都江堰市八一溝泥石流形成條件與動力學特征分析

張自光，張志明，張順斌

(1.成都市地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測站，四川成都 610072;2.重慶市高新巖土工程勘察設(shè)計院，重慶 400042)

都江堰市八一溝泥石流形成條件與動力學特征分析

張自光1，張志明1，張順斌2

(1.成都市地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測站，四川成都 610072;2.重慶市高新巖土工程勘察設(shè)計院，重慶 400042)

八一溝泥石流位于汶川“5.12”大地震極重災(zāi)區(qū)四川省都江堰市，是一條典型的溝谷型泥石流。本文在分析八一溝泥石流溝流域和泥石流基本特征的基礎(chǔ)上，首先對形成泥石流的地形、水源、物源三個基本條件進行了深入論述，接著詳細計算了泥石流的重質(zhì)、流速、流量、沖出量等動力學參數(shù)，然后分析了泥石流的發(fā)展趨勢，最后根據(jù)泥石流危險性和被保護對象的重要性，并提出了防治建議。

都江堰市;八一溝泥石流;形成條件;動力學參數(shù);防災(zāi)對策

0 前言

汶川“5.12”大地震不僅為泥石流的形成提供豐富固體物質(zhì)來源，而且誘發(fā)了大量崩塌、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害，還降低了泥石流暴發(fā)需要的激發(fā)降雨量，使得地震災(zāi)區(qū)泥石流的活動頻率和規(guī)模都將大大增強［1－4］。

八一溝泥石流位于地震極重災(zāi)區(qū)四川省都江堰市龍池鎮(zhèn)，是一條多期次老泥石流溝，震前曾發(fā)生過3次大規(guī)模泥石流［5］，近50年未發(fā)生過泥石流?！?.12”大地震造成大量松散物質(zhì)堆積于八一溝及其支溝溝谷和兩岸斜坡地帶，并于2008年5月14日、5 月19日和7月17日在降雨影響下連續(xù)暴發(fā)了3次泥石流，體積約114.3×104m3［6］。

現(xiàn)場調(diào)查表明，目前八一溝泥石流整體處在發(fā)展期，地形、物源條件具備，在持續(xù)降雨或短時高強度暴雨誘發(fā)下，泥石流極易再次暴發(fā)。一旦暴發(fā)泥石流，將嚴重威脅云華村113戶460名村民的生命財產(chǎn)安全，并對云華村安置點、都汶公路以及龍池鎮(zhèn)政府辦公場所、紫坪鋪水庫的安全構(gòu)成嚴重威脅(圖1)。因此，深入研究八一溝泥石流基本特征、形成條件及動力學參數(shù)，并提出行之有效的防治對策，對保障人民群眾的生命財產(chǎn)安全和公共基礎(chǔ)設(shè)施，維護社會秩序穩(wěn)定和保護當?shù)亟?jīng)濟持續(xù)發(fā)展，有極強的現(xiàn)實意義。

1 八一溝流域概況及泥石流基本特征

圖1 八一溝泥石流全景Fig.1 Full view of the debris flow in Bayi Gully

八一溝為岷江一級支溝龍溪河右岸次級支溝，流域總體自北向南伸展，匯水面積約8.5km2，上游由大干溝、小干溝、小灣支溝3條支溝組成，中下游為八一溝主溝(圖2)，主溝全長約4.5km。主溝和支溝均發(fā)育于溝谷地區(qū)，除兩側(cè)的山坡提供了豐富的松散固體物質(zhì)外，主溝溝床也富集了大量的固體物質(zhì)。形成區(qū)、流通區(qū)、堆積區(qū)分區(qū)明顯，屬典型的溝谷型泥石流。

1.1 泥石流形成區(qū)

大小干溝交匯點和小灣左、右支溝交匯點以上為泥石流形成區(qū)，平面形態(tài)呈樹葉狀，主溝兩岸沖溝呈樹枝發(fā)育，形如葉脈，一般溝長0.5～1.5km。形成區(qū)高程1070～1530m，平均縱坡降220‰，谷底一般寬20～40m，大小干溝交匯點最寬80～100m。大、小干溝最長約2.3km，溝谷切割淺，縱坡降大，迭水坎多，橫斷面呈V型，斜坡坡度一般為45°～60°，局部超過70°。小灣左、右支溝橫斷面多呈V型，高程970～1360m，溝長1.68km，平均縱坡降232.1‰。

圖2 八一溝流域平面示意圖Fig.2 Topographical map of Bayi Gully basin

1.2 泥石流流通區(qū)

流通區(qū)主要分布于高程970～1070m高程溝段，即大小干溝交匯點至小灣支溝口段，溝谷長0.7km，一般深70～100m，溝谷寬50～80m，縱坡降142.8‰，橫斷面呈U形和V形，兩側(cè)坡度一般為35°～50°。溝底及岸坡分布有松散堆積物(圖3)，兩岸岸坡局部位置有基巖出露，出露地層為震旦系蘇雄組凝灰?guī)r，巖體破碎～較完整，岸坡基本穩(wěn)定，溝內(nèi)常年有水。

1.3 泥石流堆積區(qū)

泥石流堆積區(qū)位于小灣支溝口至龍溪河口，高程870～970m，溝床平均縱坡降69.9‰，地形呈喇叭狀，前緣寬870～890m，后部寬130～420m，縱長1100m，坡度3～6°，堆積扇厚15～25m，平均厚20m，堆積物質(zhì)體積約232×104m3。堆積區(qū)前抵紫坪鋪水庫，部分物質(zhì)直接進入紫坪鋪水庫。

2 泥石流形成條件

2.1 地形條件

圖3 泥石流流通區(qū)Fig.3 Pathway of the debris flow

八一溝泥石流流域?qū)贅?gòu)造侵蝕中切割陡峻低山—中山地貌，主溝發(fā)育于高山峽谷區(qū)，岸坡陡峻，溝谷切割淺，溝道短，縱坡降大，迭水坎多，橫斷面呈V型。溝口高程約832m，最高高程2395m，相對高差1562m。大小干溝交匯處地勢寬闊，較平坦，有利于匯水。形成區(qū)、流通區(qū)、堆積區(qū)溝床比降分別為220‰、142‰、70‰，總體平均比降為180‰(圖4)。堆積區(qū)較寬闊平坦，流通區(qū)相對狹長，形成區(qū)比較長。較大的高差和較大的匯水面積使得地表水快速而大量匯集，并侵蝕地表和帶動松散固體物質(zhì)的運動，從而極易引發(fā)泥石流的產(chǎn)生。

2.2 水源條件

通過對泥石流區(qū)1957～2006年的降雨資料統(tǒng)計分析，該區(qū)降雨主要有以下特點:(1)降雨充沛。多年平均年降雨量1134.8mm，最多年1605.4mm(1978 年)，已達到或超過我國一些半干旱、半濕潤泥石流強烈活動地區(qū)的年降雨量。(2)降雨集中。該區(qū)降雨量的時間上分布嚴重不均，5～9月降雨量占全年降雨總量的80%以上，月降雨平均最多的8月降雨量為289.9mm。(3)降雨雨強大。1957～2008年期間，月最大降水量為592.9mm，日最大降水量為233.8mm，1小時最大降水量為83.9mm，10分鐘最大降水量為28.3mm，一次連續(xù)最大降雨量457.1mm，一次連續(xù)最長降雨時間為28天，十年一遇1小時降雨強度為71.3mm，二十年一遇降雨強度為74.8mm。豐富的降雨為泥石流的形成提供了水源和動力條件，對泥石流的形成非常有利。

2.3 物源條件

震區(qū)泥石流的形成發(fā)育最顯著而典型的特點就是強震作用下為泥石流流域提供大量松散固體物質(zhì)來源［7］?！?.12”大地震發(fā)生后，受地震影響，八一溝流域內(nèi)崩塌、滑坡非常發(fā)育，沿溝共有松散堆積39處，其中有10處崩滑體堆積物分布于大干溝兩岸，13處分布于小干溝兩岸，10處分布于小灣支溝兩岸，6處在流通區(qū)分布于八一溝主溝兩岸。據(jù)現(xiàn)場測繪，流域內(nèi)松散物源總計約757.61×104m3，其中可能參與泥石流活動的動儲量約438.34×104m3，約占總物源的60%。因此，八一溝流域內(nèi)具備了大量可供泥石流活動的固體松散物質(zhì)，特別是溝谷兩岸崩滑體和溝床內(nèi)松散堆積物為泥石流過程提供了大量固體物質(zhì)。

圖4 八一溝泥石流溝床縱坡降示意圖Fig.4 Cross section of the debris flow in Bayi Gully

3 八一溝泥石流運動和動力學參數(shù)分析

3.1 泥石流容重

由于沒有泥石流現(xiàn)場觀測的容重值，本文采用現(xiàn)場調(diào)查試驗法來確定泥石流容重。即請親眼目睹八一溝泥石流暴發(fā)的居民多人，選擇有代表性的堆積物攪拌成暴發(fā)時的泥石流流體狀態(tài)，進行樣品鑒定，然后分別測出樣品的總質(zhì)量和總體積，按下式計算泥石流容重:

式中:γc——泥石流容重(t/m3);

Gc——樣品總質(zhì)量(t);

V——樣品總體積(m3)。

計算得出泥石流的容重為1.77t/m3，為粘性泥石流。

3.2 泥石流流速

泥石流流速是決定泥石流動力特征和防治設(shè)計中最重要的參數(shù)之一，目前所采取的各種計算公式大多為半經(jīng)驗或經(jīng)驗公式，使用時要結(jié)合地區(qū)特點綜合考慮。本文采用粘性泥石流通用公式計算泥石流流速［8］，如下所示:

式中:Vc——泥石流斷面平均流速(m/s);

Mc——泥石流溝床粗糙率，本文取10;

Hc——計算斷面平均泥深(m);

Ic——泥石流水力坡降，采用溝床坡降代替(‰)。

計算得八一溝主溝泥石流平均流速為7.57 m/s。

3.3 泥石流流量

泥石流流量計算目前主要有雨洪法和形態(tài)調(diào)查法兩種方法。根據(jù)八一溝氣象特征，本文采用雨洪法計算其流量，假設(shè)泥石流與暴雨同步、同頻率發(fā)生，先按水文方法計算出斷面不同頻率下的暴雨洪水設(shè)計流量，然后選用堵塞系數(shù)，計算泥石流流量。

3.3.1 設(shè)計洪水流量計算

設(shè)計頻率條件下的暴雨洪水設(shè)計流量計算采用如下所示［8］:

式中:QP——頻率為P的暴雨洪水設(shè)計流量(m3/s);

RP——頻率為P的小時最大降雨量(mm);

i——產(chǎn)流系數(shù)，取值范圍0.3～0.8;

F——流域面積(km2)。

3.3.2 設(shè)計泥石流流量計算

頻率為P的泥石流峰值流量計算公式［8］:

式中:Qc——頻率為P的泥石流洪峰值流量(m3/s);

Qp——頻率為P的暴雨洪峰值流量(m3/s);

φ——泥石流泥砂修正系數(shù)，φ=(γc－γw)/(γH－γc)，γH為泥石流固體物質(zhì)比重(t/ m3)，取γH=2.75 t/m3;γc取泥石流容重(t/m3)，取γc=1.77 t/m3;γw為水容重(t/m3)。

Dc——泥石流堵塞系數(shù)值，本文取Dc=2.2。

計算參數(shù)及結(jié)果如表1所示。

表1 泥石流流量計算參數(shù)及結(jié)果一覽表Table 1 Parameters and results of capacity calculation for the debris flow

3.4 一次泥石流過程總量計算

一次泥石流總量Q可通過計算法和實測法確定。實測法精度高，但因往往不具備測量條件，只是一個粗略的概算。計算法根據(jù)泥石流歷時T(s)和最大流量Qc(m3/s)，按泥石流暴漲暴落的特點，將其過程概化為五角形［8］，按下式計算:

Q=K·T·Qc

式中:K值的變化隨流域面積(F)的大小而變化，當F＜5km2時，K=0.202;當5km2＜F＜10km2時，K= 0.113;當10km2＜F＜100km2時，K=0.0378。

一次泥石流沖出的固體物質(zhì)總量QH:

QH=Q(γc－γw)/(γH－γw)

式中:γH、γc、γw取值同上。

八一溝泥石流一次過程總量計算參數(shù)及結(jié)果如表2所示。

表2 一次泥石流總量和沖出固體物質(zhì)總量計算參數(shù)及結(jié)果一覽表Table 2 Parameters and calculation results of total volume and sediment flush-out of the debris flow

4 八一溝泥石流發(fā)展趨勢預(yù)測及防治建議

4.1 泥石流發(fā)展趨勢預(yù)測

根據(jù)泥石流易發(fā)程度數(shù)量化評分表［8］，對崩滑嚴重程度、泥砂沿程補給程度、河溝縱坡坡降等15個要素綜合打分，八一溝泥石流綜合得102分，屬泥石流易發(fā)溝。

八一溝泥石流溝口扇形堆積發(fā)育，扇緣及扇高在明顯增長中，變幅較大，扇緣及扇高在明顯增長中，扇緣處于發(fā)展中，由此判斷泥石流正處于發(fā)展期。“5· 12”大地震后，泥石流溝內(nèi)松散物貯量約757.61× 104m3/km2，可能參與泥石流活動的松散物動貯量約438.34×104m3，且固體物源主要集中溝谷后緣兩側(cè)及溝谷中，在短時強降雨或持續(xù)降雨作用下極有可能暴發(fā)特大型泥石流。

4.2 防治建議

依據(jù)泥石流危險性和被保護對象的重要程度，建議在泥石流流通區(qū)和物源區(qū)修建谷坊壩以穩(wěn)定物源，抬高溝床，降低流速;在堆積區(qū)設(shè)置攔擋壩攔擋，并對堵塞的支溝進行疏通，在泥石流溝口采用排導(dǎo)措施，以規(guī)范泥石流流向，提高泥石流流速，加速細顆粒物質(zhì)排導(dǎo)。

5 結(jié)論

(1)八一溝泥石流是高頻－暴雨－溝谷型粘性大型泥石流，匯水面積約8.5km2，主溝道長約4.5km，平均縱坡為180‰，主要發(fā)育大干溝、小干溝。小灣支溝3條支溝，形成區(qū)、流通區(qū)、堆積區(qū)分區(qū)明顯。保護對象主要為云華村113戶居民、云華村安置點、都汶公路以及龍池鎮(zhèn)政府辦公場所、紫坪鋪水庫。

(2)在分析八一溝泥石流流域特征和形成條件的基礎(chǔ)上，重點對泥石流的容重、流速、流量、沖出量等動力學特征進行計算分析。計算結(jié)果表明該泥石流的容重為1.77t/m3，平均流速為7.57 m/s;20年一遇峰值流量為339.92 m3/s，一次過程總量為96.8× 104m3，一次固體總量為76.1×104m3;50年一遇峰值流量為356.73 m3/s，一次過程總量為101.6× 104m3，一次固體總量為79.9×104m3。

(3)根據(jù)泥石流易發(fā)程度數(shù)量化評分表對八一溝泥石流溝進行綜合打分，該溝得102分，屬泥石流易發(fā)溝。目前該泥石流整體處于發(fā)展期，溝內(nèi)松散物貯量約757.61×104m3/km2，其中動貯量約438.34× 104m3，在持續(xù)降雨或短時強降雨激發(fā)下，極有可能暴發(fā)特大型泥石流。

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Abstract:The debris flow in Bayi gully was a typical gully debris flow，which was located in Dujiangyan County in Sichuang Province and heavily hit by Wenchuan May 12 Earthquake last year.According to the basic features of the valley and the debris flow，formation conditions of the debris flow，like topography，water source and sediment source，were firstly analyzed.Then dynamic parameters，including bulk density，flow rate，flow capacity and sediment flush－out were calculated.Finally，the development trend of the debris flow was discussed and prevention suggestion for the debris flow was proposed.

Key words:debris flow;Bayi Gully;formation conditions;dynamic parameters;countermeasures

Formation conditions and dynamics features of the debris flow in Bayi Gully in Dujiangyan County

ZHANG Zi－guang1，ZHANG Zhi－ming1，ZHANG Shun－bin2
(1.Geological Environmental Monitoring Station of Chengdu，Chengdu，610072，China; 2.Chongqing Hi－Tech Geotechnical Engineering Investigation and Design Institute，Chongqing，400042，China)

1003－8035(2010)01－0034－05

X951

A

2009－09－07;

2009－12－20

張自光(1980—)，男，工學碩士，現(xiàn)主要從事地質(zhì)災(zāi)害、地質(zhì)環(huán)境研究、防治與技術(shù)管理工作。E－mail:shuibingcx@yahoo.com.cn