四川漢源萬工集鎮(zhèn)“7.27”災后泥石流預測分析與綜合防治

單詩涵，王旭紅，李廷友

(中國水電顧問集團成都勘測設計研究院，四川成都 610072)

0 引言

2010年7月27日，四川省漢源縣萬工集鎮(zhèn)后緣大溝頂部二蠻山突發(fā)滑坡(簡稱“7.27”地質(zhì)災害)，滑坡順山谷而下，在滑移途中受凸出地形阻擋發(fā)生轉(zhuǎn)向，向下運動過程中轉(zhuǎn)化為碎屑流［1］，部分碎屑流堵塞了原泥石流排導槽，沖向集鎮(zhèn)，造成了萬工集鎮(zhèn)107戶移民房屋損毀，357戶房屋受到不同程度的影響，以及萬工鄉(xiāng)雙合村一組原住居民9戶損毀，20名村民失蹤的自然地質(zhì)災害。

災害發(fā)生后，大溝溝內(nèi)停積了大量“7.27”松散堆積物，其松散堆積物在汛期局地暴雨條件下可能暴發(fā)大規(guī)模泥石流;另外，“7.27”高位滑坡導致大溝溝源的二蠻山古堆積體前緣局部變形失穩(wěn)，特定工況下可能牽引滑動形成碎屑流，對萬工集鎮(zhèn)及省道306威脅大。

本文介紹了“7.27”地質(zhì)災害進行的災后泥石流調(diào)查，其綜合利用了小型飛機航拍資料(圖1)，地表地質(zhì)測繪，并根據(jù)大溝流域內(nèi)泥石流(碎屑流)災害的發(fā)育情況，通過宏觀判斷和定量計算，分析評價了大溝可能發(fā)生的泥石流(碎屑流)對萬工集鎮(zhèn)產(chǎn)生的危險性，并針對其危害程度提出了建議的工程處理措施。

1 大溝流域基本地質(zhì)條件

漢源縣萬工集鎮(zhèn)是瀑布溝水電站移民安置遷建集鎮(zhèn)，位于大渡河左岸，白巖河左岸大坪頭，所處區(qū)域?qū)俑咧猩降匦?，?gòu)造剝蝕地貌，區(qū)內(nèi)發(fā)育二條季節(jié)性沖溝(即大溝和潤水溝)。其中大溝緊鄰萬工集鎮(zhèn)左側(cè)通過，該溝發(fā)源于二蠻山西南坡，后源高程1963.4m，在高程850.0m流入大渡河。該溝集雨面積1.71 km2，溝長約2.6km，溝床縱坡比降平均為373‰［1］?！?.27”自然災害發(fā)生后，滑坡碎屑流在溝內(nèi)大量堆積，溝道被大量松散堆積物所覆蓋，原有的溝床形態(tài)不復存在(圖2)。大溝流域所處二蠻山山體基巖組成為二疊系上統(tǒng)峨眉山玄武巖組(P2β)與二疊系下統(tǒng)陽新灰?guī)r組(P1y)，上部相對寬緩的不對稱“V”字型槽谷的右側(cè)斜坡(NW 側(cè))即由峨眉山玄武巖組成，風化卸荷強烈，局部表層呈碎塊狀;而其左側(cè)呈“平板”狀斜坡則由陽新組灰?guī)r構(gòu)成，灰?guī)r層產(chǎn)狀為 N20°～40°E/NW∠30°～40°［1］。場地區(qū)覆蓋層按成因類型分為:第四系沖洪積層)、坡洪積層)、坡殘積層()、泥石流堆積層)、古堆積體堆積層)。區(qū)域構(gòu)造上萬工集鎮(zhèn)位于川滇南北向構(gòu)造帶東亞帶北段，區(qū)域內(nèi)沒有大的斷裂通過，場地區(qū)50a超越概率10%的地震動峰值加速度為0.15g，相應地震基本烈度為Ⅶ度［1］。

圖1 萬工集鎮(zhèn)“7.27”自然災害后無人機遙感監(jiān)測圖Fig.1 Remote sensing monitoring of“7.27”natural disaster in Wangong Town

圖2 “7.27”自然災害發(fā)生后地貌Fig.2 Landform after“7.27”natural disaster

2 大溝泥石流(碎屑流)基本特征分析與計算

2.1 泥石流形成條件分析

根據(jù)現(xiàn)行研究表明，泥石流的發(fā)育必需具備三個基本條件:一是豐富的補給物質(zhì)條件;二是有利的地形地貌基礎(chǔ);三是有適當?shù)乃醇ぐl(fā)條件［2］?，F(xiàn)分述如下:

(1)物源條件

綜合考慮了地形地貌、地層巖性和地質(zhì)災害種類等因素，將整個大溝流域分為四個區(qū)，分別為:溝道堆積物區(qū)(Ⅰ區(qū))、大溝左側(cè)坡體區(qū)(Ⅱ區(qū))、二蠻山古堆積體區(qū)(Ⅲ區(qū))、大溝上游測坡體區(qū)(Ⅳ區(qū))(圖3)。

Ⅰ“7.27”溝道堆積物(Ⅰ區(qū))

根據(jù)“7.27”自然災害滑坡-碎屑流的演變過程及形成機理，大溝溝道內(nèi)松散物質(zhì)覆蓋層平均厚度6～30m，總面積約15.68×104m2，松散物源總量為408.6×104m3。按照50a一遇的暴雨頻率，預測可啟動物源方量約79.9×104m3。

Ⅱ左側(cè)坡坡殘積堆積物(Ⅱ區(qū))

左側(cè)坡堆積物，沿大溝長度約為249m，邊坡走向為N75°E，高度約565m，邊坡的穩(wěn)定性總體較好。該區(qū)域總方量約31.8×104m3，按照50a一遇的暴雨頻率，預測方量約為17.4×104m3。

Ⅲ溝源古堆積體(Ⅲ區(qū))

二蠻山古堆積體位于大溝溝源，前緣高程1640m，后緣高程 1705m，面積 6.7×104m2，縱向長230m，規(guī)模約140×104m3。

圖3 大溝流域綜合分區(qū)圖Fig．3 Comprehensive zoning maps of Dagou basin

按其地質(zhì)條件和穩(wěn)定性的差異，將其分為三個區(qū)(Ⅲ1～Ⅲ3區(qū))，Ⅲ1區(qū)為牽引破壞區(qū)，受“7.27”自然災害影響產(chǎn)生塌滑變形破壞，已完全解體，方量約為7.7 ×104m3。

Ⅲ2區(qū)為蠕動變形區(qū)，該區(qū)位于古堆積體左側(cè)，方量約為11.2×104m3，受“7.27”自然災害影響前緣局部產(chǎn)生了變形失穩(wěn)，后緣出現(xiàn)了下錯開裂。Ⅲ3區(qū)為基本穩(wěn)定區(qū)，為二蠻山古堆積體主體部分，該區(qū)后緣及中部均未發(fā)現(xiàn)明顯的地表開裂變形，房屋也未發(fā)現(xiàn)其他變形破壞跡象，方量約為120×104m3。

古堆積體的變形失穩(wěn)不僅為大溝泥石流帶來更多的松散物源量，因其勢能高，崩滑后動能大，破壞力強，有轉(zhuǎn)化為碎屑流的地形地質(zhì)條件。

Ⅳ右側(cè)坡坡殘積堆積物(Ⅳ區(qū))

位于大溝右側(cè)與玄武巖基巖出露之間，為大溝右側(cè)殘坡積的塊碎石土，結(jié)構(gòu)松散。該區(qū)覆蓋層平均厚度為10m，面積 14.4×104m2，體積為 144×104m3。松散物源體積為43.2×104m3。

綜上所述，Ⅰ～Ⅳ區(qū)的松散物源或轉(zhuǎn)化為大溝泥石流物源量，其體積約為735.4×104m3，按照50a一遇暴雨頻率計算，可啟動松散物源體積為199.9×104m3。

(2)水源條件

大溝泥石流啟動的水源主要來源于大氣降雨和入滲，暴雨形成的地表徑流是引發(fā)泥石流的主要水源，根據(jù)漢源縣氣象站的多年降水觀測資料統(tǒng)計可知，年均降水量730.4 mm。降水主要集中于下半年的5～9 月(678.5mm)，以 6、7、8 三個月降水最多(484.90mm)，占全年降水量的92.89%。因此，夏季降水集中、降水量大，是泥石流、滑坡等災害的多發(fā)季節(jié)［3］，大部分的泥石流、滑坡災害都發(fā)生在這段時間。且溝域呈近似“V”形，溝內(nèi)地形陡峻，溝谷上游縱坡大，有利于地表降水的徑流和匯集，這些因素為大溝泥石流的形成提供了有利的水源條件［4］。

(3)溝道地形條件

根據(jù)泥石流形成條件和運動機制，以及泥石流松散物源的分布，將大溝分為三個區(qū):溝源形成區(qū)、中部流通區(qū)、尾部堆積區(qū)。

①形成區(qū)位于高程1300～1640m，此段長約620m，平均溝床縱比降548‰，溝寬94～150m，平均寬120m，平面面積約7.8×104m2。組成物質(zhì)為塊碎石土和碎石土，塊碎石成分以玄武巖為主，溝內(nèi)殘留固體物質(zhì)厚約1～10m。②流通區(qū)位于高程1000～1300m，平面形態(tài)呈前緣寬溝源窄扁平型，主溝長度約642m，主溝呈“U”形，平均溝床縱比降467‰。該流通區(qū)兼具備提供物源特征。③堆積區(qū)位于大溝的下部，萬工集鎮(zhèn)的后部，前緣高程950m，后源高程1000m，長220m，平均溝床縱比降227‰。形態(tài)為舌頭形，舌頭的前端較平緩，約13°。

綜上所述，大溝溝域內(nèi)山高坡陡，平均坡度在35°以上，溝谷縱坡較大，特別是在上游段及溝源處多在40°～50°以上，有利于降雨的匯集，根據(jù)不同地段坡度、植被情況、斜坡結(jié)構(gòu)特征等的差異，為泥石流水源的匯流集中提供了基礎(chǔ)［5］。同時，由于地形陡峻，為崩塌、坡面泥石流等不良地質(zhì)現(xiàn)象的發(fā)育提供了有利條件，特別是“7.27”后，溝谷縱坡變大，也為松散固體物質(zhì)的搬運和參與泥石流活動提供了有利的地形條件。

2.2 泥石流基本特征值的分析計算

泥石流運動特征和動力特征的定量分析，是認識泥石流和進行泥石流防治工程設計的基本數(shù)據(jù)。大溝流域由于“7.27”自然災害影響，未來泥石流的暴發(fā)具有獨特的溝域特性，我們對其預測分析主要結(jié)合溝域特征，依據(jù)調(diào)查資料，類比利用目前泥石流運動特征及動力特征研究的成果進行。對泥石流流體重度、流速、流量、一次沖出總量、一次沖出固體物質(zhì)量等常規(guī)指標進行了計算［6］。

根據(jù)計算結(jié)果，將大溝泥石流主要運動特征值匯總?cè)缦?表1)。

表1 大溝泥石流運動特征匯總表Table 1 Summary sheet of motion features of Dagou debris flow

3 災后綜合防治措施

3.1 防護方案簡介

通過上述地表地質(zhì)測繪、勘探試驗與排查綜合分析，從綜合防治的角度，首先需做好集鎮(zhèn)及大溝流域的截排水系統(tǒng)，在物源區(qū)斜坡上部修建截水溝，控制地表洪水徑流，削弱水動力條件，使水土分離，達到減小泥石流規(guī)模的作用［7］。對泥石流的防治主要選擇以排導為主，另外大溝后緣古堆積體物源集中、分布高程高、存在較大的勢能，失穩(wěn)可能形成碎屑流，對萬工集鎮(zhèn)產(chǎn)生直接的沖擊破壞，有必要對其采取固源措施。因此綜合防治工程方案的重點主要在泥石流流通區(qū)下部設置泥石流排導槽及分流槽，對后緣古堆積體進行固源，結(jié)合截排水及生物防護措施。

3.2 古堆積體固源方案

根據(jù)前期進行的地質(zhì)勘查及宏觀判斷，首先對古堆積體進行二維穩(wěn)定性計算分析，計算采用陳祖煜編寫的“土質(zhì)邊坡穩(wěn)定計算程序STAB2009”進行。根據(jù)《滑坡防治設計與施工規(guī)范》DZ/T0219-2006，對折線滑面推薦采用傳遞系數(shù)法進行分析，分別對以下三種工況對古堆積體典型剖面進行穩(wěn)定性計算:Ⅰ、自重+地下水;Ⅱ、自重+暴雨+地下水;Ⅲ、自重+地震+地下水。

通過計算得知，古堆積體Ⅲ1和Ⅲ2區(qū)在部分工況下穩(wěn)定性不能滿足規(guī)范要求，而在削坡同時采用抗力2000kN/m的抗滑樁固源后，計算剖面各滑弧的安全系數(shù)滿足《滑坡防治工程設計與施工技術(shù)規(guī)范》推薦傳遞系數(shù)法的安全系數(shù)，最終采用了部分清挖+錨拉抗滑樁主動加固的方案。在古堆積體前緣一共布置了1排共15根截面為3m×4.5m和3m×4m的抗滑樁，同時在每根抗滑樁上部布置1根或2根錨固力為200t的錨索。對滑源區(qū)玄武巖邊坡采取系統(tǒng)錨桿、掛網(wǎng)噴護和系統(tǒng)排水的措施。通過古堆積體及玄武巖邊坡的加固既避免了碎屑流的發(fā)生，同時也減少了大溝泥石流的物源量(圖4)。

3.3 排導槽及分流槽設計

排導槽及分流槽平面布置上充分利用左岸高程1025m負地形的有利條件，修建鋼筋混凝土排導槽，用以排導設計標準內(nèi)的泥石流;同時在排導槽轉(zhuǎn)彎段外側(cè)設置一道兩排共36根的攔擋樁群作為第二道防線以增加被動防災能力;利用高程1200m至潤水溝的負地形，設置分流槽，用以將可能發(fā)生的超標泥石流提前引排遠離萬工集鎮(zhèn)的潤水溝(圖5)。

圖4 二蠻山古堆積體固源效果圖Fig.4 Matter-source consolidation of Erman Mountain

圖5 泥石流排導槽、分流槽及攔擋樁群效果圖Fig.5 Drainage canal，split-flow canal and retaining piles for debris-flow prevention

排導槽結(jié)構(gòu)尺寸的確定主要依據(jù)泥石流分析計算中的泥石流流速、泥石流沖擊力、泥石流爬高、沖起高度以及泥石流彎道超高等數(shù)據(jù)。結(jié)構(gòu)方面，針對作用于導流墻體上的各項基本荷載(土壓力、泥石流沖擊力等)，對排導槽進行抗滑穩(wěn)定、抗傾覆及地基穩(wěn)定演算。最終確定排導槽總長856m，其中轉(zhuǎn)彎段長246m，直線段長340m，右側(cè)采用重力式擋墻，墻高11.4～7m;轉(zhuǎn)彎段溝底及左側(cè)采用混凝土貼坡襯砌，底寬由20m漸變?yōu)?m;直線段底寬7m，兩側(cè)坡及底板均采用混凝土板護坡，護坡高度6.5m。分流槽利用高程1200m至潤水溝的地形條件開挖形成(底寬32m)，主要用于排泄超標準泥石流。

4 結(jié)論與認識

(1)萬工集鎮(zhèn)地處高山峽谷區(qū)，山高坡陡，區(qū)內(nèi)沿斜坡發(fā)育季節(jié)性沖溝大溝，大溝豐富的物源條件，有利的溝道地形條件，以及所處區(qū)域的暴雨型水源條件是導致“7.27”滑坡-碎屑流的關(guān)鍵因素。

(2)根據(jù)本階段泥石流地質(zhì)調(diào)查，“7.27”災害發(fā)生后，大溝流域可能出現(xiàn)的對萬工集鎮(zhèn)安全存在較大威脅的地質(zhì)災害主要為:“7.27”沿溝堆積的松散物質(zhì)可能形成大規(guī)模泥石流及二蠻山古堆積體失穩(wěn)可能形成碎屑流。

(3)針對大溝泥石流的綜合防治工程措施主要考慮在泥石流流通區(qū)下部設置泥石流排導槽及分流槽，對后緣古堆積體進行固源，對邊坡各部位物源采取截排水措施及生物防護措施。

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