洪槽溝泥石流危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)及堵河分析

韋 璐，裴向軍，崔曉光，楊華陽

（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610059）

0 引言

泥石流是各種自然因素和人為因素綜合作用的結(jié)果，其發(fā)生可以看作是地質(zhì)災(zāi)害從量變到質(zhì)變的一個(gè)過程，而其量變到質(zhì)變的一個(gè)拐點(diǎn)就是泥石流發(fā)生的激發(fā)因子。因此在泥石流危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)模型中應(yīng)體現(xiàn)出泥石流激發(fā)因子在其發(fā)生過程中的作用［1］。迄今，國內(nèi)外學(xué)者多從泥石流風(fēng)險(xiǎn)性研究或堵河預(yù)測(cè)等方面來進(jìn)行泥石流評(píng)價(jià)，但很少將危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)與堵河分析預(yù)測(cè)進(jìn)行綜合考慮，更加全面地去考慮泥石流的易損度與危險(xiǎn)性。

洪槽溝，位于馬爾康鎮(zhèn)阿壩州人民醫(yī)院旁，該溝曾于1982年暴發(fā)過大型泥石流，造成溝道兩旁茅屋被毀，直接經(jīng)濟(jì)損失約20萬元。

隨著近年來全球氣溫變化趨勢(shì)，極端氣候頻繁出現(xiàn)，加之地震等不確定因素，洪槽溝隨時(shí)都可能暴發(fā)泥石流，而其危害對(duì)象又直接牽涉到縣城，人口眾多，潛在經(jīng)濟(jì)損失巨大，為了保障區(qū)域人們的生命財(cái)產(chǎn)安全，有效控制泥石流規(guī)模及暴發(fā)頻率，消除或減輕泥石流危害，研究洪槽溝發(fā)育特征，預(yù)測(cè)其暴發(fā)規(guī)模，并提出相應(yīng)的工程措施非常必要。

1 洪槽溝泥石流流域特征

洪槽溝屬川西高原季風(fēng)氣候區(qū)，總體氣候特征是冬寒、夏涼，日溫差大，多年平均氣溫為16.4℃。洪槽溝是梭磨河右岸一條小型支溝，徑流主要補(bǔ)給方式為降雨和高山融雪，降雨補(bǔ)給主要集中在每年5月—9月，年降雨量可達(dá)1 057.7mm。

圖1 洪槽溝遙感圖

洪槽溝屬四川西部地槽區(qū)，位居北西向鮮水河大斷裂與北東向龍門山華夏系構(gòu)造帶之間的金湯弧形構(gòu)造帶之北側(cè)，流域內(nèi)地形條件較復(fù)雜，上游地勢(shì)陡峻，下游較緩，屬構(gòu)造侵蝕高山區(qū)。洪槽溝流域內(nèi)出露三疊系及第四系地層。巖性為灰色—灰褐色薄—中厚層狀變質(zhì)砂巖與砂質(zhì)板巖互層，風(fēng)化作用下巖體較破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育，滑坡、崩塌等不良現(xiàn)象廣布，第四紀(jì)松散物質(zhì)分布在溝床與岸坡上，區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定性較差。

2 泥石流發(fā)育條件分析

2.1 溝谷特征

洪槽溝泥石流屬于溝谷型泥石流，溝域形態(tài)呈不規(guī)則扇形，主溝長度5.6km，溝域面積12.02km2，溝域整體呈上、中游最寬，向下游逐漸變窄的特征。溝頭最大高程為4 100m，溝口與梭磨河交匯處高程為2 540m，相對(duì)高差1 520m，溝谷平均縱坡降為264‰。溝谷形態(tài)以“V”字為主，溝寬20～60m，兩岸山坡較陡，坡度一般為40°～70°，溝谷以侵蝕、搬運(yùn)為主。由于人類工程活動(dòng)，泥石流堆積扇已被改造，完整性差。該河谷區(qū)植被覆蓋較好。根據(jù)地形地貌等條件，可將該流域分為清水區(qū)、物源流通區(qū)及堆積區(qū)（如圖2）。

圖2 洪槽溝流域示意圖

2.2 物源條件

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，洪槽溝泥石流溝域內(nèi)植被覆蓋良好，松散物源主要分布在中下游，溝域內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，致使巖層破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育，坡面風(fēng)化堆積物與溝道內(nèi)松散堆積體是洪槽溝泥石流固體物質(zhì)的主要來源之一。坡面松散物源參與泥石流活動(dòng)的方式主要為水土流失，包括面蝕和溝蝕情況，侵蝕強(qiáng)烈的可能形成坡面泥石流或坡面沖溝泥石流，總體上這些坡面侵蝕物源區(qū)坡度均較大，溝口段植被破壞也較為嚴(yán)重，其溝側(cè)垮塌段可參與泥石流活動(dòng)的物源量約8×104m3。物源流通區(qū)與堆積區(qū)溝道中均有松散物質(zhì)堆積，厚度4～7m，泥石流通過對(duì)溝床的侵蝕階地獲取固體物質(zhì)，可參與泥石流活動(dòng)的固體物質(zhì)為3×104m3。除此之外，洪槽溝溝域內(nèi)有5處泥石流、2處崩塌以及1處由于人工開挖堆積的隧道棄渣，提供固體物質(zhì)量為3×104m3。松散物質(zhì)總量為1.22×106m3，而不穩(wěn)定物源1.4×105m3，占物源總量的11.5%。從目前來看，一旦發(fā)生連續(xù)強(qiáng)降雨，就有可能形成中—大型泥石流，造成嚴(yán)重的危害。

3 泥石流危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)

泥石流災(zāi)害的危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)是災(zāi)害預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)的基礎(chǔ)性工作，對(duì)減災(zāi)救災(zāi)具有重要的指導(dǎo)意義。本文采用泥石流的定性評(píng)價(jià)和定量評(píng)價(jià)兩種方法對(duì)洪槽溝泥石流危險(xiǎn)性進(jìn)行評(píng)價(jià)。

3.1 洪槽溝泥石流危險(xiǎn)性的定性評(píng)價(jià)

3.1.1 發(fā)展階段識(shí)別

根據(jù)《泥石流災(zāi)害防治工程勘查規(guī)范》以及現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，洪槽溝泥石流主溝侵蝕速度大于支溝，其主河河形基本穩(wěn)定，松散物質(zhì)儲(chǔ)量大于1.0×104m3，不良地質(zhì)現(xiàn)象發(fā)育，溝槽以縱向切蝕為主，橫向切蝕也較發(fā)育，其溝槽平均切蝕速率5.22mm／a，大于支溝侵蝕速率。溝形順直束窄，觸發(fā)雨量較大。由此可知，洪槽溝泥石流處在發(fā)展壯年期。

3.1.2 泥石流危險(xiǎn)性分級(jí)

按照《泥石流災(zāi)害防治工程勘查規(guī)范》，根據(jù)泥石流一次性暴發(fā)規(guī)模，可分為4個(gè)等級(jí)；根據(jù)泥石流災(zāi)害一次造成的死亡人數(shù)或直接經(jīng)濟(jì)損失可分為4個(gè)災(zāi)害等級(jí)；對(duì)于潛在可能發(fā)生的泥石流受威脅人數(shù)或可能造成的直接經(jīng)濟(jì)損失，可將泥石流的潛在危險(xiǎn)性分為4級(jí)。洪槽溝泥石流的主要危害對(duì)象包括110多戶340多村民、鎮(zhèn)道路500m、公路涵洞1處、醫(yī)院1 500m2等，可能造成的損失約1 300萬元，人員340多人，洪槽溝百年一遇洪峰流量為111.35m3／s，一次泥石流總量達(dá)2.2萬m3。由此推斷，洪槽溝泥石流規(guī)模為中—大型，危險(xiǎn)性為特大型，其潛在危險(xiǎn)性為中型。

3.1.3 易發(fā)程度分級(jí)

洪槽溝泥石流流域內(nèi)不良地質(zhì)現(xiàn)象發(fā)育，泥石流固體物源量較多，泥砂的補(bǔ)給充分，活動(dòng)強(qiáng)度較大，利于泥石流的發(fā)育。參照DZ／T 0220—2006《泥石流災(zāi)害防治工程勘查規(guī)范》附錄G，對(duì)洪槽溝泥石流進(jìn)行易發(fā)程度評(píng)分（見表1），判定洪槽溝泥石流屬于中等易發(fā)型。

3.2 洪槽溝泥石流危險(xiǎn)性的定量評(píng)價(jià)

泥石流危險(xiǎn)性的定量評(píng)價(jià)一般指泥石流的危險(xiǎn)度評(píng)價(jià)，為了能達(dá)到更好的預(yù)測(cè)和防止泥石流的目的，國內(nèi)外對(duì)于泥石流潛在危險(xiǎn)程度的研究越來越多。由于泥石流災(zāi)害成因和評(píng)價(jià)因子的復(fù)雜性，其危險(xiǎn)度評(píng)價(jià)存在一定的困難，目前尚無統(tǒng)一的泥石流危險(xiǎn)度評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。近年來，研究者將數(shù)學(xué)模型運(yùn)用到了泥石流的危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)中，包括層次分析法、灰色關(guān)聯(lián)分析法、模糊綜合評(píng)判法等，對(duì)泥石流災(zāi)害的危險(xiǎn)性系統(tǒng)有一定的分析與辨識(shí)能力，其中以綜合評(píng)分法最為常用。

為了能合理地評(píng)價(jià)洪槽溝泥石流，結(jié)合現(xiàn)有資料和實(shí)際情況，本文采用劉希林［2］提出的單溝泥石流危險(xiǎn)度評(píng)價(jià)方法。該方法經(jīng)過10多年的完善和改進(jìn)，已初步成型，并獲得較廣泛的認(rèn)同和引用。最新改進(jìn)的單溝泥石流危險(xiǎn)度評(píng)價(jià)方法共采用7個(gè)評(píng)價(jià)因子（見表2），除主要內(nèi)在因子泥石流規(guī)模M和發(fā)生頻率F外，其他次要環(huán)境因子減少至5個(gè)，它們是：流域面積S1、主溝長度S2、流域相對(duì)高差S3、流域切割密度S6和不穩(wěn)定溝床比例S9。這5個(gè)次要因子可從流域地形圖上比較準(zhǔn)確地獲取。次要因子選取的方法是：從與單溝泥石流危險(xiǎn)度有關(guān)的14個(gè)候選因子中，采用雙系列關(guān)聯(lián)度分析方法，分別將14個(gè)候選因子與泥石流規(guī)模和發(fā)生頻率進(jìn)行關(guān)聯(lián)度分析，再根據(jù)每個(gè)候選因子與泥石流規(guī)模和發(fā)生頻率得出的2個(gè)關(guān)聯(lián)度的平均值來確定是否與主要因子關(guān)系密切，從而決定其取舍［2］。洪槽溝泥石流其主要影響因素為泥石流暴發(fā)規(guī)模及暴發(fā)頻率，因此可用此方法進(jìn)行評(píng)價(jià)。此方法通過將以上因子的取值進(jìn)行數(shù)值轉(zhuǎn)換［3］帶入模型：

得：洪槽溝危險(xiǎn)度H單＝0.471，按危險(xiǎn)度5級(jí)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)（極低危險(xiǎn)0＜H單＜0.2，低度危險(xiǎn)0.2＜H單＜0.4，中度危險(xiǎn)0.4＜H單＜0.6，高度危險(xiǎn)0.6＜H單＜0.8，極高度危險(xiǎn)0.8＜H單＜1），洪槽溝屬于中度危險(xiǎn)的泥石流溝。

表1 洪槽溝泥石流易發(fā)程度評(píng)判表

表2 泥石流危險(xiǎn)度評(píng)價(jià)因子取值及其轉(zhuǎn)換值

4 泥石流特征值及堵塞主河分析

4.1 泥石流特征值

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髁髁俊８鶕?jù)水文手冊(cè)［4］中公式計(jì)算出斷面不同頻率下的暴雨洪峰流量：

式中：S為暴雨雨力（mm／h），計(jì)算公式S＝H×tn－1（H 為歷時(shí)為t、設(shè)計(jì)頻率為P的暴雨量）；n為暴雨指數(shù)；F為流域面積（km2）；τ為流域匯流時(shí)間；μ為產(chǎn)流系數(shù)（mm／h），按μ＝3.6F－0.19計(jì)算。

在確定堵塞系數(shù)Dc后，計(jì)算泥石流峰值流量：

式中：Qc為頻率為P 的泥石流峰值流量（m3／s）；Qp為頻率為P的暴雨洪峰流量；φ為泥石流泥砂修正系數(shù)；Dc為泥石流堵塞系數(shù)。

根據(jù)泥石流的歷時(shí)和最大流量，按泥石流暴漲暴落的特點(diǎn)，將其過程線概化為一個(gè)理想的五邊形，計(jì)算一次泥石流總量：

式中當(dāng)F＜5km2，K＝0.202；F＝5～10km2，K ＝0.113；F＝10～100km2，K＝0.037 8；F＞100km2，K ＜0.025 2。

洪槽溝河道較順直，堵塞系數(shù)取1.5，取1982年泥石流暴發(fā)時(shí)間30min為泥石流歷時(shí)，計(jì)算得到洪槽溝不同頻率下的泥石流特征值見表3。

表3 洪槽溝不同頻率下的泥石流特征值

4.2 洪槽溝堵塞主河分析

由于洪槽溝泥石流位置特殊，一旦泥石流堵塞主河梭磨河，將對(duì)G317及馬爾康縣城造成嚴(yán)重的損失。

泥石流是否堵塞主河，主要根據(jù)一次泥石流規(guī)模、主河流量和扇形地的泥石流溝床條件進(jìn)行分析［5］。本文選用一次泥石流規(guī)模進(jìn)行分析。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，洪槽溝與主河梭磨河正交（如圖3）。主河寬度為Bw，主河水深為Hw，由于主河底坡較小，視為水平。堵塞體上游坡度滿足泥石流堵塞體在飽和狀態(tài)下的內(nèi)摩擦角φ。堵塞體下游坡度采用河床物質(zhì)發(fā)生水石流的起始坡度，取14°，則堵塞主河需要土體方量Vc為：

洪槽溝泥石流為低容重的稀性泥石流，其容重為1.625t／m3，其堵塞體僅為砂粒以上的粗顆粒，取折算系數(shù)0.7，則一次泥石流在匯口斷面堵塞主河的規(guī)模為：

圖3 洪槽溝泥石流堵河示意圖

根據(jù)梭磨河實(shí)測(cè)典型斷面測(cè)得梭磨河Bw為30m，內(nèi)摩擦角φ取41°，CV為0.3，CVPV為0.255。根據(jù)不同主河洪水頻率洪水高度計(jì)算得到梭磨河泥石流一次堵塞規(guī)模見表4。

表4 洪槽溝泥石流一次堵塞規(guī)模統(tǒng)計(jì)表

對(duì)比洪槽溝不同頻率下的一次過流總量，主河10a一遇以下，泥石流20a一遇以上均可能堵河。主河10～20a一遇，泥石流20～50a一遇可能堵河。

5 結(jié)論

（1）洪槽溝泥石流屬于溝谷型泥石流，溝域形態(tài)為不規(guī)則扇形，流域分為清水區(qū)、物源流通區(qū)和堆積區(qū)。

（2）洪槽溝縱坡降較大、固體松散物質(zhì)儲(chǔ)量非常豐富、降雨集中并且雨量非常大，物源、地形地貌、降雨等各方面均為泥石流的形成提供了充足的條件。

（3）洪槽溝泥石流處于發(fā)展壯年期，為中—大型地質(zhì)災(zāi)害，其災(zāi)害危險(xiǎn)性屬于特大型，危險(xiǎn)程度嚴(yán)重，潛在的危險(xiǎn)性屬于中型，危險(xiǎn)度為0.471，為中度危險(xiǎn)泥石流。

（4）運(yùn)用雨洪法確定洪槽溝不同頻率下的一次過流總量，對(duì)比主河泥石流一次堵塞規(guī)模，反推出當(dāng)梭磨河10a一遇的洪水遭遇洪槽溝20a一遇以上頻率的泥石流或梭磨河20a一遇洪水遭遇洪槽溝50a一遇泥石流時(shí)發(fā)生堵河的可能性較大。一旦泥石流堵塞主河梭磨河，將對(duì)G317及馬爾康縣城造成嚴(yán)重的損失。

（5）綜合其危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)及堵河分析，建議在泥石流災(zāi)害防治時(shí)以防為主，采用攔粗排細(xì)的方案，將易造成堵河的礫石攔擋住，同時(shí)排走細(xì)小顆粒，增加攔擋壩庫容。

（6）由于洪槽溝泥石流暴發(fā)時(shí)間久遠(yuǎn)，泥石流持續(xù)時(shí)間是通過老鄉(xiāng)訪問及地區(qū)泥石流溝資料類比的形式確定的，存在一定的誤差。

［1］侯蘭功，崔鵬.單溝泥石流災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)研究［J］.水土保持研究，2004，11（2）：125－128.

［2］劉希林，唐川.泥石流危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)［M］.北京：科學(xué)出版社，1995：15－19.

［3］劉希林.我國泥石流危險(xiǎn)度評(píng)價(jià)研究：回顧與展望［J］.自然災(zāi)害學(xué)報(bào)，2002，11（4）：1－8.

［4］四川省水利電力廳.四川省中小流域暴雨洪水計(jì)算手冊(cè)［M］.成都：四川省水利廳，1984.

［5］周必凡，李德基，羅德福，等.泥石流防治指南［M］.北京：科學(xué)出版社，1991：51－93

［6］DZ／T 0220—2006泥石流災(zāi)害防治工程勘查規(guī)范［S］.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，1984.

［7］蘇小琴，朱靜，沈娜.四川省瀘定縣深家溝泥石流特征及危險(xiǎn)度評(píng)價(jià)［J］.中國地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報(bào)，2008，19（2）：27－31.

［8］宋志，巴仁基，劉宇杰，等.磨西河特大型泥石流堵塞大渡河分析［J］.災(zāi)害學(xué)，2010，25（2）：73－75.

［9］唐川.汶川地震區(qū)暴雨滑坡泥石流活動(dòng)趨勢(shì)預(yù)測(cè)［J］.山地學(xué)報(bào)，2010，28（13）：341－349.

［10］楊成林，陳寧生，李戰(zhàn)魯.汶川地震次生泥石流形成模式與機(jī)理［J］.自然災(zāi)害學(xué)報(bào)，2011，20（3）：31－37.

［11］韓用順，李龍偉，朱穎彥，等.汶川地震災(zāi)區(qū)泥石流危險(xiǎn)性評(píng)估—以都江堰—汶川公路為例［J］.中國水土保持科學(xué)，2012，10（1）：6－11.

［12］王維早，王濱，許強(qiáng).基于灰色關(guān)聯(lián)度理論的河北省太行山區(qū)下瓦岔泥石流災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)估研究［J］.北京：地球與環(huán)境，2012，40（1）：121－125.