川西某溝泥石流災害形成條件及運動特征研究

鄭濤,楊敏

(1.重慶市高新工程勘察設計院有限公司,重慶 400042;2.四川省地質環(huán)境監(jiān)測總站,成都 610081)

川西某溝泥石流災害形成條件及運動特征研究

鄭濤1,楊敏2

(1.重慶市高新工程勘察設計院有限公司,重慶 400042;2.四川省地質環(huán)境監(jiān)測總站,成都 610081)

查明了該泥石流的發(fā)育情況及泥石流溝谷特征,分析預測其發(fā)展趨勢,并通過計算確定典型泥石流溝的運動特征,這些結論對于如何經濟合理防治該泥石流溝泥石流災害具有重要現(xiàn)實意義。建議采取以攔擋工程為主,排導與攔擋工程相結合,工程措施與生物措施結合的綜合防治對策。

泥石流;溝谷特征;運動特征;綜合防治

1 前言

泥石流溝位于阿壩州小金縣,據(jù)老鄉(xiāng)介紹,該泥石流溝基本上間隔2～3 a均會發(fā)生一次規(guī)模不等的泥石流。最近發(fā)生的一次泥石流為2009年5月,泥石流攜帶幾百方泥沙淹沒S303省道10余米,擁堵公路,極大地影響當?shù)亟煌ê途用裆?所幸沒有威脅居民生命財產安全。因此,查明泥石流的發(fā)育情況及泥石流溝谷特征,分析預測其發(fā)展趨勢,并通過計算確定典型泥石流溝的動力學特征,這些結論對于如何經濟合理防治該溝泥石流災害具有重要現(xiàn)實意義。

2 泥石流自然地質條件

2.1 氣象水文

研究區(qū)系大渡河上游河谷地帶,具高原型季風氣候特征,基本喪失了亞熱帶氣候特征。境內氣候表現(xiàn)為暖溫帶、溫帶、寒溫帶、亞寒帶、寒帶和永凍帶,隨地勢增高呈垂直分布的氣候帶譜。

研究區(qū)全年降水季節(jié)分配為:夏季(6～8月)降水量為占全年總量的47.43%;冬季(12～2月)降水量占全年總量的1.41%;春秋分別占年總量的25.52%,25.64%。夏半年(5～10月)多年平均降水量占全年的86.3%,其中6月占全年的20.6%;冬半年多年平均降水量占全年的13.7%。月平均最小值出現(xiàn)在12月,僅1.5 mm[1]。

2.2 地形地貌

泥石流溝地處小金縣西部的高原區(qū),西臨丹巴縣,屬于邛崍山高山地貌區(qū)。地勢南低北高,河流切割強烈,峰巒重疊,地面起伏大,地勢以高山峽谷為主,山脈多呈東西走向,小金川河由東向西延伸。

2.3 地層巖性及地質構造

碎塊石土:灰、灰褐色,干燥,稍密-松散,碎塊石成分主要為變質砂巖,強風化,棱角狀,分選差,粗顆粒約占55%,粒徑多在5～10 cm之間,其中塊石含量10%,碎石含量在20%～30%,角礫含量在20%之間,期間粉質粘土充填。該層大面積分布于斜坡地表,厚度在1～4 m。

卵礫石層:灰白色,濕-干燥,稍密-松散,成分主要為變質砂巖和板巖,強風化,次圓-圓狀,分選一般,粗顆粒約占65%,粒徑多在5～20 cm之間,其中塊石含量在10%～15%之間,碎石含量在30%～40%之間,礫石含量在25%～30%之間,砂及少量粘性土充填,局部地段砂層富集,該層主要分布于小金河谷內。

(3)第四系全新統(tǒng)坡洪積層(Q4dl+pl)

砂卵礫石層:灰色,濕,稍密-密實,成分主要為變質砂巖和板巖,強風化,次圓狀,分選一般,粗顆粒約占70%,粒徑多在5～10 cm之間,其中塊石含量15%,碎石含量在30%～40%之間,礫石含量在25%～30%之間,砂及少量粘性土充填,該層主要分布于溝谷內。

(4)第四系全新統(tǒng)泥石流堆積層(Q4sef)

塊碎石層:灰、青灰色,濕-干燥,稍密-密實,成分主要為變質砂巖、板巖,強-微風化,次圓狀,分選一般,粗顆粒約占65%,粒徑多在15～40 cm之間,其中塊石含量在30%～40%之間,碎石含量在20%～25%之間,礫石含量在5%～10%之間,其間粗砂充填。該層主要分布于溝口堆積扇。

(5)三疊系上統(tǒng)侏倭組(T3zh)

主要為灰色、深灰色中厚-厚層狀細粒變質砂巖夾含炭絹云板巖、粉砂質板巖,呈不等厚韻律互層。該泥石流溝溝谷兩岸未見基巖出露,根據(jù)外圍調查,下伏基巖巖層產狀為10°～12°∠55°～60°。

工程區(qū)處于小金弧形構造帶內,構造形態(tài)以褶皺為主,系由一系列彼此協(xié)調、緊密排列、弧形朝南的線狀褶皺組成近東西或北西方向展布的構造帶,斷裂構造少,規(guī)模小,卷入地層主要為泥盆系危關群-三疊系西康群,兩翼伴有花崗巖侵入。

工程區(qū)以北為中梁子背斜,以南為老營倒轉北斜,以西為牛屎坪斷層,處于達維向斜的北翼。

3 泥石流發(fā)育特征

該溝位于小金川河左岸,流域地勢南高北低,主溝長約5.1 km,支溝不發(fā)育,流域面積約為4.7 km2,溝谷深切、狹窄,以“V”型谷為主,溝床寬2～8 m。溝口入河處高程2160 m,溝源高程3800 m,流域落差1640 m,縱坡降為321.6‰。

泥石流的分區(qū)特征明顯,主要分為3個區(qū),即匯水區(qū)、流通區(qū)及堆積區(qū)。

匯水區(qū)分布高程2500～3800 m,溝源(海拔3200 m以上)屬高山寒帶氣候,呈現(xiàn)高山寒帶地貌,植被以高寒地帶針葉林為主,植被覆蓋好,覆蓋率達80%?？偟膩砜?該區(qū)匯水面積較大,匯水功能顯著,同時物源較豐富,主要分布在溝床附近,在洪水季節(jié),溝床物質及人工堆積物易被啟動參與泥石流,至下游流通區(qū)進行加速,形成更大規(guī)模的泥石流。

流通區(qū)位于溝口上游處,分布高程在2260～2500 m之間,長約0.6 km,平均縱坡降400.0‰。溝谷呈狹窄“V”型谷,溝寬2～4 m不等,兩側岸坡平均坡度>50°。左側岸坡以殘坡積物為主,右側岸坡為冰積臺地。植被覆蓋主要以低矮灌木為主,溝床內分布大量沖洪積物塊碎石,局部大塊石,呈次棱角狀,粒徑在40～70 cm居多,最大直徑2～3 m,中粗砂充填。河床局部堆積修建公路的人工棄渣。總的來看,流通區(qū)溝道順直,溝谷相對狹窄,縱坡降較大,具有明顯的加速功能。

堆積區(qū)位于溝口出山處至小金河,該區(qū)地形開闊,溝口右側為冰積臺地,岸坡陡峭,堆積密實,整體穩(wěn)定性較好。堆積扇上植被以高大喬木為主,覆蓋率達30%～40%。扇體物質組成底部主要為老泥石流堆積物,成分為塊碎石土,厚度3～5 m。塊石呈次棱角-次磨圓狀,粒徑在20～75 cm之間;碎礫石呈次磨圓狀,粒徑在2～12 cm之間居多,粉質粘土充填。表層過水面為新近泥石流堆積物,堆積厚度0.5～1 m。由于地質歷史時期該段溝谷擺動及人為改造等因素的影響,現(xiàn)該泥石流溝在溝口出山后向右側轉彎,主要由扇區(qū)右側流過并匯入主河小金川,該溝在扇面上沒有明顯的沖溝形態(tài),水流直接從扇面上過流,該段溝谷平均縱坡降151.1‰,縱坡較緩,有利于泥石流物質的淤積。

圖1 泥石流溝泥石流形態(tài)特征圖Fig.1 Features of the form s of debris flow gully-debris flow

4 泥石流形成條件及活動趨勢分析

溝谷兩岸地形坡度多在40°～50°之間。溝谷中上游地勢相對平緩,溝內物源較為豐富,匯水功能顯著,下游溝谷縱坡降增大,形態(tài)呈狹窄“V”型谷,溝谷的形態(tài)對泥石流匯水和物源提供重要條件。

該溝泥石流物源總量為28.82×104m3,其中可參與泥石流活動的動儲量為2.64×104m3。溝岸崩滑積物源和坡面侵蝕物源在強降雨作用下,將可能首先啟動,在上游暴發(fā)泥石流的情況下,啟動主溝溝床內堆積物,形成規(guī)模較大的泥石流災害。

暴雨是泥石流形成的主要引發(fā)因素,泥石流屬暴雨溝谷型泥石流。由于溝谷流域面積較大,地形陡峻,易于匯水,水源較為豐富,泥石流類型主要為稀性泥石流。從扇體規(guī)模大小看,泥石流溝曾經暴發(fā)過大規(guī)模的泥石流活動,這顯然是泥石流發(fā)展期活動的結果。在此次泥石流大規(guī)?；顒雍?泥石流的活動轉而進入衰退期,其活動強度減弱,表現(xiàn)為后期泥石流堆積物覆蓋于前期的堆積扇上的后退式活動。

5 泥石流運動特征與動力學特性

對于泥石流運動特征和動力特征的定性分析,是認識泥石流和進行泥石流防治工程設計的基本數(shù)據(jù)。由于無泥石流發(fā)生時的實際觀測數(shù)據(jù),我們對各泥石流溝的分析,主要根據(jù)查訪資料,類比利用目前泥石流運動特征及動力特征研究的成果進行分析[2]。

5.1 泥石流流速

泥石流流速是表征泥石流運動特征的重要指標之一,泥石流流體性質屬稀性泥石流。選擇稀性泥石流流速計算公式(《泥石流災害防治工程勘查規(guī)范》DZ/T0220-2006):

式中,Vc為泥石流斷面平均流速(m/s);γH為泥石流固體物質重度(t/m3),取1.38 t/m3;φ為泥石流泥沙修正系數(shù),取0.53;1/n為泥石流溝床的糙率系數(shù),取4.5;Hc為平均泥深(m),取3.55 m;Ic為泥位縱坡率,取321.6‰。

由于這些計算參數(shù)中,泥石流過流斷面積和平均泥深主要依據(jù)已發(fā)生過泥石流的溝谷調查得到的平均泥深和斷面平均寬度確定。溝床糙率和粘性泥石流溝床糙率按野外調查得到的清水河床形態(tài)特征查水文手冊和勘查規(guī)范確定。

計算得出:泥石流流速為1.98 m/s。

5.2 泥石流容重

泥石流容重的確定有實測法、拌樣調查法和經驗公式計算法等。本次采用經驗公式法確定。泥石流容重的經驗計算公式為:

式中,A為坍方程度系數(shù),取0.8;IC為坍方區(qū)平均坡度,取400‰。

計算表明,容重值為1.38 t/m3,比較客觀反映泥石流的基本特征。

5.3 泥石流峰值流量

假設泥石流與暴雨同頻率、且同步發(fā)生,先按水文方法計算出斷面不同頻率下的小流域暴雨洪峰流量(計算方法查閱四川省水文手冊),然后選用堵塞系數(shù),按下式計算泥石流流量:

式中,Qc為泥石流洪峰值流量(m3/s);Qp為暴雨洪峰流量(m3/s),見表1;φ為泥石流泥沙修正系數(shù),φ =(γC-γW)/(γH-γC)(γC為泥石流重度,t/m3;γW為清水重度,t/m3)或查規(guī)范可得,取0.53;DC為泥石流堵塞系數(shù),取1.1。

根據(jù)以上公式,計算處庫區(qū)3條典型泥石流溝在10%、5%、2%、1%四種頻率下的泥石流峰值流量,結果見表1。

5.4 一次泥石流過程總量及輸沙量

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,將其過程線概化成五角形計算。

一次泥石流沖出的固體物質總量QH(m3):

式中,Q為泥石流總量,104m3/s;QC為泥石流峰值流量,104m3/s,見表1;T為泥石流歷時,min;根據(jù)理論計算及實際調查訪問資料綜合確定。

根據(jù)以上公式,計算處庫區(qū)3條典型泥石流溝在10%、5%、2%、1%四種頻率下的一次泥石流過程總量及固體物質總量,結果見表1。

表1 泥石流峰值流量、一次泥石流過程總量及輸沙量表Table 1 Peak flood of debris flow,one-off total contentof a debris flow and its sediment discharge rate

5.5 泥石流整體沖壓力

泥石流整體沖壓力按《泥石流災害防治工程設計規(guī)范》(DZ/T0239-2004)下式計算:

式中,F為泥石流沖壓力(kN);λ為建筑物形狀系數(shù),圓形建筑物λ=1.0,矩形建筑物λ=1.33,方形建筑物λ=1.47;γc為泥石流重度(kN/m3),取1.38;Vc為泥石流平均流速(m/s),取1.98;α為建筑物受力面與泥石流沖壓力方向的夾角(°)。

計算過程主要選擇擬布設攔擋工程部位各斷面進行計算。建筑物形狀系數(shù)按矩形建筑取λ= 1.33,擬設工程位置泥石流整體沖壓力計算參數(shù)及計算結果詳見表2。

表2 泥石流整體沖壓力計算表Table 2 Calculation on the overall ram p ressure of the debris flow

6 結論

本文闡述了該泥石流溝的發(fā)育情況及溝谷特征,分析預測其發(fā)展趨勢,并通過計算確定典型泥石流溝的動力學特征,這些結論對于如何經濟合理防治泥石流災害具有重要現(xiàn)實意義。

根據(jù)泥石流的流速、流量和沖擊力等參數(shù)計算,結果顯示該溝泥石流為稀性泥石流,泥石流20 a一遇,一次固體物質沖出量0.16×104m3,其規(guī)模為小型泥石流,溝谷在20 a一遇的洪水條件下發(fā)生泥石流的可能性大,其危害能力一般,但仍將對溝口的村民生命及財產安全構成一定威脅。因此,建議采取“攔防結合”方案對該溝泥石流進行治理,并在治理后采取生物措施相結合的綜合防治對策,在泥石流形成物源區(qū)采用恢復植被的生物工程措施及固溝穩(wěn)坡的工程措施[3,4]。

[1]柳金峰,歐國強.泥石流危險性評價的新思路[J].地質災害與環(huán)境保護,2004,15(1):5-8.

[2]泥石流災害防治工程勘查規(guī)范(DZ/T 0220-2006)[S].北京:中國標準出版社,2006.

[3]吳積善,田連權.泥石流及其綜合治理[M].北京:科學出版社, 1993.

[4]周必凡.泥石流防治指南[M].北京:科學出版社,1991.

FORM ING COND ITIONSAND MOVEM ENT FEATURESOF DEBRIS FLOW D ISASTERS IN A CERTAIN RAVINE IN WESTERN SICHUAN PROVINCE

ZHENG Tao1,YANGM in2
(1.Chongqing Gaoxin Institute of Investigation and Design of Geoteclnical Engineering L td.,Chongqing 400042,China; 2.Sichuan Gedogical Circumstance Inspect Center,Chengdu 610081,China)

In this paper,the developmental state of the debris flow and its ravine features were examined,and analysis has been made on the development tendency of the debris flow.In addition,the movement features of a typical debris flow gully were confirmed by calculation.These conclusions have important p ractical significance to p revent the disasters incurred by this debris flow in an economically and reasonably way.As fo r the measures of integrated control,it is suggested that engineering p rojects of intercep tion and diversion shall be combined to p revent the debris flow,in w hich the intercep tion shall be taken as the p rio rity.Meanw hile,engineeringmeasures and biologicalmeasures shall also be combined on the p revention of debris flow.

:debris flow;ravine features;movement features;integrated control

P642.23

:A

1006-4362(2010)02-0024-04

鄭濤(1972- ),男,工程師,主要從事水、工、環(huán)地質以及地質災害防治方面工作。

2010-03-22改回日期:2010-04-21