四川省青川縣碾子村清嶺溝泥石流特征及防災(zāi)對策

張勁松，巨能攀，趙建軍

（成都理工大學(xué) 地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護國家重點實驗室，四川 成都 610059）

0 前言

清嶺溝位于四川省青川縣竹園鎮(zhèn)碾子村5社，距青川縣城喬莊73km，該溝前緣抵達白家溝，溝源為巖巖里山間腹地。5.12地震期間后緣巖巖里山脊及溝兩側(cè)山體發(fā)生大面積崩塌，地震后溝內(nèi)出現(xiàn)大量崩塌落石和松散堆積物，為泥石流的爆發(fā)提供了充足的物源。2008年8月竹園鎮(zhèn)連續(xù)的強降雨導(dǎo)致清嶺溝爆發(fā)泥石流。此次泥石流淹沒了大量的耕地及農(nóng)作物，在下游居民房旁邊拐彎處泥石流爬高達3m，沖毀居民家豬圈，最后泥石流堵塞公路橋涵并沿公路堆積64m，破壞碾子村唯一的交通生命線。目前，在老鷹巖坡腳、巖巖里山間腹地以及沿溝兩側(cè)山體殘留了大量松散物質(zhì)，一旦遭遇強降雨過程極易再次誘發(fā)泥石流災(zāi)害，嚴(yán)重威脅清嶺溝下游碾子村五社31戶居民100余人的生命財產(chǎn)及碾子公路上車輛、行人的安全。因此對清嶺溝泥石流的治理刻不容緩。

1 泥石流的形成條件

1.1 地形條件

地形地貌是形成泥石流的三個基本條件之一［1-2］。清嶺溝位于龍門山北段前山地帶，地處龍門山前緣山地泥石流帶，總體地勢為北西高、南東低，北西部為中—深切割中山區(qū)，南東以河谷地帶為主。山區(qū)地帶海拔高程一般1000～1320m，河谷地帶海拔高程一般730～750m，地貌類型屬于中—深切割中高山區(qū)。清嶺溝平面形態(tài)近似“漏斗”狀，泥石流溝長1.1km，平均寬度6～12m，流域面積0.45km2，泥石流堆積扇前緣高程約800m，泥石流溝源高程為1210m，相對高差410m，平均縱降586‰，溝谷主要呈“U”型谷，局部部位切割呈“V”型谷。最高山峰海拔1320m，最低白家溝海拔730m，相對高差590m。

清嶺溝溝谷下切作用強烈，松散堆積物較多，地表逕流集中支溝不發(fā)育。流域從地形上可以分為泥石流形成區(qū)和“流通—堆積區(qū)”，無典型的流通區(qū)。泥石流形成區(qū)高程在1100m以上，位于巖巖里山間腹地，該處坡度35°～45°，陡峻的地形條件為坡面堆積物和溝床松散堆積物的啟動提供了巨大的動能條件。此外在泥石流形成區(qū)與“流通—堆積區(qū)”之間發(fā)育一高差約50m的陡坎，陡坎近直立，一旦位于形成區(qū)的物源啟動后經(jīng)過此陡坎的加速將會達到很高的速度和動能，勢必會對下游區(qū)威脅對象造成更大的破壞?！傲魍ā逊e區(qū)”地處800～1100m高程，此段溝長700m，深3～10m，溝谷形態(tài)呈 U型，該段縱坡降428‰，陡坎發(fā)育，順溝發(fā)育4處陡坎，高度3～10m，陡坎部位多基巖裸露。兩岸坡體較陡，坡度 ＞45°局部近直立。較大的地形高差，使處于斜坡高處的風(fēng)化巖體具有較大勢能，為形成崩塌、滑坡創(chuàng)造了有利臨空條件；在地震影響下，陡急的山坡和溝床為坡面和溝床松散堆積物能的釋放和勢能轉(zhuǎn)化為動能提供了有利條件，為溝中洪水強烈沖刷坡面和溝床松散堆積物、高速泥石流匯流形成了巨大的動能條件［3］。清嶺溝泥石流堆積于溝口公路橋涵處，呈扇形，堆積層厚度3～8m，堆積物主要為陽新組灰?guī)r，最大塊徑達2.5m，由于堆積處地勢平坦，泥石流沿公路運動，淤埋公路長達64m。

1.2 泥石流物源條件

清嶺溝位于碾子背斜西側(cè)，區(qū)內(nèi)斷裂帶發(fā)育，巖體容易發(fā)生崩塌等地質(zhì)災(zāi)害進而為泥石流提供物源。出露地層主要有二疊系吳家平組、陽新組灰?guī)r；三疊系飛仙關(guān)組泥巖。松散固體物質(zhì)的形成與地質(zhì)背景條件和地質(zhì)營力有關(guān)，泥石流固體物源累積過程多與不良地質(zhì)現(xiàn)象和人類工程活動聯(lián)系在一起。在“5.12”地震時期，大面積的山體發(fā)生崩塌、滑坡，為震區(qū)泥石流的發(fā)生提供了豐富的物源條件。清嶺溝泥石流形成區(qū)固體物質(zhì)按成因類型分，主要包括：殘坡積物、崩坡積物、溝床淤積物、泥石流堆積物以及滑坡堆積物。根據(jù)野外地質(zhì)調(diào)查，清嶺溝泥石流形成區(qū)共有1處潛在不穩(wěn)定滑坡、3處危巖體和1處形成于“5.12”地震時期的崩坡積物。

1.2.1 不穩(wěn)定滑坡分析

在清嶺溝泥石流形成區(qū)北西側(cè)發(fā)育一處潛在不穩(wěn)定斜坡—老鷹巖（圖1），在“5.12”地震時期老鷹巖曾發(fā)生大面積崩塌，崩積物堆積于坡腳，成為清嶺溝泥石流潛在的物源。老鷹巖山體受“5.12”地震影響，巖體中節(jié)理極其發(fā)育，巖體成塊狀-次塊狀，在老鷹巖山體后部可見直徑3m左右，深2.5m長65m的寬大裂縫，并同時發(fā)育多條直徑30cm左右的小裂縫；在暴雨及地震等荷載的作用下，后緣寬大裂縫、巖體中的軟弱結(jié)構(gòu)面及“5.12”地震時期形成的裂縫極易貫通，發(fā)生整體滑坡。采用極限平衡理論對老鷹巖潛在不穩(wěn)定斜坡進行計算，考慮實際斜坡可能面臨：①天然；②暴雨；③地震；④地震 +暴雨4種工況，所以計算時分別考慮上述4種工況對斜坡的影響。巖土體參數(shù)及老鷹巖不穩(wěn)定斜坡穩(wěn)定性計算結(jié)果分別見表 1、表 2。

計算結(jié)果顯示老鷹巖斜坡在天然狀況下處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，但是在暴雨、地震、地震+暴雨不利工況下斜坡將有失穩(wěn)的可能。老鷹巖潛在不穩(wěn)定斜坡失穩(wěn)方量在1.98×104m3左右，一旦失穩(wěn)將大大增添清嶺溝泥石流的物源量。

圖1 老鷹巖不穩(wěn)定斜坡剖面圖Fig.1 Section of the LaoYingYan unstable slope

表1 潛在不穩(wěn)定斜坡巖體力學(xué)參數(shù)Table 1 Rock mechanical parameters of the potential unstable slope

表2 斜坡穩(wěn)定性計算結(jié)果Table 2 The calculated results of the slope stability

1.2.2 危巖體及其他類型物源特征分析

由于受到地震和風(fēng)化的影響，在泥石流形成區(qū)及溝道兩側(cè)發(fā)育3處規(guī)模較大的危巖體，受構(gòu)造、風(fēng)化以及地震的影響危巖所在山體巖體結(jié)構(gòu)較破碎，巖體被節(jié)理切割成塊狀-次塊狀，節(jié)理長度不等，最大超過15m，張開5～20cm，間距1～2m不等，無充填。危巖體在自重、動靜水壓力及地震荷載的影響下極易產(chǎn)生崩塌，由于溝道兩側(cè)山體坡度較陡，坡面臨空條件較好，崩塌物最終將堆積于溝道內(nèi)成為泥石流的物源，崩塌物總量可達0.9×104m3。在“5.12”地震期間，物源區(qū)的巖巖里及老鷹巖山體發(fā)生大面積崩塌，大量的崩塌物堆積于坡腳，堆積物厚度3～15m，體積達13.5×104m3，堆積物多為塊石及第四系松散物質(zhì)，且坡度＞40°，所以堆積物穩(wěn)定性較差，在暴雨的影響下堆積物容易失穩(wěn)，成為清嶺溝泥石流的物源。此外在2008年8月清嶺溝曾經(jīng)爆發(fā)過泥石流，筆者沿溝調(diào)查時發(fā)現(xiàn)溝道內(nèi)殘留2m以上泥石流堆積物，在暴雨時這些溝道內(nèi)的先前泥石流堆積物也勢必會成為下次泥石流的物源。另外，清嶺溝兩側(cè)多為耕地及第四系松散堆積物，在暴雨及水流強烈沖刷下容易發(fā)生坍塌，成為泥石流的物源。據(jù)調(diào)查統(tǒng)計清嶺溝流域內(nèi)泥石流固體物源總量為19.64×104m3（表3）。由此可見清嶺溝泥石流的物源非常充足。

表3 清嶺溝泥石流物源統(tǒng)計情況Table 3 The source statistical of Qingling Ditch debris flow

1.3 水源條件

一定的水源是泥石流活動的必要物質(zhì)條件之一，地震后的強降雨過程是誘發(fā)泥石流的動力因素，泥石流暴發(fā)是大量前期累積雨量和當(dāng)次激發(fā)雨強共同作用下的結(jié)果［4］。2008年8月該區(qū)發(fā)生連續(xù)降雨，在8月25日發(fā)生強降雨，24h降雨量達230mm，導(dǎo)致清嶺溝爆發(fā)了泥石流災(zāi)害。清嶺溝地處四川北部邊緣山區(qū)，屬亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候，雨量充沛而集中，年降雨量1021.7mm，但季節(jié)分配不均勻，主要集中在7～9月，占全年降雨量的50％以上，一般出現(xiàn)在8月上旬或中旬的年最大日降雨量為80～100mm。據(jù)四川省水文手冊，該區(qū)24h最大降雨量110mm，6h最大降雨量90mm，1h最大降雨量40mm，10min最大降雨量11.5mm。這樣的雨量已達到或超過中國一些半干旱、半濕潤泥石流強烈活動地區(qū)的降水量。

Ching-Weei Lin等人對于臺灣集集大地震對滑坡泥石流的影響得出震后泥石流起動的小時雨強和臨界累積雨量比震前降低1/3［5］。所以，地震以后爆發(fā)泥石流所需雨量會大大降低。另外，中國氣象局成都?xì)庀笏羰缛A認(rèn)為在汶川強震區(qū)日降雨量≥20mm，誘發(fā)滑坡泥石流可能性很大［6］。因此，清嶺溝具備爆發(fā)泥石流的雨量要求。

2 泥石流動力學(xué)特征

2.1 泥石流流體重度

由于沒有現(xiàn)場觀測的泥石流重度值，所以采用經(jīng)驗法確定。通過訪問當(dāng)?shù)鼐用?，現(xiàn)場采用水土比例試驗，根據(jù)當(dāng)?shù)鼐用衩枋觯贸鏊帘壤秊?∶4，選取有代表性的堆積物攪拌成暴發(fā)時的泥石流流體形態(tài)，然后分別測出樣品的總質(zhì)量和總體積，按照下式求出泥石流流體的重度：

γc=Gc/V

式中：γc——泥石流流體重度；

Gc——樣品的總質(zhì)量；

V——樣品的總體積。

計算得出清嶺溝泥石流流體重度為1.61g/cm3，為粘性泥石流。

2.2 泥石流流速

泥石流流速的計算公式大多為經(jīng)驗與半經(jīng)驗公式，依照國家泥石流災(zāi)害防治工程勘查規(guī)范，采用如下公式計算：

式中：γH——泥石流固體物質(zhì)重度；

Hc——計算斷面的平均泥深；

Ic——泥石流水力坡度；

n——泥石流溝床的糙率系數(shù)；

φ——泥石流泥砂修正系數(shù)。

清嶺溝泥石流典型斷面流速采用上式計算結(jié)果見表4。

表4 清嶺溝典型斷面流速計算結(jié)果Table 4 The calcu lated results of velocity of flow for Qingling Ditch's typical section

2.3 泥石流流量

泥石流流量確定方法有現(xiàn)場靜態(tài)調(diào)查和雨洪計算兩種方法，場靜態(tài)調(diào)查法計算公式如下：

Qc=Vc×Fc

式中：Fc——泥石流過流斷面面積，根據(jù)測量泥石流爬起高度及溝寬確定；

Vc——泥石流流速。

雨洪計算法計算公式如下：

Qc=KQ×QB×D

式中：D——堵塞系數(shù)，根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查取值1.1；

QB——清水洪峰流量，按四川省水文手冊中計算公式計算；

KQ——泥石流流量修正系數(shù)，按下式計算：

γC——泥石流容重；

γH——泥石流固體物質(zhì)容重；

φ——泥石流泥砂修正系數(shù)。

清嶺溝泥石流典型斷面流量的計算采用上面兩種基本方法，最后進行綜合取值（表5）

表5 清嶺溝典型斷面流量計算結(jié)果Table 5 The calculated results of discharge for Qingling Ditch's typical section

2.4 一次泥石流總量和沖出固體物質(zhì)總量

一次泥石流總量Q計算，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，將其過程概化成“五角形”［7］。計算公式如下：

Q=0.264×T×Qc

一次沖出固體物質(zhì)的總量QH按下式計算：

QH=Q（γC- γw）/（γH- γw）

式中：γH——泥石流固體物質(zhì)容重；

γC——泥石流容重；

γw——水容重。

計算頻率取5％，根據(jù)上述公式，可得該溝一次泥石流總量和相應(yīng)的固體物質(zhì)總量（表6）。

表6 一次泥石流過流總量及沖出固體物質(zhì)總量計算結(jié)果Table 6 Calculated results of debris flow and washing solid matter gross for once mud flow

3 泥石流防治措施

3.1 防治目的

針對老鷹巖潛在不穩(wěn)定滑坡，及在“5.12”地震中形成的老鷹巖下部腹地堆積的大量崩塌堆積物在暴雨條件下失穩(wěn)的可能性較大，易沿清嶺溝發(fā)生泥石流，威脅下游居民、耕地、公路車輛及行人的安全。防治的目的主要是有針對性的采取各種措施防止和減輕泥石流的危害性。

3.2 綜合防治措施

攔擋工程布置的主要目的在于消峰減流，減小泥石流流速和流量，并阻擋泥石流溝內(nèi)的大石塊，減少一次泥石流活動的物源量，保證下方排導(dǎo)槽正常使用和經(jīng)攔擋后泥石流剩余物質(zhì)的順利下瀉，同時通過泥石流物質(zhì)回淤壓腳起到穩(wěn)固溝床和減輕溝岸崩滑的作用。清嶺溝泥石流攔擋工程主要針對“流通—堆積區(qū)”的溝道堆積型物源、后緣老鷹巖斜坡坡腳殘留的崩積物、老鷹巖不穩(wěn)定斜坡等集中物源進行工程布置。以泥石流柵攔和攔砂壩的形式，達到治理目的。在已選定的壩址擬建一處攔砂壩，一處泥石流柵欄。攔砂壩主要針對“流通—堆積區(qū)”溝道堆積物，攔砂壩設(shè)計壩高6m，基礎(chǔ)埋深2.5m，壩頂長度24.4m，壩底長度14.0m，布置在溝道817m高程斷面處，該處溝底及溝道兩側(cè)出露基巖，設(shè)計壩體兩側(cè)及壩底均鑲嵌進入基巖里，因此在此處布置攔砂壩可以保證壩體穩(wěn)定性，且?guī)烊萘看罂梢云鸬胶芎玫幕赜賶耗_作用；泥石流柵攔主要針對泥石流形成區(qū)坡表殘留的崩塌堆積物及潛在的老鷹巖不穩(wěn)定斜坡所產(chǎn)生的體積大、破壞大的大塊石，由于在形成區(qū)與“流通堆積區(qū)”之間有一處較大的陡坎，高差達50m，在此位置布置泥石流柵攔可以很好的攔截大塊石的啟動，防止大塊石啟動后通過陡坎加速對下游攔砂壩的沖擊破壞，通過計算，選用的泥石流柵攔為 UX—150型，高度7m，寬14m，布置于溝道995m高程位置的泥石流形成區(qū)與泥石流流通—堆積區(qū)交界陡坎上部，該處溝底及溝道兩側(cè)灰?guī)r出露，泥石流柵欄通過鋼繩、錨桿及鋼柱固定于灰?guī)r內(nèi)。

由于在下游居民家附近溝道彎道較急，泥石流爬起較高，為防止泥石流對其房屋造成破壞在此處擬建一道排導(dǎo)槽，考慮泥石流超高，在靠近居民房的右側(cè)對排導(dǎo)槽進行加高。

公路橋涵處高程為753m，原始公路橋涵斷面長、寬尺寸為：1.8m×1.2m，經(jīng)計算發(fā)現(xiàn)原公路橋涵的過流能力達不到要求（原始橋涵過流量為10.5m3/s＜33.5m3/s）；受2008年8月25日泥石流影響，涵洞口已被泥石流堆積物堵塞。所以應(yīng)對原橋涵進行改建，主要是加寬和加深涵洞口，以達到其過流要求，改建后的涵洞口斷面尺寸4m×3.5m。綜合治理見圖2。

圖2 清嶺溝不良地質(zhì)分布及綜合治理圖Fig.2 Map of The geological hazard distribution and the proventron comprehensive areasares of Qingling gulty

4 結(jié)論

（1）清嶺溝泥石流溝為“5.12”特大地震后才發(fā)生的泥石流溝，地震為泥石流提供了豐富的物源，清嶺溝泥石流為高中頻—粘性—暴雨—山區(qū)溝谷型泥石流。

（2）清嶺溝流域內(nèi)具有泥石流發(fā)育的良好條件。從地形上，清嶺溝溝谷落差較大，地形陡，跌坎發(fā)育。從物源上，溝域內(nèi)物源豐富，可提供泥石流的固體物源總量達19.64×104m3。從降雨角度，清嶺溝所在區(qū)域的降雨量以達到或超過爆發(fā)泥石流所需要的雨量。

（3）清嶺溝泥石流主要為短時集中降雨激發(fā)，降雨是引發(fā)泥石流的主要因素。

（4）防治對策主要是“攔排結(jié)合”的綜合治理措施。

致謝：一同參與野外地質(zhì)地質(zhì)調(diào)查與室內(nèi)試驗的還有易志堅、楊珩，在此對他們表示感謝。

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