大渡河左岸小河溝泥石流特征及其危險性評估研究

程禮來，吳俊峰

（1.河南省地礦局地球物理勘查隊，鄭州 450053；2.成都理工大學(xué) 地質(zhì)災(zāi)害與環(huán)境保護國家重點實驗室，成都 610059）

小河溝位于四川省瀘定縣得妥鄉(xiāng)境內(nèi)，大渡河左岸，溝口距大崗山壩址約11.2km。該溝2009年爆發(fā)泥石流，中斷S211省道，并在溝口造成大渡河暫時性堵河，溝口拱橋凈空減小一半。研究該溝泥石流特征，評價其活動對大崗山電站庫區(qū)及S211省道的影響，具有重要的現(xiàn)實意義。

1 泥石流形成條件

（1）地形。小河溝源于海拔約2750 m處，最后在海拔約1027 m處流入大渡河，主溝長約4.7km，流域面積10.36km2，平均縱坡降370‰，具備了典型的泥石流溝地形地貌特征，即形成區(qū)、流通區(qū)和堆積區(qū)區(qū)分明顯。形成區(qū)三面環(huán)山，沖溝發(fā)育，主溝叫馬塘子溝，最大的一條支溝為郭家溝，溝內(nèi)常年有流水；四吊一溝較短，為季節(jié)性流水溝谷，溝谷總體坡度30°～45°；流通區(qū)溝順直，谷較狹窄，呈“V”字型，溝壁坡度大于60°；溝口以大角度與大渡河交匯。

溝谷流域內(nèi)植被因受地形地貌、地層巖性等的影響，其垂直分帶性非常明顯。溝底至海拔1500 m，為人類活動集中區(qū)域，植被以農(nóng)作物和果樹為主，海拔1500 ～2200 m植被類型以喬灌木為主，2200 m以上植被類型以森林為主。小河溝上游兩岸植被較好，覆蓋率70%以上。

（2）地層與構(gòu)造活動。小河溝流域內(nèi)的巖性主要為澄江期的花崗巖（γ2），流域右側(cè)支溝馬塘子溝內(nèi)有部分三疊系白果灣組（T3bg）的砂板巖，此外第四系（Q3－4）堆積物廣泛分布于小河溝溝口、溝道內(nèi)及兩岸的緩坡地帶，主要包括坡殘積物、泥石流堆積物和少量的崩塌、滑坡堆積體（圖1）。溝內(nèi)可見裸露花崗巖基巖，細小節(jié)理發(fā)育，但閉合較好，巖體較完整。右側(cè)支溝內(nèi)的砂板巖整體完整性較差，易被風(fēng)化剝蝕。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查及1∶20萬區(qū)域地質(zhì)圖，小河溝流域內(nèi)無斷層通過，但研究區(qū)經(jīng)歷了中更新世的剝蝕夷平及中更新世晚期以來的強烈隆升區(qū)，巖體中構(gòu)造節(jié)理及淺表層巖體卸荷裂隙及風(fēng)化裂隙發(fā)育，為豐富的物源形成奠定了良好的條件。

圖1 小河溝流域地質(zhì)圖

（3）水文氣象。研究區(qū)屬四川盆地亞熱帶濕潤氣候區(qū)，氣候垂直變化明顯，四季分明，年平均氣溫一般為13～18℃，極端最低氣溫一般－5℃左右，最高氣溫多發(fā)生在7－8月。因受焚風(fēng)影響形成少雨區(qū)，多年平均年降水量在700mm左右，但降水量主要集中在5－10月，其中又以6－9月最多。雨季均發(fā)生過暴雨，最大日降水量達100mm以上（2009年）。小河溝流域降雨多以地表徑流的形式流入溝中，以降雨為主要水動力，常年流水，溝源有泉水出露。

（4）人類活動。人類工程活動在形成區(qū)較為活躍，從溝口1027 ～1500 m高程均為人類工程活動區(qū)，機耕道開挖、削坡、大于30°的斜坡上開墾坡地及植被的破壞，加速了雨水的侵蝕作用，堆積前緣的掏蝕臨空降低了堆積體的穩(wěn)定性，為堆積體失穩(wěn)并堵塞溝道創(chuàng)造了條件。

2 泥石流溝特征

2.1 泥石流溝功能分區(qū)特征

小河溝泥石流的功能區(qū)劃分如下:小河溝泥石流物源區(qū)與清水匯流區(qū)大致以1600 m高程為分界線（見圖2）。清水匯流區(qū)縱坡降約487.27‰，植被茂盛，溝谷狹窄，偶見零星崩落的塊石堆積于溝底。

圖2 小河溝泥石流縱坡降圖

小河溝泥石流物源區(qū)縱坡降約411.21‰，物源主要為用于耕種的殘坡積堆積物和溝道附近的崩塌堆積、洪積或古泥石流堆積體（照片1），其中在紫雅村附近發(fā)育有一小型覆蓋層滑坡，體積約4萬m3，主滑方向40°。物源以黏土、碎石、塊石為主，成分為花崗巖、砂板巖等，結(jié)構(gòu)松散。小河溝流通區(qū)縱坡降約182.30‰，區(qū)內(nèi)溝道狹窄且在近溝口段有局部彎道，彎道的巖壁上可以清楚地看到2009年9月份泥石流撞擊留下的泥痕（照片2）。流通區(qū)以下直達大渡河為小河溝泥石流的堆積區(qū)，該區(qū)縱坡降約61.08‰，長約30m，根據(jù)野外調(diào)查，該溝在大渡河強烈切割區(qū)形成一個具有一定規(guī)模的泥石流堆積扇（扇長82m，寬15m，擴散角130°）（照片3－4），該溝曾發(fā)生過大型泥石流造成短時間的堵河，潰壩后大部分的泥石流物質(zhì)被河流沖走，如今大渡河在枯水季節(jié)局限在靠右岸一側(cè)流動（照片4）。

照片1 物源區(qū)坡體表層沖溝

照片2 流通區(qū)溝底堆積物及溝壁泥痕

照片3 溝口堆積扇扇頂（溝口堵塞）

照片4 小河溝泥石流溝口堆積扇

小河溝上游兩岸緩坡地帶形成大量結(jié)構(gòu)松散，穩(wěn)定性差的殘坡積堆積體，在溝道內(nèi)則夾有部分古泥石流殘留堆積體（物質(zhì)成分花崗巖和閃長巖為主，分選差，膠結(jié)較好，磨圓較好，由漂礫石夾泥沙組成）和崩塌堆積體，該部分物源的整體穩(wěn)定性較好，按臨界坡度30°劃為穩(wěn)定或半穩(wěn)定物源。小河溝物源見表1。

綜上所述，該溝物源總量較多，約為130.8萬m3，其中約有20.3萬m3為結(jié)構(gòu)松散的不穩(wěn)定物源，易被降雨或泥石流沖蝕形成物源。

2.2 歷史泥石流活動特征

跟據(jù)作者現(xiàn)場調(diào)查訪問，小河溝每年雨季均有小規(guī)模泥石流發(fā)生，因歷時短，固體物源少，為稀性泥石流，危害小，沒有引起人們重視，未獲得具體的數(shù)據(jù)。歷史上較大的一次是1983年7月份雨季，規(guī)模比2009年略小，在溝口也有推擠大渡河并形成險灘現(xiàn)象，幾年后就被大渡河沖刷消失了。據(jù)老鄉(xiāng)介紹，1983年泥石流發(fā)生與耕地擠占溝道，雨季垮塌堵塞有關(guān)。

表1 小河溝泥石流物源特征一覽表

表2 小河溝泥石流易發(fā)程度評判表

2.3 2009年泥石流活動特征

小河溝上游左側(cè)的四吊一支溝是2009年泥石流最為嚴重的支溝。持續(xù)4～5h的暴雨，引發(fā)了泥石流災(zāi)害。四吊一支溝泥石流在轉(zhuǎn)彎處崩塌堵塞，隨后，潰決，夾雜大量泥石的流體飛泄而下，主溝溝口泥位達8.5m。另外郭家溝支溝泥石流現(xiàn)象較為嚴重，溝內(nèi)隨處可見崩塌堆積體。其余兩溝泥石流較輕。溝口的S211公路被堵，橋洞堵塞近一半（照片3－4），根據(jù)現(xiàn)場配漿試驗，泥石流容重大18.6kN／m3，調(diào)查當(dāng)時老鄉(xiāng)描述的堆積物規(guī)模復(fù)原測量及計算復(fù)核，2009年泥石流的輸沙量約5400 m3。小河溝泥石流的暴發(fā)與其溝谷發(fā)育形態(tài)、人類改造及降雨有密切的關(guān)系。分析該溝泥石流暴發(fā)周期為20年一遇，屬于中頻的粘性降雨型泥石流。小河溝泥石流溝的匯水面積較大，支溝發(fā)育，溝內(nèi)巖體除右側(cè)馬塘子溝為砂板巖地層，巖性較破碎外，其余都為花崗巖，巖體總體較完整。溝內(nèi)物源主要為殘坡積堆積體，在溝內(nèi)廣泛分布，暴雨時，雨水帶走坡體上的松散物質(zhì)，并形成沖溝，在強大水動力條件下，所有物質(zhì)匯入主溝，崩塌形成的大塊石在狹窄溝道內(nèi)堵塞，后潰決，形成沖擊力極強的粘性泥石流，沖出溝口，流入大渡河。綜上所述，強降雨與堵塞－潰決是小河溝2009年泥石流形成的兩個基本條件，小河溝泥石流屬于降雨型溝谷堵塞－潰決型泥石流。

3 危險性評價

按照泥石流易發(fā)程度評價［1］，對小河溝天然狀況下諸因素打分進行綜合評價，其評分值參見表2，評分值為100（表2），屬于中等易發(fā)泥石流溝。

為了分析泥石流現(xiàn)狀及對工程建設(shè)形成危害的潛在危險性，采用地質(zhì)災(zāi)害危險性分析的方法，分析研究區(qū)泥石流危險性指數(shù)構(gòu)成，建立危險性分析結(jié)構(gòu)模型［1－2］。

以小河溝流域范圍作為分析單元，分析影響泥石流潛在活動強度的各種控制條件，在此基礎(chǔ)上建立泥石流危險性指數(shù)計算模型，從而確定泥石流災(zāi)害的發(fā)育特征。參考前人的分析經(jīng)驗，采用下式計算泥石流危險性指數(shù)（Zw）:

式中:Z1——泥石流的歷史強度；Zq——泥石流的潛在強度；A1——歷史強度的權(quán)重；Aq——潛在強度的權(quán)重，分別為0.3和0.7；α——修正系數(shù)，泥石流取0.46［3－5］。歷史災(zāi)害強度按下式計算:

式中:G——歷史活動規(guī)模的評判等級分值；P——活動頻率的評判等級分值。根據(jù)泥石流的堆積體積和活動性各取0～5間的數(shù)值。該值是依據(jù)工作經(jīng)驗按兩類因素分別取值后疊加形成的。

潛在泥石流危險強度按下式計算:

式中:D——控制泥石流形成與發(fā)展的地質(zhì)條件的標(biāo)度分值；X——地形地貌條件的標(biāo)度分值；Q——控制泥石流形成與發(fā)展的氣候植被條件的標(biāo)度分值；R——控制泥石流形成與發(fā)展的人為條件充分程度的標(biāo)度分值。評分標(biāo)準采用張業(yè)成等人的研究成果［3－5］，其具體內(nèi)容和評判標(biāo)準見表3（帶△項為小河溝特征）。Ad，Ax，Aq，Ar為4類泥石流形成條件的權(quán)重（表4）。K為修正系數(shù)，取0.7。以上分析中所使用的權(quán)重是張業(yè)成先生等采用專家問卷調(diào)查的方法并對調(diào)查結(jié)果采用層次分析后獲得的，依據(jù)充分，結(jié)果可信。根據(jù)上述原則對小河溝的泥石流危險程度進行判別。

表3 小河溝泥石流潛在活動強度控制條件判別表

根據(jù)以上標(biāo)準和小河溝的實際情況，危險性指數(shù)計算參數(shù)D、X、Q、R 值分別為:13，36，6，6；G、P 值分別為4，4；經(jīng)計算潛在危險性Zq為10.724，歷史危險性Zl為16，小河溝泥石流危險性指數(shù)Zw為5.66。按照危險性指數(shù)判別標(biāo)準（表5）:小河溝泥石流為危險性大。

泥石流危險度的評價方法很多［6－12］，這里采用單溝泥石流危險度評價方法［13－14］。改進單溝泥石流危險度評價方法采用7個評價因子，除主要內(nèi)在因子泥石流規(guī)模m和發(fā)生頻率f外，其它次要環(huán)境因子分別是流域面積s1、主溝長度s2、流域相對高差s3、流域切割密度s6和不穩(wěn)定溝床比例s9。這5個次要因子可從流域地形圖上比較準確地獲取。次要因子是采用雙系列關(guān)聯(lián)度分析方法篩選的，所以其判定結(jié)果可信度較高。

單溝泥石流危險度計算公式為

式中:M，F(xiàn)，S1，S2，S3，S6，S9分別為 m，f，s1，s2，s3，s6，s9的轉(zhuǎn)化值。按照單溝泥石流危險度評價因子的轉(zhuǎn)換函數(shù)表7，計算可得相應(yīng)的轉(zhuǎn)換值表8。

表4 各種影響條件對地質(zhì)災(zāi)害強度的作用權(quán)值

表5 泥石流危險性等級劃分

根據(jù)公式（4），小河溝泥石流的危險度為 H為0.57，按照分級標(biāo)準:極低危險（0＜H＜0.2）、低度危險（0.2＜H＜0.4）、中度危險（0.4＜H＜0.6）、高度危險（0.6＜H＜0.8）、極高危險（0.8＜H＜1.0），可知小河溝屬于中度危險的泥石流溝，與實地調(diào)查小河溝泥石流的定性結(jié)果吻合。

表6 單溝泥石流危險度評價因子的權(quán)重系數(shù)

表7 危險度評價因子和轉(zhuǎn)換函數(shù)

表8 危險度評價因子轉(zhuǎn)換值

小河溝泥石流易發(fā)程度評價結(jié)果為中等易發(fā)，危險性指數(shù)評價為危險性大的泥石流溝，單溝危險度評價結(jié)果為中度危險性。綜合以上三種評價結(jié)果，小河溝是一條中等易發(fā)，危險性大的泥石流溝。

小河溝是一條高頻中等易發(fā)的泥石流，流域內(nèi)的降雨量、降雨類型、雨強和暴雨頻率基本不變，因此誘發(fā)泥石流的外動力條件沒有改變，泥石流暴發(fā)的基本規(guī)律不會發(fā)生改變。小河溝是一條處于發(fā)展期的泥石流溝，且溝內(nèi)松散物源較多，將來在類似強降雨條件下，易發(fā)生泥石流災(zāi)害。

4 結(jié)論

通過現(xiàn)場調(diào)查，對小河溝泥石流有如下幾點認識:（1）具備泥石流發(fā)生的地形條件；（2）溝內(nèi)物源較豐富，人類工程活動強，降雨強于集中；（3）小河溝一條處于發(fā)展期的溝谷型、暴雨型，中等易發(fā)、中頻、危險性大的泥石流溝；（4）小河溝泥石流對大崗山水電站庫區(qū)影響表現(xiàn)為淤積，但由于輸砂量小，庫容大，對水庫影響有限，但對S211及沿溝村道的影響較大，表現(xiàn)為堵塞溝口拱橋，中斷交通；溝內(nèi)滑坡坡腳的侵蝕將有可能誘發(fā)滑坡的復(fù)活，威脅居住滑坡上居民的生命及財產(chǎn)安全。

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