烏鞘嶺地區(qū)高速公路沿線地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育特征及防治措施

毛正君，楊曉華，王曉鐘

（1.長(zhǎng)安大學(xué) 公路學(xué)院，西安710064；2.甘肅路橋公路投資有限公司，蘭州730030）

由于跨越多種地貌單元及地質(zhì)環(huán)境，帶狀的公路工程與地質(zhì)環(huán)境相互聯(lián)系并相互影響。公路工程建設(shè)既受到各種地質(zhì)災(zāi)害及潛在災(zāi)害因素的威脅和影響，又反過(guò)來(lái)對(duì)沿線地質(zhì)環(huán)境造成強(qiáng)烈擾動(dòng)，引發(fā)新的地質(zhì)災(zāi)害。隨著《地質(zhì)災(zāi)害防治條例》、《全國(guó)地質(zhì)災(zāi)害防治規(guī)劃》及《全國(guó)突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急預(yù)案》的實(shí)施，地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警成效明顯，成功避讓地質(zhì)災(zāi)害500起，安全轉(zhuǎn)移11 376人，避免財(cái)產(chǎn)損失3.41億元[1]。由于地質(zhì)災(zāi)害形成的復(fù)雜性和不確定性，地質(zhì)災(zāi)害仍然造成人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失，2009年全國(guó)共發(fā)生各類地質(zhì)災(zāi)害10 446起，造成人員傷亡809人，造成直接經(jīng)濟(jì)損失約17.7億元[2]。公路地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生將對(duì)公路基礎(chǔ)工程設(shè)施的建設(shè)和運(yùn)營(yíng)產(chǎn)生嚴(yán)重的危害，不僅制約了公路交通持續(xù)穩(wěn)定的發(fā)展，也成為區(qū)內(nèi)國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)和發(fā)展的重要制約因素[3]。

烏鞘嶺地區(qū)位于黃土高原、內(nèi)蒙古高原和青藏高原的交匯地帶，地形與地貌類型復(fù)雜，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，巖性巖相變化大，地質(zhì)環(huán)境條件復(fù)雜，生態(tài)環(huán)境脆弱。烏鞘嶺地區(qū)高速公路是國(guó)道主干線系統(tǒng)中“五縱七橫”的重要組成路段，是內(nèi)陸與沿海重要的陸路交通要道；同時(shí)也是甘肅省公路網(wǎng)干線系統(tǒng)中“四縱四橫”的主要組成路段，是河西走廊地區(qū)與蘭州地區(qū)經(jīng)濟(jì)交流與合作的主要紐帶。查明烏鞘嶺地區(qū)高速公路沿線地質(zhì)災(zāi)害隱患，分析地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育特征、時(shí)空分布規(guī)律及形成條件，將為烏鞘嶺地區(qū)高速公路建設(shè)和運(yùn)營(yíng)階段地質(zhì)災(zāi)害防災(zāi)減災(zāi)提供基礎(chǔ)依據(jù)。

1 地質(zhì)環(huán)境概況

烏鞘嶺地區(qū)高速公路起點(diǎn)位于蘭州市永登縣徐家磨村，接樹（屏）徐（家磨）段高速公路的終點(diǎn)，沿途經(jīng)永登、天祝和古浪三縣，終止于古（浪）永（昌）段高速公路的起點(diǎn)?？傮w走向由南東向北西展布，建設(shè)段公路全長(zhǎng)149.47km。烏鞘嶺地區(qū)具有大陸性氣候和青藏高原氣候的綜合特點(diǎn)，處于半干旱區(qū)向干旱區(qū)過(guò)渡地帶，烏鞘嶺南北氣候各異，區(qū)內(nèi)降雨空間分布不均，降雨少、蒸發(fā)量大、氣溫低、日照短、晝夜溫差明顯，夏季炎熱而冬季寒冷，同一年內(nèi)降水分布極不均勻，分為明顯的雨季和旱季；區(qū)內(nèi)河流為黃河一級(jí)支流莊浪河和內(nèi)陸河流域的石羊河一級(jí)支流古浪河，屬常年性河流；區(qū)內(nèi)各地土壤不盡相同，山地多以草甸草原土為主，其次為大黑土、黑麻土，植被比較發(fā)育，且具有明顯的垂直分帶規(guī)律；該區(qū)地處黃土高原和祁連山地的交匯地帶，地勢(shì)西北高，東南低，海拔1 800～3 900m，具有山川相間，丘壑交錯(cuò)的特點(diǎn)；區(qū)內(nèi)出露的地層主要有奧陶系、志留系、泥盆系、石炭系、三迭系、侏羅系、白堊系、上第三系和第四系；該區(qū)屬祁連多字型構(gòu)造體系——隴西帚狀構(gòu)造體系，祁連多字型構(gòu)造體系展布在祁呂弧形褶帶西翼之中，由一系列斜列相間的褶帶構(gòu)成，隴西帚狀構(gòu)造體系由三條主要弧形旋扭褶帶組成；該區(qū)域在上升的大趨勢(shì)下以不均衡的升降運(yùn)動(dòng)為特征，又地處祁連山—河西走廊地震帶，新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)非常強(qiáng)烈[4]。

2 地質(zhì)災(zāi)害特征

烏鞘嶺地區(qū)高速公路沿線地質(zhì)災(zāi)害類型主要為泥石流和不穩(wěn)定斜坡兩類地質(zhì)災(zāi)害，其中泥石流災(zāi)害具有分布廣泛、發(fā)生頻率高等特點(diǎn)；不穩(wěn)定斜坡局部或零星分布，且現(xiàn)狀危害輕。

2.1 泥石流

烏鞘嶺地區(qū)高速公路沿線發(fā)育泥石流溝124條。該地區(qū)高速公路沿線泥石流均由暴雨因素激發(fā)形成，集中發(fā)生于每年降雨強(qiáng)度高的月份；從地貌部位來(lái)看，均屬山區(qū)泥石流，峽谷地形，坡陡勢(shì)猛，破壞性大；從流域形態(tài)來(lái)看，溝谷型泥石流97條，流域呈扇形或狹長(zhǎng)條形，溝長(zhǎng)坡緩，規(guī)模大，山坡型泥石流27條，流域呈斗狀，無(wú)明顯流通區(qū)，形成區(qū)與堆積區(qū)直接相連，溝短；從物質(zhì)組成來(lái)看，均為泥石流，由土、砂、石混雜組成，顆粒差異較大；從固體物質(zhì)提供方式來(lái)看，為坡面侵蝕泥石流，固體物質(zhì)主要由坡面或沖溝侵蝕提供；從流體性質(zhì)來(lái)看，稀性泥石流約占80%，紊流，散流，濃度小，破壞力較弱，堆積物分選性強(qiáng)，粘性泥石流約占20%，層流，有陣流，濃度大，破壞力強(qiáng)，堆積物分選性差；從堆積物體積來(lái)看，大型泥石流溝3條，中型泥石流溝33條，小型泥石流溝88條[5－6]。烏鞘嶺地區(qū)高速公路沿線泥石流災(zāi)害典型照片見(jiàn)圖1。烏鞘嶺地區(qū)高速公路沿線屯溝泥石流災(zāi)害示意圖見(jiàn)圖2。

圖1 泥石流災(zāi)害典型照片

圖2 屯溝泥石流災(zāi)害示意圖[5]

2.2 不穩(wěn)定斜坡

烏鞘嶺地區(qū)高速公路沿線不穩(wěn)定斜坡共發(fā)育20處，現(xiàn)狀危害輕，可分為土質(zhì)斜坡和巖質(zhì)斜坡。土質(zhì)斜坡物質(zhì)組成有單一碎石土斜坡、單一黃土斜坡和黃土碎石土接觸型斜坡；巖質(zhì)斜坡僅一處。該區(qū)高速公路沿線不穩(wěn)定斜坡具有以下特征：坡度大都40°，坡高多在60m以上，坡寬大都400m，現(xiàn)今皆無(wú)變形跡象，除局部坍塌。降雨和地震是導(dǎo)致斜坡失穩(wěn)轉(zhuǎn)變?yōu)楸浪蚧碌闹饕T發(fā)因素。烏鞘嶺地區(qū)高速公路沿線不穩(wěn)定斜坡典型照片見(jiàn)圖3。烏鞘嶺地區(qū)高速公路沿線柏林溝口不穩(wěn)定斜坡剖面見(jiàn)圖4。

圖3 不穩(wěn)定斜坡典型照片

圖4 柏林溝口不穩(wěn)定斜坡剖面圖[5]

3 地質(zhì)災(zāi)害時(shí)空分布規(guī)律

3.1 空間分布規(guī)律

泥石流主要沿莊浪河兩岸呈帶狀分布，莊浪河左岸徐家磨—滿城段、永登縣城—陳家溝段分布密度最大，占泥石流總數(shù)的80%以上；其次在萱麻河右岸分布密度較大，其它路段零星分布。由于泥石流規(guī)模大多為小型，加之溝口人為活動(dòng)強(qiáng)烈，所以沖洪積扇發(fā)育不完整。不穩(wěn)定斜坡大多分布在莊浪河溝谷高階地前緣、溝谷邊緣及丘陵高陡斜坡地帶，以主支溝交匯處較為常見(jiàn)，且成群出現(xiàn)；其次，烏鞘嶺隧道群出入口及引線地段，也零星分布不穩(wěn)定斜坡。人工開挖形成的不穩(wěn)定斜坡主要分布于已建徐家磨至滿城段路塹邊坡。

3.2 時(shí)間分布規(guī)律

降水多的年份或年內(nèi)雨量集中的年份為泥石流及滑坡崩塌的多發(fā)年份。烏鞘嶺地區(qū)高速公路沿線泥石流以暴雨型為主，暴雨多集中于7—9月，而泥石流的暴發(fā)多集中于此期間，約占全部泥石流暴發(fā)頻率的90%以上。區(qū)內(nèi)泥石流的暴發(fā)頻率較高，部分泥石流每年可暴發(fā)數(shù)次。

4 地質(zhì)災(zāi)害形成條件

4.1 地形地貌

斜坡地形是滑坡、崩塌災(zāi)害產(chǎn)生的先決條件[7－8]。烏鞘嶺地區(qū)高速公路沿線構(gòu)造基巖山地、丘陵區(qū)，構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈，溝谷深切、地形陡峻、沖溝發(fā)育。流域形態(tài)以“柳葉形”、“桃葉形”和“瓢形”較多，利于雨水匯集和固體物質(zhì)的起動(dòng)。溝谷山坡坡度一般為20°～50°，溝床縱坡比降較大，大于100‰的占53.2%，小于100‰的占46.8%。烏鞘嶺地區(qū)溝谷流域面積多為2～10km2，以小流域?yàn)橹?，因此特殊的地形條件有利于泥石流的形成。

徐家磨至滿城段的莊浪河左岸高階地和部分丘陵梁峁邊緣地帶邊坡較陡，坡度多在35°以上，且下部因修建公路、鐵路開挖坡腳形成人工邊坡，坡度為50°～80°，高10～30m，為不穩(wěn)定斜坡失穩(wěn)創(chuàng)造了有利的臨空條件。

4.2 地層結(jié)構(gòu)

烏鞘嶺地區(qū)高速公路沿線氣候干旱，季節(jié)和晝夜溫差大，巖石風(fēng)化強(qiáng)烈，巖體力學(xué)強(qiáng)度低?；鶐r風(fēng)化堆積物、黃土崩塌堆積物、冰雪凍融和風(fēng)化剝蝕形成的松散堆積物為泥石流的形成提供了主要的固體松散物質(zhì)。除此之外，溝谷沖洪積物以及人類活動(dòng)的棄土棄渣也起到了一定的作用。

根據(jù)野外實(shí)地調(diào)查，沿線黃土垂直節(jié)理發(fā)育，具強(qiáng)濕陷性，遇水易崩解形成落水洞、地裂縫等，有利于雨水、洪水滲漏和谷底邊角沖蝕，使土體結(jié)構(gòu)遭受破壞。白堊系和第三系地層為泥巖夾砂巖，巖體泥質(zhì)含量高，具較強(qiáng)的隔水性，干燥時(shí)強(qiáng)度較高，遇水軟化后強(qiáng)度迅速下降，形成軟弱面或軟弱帶，不利于巖土體穩(wěn)定。黃土是區(qū)內(nèi)最主要的易滑、易崩地層[9－10]。

4.3 降 雨

降雨是烏鞘嶺地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育的主要誘發(fā)因素之一。多雨年份地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生頻次明顯高于正常年份，年內(nèi)的地質(zhì)災(zāi)害集中發(fā)生于夏秋7—9月的多雨季節(jié)。泥石流的形成與降雨密切相關(guān)，降雨是形成泥石流的主要條件。烏鞘嶺地區(qū)年均降水量為介于200～500m[11]，處于甘肅省黃河以西區(qū)域，其可能發(fā)生泥石流的24h限界雨量H24（D）、最大1小時(shí)限界雨量 H1（D）和10min限界雨量 H1／6（D）依次為25mm、15 mm和5mm[12]。根據(jù)烏鞘嶺地區(qū)高速公路沿線氣象資料統(tǒng)計(jì)，永登縣境內(nèi)24h降水量最大值為70.0 mm，1h降水量最大值為46.7mm；天祝縣境內(nèi)24h降水量最大值為77.0mm，1h降水量最大值為65.0 mm；古浪縣境內(nèi)24h降水量最大值為40.0mm，1h降水量最大值為23.3mm[5]。烏鞘嶺地區(qū)降雨條件均達(dá)到和超過(guò)泥石流形成的臨界值，具備泥石流形成的條件。

4.4 人類工程活動(dòng)

在地質(zhì)災(zāi)害的控制與影響因素中，地質(zhì)環(huán)境條件變化緩慢，降雨和人類工程活動(dòng)則是最活躍的因素[13]。烏鞘嶺地區(qū)人類工程活動(dòng)主要表現(xiàn)為開挖邊坡、筑路、開挖宅基等活動(dòng)。這些人類工程活動(dòng)改變了地質(zhì)環(huán)境狀態(tài)和斜坡的應(yīng)力條件，形成了大量的松散堆積物，引發(fā)了一系列的泥石流、崩塌和滑坡等地質(zhì)災(zāi)害。

4.5 地 震

本區(qū)處于我國(guó)南北地震帶，歷史上地震頻發(fā)且強(qiáng)烈，地震慣性力及地震過(guò)程中坡腳應(yīng)力瞬時(shí)增加，導(dǎo)致處在不穩(wěn)定狀態(tài)下的斜坡失穩(wěn)而形成崩塌，是誘發(fā)山體陡坡失穩(wěn)的重要因素之一，本區(qū)處于地震烈度Ⅶ—Ⅸ度區(qū)。地震一方面使斜坡巖土體結(jié)構(gòu)破壞。另一方面，地震營(yíng)力作用可直接使邊坡失穩(wěn)發(fā)生崩塌。

5 地質(zhì)災(zāi)害防治措施

5.1 泥石流

（1）合理選線。通過(guò)在烏鞘嶺地區(qū)高速公路建設(shè)初期的可行性研究階段及后期設(shè)計(jì)階段的合理選線，最終所采用的方案，規(guī)避了大型泥石流溝。

（2）監(jiān)測(cè)預(yù)警。在烏鞘嶺地區(qū)高速公路施工及運(yùn)營(yíng)中，開展氣象地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警工作，建立烏鞘嶺地區(qū)高速公路沿線降雨量與地質(zhì)災(zāi)害歷史資料數(shù)據(jù)庫(kù)，不斷提高烏鞘嶺地區(qū)高速公路沿線氣象地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警預(yù)報(bào)的水平。

（3）跨越疏導(dǎo)工程。修建橋涵，從泥石流溝上方跨越通過(guò)，并在溝谷水流沖刷區(qū)，沿溝谷修建導(dǎo)流渠，將泥石流引往遠(yuǎn)離烏鞘嶺地區(qū)高速公路的區(qū)域。導(dǎo)流渠的設(shè)計(jì)必須考慮泥石流的最大流量，防止泥石流漫過(guò)導(dǎo)流渠的情況發(fā)生。

（4）生態(tài)恢復(fù)治理。依據(jù)恢復(fù)生態(tài)學(xué)原理，對(duì)烏鞘嶺地區(qū)高速公路沿線泥石流溝進(jìn)行生態(tài)恢復(fù)治理，因地制宜地提高植被覆蓋率，截滯、攔蓄大氣降水，減少地表徑流，保持水土。

5.2 不穩(wěn)定斜坡

（1）優(yōu)化坡面形態(tài)。烏鞘嶺地區(qū)高速公路路堤邊坡與路塹邊坡采用了較緩的坡率，比例為1∶1.5，對(duì)于高邊坡，采取臺(tái)階型邊坡，由上而下逐步放緩。

（2）排水措施。烏鞘嶺地區(qū)高速公路沿線路基、路塹邊坡及隧道洞口邊仰坡均設(shè)置了排水溝、截水溝等排水措施。

（3）工程治理結(jié)合植物防護(hù)。對(duì)于路堤邊坡和路塹邊坡，采用拱形骨架結(jié)合植物防護(hù)或全斷面植物防護(hù)；對(duì)于隧道洞口邊仰坡，臨時(shí)防護(hù)采用錨網(wǎng)噴，自上而下，隨開挖分層及時(shí)施作，永久防護(hù)采用骨架護(hù)坡結(jié)合植物防護(hù)。

[1]中華人民共和國(guó)國(guó)土資源部.2005年中國(guó)國(guó)土資源公報(bào)[J].國(guó)土資源通訊，2006（8）：26－30.

[2]中華人民共和國(guó)國(guó)土資源部.2009年中國(guó)國(guó)土資源公報(bào)[J].國(guó)土資源通訊，2010（7）：4－13.

[3]陳開圣，肖濤，彭小平.貴州省公路地質(zhì)災(zāi)害基本特征及防治對(duì)策研究[J].公路，2007（11）：135－139.

[4]甘肅省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司.連云港至霍爾果斯國(guó)道主干線永登（徐家磨）至古浪公路工程可行性研究報(bào)告[R].蘭州：甘肅省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司，2004.

[5]甘肅省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)院.連云港—霍爾果斯國(guó)道主干線永登（徐家磨）至古浪公路地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)估報(bào)告[R].蘭州：甘肅省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)院，2005.

[6]中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局.滑坡崩塌泥石流災(zāi)害詳細(xì)調(diào)查規(guī)范（DD2008－02）[S].2008：9－11.

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