四川省涼山州美姑縣瓦扎乃曲泥石流特征值分析與防治措施

劉盛達(dá)，張光輝，李彥彬，李成志

（四川省煤田地質(zhì)局一三五隊 四川 瀘州 646000）

瓦扎乃曲溝泥石流位于四川省涼山州美姑縣巴古鄉(xiāng)境內(nèi)，屬于美姑河左岸一級支流，為暴雨溝谷型泥石流。目前，瓦扎乃曲溝域內(nèi)存在多處崩塌、滑塌以及人工采石棄渣堆現(xiàn)象，為瓦扎乃曲泥石流的暴發(fā)提供了較好的物源條件。在雨季期間容易誘發(fā)該泥石流的暴發(fā)，瓦扎乃曲泥石流一旦再次暴發(fā)將直接威脅溝口堆積區(qū)巴古鄉(xiāng)牛洛村三組23戶127人及牛洛小學(xué)師生120人的生命財產(chǎn)安全，以及區(qū)內(nèi)S103省道的正常運(yùn)營。因此，研究瓦扎乃曲溝泥石流的基本特征、形成條件、動力學(xué)參數(shù)，預(yù)測暴發(fā)規(guī)模，提出相應(yīng)的防治方案十分必要。

1 瓦扎乃曲泥石流流域基本特征

瓦扎乃曲溝屬于美姑河左岸一級支流，流域面積約2.36km2，整體呈南-北向展布，縱向溝長約3.4km，平均縱向坡降約 259.35‰，流域最高點位于后緣山頂分水嶺，高程約 2600m，最低高程為瓦扎乃曲溝溝口與美姑河階地交匯處，高程約1670m，相對高程約930m。區(qū)內(nèi)山高坡陡，具有一條主溝和三條支溝，1#支溝長約800m，與瓦扎乃曲溝中游左岸交匯，溝道較狹窄，平均縱坡降約447.84‰，溝道平均寬約2.5m，水流量較小，支溝流域內(nèi)植被稀疏，物源豐富，頂部呈漏斗狀，匯水條件較好。2#支溝位于瓦扎乃曲溝上游右岸形成流通區(qū)與清水區(qū)交界，長約735m溝道平均寬約3.5m，平均縱坡降約417.16‰，頂部植被茂盛，匯水條件好。3#支溝位于瓦扎乃曲溝上游左岸形成流通區(qū)與清水區(qū)交界，長約985m溝道平均寬約4m，平均縱坡降約321.6‰，頂部植被茂盛，匯水條件好。

瓦扎乃曲溝整個流域形態(tài)分布較為對稱。兩側(cè)岸坡植被較茂盛，岸坡縱向坡度較陡一般 30°～50°，最大可達(dá)80°，這種地形條件有利于匯集雨水，能夠為泥石流提供較好的水源條件，且溝道內(nèi)具有常年的流水，水流流量約3～6L/s，匯水及水源條件均較好。

1.1 泥石流匯水區(qū)（清水區(qū)）條件

清水區(qū)位于高程2100～2600m左右，相對高差約500m，平均縱坡降約321.6‰，清水區(qū)內(nèi)山高坡陡，匯水面積2.26km2，區(qū)內(nèi)坡面植被覆蓋率較高，多以喬、灌木為主。區(qū)內(nèi)地形地貌條件能夠起到匯集大氣降水及阻止地表水快速下滲的作用，并能保證地表水迅速匯集至流域溝道中，為泥石流的形成提供良好的水源條件。

1.2 泥石流形成流通區(qū)（物源區(qū)）條件

形成流通區(qū)位于高程1700～2100m左右，平均縱坡降約255.35‰，為明顯的中山峽谷地貌，兩岸岸坡高度一般100～600m，坡度一般30°～50°，最大坡度約80°，區(qū)內(nèi)溝道彎曲、時寬時窄，溝道寬度一般在 3～6m左右，溝谷多呈“V”字型，存在多處跌水，形成流通區(qū)內(nèi)由于坡度較陡，地震后岸坡巖體松動，表層松散物質(zhì)大量存在，區(qū)內(nèi)存在2處人工棄渣和多處崩滑塌現(xiàn)象，加之豐富的溝道堆積物源，是瓦扎乃曲溝泥石流爆發(fā)形成的主要物源來源。

1.3 泥石流溝口堆積區(qū)條件

堆積區(qū)位于泥石流溝溝口，高程1670～1690m之間，相對高差約20m，縱坡比降122.88%，主要為牛洛村三組居民的耕地及居住地，S103省道瓦扎乃曲溝橋函橫跨溝道，堆積區(qū)長度約 230m，面積約0.07km2，堆積體厚度約 5～8m。堆積物巖性為塊碎石土，大小混雜堆積，固結(jié)度較高，顆粒成分以白云巖及含礫砂巖為主，粒徑以10～50cm為主、最大可達(dá)3.0m。

堆積區(qū)溝道相對較寬闊，溝道寬7～22m，侵蝕、切割較嚴(yán)重，溝道內(nèi)目前基本無水流通過，由于該區(qū)主要為牛洛村三組居民居住生活用地，故區(qū)內(nèi)受人類工程活動影響較大，一般表現(xiàn)為耕地和建房等，地形地貌受到較大破壞。

2 瓦扎乃曲泥石流形成條件

2.1 水源條件

2.1.1 降雨條件

根據(jù)《四川省中小流域暴雨洪水計算手冊》所附暴雨量等值圖，美姑縣巴古鄉(xiāng)地區(qū)的1/6h、1h、6h、24h多年最大暴雨量平均值分別為 12.5mm、35mm、60mm、70mm。變異系數(shù)分別為 0.35、0.40、0.40、0.35。通過暴雨手冊可以了解到瓦扎乃曲泥石流不同頻率下的雨強(qiáng)。從雨強(qiáng)信息可以看出美姑降雨量變化較大，其中1/6h可達(dá)12.55mm。暴雨為泥石流形成的基本影響因素。

2.1.2 流域匯流條件

1）水系和地形因素對匯水的影響。

瓦扎乃曲溝流域主要為深切割中山侵蝕地形，總體上地形陡峻，有利于降雨的匯聚。流域內(nèi)主支溝溝谷縱坡較大，且表現(xiàn)出上游陡，向下游逐漸縱坡變緩的特點，谷寬則表現(xiàn)為從上游至下游逐漸變大的特點，這種特點控制下，流域水動力條件強(qiáng)大，輸沙能力較強(qiáng)。

此外，流域內(nèi)具有三條泥石流支溝，各支溝長度、縱坡、溝道形態(tài)特征表現(xiàn)出一定的差異性，因而各支溝匯水形成洪峰達(dá)到溝口的時間也呈現(xiàn)錯峰到達(dá)的特點，這種匯水特征也決定了泥石流運(yùn)動過程中主支溝峰值流量的疊加特點，當(dāng)各支溝群發(fā)泥石流時，可能出現(xiàn)多峰和陣流的現(xiàn)象。

2）地層巖性分布對匯水的影響

從瓦扎乃曲溝流域地層巖性的分布情況看，上游各支溝溝源部位以基巖為主，覆蓋層較薄，各支溝主要為崩坡積物分布，溝道局部平緩地段以及溝口牛洛村三組區(qū)主要為泥石流堆積物分布。

基巖出露區(qū)總體上有利于降雨形成地表徑流，而松散堆積層分布區(qū)則滯水作用較強(qiáng)，部分降水補(bǔ)充地下水，因而相對不利于形成地表徑流。

3）植被分布對匯水的影響

瓦扎乃曲流域內(nèi)植被分布特征表現(xiàn)為：上游地區(qū)植被覆蓋率較高，僅局部滑塌及坡面侵蝕對植被造成了一定程度的破壞；支溝一中下游地區(qū)植被覆蓋率較低，局部受人類農(nóng)業(yè)活動、放牧影響。

植被發(fā)育地區(qū)滯水作用較強(qiáng)烈，不利于降雨形成地表徑流，而植被覆蓋較差的地區(qū)則更加有利于地表徑流的形成。從泥石流松散固體物源的啟動情況和分布特征來看，森林植被發(fā)育的地區(qū)啟動物源量相對較少，而森林植被相對稀少的地區(qū)啟動和參與泥石流活動的物源量則較多，這種特征除與植被發(fā)育根固作用阻止起動外，也與植被發(fā)育區(qū)對降雨的滯水作用具有很大的關(guān)系。

2.2 物源條件

泥石流的形成與發(fā)生與充足的物源補(bǔ)給密切相關(guān)，瓦扎乃曲溝泥石流物源根據(jù)形成條件不同主要可分為：崩滑堆積物源（人工棄渣）、溝道堆積物源和坡面侵蝕物源三種。

根據(jù)勘查統(tǒng)計，瓦扎乃曲溝流域內(nèi)崩滑類物源主要分布有14處（包括人工棄渣2處），坡面侵蝕物源分布3處。崩滑總量20.66×104m3，可能參與泥石流活動的動儲量約3.25×104m3；溝道堆積固體物源總量為8.5×104m3，可能參與泥石流活動的動儲量為2.7×104m3；坡面侵蝕固體物源總量為2.86×104m3，可能參與泥石流活動的動儲量為 0.64×104m3。共計有松散固體物源量 32.02×104m3，可能參與泥石流活動的動儲量為6.59×104m3。

3 瓦扎乃曲泥石流特征值參數(shù)

3.1 泥石流流體重度

3.1.1 現(xiàn)場配方法

本次勘查共在現(xiàn)場做了 6組現(xiàn)場稱重試驗，在現(xiàn)場由目擊者配制和認(rèn)定泥石流樣品，最后算出泥石流容重。根據(jù)式：

表1 泥石流流體現(xiàn)場稱重表

γc—泥石流容重（t/m3）；P1—桶與泥石流體總重（g）；P2—空桶重量（g）；V—桶內(nèi)所盛泥石流體體積（cm3）；通過現(xiàn)場試驗各數(shù)據(jù)如表1。

1）查表法。根據(jù)《泥石流災(zāi)害防治工程勘查規(guī)范》（DZ/T0220-2006）附錄 G 泥石流溝易發(fā)程度數(shù)量化評分標(biāo)準(zhǔn)對瓦扎乃曲溝泥石流進(jìn)行了評分，評分結(jié)果為115分，查表G.2得出泥石流流體重度為1.793t/m3，泥砂修正系數(shù)為1.932。

2）經(jīng)驗公式計算法。

根據(jù)蔣忠信教授《震后山地地質(zhì)災(zāi)害治理工程設(shè)計概要》對泥石流重度以及泥沙修正系數(shù)進(jìn)行估算；對泥石流重度大于 1.5t/m3的泥石流可根據(jù)黏粒含量 P05(粒徑＜0.05mm，小數(shù)表示)和粗粒含量 P2（粒徑＞2mm，小數(shù)表示）按余斌公式估算：

據(jù)試驗數(shù)據(jù)分析，P05=0.053，P2=0.736，代入余斌公式得：

其中：γc—泥石流重度；γw—清水的重度；γH—泥石流中固體物質(zhì)重度，取 2.4t/m3；經(jīng)計算，泥石流泥沙修正系數(shù)：φc=1.69。

3）綜合取值。由于瓦扎乃曲溝泥石流沒有監(jiān)測資料，只能通過配方法、查表法和經(jīng)驗公式計算三種方法來確定，而這三種方法又各有其特點。配方法只能對已發(fā)生過，且有人目擊的泥石流進(jìn)行測定，且測定結(jié)果只能代表當(dāng)時的一次泥石流發(fā)生的結(jié)果，如本次勘查測定的瓦扎乃曲溝泥石流重度是參照2013年泥石流的情況測定的，由于此次泥石流發(fā)生時水量較少，屬黏性泥石流，因而測定結(jié)果相對吻合。相對而言，查表法是在現(xiàn)狀調(diào)查基礎(chǔ)上帶預(yù)測性的重度值結(jié)果，但查表法取值相對保守，經(jīng)驗公式計算法相對前兩種方法有一定的可靠性，因經(jīng)驗公式是經(jīng)過成千上萬現(xiàn)場實驗推導(dǎo)而出，具有一定的可靠性，且三種方法結(jié)果基本相同，因此本次泥石流重度的綜合取值采用查表法、配方法和經(jīng)驗公式計算法取平均值作為本次泥石流流體重度的最終結(jié)果，即γc=1.88t/m ，φc=1.69

3.2 泥石流流量

3.2.1 雨洪法

1）清水流量計算。用該方法計算是選用《泥石流災(zāi)害防治工程勘查規(guī)范》（DZ/T0220-2006）中雨洪法計算泥石流流量，首先查《四川省中小流域暴雨洪水計算手冊》附圖2-1～2-8，附表6得到美姑縣巴古鄉(xiāng)地區(qū)10min、1h、6h、24h相應(yīng)暴雨計算參數(shù)，并按下列公式進(jìn)行計算：

首先計算頻率為1%、2%、5%、10%的暴雨洪水設(shè)計流量Qp，按推理公式：

式中，Sp--某頻率的雨力，mm/h。其計算式為：Sp=Htp·tn-1

Htp--設(shè)計頻率最大t小時暴雨量；n--暴雨參數(shù)；τ--匯流時間,h。L --主溝長度，km；J --主溝底坡降，‰；F--流域面積，km2；μ--產(chǎn)流參數(shù),mm/h；

計算過程如下：

匯流參數(shù)；m=0.221θ0.204=0.296

通過計算得出的瓦扎乃曲溝各斷面部位暴雨洪峰流量值詳見表2。

2）泥石流峰值流量計算。

式中，Qc—泥石流斷面峰值流量（m3/s）；φ—泥沙修正系數(shù)，根據(jù)計算泥沙修正系數(shù)為1.69；Qp—暴雨洪峰流量（計算結(jié)果見表 2）；Dc—堵塞系數(shù)，按勘查規(guī)范表 I.1查表確定堵塞程度為中等，其值為1.8。

據(jù)此，采用雨洪法求得泥石流峰值流量如表3。

表2 瓦扎乃曲溝暴雨洪峰流量計算表

表3 瓦扎乃曲溝泥石流峰值流量計算表

3.2.2 形態(tài)調(diào)查法

對已發(fā)生的泥石流流量可采用形態(tài)調(diào)查法進(jìn)行計算，根據(jù)調(diào)查得到的泥石流泥位及據(jù)此求得的泥石流流速，再乘上調(diào)查求得的過流斷面求取泥石流流量。

形態(tài)調(diào)查法計算公式為：Qc=WcVc

式中Qc—泥石流斷面峰值流量（m3/s）；Wc—泥石流過流斷面面積（m2）；Vc—泥石流斷面平均流速（m/s）。

由于泥石流重度為1.88t/m3，為黏性泥石流，因此其流速采用鐵二院黏性泥石流計算公式：

式中：Vc—泥石流流速（m/s）；Hc—平均泥深（m）；Ic—泥位縱坡率，以溝道縱坡率代替。

nc_——黏性泥石流河床糙率，根據(jù)《泥石流災(zāi)害防治工程勘查規(guī)范》（DZ/T0220-2006）表I.4。

并根據(jù)蔣忠信教授《震后山地地質(zhì)災(zāi)害治理工程設(shè)計概要》中采用彎道超高差對流速反算進(jìn)行復(fù)核；V=｛Rg{[Δh/B-tanφ-c/(Hγc o s2θ)]｝據(jù)此求得各斷面位置泥石流流速特征值詳見表4，泥石流流量計算結(jié)果詳見下表5。

表4 瓦扎乃曲溝泥石流流速計算表

表5 瓦扎乃曲溝泥石流流量形態(tài)調(diào)查法計算表

3.2.3 綜合取值

通過表3和5的計算結(jié)果，采用形態(tài)調(diào)查法求得的泥石流峰值流量計算結(jié)果P=5%的雨洪法求得的結(jié)果相差不大，但采用形態(tài)調(diào)查法計算結(jié)果沒有暴雨頻率的概念[1]，僅能代表當(dāng)次泥石流的特征值，并且由于年代久遠(yuǎn)當(dāng)次泥石流痕跡調(diào)查誤差很可能較大，而雨洪法則根據(jù)現(xiàn)有溝域面積、溝域植被發(fā)育分布情況和徑流系數(shù)進(jìn)行計算，具有預(yù)測性質(zhì)，因此，泥石流峰值流量采用表3雨洪法計算求得的結(jié)果。

3.3 一次泥石流過流總量

一次泥石流過流總量按照《泥石流災(zāi)害防治工程勘查規(guī)范》（DT/T0220-2006）附錄I提供的計算公式進(jìn)行計算：

式中，Q—一次泥石流過程總量（m3）；T—泥石流歷時（s）；Qc—泥石流最大流量（m3/s）；

據(jù)上節(jié)計算結(jié)果，2006年瓦扎乃曲溝泥石流為近期發(fā)生的規(guī)模相對較大的一次泥石流，對比斷面法計算結(jié)果，其流量相當(dāng)于P=5%的雨洪法計算的峰值流量，綜合確定泥石流峰值流量為86.38m3/s；據(jù)訪問，泥石流集中歷時約15分鐘，即T900s；按上式計算的本次泥石流沖出量為Q=2.05×104m3。

3.4 一次泥石流固體沖出物

一次泥石流固體沖出物按照《泥石流災(zāi)害防治工程勘查規(guī)范》（DT/T0220-2006）附錄I提供的計算公式進(jìn)行計算：

式中QH—一次泥石流沖出固體物質(zhì)總量（m3）；Q—一次泥石流過程總量（m3）γc—泥石流重度（t/m3）；γw—水的重度（t/m3）；γH—泥石流固體物質(zhì)的重度（t/m3）。

據(jù)前面的計算結(jié)果和分析測試結(jié)果，瓦扎乃曲溝 2006年泥石流暴發(fā)時泥石流沖出量為 Q=2.05×104m3，泥石流重度γC=1.88t/m3，水的重度γW=1t/m3，泥石流固體物質(zhì)重度γH=2.4 t/m3，據(jù)此計算出一次性固體物質(zhì)沖出總量為QH=1.29×104m3。

4 瓦扎乃曲泥石流防治措施

瓦扎乃曲溝泥石流治理思路主要以攔排結(jié)合，通過攔擋壩穩(wěn)固溝內(nèi)堆積物源，并有一定庫容量攔截泥石流固體物源，并調(diào)節(jié)下游洪峰流量，同時在溝口段修建排導(dǎo)槽，確保洪峰安全通過，不至對溝口民房再次造成危害。

治理方案：攔砂壩+排導(dǎo)槽+單邊防護(hù)堤。

因瓦扎乃曲溝流域內(nèi)物源儲量豐富，其主要來源為溝道兩側(cè)松散崩、滑塌物源及溝道堆積物源，針對這一特征可在形成流通區(qū)下游地形寬緩地段設(shè)置 1～2級，攔蓄泥石流固體沖出物，通過回淤壓腳降低溝道坡降及固體沖出物；以及針對堆積區(qū)溝道沖刷、切割嚴(yán)重，可修建排導(dǎo)槽（鋪底），為保護(hù)右側(cè)居民在堆積區(qū)右岸修建單邊防護(hù)堤與排導(dǎo)槽相連，將攔擋后剩余泥石流流體直接引向美姑河排泄。

5 結(jié)論與建議

1）瓦扎乃曲溝泥石流為黏性泥石流，屬暴雨型泥石流，暴發(fā)頻率為中頻，暴發(fā)規(guī)模多為小型。

2）根據(jù)瓦扎乃曲溝泥石流形成條件、運(yùn)動和堆積特征結(jié)合泥石流危害對象的分布，本次瓦扎乃曲溝泥石流防治工程采用攔排結(jié)合的治理思路，采用“排導(dǎo)槽+單邊防護(hù)堤+攔砂壩”治理方式。

3）建議地方政府制定專門的規(guī)劃，加強(qiáng)溝域植被保護(hù)和和水土保持，通過長期的生物防治方案，減少泥石流活動物源，加強(qiáng)溝域地質(zhì)生態(tài)環(huán)境保護(hù)，避免因不合理人類工程活動加劇不良地質(zhì)現(xiàn)象，增加泥石流物源。

4）建議治理工程完成前進(jìn)一步加強(qiáng)地質(zhì)災(zāi)害群測群防工作，加強(qiáng)泥石流活動的監(jiān)測預(yù)警，避免因泥石流災(zāi)害造成人員傷亡和大的經(jīng)濟(jì)財產(chǎn)損失。

[1]劉德兵.茂縣瓦窯溝泥石流動力學(xué)特征分析與防治對策研究.川煤地勘,21（2013）1-0096-06

[2]黃潤秋,李為樂.“5·12”汶川大地震觸發(fā)地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)育分布規(guī)律研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報,2008,27(12)： 2585-2592.

[3]黃潤秋.“5·12”汶川大地震地質(zhì)災(zāi)害的基本特征及其對災(zāi)害后重建影響的建議[J].中國地質(zhì)教育,2008, (2)：21-24.

[4]蔣忠信.震后山地地質(zhì)災(zāi)害治理工程設(shè)計綱要.西南交大出版社,2013.7.

[5]四川省一三五勘察設(shè)計有限公司.涼山州美姑縣巴古鄉(xiāng)瓦扎乃曲泥石流勘查報告.2014.05