兩岔溝泥石流的形成機理及危害性分析

張 振，李 默

(成都理工大學地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護國家重點實驗室，四川 成都 610059)

兩岔溝泥石流的形成機理及危害性分析

張 振，李 默

(成都理工大學地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護國家重點實驗室，四川 成都 610059)

兩岔溝泥石流為一大型潛在危險性泥石流，由于地震和人為等因素的影響，泥石流發(fā)生的可能性較大.在現(xiàn)場踏勘和分析兩岔溝泥石流流域分區(qū)特征的基礎(chǔ)上，從形成泥石流的地形、水源、物源等主要方面著手研究.通過經(jīng)驗公式估算及實測計算相結(jié)合的多種分析方法，來綜合評定泥石流的流體重度、流量、流速及一次泥石流流過總量.一方面，驗證了經(jīng)驗公式的適應(yīng)性，另一方面，揭示了泥石流的發(fā)展趨勢，為后續(xù)的防護和治理提供了可靠的基本物理力學參數(shù).

兩岔溝;泥石流;發(fā)展趨勢;物理力學參數(shù)

0 引言

兩岔溝位于四川省雅安市天全縣城北側(cè)，距離蘆山縣城較近.據(jù)調(diào)查了解，該區(qū)域雨季主要以洪水或高含泥沙洪水為主.該溝在歷史上沒有發(fā)生過特大的泥石流災(zāi)害，但受2008年汶川地震和2013年蘆山地震的雙重影響，溝內(nèi)發(fā)生了大量的崩潰、滑坡、泥石流等次生地質(zhì)災(zāi)害［1－3］，使溝內(nèi)的物源物顯著增多，一旦遇到強降雨，暴發(fā)泥石流的可能性比較大，嚴重威脅著溝道兩側(cè)居民的生命與財產(chǎn)的安全.

1 兩岔溝環(huán)境及地質(zhì)構(gòu)造

1.1 兩岔溝泥石流分布

兩岔溝溝域面積6.8 km2，最高點高程約980 m，最低點與天全縣護城河相連，高程約760 m，相對高差約220 m，主溝縱向長約4.2 km，發(fā)育2條主要支溝:1#支溝發(fā)育于主溝下部左側(cè)，為清水溝，縱向長約2.8 km;2#支溝位于主溝中部右側(cè)，縱向長約1.7 km.溝道兩側(cè)局部為緩坡地貌，一般坡度15°～35°，岸坡植被較發(fā)育，以灌木、雜草為主.兩岔溝屬于構(gòu)造剝蝕高中山地貌單元，整體形態(tài)呈“樹葉"狀，切割深度大，地形陡峻，臨空條件發(fā)育.這種地貌形態(tài)為溝域內(nèi)崩塌、滑坡、不穩(wěn)定斜坡等不良地質(zhì)現(xiàn)象的發(fā)育，以及泥石流松散固體物源的匯集提供了有利條件.經(jīng)調(diào)查，兩岔溝泥石流的流通區(qū)和物源區(qū)基本一致，其分布圖如圖1所示.

圖1 兩岔溝泥石流分布示意圖

1.2 兩岔溝地質(zhì)構(gòu)造

據(jù)實地調(diào)查，兩岔溝區(qū)域主要分布2類裂隙，一類與層面垂直，一類與層面相交.垂直層面又分縱張、橫張和扭裂3種.

兩岔溝區(qū)域節(jié)理裂隙的發(fā)育與分布大致呈現(xiàn)以下特征:受構(gòu)造部位控制，褶皺核部、構(gòu)造高點及不同構(gòu)造交匯部位最發(fā)育;與斷裂關(guān)系密切，斷裂影響帶較發(fā)育;受巖性和巖層組合影響，脆性巖層較發(fā)育，同一巖性，薄層比厚層發(fā)育.區(qū)內(nèi)紅層區(qū)地層風化裂隙較為發(fā)育，地層產(chǎn)狀平緩，構(gòu)造僅有始陽、前陽、雙石斷裂.勘查區(qū)內(nèi)及附近無斷層通過，地質(zhì)構(gòu)造活動相對較弱，地殼穩(wěn)定性相對較好.

兩岔溝區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造如圖2所示.

圖2 兩岔溝區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造示意圖

2 兩岔溝泥石流形成條件

2.1 地形和溝道條件

兩岔溝為一典型的“V"形深切沖溝，其中:1#支溝，溝域面積約1.94 km2，溝道平均坡降約為80‰，為清水溝，溝內(nèi)植被發(fā)育良好，勘查期間溝內(nèi)沒有發(fā)現(xiàn)集中物源;2#支溝溝域面積約1.35 km2，溝道平均坡降約76‰，溝道坡降總體較緩.實地調(diào)查發(fā)現(xiàn)，該溝下游溝道兩側(cè)人為破壞較為嚴重，溝道至兩側(cè)岸坡約50 m以內(nèi)都為人工旱地，植被發(fā)育較差，坡面侵蝕較為嚴重.另外，靠溝道平緩平地內(nèi)有居民建房人工棄渣堆積8處，可能參與泥石流活動.經(jīng)劃分，兩岔溝泥石流流域分為清水區(qū)、物源流通區(qū)和堆積區(qū).

2.2 泥石流清水區(qū)特征

泥石流清水區(qū)分布于兩岔溝支溝與主溝交匯處的上段區(qū)域，面積約為3.5 km2，其主要地貌特征為:地形陡峻，斜坡坡度多為25°～35°以上，溝谷縱坡較大，多在200‰～380‰，且森林植被發(fā)育，松散堆積層覆蓋較薄，主要為基巖斜坡，地震中不良地質(zhì)現(xiàn)象較少，分布零星，大多不會參與泥石流活動，主要為泥石流的形成匯集水源和提供水動力條件.

通過當?shù)氐臍庀缶质占搅?986～2005年兩岔溝的氣象統(tǒng)計資料，如表1所示.

表1 多年平均氣象資料值一覽表(1986～2005年)

因該溝自然條件特殊，谷深坡陡，切割強烈，加之雨水月季差異大，境內(nèi)徑流在年均和月、季之間分配不均，冬春兩季徑流量較小，夏秋兩季較大.夏秋兩季為兩岔溝泥石流頻發(fā)季節(jié)，豐富的降水量為泥石流的發(fā)生提供了有利的水動力條件.

2.3 泥石流物源區(qū)和流通區(qū)特征

泥石流形成的物源區(qū)與流通區(qū)分布于兩岔溝2#支溝中下游至兩岔溝溝口，該溝道長度約2.0km，面積約1.43 km2.該區(qū)溝道總體坡降較緩，平均坡降約50‰～70‰，松散堆積體厚度相對較大，特別是汶川及蘆山地震后，居民順溝兩側(cè)大量新修房屋和修建公路產(chǎn)生的棄渣，為泥石流的發(fā)育提供了大量松散固體物源.隨著災(zāi)后重建工作的推進，溝道兩側(cè)棄渣量有進一步增加的趨勢.在小規(guī)模泥石流形成過程中，部分河谷彎折地段、緩傾溝谷地段堆積了部分老泥石流物質(zhì)，也是形成泥石流的另一個物源.此外，該區(qū)溝道以上至中部為耕地，植被破壞較嚴重，水土流失可能加劇，因而會新產(chǎn)生大量坡面侵蝕物源.該區(qū)物源統(tǒng)計量見表2所示.豐富的物源，為泥石流的發(fā)生提供了有利的條件.

表2 兩岔溝泥石流物源估算匯總統(tǒng)計表

2.4 泥石流堆積區(qū)特征

泥石流堆積區(qū)位于兩岔溝下游，溝道較為平緩，面積約0.16 km2，溝口堆積扇區(qū)堆積厚度1～2 m左右，堆積扇區(qū)泥石流堆積物方量約3×104m3，因該段縱坡較緩，有利于泥石流物質(zhì)的淤積.

3 泥石流靜動力學參數(shù)

3.1 泥石流流體重度

由于兩岔溝泥石流以往沒有監(jiān)測資料，對此，本研究通過配方法［4］和查表法［5］2種方法來確定泥石流流體重度.按照《泥石流災(zāi)害防治工程勘查規(guī)范》(DZ/T0220－2006)附錄H填寫泥石流調(diào)查表并按附錄G進行易發(fā)程度評分(詳見附表)，按表G.2查表確定兩岔溝泥石流及各支溝重度和泥沙修正系數(shù)，結(jié)果見表3所示.

表3 兩岔溝泥石流流體重度查表法結(jié)果統(tǒng)計表

3.2 泥石流流量

本研究共選擇5個典型斷面部位采用了雨洪法和形態(tài)調(diào)查法進行兩岔溝泥石流流量計算.計算數(shù)據(jù)表明，采用形態(tài)調(diào)查法計算的泥石流峰值流量結(jié)果普遍略小于雨洪法的結(jié)果，總體上看，形態(tài)調(diào)查法求得的流量值與雨洪法P=2%的流量計算結(jié)果相當.采用形態(tài)調(diào)查法計算結(jié)果沒有暴雨頻率的概念，僅能代表當次泥石流的特征值，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)進行計算，具有預(yù)測性質(zhì).因此，兩岔溝泥石流峰值流量采用雨洪法計算求得.

地表水匯水流量計算公式為，

式中，Q為最大洪峰流量(m3/s);ψ為洪峰徑流系數(shù);i為最大平均暴雨強度;s為暴雨雨力;n為暴雨公式指數(shù);F為集水面積(km2);τ為流域匯流時間(h).據(jù)此，采用雨洪法求得的各斷面部位暴雨洪峰流量值如表4所示.

表4 兩岔溝及其主要支溝暴雨洪峰流量計算表

3.3 泥石流峰值流量計算

泥石流峰值流量計算公式［6］為，

式中，Qc為泥石流斷面峰值流量(m3/s);φ為泥沙修正系數(shù)，采用查表法得到的結(jié)果;Qp為暴雨洪峰流量;Dc為堵塞系數(shù)，按《勘查規(guī)范》表I.1查表確定.據(jù)此，采用雨洪法求得泥石流峰值流量如表5所示.

表5 兩岔溝及其主要支溝泥石流峰值流量計算表

3.4 泥石流流速計算

根據(jù)雨洪法求得的流量結(jié)果，利用形態(tài)調(diào)查法流量計算公式進行反算，

式中，Qc為泥石流斷面峰值流量(m3/s);Wc為泥石流過流斷面面積(m2);Vc為泥石流斷面平均流速(m/s).計算結(jié)果如表6所示.

表6 兩岔溝泥石流流速計算表

3.5 一次泥石流流過總量

一次泥石流過流總量計算公式［9］為，

式中，Q為一次泥石流過程總量(m3);T為泥石流歷時(s);Qc為泥石流最大流量(m3/s).

兩岔溝主溝泥石流歷時約45 min，即T=2 700 s;1#支溝歷時30 min，即T=1 800 s;2#支溝泥石流歷時約30 min，即T=1 800 s.按上式計算泥石流沖出量如表7所示.

表7 兩岔溝及其主要支溝泥石流流量形態(tài)調(diào)查法計算表

4 結(jié)論

通過對兩岔溝溝道和坡面固體松散物質(zhì)量的分析和計算，估算20年一遇兩岔溝泥石流一次最大沖出量約0.7×104m3，根據(jù)規(guī)范的分級，兩岔溝泥石流暴發(fā)的規(guī)模屬于小型泥石流.

通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)，兩岔溝內(nèi)因為地震產(chǎn)生的規(guī)模不等的滑坡、堆積體等災(zāi)害點有9處，這為泥石流的暴發(fā)提供了大量的物源.泥石流固體物源的補充周期縮短，將大量的堆積物帶到山前，其目前所處發(fā)展階段為發(fā)展期，溝谷內(nèi)還有大量松散堆積物，故今后該溝可能還會暴發(fā)泥石流，其發(fā)生頻率有增高之勢.

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查的泥石流黏性物質(zhì)含量、固體物質(zhì)組成及堆積物特征，采用現(xiàn)場調(diào)查試驗法進行泥石流容重的測定，得到兩岔溝泥石流的容重為1.565 kN/m3，據(jù)此確定兩岔溝泥石流屬于稀性泥石流.

根據(jù)對泥石流成因機制和引發(fā)因素的分析，兩岔溝屬暴雨溝谷型泥石流，泥石流規(guī)模主要與溝域內(nèi)松散固體物源的累計和動態(tài)變化情況及與引發(fā)泥石流的暴雨情況相關(guān)，當溝域內(nèi)多松散固體物源累計較多，遇到集中暴雨時，就會發(fā)生較大規(guī)模的泥石流災(zāi)害.在汶川及蘆山地震后，兩岔溝溝域內(nèi)崩滑坡等不良地質(zhì)現(xiàn)象增多，局部水土流失加劇，可參與泥石流活動的松散固體物源量也大大增加，一旦遭到大暴雨的作用，勢必將引發(fā)泥石流災(zāi)害.

［1］潘華利，歐國強，柳金峰.泥石流溝道侵蝕初探［J］.災(zāi)害學，2009，24(1):39 －43.

［2］鐵永波，唐川.四川省北川縣暴雨泥石流的發(fā)育與汶川地震的響應(yīng)特征［J］.災(zāi)害學，2011，26(4):73 －75.

［3］甘建軍，孫海燕，黃潤秋，等.汶川縣映秀鎮(zhèn)江春溝特大型泥石流形成機制及堵江機理研究［J］.災(zāi)害學，2012，27(1):5－9.

［4］工程地質(zhì)手冊編委會.工程地質(zhì)手冊［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2007.

［5］中華人民共和國國土資源部.DZ/T0220－2006泥石流災(zāi)害防治工程勘察規(guī)范［S］.北京:中國標準出版社，2006.

［6］周必凡，李德基，羅德富，等.泥石流防治指南［M］.北京:科學出版社，1991.

Analysis of Formation Mechanism and Harmfulness of Liangcha Gou Debris Flow

ZHANG Zhen，LI Mo
(The State Key Laboratory of Geohazard Prevention and Geoenvironment Protection，Chengdu University of Technology，Chengdu 610059，China)

The Liangcha Gou Debris flow is a large debris flow with potential hazard.Due to the effect of earthquake and artificial factors，the debris flow is very easy to occur.Based on survey and analysis on partition characteristics of the Liangcha Gou debris flow，the terrain，water，material sources and other major aspects of forming debris flow are analyzed.By combining the empirical formula estimation and the actual calculation，this paper comprehensively evaluates the fluid density，flow，velocity，and the total flow of debris flow.On the one hand，this paper validates the adaptability of empirical formula;on the other hand，it reveals the development trend of debris flow，and also provides the reliable basic physical and mechanical parameters for subsequent protection and treatment.

Liangcha Gou;debris flow;development trend;physical and mechanical parameters

P642.23

A

1004－5422(2015)01－0097－04

2014－11－28.

張 振(1990—)，男，碩士研究生，從事地質(zhì)災(zāi)害評價與預(yù)測研究.