四川安寧河流域姑巴溝泥石流動力學(xué)特征與減災(zāi)對策*

江金濤，鐵永波

（1.中國地質(zhì)大學(xué)（北京），北京100083；2.中國地質(zhì)科學(xué)院，北京100037；3.中國地質(zhì)調(diào)查局成都地質(zhì)調(diào)查中心，四川成都610081）

四川安寧河流域姑巴溝泥石流動力學(xué)特征與減災(zāi)對策*

江金濤1，2，3，鐵永波3

（1.中國地質(zhì)大學(xué)（北京），北京100083；2.中國地質(zhì)科學(xué)院，北京100037；3.中國地質(zhì)調(diào)查局成都地質(zhì)調(diào)查中心，四川成都610081）

姑巴溝是四川安寧河流域內(nèi)最具代表性的典型低頻泥石流之一。基于野外調(diào)查的基礎(chǔ)上，對姑巴溝泥石流的動力學(xué)特征進(jìn)行了計算，并對2011年泥石流的成因機(jī)制進(jìn)行了分析。研究認(rèn)為，姑巴溝泥石流的觸發(fā)原因是由持續(xù)強(qiáng)降雨引發(fā)的溝道徑流與上游冰湖溢水的綜合作用，水動力補(bǔ)給過程具有復(fù)合特征。針對姑巴溝泥石流爆發(fā)突然、流體流量大流速高及其威脅對象的分布特征，提出了針對性的防災(zāi)減災(zāi)建議，對揭示姑巴溝泥石流的形成過程及動力學(xué)特征具有實際意義，并可為安寧河流域內(nèi)其它具有相似孕災(zāi)背景的低頻泥石流形成機(jī)理的認(rèn)識提供參考。

安寧河流域；低頻泥石流；動力學(xué)特征；冕寧縣；姑巴溝

泥石流是山區(qū)常見的一種突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害，按照暴發(fā)頻率可分為高頻、中頻和低頻泥石流。低頻泥石流暴發(fā)周期長（30年以上），規(guī)模大，危害重，具有強(qiáng)隱蔽性［1］。溝口附近居民往往將此類泥石流平緩的堆積扇作為安全地帶，修建人口密集的村舍、工廠和學(xué)校等［2］。較高頻泥石流而言，低頻泥石流致災(zāi)性更強(qiáng)。1999年12月在委內(nèi)瑞拉北部阿維拉山區(qū)加勒比海沿岸的8個州暴發(fā)的約300年一遇的群發(fā)性泥石流，造成3萬余人死亡，直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)100億美元［3］；2010年8月在甘南藏族自治州舟曲縣城發(fā)生的400年一遇的低頻泥石流導(dǎo)致該縣一半被淹，造成1 744人死亡和失蹤，直接經(jīng)濟(jì)損失數(shù)億元［4］；2012年6月在四川省寧南縣矮子溝發(fā)生的特大泥石流，導(dǎo)致下游基礎(chǔ)設(shè)施損失慘重，造成40人死亡和失蹤，產(chǎn)生了極大的社會影響［5］。

研究表明，四川安寧河流域5個縣市（喜德、冕寧、西昌、會理、德昌）均有大量泥石流溝分布，僅冕寧縣內(nèi)就有泥石流溝143條，泥石流溝密度高達(dá)32.1條／103km2［6-7］。泥石流活動成為該區(qū)最常見的地質(zhì)災(zāi)害之一，常常造成家毀人亡等重大生命和財產(chǎn)損失，極其不利于當(dāng)?shù)氐姆€(wěn)定與發(fā)展。本次研究以具有典型代表性的姑巴溝低頻泥石流為例，通過查明其動力學(xué)特征及分析形成機(jī)制，對認(rèn)識安寧河流域內(nèi)其他泥石流災(zāi)害的成因及防災(zāi)減災(zāi)提供科學(xué)依據(jù)。

1 流域基本概況

姑巴溝位于四川省涼山彝族自治州北部的冕寧縣彝海鄉(xiāng)境內(nèi)，安寧河?xùn)|，距冕寧縣城區(qū)NNE方向約16 km。流域面積約66.7 km2，主溝長10.5 km，縱比降202‰。主溝北側(cè)發(fā)育有一條較大的支溝（小溝），其余支溝的流域面積均相對較小。流域內(nèi)最高海拔4 630 m，為安寧河?xùn)|側(cè)分水嶺—小相嶺，常年積雪；溝口最低海拔2 102 m，相對高差2 528 m。根據(jù)其地貌及泥石流物源補(bǔ)給特征，將姑巴溝劃分為清水區(qū)、形成區(qū)、流通區(qū)和堆積區(qū)四個部分。清水區(qū)海拔3 249～4 630 m，呈喇叭狀，利于匯水形成表面徑流；形成區(qū)海拔2 533～3 249 m，V型谷，溝岸坡度約40°，坡面泥石流廣泛發(fā)育；流通區(qū)海拔2 288～2 533 m，呈V型谷，溝岸坡度35°，溝道平直，利于流泥石流快速沖出；堆積區(qū)海拔2 102～2 288 m，縱比降46‰，呈U型谷，溝床寬數(shù)百米，泥石流流體物質(zhì)到達(dá)堆積區(qū)流速逐減，開始堆積。如圖1所示。

2011年6月16日20時左右，四川省冕寧縣彝海鄉(xiāng)遭受3 h強(qiáng)降雨襲擊，總降雨量101 mm，并引發(fā)泥石流［8］。暴發(fā)泥石流之前，小溝先漲水，大溝緊隨其后。主溝兩岸受災(zāi)情況迥異：左岸布落2人死亡，15人失蹤；右岸布里僅受洪水淹沒，漫水高出地面1 m。此次泥石流造成當(dāng)?shù)亟煌ê屯ㄐ胖袛?，? 890人受災(zāi)。泥石流發(fā)生后，當(dāng)?shù)卣嚓P(guān)部門開展了溝道清淤及簡易的河道治理工程，但這些工程難以對其潛在風(fēng)險進(jìn)行有效控制，為此，查明該溝泥石流的形成過程及機(jī)制，并提出有針對性的防災(zāi)減災(zāi)措施，最大程度降低泥石流帶來的潛在風(fēng)險極為迫切。

2 泥石流成因及流動力學(xué)特征

2.1 姑巴溝泥石流成因分析

以2011年姑巴溝泥石流過程為例，主要從泥石流形成的三個條件：地形、水動力及物源，對該溝泥石流的成因進(jìn)行分析。

2.1.1 地形特征

姑巴溝支溝發(fā)育，相對高差大，平面上呈圈椅狀，清水區(qū)和形成區(qū)縱寬達(dá)8 km，溝口僅數(shù)百米，這一形態(tài)極利于地表徑流匯集。溝道較平直，上游呈“V”型谷，跌水和陡坎發(fā)育，下游呈“U”型谷。在流域的頂端，位于主溝和小溝的源頭各有面積約0.1 km2的冰磧湖。

圖1 姑巴溝流域形態(tài)圖

2.1.2 水動力補(bǔ)給特征

流域內(nèi)具有冕寧縣所處區(qū)域上的典型亞熱帶季風(fēng)氣候，降雨集中在6-9月份，常年平均降雨量1 094 mm。16日20時冕寧縣突發(fā)強(qiáng)降雨，3 h降雨量達(dá)101 mm。降雨過程中上游冰磧湖水體溢出，具有相對較大的勢能，對溝道內(nèi)松散土體的沖刷作用較強(qiáng)。降雨形成的表面徑流填充土體孔隙，使之浸潤、飽和，并逐漸加大飽和土厚度，土體隨后起動奔流。強(qiáng)降雨是激發(fā)此次泥石流的主要因素，冰湖溢水在泥石流的形成中有重要作用。

2.1.3 物源補(bǔ)給特征

姑巴溝以及整個安寧河流域受安寧河深斷裂帶影響明顯。斷裂帶兩側(cè)節(jié)理裂隙密度達(dá)30～60條／m2，巖體破碎，極易風(fēng)化。姑巴溝內(nèi)巖性復(fù)雜，涵蓋了從震旦紀(jì)以來的3大巖類和第四紀(jì)冰磧物，強(qiáng)風(fēng)化帶厚2～25 m［7，9］。調(diào)查發(fā)現(xiàn)海拔范圍2 533～3 249 m溝道坡面第四紀(jì)殘坡積物較厚，是本次泥石流災(zāi)害的啟動物源；2 288～2 533 m之間的溝床內(nèi)第四紀(jì)沖洪積物和冰磧物受到了溝道徑流揭底侵蝕后，溝谷中堆積物在極短的時間內(nèi)被席卷。流體攜帶的固體物質(zhì)如同“滾雪球”一般快速增大，形成這次大規(guī)模泥石流。

按動力條件劃分，2011年姑巴溝泥石流屬于水力類泥石流［10］。

2.2 動力學(xué)參數(shù)特征

2.2.1 流體流速

泥石流流速是泥石流的重要屬性，在評價泥石流危險性過程中以及防治工程中有重大意義。姑巴溝泥石流土體粘粒含量約5%，產(chǎn)流過程中，與入滲為主的水結(jié)合，屬粘性泥石流。按照王繼康等在1982年提出的粘性泥石流流速經(jīng)驗公式，推導(dǎo)姑巴溝泥石流的流速［11］：

式中：Vc為粘性泥石流流速，m／s；Hc為泥石流泥深（或泥石流水力半徑Rc），m；Ic為泥石流流面（或溝底）坡度，‰；Kc為粘性泥石流流速系數(shù)。

本次調(diào)查中，一共實測姑巴溝中下游不同部位的7個剖面（P1-P7）。在這些剖面的溝岸，能夠清楚地分辨出泥石流發(fā)生時留下的泥位。通過實測剖面數(shù)據(jù)，可以獲得泥石流泥深Hc和剖面處泥石流流面坡度Ic。

各剖面處泥石流流速見表1。剖面P1～P3、P5～P6位于形成區(qū)末端，P7位于流通區(qū)頂端，P4位于堆積區(qū)頂端。各剖面流體流速差異較大，堆積區(qū)流體流速降低明顯，此時固體物質(zhì)以淤積為主。受水電站的影響，位于剖面P5下游約500 m的剖面P7，流速相對降低3.85 m／s。

表1 剖面流速

2.2.2 流量

泥石流流量計算方法：可分為雨洪修正法與形態(tài)調(diào)查法兩種。

（1）雨洪修正法

雨洪修正法認(rèn)為泥石流流量為雨洪流量（Qp）和固體流量（QH）之和，自1959年以來，在驗證各家泥石流流量計算公式的基礎(chǔ)上，考慮粘性泥石流有堵塞因素的實際，將公式改為［11］：

式中：Qc為泥石流流量，m3／s；Qp為清水流量，m3／s。用泥石流溝所在地區(qū)的小徑流公式計算清水流量；Dc為泥石流堵塞系數(shù)。粘性泥石流有陣流堵塞，而稀性泥石流沒有；φ為泥石流修正系數(shù)。計算法φ＝（ρc-1）／（ρH-ρc）（ρH由查表獲得［11］）。雨洪法計算泥石流流量見表2。

表2 雨洪法計算泥石流流量

（2）形態(tài)調(diào)查法

調(diào)查泥石流泥痕和溝槽形態(tài)斷面特征，根據(jù)流速（νC）的計算結(jié)果，與泥石流通過斷面面積（WC）相乘。按下式計算泥石流流量Qc：

在計算過程中，分別選取了小溝和主溝上的泥石流剖面P1、P7（表3）。

表3 形態(tài)調(diào)查法計算泥石流流量

流域內(nèi)泥石流峰值流量Qc應(yīng)P1和P7剖面流量之和，最后計算出泥石流流量Qc＝2 929.75 m3／s。計算結(jié)果與雨洪法在頻率p＝1%時得出的計算結(jié)果2 736.16 m3／s基本吻合。暴雨發(fā)生頻率與對當(dāng)?shù)卮迕癫稍L結(jié)果相仿。故認(rèn)為2011年6月姑巴溝發(fā)生流量2 929.75 m3／s的特大型泥石流為100年一遇。

2.2.3 泥石流沖壓力

泥石流沖擊力是泥石流防治工程設(shè)計的重要參數(shù)。

（1）泥石流整體沖壓力

采用推薦的泥石流體整體沖壓力計算公式［12］：

式中：δ為泥石流整體沖壓力，kPa；γc為泥石流重度，姑巴溝泥石流取1.544（kN／m3）；Vc為泥石流流速，取舍去剖面P5數(shù)據(jù)的平均值7.368 m／s；α為建筑物受力面與泥石流沖擊壓力方向的夾角，取90°；g為重力加速度，取9.8 m／s2；λ為建筑物形狀系數(shù)，圓形建筑物取1.0，矩形建筑物取1.33，方形建筑物取1.47。本次布落、布里建筑物主要以矩形為主，λ取1.33。

通過計算，姑巴溝泥石流整體沖壓力為111.48 kPa。

（2）泥石流中大石塊沖擊力

泥石流中石塊沖擊力的計算參照以下公式［13］：

式中：Pd為為泥石流中石塊的沖擊力，Pa；γ為動能折減系數(shù)，對于圓端正面撞擊，采用γ＝0.3；Vc為泥石流大石塊流速，為4.56 m／s；Q為石塊質(zhì)量，kg，按離溝口最大粒徑1.3 m來算；α為受力面與泥石流沖擊力方向的夾角，取90°；C1、C2為巨石及攔擋圬工的彈性變形系數(shù)，C1＋C2＝0.005。

姑巴溝泥石流石塊比重為2.59 t／m3，近似認(rèn)為石塊與被撞擊物之間的接觸面積為圓面，最后得到姑巴溝泥石流受災(zāi)體附近大石塊的沖擊力為1.13 kPa。

2.2.4 泥石流爬高

泥石流在運(yùn)動過程中，若突然受阻會產(chǎn)生沖起爬高，如橋墩、擋壩、陡壁等。由以下公式可以求得沖起爬高值［12］：

式中：ΔZ為泥石流沖起爬高值，m；Vc為泥石流流速，m／s；g為自由落體加速度，m／s2；α為動能修正系數(shù)，為迎面坡度的函數(shù)（迎面坡度90°，α取1.0）。α取1.0作為近似計算。

小溝在布里村東并流進(jìn)主溝，流向迅速南偏約30°。位于凹岸的布里村受泥石流固體物質(zhì)沖擊較大，村民的生命財產(chǎn)安全受到嚴(yán)重威脅。選擇距布里村最近的P4剖面流速5.68 m／s，計算出泥石流最大沖爬高為2.63 m，高于布里村地面線約1 m。

3 泥石流的防災(zāi)減災(zāi)建議

針對姑巴溝泥石流爆發(fā)突然、流體流量大流速高和基礎(chǔ)設(shè)施分布特殊的特點(diǎn)，對該溝提出可行性防災(zāi)減災(zāi)建議?？梢宰鳛榱饔騼?nèi)其他具有相似特征的泥石流的防災(zāi)參考。

3.1 排導(dǎo)工程措施建議

小溝在匯流進(jìn)主溝之前，溝口段1 km向左偏轉(zhuǎn)約30°形成彎曲溝道，布里村臨近被侵蝕的凹岸。如果再暴發(fā)同等規(guī)模泥石流，必定會危及布里村。因此建議在彎道處布置長1 km、高1.7 m的V型全襯砌槽，使進(jìn)入排導(dǎo)槽流體保持密度保持不變，利用水動力增大水深，重組動力束流，減小阻力，加大流速，防止漫流改道。并在布里村溝岸一側(cè)輔以擋墻，以抵擋流體對凹岸的侵蝕。依照泥石流最大沖爬高計算結(jié)果，擋墻應(yīng)該高出地面至少2 m。

3.2 導(dǎo)流工程措施建議

布落村地勢較低，正好處于小溝溝口軸線上，是本次泥石流災(zāi)害的重災(zāi)區(qū)。該村靠近溝槽一側(cè)有前后兩次修葺的導(dǎo)流堤，所用材料均為溝道內(nèi)泥石流橢圓形漂石。舊導(dǎo)流堤高約0.6 m，堤角近70°，與溝床流向平行，絕大部分在這次特大型泥石流中被沖毀或掩埋，本次受災(zāi)慘重與舊導(dǎo)流堤高度不夠有關(guān)?，F(xiàn)有導(dǎo)流堤于泥石流發(fā)生之后修建，高約1.5 m，堤邊坡坡度50°，軸線基本與主溝溝槽走向一致，距布落村直線距離10 m。經(jīng)計算，在保持導(dǎo)流堤邊坡坡度50°情況下，為了有效防治同等規(guī)模的泥石流災(zāi)害，導(dǎo)流堤坡高應(yīng)達(dá)到2.48 m。現(xiàn)有導(dǎo)流堤的高度和走向?qū)τ诜罏?zāi)減災(zāi)均不理想。而在增加導(dǎo)流堤邊坡坡度到70°情況下，2 m高導(dǎo)流堤能防止流體爬越。因此應(yīng)該在現(xiàn)有導(dǎo)流堤外圍，沿布落村修建一條向溝口發(fā)散長1.8 km的導(dǎo)流堤，迎水面邊坡坡度70°，堤高2 m。

3.3 監(jiān)測預(yù)警措施建議

建議姑巴溝建立高程控制的雨量計監(jiān)測預(yù)報和專業(yè)泥位監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)。在海拔2 500 m和3 500 m溝谷處建立雨量計，用確定的降雨臨界值指標(biāo)，預(yù)報未來一段時間可能發(fā)生泥石流災(zāi)害；在海拔2 800 m處安裝超聲波探頭實時監(jiān)控泥位高度，當(dāng)超過危險值時，就可以進(jìn)行警報。

4 結(jié)論

姑巴溝是安寧河流域內(nèi)典型的低頻泥石流溝，其致災(zāi)性極強(qiáng)。2011年6月暴發(fā)的泥石流為100年一遇，粘性泥石流，泥石流的水動力來自3 h強(qiáng)降雨形成的地表徑流與流域上游冰磧湖水體混合形成溝道徑流。泥石流的物源主要來自溝床內(nèi)堆積的冰磧物，在被徑流沖刷后啟動形成泥石流。

姑巴溝泥石流嚴(yán)重威脅到下游及溝口的小型電站、數(shù)十戶房屋和高速公路等基礎(chǔ)設(shè)施，對當(dāng)?shù)厝嗣袢罕娚敭a(chǎn)及基礎(chǔ)設(shè)施構(gòu)成極大威脅，其潛在風(fēng)險較高，需要對該溝泥石流開展工程治理，并輔以監(jiān)測預(yù)警設(shè)施，最大程度降低泥石流的潛在風(fēng)險。

四川省安寧河流域地質(zhì)構(gòu)造活動強(qiáng)烈，巖體破碎，加之該地區(qū)早期冰川活動遺留的大量松散冰磧物在流域上游廣泛分布，在河流侵蝕作用下穩(wěn)定性較差，為這一地區(qū)泥石流的形成提供了必要的地形和物源條件，使得這一區(qū)域內(nèi)泥石流極為發(fā)育。探索這一區(qū)域內(nèi)泥石流的成因及動力學(xué)特征，對該地區(qū)泥石流的防災(zāi)減災(zāi)具有防災(zāi)減災(zāi)意義。

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Dynam ic Characteristics and M itigation of Guba Debris Flow in Anning Valley in Sichuan Province

Jiang Jintao1，2，3and Tie Yongbo3
（1.China University of Geosciences（Beijing），Beijing 100083，China；2.Chinese Academy of Geological Sciences，Beijing 100037，China；3.Chengdu Center of China Geological Survey，Chengdu 610081，China）

Guba debris flow is one of themost typical debris flows with low return period in Anning Valley，Sichuan Province.Based on the field survey，we calculate the dynamic properties and analyze the genetic mechanism of Guba debris flow occurred in 2011.Results show that，combined effectof gully runoff from sustained heavy rainfall and overflow from glacial lakes upstream triggered the disaster.The water power supply processes show complex features.According to the characteristics of sudden outbreak，heavy flow，high speed and particular position of the affected targets in Guba debris flow，proposals are put forward for prevention and reduction.Ithas practical significance to reveal forming process and dynamic properties of Guba debris flow，which could also be a reference to understanding the formation mechanism of low frequency debris flow with similar backgrounds in Anning Valley.

Anning Valley；debris flow with low return period；dynamic properties；Mianning County；Guba gully

X43；P642.23

A

1000-811X（2015）04-0216-04

10.3969／j.issn.1000-811X.2015.04.037

江金濤，鐵永波.四川安寧河流域姑巴溝泥石流動力學(xué)特征與減災(zāi)對策［J］.災(zāi)害學(xué)，2015，30（4）：216-219.［Jiang Jintao and Tie Yongbo.Dynamic characteristics and mitigation of Guba debris flow in Anning Valley，Sichuan Province［J］.Journal of Catastrophology，2015，30（4）：216-219.］

2015-03-27

2015-05-22

科技部基礎(chǔ)性工作專項（2011FY110100-5）；中國地質(zhì)調(diào)查局公益性地調(diào)項目（12120113010200）

江金濤（1991-），男，湖北新洲人，碩士研究生，主要從事環(huán)境地質(zhì)和災(zāi)害地貌方向研究.

E-mail：jiang564487079＠126.com