小金縣夾巴溝泥石流形成條件及運動特征

蔣歡歡，鄧英爾，袁 婷

(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)

泥石流是山區(qū)特有的一種自然現(xiàn)象。它是由于降水而形成的一種帶大量泥沙、石塊等固體物質(zhì)的特殊洪流［1］。泥石流具有爆發(fā)突然，歷時短暫，來勢兇猛，破壞力極強等特點［2］。我國山區(qū)面積占國土總面積的三分之一，是個多山的國家，泥石流分布廣泛，危害嚴重［3］?！?·12”汶川大地震不但造成了大量的人員傷亡和財產(chǎn)損失，而且還引發(fā)了大量的次生地質(zhì)災(zāi)害，如泥石流等，給當?shù)氐娜嗣裆敭a(chǎn)構(gòu)成了極大威脅，嚴重影響了地震災(zāi)區(qū)抗震和災(zāi)后恢復(fù)重建工作進度。夾巴溝泥石流位于小金縣結(jié)斯鄉(xiāng)小爾普村一組，距離小金縣城中心約32 km處。夾巴溝一旦發(fā)生泥石流，將對大灣村一組22人及小爾普村86人的生命安全造成嚴重威脅。因此，研究夾巴溝泥石流形成條件及運動特征，提出防治泥石流的有效措施具有重大意義。

1 夾巴溝泥石流形成基本條件

夾巴溝主要由主溝夾巴溝和支溝大灣溝及多出小型支溝組成。依據(jù)泥石流的匯水條件、山坡坡度、巖層性質(zhì)，災(zāi)害發(fā)育情況及可能形成泥石流固體物質(zhì)的分布范圍等，由上游至下游，將夾巴溝泥石流劃分為三個區(qū):形成區(qū)、流通區(qū)、堆積區(qū)，見圖1。

受5·12地震影響，溝谷斜坡崩塌發(fā)育，植被破壞，生態(tài)環(huán)境遭受嚴重破壞，水土流失嚴重，大量固體物質(zhì)和枯木滑落到溝道內(nèi)造成堵塞，為泥石流的發(fā)育提供了大量松散固體物源。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，該地山高谷深坡陡且降雨豐富，曾經(jīng)發(fā)生過泥石流，地震后隨著物源的增加，在暴雨等不利情況下，發(fā)生較大泥石流的可能性較大。

2.1 氣象水文

研究區(qū)地處青藏高原東南邊緣的高山峽谷地帶，區(qū)內(nèi)具有高原型季風(fēng)氣候特征，境內(nèi)氣候隨地勢增高呈較為明顯的暖溫、溫、寒溫、亞寒、寒和永凍帶分布。

該區(qū)全年降水季節(jié)分配為:夏季(6月～8月)降水量為占全年總量的47.43%，冬季(12月～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%。5月～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%，其余月份占全年的13.7%。月平均最小值出現(xiàn)在12月，僅1.5 mm。區(qū)內(nèi)年平均降水量617.6 mm，50年一遇降水量805.2 mm(2004年)，年日最大降水量37.1 mm(1984年6月8日)，日最大平均降水量30.1 mm，具備引發(fā)泥石流災(zāi)害的降雨條件，且支溝發(fā)育，呈樹枝狀排列，溝內(nèi)地形陡峻，溝谷上游及各支溝縱坡很大，有利于地表降水的徑流和匯集，這些因素為夾巴溝泥石流的形成提供了有利的水源條件。

圖1 夾巴溝分區(qū)圖

1.2 地形地貌條件及溝道條件

夾巴溝泥石流位于小金縣的東北部，屬于高山區(qū)及山間溝谷地帶，區(qū)內(nèi)高山林立，河流深切，地表為西高、東低，地貌以高山峽谷地帶為主，工作區(qū)內(nèi)最高海拔4 900，最低海拔3 140 m。相對高差約1 760 m。泥石流流域面積為47.3 km2。坡面形態(tài)呈扇形，上寬下窄。區(qū)內(nèi)樹枝狀水系密布，主要發(fā)育兩條季節(jié)性沖溝，斷面形態(tài)呈下游呈“U”型，上游呈“V”型。切割深度一般500～800 m，溝谷較為狹窄，溝床寬5～20 m，局部較寬。溝域范圍及地形特征如圖2。

夾巴溝支溝較發(fā)育，溝域呈樹枝狀展布，主溝為夾巴溝，較大的支溝有6條。其西側(cè)溝口附近支溝為大灣溝，在主溝溝源附近發(fā)育較大支溝有3條，其中包括牛場溝、背失溝和九匹崗溝，主要支溝大灣溝內(nèi)發(fā)育次級支溝，其中較大的支溝包括半節(jié)溝、大灣牛場溝。主溝夾巴溝溝長約10.9 km，溝域面積31.3 km2，相對高差1 686 m，平均縱坡168‰;大灣溝溝谷長約6.6 km，溝域面積16 km2，相對高差1 630 m，平均縱坡187‰。

圖2 夾巴溝泥石流溝域范圍及特征三維圖

1.3 物源條件

夾巴溝泥石流松散固體物源較豐富，其物源類型主要分為崩滑體堆積物源、溝床堆積物源和坡面侵蝕物源。

1.3.1 崩滑堆積物源

崩滑堆積物源主要分布于支溝溝岸及溝源部位，分布較為廣泛。其中主溝夾巴溝及支溝大灣溝坡積物相對較多，其它支溝崩滑堆積物較少發(fā)育。

崩塌類物源根據(jù)其崩塌源的不同主要可分為兩種類型。

一類發(fā)育于三疊系上統(tǒng)侏倭組板巖中，這類崩塌堆積物源主要分布于主溝中上游游，其特點主要為表巖性破碎，崩塌堆積物塊度相對較小，且規(guī)模也往往較小，崩塌數(shù)量較少。如夾巴溝上段(見圖3)和大灣溝中段(見圖4)等崩塌堆積體。

第二類主要發(fā)育于三疊系中統(tǒng)雜谷腦組砂巖中，主要分布于夾巴溝中下游溝谷兩側(cè)和大灣溝溝谷兩側(cè)，如夾巴溝下段崩塌(見圖5)、大灣溝下段(見圖6)，崩塌規(guī)模往往較大，且數(shù)量眾多。

圖3 夾巴溝上段崩塌堆積物

圖4 大灣溝中段崩塌堆積物

圖5 夾巴溝下段崩塌堆積物

圖6 大灣溝下段崩塌堆積物

1.3.2 溝床堆積物源

溝床堆積物源參與泥石流活動的方式主要為溝床的揭底沖刷，其可參與泥石流活動的物源量主要為溝底拉槽下切可能掏蝕的部分及拉槽下切后，兩側(cè)岸坡可能失穩(wěn)進而參與泥石流活動的物源兩部分組成。

夾巴溝溝床堆積的松散固體物源主要分布在大灣溝與夾巴溝交匯以上的溝段，溝床寬5～15 m，平均寬約8 m，溝段長約7.4 km，堆積物平均厚度約2 m，物源總儲量約11.84×104m3，如圖7所示。

圖7 夾巴溝上游溝道堆積物

大灣溝溝床堆積的松散固體物源主要分布在大灣溝與夾巴溝交匯以上的溝段，溝床寬5～10 m，平均寬約7 m，溝段長約3.1 km，堆積物平均厚度約2.5 m，物源總儲量約5.43×104m3，如圖8所示。

1.3.3 坡面侵蝕物源

夾巴溝溝域內(nèi)高處植被覆蓋率較高，森林覆蓋率達40%～60%，生態(tài)環(huán)境較好。因此區(qū)內(nèi)水土流失輕微，可提供泥石流活動的面狀物源較少，但溝道中上游地區(qū)主要由于過度砍伐樹木，植被覆蓋率很低，且斜坡表部強風(fēng)化巖體碎裂松散，據(jù)現(xiàn)場初步調(diào)查，侵蝕物源主要由于林場大量砍伐樹木，形成禿山，造成植被破壞，水土流失嚴重，如圖9所示。

泥石流溝流域內(nèi)水土流失面狀物源區(qū)面積共約0.24 km2，平均厚度約1 m，可提供松散固體物源總量約24×104m3，按特大暴雨條件下侵蝕厚度0.05 m，可參與泥石流活動的動儲量約 1.2 ×104m3。

圖8 大灣溝上游溝道堆積物

圖9 夾巴溝下游坡面侵蝕物源區(qū)

2 泥石流運動特征

由于缺乏泥石流監(jiān)測資料，因此，夾巴溝泥石流基本特征值的計算主要參照和利用野外調(diào)查和訪問獲取的泥位、溝道斷面特征等進行。

2.1 泥石流容重

由于夾巴溝泥石流以往沒有監(jiān)測資料，只能通過配方法和查表法來確定，通過兩種方法對比并結(jié)合實際情況，本次泥石流重度的綜合取值采用泥石流易發(fā)程度(N)查(N－γc－1+ φ)對照表［4］，得主溝夾巴溝泥石流重度為 1.703 t/m3，支溝大灣溝泥石流重度為1.752 t/m3，九匹崗溝泥石流重度為 1.565 t/m3。

2.2 泥石流流速

對夾巴溝溝段及其支溝，泥石流重度為1.565～1.752 t/m3，為稀性泥石流，考慮主溝暴發(fā)大規(guī)模泥石流需較大降雨量和強大的水動力條件，而雨量大的條件也使流體性質(zhì)將偏于稀性，因此其流速采用稀性泥石流流速計算公式［5］:

式中，VC為泥石流斷面平均流速(m/s);1/a=1/(γ H·Φ+1)1/2為泥石流中由含沙量變化而引起的流速修正系數(shù);R為水力半徑(m)，一般可用平均水深H(m)代替;IC為泥石流水力坡度(‰)，用溝床縱坡代替;1/n為清水河床糙率系數(shù)，查文獻［6］。求得各斷面位置泥石流流速值，見表1。

2.3 泥石流流量

2.3.1 清水流量計算

按經(jīng)驗公式［7］計算地表水匯水流量。

當匯水面積F≥3 km2時計算公式為:

當匯水面積F＜3km2時計算公式為:

式中:Qp為暴雨洪峰流量(m3/s);ψ為暴雨徑流系數(shù);F為匯水面積(km2);s為小時雨強(mm/h)。

求得各斷面部位暴雨洪峰流量值詳見表2。

2.3.2 泥石流峰值流量按公式［4］計算

式中:Qc為泥石流斷面峰值流量(m3/s);φ為泥沙修正系數(shù)，采用查表法得到的結(jié)果見表1;Qp為暴雨洪峰流量(計算結(jié)果見表2);Dc為堵塞系數(shù)。據(jù)此，采用雨洪法求得泥石流峰值流量如表3。

2.4 一次泥石流過流總量

一次泥石流總量Q可通過計算法和實測法確定。實測法精度高，但因往往不具備測量條件，只是一個粗略的概算。計算法根據(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，按下式［5］計算。

式中:K值隨流域面積 (F)大小而變化，據(jù)規(guī)范有

當 F ＜5km2， K=0.202

F=5 ～10 km2， K=0.113

F=10 ～100 km2， K=0.0378

F ＞100 km2， K ＜0.0252

T為泥石流持續(xù)時間，s。

夾巴溝泥石流為近期發(fā)生的規(guī)模最大的一次泥石流，對比斷面法計算結(jié)果，其流量相當于P=5%的雨洪法計算的峰值流量，因 F=47.3 km2，則 K=0.037 8，綜合確定泥石流峰值流量為147.47 m3/s。據(jù)訪問，泥石流歷時約1小時，按上式計算本次泥石流沖出量為2.01×104m3。

對九匹崗溝泥石流也按20年一遇暴雨洪水條件下泥石流沖出量進行了復(fù)核計算，因F=1.3 km2，則K=0.202，按 P=5%的雨洪法計算的九匹崗溝泥石流峰值流量為14.84m3/s;泥石流大小按1995年泥石流規(guī)模，此次泥石流歷時15 min，即=900 s;求得設(shè)計泥石流沖出量約為 =0.27×104m3。

表1 夾巴溝泥石流流速計算表

2.5 一次泥石流固體沖出物

一次泥石流固體沖出物按文獻［5］公式計算:

式中:QH為一次泥石流沖出固體物質(zhì)總量(m3);Q為一次泥石流過程總量(m3);γc為泥石流重度(t/m3);γw為水的重度(t/m3);γH為泥石流固體物質(zhì)的重度(t/m3)。

根據(jù)前面計算結(jié)果，夾巴溝泥石流暴發(fā)時泥石流沖出量為Q=2.01 ×104m3，泥石流重度 γc=1.703 t/m3，水的重度 γw=1 t/m3，泥石流固體物質(zhì)重度γH=2.65 t/m3，固體物質(zhì)沖出總量約為 QH=1.49 ×104m3;九匹崗溝 QH=0.14 ×104m3。

表2 夾巴溝及主要支溝洪峰流量計算表

表3 夾巴溝及其主要支溝泥石流峰值流量計算表

3 夾巴溝泥石流發(fā)展趨勢及防治措施

3.1 泥石流發(fā)展趨勢分析

根據(jù)前述對泥石流災(zāi)害史的調(diào)查，夾巴溝在每年均會暴發(fā)一定程度的泥石流，而支溝牛場溝泥石流爆發(fā)亦十分頻繁，均屬高頻泥石流;大灣溝在1995年8月、2002年7月暴發(fā)過較大泥石流，間隔7年，屬中低頻泥石流。

5·12地震后，溝內(nèi)崩塌、滑坡等不良地質(zhì)現(xiàn)象大大增加，坡面侵蝕加劇，可能參與泥石流活動的松散固體物源量大增，現(xiàn)溝內(nèi)可參與泥石流活動的固體物源動儲量達55.68×104m3，激發(fā)泥石流的臨界雨強可能降低，因此，泥石流的爆發(fā)頻率可能提高，中低頻泥石流將轉(zhuǎn)變?yōu)楦哳l泥石流，震后5～10年預(yù)計其發(fā)生頻率可能達1～2年一次，以后隨著植被的恢復(fù)和部分物源趨于穩(wěn)定，其發(fā)生頻率可能逐漸降低為低頻，據(jù)此估算，20年內(nèi)可能發(fā)生5次左右泥石流災(zāi)害，固體物質(zhì)沖出量計7.4×104m3。目前夾巴溝泥石流所處階段為發(fā)展期。

分析泥石流成因機制和引發(fā)因素，夾巴溝屬暴雨溝谷型泥石流，泥石流規(guī)模主要與溝域內(nèi)松散固體物源的累計和動態(tài)變化及與引發(fā)泥石流的暴雨相關(guān)，當溝域內(nèi)松散固體物源累計較多，且遇到集中暴雨時，往往發(fā)生較大規(guī)模泥石流災(zāi)害。5·12地震后，局部水土流失加劇，可參與泥石流活動的松散固體物源量也大大增加，一旦遭到大暴雨的作用，勢必引發(fā)大規(guī)模的泥石流災(zāi)害。

3.2 泥石流防治措施

根據(jù)夾巴溝泥石流的形成條件、運動特征、發(fā)展趨勢分析及危害對象，在夾巴溝上游九匹崗溝溝口處布置一停淤場，以淤積九匹崗溝泥石流沖出物，減少主溝的物源，并在夾巴溝大灣村1組南東方向的溝道內(nèi)設(shè)置1#攔渣壩，以穩(wěn)攔物源和削峰減流，減少到達夾巴溝下段的固體物質(zhì)，降低泥石流容重，并調(diào)節(jié)下游泥石流洪峰流量，減輕下游溝槽的排導(dǎo)壓力;在大灣溝距溝口約65 m處修筑2#攔渣壩，以穩(wěn)攔大灣溝物源，減少到達夾巴溝的固體物質(zhì)，降低泥石流容重，并調(diào)節(jié)下游泥石流洪峰流量，減輕下游溝槽的排導(dǎo)壓力;在夾巴溝溝口擬設(shè)方案為:清理河道+裁彎取直+修筑單邊防沖堤，這樣能規(guī)整溝槽斷面，減小彎道曲率，將攔渣壩下游的泥石流物質(zhì)順暢地導(dǎo)入主河結(jié)斯河，保護流通堆積區(qū)結(jié)斯鄉(xiāng)場鎮(zhèn)規(guī)劃區(qū)的安全。

4 結(jié)論

通過對夾巴溝泥石流的現(xiàn)場調(diào)查，基本查明了泥石流物源分布和特征，可能參與泥石流活動的物源數(shù)量和條件，查明了泥石流形成的地形地貌和水源條件，計算了泥石流的運動特征，分析了泥石流成因機制和發(fā)展趨勢及危害性，得到以下結(jié)論:

(1)夾巴溝泥石流屬暴雨溝谷型泥石流，主溝容重為1.703 t/m3，流速為 5.01 m/s，50年一遇的泥石流峰值流量為147.47，一次性泥石流過流總量為2.01×104m3，一次泥石流固體沖出物為1.49×104m3，泥石流規(guī)模為中型。

(2)物源較為豐富，總物源量為55.68×104m3，其中可參與泥石流活動的動儲量為11.236×104m3。崩滑堆積物源大部分為5·12地震后新增物源，溝床堆積物源則主要為原有溝床內(nèi)的堆積物，且降雨較充沛，水源條件豐富，一旦遭受大的暴雨作用，可能發(fā)生大規(guī)模的泥石流災(zāi)害，將直接危害大灣村一組及小爾普村村民的生命及財產(chǎn)安全。

(3)防治夾巴溝泥石流的措施為:在夾巴溝上游九匹崗溝溝口處布置一停淤場，并在夾巴溝大灣村1組南東方向的溝道內(nèi)設(shè)置1#攔渣壩;在大灣溝距溝口約65 m處修筑2#攔渣壩;在夾巴溝溝口擬設(shè)方案為清理河道+裁彎取直+修筑單邊防沖堤。

［1］劉亞柯.淺談泥石流危害的治理措施［J］.能源與環(huán)境.2010，13:157.

［2］康志成，李焯芬，馬藹乃，等.中國泥石流研究［M］.北京:科學(xué)出版社.2004.

［3］陳繼華，王秋軍，張彥林.泥石流防治研究［J］.科技廣場.2011.2:20 －22.

［4］張自光，張志明，等.都江堰八一溝泥石流形成條件與動力學(xué)特征分析［J］.中國地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報.2010，21(1):34—38.

［5］中華人民共和國國土資源部.泥石流災(zāi)害防治工程勘查規(guī)范(DT/T0220 －2006)［s］.2006.

［6］鐵道部第三勘測設(shè)計院.鐵路工程勘測設(shè)計規(guī)范(TB10017－99).1999.

［7］中華人民共和國地質(zhì)礦產(chǎn)行業(yè)標準 DZ 0240—2004.滑坡防治工程設(shè)計與施工技術(shù)規(guī)范［s］.2004.