大夏河高阶地前缘典型泥石流灾害风险评估及治理方案研究

大夏河高阶地前缘典型泥石流灾害风险评估及治理方案研究

临夏市位于甘肃省中部，是临夏回族自治省政治、经济、文化中心。大夏河呈西南--东北向沿市区中部穿城而过。受大夏河高阶地地形和岩土体条件控制,高阶地前缘不稳定斜坡、泥石流、滑坡等地质灾害高发,特别泥石流灾害具有分布区域广、密度大、爆发频率较高、突发性较强、危害严重的特点。经调查,临夏市现有灾害性泥石流沟平均发育密度0.15条/km1泥石流灾害的发展1.1降水量年际变化崔家沟地处暖温带半湿润气候区,多年平均气温6.8℃,相对湿度66%,最大冻土深度86cm。本区降水量年际变化显著,年最大降水量763.9mm,最小降水量325mm。年内分配不均,多集中于6~8月,占全年降水量的59%。临夏一带为我省暴雨中心之一,降水强度大,日最大降雨量82.1mm,小时最大降雨量48.6mm,10min最大降雨量19.8mm,是引发地质灾害的主要原因之一。1.2地质环境条件1.2.1土地形态崔家沟呈条带状展布,包括大夏河Ⅳ级及以下阶地和部分沟谷Ⅳ级以下的沟台地。1.2.2第四系q崔家沟出露的地层相对简单,主要为新近系(N)和第四系(Q)。新近系临夏组(N第四系上更新统风积物(Q第四系上更新统冲洪积物(Q第四系全新统残坡积物(Q第四系全新统洪积物(Q1.2.3红层盆地与黄土丘陵地区(1)地质构造。本区处于祁吕贺山字型构造和陇西旋卷构造体系的复合部位,属祁吕贺山字型构造体系前缘西翼东南端临夏-临洮凹断陷的一部分,是夹于马衔山—太子山之间的广大红层盆地与黄土丘陵地区,盆地内主要为新近系上新统临夏组与第四系黄土。(2)新构造运动及地震。第四纪以来,本区主要表现为不均匀升降运动。大面积的不均匀升降表现在大夏河北部II级阶地为基座阶地。而大夏河南岸的II级阶地则为内叠阶地。根据“中国地震动参数区划图”和“中国地震反映谱特征周期区划图”(GB18306-2001)资料,评估区抗震设防烈度为Ⅶ度,设计地震动峰值加速度为0.15g,设计地震反应谱特征周期为0.35s。1.2.4工程地质基础持力层依据《岩土工程勘察规范》(GB50021-2001)(2009年版),本区岩土体主要分为新近系软弱岩体和第四系上更新统与全新统。(1)岩体工程地质性质。区内软弱层状岩体,由新近系临夏组岩体组成。岩性以红色泥岩为主,泥质结构,块状构造,成岩作用差,遇水易软化,据区内相关工程详勘资料,该岩体软化系数在0.45~0.50之间,抗压强度11MPa,属软弱岩组,为不良工程地质岩组。其力学性质较好,承载力特征值fak=400kPa,承载力较高,压缩性低,可作为防治工程基础的主要持力层。(2)土体工程地质性质。根据土体成因类型及结构分为以下几种:黄土及粉土、砂砾卵石双层土体(Q黄土为马兰黄土。土体孔隙率高,通常多在39%~55.6%,平均达48%,粉土颗粒含量可达63%。湿陷系数为0.023~0.117,属强至轻弱级,近地表湿陷性强,向下渐弱。内聚力(c)在20~24Kpa,随含水率而变化,内摩擦角23°~26°。其力学性质一般,承载力特征值为fak=120kPa;该层工程性质较差,不宜作为拟建(构)筑物的基础持力层。粉土,浅黄褐色,稍湿、稍密,干强度低,局部夹薄层粉土及中、细砂层,局部含砾石,植物根系较发育,具层理,厚度一般10~20m。其力学性质一般,承载力特征值fak=140kPa,工程性质较差,不宜作为拟建(构)筑物的基础持力层。砾卵石,灰~青色,中密,分选性、磨圆度好,以次圆状为主,粒径2~20mm占20%~25%,20~80mm占45%~65%,其余为粒径150~300mm。层厚8~15m。其力学性质较好,承载力特征值fak=350kPa,该层承载力高,压缩性低,可作为建(构)筑物的天然基础持力层。洪积碎石土,主要分布于崔家沟沟底,层厚1~2m,局部缓坡处达3~4m,成分不均一,岩性以粉土、泥岩及圆砾、卵石为主,结构疏松,密实度较差、变形较大,工程性质较差,不宜直接作为基础持力层。2泥石流灾害的发育特征2.1泥石流沟分布特征崔家沟位于城区环城北路红园街道办事处北山小学北部,为沟谷型泥石流沟。流域面积约0.14km2.2泥石流河谷形态根据《勘查规范》,临夏市崔家沟泥石流形成的水源主要为暴雨,泥石流沟谷形态呈“V”字型。泥石流沟槽较陡,沟道固、液两相有股流和散流现象,冲淤变化较大,沟岸无泥浆残留,说明沉积物以粗粒物质为主,因此,该泥石流为暴雨、沟谷型、稀性泥石流。2.3泥石流补给、降水条件1)地形地貌条件。大夏河Ⅱ级阶地后缘至Ⅲ级阶地斜坡地带,沟坡较陡峻,流域内相对高差96m,主沟长0.7km左右,沟床纵坡降130‰,沟岸平均坡度65°左右,有利于降水在较短时间内汇集,使主沟道泥石流的规模和峰值快速升级,从而形成一定规模的泥石流冲出沟外,在沟口处的开阔河谷地带形成泥石流堆积扇,成为泥石流的渲泻场地,而沟口处密集的民房和人口,使该泥石流沟具备了成灾条件。2)松散固体物质补给条件。由于沟脑在建简易土石路,人工削坡破坏原有地貌,形成松散堆积物;沟岸两侧的不稳定斜坡常发生崩塌、滑溜,崩积物堆积在沟道内,增加松散固体物质。泥石流补给途径为面蚀、沟岸崩滑物和沟底再搬运,补给区位置以中上游为主。3)降水条件。流域内年降水量较丰富,多年平均544.5mm,多集中在6-9月份,占年降雨量的59%,且多以暴雨形式出现,日最大降雨量82.1mm,小时最大降雨量48.6mm,10min最大降雨量为19.8mm。据《甘肃泥石流》,临夏市形成泥石流的临界雨强为25mm/h,成灾雨强为40mm/h。临夏市的降水极易诱发泥石流的暴发。2.4泥石流流量和一次最大挤出量1)泥石流流体重度。根据泥石流易发程度数量化评分(N)与重度、(1+φ)关系对照表查找,崔家沟泥石流容重为1.579t/m2)泥石流流量。泥石流流量采用配方法计算:百年一遇清水流量按水利部门经验公式计算:泥石流百年一遇流量为6.98m3)泥石流一次最大冲出量。一次最大冲出量计算采取经验公式:WH=0.278·Qc·T泥石流一次性最大冲出量为0.34×10m4)泥石流流速。稀性泥石流流速计算可采用铁一院(西北地区)经验公式:计算结果为7.22m/s。2.5泥石流的危害特征2.5.1泥石流造成的损失崔家沟是一条低易发稀性泥石流沟,历史上曾发生过多次泥石流,但因流域面积小,泥石流造成的经济损失小。据调查访问,2010年8月,砂子洞沟、17巷沟泥石流发生泥石流,造成经济损失21万元。2.5.2泥石流危害及评价1)崔家沟泥石流现状危害范围。崔家沟泥石流沟口堆积扇形态明显,扇顶高程1918m,前缘高程1906m。目前,该沟泥石流主要危害的对象是为沟道左岸顶部潮音寺及沟口居民区。2)泥石流的危害方式。崔家沟泥石流的危害方式主要为淤埋和漫流。(1)沟口已有拦拦、排导工程浅,泥石流在过流断面相对较小地段排泄不畅,极易翻过排导槽,使得泥石流对排导槽东西两侧的房屋造成撞击、爬高的危害;(2)泥石流对沟道的冲刷和磨蚀危害;(3)泥石流对公路、农田的淹埋危害。3)泥石流危害程度预测及危险性分区。(1)危险区预测。崔家沟泥石流为稀性泥石流,其扩散角一般为15°左右,其危险性区范围可用覆盖范围法确定。计算公式如下:经计算,崔家沟泥石流危害区的最远距离为100m,泥石流扩散最大宽度约为130m,泥石流最大淹没范围约为13000m(2)危险性分区评价。根据临夏市崔家沟泥石流的发育特征、形成规模、堆积区地形特征及居民点的分布情况,结合历次灾害性泥石流冲淤范围等,并通过对历史泥石流的调查访问和收集资料,可将泥石流危害区分为危害区与一般危害区(或称波及区)。一般危害区(或波及区):主要指临夏崔家沟泥石流沟的形成区和流通区,该区域人员及建筑物稀少,威胁对象主要为随机出现于该处的人员,可能造成的危害程度较轻,该区约占整个危害区面积的87.8%。危害区:主要指临夏崔家沟泥石流沟的堆积区,该区域建筑及人员密集分布,威胁对象主要为沟口处的居民房屋、北山小学以及环北路过往的行人和车辆等,可能造成的危害程度严重,该区约占整个危害区面积的12.2%。3泥石流灾害的风险评估3.1脆弱性评价依据《泥石流易发程度数量化表》,对崔家沟泥石流易发程度进行数量化评分,得分为84分,确定崔家沟泥石流易发程度为低易发。3.2风险评估3.2.1评估单元的分类本次评价过程中,泥石流堆积区、形成区和沟道中部的不稳定斜坡分别作为一个评价单元,共3个评价单元。3.2.2评估因子的选择评价因子包括生命易损性指标、经济易损性指标两个因子。3.2.3社会经济易损性的数字化(1)评价单元内评价指标值统计。依据临夏市地质灾害评估价格标准,对各评价单元内的承灾体的财产价值指标进行统计;人口的统计以评价单元内的户数为主(见表1)。(2)易损性值归一化指数计算。分区单元的易损性值归一化指数用下列公式计算:(3)易损程度Y损的取值。将两种因素易损性进行叠加,对所属单元进行社会经济易损性信息的提取和数字化。数字化后所得的结果见表2。(4)易损性评价结果分析及区划。根据各单元地质灾害易损性分区计算结果,崔家沟泥石流灾害高易损区集中在泥石流覆盖区和不稳定斜坡分布区,面积0.047km3.3风险性评估结果分析1)评价单元和评价因子。同危险性评价一致。2)风险性评价分级标准。本次将调查区地质灾害风险性划分为四个级别:H级—地质灾害高风险区、M级—地质灾害中风险区、L级—地质灾害低风险区、VL级—地质灾害极低风险区。3)风险性评价结果分析及区划。根据各单元地质灾害风险性分区计算结果,崔家沟泥石流灾害中风险区集中在泥石流覆盖区和不稳定斜坡分布区,面积0.047km4泥石流防治方案讨论根据崔家沟的地形条件、固体松散物质分布、地质灾害发育特征、引发因素、成灾方式和危害特点等,可采取如下防治方案:(1)排导方案:在泥石流沟口堆积扇上修建排洪堤,将泥石流有效地排导至北干渠内,以保护沟口段居住的居民、学校的安全。(2)拦挡方案:在泥石流沟道的中下游段修建1—2座拦挡坝,拦截沟道内的松散的固体物质,减轻沟口排导工程的排导压力。5泥石流活动强度大,