甘孜縣四通達(dá)溝泥石流的形成特性

白永健，鐵永波，高 政，李明輝

（1.成都地質(zhì)礦產(chǎn)研究所，四川 成都610081；2.成都理工大學(xué) 地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都610059；3.四川省地質(zhì)工程勘察院，四川 成都610072）

川西高原位于青藏高原與四川盆地之間，由第一臺(tái)階向第二臺(tái)階的過(guò)渡地帶，其獨(dú)特的地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造、地層巖性、氣候條件形成了典型的川西高原季節(jié)性凍融區(qū)。受雨水侵蝕、凍融風(fēng)化作用的影響，崩塌、溜滑、泥流、石漠化等地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)，進(jìn)一步形成泥石流［1－3］。威脅溝口寺廟、學(xué)校、村莊、交通設(shè)施、水利樞紐等的安全。因此，對(duì)川西高原高寒地區(qū)泥石流的形成機(jī)理、運(yùn)動(dòng)過(guò)程、動(dòng)力特性的調(diào)查與研究，不僅為該類型泥石流災(zāi)害減災(zāi)防災(zāi)提供理論依據(jù)，而且還能夠?yàn)榇ㄎ鞲咴湫蛢鋈趨^(qū)典型地質(zhì)背景條件下的泥石流發(fā)育特征、成災(zāi)規(guī)律、防治設(shè)計(jì)提供參考［4－6］。

四通達(dá)溝泥石流位于川西高原甘孜縣四通達(dá)鄉(xiāng)，為南水北調(diào)工程西線水源地達(dá)曲左岸支溝。地理坐標(biāo)為 31°45′6.88″N，100°12′52.09″E。主 溝 長(zhǎng)12.27km，面積50.64km2，溝口海拔3 214m，最高海拔4 672m。全流域發(fā)育于高寒凍融區(qū)內(nèi)，凍融主導(dǎo)作用形成的地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育，溝道上游清水匯集區(qū)以凍融崩塌、泥流為主；中游流通區(qū)溝道狹窄，堵塞現(xiàn)象嚴(yán)重，以支溝泥石流堆積為主；下游堆積區(qū)以淺表層崩滑為主。流域內(nèi)松散物源豐富，植被覆蓋率差。同時(shí)無(wú)任何防治措施，一旦發(fā)生泥石流將對(duì)溝口古寺東谷寺、小學(xué)、塔坨村居民房屋、公路、橋梁、農(nóng)田造成嚴(yán)重的生命財(cái)產(chǎn)損失，破壞民族地區(qū)安定繁榮［7］。

1 地質(zhì)環(huán)境背景條件

地形地貌屬深切割中高山區(qū)，山勢(shì)險(xiǎn)峻，河谷深切，高差懸殊大。溝道兩側(cè)斜坡陡峭，巖石風(fēng)化卸荷作用強(qiáng)烈。泥石流溝從北向南流經(jīng)，屬雅礱江水系，支溝發(fā)育。

流域位于青藏高原東緣，處于甘孜—理塘構(gòu)造結(jié)合部，鮮水河斷裂影響帶內(nèi)，新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)作用強(qiáng)烈，自上而下依次發(fā)育德瑪弄斷裂、格底村斷層、德勒弄斷層。受多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響，區(qū)內(nèi)巖體風(fēng)化卸荷強(qiáng)烈，巖體破碎、結(jié)構(gòu)松散。

氣候?qū)俅箨懶愿咴撅L(fēng)氣候，多年平均氣溫5.6℃，最高氣溫極值31.7℃，最低氣溫極值－28.8℃，年均氣溫相差達(dá)17℃以上，氣候垂直分帶顯著，海拔每升高100m，氣溫下降0.6℃。海拔3 400～3 600m區(qū)域?qū)俸疁貛?；海? 600～4 200m區(qū)域?yàn)閬喓畮В缓０? 200～5 200m區(qū)域?yàn)楹畮?，海? 200m以上為永凍帶。日溫差變化較大，凍融作用強(qiáng)烈。

降雨量空間分布上差異明顯，分水嶺或丘狀高原降雨量較大，河谷地帶較少，隨著海拔高度的遞升，降雨量逐漸增大。10min，3h，24h最大降雨量分別為13.2，36.6，49.7mm。5—10月降雨量可達(dá)563.3mm，11月至翌年4月降雨量約71.2mm，分別占年降雨量的89%，11%（圖1）。

2 泥石流發(fā)育特征

2.1 泥石流流域特征

四通達(dá)溝發(fā)源于牟尼芒啟山西南山麓，流域面積50.64km2，流域海拔3 241～4 672m，相對(duì)高差約1 431m，主溝長(zhǎng)12.27km，主溝床彎曲系數(shù)1.152（主溝床實(shí)際長(zhǎng)度與其直線長(zhǎng)度之比），平均溝床縱比降148‰。溝道上游、下游切割較深呈“V”型，兩側(cè)谷坡坡度40°～60°，溝谷底寬3～8m不等；中游呈拓寬“U”型，兩側(cè)谷坡坡度20°～40°，溝谷底寬10～30m。按照流域溝段的縱坡特征及泥石流在形成運(yùn)動(dòng)堆積過(guò)程中的侵蝕與堆積作用，將整個(gè)流域分為清水匯流區(qū)、物源區(qū)、堆積區(qū)。

圖1 甘孜縣歷年各月份平均降水量

清水匯流區(qū)分布于不穩(wěn)定斜坡以上的區(qū)域，面積12.84km2，溝道高程范圍約為4 300～4 672m，該區(qū)山頂常年被冰雪覆蓋，其余大部分為季節(jié)性凍融區(qū)，植被覆蓋率約20%，以灌木叢、草地為主。溝道兩岸坡度較陡，基巖出露，巖體凍融破壞作用強(qiáng)烈。物源區(qū)主要分布在主溝的中下游，面積37.63km2，高程范圍為4 300～3 283m，物源區(qū)溝道長(zhǎng)為9.67km，溝道比降為162‰，區(qū)內(nèi)溝道狹窄，平均寬8m，最窄處溝道寬僅2m，區(qū)內(nèi)溝岸植被覆蓋率低，以草地為主，覆蓋率約20%～30%。堆積區(qū)主要介于溝口和達(dá)曲之間，面積0.17km2，海拔范圍3 241～3 283m，高差42m，縱坡128‰。堆積區(qū)呈扇狀分布，扇頂角為42°，扇體主軸方向長(zhǎng)482m，扇體表面縱坡6.7°，靠近達(dá)曲的扇緣寬318m。扇形地?cái)D壓達(dá)曲主河道，溝口與達(dá)曲呈正交匯流，正對(duì)方向?yàn)樗耐ㄟ_(dá)鄉(xiāng)政府和居民房屋。

2.2 泥石流物源特征

研究區(qū)內(nèi)新構(gòu)造、凍融風(fēng)化作用強(qiáng)烈，順溝修建的甘孜至壤塘公路開挖形成大量的未支護(hù)或簡(jiǎn)支護(hù)的陡峭斜坡，致使崩塌、滑坡、泥流等地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育（圖2—3），為四通達(dá)泥石流的形成提供了豐富的物源。

圖2 凍融作用下四通達(dá)溝斜坡失穩(wěn)形成的泥石流物源

圖3 四通達(dá)溝支溝泥石流形成的松散物源

流域內(nèi)出露地層復(fù)雜，自溝口至最高高程處依次為三疊系上統(tǒng)侏倭組（T3zw）、雜谷腦組（T3z2）、如年各組（T3r）、兩河口組（T3lh2），與流域直交呈帶狀分布，石英砂巖、粉砂巖、灰?guī)r、板巖形成的崩坡積物塊石、碎石。以及第四系冰水堆積、崩坡積、沖洪積、泥石流堆積形成的松散物源，主要分布于斜坡、斜坡坡腳、溝道兩側(cè)呈帶狀、三角形錐狀展布（表1）。

據(jù)調(diào)查，流域內(nèi)共發(fā)育不穩(wěn)定斜坡6處、泥石流9處、崩塌2處，除中型泥石流2處外，其余規(guī)模均為小型。集中分布在流域中下游溝谷兩岸斜坡地帶?？偟墓腆w物源靜儲(chǔ)量約5.01×105m3，動(dòng)儲(chǔ)量約2.40×105m3（表2）

表1 四通達(dá)溝流域內(nèi)地層發(fā)育特征及分布

2.3 泥石流水源特征

流域內(nèi)支溝發(fā)育呈樹枝狀分布，多為季節(jié)性流水溝。主溝為常年流水性河流，水源主要由高原融雪補(bǔ)給。冬季水流較小，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)資料表明，一般流量為2.84～3.75m3／s，平均為3.22m3／s，冬季水流較小。根據(jù)甘孜縣氣象資料，該地區(qū)近40a來(lái)24h最大降雨量，1h最大降雨量，10min最大降雨量。通過(guò)對(duì)該流域近幾十年降雨數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，獲得該流域降雨特征和發(fā)生泥石流所需的臨界降雨條件。

流域的暴雨強(qiáng)度指標(biāo)R采用下面公式計(jì)算：

式中：K——前期降雨修正系數(shù)，無(wú)前期降雨時(shí)：K＝1；有前期降雨時(shí)：K＞1；但目前尚無(wú)可行的成果可供應(yīng)用；現(xiàn)階段可暫時(shí)假定：K＝1.1～1.2。H24——24h最大降雨量 （mm）；H1——1h 最大降雨量（mm）；H1／6——10min最大降雨量（mm）；四通達(dá)鄉(xiāng)暴雨十分集中，一日最大降雨量49.7mm；1h最大雨強(qiáng)和 10min 最大雨強(qiáng)分別為 36.6，11.5mm。H24（D）——該地區(qū)可能發(fā)生泥石流的24h界限，取值30；H1（D）——該地區(qū)可能發(fā)生泥石流1h界限，取值15；H1／6（D）——該地區(qū)可能發(fā)生泥石流10min界限，取值6。

由于流域無(wú)前期降雨記錄，故K按平均值1.0計(jì)算，代入式（1）計(jì)算流域的暴雨強(qiáng)度指標(biāo)：

根據(jù)同地區(qū)類比統(tǒng)計(jì)綜合分析取值，R＜3.1安全雨情；R≥3.1可能發(fā)生泥石流的雨情；R＝3.1～4.2發(fā)生幾率小于0.2；R＝4.2～10發(fā)生幾率0.2～0.8；R＞10發(fā)生幾率＞0.8。

計(jì)算結(jié)果表明，四通達(dá)溝發(fā)生泥石流幾率為0.2～0.8，在中等頻率范圍。四通達(dá)溝流域降雨滿足泥石流形成的臨界降雨強(qiáng)度，并且超出區(qū)域的臨界降雨值。

表2 四通達(dá)溝流域內(nèi)主要物源統(tǒng)計(jì)

3 泥石流形成機(jī)理分析

3.1 泥石流形成因素分析

四通達(dá)溝每年雨季5—10月降雨量可達(dá)563.3mm，占全年降雨量的89%，特別是6，7月的降雨量249mm，占全年降雨量的39%。集中降雨達(dá)到泥石流的啟動(dòng)激發(fā)雨量值。

流域內(nèi)溝谷縱坡降大，為泥石流的形成提供較大的能量，促使上游清水匯流區(qū)過(guò)境水流能迅速攜帶物源區(qū)溝道大量固體物質(zhì)，將其轉(zhuǎn)化為泥石流中的固體物質(zhì)成分，為泥石流的形成創(chuàng)造了較好的集雨、匯流條件，有利于泥石流的形成。

流域內(nèi)地層發(fā)育呈帶狀，并與主溝流向近直交。砂巖、板巖、絹云母片巖的層理、節(jié)理傾坡內(nèi)與坡面呈大角度相交，難以形成大規(guī)模的崩滑體；支溝為與巖層走向近于平行的縱谷，巖體內(nèi)層面、節(jié)理等結(jié)構(gòu)面傾坡外發(fā)育，與坡面呈小角度相交。溝谷中容易形成巖層傾向與坡面傾向一致的順向坡，各類結(jié)構(gòu)面的相互切割，造成坡體結(jié)構(gòu)的破壞而形成崩、滑體，從而產(chǎn)生大量的固體物源。

流域上游新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)活躍，地質(zhì)構(gòu)造走向與溝谷兩岸斜坡呈小角度斜交，切割巖體形成大量的潛在失穩(wěn)塊體。穩(wěn)定性差，形成大量的塊石、碎塊石，為泥石流形成提供固體物源。

整個(gè)流域發(fā)育于3 000m以上高寒地區(qū)，強(qiáng)日照，大溫差的氣候條件使得巖石差異風(fēng)化、凍融作用強(qiáng)烈、巖體破碎及土體結(jié)構(gòu)松散。特別是在植被較少，基巖祼露的溝床和山崖，這種物理風(fēng)化作用更為明顯［8－10］。

流域內(nèi)植被發(fā)育差，尤其溝源區(qū)過(guò)渡放牧、順溝道岸坡修建公路，導(dǎo)致草場(chǎng)退化，產(chǎn)生沙化、石漠化，水土流失加劇。

3.2 泥石流形成機(jī)理分析

根據(jù)四通達(dá)泥石流發(fā)生歷史及現(xiàn)狀條件分析結(jié)果表明，四通達(dá)泥石流屬于暴雨激發(fā)性型，一般發(fā)生在6—7月雨季，即豐富的松散固體物質(zhì)在暴雨水動(dòng)力作用下沿著低洼區(qū)域形成徑流，大量固體物質(zhì)和水流匯集到主溝中，快速運(yùn)動(dòng)的塊石、碎石流不斷侵蝕溝道兩側(cè)的松散物質(zhì)，被侵蝕的固體物質(zhì)不斷補(bǔ)給到溝道內(nèi)，流量不斷增加，在勢(shì)能的作用下沿著溝道向下游運(yùn)移，雨水及固體物質(zhì)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中不斷碰撞及攪拌并形成一定稠狀的泥石流流體。

4 泥石流動(dòng)力力學(xué)特性

4.1 泥石流流量

泥石流流量的計(jì)算采用雨洪法，假設(shè)泥石流與暴雨同頻率、同步發(fā)生，計(jì)算斷面的暴雨洪水設(shè)計(jì)流量全部轉(zhuǎn)變?yōu)槟嗍鞯牧髁浚?1－13］，計(jì)算公式如下：

式中：Qc——頻率為p的泥石流洪峰值流量（m3／s）；φc——泥石流泥沙修正系數(shù)；Qp——頻率為p下的洪水流量（m3／s）；Dc——泥石流堵塞系數(shù)。下同。

式中：Sp——頻率為 P 時(shí)的雨力（mm／h）；n——暴雨參數(shù)；τ——匯流時(shí)間 （h）；μ——損失參數(shù)（mm／h）；f——匯水面積（km2）。

式中：γc——泥石流重度（N／m3）；γw——清水重度（N／m3）；γH——泥石流中固體物質(zhì)重度（N／m3）。

式中：K2——頻率為2%暴雨損失參數(shù)；β2——頻率為2%暴雨損失系數(shù)；λ1——暴雨損失系數(shù)。

式中：K4——匯流時(shí)間分區(qū)；L——主溝長(zhǎng)度（km）；Iz——主溝縱坡降（‰）；S2——頻率為2%時(shí)的雨力（mm／h）；λ2——暴雨損失系數(shù)；β4——暴雨損失指數(shù)。

綜合四通達(dá)溝泥石流發(fā)生頻率和研究區(qū)降雨資料，按50a（p＝2%）一遇計(jì)算。四通達(dá)溝流域面積f＝50.64km2，查 損 失 參 數(shù) 和 系 數(shù) 表 得：S2%＝16.8mm，K2＝14.3，β2＝0.3，λ1＝0.33，帶入式（6）得：μ＝8.019mm／h，主溝長(zhǎng)L＝13.37km，主溝縱坡降；Iz＝148‰，查表匯流時(shí)間分區(qū)和系數(shù)指數(shù)表得K4＝3.29，β4＝0.35，λ2＝0.239，帶入式（7）得τ＝0.86h。由于計(jì)算出τ小于1h，取n＝n1（1h暴雨參數(shù)取值0.73）；f＝50.64km2，再將μ，τ等參數(shù)帶入式（4）得：Q2%＝37.46m3／s。

通過(guò)堆積區(qū)實(shí)驗(yàn)得出：γH＝2.68×104N／m3，γc＝1.63×104N／m3，取γw＝1×104N／m3，可得出：φc＝0.6。四通達(dá)溝谷堵塞程度一般，查堵塞系數(shù)表，取Dc＝2.0，最終帶入式（3）可得Qc＝122.16m3／s。

通過(guò)以上計(jì)算可以看出四通達(dá)溝泥石流頻率為2%的洪峰流量為122.16m3／s，而堆積區(qū)的通道狹窄，很難在極短的時(shí)內(nèi)排出此洪峰流量下的泥石流，必然會(huì)造成較大的損失。

4.2 泥石流流速

經(jīng)過(guò)對(duì)四通達(dá)溝泥石流堆積區(qū)、物源區(qū)松散物質(zhì)的分析，認(rèn)為該泥石流為過(guò)渡性泥石流，因此流速計(jì)算采用式（8）計(jì)算：

式中：Vc——泥石流匯流速度（m／s）；nc——泥石流溝床的糙率系數(shù)；Hc——平均泥深；Ic——泥石流水力坡度。

取計(jì)算斷面的平均泥深Hc＝1.85；泥石流水力坡度Ic＝0.148；泥石流溝床的糙率系數(shù)nc＝0.08。將各參數(shù)代入式（8），得Vc＝6.41m／s。

4.3 泥石流沖擊力

泥石流沖擊力計(jì)算包括泥石流體沖擊應(yīng)力和單塊最大沖擊力計(jì)算。泥石流體沖擊應(yīng)力按下式計(jì)算：

式中：δ——作用在與流速方向呈α角度的單位面積；g——重力加速度（9.8m／s2）；α——受力面與泥石流撞擊面撞擊角；λ——受力體形狀系數(shù)，方形為1.47，矩形為1.33，圓形、尖端、圓端形為1.00；Vc——泥石流匯流速度（m／s）。

對(duì)該溝按較不利情況取值，受力面與泥石流沖壓力方向的夾角取α＝85°，λ＝1.33。按式（9）計(jì)算得δ＝9.54×104Pa。

4.4 一次泥石流沖出總量及固體物質(zhì)總量

一次泥石流總量按下式計(jì)算：

式中：Q——一次泥石流總量；T——泥石流持續(xù)時(shí)間；Qc——頻率為p的泥石流洪峰值流量（m3／s）。

一次泥石流沖出的固體物質(zhì)總量計(jì)算公式：

式中：QH——一次泥石流沖出的固體物質(zhì)總量；Q——一次泥石流總量；γc——泥石流重度（N／m3）；γω——清水重度（N／m3）；γH——泥石流中固體物質(zhì)重度（N／m3）。

由于不具備測(cè)量條件，將泥石流過(guò)程概化為五角形，并認(rèn)為洪水流量達(dá)到峰值時(shí)，泥石流流量亦達(dá)到峰值。假定泥石流持續(xù)時(shí)間為40min，從上面計(jì)算可以看出四通達(dá)溝發(fā)生一次泥石流總量在約為7.72×104m3，一次泥石流沖出的固體物質(zhì)總量為2.89×104m3，說(shuō)明規(guī)模應(yīng)以中小型為主。

5 結(jié)論

（1）四通達(dá)溝泥石流地質(zhì)背景條件具備川西高原高寒地區(qū)典型特點(diǎn)，高寒多帶性的氣候，陡峭的地形地貌、豐富的活動(dòng)性物源、流域特征、形成機(jī)理及運(yùn)動(dòng)過(guò)程都具有代表性。

（2）流域地層復(fù)雜，多種巖型自溝口至最高高程處依次呈帶狀分布，與主溝流向近直交，巖體內(nèi)層理、節(jié)理傾坡內(nèi)呈大角度相交，難以形成大規(guī)模的崩滑體。但與支溝流向呈小角度相交，容易形成順向坡。各類結(jié)構(gòu)面相互切割，而形成大量的崩塌、滑坡、坡面泥流等地質(zhì)災(zāi)害，從而產(chǎn)生大量的固體物源。

（3）流域發(fā)育于高寒高海拔地區(qū)，處于寒溫帶、亞寒帶、寒帶等氣候變化帶內(nèi)，立體變化顯著。強(qiáng)日照、大溫差的氣候條件使得巖石差異風(fēng)化、凍融作用強(qiáng)烈、巖體節(jié)理裂隙發(fā)育、巖體破碎及土體結(jié)構(gòu)松散。

（4）通過(guò)綜合分析計(jì)算后認(rèn)為四通達(dá)溝流域內(nèi)可提供的動(dòng)物源儲(chǔ)量2.40×105m3；泥石流頻率為2%情況下，流速約6.41m／s峰值流量為122.16m3／s；泥石流體沖擊應(yīng)力高達(dá)9.54×104Pa；一次泥石流總量約為7.73×104m3，一次泥石流沖出的固體物質(zhì)總量為2.89×104m3。

（5）綜合考慮四通達(dá)溝泥石流高海拔地質(zhì)背景、流域特征、動(dòng)力特性和泥石流的危險(xiǎn)性和被保護(hù)對(duì)象的重要程度，建議采用攔沙壩配合截流排水溝，并輔以生物防治的綜合防治方案。除了應(yīng)在泥石流物源區(qū)修建谷坊壩以控制物源、穩(wěn)定溝床以外，還應(yīng)在溝口采用排導(dǎo)措施，以規(guī)范泥石流流向，減小泥石流溝與主溝的入?yún)R角，避免堵塞達(dá)曲河。

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