四川省安縣魏家灣泥石流災(zāi)害形成條件及發(fā)展趨勢分析

胡元君

(河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第一地質(zhì)工程院,河南 駐馬店 463000)

“5.12”汶川大地震給災(zāi)區(qū)人民造成了巨大的災(zāi)難,地震造成的地質(zhì)災(zāi)害活動還將在較長一段時間內(nèi)處于活躍期。“5.12”汶川大地震后,流域內(nèi)的王爺廟溝和王家溝 2條支溝多次發(fā)生較大規(guī)模泥石流(見圖 1),魏家灣泥石流溝的主溝雖未發(fā)生泥石流,但具備有利于發(fā)生泥石流的地形、物源和水源條件,泥石流暴發(fā)的規(guī)模和頻率將顯著增加,威脅當(dāng)?shù)鼐用竦纳敭a(chǎn)安全,同時也威脅到溝口曉茶公路等基礎(chǔ)工程設(shè)施。

圖1 魏家灣泥石流流域略圖

1 泥石流形成條件分析

1.1 地形條件

1.1.1 區(qū)域地形條件

魏家灣地處龍門山脈茶坪山東側(cè)的中山地區(qū),地勢北高南低,流域內(nèi)上游寬、中下游窄,形成不規(guī)則的漏斗狀,因受構(gòu)造侵蝕和溶蝕等地質(zhì)作用的影響,地形切割較深,一般切割深度為 500～1 000 m,谷坡陡峻,坡度達(dá) 45°～60°。相對高差大,地形陡峻,溝床縱坡大,為泥石流形成提供了有利的地形條件。

1.1.2 主溝地形條件

魏家灣泥石流溝的主溝長度 11.94 km,相對高差1 285m,平均每公里水平距離升高 107.6 m,其中上游(溝頭到柿子園處)溝道縱坡降為 145‰,下游(三岔河處到茶坪河河灘)溝道縱坡降為 41‰,溝道平均縱坡降為 108‰。地形坡度多在 35°以上,存在巨大的相對高度,山坡上分布的松散巖土體對溝口而言,均存在有巨大的位能,在條件適宜時就會轉(zhuǎn)化為啟動和搬運(yùn)巖土體的巨大的動力來源。

1.1.3 支溝地形條件

流域內(nèi)支溝王爺廟溝溝道長度 2.75 km,相對高差1 182m,平均每公里水平距離升高 429.8m,平均縱坡降為430‰,并有多級跌坎;支溝王家溝溝道長度約 2.10 km,相對高差達(dá)1 144 m,平均每公里水平距離升高 544.7m,王家溝溝平均縱坡降為 545‰,也有多級跌坎;支溝地形坡度多在45°以上,通常松散土石體的休止角為 35°,支溝山坡上的松散固體物質(zhì)處于不穩(wěn)定狀態(tài)。在雨水或其他外力作用下,這些物質(zhì)一旦失去平衡,便會啟動,在陡峻的山坡上,位能將迅速轉(zhuǎn)化為動能,為泥石流形成物質(zhì)的啟動和聚積提供強(qiáng)大的動力。同時這些地形特征十分有利于坡面的固體物質(zhì)以面蝕、崩塌、滑坡和坡面泥石流方式向溝內(nèi)聚積,支溝物質(zhì)以支溝泥石流或高含沙水流的方式向主溝聚積。

1.2 物源條件

1.2.1 松散固體物質(zhì)的來源

魏家灣流域主要出露古生界(S2-3、D1pn、D2gn、D3tn、C、P)和中生界(T1f+t)地層,巖性主要為灰白色石灰?guī)r(90%以上)和少量的紫紅色泥巖、粉砂巖,巖體質(zhì)地堅硬、致密,抗風(fēng)化能力強(qiáng)。該區(qū)域為龍門山褶斷帶與四川盆地結(jié)合部位,溝域內(nèi)斷層發(fā)育,共發(fā)育四條北東 -西南向斷裂,這些斷裂的活動使一定范圍內(nèi)的巖體遭到強(qiáng)烈破壞。5.12汶川特大地震該流域地震烈度達(dá)Ⅷ～Ⅸ度,直接導(dǎo)致流域內(nèi)新發(fā)生崩塌、滑坡災(zāi)害點(diǎn) 48處。震后多條支溝發(fā)生泥石流,沖出物堆積于溝道內(nèi)。這些因素的綜合作用,為泥石流提供了豐富的松散碎屑物質(zhì)。

1.2.2 松散固體物質(zhì)儲量估算

物源類型主要包括崩滑塌堆積物、滑坡堆積物和溝床堆積物三大類,松散碎屑物質(zhì)物源點(diǎn)主要分布于魏家灣從柿子園向南一直到溝口的溝道及其兩側(cè)河床向上到山脊線之間的部分。經(jīng)勘查統(tǒng)計計算魏家灣主溝物源總量為1 148×104m3,物源動儲量為 230×104m3,各支溝物源量詳見表 1。

表1 魏家灣主溝及支溝泥石流物源統(tǒng)計表 104 m3

1)崩塌堆積物

魏家灣溝道內(nèi)崩塌堆積體一般是自分水嶺向溝床邊緣逐漸變厚,其剖面為一近三角形,求坡地上崩塌松散固體物源量時,采用三棱柱體法計算;魏家灣溝道內(nèi)崩塌堆積體共計 26個(中型 4個,小型 22個),為泥石流提供松散固體物源總量 94×104m3,可直接參與泥石流活動的動儲量為32 ×104m3。

2)滑坡堆積物

滑坡滑動面大致可看成是一個近似的弧形滑動面,用求滑坡平均厚度的弓形均高法計算滑坡體積;魏家灣溝道內(nèi)滑坡共計 22個(中型 5個,小型 17個),為泥石流提供松散固體物源總量 228×104m3,可參與泥石流活動的動儲量為41×104m3。

3)溝床堆積物

溝床上、中、下游松散固體物質(zhì)的斷面具有不同的形狀(V型、U型、梯形等)和可沖深度(坡度越陡,可沖深度越深),分別乘以溝段長度來估算溝床松散固體物源量。溝道堆積物源總量約為 825×104m3,可直接參與泥石流活動的動儲量為 157×104m3。

崩滑堆積物源為 5.12地震后新增主要物源量;溝道堆積物源中,因支溝泥石流沖入主溝道而形成的部分也屬 5.12地震新增儲量。因此,震后新增物源總量 865×104m3,占物源總量的 75%;新增物源動儲量 204×104m3,占物源動儲量的 89%。流域內(nèi)震后新增物源量,特別是動儲量所占比例大,為泥石流提供了豐富的物源。

2.3 水源條件

工作區(qū)屬中亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候區(qū),雨量充沛,年降水量在 1500～1700mm之間。區(qū)內(nèi)干濕季分明,降水高度集中于雨季,主要集中在 5～10月份,占年降雨量 87%(見圖 2),大部分以暴雨、大暴雨,甚至特大暴雨形式降落,日最大降雨量達(dá) 470mm/d(P=1%),同時流域內(nèi)植被覆蓋率較高,多雨帶海拔高,氣溫低,蒸發(fā)量小,雨季流域內(nèi)的土壤總處于飽和狀態(tài)。當(dāng)暴雨襲臨時,由于山坡和溝床都十分陡峭,加之土壤處于飽和狀態(tài),因此幾乎全部降水轉(zhuǎn)化為坡面徑流和溝谷洪流,山坡和溝床物質(zhì)在強(qiáng)大的坡面徑流和溝谷洪流的作用下啟動形成泥石流。

圖2 四川安縣降水量月份分配圖

3 泥石流發(fā)展趨勢分析

3.1 泥石流易發(fā)程度分析與評價

3.1.1 數(shù)量化評分法

根據(jù)泥石流流域基本特征和參數(shù),按照《泥石流災(zāi)害防治工程勘查規(guī)范》(DT/T0220—2006)附錄 G“泥石流溝的數(shù)量化綜合評判及易發(fā)程度等級標(biāo)準(zhǔn)”見表 2,對魏家灣泥石流易發(fā)程度進(jìn)行評分,評分結(jié)果見表 3,魏家灣泥石流易發(fā)程度評分為 100分,其易發(fā)程度屬中等易發(fā),震后魏家灣泥石流已由低頻泥石流演化為中頻泥石流,危險性增大。

3.1.2 經(jīng)驗公式法

采用暴雨泥石流發(fā)生與否的綜合判別式經(jīng)驗公式。暴雨泥石流發(fā)生與否的綜合判別式為:

式中:Y為泥石流發(fā)生的綜合判別指標(biāo);當(dāng) Y＞35時,發(fā)生泥石流的機(jī)率約為 85%;當(dāng) Y＜25時,不發(fā)生泥石流的機(jī)率約為 83%;當(dāng) Y=25～35時,即介于泥石流可能發(fā)生與不發(fā)生之間,而發(fā)生的機(jī)率約為 64%。R為降雨條件函數(shù);M為流域環(huán)境動態(tài)函數(shù)。降雨條件函數(shù):

式中:H24為 24小時或日降雨量(mm);H1為最大小時降雨量(mm);H1/6為最大十分鐘降雨量(mm);K為有前期降雨的修正系數(shù):K取 1.1;H24(D)為可能發(fā)生泥石流的 24小時降雨量限界值;H1(D)為可能發(fā)生泥石流的 1小時降雨量限界值;H1/6(D)為可能發(fā)生泥石流的十分鐘降雨量限界值。

H24(D)、H1(D)、H1/6(D)、按各地區(qū)限雨量值分別取值為 60、20、10。根據(jù)收集的資料,H24、H1、H1/6取值分別為 :150、55、15,計算 R=7.43。

流域環(huán)境動態(tài)函數(shù):

式中:Ki為易發(fā)因素動態(tài)統(tǒng)計權(quán)重;Ni為易發(fā)因素數(shù)量化評分值;M為泥石流流域環(huán)境動態(tài)函數(shù),單因素量化值見表 4。

根據(jù)上述公式計算的 R和 M值,代入(1)式,得 Y=71.35,計算結(jié)果表明,當(dāng)降雨量 H24、H1、H1/6值分別大于或等于 150mm、55mm、15 mm時,魏家灣泥石流溝發(fā)生泥石流的機(jī)率約為 85%。

表2 泥石流溝易發(fā)程度綜合評分表

表3 魏家灣泥石流易發(fā)程度數(shù)量化評分表

3.2 泥石流發(fā)展階段

泥石流溝的發(fā)展階段可以通過泥石流溝的發(fā)育特征進(jìn)行判斷。魏家灣主溝侵蝕速度大于支溝侵蝕速度,溝口扇形堆積地形較發(fā)育,溝坡陡峻,兩側(cè)不良地質(zhì)現(xiàn)象發(fā)育,松散堆積物呈高邊坡堆積等。通過與《泥石流災(zāi)害防治工程勘查規(guī)范》(DT/T0220—2006)附錄 C對比判斷,魏家灣目前正處于壯年期,泥石流暴發(fā)的可能性較大。

表4 流域環(huán)境動態(tài)因素量化表

3.3 泥石流發(fā)展趨勢預(yù)測

根據(jù)對泥石流成因機(jī)制和引發(fā)因素的分析,魏家灣屬暴雨溝谷型泥石流,泥石流規(guī)模主要與流域內(nèi)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(guān),當(dāng)流域內(nèi)松散固體物源累計較多,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(zāi)害。5.12地震后,魏家灣流域內(nèi)崩塌、滑坡等不良地質(zhì)現(xiàn)象廣泛發(fā)育,可參與泥石流活動的松散固體物源量大大增加,引發(fā)泥石流的臨限雨量大大降低,一旦遭到大暴雨作用,勢必引發(fā)大規(guī)模泥石流災(zāi)害。

4 結(jié)論

(1)魏家灣流域內(nèi)具備泥石流發(fā)育的有利條件。地形陡峻,縱坡大,有利于泥石流物質(zhì)的匯集和成災(zāi);松散固體物源豐富,固體物源總量達(dá)1 148×104m3,可參與泥石流活動的動儲量為 230×104m3;降雨充沛、集中且多強(qiáng)降雨,水源條件豐富,具備發(fā)生泥石流的基本條件。

(2)通過泥石流易發(fā)程度打分,魏家灣主溝泥石流易發(fā)綜合得分值為 100,屬中等易發(fā);王家溝及王爺廟支溝泥石流易發(fā)綜合分值 116,屬極度易發(fā)。因此,一旦發(fā)生集中暴雨,其形成大規(guī)模泥石流的可能性較大。

(3)由于泥石流易發(fā)程度高,特別是 5.12地震后,溝內(nèi)不良地質(zhì)現(xiàn)象增多,可參與泥石流活動的松散固體物源量增多,泥石流危險性增大,且危害嚴(yán)重,應(yīng)對其實施應(yīng)急防治工程為宜。

[1](DT/T0220—2006)泥石流災(zāi)害防治工程勘查規(guī)范[S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2006.

[2]譚炳炎,泥石流活動評估與防治[R].北京:國土資源部地質(zhì)環(huán)境司,2004.

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

[4]四川省安縣魏家灣泥石流治理工程應(yīng)急勘查報告 河南省地礦局第一地質(zhì)工程勘察院 2010.

[5](GB 50021—2001).巖土工程勘查規(guī)范.

[6]地質(zhì)災(zāi)害防治工程勘察規(guī)范 (重慶市地方標(biāo)準(zhǔn)),2004.