劉家峽水庫大寺溝泥石流基本特征與防治對策

王周萼 王英奎

摘要：大寺溝泥石流頻發，對炳靈寺石窟造成了嚴重影響，為此需研究泥石流基本特征，以便采取針對性治理措施。根據現場調查并研閱歷史資料，分析了形成泥石流的地形、物源、降雨等觸發因素，明確大寺溝屬于泥石流溝。在此基礎上，研究了泥石流物源區、流通區、堆積區的地質特征。研究表明：泥石流堵塞程度為中等，發育程度為中等易發。在防治方面，經比較植被恢復、穩坡護坡、主溝攔擋及主溝導排等措施，選擇主溝導排，并擬定了排導洞治理方案。因大寺溝流域地質資料欠缺，無法準確獲取泥石流部分參數，下一步需加強地勘工作，以便為治理方案設計提供依據。

關鍵詞：泥石流;基本特征;易發程度;排導洞;劉家峽水庫

中圖法分類號：P642.23文獻標志碼：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2021.03.003

文章編號：1006 - 0081（2021）03 - 0018 - 05

1研究背景

泥石流具有突發性、流速快、流量大及破壞力強等特點。常會沖毀房屋，破壞交通設施甚至村鎮等，危害巨大。2010年8月7日發生在甘南藏族自治州的舟曲“8·7”特大泥石流災害，造成了重大人員傷亡和財產損失。因此，對于危害對象明確的泥石流溝谷，分析研究泥石流的基本特征具有重要意義。

位于劉家峽水庫庫尾附近的大寺溝是黃河一級支流，溝口地段為炳靈寺石窟，該石窟為第一批全國重點文物保護單位，是全國著名的六大石窟之一。大寺溝泥石流頻發，洪水攜帶大量泥砂在炳靈寺石窟前淤積，淤積面逐年增高，對石窟造成了嚴重影響。為此，蘭州大學開展了大寺溝山洪對炳靈寺石窟的影響初步研究[1]，甘肅省水利水電勘測設計研究院進行了炳靈寺石窟防洪治沙工程方案研究[2]，兩項研究均取得了豐碩成果，為山洪災害防治提供了可靠的基礎資料。

本文在吸收前人研究成果的基礎上，通過實地調查走訪并研閱有關文獻，結合泥石流形成條件，確認大寺溝為泥石流溝。在此基礎上，研究了泥石流基本地質特征，分析比較了各種泥石流防治措施，推薦采用排導洞治理方案。因大寺溝流域基礎地質資料欠缺，難以估算松散固體物質儲量，無法準確獲取泥石流特征參數（如泥石流重度、泥石流一次最大沖出量等），需在下一步工作中予以解決。

2 大寺溝流域地質概況

大寺溝流域屬溫帶大陸性半干旱氣候，降水量少，蒸發量大，年均降水量450.7 mm，年均蒸發量1 457 mm。降水集中于5～9月，降水量占全年降水量的80%。降雨持續時間短，1 a有1～2次暴雨，如2018年7月22日，3 h內降雨量108 mm。

大寺溝主要由直溝與上寺溝兩條支溝組成，流域面積約11.50 km2，水滴嶺以上的流域面積約占整個流域面積的90%。大寺溝流域水系見圖1。

直溝與上寺溝的溝床寬6～12 m，最寬20～25 m。中下游溝床比降5%～10%，少數地段可達20%，局部形成高3 m左右的跌水;中上游溝段比降30%～45%，局部形成陡坎。直溝常年有水，水量隨季節變化，匯水面積占全流域的70%，支溝眾多，陡坎較多;上寺溝只有季節性流水，溝道無明顯陡坎，分支多，溝道短。直溝與上寺溝匯合后稱為下寺溝，溝床寬且順直，水滴嶺以上平均寬約18 m，溝床比降3.5%～6.0%，平均約4%;以下溝床平均寬約62 m，平均比降約2%。水滴嶺處寬僅3.5 m左右，該部位為一滑塌體堵塞溝床后沖出的狹窄溝道，為下寺溝最窄處。

流域內為中山地貌，地形復雜，地表受沖溝侵蝕下切強烈，溝谷深切、高差大。最高處分水嶺附近高程約2 402 m，最低處位于溝口，高程約1 722 m，相對高差680 m。岸坡陡立，山頂尖棱，呈山高谷深、峰林式丹霞地貌形態。

基巖大面積出露，地層為下白堊系河口群（K1hk），巖層厚達300 m。巖性為淺紫紅、棕紅色細砂巖、含礫中砂巖與礫巖，呈互層狀，為一套河湖相沉積物。巖層傾向320°～340°，傾角2°～7°。第四系主要分布于坡體中下部或坡腳及溝床，屬崩積或洪積成因，崩積物巖性主要為碎石、角礫夾砂性土，洪積物巖性主要為含泥中粗砂，夾有碎石、角礫，偶見大塊石。

地質構造相對簡單，不存在區域性深大斷裂，斷裂小構造及垂直節理較發育。不良地質現象主要為泥石流與崩塌。

3 泥石流溝判識

泥石流的發生跟多種因素有關，如沖溝及松散堆積物、地形條件、降雨條件、匯水面積、植被覆蓋率以及人類活動影響等，這些因素中的幾種作用相互影響，才可能發生泥石流，其中起關鍵作用的是物源條件、地形條件與降雨條件[3-5]。

大寺溝流域植被稀疏，巖土多裸露，地質環境條件脆弱，各支溝溝床及兩岸分布的洪積物與崩坡積物，為泥石流的形成提供了豐富的物源。地形條件是影響泥石流形成和運動的重要因素，主要通過溝床比降和溝坡坡度體現。一般來說，泥石流物源區的溝床坡度在15°～40°范圍內時，溝床坡度越大越有利于泥石流的形成，大寺溝流域的地形特征有利于泥石流的發生。降雨是泥石流的激發因素，泥石流的暴發不僅決定于降雨量，更重要的是降雨強度。據有關統計資料，日降水量>50 mm且具有充足松散堆積物的溝谷就有可能暴發泥石流。據記載，大寺溝流域在2018年7月22日3 h內降雨量達108 mm，超過發生泥石流的降雨強度，因降雨致泥石流發生的概率增大。流域匯水面積大，攜帶松散物質的能力強，發生泥石流的概率與規模也會增大。

綜上所述，大寺溝具備發生泥石流的主要條件，并有多次發生泥石流的記錄，稱其為泥石流溝是合適的。

4 泥石流基本特征

4.1 泥石流形成區、流通區與堆積區

標準型泥石流可劃分出形成區、流通區與堆積區[6]，大寺溝泥石流也具備這些特征。流域內各支溝中上游至分水嶺地段，山體較破碎，受水流沖刷、侵蝕嚴重，暴雨帶走松散物質形成坡面泥石流，成為泥石流固體物質的最初來源（見圖2）。各支溝中下游溝谷比降較大，寬窄不一，溝床兩側時有崩坡積物與洪積物堆積，泥石流側蝕作用強，成為泥石流固體物質的重要來源之一（見圖3）。

直溝、上寺溝交匯處至水滴嶺區段，溝床分布較厚的洪積角礫及砂性土，結構較密實，洪水對溝床的鏟刮強度較弱。因該段溝床比降較小，部分粒徑較大的塊石在該段停滯形成堆積現象，溝床兩側零散分布的崩積物與洪積物易被洪水帶走。總體而言，泥石流物源主要為坡面侵蝕和溝道堆積類物源，形成區、流通區有重疊，但形成區主要位于上寺溝和直溝中上游區域。

堆積區主要位于水滴嶺以下溝段，該段呈長條狀，面積約5.2萬m2，初步估算堆積量約100萬～120萬m3。因溝床平緩（見圖4），流速低，大顆粒最先沉積，越往溝口，顆粒相對越細，但總體上各地段顆粒差異較小，不同時期泥石流組成物質也無較大變化，這可從清淤溝槽斷面得到佐證。究其原因，在于物源區主要以砂性土夾碎石、角礫為主，加之流通區溝床坡降較小，大顆粒多在流通區沉積，使得堆積區沒有大的粗粒物質。據顆分試驗成果，堆積物粒徑小于0.075 mm的粉粒及粘粒含量平均為1.8%;粒徑0.075～2 mm的砂粒含量平均為44.2%，其中粗砂含量平均為22%，中砂含量平均為8%，細砂含量平均為14%;粒徑2～20 mm的角礫含量平均為36%;粒徑20～60 mm的碎石含量平均為18%?？梢钥闯?，堆積物主要以砂性土與角礫為主，其次是碎石，細粒土含量少。

4.2 泥石流堵塞程度

泥石流堵塞程度可參照表1判定，大寺溝溝槽一般順直，局部存在陡坎及卡口，形成區在流域中上游均有分布，且與流通區有重疊，流體物質一般較稀，綜合判斷堵塞程度為中等。

4.3 泥石流一次最大沖出量

大寺溝流域缺乏一定比例尺地形圖，無法確定松散固體物質分布情況及儲量，難以準確估算泥石流一次最大沖出量。據有關資料，2018年7月22日爆發的泥石流，為有記載以來最大的一次，其固體物質在炳靈寺石窟一帶堆積量約16.5萬m3，部分固體物質已進入劉家峽水庫，可以認為，大寺溝泥石流一次最大沖出量不低于16.5萬m3。

4.4 泥石流發育程度

泥石流的發育程度可參照表2確定。根據炳靈寺石窟位置及流域地質條件，大寺溝泥石流發育程度為中等。

4.5 泥石流易發程度

泥石流易發程度可采用數量化評分法進行評價[7]，結果見表3。首先對影響泥石流發育的因子逐項打分，然后根據綜合評分結果劃分易發性，大寺溝泥石流易發程度數量化得分為92分，屬中等易發（見表4）。

4.6 泥石流類型劃分

按不同的分類方法，泥石流可劃分為不同類型。根據集水區地貌特征，大寺溝泥石流為溝谷型;按流體性質分類，大寺溝泥石流為稀性泥石流;據調查走訪及石窟管理部門記載，大寺溝泥石流基本每5 a爆發一次，按泥石流的暴發頻率，大寺溝為高頻率泥石流溝谷（Ⅰ類），破壞程度等級為嚴重。

5 防治對策

大寺溝泥石流主要影響炳靈寺石窟，該遺產價值不可估量，一旦發生泥石流，造成的損失大，危害程度大，危險性大[8-10]，進行適當治理是必要的。根據大寺溝地質條件并結合泥石流特征，可考慮的治理措施包括“植被恢復、穩坡護坡、主溝攔擋、主溝導排”等[11]，各措施主要特點如下：

（1）植被恢復措施。主要從源頭上減少泥石流物源。大寺溝流域內土層薄，植樹造林難度大，成活率較低，見效慢，難以及時有效解決炳靈寺石窟當前面臨的泥石流危害。

（2）穩坡護坡措施。適用于滑坡、不穩定堆積體等物源的防護，大寺溝泥石流物源主要為坡面侵蝕和溝道堆積類物源，穩坡護坡的防護效果有限，且流域范圍廣，地形復雜，全面進行穩坡護坡的難度很大。

（3）主溝攔擋。主要用于控制泥石流的流量和動能，降低泥石流的破壞性，攔擋壩一般要求有較大庫容且具備清淤條件。大寺溝主溝坡降小，主溝附近分布有大量文物景點，攔擋壩高度受限，備淤庫容難以容納多次較大規模的泥石流堆積，須及時清淤才能繼續發揮作用。另外，將泥石流固體物質攔擋在主溝內，某種程度上匯集了物源，加大了下一次泥石流的規模及災害風險。因此，主溝攔擋措施也不適用于大寺溝泥石流的治理。

（4）主溝導排。炳靈寺石窟位于泥石流堆積區，是泥石流治理的主要保護對象。通過修建穿越或避繞窟前堆積區的導排設施，將泥石流直接從流通區有序排入黃河，能有效解除泥石流對炳靈寺石窟的危害，是見效迅速且長期有效的根治措施，同時也是當前治理大寺溝泥石流的最佳選擇。

根據炳靈寺石窟面臨的泥石流災害特點及治理形勢，選擇主溝導排措施，并擬定排導洞方案。排導洞布置在大寺溝左岸山體內，進口位于水滴嶺上游約200 m 的溝道左岸，出口位于大寺溝溝口下游約400 m 的黃河左岸小支溝內，利用隧洞將泥石流改道直接排入黃河。排導洞布置見圖5。

6 結論與建議

（1）大寺溝流域具備形成泥石流的地形、物源及降雨等主要條件，洪流組成物質符合泥石流的一般特征，表明大寺溝為泥石流溝。

（2）大寺溝泥石流屬于暴雨引發的溝谷型稀性泥石流，為中等易發，主要威脅炳靈寺石窟，危害程度大，危險性大，進行適當治理十分必要。經綜合比較，采用排導洞方案，將泥石流直接排入黃河，避開泥石流堆積區，有效解除對炳靈寺石窟的危害。

（3）大寺溝流域地質條件復雜，歷次地質工作僅限于調查走訪，流域內松散堆積物分布及儲量無法確定，泥石流一次最大沖出量無法準確獲取。建議開展全流域地質勘察工作，為泥石流治理設計提供地質依據。

參考文獻：

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（編輯：唐湘茜）