四川省冕寧縣崩土凹泥石流成因及防治研究

郭 寧

(西昌學(xué)院 工程技術(shù)學(xué)院， 四川 西昌 615013)

泥石流是西南地區(qū)最為常見(jiàn)的一種突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害，分布廣危害大，常造成重大的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡[1]。崩土凹泥石流溝位于四川省涼山州冕寧縣石龍鄉(xiāng)石龍村境內(nèi)，泥石流匯入崩溝后從下游的石龍村穿過(guò)，匯口距村寨約100 m，終點(diǎn)到達(dá)108國(guó)道。石龍村大部分房屋修建于崩溝兩側(cè)，溝道過(guò)流面積僅10 m2左右。崩土凹溝在1952年8月，1973年8月及2005年8月曾發(fā)生3次規(guī)模不等的泥石流。2005年8月崩土凹爆發(fā)泥石流導(dǎo)致崩溝短暫堵溝潰決后，最大洪水漫過(guò)下游百年石龍橋，進(jìn)入兩邊村寨房屋，共有約50戶房屋受到嚴(yán)重影響。

崩土凹泥石流為典型的暴雨觸發(fā)溝谷型、低頻泥流型泥石流，泥石流堆積區(qū)主要位于溝口至崩溝河道中。泥石流主要危害為堵河潰決危害，危險(xiǎn)區(qū)面積0.237 km2。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件并結(jié)合2005年泥石流的規(guī)模特征分析，崩土凹泥石流活動(dòng)性高，可造成中等災(zāi)害和嚴(yán)重危害。初步估算，一旦崩土凹發(fā)生大規(guī)模泥石流匯入崩溝后，將直接威脅石龍村溝道兩側(cè)約300余村民生命財(cái)產(chǎn)安全，沖毀公路房屋等建筑設(shè)施[2]。

1 泥石流地質(zhì)背景及成因

1.1 地形地貌

崩土凹溝流域?yàn)榍治g中山地貌，地勢(shì)東高西低，全流域面積0.31 km2，其中主溝流域面積0.23 km2，主溝長(zhǎng)度0.82 km，最高海拔1 886 m，最低點(diǎn)海拔1 688 m，嶺谷相對(duì)高差約200 m，平均溝床縱比降13%，流域完整系數(shù)為0.35，主要以“V”字形溝谷為主。溝床縱比降較大，其中形成區(qū)平均縱坡29.2%，形成流通區(qū)平均縱坡5.24%，堆積區(qū)溝床平均縱坡4.625%。流域岸坡坡度一般為30°，局部接近50°。堆積扇區(qū)扇頂擴(kuò)散角約30°，坡度2°～3°。流域內(nèi)未被切割區(qū)域面積與全流域面積之比約為40%，表明該流域地貌正處于發(fā)展期。

該溝流域的完整系數(shù)、相對(duì)高差、流域地貌發(fā)育階段、溝床最小縱坡比降及最小岸坡坡度等條件均滿足泥石流形成的地形條件。

1.2 地層巖性

1.3 泥石流物源

泥石流固體物源主要分布在崩土凹主溝形成流通區(qū)內(nèi)，主要有兩種類型物源：形成區(qū)邊坡松散物質(zhì)滑塌體，為上游滑坡體；中上游溝床內(nèi)松散堆積物，以昔格達(dá)組黏土形成的滑塌體和滑坡為主。已經(jīng)查明形成區(qū)內(nèi)共有大小不等的11個(gè)滑塌體和1個(gè)滑坡體。

根據(jù)形成及流通區(qū)的地形條件及松散物質(zhì)的堆積特征，物源補(bǔ)給有溝床侵蝕補(bǔ)給、溝道兩岸邊坡塌滑補(bǔ)給及地表逕流侵蝕補(bǔ)給等方式。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地測(cè)繪和勘探發(fā)現(xiàn)，崩土凹泥石流物源總量達(dá)4.98×104m3，動(dòng)儲(chǔ)量2.55×104m3。

1.4 區(qū)域暴雨特征

區(qū)內(nèi)年均降水量1 095.0 mm，年降水量最大值1 518.9 mm，日最大降雨量164.0 mm，1 h最大降雨量150.0 mm，30 min最大降雨量59.0 mm，10 min最大降雨量22.9 mm，5 min最大降雨量14.2 mm。年降雨量中，夜間降雨量占76%，為白天降雨量的3.1倍。據(jù)1998—2007年降雨資料統(tǒng)計(jì)，共發(fā)生24次暴雨，且30 min降雨量均大于50.0 mm，連續(xù)2日暴雨4次，7日內(nèi)出現(xiàn)2次暴雨2次。暴雨主要集中在6—9月，占91.7%。

流域的暴雨強(qiáng)度指標(biāo)R為12.5。據(jù)此判別分析，該溝流域降雨滿足泥石流形成的臨界降雨強(qiáng)度，發(fā)生泥石流的機(jī)率大于0.8，發(fā)生泥石流幾率高。

1.5 區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造及新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)

攀西地區(qū)位于青藏高原東南緣，多條斷裂圍限而成的川滇菱形地塊的東北緣，新構(gòu)造活動(dòng)十分強(qiáng)烈。安寧河斷裂帶是區(qū)內(nèi)的控制性斷裂，由東、西兩支組成。第四紀(jì)以來(lái)，東西兩支斷裂活動(dòng)強(qiáng)度表現(xiàn)出明顯的差異，西支斷裂活動(dòng)微弱，東支斷裂具明顯的活動(dòng)性[4]。研究區(qū)正位于東支斷裂附近，新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈，據(jù)地形變觀測(cè)資料，該區(qū)年平均上升速率約為2 mm。

2 泥石流活動(dòng)特征

2.1 分區(qū)特征

2012年進(jìn)行崩土凹泥石流勘察，共布置25條勘探線，通過(guò)井探、槽探等揭露和取樣分析，基本確定了泥石流的分區(qū)及其特征。

泥石流形成區(qū)。平面形態(tài)呈樹葉狀，主溝平均縱坡比降29.2%，溝道呈 “V”型，上部溝道深窄，最深可達(dá)10 m多，溝道兩岸小沖溝較發(fā)育，地形起伏大。橫向上主要由溝谷堆積、殘坡積群及高中山等地貌組成，縱向上溝谷形態(tài)呈曲線型分布，溝床縱坡比降變化較大，谷底寬1～2 m，谷坡坡度30°～50°。溝床兩岸邊坡松散物質(zhì)在降雨作用下形成溜滑、滑塌及滑坡，成為泥石流的重要固體物源。

泥石流形成流通區(qū)。主溝平均縱坡比降5.24%，溝道呈 “U—V”型，溝床縱坡比降變化不大，谷底寬1～3 m，谷坡坡度20°～50°。兩岸松散物在降雨作用下形成溜滑、滑塌，為泥石流形成的主要物源。

泥石流堆積區(qū)。從匯口海拔1 688 m到溝道海拔1 702 m區(qū)域?yàn)槟嗍鞫逊e區(qū)。主溝平均縱坡4.625%。泥石流堆積扇長(zhǎng)約60 m，平均寬約35 m，扇體坡度2°～3°，擴(kuò)散角約30°，堆積面積約2 000 m2。經(jīng)探槽揭露，泥石流堆積扇前緣平均厚度約1 m，堆積體體積約3 000 m3。堆積體主要為第四系殘坡積粉質(zhì)黏土、含角礫粉質(zhì)黏土組成，結(jié)構(gòu)松散—稍密，且堆積區(qū)左側(cè)溝道長(zhǎng)期被泥石流和水流沖刷深度達(dá)0.5～1 m，溝底可見(jiàn)花崗巖強(qiáng)風(fēng)化顆粒物質(zhì)。

2.2 易發(fā)程度和活動(dòng)強(qiáng)度

根據(jù)崩土凹泥石流流域特征，按《泥石流災(zāi)害防治工程勘查規(guī)范》，對(duì)該溝泥石流的15項(xiàng)易發(fā)因素綜合評(píng)分為89分，屬于易發(fā)泥石流溝。對(duì)泥石流活動(dòng)強(qiáng)度進(jìn)行綜合判別，判定該溝泥石流活動(dòng)強(qiáng)度為強(qiáng)。

2.3 泥石流類型

從工程角度出發(fā)，按照泥石流暴發(fā)的頻率，可把流石流分為不同類型，將暴發(fā)頻率為10 a及以上暴發(fā)1次的泥石流稱為低頻泥石流[5]。該溝50 a來(lái)發(fā)生過(guò)3次大的泥石流，且每年暴雨季節(jié)易發(fā)小型泥流。泥石流主溝發(fā)育于山體深切溝谷地帶，主要由大雨或暴雨激發(fā)，參與泥石流活動(dòng)的固體物質(zhì)以粉土及黏土為主。歷次規(guī)模較大的泥石流暴發(fā)時(shí)，基本呈稠漿狀—稀粥狀。因此，崩土凹泥石流屬于暴雨引發(fā)的溝谷型、低頻泥流型泥石流。

2.4 泥石流危害方式

崩土凹邊坡較陡，且為昔格達(dá)組黏土，在強(qiáng)降雨下大量坡面土體和河床泥沙被帶走，河床被侵蝕沖刷，導(dǎo)致岸坡垮塌，在堆積區(qū)下游分布的道路、房屋等將直接受到泥石流的沖刷侵蝕破壞。

崩土凹溝與主河崩溝呈60°左右的交角，崩溝50 a一遇最大洪峰流量是崩土凹溝的5倍，崩土凹泥石流流體性質(zhì)為低濃度黏性泥石流，泥石流固體物質(zhì)主要為細(xì)顆粒物質(zhì)，有利于泥石流物質(zhì)的排泄。但匯合口崩溝河道狹窄，寬約10 m，深約2 m，溝谷縱坡3%左右，客觀上不利于泥砂排泄。崩土凹泥石流造成主河短暫堵塞和潰決的可能性較大。

根據(jù)崩土凹泥石流活動(dòng)規(guī)模、性質(zhì)、地形地貌條件和受害對(duì)象等因素，該溝泥石流危害方式主要為沖刷、淤埋、堵河及潰決。

3 泥石流工程防治系統(tǒng)參數(shù)確定[6]

3.1 泥石流容重

泥石流容重是研究泥石流運(yùn)動(dòng)及其災(zāi)害的最重要參數(shù)之一[7]。在崩土凹泥石流主要堆積區(qū)采取泥石流堆積物攪拌成泥石流漿體，實(shí)測(cè)泥石流漿體平均重度為1.610 t/m3。另?yè)?jù)泥石流量化評(píng)分，按照《泥石流災(zāi)害防治工程勘查規(guī)范》確定崩土凹泥石流重度γc=1.614 t/m3。

對(duì)上述兩者各取權(quán)重值0.5，可綜合確定泥石流漿體重度為1.612 t/m3，為低濃度黏性泥石流。

3.2 泥石流流量

通過(guò)崩土凹流域不同頻率P下的雨流洪峰流量QB，取相應(yīng)的堵塞系數(shù)DC，可求得該溝不同頻率的泥石流峰值流量QC，計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 崩土凹泥石流峰值流量計(jì)算結(jié)果

3.3 泥石流總量

研究區(qū)全流域面積僅0.31 km2，泥石流具有暴漲暴落特點(diǎn)。實(shí)地調(diào)查表明，一次泥石流過(guò)程歷時(shí)一般40 min，可把泥石流過(guò)程線概化成五邊形，計(jì)算出泥石流一次流體總量Q和固體總量QH(如表2所示)。計(jì)算結(jié)果可作為泥石流工程設(shè)計(jì)和校核的標(biāo)準(zhǔn)。

表2 崩土凹泥石流一次流體總量和固體總量

3.4 泥石流流速

崩土凹泥石流以低濃度黏性為主，泥石流流速Vc按式(1)計(jì)算：

(1)

式中：Hc——平均泥深(m)，實(shí)際取0.4 m；Ic——縱比降，實(shí)際取0.13；n——泥石流糙率，實(shí)際取0.043。計(jì)算可得Vc為4.55 m/s。下同。

3.5 泥石流沖擊力

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，該流域泥石流物質(zhì)成分以粉質(zhì)黏土為主，含少量花崗巖角礫，粒徑大部分在2 cm以下，不考慮大石塊沖擊力，只考慮整體沖擊力δ為

(2)

式中：λ——建筑物形狀系數(shù)；g——重力加速度(m/s2)，為9.8 m/s2；α——建筑物受力面與泥石流沖擊壓力方向的夾角(°)。下同。

崩土凹流域內(nèi)各主要控制斷面對(duì)不同建筑物的整體沖擊力計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表3 崩土凹泥石流整體沖擊力

3.6 泥石流最大沖起高度和彎道超高

最大沖起高度ΔH和最大彎道超高Δh分別按式(3)和式(4)計(jì)算：

(3)

(4)

式中：R2——凹岸曲率半徑(m)；R1——凸岸曲率半徑(m)。計(jì)算可得ΔH為1.06 m，Δh為0.19 m。

4 泥石流防治

4.1 防治原則

對(duì)小流域的治理應(yīng)采取“穩(wěn)、攔、排、封、造”對(duì)策。崩土凹泥石流發(fā)生在中上游，而成災(zāi)在下游地區(qū)。因此在防治上應(yīng)考慮上、中、下游結(jié)合，治溝和治坡兼顧。流域上游水源涵養(yǎng)林以封、管、護(hù)、育為主，營(yíng)造為輔，防止人為砍伐破壞，同時(shí)加強(qiáng)管護(hù)，嚴(yán)格控制放牧。治理工程設(shè)計(jì)方案應(yīng)貫徹經(jīng)濟(jì)合理，技術(shù)可行的原則并體現(xiàn)社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境的綜合效益。

4.2 防治目標(biāo)

崩土凹是一條活動(dòng)強(qiáng)度較高、物源多的低濃度黏性泥石流溝，防治上應(yīng)控制泥石流發(fā)生頻率，降低泥石流發(fā)生規(guī)模，達(dá)到泥石流活動(dòng)不造成堵溝潰決危害的目標(biāo)，建立泥石流活動(dòng)響應(yīng)機(jī)制，從而保護(hù)下游居住區(qū)人民的生命財(cái)產(chǎn)安全和交通安全。針對(duì)崩土凹泥石流的物源、縱坡降以及歷次泥石流特征，參照2005年泥石流致災(zāi)實(shí)際情況，如直接對(duì)主河崩溝下游居民區(qū)兩岸進(jìn)行防護(hù)(如修建防護(hù)堤等)，防護(hù)長(zhǎng)度約200 m，且涉及部分村民搬遷，工程造價(jià)較高。對(duì)于易發(fā)性的崩土凹泥石流溝，修建攔擋壩或谷坊攔截大部分泥石流物質(zhì)，利用上游淤積物反壓溝岸，促使現(xiàn)有不穩(wěn)定溝岸趨于穩(wěn)定，從而控制泥石流的形成[8]，減輕對(duì)下游的威脅是最為可行的。

4.3 工程治理方案

泥石流治理工程應(yīng)根據(jù)自身特點(diǎn)，制定合適的治理措施，特別要針對(duì)泥石流成因三要素，采用土木工程及生態(tài)工程合理配置，發(fā)揮整體效益，保證其不受或少受危害[9-10]。根據(jù)崩土凹泥石流的類型、規(guī)模、活動(dòng)情況和危害程度，綜合考慮其威脅對(duì)象及可能造成的經(jīng)濟(jì)損失，確定泥石流災(zāi)害防治等級(jí)為Ⅴ級(jí)，治理工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇暴雨強(qiáng)度，按照50年一遇暴雨(P=2%)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行校核。

結(jié)合溝床實(shí)際地形及地質(zhì)情況，工程治理以設(shè)置攔砂壩和谷坊群攔擋固體物源為主[8,11]，合理選擇壩坊位置，采用“1座攔砂壩+4座谷坊”(方案1)與“8座谷坊群”(方案2)兩個(gè)方案進(jìn)行比較。初步設(shè)計(jì)取攔砂壩壩長(zhǎng)22 m，高8 m，谷坊高2 m，各攔砂壩(包括谷坊)的庫(kù)容量計(jì)算如表4所示。

表4 穩(wěn)攔工程庫(kù)容量統(tǒng)計(jì)

方案1的工程總估算費(fèi)用113.50萬(wàn)元，方案2的工程總估算費(fèi)用103.38萬(wàn)元；但方案1攔蓄量為13 885 m3，方案2為9 310 m3，方案1攔蓄單價(jià)為82.0元/m3，方案2攔蓄單價(jià)為111.2元/m3。方案1明顯優(yōu)于方案2，推薦方案1作為治理工程首選方案。

5 結(jié) 論

(1)崩土凹泥石流屬于暴雨引發(fā)的溝谷型、低頻黏性泥石流，易發(fā)生、活動(dòng)強(qiáng)，常常具有隱蔽性、突發(fā)性，進(jìn)行工程治理十分必要。

(2)針對(duì)崩土凹泥石流類型、活動(dòng)特征及危害對(duì)象，建議采取以穩(wěn)攔工程，“一壩四坊”方案來(lái)進(jìn)行工程治理。

(3)在物源區(qū)應(yīng)減少放牧等人類活動(dòng)，以免過(guò)度放牧致暴雨作用下產(chǎn)生泥流，另外，在物源區(qū)和流通區(qū)加強(qiáng)植草種灌，使植被盡快恢復(fù)。

(4)應(yīng)在流域內(nèi)建立泥石流及山洪的監(jiān)測(cè)、預(yù)報(bào)及預(yù)警機(jī)制，通過(guò)群策群防、建立專業(yè)的監(jiān)測(cè)員等方式達(dá)到有效的減災(zāi)防災(zāi)目的。

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