九寨溝縣干溝泥石流形成機制及防治工程評價

蘇遠東 袁鳳凱

（1.核工業(yè)西藏地質(zhì)調(diào)查院，西藏 拉薩 850000；2.四川省核工業(yè)輻射測試防護院，四川 成都 610000）

0 引言

2009年8月24日，九寨溝縣郭元鄉(xiāng)突降特大暴雨，高強降雨持續(xù)時間2-3 小時，降雨量累計達52mm，在高強度降雨的作用下，流域內(nèi)大量松散固體物質(zhì)啟動流入溝內(nèi)形成泥石流，最后堆積在干溝溝口，堆積長度約0.6km，平均堆積厚度約1.5m，泥石流總量達4.0×104m3。泥石流最終導致下游金字河堵塞、河床抬升、河水改道，所幸這次泥石流并未造成人員傷亡，但沖毀了鄉(xiāng)村公路、橋涵、大量耕地和部分民房，造成直接經(jīng)濟損失達500 萬元。

圖1 泥石流沖毀鄉(xiāng)村道路

圖2 溝口堆積大量泥石流物質(zhì)

干溝泥石流在地震作用的影響下演變?yōu)橐粭l高頻泥石流溝，雖然在2009年8月24日暴發(fā)了歷史上最大規(guī)模的泥石流，但流域內(nèi)仍然存在大量的松散物質(zhì)，在將來還極有可能暴發(fā)大規(guī)模的泥石流災害。在對干溝泥石流進行現(xiàn)場調(diào)查的基礎上，本文分析了泥石流的基本特征、物源分布特征、泥石流形成機制、形成過程及泥石流的各重要特征參數(shù)，預測了泥石流的發(fā)展趨勢并對泥石流的防治工程進行評價，為泥石流的防災減災提供依據(jù)。

1 區(qū)域地質(zhì)環(huán)境條件

九寨溝縣屬川西高原氣候的暖溫帶干溫河谷氣候，特點是溫和偏冷，夏短冬長，垂直差異大，冬暖夏涼，晝夜溫差變化大，年均氣溫12.7°。九寨溝縣位于川氣候受地形影響顯著，降雨集中，主要集中在7～9月，常出現(xiàn)局地性暴雨和冰雹；據(jù)縣氣象站25年的觀測資料，年最大降水量為750.2mm，七月份降水量最多，為100.5mm，1975～2000年期間區(qū)域內(nèi)6 個小時最大降雨量為37.3mm，同時雨量隨海拔高度升高而增加，平均降雨梯度約為4mm/100m；1 小時最大雨強和10 分鐘最大雨強分別為40mm 和20mm。降雨具有波動變幅大、降水集中、雨強大和暴雨頻率高的特點，這些特點有利于洪水災害和泥石流等災害的發(fā)育。

九寨溝縣境及鄰區(qū)地質(zhì)構造復雜，區(qū)內(nèi)新構造活動強烈，地震活動頻繁而劇烈，區(qū)域斷裂有扎如—則查洼斷裂、寶鏡巖—日則劍峰—九寨溝斷裂等，均為張扭性斷裂。受東西向斷裂帶和南北向岷江斷裂影響，松潘、漳臘和黃龍一帶地震活動頻繁。第四紀以來，區(qū)內(nèi)新構造運動強烈，由于新構造運動間歇性抬升而形成三級夷平面，由于新構造運動強烈抬升，溝谷下蝕作用強烈，形成縱比降較大的“V”型溝谷，溝床縱比降陡，陡急的縱比降為泥石流的形成提供了有利的位能條件，易于發(fā)生較大規(guī)模的泥石流。區(qū)內(nèi)主要出露地層為第四系松散崩坡積、殘坡積和泥石流堆積層，下覆基巖為三疊系千枚巖、板巖，巖體風化強烈，裂隙較發(fā)育，巖體較破碎。這些松散對基層和破碎巖體為泥石流災害的形成提供了很好的物源條件。

2 泥石流流域基本特征

干溝位于四川省九寨溝縣郭元鄉(xiāng)金子村，屬白水江支流金字河溝左岸一級階地和中高山區(qū)溝谷地帶，溝口位置地理坐標北緯33°05′，東經(jīng)104°18′，海拔1535 m。干溝流域內(nèi)地貌以構造侵蝕中高山及構造侵蝕峽谷地貌為主，流域平面形態(tài)呈葉脈狀，總體呈南北向伸展，由北向南傾斜；在新構造運動作用下，溝道切割強烈，溝道主要呈“V～U”型。

干溝流域面積6.1km2，主溝全長3.2km，最高點海拔3100m，位于流域東北側，最低點海拔約1550m，位于水江支流金字河溝左岸邊，相對高差約1550m，溝床平均縱坡降為293.2‰。干溝流域內(nèi)主要發(fā)育兩條支溝，其中1 號支溝位于干溝下游，溝道較順直，流域面積0.35km2，溝道長650m，溝口高程1690m，溝床平均縱坡降約534.7‰；2 號支溝位于流域中上游，溝道順直，流域面積0.98km2，溝道長1.1km，溝口高程2065m，溝床平均縱坡降約612.2‰。

3 泥石流暴發(fā)過程及成因

據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，干溝歷史上曾發(fā)生過兩次較大規(guī)模的泥石流：

（1）1964年7月13日，干溝暴發(fā)過一次較大規(guī)模的泥石流災害，泥石流總量為2.5×104 m3，為泥石型泥石流，固體物質(zhì)以粘性土為主，夾有粒徑較小的角礫和砂礫，粒徑多為2～10cm。大量泥石流物質(zhì)堆積于溝口，沖毀大量房屋、耕地，人員傷亡及財產(chǎn)損失情況不詳。

“7.13”泥石流暴發(fā)的主要原因是：20 世紀60、70年代當?shù)鼐用竦膩y砍濫伐、開荒種地，大量樹木被砍伐，植被覆蓋率降低，山體大面積裸露，導致水土流失現(xiàn)象異常顯著；地表徑流作用強烈，流域山體表層大量松散巖土體在強降雨的沖刷掏蝕作用下順坡而下，匯流至溝道內(nèi)，最終暴發(fā)較大規(guī)模泥石流；而后因國家實施退耕還林的政策，當?shù)卣M織封山育林之后，流域內(nèi)山體植被覆蓋率增加，水土保持效果良好，能夠參與泥石流活動的物源減少，再未暴發(fā)過泥石流災害。

圖3 2009年泥石流暴發(fā)過程推演

（2）2009年8月24日，干溝再次暴發(fā)較大規(guī)模的泥石流災害，泥石流持續(xù)時間約1 小時，泥石流總量為4.0×104m3，為水石型泥石流，固體物質(zhì)以碎塊石、角礫為主，粒徑多為5～30cm，個別大塊石粒徑可達1.5m，充填少量中、粗砂礫和粘性土。大量泥石流物質(zhì)堆積于溝口，泥石流最終導致下游金字河堵塞、河床抬升、河水改道，泥石流沖毀了鄉(xiāng)村公路、橋涵、大量耕地和部分民房，造成直接經(jīng)濟損失達500 萬。

“8.24”泥石流暴發(fā)后，干溝泥石流形成流通區(qū)溝床下切嚴重，岸坡側蝕作用強烈，溝壁殘留有大量泥漿，最大可見泥痕為3.1m，未見超越2009年泥石流的泥痕，推斷2009年發(fā)生的泥石流規(guī)模為最大一次，為50年一遇的泥石流。

從圖3 可看出，2009年泥石流產(chǎn)流和匯流過程分為三個階段。泥石流活動①階段：泥石流上游細顆粒的角礫受地表水的沖刷匯流至溝道內(nèi)，伴隨著地表水向下運動，初步形成泥石流；泥石流活動②階段：當泥石流運動至主要形成流通區(qū)，參與泥石流的固體物質(zhì)不斷卷入，流速、流量不斷增大，規(guī)模不斷壯大，侵蝕能力亦不斷增強，溝道內(nèi)的大粒徑碎塊石逐漸被啟動，成為參與泥石流的主要成分，隨著這個階段的不斷發(fā)展泥石流最終達到洪峰期；泥石流活動③階段：當泥石流運動至堆積區(qū)，由于溝床縱坡降變緩，溝道變寬闊，泥石流流速減小，固體物質(zhì)逐步堆積。由于泥石流的流變特性和搬運能力與固體物質(zhì)的粒徑有關，大粒徑的碎塊石在重力作用下以滾動和躍移的形式先堆積，而中小粒徑的角礫及粘性土則在重力和水力的綜合作用下以懸移、躍移和滾動的形式而后緩慢堆積，最終形成扇形泥石流堆積體。

“8.24”泥石流暴發(fā)的主要原因是：溝道兩側老崩塌堆積體受“5.12”地震影響，土體結構受震動變松散，穩(wěn)定狀態(tài)大幅降低，在雨水或泥石流的沖刷掏蝕作用下，溝床不斷下切，使得崩塌堆積體前緣臨空，坡體應力不斷向坡腳釋放，土體進一步松弛，地表水容易入滲，增大坡體自重，降低土體物理力學性質(zhì)，增加動水壓力，最終導致老崩塌堆積體失穩(wěn)破壞，為泥石流形成提供了物源條件；溝道岸坡裸露基巖性質(zhì)較差，在長期風化和地表水的沖刷作用下，巖體表層破碎，受“5.12”地震影響，巖體結構進一步破碎，卸荷作用不斷向坡體內(nèi)部延展，最終導致破碎巖體崩落至溝道形成碎屑流堆積體，再次為泥石流形成提供了物源條件。

圖4 老崩塌堆積體失穩(wěn)

圖5 破碎巖體崩落形成碎屑流

4 泥石流發(fā)展趨勢

干溝在2009年暴發(fā)較大規(guī)模泥石流的主要原因是在溝道內(nèi)有大量老崩塌堆積體和在“5.12”地震過程中形成的新碎屑流堆積體。在經(jīng)歷“5.12”地震和8.24 泥石流后，能為干溝泥石流活動提供物源的新老崩塌堆積體多達14 處，固體物方量為31.2×104m3。能參與泥石流活動的動儲量約17.6×104m3。2009年8.24 泥石流消耗的固體物質(zhì)為4.0×104m3，僅占動儲量的20%。受地震影響，干溝泥石流已經(jīng)由低頻泥石流溝演變成為高頻泥石流溝，因此在強降雨作用下，干溝極易再次暴發(fā)規(guī)模更大、危害程度更高的突發(fā)性泥石流。

5 泥石流防治工程評價

根據(jù)干溝泥石流發(fā)育特點、物源特征、泥石流規(guī)模及危害等級等因素，綜合確定干溝泥石流防治等級為二級，主體工程設計頻率為20年一遇（5%），校核頻率為50年一遇（2%）。防治工程以“穩(wěn)攔排”為指導思想，采用“谷坊壩+防護堤”對干溝泥石流進行治理。谷坊壩不僅能對泥石流提供一定的庫容量以攔擋沖出的固體物質(zhì)，亦能起到消能的作用，一定程度上減小泥石流的活動規(guī)模，并能利用其回淤壓腳穩(wěn)固溝岸崩塌堆積體和防止溝床進一步下切。經(jīng)上游攔擋工程控制后，泥石流下泄流量顯著減小，溝口處的自然溝道已能滿足過流要求，因此在溝口設置防護堤對泥石流起到導流的作用，使其有規(guī)律、有秩序的排導至金字溝。

6 結論

（1）干溝歷史上曾暴發(fā)過兩次較大規(guī)模的泥石流，兩次泥石流的規(guī)模、固體堆積物特征、泥石流類型和形成機制各不相同。

（2）1964年7月13日暴發(fā)的泥石流類型為泥石型，泥石流總量為2.5×104 m3，固體物質(zhì)以粘性土為主，泥石流受亂砍濫伐、開荒種地等人類工程活動影響而暴發(fā)。

（3）“5.12”地震后，干溝泥石流由低頻泥石流演變成高頻泥石流，溝道內(nèi)堆積大量的松散固體物源，改變了泥石流的物質(zhì)類型，2009年8月24日，干溝再次暴發(fā)較大規(guī)模的泥石流災害，該次泥石流類型為水石型，泥石流總量為4.0×104m3，固體物質(zhì)以碎塊石、角礫為主。

（4）干溝泥石流防治工程以“穩(wěn)攔排”為指導思想，采用“谷坊壩+防護堤”對干溝泥石流進行治理，防治效果良好。

［1］王影,陳國輝.黃家溝泥石流的基本特征及成因分析[J].四川地質(zhì)學報，2009，09（03）.

［2］黃星高,楊少武,錢麗華.泥石流基本知識及防治措施[J].四川建筑，2009，04（02）.