斯巴呷拉達(dá)溝泥石流發(fā)育趨勢(shì)及防治方案

孫瑜，王春，江守印，劉剛

（1.四川省核工業(yè)地質(zhì)調(diào)查院，成都 610061；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)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610051）

2013年4月20日四川省雅安市蘆山縣發(fā)生MS7.0級(jí)地震，引發(fā)大量崩塌、滑坡，為泥石流活動(dòng)提供了豐富的松散固體物質(zhì)，而地震造成的大量坡體失穩(wěn)和巖體破壞，使震區(qū)泥石流將在今后較長一段時(shí)間內(nèi)處于活躍期，其暴發(fā)規(guī)模和頻率將顯著增加，直接危害災(zāi)區(qū)人民生命財(cái)產(chǎn)安全，尤其是城鎮(zhèn)、村莊、道路、水利水電工程和農(nóng)田等［1]。本文通過對(duì)蘆山地震災(zāi)區(qū)甘洛縣斯巴呷拉達(dá)溝實(shí)地踏勘訪問，針對(duì)其泥石流的形成條件和發(fā)育趨勢(shì)提出一套較有效的防治方案。

1 自然環(huán)境背景

1.1 流域概況

斯巴呷拉達(dá)溝位于蘆山地震災(zāi)區(qū)甘洛縣的東南側(cè)，溝口地理位置為102°47′49″E，28°43′10″N，距離蘆山地震震中直線距離約160 k m［2]。斯巴呷拉達(dá)溝為甘洛河右岸一級(jí)支溝，流域面積1.25 k m2，主溝長度1.92 k m，主溝比降436‰，最大高程2 775 m，溝口高程1 800 m，相對(duì)高度975 m，流向由南向北（圖1）。

1.2 地貌

甘洛縣地處川西高原與四川盆地的過渡帶，地跨川滇南北向構(gòu)造和青藏滇“歹”字型構(gòu)造，地貌嚴(yán)格受上述構(gòu)造控制，屬侵蝕構(gòu)造地貌，多呈南北向展布，縣域地勢(shì)東、西、南三面高，北部和中部較低。研究區(qū)地貌類型屬于中山地貌。

1.3 地質(zhì)

甘洛縣歷經(jīng)多次構(gòu)造變動(dòng)，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，形成了不同特征的構(gòu)造體系。甘洛縣大地構(gòu)造屬康滇古陸的一部分，處于著名的川滇經(jīng)向構(gòu)造體系和青藏滇緬印尼巨型“歹”字型構(gòu)造的交接、上并部位，兩者貫穿全縣，華夏系龍門山構(gòu)造帶南端與金河－箐河構(gòu)造帶南端之殘余部分也影響了本縣的大部地區(qū)，還受筠連－赤水緯向構(gòu)造體系與新華夏系川西構(gòu)造帶的波及，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜。因強(qiáng)烈的地殼運(yùn)動(dòng)，褶皺，斷層十分發(fā)育，形成大的背斜和向斜。

斯巴呷拉達(dá)溝流域出露地層主要有志留系（S）中統(tǒng)石門坎組，巖性為碳酸鹽巖及新生界第四系松散堆積（圖1）。

1.4 氣象與水文

甘洛縣屬亞熱帶季風(fēng)氣侯，夏季炎熱，冬季溫暖。據(jù)甘洛縣氣象站資料，多年平均降雨量968.3 mm，最大年降雨量為1 179.9 mm，最大日降雨量達(dá)80.7 mm，最大小時(shí)降雨量達(dá)40.3 mm，最大30 min降雨量達(dá)30.9 mm，最大10 min降雨量達(dá)14.8 mm。降雨量、氣溫等在不同地區(qū)和不同海拔高程上變化顯著。降水分配很不均勻，75%以上的降水量集中在5～9月（圖2）。

圖1 斯巴呷拉達(dá)溝流域示意圖Fig.1 Diagrammatic sketch of Sibaxialada Gully

圖2 甘洛縣多年降雨量氣溫曲線圖Fig.2 Monthly average rainfall of many years

1.5 地震

新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)在甘洛縣內(nèi)主要表現(xiàn)為間歇性強(qiáng)烈上升，伴隨大量的新生帶斷裂、褶皺、老斷裂復(fù)活、地震和局部下降，形成了四級(jí)剝夷面、六級(jí)階地和迭置扇。據(jù)歷史記載，縣域7級(jí)以上地震發(fā)生較少。據(jù)2008年8月29日中國地震局發(fā)布的四川省汶川“5.12”8.0級(jí)強(qiáng)烈地震烈度圖，研究區(qū)地震烈度為Ⅵ度。據(jù)2013年4月25日中國地震局發(fā)布的四川省蘆山“4.20”7.0級(jí)強(qiáng)烈地震烈度圖，研究區(qū)地震烈度為Ⅵ度。據(jù)建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范（GB50011－2010），區(qū)內(nèi)地震地烈度為Ⅶ度，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.15 g，設(shè)計(jì)抗震為第三組。

2 泥石流的形成條件與發(fā)育趨勢(shì)

2.1 形成條件

（1）地形

斯巴呷拉達(dá)溝流域山高坡陡，地形高差較大，地勢(shì)南高北低，土地主要集中分布在海拔1 800～2 000 m范圍內(nèi)，占總面積的17.6%，其中海拔＞2 000 m的面積占總面積82.4%（表1）。對(duì)流域內(nèi)山坡坡度進(jìn)行分級(jí)統(tǒng)計(jì)可知，流域內(nèi)＜25°的緩坡地占18.1%，主要位于流域的中游和下游部分地段；25°～35°的 陡 坡 地占27.7%；＞35°的急陡坡地占流域面積的54.3%，陡坡地和急陡坡地主要位于流域的上游和下游部分地段。斯巴呷拉達(dá)溝所在區(qū)域新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)主要以抬升為主，主支溝強(qiáng)烈下切，溝谷呈“V”字型，溝床縱比降較大，其形態(tài)可以用流域形態(tài)完整系數(shù)來表示［3]：δ＝Ab／L2w（Lw：流域長度（k m），Ab：流域面積（k m2））。通過上式可以判斷，流域越為狹長，流域形態(tài)完整系數(shù)δ越??；反之流域形態(tài)完整系數(shù)δ越大。計(jì)算表明，斯巴呷拉達(dá)溝流域形態(tài)完整系數(shù)為0.34，屬于樺葉形泥石流流域，說明該流域較完整，具有良好的匯流條件，對(duì)山洪和泥石流的形成有利。斯巴呷拉達(dá)溝流域陡峭的山坡、陡急的溝床和良好的流域匯流條件，均為泥石流的形成提供了較好的地貌條件。

表1 斯巴呷拉達(dá)溝流域海拔和山坡坡度分級(jí)統(tǒng)計(jì)表Table 1 Elevation and slope classification of Sibaxialada Gully

（2）松散物質(zhì)

根據(jù)野外調(diào)查和訪問，結(jié)合震前遙感圖比對(duì)分析，斯巴呷拉達(dá)溝在蘆山“4.20”地震前植被覆蓋率較高，泥石流松散物源較少?！?.20”地震在溝域內(nèi)產(chǎn)生6處崩滑體，主要分布在流域的中下游。

斯巴呷拉達(dá)溝在震后的松散物源估算，采用文獻(xiàn)［4]建立的汶川地震災(zāi)區(qū)崩滑體面積（SL）和平均厚度（t）的經(jīng)驗(yàn)公式來計(jì)算：t＝1.432×Ln（SL）－4.985。計(jì)算表明，斯巴呷拉達(dá)溝流域在震后形成的6處崩滑體總面積為17 047 m2，松散固體物質(zhì)總量為11.02×104m3（表2）。上述松散物源進(jìn)入溝道，造成松散堆積物急增，加之該溝本身具有有利于泥石流形成的地形和水源條件，具備泥石流暴發(fā)的基本條件。斯巴呷拉達(dá)溝泥石流的起動(dòng)方式可能為，在一定的降水條件下，流域中下游的崩滑體失穩(wěn)起動(dòng)形成泥石流，在攜帶巨大石塊向下游流動(dòng)的過程中，不斷沖蝕、鏟刮溝岸和溝床，使溝道加寬，溝床下切深度增大，導(dǎo)致大量的松散物質(zhì)順流而下，從而形成危害性泥石流。

表2 斯巴呷拉達(dá)溝地震引起松散物源統(tǒng)計(jì)表Table 2 Loose materials of landslides triggered by the earthquake

（3）暴雨

降雨是泥石流暴發(fā)的重要觸發(fā)條件?！?.24”北川特大泥石流的調(diào)查分析結(jié)果表明［5]，在強(qiáng)震后，震區(qū)泥石流啟動(dòng)所需臨界降雨量顯著降低，1999年臺(tái)灣集集地震后泥石流啟動(dòng)的小時(shí)雨強(qiáng)和臨界累積雨量比震前降低1／3［6]。

據(jù)四川省暴雨統(tǒng)計(jì)參數(shù)圖集（2010年）所附暴雨量等值線圖，斯巴呷拉達(dá)溝流域所在地區(qū)的1 h、6 h、24 h多年最大暴雨量平均值分別為35 mm、48 mm、68 mm，變異系數(shù)分別為0.41、0.38、0.35。根據(jù)變異系數(shù)，查皮爾遜Ⅲ型曲線得到不同頻率下模比系數(shù)，再求取不同頻率下的雨強(qiáng)值，見表3。在P＝5%的條件下，1 h、6 h、24 h雨強(qiáng)可分別達(dá)到63.0 mm、83.04 mm、113.56 mm，由此可見，集中降水和較大的暴雨強(qiáng)度，為泥石流的形成提供了充足的水源條件。

表3 斯巴呷拉達(dá)溝所處區(qū)域不同頻率下雨強(qiáng)值計(jì)算表Table 3 Rainfall intensity under different frequencies

2.2 發(fā)育趨勢(shì)

蘆山“4.20”地震前，斯巴呷拉達(dá)溝流域內(nèi)植被發(fā)育，泥石流形成的松散物源總量較少。震后，流域內(nèi)地形地貌雖未發(fā)生明顯改變，但局部地貌發(fā)生顯著變化，共發(fā)育6處崩塌滑坡，形成松散固體物質(zhì)約11.02×104m3，斯巴呷拉達(dá)溝流域在地震后已具備形成泥石流的松散固體物源條件。

據(jù)汶川“5.12”地震災(zāi)區(qū)震后泥石流活動(dòng)特征，在震后松散固體物源豐富時(shí)，泥石流的活動(dòng)主要受控于降雨，斯巴呷拉達(dá)溝流域中下游在蘆山“4.20”地震的影響下已形成大量松散固體物質(zhì)，部分已進(jìn)入溝道，這些松散物質(zhì)在降雨作用下極易導(dǎo)致泥石流暴發(fā)，一旦泥石流堵斷主溝道，潰決后將形成大規(guī)模泥石流，嚴(yán)重威脅溝口群眾生命財(cái)產(chǎn)安全，甚至?xí)_入甘洛河導(dǎo)致河道壅塞或者短時(shí)堵斷。

3 防治措施

斯巴呷拉達(dá)溝口區(qū)域村莊密布，居住有27戶142人，均處于該泥石流溝影響區(qū)。采用現(xiàn)場(chǎng)漿體容重配制法和查表法，綜合得出斯巴呷拉達(dá)溝泥石流容重為1.6 g／cm3，屬于稀性泥石流。由于稀性泥石流阻力較小，流體多成兩相流，排導(dǎo)縱坡較小，沖淤能力相對(duì)較弱，流量變化相對(duì)較小，沖擊力亦較小等特點(diǎn)［7]，結(jié)合該溝泥石流的特征危害及減災(zāi)治理要求，其減災(zāi)工程規(guī)劃方案采取“以排為主”的措施（圖3）。

具體減災(zāi)工程包括：在出山口和甘洛河之間新建一條長約319.2 m的排導(dǎo)槽（圖3），以保證泥石流順利導(dǎo)入主河，避免危害溝口居民區(qū)；建立監(jiān)測(cè)點(diǎn)，完善群測(cè)群防體系，綜合監(jiān)測(cè)泥石流發(fā)生的各種征兆，在泥石流來臨前，及時(shí)發(fā)布預(yù)警預(yù)報(bào)，降低人員傷亡。

下面重點(diǎn)討論排導(dǎo)槽各段分項(xiàng)設(shè)計(jì)。

（1）出山口段

斯巴呷拉達(dá)溝流域由于無雨量和山洪流量觀測(cè)記錄，無法用數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法計(jì)算，采用四川省水文手冊(cè)提供的相關(guān)參數(shù)計(jì)算不同頻率下的暴雨洪峰流量，再用雨洪法求不同頻率下的泥石流洪峰流量。通過計(jì)算，斯巴呷拉達(dá)溝不同頻率的泥石流流量為：Q1%＝65.9 m3／s，Q2%＝29.0 m3／s，Q5%＝17.8 m3／s。目前，斯巴呷拉達(dá)主溝出山口段縱坡降較小，約為106‰，以淤為主，且溝道兩側(cè)房屋密集，過流斷面較小，大都小于6 m3，拓寬加深溝道成本較高。在滿足經(jīng)濟(jì)要求，兼顧東側(cè)支溝治理的前提下，排導(dǎo)槽采用機(jī)械開挖溝道進(jìn)行新建，從主溝出山口段沿北東向進(jìn)入甘洛河。

排導(dǎo)槽出山口段由于在原主溝天然溝道興建，為了有效防治泥石流裹挾的大塊石對(duì)防護(hù)堤的沖刷，將排導(dǎo)槽起始段進(jìn)行了加高加厚，并嵌固進(jìn)左側(cè)山坡巖層內(nèi)。防護(hù)堤堤高4.5 m，基礎(chǔ)埋深根據(jù)沖刷深度1.72 m，安全深度取0.5～1.0 m，設(shè)計(jì)為2.5 m，頂寬1.2 m，底寬2.32 m。該段雙邊排導(dǎo)槽寬為4.0 m，輔以布設(shè)防沖肋檻（圖3）。防沖肋檻左側(cè)嵌入排導(dǎo)槽，右側(cè)嵌入泥石流堆積層中密實(shí)土體內(nèi)。

（2）支溝匯入段

東側(cè)支溝在雨季主要以坡面流匯入下方溝道，造成下游的民房毀損，故在支溝下方增設(shè)一段雙邊排導(dǎo)槽，長約40 m。防護(hù)堤堤高2.5 m，基礎(chǔ)埋深根據(jù)沖刷深度0.74 m，設(shè)計(jì)為1.2 m，頂寬0.6 m，底寬1.22 m，外側(cè)直立，臨溝側(cè)坡比為1∶0.25，用C20毛石混凝土結(jié)構(gòu)。在排導(dǎo)槽起始端設(shè)計(jì)為喇叭口，利于泥石流歸流，并輔以布設(shè)防沖肋檻（圖3），防沖肋檻兩側(cè)均嵌入防護(hù)堤，與防護(hù)堤整體現(xiàn)澆。

圖3 斯巴呷拉達(dá)溝泥石流治理工程平面圖Fig.3 Engineering plans for debris－flow treatment

（3）匯入甘洛河段

主支溝泥石流匯合后，導(dǎo)致50 a一遇泥石流峰值流量達(dá)到29.0 m3／s，采用雙邊排導(dǎo)槽進(jìn)行泥石流排導(dǎo)。對(duì)泥石流排導(dǎo)槽梯形最佳過流斷面進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算得到，在排泄設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的泥石流時(shí)，排導(dǎo)槽的最佳過流斷面寬度為5.0 m，深度為3.5 m［8]（圖4）。防護(hù)堤堤高3.5 m，基礎(chǔ)埋深根據(jù)沖刷深度0.95 m，設(shè)計(jì)為1.2 m，頂寬0.8 m，底寬1.67 m，臨溝側(cè)坡比為1∶0.25，外側(cè)直立。在排導(dǎo)槽進(jìn)入甘洛河附近，由于岸坡高陡，近年受泥石流沖刷嚴(yán)重，將該段改造為急流槽，增設(shè)梯踏步消能，利于泥石流順利進(jìn)入甘洛河。

4 結(jié)論

（1）受蘆山地震影響，斯巴呷拉達(dá)溝流域中下游由于震動(dòng)直接引發(fā)了6處崩滑體，崩滑體總面積為17 047 m2，松散固體物源的總量為11.02×104m3，為泥石流的形成提供了豐富的松散物源。

圖4 斯巴呷拉達(dá)溝泥石流梯型排導(dǎo)槽橫斷面圖Fig.4 Section view of the ladder drainage canal for debris flow

（2）經(jīng)實(shí)地踏勘和室內(nèi)分析，地震后斯巴呷拉達(dá)溝已經(jīng)具備暴發(fā)泥石流的條件，震后松散固體物源陡增，促使泥石流的活動(dòng)主要受控于降雨。一旦發(fā)生泥石流，將嚴(yán)重威脅溝口群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全，甚至?xí)_入甘洛河導(dǎo)致河道壅塞或者短時(shí)堵斷河流。

（3）通過對(duì)泥石流排導(dǎo)槽治理工程的分段優(yōu)化設(shè)置，相應(yīng)調(diào)整了雙邊排導(dǎo)槽和防沖肋檻的體型和嵌固深度，并在局部增設(shè)急流槽，達(dá)到了治理斯巴呷拉達(dá)溝泥石流的目的。

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