通南巴區(qū)塊泥石流發(fā)育基本特征及防治對策

杜 杰，左雅婭

（1.中國石化西南油氣分公司工程技術研究院，四川 德陽618000；2.四川省交通運輸廳工程質(zhì)量監(jiān)督局，成都610041）

通南巴區(qū)塊位于四川省的北部，四川盆地東北邊緣，米倉山南麓，地形由北向南西傾斜，北高南低，地形北陡南緩，處于中山向低山丘陵過渡的地帶，屬盆周中低山區(qū)。區(qū)塊內(nèi)平均海拔850 m，最高海拔2 117.0 m，最低點海拔305.9 m。區(qū)塊內(nèi)地層出露受構(gòu)造的限制，從北向南，由老到新，從寒武系到第四系，除缺失泥盆、石炭外，其余均有出露，地層總厚度7 311.1～18 279.1 m；三迭系及更老地層出露于東西向構(gòu)造帶的巖溶地貌區(qū)和單斜山區(qū)；侏羅系地層主要出露在單面山分布的地區(qū)；白堊系地層 主要出露在縣境南部的桌狀山和低山區(qū)；第四系零星分布在各地層之上及沿河兩岸的壩地內(nèi)，除了沿河谷地帶分布的沖洪積層之外，還有殘坡積和崩坡積層等散布于境內(nèi)各地。

從區(qū)內(nèi)地形及地層結(jié)構(gòu)特點來看，井場在前期選址過程中可選空間狹小，場地可選地段主要沿河（溝）兩岸沖洪積堆積階地，即盆地或?qū)捁龋ㄒ韵潞喎Q“盆谷”）是該區(qū)塊內(nèi)理想的建設場地，但受盆谷上部山坡穩(wěn)定性，尤其是穿越盆谷河流（溝谷）特征的制約，井場不可避免將遭受盆谷內(nèi)河流（溝谷）的危害主要災害類型為洪水—泥石流。

1 泥石流溝谷基本特征

通南巴區(qū)塊內(nèi)泥石流溝域內(nèi)山高坡陡，流域面積大，溝道長度多大于3.5 k m，溝道平均縱坡降大于150‰，流域特征系數(shù)相對其它區(qū)域典型泥石流溝谷較大，見表1。區(qū)內(nèi)溝谷上游以狹窄“V”型谷為主，且溝谷寬度不一，中下游地段地形開闊，呈“U”型谷。溝谷左岸以殘坡積為主，斜坡較平緩，在下游可見階地發(fā)育；溝谷右岸中上游以垮塌堆積物為主，下游以陡立巖質(zhì)邊坡為主，溝谷存在若干處彎道，彎道半徑為15～20 m。溝域總體植被覆蓋率約80%，其中谷坡中上部以高大喬木和低矮灌木叢為主。溝谷中下游兩側(cè)及溝底基巖局部出露，且溝道跌水坎發(fā)育，跌水坎高度可達2.5 m，匯流參數(shù)相對較小，但產(chǎn)流參數(shù)相對較大，見表1。

表1 區(qū)塊內(nèi)泥石流溝谷特征參數(shù)統(tǒng)計

泥石流溝域不是由典型的形成區(qū)、流通區(qū)和堆積區(qū)組成，特別是沒有典型的物源區(qū)。根據(jù)泥石流形成條件和運動機制及泥石流松散固體物源的分布，將溝域劃分為三個區(qū)段：支溝匯集高程以上地形開闊，植被發(fā)育，匯水面積大，主要以匯水功能為主，物源多分布在溝底高程地段，部分溝床堆積物可參與泥石流的形成，因此劃為泥石流匯流—形成區(qū)；該高程以下溝道縱坡降明顯增大且沿途物源豐富，故劃為泥石流形成—流通區(qū)；井場或采輸作業(yè)平臺位置處溝谷縱坡降降低，地形相對開闊，為泥石流堆積區(qū)，見圖1。

1.1 匯流－形成區(qū)特征

溝谷地形開闊，地勢陡峭，平面形態(tài)多呈瓢狀，匯水面積大，匯水功能顯著，溝域內(nèi)植被覆蓋好，主要以高大喬木及低矮灌木叢為主，植被覆蓋率高達90%以上。溝谷呈開闊U形谷，寬度多大于100 m，兩側(cè)岸坡主要受地形結(jié)構(gòu)影響，主要發(fā)育崩塌堆積體，但

圖2 M104井匯流－形成區(qū)

1.2 形成－流通區(qū)溝谷特征

圖1 HB2井泥石流溝域三區(qū)劃分

圖3 HB2井匯流－形成區(qū)

溝谷呈開闊V型谷，溝谷平均寬度60～80 m，局由于堆積體所處地段海拔高程較高，且堆積體植被覆蓋好，穩(wěn)定性較好，可直接參與泥石流過程的物源量較少，實際泥石流物源主要來自于溝道內(nèi)以及溝槽兩側(cè)?？傮w來看，該區(qū)域以匯水功能為主，形成了泥石流發(fā)生的先決條件即水源條件，至流通區(qū)時多以水石流形式出現(xiàn)，見圖2—3。部狹窄地段溝寬僅5～10 m，見圖4。該區(qū)域溝道縱坡降明顯增大，沿途多發(fā)育跌水坎，溝床零星可見基巖出露，兩側(cè)岸坡植被覆蓋較好，覆蓋率70%。通常情況下該區(qū)段溝谷兩側(cè)岸坡多以巖質(zhì)邊坡與堆積體邊坡交替分布。沿途物源以鄰溝側(cè)堆積垮塌體和泥石流堆積為主，尤其是溝道內(nèi)沖洪積物和老泥石流堆積物，是泥石流爆發(fā)的最主要物源條件。該處物源分布特征：（1）表層1～3 m多為新近的堆積物，堆積松

圖4 溝谷及物源特征（M104井）

1.3 堆積區(qū)溝谷特征

堆積區(qū)地形開闊，地勢相對平緩，溝谷多呈開闊“U”型谷，這也是井場選址的一大主要原因。原始溝道較為順直，泥石流在此區(qū)內(nèi)主要以停淤為主，形成了較為典型的泥石流堆積扇。溝口扇形堆積地形發(fā)育，扇緣及扇高明顯增長，新老扇疊置覆蓋外延中，新扇規(guī)模逐漸擴大，扇面的年變幅＞＋0.5 m［1］，堆積區(qū)多被改造為農(nóng)田等植被覆蓋率較高。井場多沿溝谷兩側(cè)沖洪積階地或泥石流堆積扇進行規(guī)劃布置，圖6為M104井井場建設前地貌形態(tài)特征。

2 泥石流災情及成因機制分析

2.1 泥石流災害史及災情

2012年7月6日，巴中市普降暴雨，7日上午7點55分，HB2井上游爆發(fā)較大規(guī)模山洪泥石流，泥石流爆發(fā)后沖毀井場臨溝側(cè)圍墻，沖毀長度約為17 m，

圖7 HB2井受災情況（稀性泥石流）

2011年7月6日，M104井上游暴發(fā)歷史罕見的特大山洪泥石流，泥石流暴發(fā)后溢出溝道，淹沒井場散，多呈架空狀，可直接參與泥石流過程，見圖5；（2）老泥石流堆積物多呈犬牙交錯分布，可部分參與泥石流過程，同時在一定程度上降低了溝谷的過流斷面，導致泥石流出現(xiàn)一定程度的停積，因而該區(qū)泥石流的運動過程為加速—停積—再加速，是泥石流形成的主要場所。泥石流堆積物直接掩埋井場工藝裝置區(qū)、部分管匯臺區(qū)，部分管線等設施遭受損毀，井場采輸流程臨時關閉，造成了較為嚴重的財產(chǎn)損失［2］，見圖7，同時下游HB1井、HJ203 H井、M101井、HF203井及 HB102井也遭受了洪水／稀性泥石流的威脅，見圖8。前場設備區(qū)和局部鉆井平臺，導致部分機器設備受損嚴重，超高的洪水沖毀了后場生活區(qū)，造成了嚴重的財產(chǎn)損失，見圖9；JL1井井場被淹1.5～2 m，部分淤泥達到0.5～1 m，造成發(fā)電房、柴油機組、SCR房、泥

圖5 溝谷及物源特征（HB2井）

圖6 M104井井場為老泥石流堆積扇

圖8 HB1井受災情況（洪水）

圖9 M104井受災情況（稀性泥石流）

2.2 泥石流發(fā)生頻率和規(guī)模

根據(jù)調(diào)查各井場每年受災情況，各溝域每年7—9月份均有洪水發(fā)生，尤其是受近年來極端氣候影響——區(qū)塊內(nèi)各氣象站監(jiān)測近年來同時期雨量明顯增大，形成—流通區(qū)原有靜儲量物源在強大的水動力條件下重新啟動，溝道內(nèi)松散的不穩(wěn)定物源明顯增多，加之各支溝泥石流發(fā)生頻率近年來增大（支溝下切速率明顯大于主溝，處于發(fā)展期），這些均導致主溝發(fā)生泥石流的頻率將進一步增加，基本屬于中—高頻泥石流。

從近年來各井場受災情況來看，2009—2012年每年的7月中旬各溝均發(fā)生不同規(guī)模的稀性泥石流和高夾砂水石流，對比各溝域歷年來所爆發(fā)的泥石流規(guī)模來看：JL1井2011年7月5日泥石流一次性沖積方量約為2 300 m3（50年一遇）；M104井泥石流一次沖積量接近1.0×104m3（百年一遇）；HB2井泥石流一次沖積量接近1 800 m3（50年一遇）。流域內(nèi)各溝泥石流爆發(fā)規(guī)?；驹谛〉街械纫?guī)模。

2.3 泥石流成因機制分析

泥石流匯流—形成區(qū)支溝發(fā)育，匯水面積大，在局域性的強降雨作用下溝谷匯集大量的水源，匯流過程中將溝道和坡面的細粒松散堆積物源攜帶進入溝道，通過溝道沖刷溝道松散堆積物源至形成—流通區(qū)，形成小規(guī)模的水石流，受形成—流通區(qū)地形、物源等條件影響，泥石流在該區(qū)段內(nèi)進一步得到加速，并沿途不斷參與進新的物源，泥石流規(guī)模增大，但從物源特征來看，泥石流在該區(qū)段內(nèi)主要將主溝兩岸及溝底的細顆粒物質(zhì)帶向下游，這從該區(qū)域溝道物源組成結(jié)構(gòu)特征可以看出（大顆粒物質(zhì)多呈架空裝，細顆粒物質(zhì)被沖向下游），在正常情況下溝谷形成較為典型的稀性泥石流或高夾砂洪水自然排泄至下游溝谷地段。但受前期井場建設活動影響，井場平整過程中大多數(shù)井場均存在侵占河道或改移溝道等情況，因而嚴漿泵、固井車、氣體鉆井設備等被淹或被淤泥掩埋，經(jīng)濟損失大，見圖10。重影響泥石流的自然排泄通道，主要表現(xiàn)在：（1）井場侵占河道導致溝谷的自然行洪能力降低；如JL1井、M2-1井；（2）改移溝道直接改變了泥石流的排泄通道，受泥石流直進性影響，泥石流將漫過人工改移溝道直沖井場，導致井場成為泥石流的直接威脅對象，如M104井、HB2井，見圖11。

圖10 JL1井受災情況（稀性泥石流）

圖11 HB2井建設過程中人工改移溝道

3 泥石流基本動力學特征參數(shù)

泥石流基本動力學特征參數(shù)包括泥石流的容重、流速、流量、一次泥石流過流總量、一次泥石流固體沖出量、泥石流整體沖壓力、泥石流爬高和最大沖起高度及泥石流彎道超高，統(tǒng)計區(qū)塊內(nèi)各泥石流溝谷基本動力學特征參數(shù)如表2所示。

結(jié)合井場建設特點，針對泥石流典型特征參數(shù)及暴雨洪峰流量值及泥石流峰值流量值進行計算［3］，這些參數(shù)將直接作為后期泥石流防治工程的重要依據(jù)，而確定該值的主要參數(shù)為區(qū)塊內(nèi)降雨強度值。

3.1 暴雨洪峰流量值（雨洪法）

區(qū)塊內(nèi)屬亞熱帶濕潤季風氣候區(qū)，全縣1971—2000年平均降水量1 154.6 mm，1971—1980年平均降水量1 068.8 mm，1981—2000年平均降水量1 188 mm，表明近年年均降雨量比1985年以前有所增加，見圖12，M104井場所在地區(qū)周邊氣象站觀測資料（2011年），日降雨量達到200 mm以上的有5次。根據(jù)1 h雨量觀測結(jié)果，2010年7月24日該地區(qū)周邊遭受100 a一遇強降雨1次（煙溪站1 h降雨最大值76 mm），2011年7月6日井場周邊強降雨1 h最大值62.6 mm，基本接近50 a一遇。這些均證明了區(qū)塊內(nèi)降雨有明顯增強的趨勢。

表2 通南巴區(qū)塊典型泥石流基本動力學特征參數(shù)統(tǒng)計

圖12 區(qū)塊內(nèi)1971－2000年降雨量年際變化及對比

以下按100 a和50 a一遇的暴雨強度進行泥石流流量計算。暴雨時的最大洪峰量采用推理公式計算，有關參數(shù)的確定依據(jù)是《四川省中小流域暴雨洪水計算手冊》，主要參數(shù)選取暴雨均值H1p，通過變差系數(shù)確定設計頻率下最大暴雨量值。

式中：SP——某頻率的雨力（mm／h）；n——暴雨參數(shù)；τ——匯流時間（h）；L——主溝長度（k m）；F——流域面積（k m2）。根據(jù)上述公式查取相應的數(shù)據(jù)，并利用推理公式計算的最大洪水流量，計算了兩口井的泥石流溝谷兩種頻率下的暴雨洪峰曲線，圖13—16中可以看出，區(qū)塊內(nèi)泥石流溝谷暴雨洪峰曲線呈“單峰”狀，洪峰過程歷時12～24 h，相對于泥石流過程歷時15～35 min，泥石流整個過程是“快漲快退”［4］。

圖13 M104井50年一遇暴雨洪峰曲線

圖15 HB2井50年一遇暴雨洪峰曲線

3.2 泥石流峰值流量計算

根據(jù)流域暴雨強度、匯流面積以及洪峰徑流系數(shù)等參數(shù)值，通過雨洪法求得暴雨洪峰流量值，然后考慮泥沙修正系數(shù)以及溝道堵塞系數(shù)確定泥石流峰值流量。

圖14 M104井100年一遇暴雨洪峰曲線

圖16 HB2井100年一遇暴雨洪峰曲線

式中：Qc——泥石流斷面峰值流量（m3／s）；φ——泥沙修正系數(shù)，采用查表法得到結(jié)果；Qp——暴雨洪峰流量；Dc——堵塞系數(shù)，按勘查規(guī)范表查表確定，按勘查規(guī)范表查表確定［5］。

4 井場選址及防治對策

井場建設選用沖洪積扇形地、寬谷和小盆地作為井場建設場地時，井場的重要建／構(gòu)筑物和設施要避開沖溝溝口和溝道，但從本次調(diào)查統(tǒng)計情況來看，該區(qū)塊內(nèi)可作為井場建設場地基本都位于溝谷兩側(cè)和溝口泥石流堆積扇上，隨著該區(qū)塊內(nèi)極端氣候頻現(xiàn)及人類活動逐步強烈等因素影響，后期井場建設遭受泥石流的風險較大，但同時又是不可避免的，但在井場選址規(guī)劃中應盡量減少對原有地質(zhì)環(huán)境的擾動和科學的合理規(guī)劃布局［6］，盡量保證：（1）減少人工改溝等工程活動；（2）規(guī)劃階段應充分考慮改溝溝道的走向、溝道截面尺寸等參數(shù)。針對區(qū)塊內(nèi)泥石流的發(fā)育特征與井場建設的特殊性，該區(qū)塊內(nèi)泥石流防治對策建議如下：

（1）井場建設侵占原有溝道：此種情況泥石流爆發(fā)以后直沖井場的可能性較小，危險性相對較低，泥石流對井場的破壞主要以側(cè)蝕為主。井場靠溝側(cè)應設置防洪堤壩，堤壩尺寸應保證50 a一遇泥石流峰值流量的行洪空間，同時根據(jù)地形條件對溝道進行拓深處理，通過這些防治對策基本上能保證井場的正常運營。

（2）井場建設改移溝道：此種情況泥石流爆發(fā)以后將直沖井場，危險性較大，如M104井、HB2井均屬于上述情況，針對改移溝道后的泥石流防治，除采取必要的防側(cè)蝕工程對策外，迎水面?zhèn)缺仨氃O置高壩以防泥石流直沖井場，高壩設計必須考慮泥石流在此處的彎道超高現(xiàn)象［7］，統(tǒng)計值表明，該區(qū)塊內(nèi)泥石流彎道超高基本接近1.0 m，疏導工程應滿足泥石流最大峰值流量，否則泥石流存在翻壩的可能，同樣危險性大。

5 結(jié)論

（1）通南巴區(qū)塊內(nèi)井場不可避免將遭受盆谷內(nèi)河流（溝谷）的危害，主要災害類型為洪水—泥石流。（2）區(qū)內(nèi)泥石流溝谷主體可劃分為三個區(qū)，即匯流—形成區(qū)、形成—流通區(qū)及堆積區(qū)，泥石流主要在形成—流通區(qū)形成并得到加速，致災過程主要發(fā)生在堆積區(qū)。（3）根據(jù)現(xiàn)場統(tǒng)計調(diào)查，區(qū)塊內(nèi)各井場在2010—2012年期間普遍遭受洪水—稀性泥石流災害，尤其是以2011年M104井特大山洪泥石流與2012年HB2井山洪泥石流為典型災情。（4）區(qū)塊內(nèi)各泥石流溝溝道內(nèi)松散的不穩(wěn)定物源明顯增多，爆發(fā)頻率將有所增加，爆發(fā)規(guī)?；驹谛〉街械纫?guī)模之間。（5）泥石流溝匯水面積大，尤其是隨著極端氣候的頻頻出現(xiàn)，局域性的強降雨將形成較大規(guī)模的水動力條件，在形成—流通區(qū)席卷日益增多的不穩(wěn)定物源形成泥石流，井場建設侵占河道或改移溝道進一步增加了泥石流的致災能力。（6）區(qū)塊內(nèi)泥石流暴雨洪峰流量值可達85.6～176.08 m3／s，泥石流峰值流量值可達130.72～250.40 m3／s，暴雨洪峰曲線呈“單峰”狀，洪峰過程歷時12～24 h，相對于泥石流過程歷時15～35 min，泥石流整個過程為“快漲快退”。（7）井場選址規(guī)劃過程中應減少人工改溝等工程活動及充分考慮改溝溝道的走向、溝道截面尺寸等參數(shù)；防治對策主要以防側(cè)蝕、疏導及正面攔擋工程（迎水面）為主。

［1］ 孟國才，王士革，謝洪等，岷江上游泥石流災害特征分析［J］.災害學，2005，20（3）：94-97.

［2］ 《石油地面工程設計論文集》編委會.石油地面工程設計論文集［C］.北京：石油工業(yè)出版社，2008.

［3］ 張倬元，王士天，王蘭生.工程地質(zhì)分析原理［M］.北京：地質(zhì)出版社，1994.

［4］ 黃潤秋，許強.第三屆全國巖土與工程學術大會論文集［C］.成都：四川科學技術出版社，2009.

［5］ DZ／T0220—2006泥石流災害防治工程勘查規(guī)范［S］.北京：中國標準出版社，2006.

［6］ 劉希林，蘇鵬程.四川省泥石流風險評價［J］.災害學，2004，19（2）：23-28.

［7］ DZ／T0239—2004泥石流災害防治工程設計規(guī)范［S］.北京：中國標準出版社，2004.