因素很多，地形地貌、 降水、地震、人类活动等都能引发这类地质灾害的 发生 2 - 6 1 。如“5 1 2 ”汶川地震引发了大量的泥石流， 崆峒区同样受到了此次地震的影响，为区域内泥石 流提供了大量物源，而鸭儿沟是平凉市崆峒区较 为严重的泥石流沟之一。 崆峒区西南城区即坐落于鸭儿沟泥石流堆积 扇上，G 3 1 2 国道从沟口段穿过，高速公路从沟道中 段穿过，太统山国家级风景区旅游专线沿沟道通 过，流域内乡村公路、村村农路均已贯通，交通较为 便利。 该沟历史上曾多次造成过灾情，流域地形破碎， 坡陡沟深，一遇暴雨，洪水肆流，冲刷剧烈，水土流失 十分严重，多年再未采取治理措施，遇到强降雨，必 会发生泥石流灾害。通过分析鸭儿沟泥石流的形成 原因与条件，查明泥石流形成的主要方式和关键部 位，以及泥石流沿程冲淤变化特征，为建立完善的泥 石流防御体系、保护崆峒区西南城区和人民生命财 产的安全等提供依据。 2 流域总体特征 鸭儿沟属泾河水系一级支流，发源于平凉市城 区南面的麻武乡一带。流域平面形态呈“柳叶”状，地 势总体南高北低，海拔13 7 0 22 0 3m ，相对高差 8 3 3m ，主沟道长1 3 4k m ，平均比降约5 7 5 ，流域 面积1 7 8k m 2 。流域内地形切割较深，支沟较发育， 沟壑密度2 1k m k m 2 ，特别是中上游一带支沟发育 多，呈树枝状，沟壑下切较深，沟道多呈“V ”形，沟谷 普遍较窄( 图1 ) 。沟谷两侧山坡较陡，坡度一般在 3 0 。以上，沟岸斜坡极不规则，陡崖、陡坡与缓坡平 台相间，坍塌、崩塌、滑坡发育较多。 流域内黄土基底以新近系泥岩为主，沟道内局 部出露，大多地段均被马兰黄土覆盖。流域土壤多系 黄土母质发育形成，部分地段有少量红土出露，土壤 主要类型为黄绵土，质地较轻，垂直节理发育，组成 收稿日期：2 0 1 6 1 2 1 2 基金项目：甘肃省科学院科技产业化项目“平凉城区鸭儿沟泥石流灾害治理技术推广示范” 作者简介：凌辣( 1 9 9 2 一) ，女，重庆人，硕士研究生，主要从事地质灾害防治与治理研究，E m a i l ：9 7 8 4 6 9 8 0 0 q q c o r n 。 1 8 万方数据 1 期 凌舔，等：平凉鸭儿沟泥石流形成过程及特征分析 第5 3 卷 图1 鸭儿沟泥石流流域影像图( 截自g o o g l e 地图) ，结构疏松，黄土组成主要成为粉质黏土，结构 ，富含碳酸盐，遇水极易分散，容易被冲刷流失， 效益不高。 宅域分区特征 根据鸭儿沟泥石流的形成、运移和堆积特征，将 划分为形成区、流通区和堆积区三部分( 图2 ) 。 形成区位于沟谷中上游，为从鸭儿沟沟脑至鸭 儿沟村四社南端，面积约1 1 9 1k m 2 ，占流域总面积 的6 6 8 9 ，沟道长约7 4k m ，沟床平均纵比降约 8 1 8 。该区域周围山梁较陡、山体破碎、植被覆盖 率低，总体呈三面环山、中部瓢状凸出、一面出口狭 窄的形态，形成泥石流的地形条件和水动力条件优 越，具备良好的水动力势能条件和松散物质补给条 件，是主要固体物质补给区，为泥石流形成提供了必 要的条件。 流通区位于沟谷下游的近出山口一带，从鸭儿 沟四社南端至二社南端，面积相对较小，约1 5 3 k m z ，占流域总面积的8 6 1 ，长约2 2k m ，沟床平均 纵比降约3 4 1 。流通区沟道总体较顺直，切蚀作用 相对较弱，沟谷侵蚀以沟底冲蚀搬运为主，部分地段 侧蚀也较严重，沟坡坡脚陡坎较多，一般高3 5m ， 部分地段大于8m ，沟床宽一般1 0 2 0m ，两侧谷坡 大多仍较陡，坡度2 0 。4 0 0 ，部分为直立状。 堆积区位于崆峒区城区西南侧的沟谷出山口一 带，总体自南向北倾斜，由于城市建设，对洪积扇的 后期改造较大，部分特征已不明显。从周围地形分 析，总体地形为中部略隆起，呈扇形凸出，扇主轴长 约36 0 0m ，扇缘宽24 0 0m ，扇顶宽约3 7 0m ，面积 约4 3 6k m 2 ，占流域总面积的2 4 5 1 。因多年泥石 流冲出物堆积，现在堆积区由主沟道向两侧倾斜，形 1 9 万方数据 2 0 1 7 年第1 期 甘肃水利水电技术 第5 3 卷 成高出两侧约3m ，宽约2 0 0m 垄岗，在此基础上现 排导沟为简易土堤形成的宽约2 0 m 、深1 2 m 的 主沟道，成为地上沟。洪积扇堆积体岩性主要为粉 土。泥石流形成后，沿沟道向沟口运移，冲出沟口， 流速骤减，堆积形成扇状地形( 堆积扇) 。 鸭儿沟沟泥石流堆积扇呈南北向展布，总体地 形为中部略隆起，呈扇形凸出，由主沟道向前缘及两 侧倾斜，坡度3 0 5 0 ，堆积扇前缘延伸至泾河，因 沟道较宽、坡降较小以停淤为主。在堆积扇扇形地 中部修建有简易排导沟。 4 泥石流的形成过程与流动特征 泥石流形成、运动和堆积很难截然分开，其形成 过程中有运动( 启动) ，运动过程既有形成( 侵蚀下 切，水流和泥砂石块不断汇入) 过程，又有堆积( 边 岸、凸岸堆积) 过程，停留于沟道的泥石流体又为后 续更大泥石流或长期发生泥石流侵蚀卷入到运动之 中，形成次生泥石流。鸭儿沟泥石流运动、堆积过程 存在从沟脑斜坡- 上游主干沟道床_ 下游主干沟 床一+ 沟口前方堆积的长期泥石流搬运过程。概括其 搬运模式可表示为图3 。 I_ 形成区 流通区 堆积区 图3 鸭儿沟泥石流搬运模式 鸭儿沟流域上游为侵蚀构造低中山，基岩出露， 地形高差大，平均纵比降约8 1 8 。沟谷呈“V ”形，沟 底较窄，谷坡坡度多在3 0 0 以上，汇流面积大。在暴 雨条件下，坡面水流迅速汇集到沟道中，其水动力条 件优越。同时，坡面水流将携带部分表层粗粒固体物 质，迅速汇集到支沟槽，进而又迅速汇集到主沟。 流域中部为梁峁与沟壑相间的黄土丘陵区，该 区村庄较多。沟谷呈“u ”字形，谷坡坡度多在3 0 0 以 上，沟床宽一般l O 1 5m ，弯道较多，沟道中冲洪积 物厚度较大，一般为2 3m 。沟床两侧多为黄土或 冲洪积物，切蚀作用强烈，形成高3 6 m 的近直立 的陡坎，黄土结构松散，在长期雨水下渗、重力、沟道 水动力作用下( 沟岸侧蚀、沟底切蚀、坡面冲蚀、沟头 向源侵蚀) 多产生沟岸坍塌体，其固体松散物质补给 量占流域总补量的9 0 左右。在暴雨条件下，因其 平均坡度大于3 0 0 ，坡面水流流速亦十分快捷，完 全处于“超渗产流”的状态。快速漫流的坡面水流携 带表层松散细粒固体物质，迅速汇集到支沟槽；短浅 的支沟槽又迅速将汇集到的雨洪及泥沙，在沿比降 较大的支沟床流动过程中获得更大的能量，起动掏 刷支沟床松散固体物质和两岸，加速冲出支沟口，并 加入主沟槽从上游汇流而下的洪水之中向下游渲泄 而下，从而使该段主沟槽内水体的能量迅速增大，起 动冲刷数量更多的主沟床堆积物，在主沟中冲刷、停 积、铺砌、阴塞，冲刷，又被新冲出的泥石流冲刷汇人 中下游的流通区。 流通区沟道总体较J 项直，切蚀作用相对较弱，沟 谷侵蚀以沟底冲蚀搬运为主，部分地段侧蚀也较严 重。从形成区冲泄而下的泥石流，不断加入流通区的 雨洪及泥沙，在短时间内形成峰量增值很快的泥石 流，汹涌无比地冲出主沟口。而目前鸭儿沟沟口以下 排导工程过流能力严重不足，发生较大规模的泥石 流即漫溢决堤，瞬间使沟口城区遭灾。 综上所述，山高谷深、山坡陡峻和沟槽比降大等 特殊地形地貌条件，对崆峒区鸭儿沟泥石流形成的 主要影响和作用表现为： 第一，在流域上游坡面水流和支沟洪水迅速获 得能量在主沟槽内集中，加速了主沟槽流体能量升 级和转化。 第二，高能量流体在流动过程中起动沟底泥沙 能力和掏蚀沟岸冲刷能力很强，使流体容重迅速增 加、流体性质迅速转化，从而形成泥石流冲出沟外。 万方数据 第1 期 凌袜。等：平凉鸭儿沟泥石流形成过程及特征分析第5 3 卷 第三，使泥石流的规模和峰量快速升级，短时间 内即可形成高峰量、大规模灾害性泥石流。 5 结论 ( 1 ) 鸭儿沟位于平凉市城区西南，是崆峒区较 为严重的泥石流沟之一，已发生数次较大规模泥石 流灾害，造成了直接巨大经济损失，给崆峒区西南城 区及全区的生存环境和经济发展带来了十分消极的 影响和严重后果，急需继续进行治理。 ( 2 ) 鸭儿沟泥石流沟属泾河水系一级支流，发 源于崆峒区南面的麻武乡一带，流域内沟壑下切较 深，沟道多呈“V ”形，沟岸扩张严重、沟头延伸较快。 该沟平时流量小，枯季常断流，雨季流量骤增，常发 生洪水或泥石流。 ( 3 ) 鸭儿沟泥石流形成过程中，滑塌、坍塌体以 及溯源从源头涌人，在中上游部分河床堆积，但因为 侵蚀下切，还有水流和泥砂石块不断汇入，最后在沟 口形成扇形地停积。但是停留于沟道的泥石流体又 将被卷入后续更大泥石流或长期发生泥石流侵蚀运 动之中，形成次生泥石流。 参考文献： 1 夏逸平，张俊海，林昊，等泥石流的诱发因素及灾害评估 思考阴中国矿业，2 0 1 1 ，2 0 ( 7 ) ：1 1 7 1 1 9 2 崔鹏，杨坤，陈杰前期降雨对泥石流形成的贡献一以 蒋家沟泥石流形成为例叨中国水土保持科学，2 0 0 3 ，1 ( 1 ) ：1 1 - 1 5 3 杨为民，吴树仁，张永双，等降雨诱发坡面型泥石流形成 机理叨地学前缘，2 0 0 7 ，1 4 ( 6 ) ：1 9 7 2 0 4 4 马东涛，石玉成试论地震在泥石流形成中的作用阴地震 工程学报，1 9 9 6 ，1 8 ( 4 ) ：3 8 - 4 2 5 杨成林，陈宁生，李战鲁汶川地震次生泥石流形成模式 与机理【刃自然灾害学报，2 0 1 1 ，2 0 ( 3 ) ：3 1 3 7 6 莫志柏矿山泥石流形成机理及治理方法研究【D 】长沙： 中南大学，2 0 0 3 7 陈晓清，崔鹏，赵万玉汶川地震区泥石流灾害工程防治 时机的研究 J 】I t ) 1 1 大学学报：工程科学版，2 0 0 9 ，4 1 ( 3 ) ： 1 2 5 - 1 3 0 8 马超，何晓燕，胡凯衡汶川地震灾区泥石流群发雨量及 预警等级划分田北京林业大学学报，2 0 1