甘肅舟曲特大泥石流災害形成機制及減災對策

唐 蘭 ，陳洪凱

（重慶交通大學 巖 土工程研究所，重慶 4 00074）

0 引言

泥石流的形成條件為充足的水源、豐富的物源以及優勢的地形。其中降雨是泥石流形成的誘發因素，國內外針對發生的泥石流分析了泥石流的降雨誘發因素［2-5］。R.M.Wooten等（2008）描述了發生在North Carolina颶風尾誘導泥石流發生的過程，并利用輕微觀測模型和變化的數字評價模型確定泥石流區域，分析了颶風的形態和颶風誘導泥石流發生的過程［6］。Domenico Tropeano等 （2004）根據調查收集的具有歷史意義的資料，分析運用這些資料對擬建城市進行危險干預并正確選擇城市建設方案［7］。白龍江流域泥石流的分布密度和發生頻次在甘肅省內居首位，分布范圍6400km，有泥石流 1000多處，其中較大泥石流溝490處［8］。陳洪凱（1997）等探究了白龍江流域第四紀以來地貌發育基本模式，區域隆升特性與青藏高原主體隆升模式相一致［9］。王協康等（1999）對白龍江流域泥石流溝形態進行了非線性研究［10］。王建力等（2000）白龍江流域全新世泥石流與環境的演變作了初步研究［11］。馬東濤、祁龍（2010）對舟曲泥石流的形成條件、形成機制、防災形勢的嚴峻、治理方案和防治措施進行了分析［12］。胡凱衡等人（2010）通過對舟曲泥石流的調查，研究了泥石流的成因和泥石流的性質，泥石流的發展趨勢以及泥石流的防治措施［13］。胡向德等（2011）分析了甘肅舟曲三眼峪溝泥石流的形成條件與發展趨勢［14］。崔云等（2011）以舟曲泥石流為背景分析了強降雨在山地災害鏈成災演化中的關鍵控制作用［15］。本文對舟曲2010年8月特大型泥石流災害的形成原因、機制進行了分析，據此探索其減災措施。

1 致災區域地理環境特征

1.1 地形地貌

舟曲縣地處青藏高原東緣，西秦嶺西翼與岷山山脈交匯，屬于構造山地，受區域構造與三眼峪、羅家峪流域的河流侵蝕作用控制，形成重巒疊嶂，峰尖谷深的地形。致災區屬三眼峪溝流域與羅家峪夾帶區，兩流域總體呈南北向展布，地勢北高南低，屬典型高山峽谷地形。地形切割強烈，溝壑縱橫，溝內形成多處跌水陡坎。兩流域山體坡度大于45°，中上游河流溝谷呈V型，下游呈窄深 U型，具有北高南低的地勢。三眼峪區內最高點為陡石山山頂，海拔3828m，最低點位于三眼峪溝入江口海拔 1304m，相對高差2488m。羅家峪區內最高點海拔為3789m，最低為白龍江河谷，海拔為1350m，相對高差為2439m。

1.2 氣候特征

泥石流區域屬于北亞熱帶季風氣候帶，年內氣候受季風控制明顯，空氣濕潤，夏季高溫多雨，冬季低溫少雨。高山地帶寒暑交替，四季分明，河谷地帶冬無嚴寒，夏無酷暑。區內氣溫變化較小，晝夜溫差不大，多年平均氣溫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，秋季與冬季占1/4，降雨常以連陰雨和暴雨形式出現，降雨多為集中區域降雨。致災區所在的白龍江流域降雨量大約在300～400mm，舟曲縣城年降雨量在400mm左右（圖1）。

圖1 舟曲年降雨量圖Fig.1 Annual precipitation on average of Zhouqu

1.3 水文情況

三眼峪、羅家峪系白龍江流域一級支流，白龍江屬長江流域嘉陵江水系，兩流域橫穿舟曲縣縣城，流域面積分別為 22km2、16km2，主溝長度分別為10.37km、9.55km。三眼峪溝流域呈“瓢”狀，主要由大眼溝峪，小眼溝峪，龍廟溝，板子腳溝組成，其中大眼峪溝為主支，大小眼峪溝構成流域的主體格架，二者平面組合形態呈“Y”型，主溝長5.1km，小水溝位于主溝溝口西側，板子腳溝位于溝口東側（圖2）。整個三眼峪溝流域正處在河流發育初期，支流交錯貫通，成為網狀地勢。

圖2 三眼峪羅家峪流域Fig.2 Sanyanyu valley and Luojiayu valley

2 泥石流災難形成機制

2.1 泥石流形成的潛在性

2.1.1 泥石流溝形成在構造應力場作用下的必然性印度板塊和歐亞板塊碰撞作用決定了西北地區新構造運動的基本特征［16］。由此可知舟曲新構造運動主要受印度板塊和歐亞板塊碰撞作用控制。舟曲地區構造應力場中主壓應力方向大致為東南—西北方向。為進一步確定舟曲新構造應力場方向，根據舟曲內地層志留系中上統白龍江群地層炭質千枚巖中的123條裂隙進行統計，采用裂隙走向玫瑰花圖反演構造應力場。統計結果中可分出北西西、北北西、和北東東三組優勢方向，見裂隙走向玫瑰花圖3。

阿東說：“我不想讀了。其實讀和不讀，找起工作來，都是一樣的。這年頭，文憑也不講了，光講有沒有硬關系。我只擔心阿里怎么辦。”

圖3 千枚巖內裂隙走向玫瑰花圖Fig.3 Crack strike rose figure in phyllite

由第一組裂隙和第二組裂隙兩組裂隙在平面上組成X共軛裂隙，推測出舟曲構造應力場主壓應力方向如圖4所示。三眼峪溝方位角為25°，羅家峪溝方位角為57°（圖5），三眼峪溝和羅家峪溝與主壓應力方向σ1夾角在20°左右，在地質研究上可把這兩條泥石流溝與新構造應力場的主壓應力方向視為垂直的［17］。由艾南山等的觀點：泥石流的爆發暴雨是不可缺少的外界營力條件，但泥石流溝發育的優勢方向與新構造應力的主壓應力方向是垂直的［18］，可知三眼峪羅家峪泥石流溝發展的優勢方向正處在與主壓應力垂直的方向上，說明兩泥石流溝的形成存在必然性和天生性。

圖4 構造應力場主壓應力方向Fig.4 Principal compressive stress direction in tectonic stress field

圖5 三眼峪羅家峪泥石流溝方位角Fig.5 The azimuthally angle of Sanyanyu and Luojiayu debris flow gully

2.1.2 溝內豐富的物源

泥石流形成的物源主要為第四紀松散物質，包括沖洪積物、泥石流堆積物、重力堆積物、殘—坡積物、黃土。在三眼峪、羅家峪上游泥石流溝內主要分布大量的重力堆積物，泥石流形成區處于秦嶺東西向構造帶的西延部分，受西秦嶺構造多期活動的影響，構造活動十分強烈，斷裂發育，并且河流切割強烈，巖體破碎，區域內地震活動頻繁，崩塌、滑坡發育，在溝內形成大量松散物質也就是重力堆積物，是泥石流主要的物源。下游溝口中低山處分布有大量的黃土，這也是泥石流的重要物源（圖6）。

圖6 三眼峪羅家峪物源圖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高的堆積壩，三眼峪4條支溝共有滑坡8處，滑動面0.88km2，滑坡總體積1303.9×104m3，發育崩塌體58個，體積約2830.1×104m3，此外溝內還發育滑塌、坍塌和溝道堆積物約1029×104m3，以上各項共計5163×104m3，可以直接補給泥石流的松散固體物質2510×104m3（圖6）。

2.1.3 利于物源聚集流動最終致災的地形

三眼峪泥石流溝在平面上大致呈現出直線型，利于泥石流流動并且流速不會因為受阻而降低（圖7）。在龍廟溝與三眼峪溝匯集處由于沖擊消能使泥石流流速減緩，在聚集口下方有一個陡降的地形，又增加了泥石流流速（圖8）。羅家峪沒有支流，地形較三眼峪緩（圖9），并且加上其溝在平面上成弧形，在彎道處降低了泥石流流速（圖7），最后致災后果三眼峪稍輕，但由于三眼峪羅家峪流域上中游的地形決定了泥石流形成的必然性。

舟曲泥石流區為高山峽谷地貌，三眼峪、羅家峪地形成圈椅型，上中游支溝溝谷狹窄，呈 V型，溝谷兩側坡度大于40°，利于物源水源的聚集，并且坡降大，支溝比降在30％左右，具有有利的啟動條件，啟動速度大，在地形上不管是坡降還是谷降，對泥石流的運動都有推動作用。兩流域下游溝谷呈窄深的U型，利于泥石流的流動。

圖7 兩泥石流溝橫縱剖面布置圖Fig.7 Cross and longitudinal section arranging figure of the two debris flow gullies

圖8 三眼峪下游橫縱剖面圖Fig.8 Cross and longitudinal section arrange figure of Sanyanyu downstream

圖9 羅家峪下游橫縱剖面圖Fig.9 Cross and longitudinal section figure of Luojiayu downstream

2.1.4 封閉的地形導致水汽在大氣環流作用形成高強度降雨

舟曲泥石流暴雨區域集中于泥石流形成區的中上游，即峪支溝—罐子坪以上的區域［19］。三眼峪羅家峪溝谷地區降強暴雨不是在氣流帶的影響下形成的，降雨呈現局部性是由于舟曲縣城附近屬于高山峽谷地形，這種地形導致在舟曲縣城小范圍降強暴雨，強降雨與舟曲縣的高山峽谷地形有關。舟曲縣城附近地面水汽蒸發氣壓上升，氣流到達山頂受到峽谷的阻礙，導致氣流方向發生變化而在泥石流溝谷上空匯集形成高氣壓，最后在狹窄的谷地降大暴雨（圖10）。

圖10 局部強降雨Fig.10 Local heavy rain fall

舟曲每年每個月的蒸發量都遠遠超出降雨量（圖11），月均蒸發量和降雨量在7、8月份以前呈現增加趨勢，在7、8月份以前溫度逐漸升高，并且降雨量遠小于蒸發量而且他們之間的差量增加，在泥石流溝上空聚集的水汽增加，7、8月份舟曲上空的氣壓增到最大，在峽谷區域形成急劇局部的暴雨，造成了這次泥石流的發生。

圖11 舟曲月蒸發量、氣溫Fig.11 Monthly evaporation capacity and air temperature on average of Zhouqu

2.2 高強度的降雨

水源是形成泥石流的誘發條件，8月7日晚10時舟曲降強暴雨，暴雨引發了本次特大型泥石流。舟曲縣降雨多集中于6～9月份（圖12），這些月份降雨頻率高，并且降雨量大，常以連陰雨和暴雨形式出現，這次泥石流發生在8月，正是降雨量集中的月份，并且局部降強暴雨，降雨量 1h達到 77.4mm，4h達99.6mm，暴雨降雨量才只需大于或等于50mm，而在這次災害中 1h達到 77.4mm，4h降雨量就高達99.6mm，在近20年內還是第一次發生。三眼峪、羅家峪溝谷中上游匯集了大量的降雨形成洪水，具備充分的水源條件。

圖12 舟曲月均降雨量圖Fig.12 Monthly precipitation on average of Zhouqu

2.3 城建開發不合理導致泥石流致災

三眼峪和羅家峪山地冬冷夏熱，溝谷冬暖夏涼，溝谷成了人們選擇的良好居住地。除此之外，人類有著靠山而建的傳統。大量的人口和居民區選擇建在地勢平坦開闊、基礎較軟且物質均勻的泥石流堆積區，他們居住的地方以及種植的農作物恰位于泥石流溝的泥石流沉積區內，泥石流來臨時，泥石流體覆蓋農作物與房屋，導致災情的發生。災難是針對人類而言，沒有人類的選擇問題，泥石流的發生不至于形成災難。

3 泥石流災害減災對策

3.1 因勢利導，修建泥石流防護結構

三眼峪、羅家峪地區土質疏松，在溝谷內易形成許多松散堆積體，這些堆積體成為了泥石流可吸納的物源。根據圖6中崩塌、坍塌、泥石流體、滑坡、黃土的位置，在大眼峪中布置三個攔渣壩和小眼峪中布置兩個攔渣壩，三眼峪布置兩個攔渣壩。羅家峪上游布置兩個攔渣壩，下游布置兩個攔渣壩，攔渣壩和排導槽需要定期疏沙。羅家峪布置情況同三眼峪。

3.1.1 攔渣壩的布置

在泥石流流通區，采用攔渣壩攔擋泥石流渣體，排泄泥石流漿體，降低泥石流流體的沖刷能力，相對降低泥石流的攜帶能力，減輕對泥石流堆積區城鎮的致災能力［20］。攔渣壩主要是用來攔擋泥石流溝內的松散物質，三眼峪泥石流溝內有4個大型的堆石壩高達80～283m，由于堆石壩在洪水來臨時有被沖倒的可能，考慮靜止倒塌，攔渣壩與堆石壩的距離要大于堆石壩的高度，避免攔渣壩被掩埋，喪失其功能，在距離堆石壩一定距離的地方布置攔渣壩4個：壩3、壩4、壩6、壩7。在滑坡、坍塌、崩塌潛在物源下方根據情況布置一定量的攔渣壩，并布置在溝內緩坡處和轉彎消能后的溝道內，三眼峪溝攔渣壩布置如圖13。同樣在羅家峪溝內布置4個攔渣壩（圖13）。

圖13 三眼峪羅家峪攔渣壩布置Fig.13 Block dam arrangement of Sanyanyu and Luojiayu

3.1.2 排導槽與護坡的布置

三眼峪流域中大眼峪的地形較小眼峪陡，泥石流流速大于小眼峪，兩支流泥石流體匯流后沿著三眼峪泥石流溝的東側沖向舟曲縣城，羅家峪泥石流體則沿著泥石流溝中部沖向居民區。在三眼峪東側、羅家峪下游泥石流溝中部居民集中區域設置排導槽，三眼峪左側種農作物、修建居住區。在泥石流發生時，泥石流體沿著排導槽流入白龍江，不影響居民的正常生活。在泥石流未發生時，排導槽作為灌溉農作物的水渠，用于農作物的灌溉。排導槽應經常疏通，防止泥石流體在溝內堆積，影響排導的作用。

為了減少固體物質來源，在三眼峪流域上游荒棄的山體種植植被護坡，峪門口黃土坡采用鐵網加植被護坡方式穩定坡體，網上種植高度呈階梯級變化的植物，形成密實的森林護坡，減少坡體表面、溝內松散物質的匯集。

3.2 加強政策引導，合理規劃、開發利用泥石流溝流域

政府出臺相關政策強制要求相關單位處理工程活動中產生的廢棄物。政府部門嚴格把關后批準達到要求的工程活動，減少人工活動形成溝壑。定量化檢查相關工程活動。根據結果進行管理，執行政府的控制作用。政府強制實施植被保護措施。政府加強宣傳，增強民眾對泥石流的認識。

選擇城鎮居民住址應仔細調查當地地質情況，避開地質活動活躍地帶，選址前進行危險性評價并選擇危險性最小的地域作為居民住址，在三眼峪流域內房屋靠泥石流溝左側建筑，避開泥石流的沖擊和破壞。政府應隨時做好疏導工作和工程防治措施。

耕種作物區域根據地質、巖土情況確定作物類型，利用排導槽進行農作物的灌溉。黃土地區選擇性耕種，退耕高山地域，高山退耕地區種植高大植物，農作物與經濟作物在坡腳種植，植被的種植在垂直于地表上應呈現由低到高的漸變化的植被形態。

3.3 對降雨量和泥石流進行緊密監測、預報

收集泥石流溝附近影響泥石流形成的各種活動情況，分析其影響程度大小，綜合所有資料掌握泥石流變化發展狀況，確定臨界雨量。在多雨季節，區域內降雨量和降雨情況隨時隨地地緊密監測，采用雨量計、水位計、攝影錄像進行監測，雨量計需要在整個流域布置，隔一定距離布置一個，水位計主要布置在泥石流溝上游，用于監測洪水水位，攝影錄像放在泥石流溝的彎道處和泥石流體匯流處，觀察泥石流溝內的動態變化。根據監測情況通過安裝在溝口處的廣播警報器對泥石流及時進行預警預報，提醒溝內居民采取有效的避險措施。并向有關部門匯報，采取進一步避災減災措施。

4 結論

（1）三眼峪泥石流溝軸線的方位角為25°，羅家峪泥石流溝軸線的方位角為57°，新構造運動的主壓應力的方向與三眼峪和羅家峪的夾角小于20°，兩泥石流溝的走向與新構造運動的主壓應力的方向近乎垂直，說明此兩泥石流溝的形成存在必然性。

（2）三眼峪和羅家峪溝內松散物質主要由重力堆積物、殘坡積物、泥石流堆積物、攔渣壩碎塊和黃土組成。在極端降雨條件下，底層膠結物質在雨水作用下強度降低產生蠕動，大塊物質在底層土體的帶動下發生滾動，降雨達到一定程度后上下層混合發生流動。

（3）對泥石流溝采取防沙、攔擋、疏沙綜合治理的方法治理，在三眼峪泥石流溝布置了9個攔渣壩，羅家峪布置了4個攔渣壩。采用水位計、雨量計、攝像錄影進行預警。在兩流域下游采用鐵網植被護坡。

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