四川省江油市四里溝泥石流基本特征及危險性評價

張建新,閆晉龍,楊家林

(河南省有色金屬地質礦產局第六地質大隊,河南 洛陽 471002)

1 自然環(huán)境概況

1.1 流域概況

四溝里總體上為深切割“V”型谷,總體上具有岸坡陡峻,切割深度較大的特點。主溝縱長1 270 m,主溝溝頭最高點大口山高程為1 702.6 m,溝口與清江支流交匯處高程為723.7 m,相對高差 978.9 m,主溝平均縱坡降 500‰ ～600‰,其中形成區(qū)以上溝段縱坡陡峻,而以下溝段總體上縱坡略緩,且呈現(xiàn)陡緩相間的空間變化特征。溝谷平面上谷寬總體上上游窄,下游較寬,且也呈現(xiàn)出時寬時窄的變化特點。四溝里下游流量 0.2 m3/s左右,豐水期流量可達 2.0～5.0 m3/s,主要接受大氣降水和泉水補給,流量受降水量影響較大,總體上地震后流量有所增大。

圖1 四溝里溝域全貌圖

1.2 氣候條件

江油市屬于亞熱帶濕潤季風氣候區(qū),具有氣候溫和,四季分明,雨量充沛,夏熱冬暖等特點。根據江油市氣象局1957年至 2005年觀測資料統(tǒng)計,多年平均氣溫 15.9℃,多年平均降雨量為1 050mm,每年降雨集中在 6～9月,其降雨量達到 788.2mm,占全年降雨量的 72.8%。

特別指出的是近兩年來出現(xiàn)兩次特大日降雨量分別為351mm(2008年 9月 24日 )和 278mm(2009年 7月 14日 )。這兩次江油全區(qū)普降大到暴雨,楠木園村周圍溝渠暴滿,其中 2008年 9月 24日暴雨引發(fā)泥石流,泥石流淤滿了楠木園村在四溝里修建的一座小水庫,毀壞了下游的部分梯田,損壞了下游的一條鄉(xiāng)村道路的部分路段,給當地居民造成較大的經濟損失。

1.3 地質環(huán)境條件

勘查區(qū)處于前龍門山地層分區(qū),主要為中生界三疊系上統(tǒng)須家河組 (T3x)、第四系松散堆積層(Q4)?，F(xiàn)分述如下:

1)中生界三疊系上統(tǒng)須家河組 (T3x)

淺灰、深灰色灰?guī)r及黃灰、灰綠色頁巖。在四溝里泥石流溝的形成區(qū)、流通區(qū)出露,該巖組分布廣泛。巖層產狀120°∠65°,巖層構造裂隙較發(fā)育,該層厚度大于 50m。

2)第四系崩坡積物(Q4col)、洪積物 (Q4pl)、殘破積物()

為塊碎石土,呈稍密 ～中密狀,由粉質粘土、角礫、碎石、塊石組成,灰色,棱角狀,結構呈松散 -稍密狀,塊徑一般 50～80 cm不等,大的有 150 cm以上,母巖巖性為強風化灰?guī)r、泥巖等,局部耕作段表層1 m左右為粉質粘土夾碎石,土石比為 5∶5至 3∶7,該層厚 0～20m。稍濕、可塑狀,底部含風化巖屑。主要分布于溝谷及坡腳緩坡地帶。

2 泥石流基本特征

2.1 泥石流災害史及災情、危害性分析

2.1.1 泥石流災害史及災情

四溝里溝為老泥石流溝,曾于 2008年發(fā)生大規(guī)模的泥石流災害。2008年 9月 24日 9時,楠木園村遭遇 50年一遇的特大暴雨,日降雨量 351 mm,四溝里溝發(fā)生泥石流,一次性沖出松散物質方量約3 500 m3,該堆石壩阻擋了泥石流中主要物質的流通,致使大量泥石流攜帶的松散物質堆滿小水庫。少量粒徑較小的松散物質隨泥石流沖過堆石壩流走,破壞了下游的部分農田。據統(tǒng)計,本次泥石流活動已造成直接經濟損失 15余萬元。

2.1.2 泥石流危險區(qū)范圍及險情

四溝里溝泥石流危險區(qū)范圍主要為沿溝兩岸預測最高泥位線以下區(qū)域、四溝里溝中段因彎道超高可能淹沒的區(qū)域及支溝泥石流威脅的區(qū)域。據此確定的泥石流危險區(qū)泥石流危險區(qū)面積為 0.015 km2。

根據確定的泥石流危險區(qū)范圍,四溝里溝威脅對象主要為楠木園村三、四組居民點 9戶 30人的生命和財產安全,并對溝口兩岸的農田、1條鄉(xiāng)村公路及 2座橋涵造成威脅,直接威脅財產 300萬元以上。四溝里溝泥石流目前危害程度屬小型。

2.2 泥石流各區(qū)段沖淤特征

2.2.1 形成區(qū)沖淤特征

四溝里主溝及支溝上游坡度較大(多在 30°～80°左右),溝谷縱坡較陡(在 400‰以上),且區(qū)域性地殼運動表現(xiàn)為強烈抬升為主的運動特征決定,形成區(qū)的沖淤特征視不同溝段和主、支溝條件的差異而表現(xiàn)出不同的特點,另外,因降雨量及其分布的不同、溝道內洪水(或泥石流)流量的差異,其沖淤現(xiàn)象也會出現(xiàn)一定的差異,總體上看,主溝上段沖淤特征表現(xiàn)為以沖為主的特點,主溝下段沖淤特征表現(xiàn)為以淤為主的特點,而支溝表現(xiàn)為以沖為主的特點。

2.2.2 流通區(qū)沖淤特征

流通區(qū)的沖淤特征視不同溝段和主、支溝條件的差異而表現(xiàn)出不同的特點,另外,因降雨量及其分布的不同、溝道內洪水(或泥石流)流量的差異,其沖淤現(xiàn)象也會出現(xiàn)一定的差異,總體上看,主溝上段沖淤特征表現(xiàn)為以沖為主的特點,主溝下段沖淤特征表現(xiàn)為以淤為主的特點,而支溝表現(xiàn)為以沖為主的特點。

2.2.3 堆積區(qū)沖淤特征

堆積區(qū)分布于四溝里溝中段以下,因其溝道經堆積扇區(qū)中部通過,該段溝道坡度 5°～10°,這種條件決定該溝段沖淤特征仍為以淤為主的特點,在但大規(guī)模暴雨洪水或稀性泥石流作用下,其沖刷作用將加劇,如 2008年泥石流即對溝床產生了一定的沖刷侵蝕,據訪問和調查,其最大侵蝕深度達 1m左右,平均侵蝕深度 0.5m左右。

2.3 泥石流發(fā)生頻率和規(guī)模

根據以往四溝里溝泥石流的災害史,該泥石流為低頻泥石流,但隨著地震后物源量的增多,引發(fā)泥石流的激發(fā)雨量可能減小,因此,其發(fā)生頻率可能加密。泥石流發(fā)展階段為發(fā)展期。

5.12 地震后至今,四溝里主溝發(fā)生過一次泥石流災害,溝內崩塌、滑坡等不良地質現(xiàn)象和泥石流松散固體物質增多,泥石流暴發(fā)的危險性增大,一旦遇到暴雨等不利情況,其發(fā)生較大規(guī)模泥石流的可能性較大,只要雨量足夠,再次暴發(fā)泥石流的規(guī)模可能達到甚至超過 2008年 9月泥石流規(guī)模,如不及時治理,可能對溝口楠木園村居民生命財產安全形成嚴重威脅。

2.4 泥石流的成因機制和引發(fā)因素

四溝里主溝泥石流在暴雨作用下,大量匯集于溝道,匯流過程中將坡面松散泥沙及坡面的各類松散堆積物源攜帶進入溝道,并順溝而下,通過溝道揭底沖刷卷動溝道內的松散堆積物源,并將兩側溝岸松散固體物質帶走,以滾雪球的方式下向游運動,從而暴發(fā)泥石流災害。

在暴雨作用下,支溝的匯流大部分進入主溝,因而,主溝的水流量遠大于支溝,而支溝泥石流的固體物質則部分部分停積于溝口平緩開闊地段,部分匯入主溝,因而支溝泥石流往往在匯入主溝后被大大稀釋,其重度降低,而流量則從上游向下游逐步增大,沖刷能力增強,并將主溝兩岸及溝底的松散固體物質帶向下游,因此,主溝主要為稀性泥石流或高夾沙洪水。

在泥石流形成過程中,溝域內地形陡峻,溝谷縱坡大為水源和泥沙的匯聚提供了有利的地形地貌條件,四溝里溝中上段兩岸及支溝中上游地段強烈的崩滑現(xiàn)象和震后水土流失的強劇,以及溝道內大量的溝道堆積物為泥石流的發(fā)生提供了豐富的松散固體物源,而暴雨則是泥石流形成的主要引發(fā)因素。由于溝谷地形陡峻,易于匯水,水源豐富,泥石流類型主要為稀性泥石流。

泥石流規(guī)模主要與溝域內松散固體物源的累計和動態(tài)變化情況及與引發(fā)泥石流的暴雨情況相關,當溝域內松散固體物源累積較多,且遇到集中暴雨時,往往就會發(fā)生較大規(guī)模的泥石流災害。2008年泥石流后,溝域內大部分可參與泥石流的固體物源被泥石流帶走,5.12地震后,四溝里溝域內崩塌、滑坡等不良地質現(xiàn)象增多,可參與泥石流活動的松散固體物源量也大大增加,據訪問調查,目前累積的松散固體物源量已超出 2008年泥石流爆發(fā)前的物源量,一旦遭到較大暴雨的作用,勢必引發(fā)大規(guī)模的泥石流災害。

2.5 泥石流起動條件及發(fā)展趨勢

2.5.1 泥石流起動條件

物源啟動(失穩(wěn))一般受兩大因素制約,一是內在條件,具體包括:①物源本身的膠結和密實狀況,②物源現(xiàn)狀穩(wěn)定性,③物源所在邊坡地形坡度。二是誘發(fā)條件,具體包括:①水流沖刷,②降雨條件。

匯水 ～物源區(qū)堆積體結構松散,無膠結,堆積坡角30°～50°,多數物源處于不穩(wěn)定或潛在不穩(wěn)定狀態(tài),是形成泥石流的主要物質來源。流通區(qū)和堆積區(qū)中的松散堆積物較多,植被發(fā)育較差,堆積坡角 25°～45°,處于潛在不穩(wěn)定狀態(tài),是泥石流爆發(fā)的主要物源。

水流沖刷,實際上是指松散物源與水流沖溝之間的位置關系。具體而言,松散物源距水流沖溝越近,水流沖刷對其影響越大,越不利于其穩(wěn)定。故匯水 ～物源區(qū)松散物源可直接補給泥石流。

通過對楠木園村四溝里發(fā)育特征分析可知,楠木園村四溝里泥石流爆發(fā)與雨季降雨密切相關,因此降雨是誘發(fā)泥石流的首要因素,而水流沖刷一般情況下是隨著降雨作用相伴生的。

2.5.2 泥石流發(fā)展趨勢特征

如前所述,楠木園村四溝里泥石流形成—流通區(qū)不穩(wěn)定物源較豐富,并且植被發(fā)育一般,是形成泥石流的主要物質來源區(qū),并且形成—流通區(qū)溝道彎道較少,因此可以使洪水快速聚集。流通區(qū)溝谷以瘦“V”形為主,兩側陡崖發(fā)育,由于縱坡降較大,溝谷暢通,對泥石流可以起到很好的加速作用;溝谷兩側物源松散,穩(wěn)定性差,容易被泥石流攜帶,并且谷坡裸露基巖為易風化且裂隙發(fā)育的石英閃長巖,在特大暴雨條件下很可能導致局部崩塌,直接成為泥石流物源,并且可能會堵塞溝道,使泥石流產生陣流,能量集聚爆發(fā),最終形成較大規(guī)模的泥石流。堆積區(qū)平緩、寬闊,有利于泥石流攜帶的固體物質沉積。

綜合分析目前楠木園村四溝里的地形條件、固體松散物質發(fā)育狀況、水力條件等方面的因素,并結合工程地質類比分析,楠木園村四溝里潛在泥石流的類型為低頻稀性泥石流,但因“5.12”地震的影響,大量山體崩塌、滑塌,在溝中堆積了大量的松散物質,且植被大面積破壞,巖體破碎,為泥石流的發(fā)生提供了充足的物質來源,在大暴雨或特大暴雨條件下有發(fā)生泥石流的可能

3 泥石流危險性評價

3.1 泥石流危險性指數

為了分析泥石流現(xiàn)狀及對當地居民形成危害的潛在危險性,我們采用了地質災害危險性分析的方法,分析研究區(qū)泥石流危險性指數構成,

以整個楠木園村四溝里流域范圍做為分析單元,分析影響泥石流潛在活動強度的各種控制條件,在此基礎上建立泥石流危險性指數計算模型,從而確定泥石流災害的發(fā)育特征。參考前人的分析經驗,采用下式計算泥石流危險性指數(ZW):

式中:Zl、Zq為泥石流的歷史強度和潛在強度;Al、Aq為歷史強度和潛在強度的權重,分別為 0.3和 0.7;α為修正系數,泥石流取 0.46(據張業(yè)成等)。歷史災害強度按下式計算:

G、P為歷史活動規(guī)模和活動頻率的評判等級分值,根據泥石流的堆積體積和活動性各取 0～5之間的數值。該值是依據我們的工作經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、X、Q、R分別為控制泥石流形成與發(fā)展的地質條件、地形地貌條件、氣候植被條件、人為條件充分程度的標度分值,評分標準采用張業(yè)成等人的研究成果,Ad、Ax、Aq、Ar為四類泥石流形成條件的權重。K為修正系數,這里取 0.7。以上分析中所使用的權重是張業(yè)成先生等采用專家問卷調查的方法并對調查結果采用層次分析后獲得的,依據充分,結果是可信的。

根據以上標準和楠木園村四溝里的實際情況,危險性指數計算參數 D、X、Q、R值分別為 :14、16、3、2;G、P值分別為2、5;經計算潛在危險性 Zq為 6.419,歷史危險性為 10,楠木園村四溝里泥石流危險性指數 ZW為 3.447。按照危險性指數判別標準:楠木園村四溝里泥石流為危險性中等。

3.2 泥石流危害性等級評價

泥石流災害一次造成的死亡人數或直接經濟損失可分為特大型、大型、中型 4個災害等級。

表1 泥石流災害危害性等級劃分表

根據泥石流危害性評價標準,結合楠木園村四溝里泥石流災害造成的直接經濟損失,泥石流危害性等級為大型。

綜上評價結果可知,楠木園村四溝里泥石流易發(fā)程度評價為中等易發(fā),危險性指數評價為中等,危險性等級評價為大型。因此:楠木園村四溝里是一條典型的泥石流溝,中等易發(fā),危險性為中等,進行治理是勢在必行。

4 防治工程建議

泥石流治理的目標是減災、防災以確保城市規(guī)劃建設的安全為目標。根據四溝里泥石流現(xiàn)有的形態(tài)、規(guī)模以及威脅對象情況,建議采用一級攔砂壩 +防護堤進行治理。

(1)一級攔砂壩:結合泥石流現(xiàn)有的地形地貌、威脅對象以及物源分布情況,在楠木園村四溝里設置 1道攔砂壩:作用在于攔截泥沙等固體物質,調節(jié)下泄水量和輸沙量,利用回淤效應穩(wěn)定斜坡和溝谷,降低河床縱坡。具體位置參照工程布置平面圖。

(2)防護堤:針對具體居民區(qū)的防護對象,修建防護堤工程,防止泥石流亂流、漫流沖擊、於埋居民區(qū)的房屋、田地,保護當地村民生命安全。

5 結論

(1)楠木園村四溝里泥石流為易發(fā)泥石流溝,危害性大、危險性大,需要進行工程治理。

(2)楠木園村四溝里泥石流防治工程方案采用攔、排、穩(wěn)相結合的綜合治理措施。經四川省綿陽市國土局組織有關專家評審,一級攔砂壩 +防護堤治理方案可行。

[1]四川省江油市石元鄉(xiāng)楠木園村四溝里泥石流應急勘查、可行性研究、初步設計報告.化工部鄭州地質工程勘察院,2009.

[2](DZ/T0220-2006)泥石流災害防治工程勘查規(guī)范.國土資源部,2006.

[3](DZ/T0239-2004)泥石流災害防治工程設計規(guī)范.國土資源部,2006;

[4]廖興發(fā)等.地質勘察與地質災害監(jiān)測評估防治技術實用手冊,地質出版社,2002.

[5]何平等.泥石流危險性評價.地質出版社,2006.