四川省甘孜州雅江縣下渡溝泥石流成因及運動特征研究

柏 山，沈習(xí)文

（中國電建集團(tuán)成都勘測設(shè)計研究院有限公司，四川 成都 610072）

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四川省甘孜州雅江縣下渡溝泥石流成因及運動特征研究

柏 山，沈習(xí)文

（中國電建集團(tuán)成都勘測設(shè)計研究院有限公司，四川 成都 610072）

本文在現(xiàn)場地質(zhì)勘察的基礎(chǔ)上，分析了雅江縣下渡溝泥石流的成因，描述了泥石流溝的特征，運用工程地質(zhì)分析原理的方法對該泥石流溝形成條件進(jìn)行了定性分析，計算了不同概率下泥石流的峰值流量及總量，對下渡溝泥石流發(fā)展趨勢及影響范圍進(jìn)行了預(yù)測分析，并在此基礎(chǔ)上提出了相應(yīng)的治理措施。

下渡溝；泥石流；運動特征；工程地質(zhì)分析原理

0 前 言

下渡溝為雅礱江右岸一級支流，溝口位于甘孜州雅江縣下渡村附近。該溝流域面積82.122 km2，主溝長度14.38 km，流域內(nèi)最高點海拔4 573 m，溝口海拔2 550 m，相對高差2 023 m，溝床平均比降140.68‰（見圖1）。該溝近年來發(fā)生過小規(guī)模稀性泥石流。

圖1 下渡溝流域地形示意

1 下渡溝泥石流形成條件

泥石流的形成受區(qū)域自然環(huán)境條件的制約和影響，根據(jù)對泥石流研究結(jié)果，泥石流形成的基本條件可歸納為：

（1）充沛的各類水源，足夠大的降雨強(qiáng)度；

（2）豐富、松散且容易失穩(wěn)入溝的固體物質(zhì)；

（3）有利于形成陣發(fā)性尖型洪峰的流域地形地貌形態(tài)等。根據(jù)泥石流形成的基本條件，對比地形、水源和物源情況，分析下渡溝的基本特征及泥石流運動特征，進(jìn)而預(yù)測泥石流的發(fā)展趨勢及影響范圍，為下渡溝泥石流防治提供依據(jù)。

1.1 地形地貌條件

下渡溝在平面圖上呈不規(guī)則卵形，流域最寬處寬度約10.9 km，流域四周被高山及山嶺所環(huán)繞，溝谷兩岸支溝發(fā)育，左側(cè)發(fā)育3條支溝，右側(cè)發(fā)育3條支溝，呈樹枝狀分布。

下渡溝總體流向南西至北東，呈構(gòu)造侵蝕深切割曲流峽谷地貌。溝谷兩岸山體雄厚，溝谷峽窄、谷坡陡峻，沿河嶺谷高差懸殊，相對高差1 000～2 000 m，屬典型的侵蝕峽谷地貌；在坡度相對較緩的斜坡、坡腳廣泛分布滑坡堆積、崩坡積、坡殘積或沖洪積堆積物。陡峻的地形條件為泥石流的形成提供了有利條件。

1.2 物源條件

下渡溝流域位處松潘—甘孜造山帶，在大地構(gòu)造部位上，流域位于“雅江—理塘”菱形斷塊內(nèi)部偏南弧頂向南的雅江弧形褶皺構(gòu)造帶。流域受構(gòu)造影響較強(qiáng)烈，主要發(fā)育小斷層、擠壓破碎帶等。

下渡溝兩側(cè)斜坡局部基巖裸露，基巖巖性為三疊系雅江組中段鈣質(zhì)粉砂質(zhì)板巖夾巖屑石英砂巖，產(chǎn)狀為210°∠46°，表層松動卸荷強(qiáng)烈，巖體裂隙發(fā)育。溝口左右兩側(cè)斜坡均發(fā)育二級沖積洪積坡積階地，左側(cè)二級階地與一級階地之間分布彎曲變形巖體，右側(cè)為沖洪坡積二級階地，溝谷分布厚約2～8 m的沖洪積塊碎石土，結(jié)構(gòu)松散。兩側(cè)斜坡地形均較為陡峻，左岸斜坡坡度約45°～55°，右岸斜坡坡度約40°～45°，斜坡淺層松動卸荷松弛較強(qiáng)烈，巖體強(qiáng)卸荷深度30～40 m，弱卸荷深度80～100 m。

斜坡表層巖體較破碎，規(guī)模不等的滑坡、溜滑、崩塌和坍塌等不良地質(zhì)現(xiàn)象極為發(fā)育，堆積在溝床及兩側(cè)斜坡的各類碎屑物質(zhì)成為區(qū)內(nèi)山洪和泥石流的直接或潛在固體物源。

據(jù)調(diào)查，下渡溝及其沖溝內(nèi)松散碎屑物質(zhì)較豐富，其中溝內(nèi)碎屑物質(zhì)約20萬m3，溝床兩岸穩(wěn)定物源約200萬m3，溝床兩岸基本穩(wěn)定物源約50萬m3，溝床兩岸欠穩(wěn)定物源約10萬m3。豐富的物源為泥石流的形成提供了有利條件。

1.3 水源條件

雅礱江流域洪水主要由暴雨形成，一般出現(xiàn)在6～9月，主要集中在7、8兩月，且多連續(xù)降雨。雅礱江較大洪水多為兩次以上的連續(xù)降雨形成。汛期內(nèi)連綿不斷的降雨使河流底水逐漸抬高，如發(fā)生1～3日較為集中的大面積暴雨，即可形成較大洪水。洪水過程多呈雙峰或多峰型，一般單峰過程6～10天，雙峰過程12～17天。洪水起漲時底水流量較大，一般可占洪峰流量的1／2～1／3左右。由于流域大部分地區(qū)雨強(qiáng)不大，加之流域形狀呈狹長帶狀，不利于洪水匯集，故洪水一般具有洪峰相對不高、洪量大、歷時長的特點，這些為山洪和泥石流的激發(fā)創(chuàng)造了有利條件。

根據(jù)流域內(nèi)地下水的賦存條件，可分為第四系松散堆積層孔隙水和基巖裂隙水兩種類型。第四系松散堆積層孔隙水主要分布在河谷、岸坡沖積物、崩坡積物、泥石流堆積物、滑坡堆積物等各種成因的第四紀(jì)松散堆積體內(nèi)，受大氣降水、河水及兩岸地下水補(bǔ)給，流域內(nèi)地下水較豐富，為山洪和泥石流的形成創(chuàng)造了有利條件。

1.4 人類活動

本區(qū)所在地甘孜州為四川省貧困地區(qū)，同時也為少數(shù)民族聚居地，數(shù)十年來森林工業(yè)一直是其財政收入的主要來源，實施“天保工程”之前，本區(qū)內(nèi)森林遭受過渡采伐，造成水土流失比較嚴(yán)重。與此同時，毀林開荒、開山挖石、溝道兩側(cè)修建縣鄉(xiāng)道路及民用建筑，加劇了滑坡、崩塌等不良地質(zhì)現(xiàn)象的發(fā)生，為山洪和泥石流的形成創(chuàng)造了條件。

2 泥石流溝的基本特征

2.1 泥石流溝谷特征

下渡溝主溝長度14.38 km，溝床平均比降140.68‰，溝道總體較曲折，溝谷較窄，溝道寬窄變化與陡緩變化相對應(yīng)，溝道流域內(nèi)松散堆積物較豐富。下渡溝溝口右岸一級階地下方發(fā)現(xiàn)早期泥石流殘留物，為泥結(jié)卵礫石，黃灰色，中密～密實，層厚3～6 m，殘留物體積約500～1 500 m3，屬粘性泥石流。溝道縱坡整體上表現(xiàn)出上游段陡峻，中游段居中，下游段稍緩。流域內(nèi)溝道兩側(cè)及緩坡地段分布較多灌木及青崗樹。

據(jù)計算，下渡溝流域完整性系數(shù)較低，表明溝谷的侵蝕作用較強(qiáng)烈。溝內(nèi)沖溝及毛溝較多，各沖溝以土質(zhì)溝床為主，局部為巖質(zhì)溝床。據(jù)調(diào)查，下渡溝歷史上爆發(fā)過多次較大規(guī)模泥石流，近年來爆發(fā)過多次小規(guī)模稀性泥石流。

2.2 泥石流形成區(qū)物源特征

下渡溝形成區(qū)和流通區(qū)的界限不明顯，泥石流為溝谷型泥石流，即形成區(qū)物源不集中，流通區(qū)既有物源推移，又有物源堆積。根據(jù)調(diào)查，下渡溝泥石流固體物源沿溝都有分布，其中直接物源主要分布于高程2 550～3 500 m范圍內(nèi)，類型主要為溝床洪積物、兩岸崩塌、崩坡積堆積物。其余物源分布在3 500～4 573 m高程段。

溝谷兩側(cè)斜坡堆積體上雖然局部植被較發(fā)育，但由于臨空面坡度較大，暴雨時飽水和溝床激流的淘蝕作用，容易產(chǎn)生坍滑型失穩(wěn)，大部分堆積體處于不穩(wěn)定或潛在不穩(wěn)定狀態(tài)。

2.3 泥石流流通區(qū)特征

如前所述，下渡溝泥石流流通區(qū)與形成區(qū)的界限不明顯，大致以溝口向上游第4條支溝與主溝的匯合口（高程約3 430 m）為界。該段溝谷地形差異不大，根據(jù)溝谷地形的微小差異、溝谷形態(tài)和是否有早期泥石流堆積物等判斷，流通區(qū)長約10 040 m，高程從2 580 m到3 430 m附近。在下渡溝溝口附近，溝道較順直通暢，溝床有厚約5～8 m的沖洪積、泥石流堆積的塊碎石，溝床兩側(cè)局部分布崩坡積堆積體，兩側(cè)斜坡坡腳局部分布古泥石流堆積物殘體。左、右兩岸斜坡陡峻，局部基巖裸露，巖壁上有古泥石流活動痕跡。

2.4 泥石流堆積區(qū)特征

溝口可見多期洪積扇，后期經(jīng)雅礱江及下渡溝流水改造，僅見局部殘留，殘留體厚約5～8 m。另在下渡溝溝谷中可見近期泥石流堆積物，泥石流堆積體一般由（漂）塊碎礫石及砂性土組成，塊石主要為變質(zhì)砂巖、粉砂質(zhì)板巖，塊度10～50 cm，最大約1.5 m，溝谷中堆積體體積約8 000 m3，泥質(zhì)平均含量＞10%，為稀性泥石流。

下渡溝泥石流具多期多次形成的特點，后期經(jīng)雅礱江及下渡溝流水改造，僅見局部殘留，溝口堆積區(qū)上覆近期洪積堆積物。泥石流規(guī)模有逐次減小的趨勢，泥石流堆積體厚度逐次減小，從堆積體的規(guī)模演化分析，泥石流溝處于衰退階段。

3 泥石流運動特征

3.1 泥石流容重

泥石流容重采用經(jīng)驗法確定，詳見下式：

式中 rm——為泥石流容重，kN／m3；

rs——為固體物質(zhì)重度，取26 kN／m3；

f——為泥石流體中固體物質(zhì)體積與水的體積之比。

計算得泥石流重度為16 kN／m3，為稀性泥石流。

3.2 泥石流流速

泥石流流速采用《工程地質(zhì)手冊》（第四版）稀性泥石流流速公式：

式中 vm——為泥石流斷面平均流速，m／s；

a——為阻力系數(shù)；

mm——為泥石流粗糙系數(shù)，取5.5；

φ——為泥石流修正系數(shù)；

γm——為泥石流重度，kN／m3，200年一遇泥石流重度取19 kN／m3，100年一遇泥石流重度取18 kN／m3，50年一遇泥石流重度取17 kN／m3，20年一遇泥石流重度取16 kN／m3，10年一遇泥石流重度取15 kN／m3；

Gm——為固體物質(zhì)比重，一般取2.4～2.7。

計算得200年一遇泥石流斷面平均流速為2.6 m／s；100年一遇泥石流斷面平均流速為2.5 m／s；50年一遇泥石流斷面平均流速為2.3 m／s；20年一遇泥石流斷面平均流速為2.2 m／s；10年一遇泥石流斷面平均流速為2.0 m／s。

3.3 洪水峰值流量

采用《四川省中小流域暴雨洪水計算手冊》中的推理公式：

式中 QB——為設(shè)計洪峰流量，m3／s；

φ——為洪峰徑流系數(shù)；

S——為暴雨雨力，即最大1 h暴雨量，mm／h；

τ——為流域匯流時間，h；

n——為暴雨公式指數(shù)；

F——為流域面積，km2。

下渡溝200年一遇設(shè)計洪峰流量為161.683 m3／s；100年一遇設(shè)計洪峰流量為143.574 m3／s；50年一遇設(shè)計洪峰流量為125.062 m3／s；20年一遇設(shè)計洪峰流量為101.028 m3／s；10年一遇設(shè)計洪峰流量為81.89 m3／s。

3.4 設(shè)計泥石流峰值流量

對于暴雨泥石流，常采用配方法計算泥石流的峰值流量。即假定泥石流發(fā)生頻率與暴雨洪水發(fā)生頻率相同，以設(shè)計洪峰流量進(jìn)行配方，按比例加上泥石流所挾帶的固體物質(zhì)體積來計算泥石流流量，其計算公式為：

式中 QC——為泥石流洪峰流量，m3／s；

QB——為清水洪峰流量，m3／s；

Φc——為泥石流洪峰流量增加系數(shù)；

Du——為堵塞系數(shù)。

下渡溝溝床植被較少，溝床糙率相對較低，對泥石流的堵塞作用較小，200年一遇泥石流堵塞系數(shù)可取1.6；100年一遇泥石流堵塞系數(shù)可取1.5；50年一遇泥石流堵塞系數(shù)可取1.3；20年一遇泥石流堵塞系數(shù)可取1.2；10年一遇泥石流堵塞系數(shù)可取1.1。

200年一遇設(shè)計泥石流峰值流量為591.298 m3／s；100年一遇設(shè)計泥石流峰值流量為430.722 m3／s；50年一遇設(shè)計泥石流峰值流量為289.032 m3／s；20年一遇設(shè)計泥石流峰值流量為193.974 m3／s；10年一遇設(shè)計泥石流峰值流量為131.024 m3／s。

3.5 泥石流撞擊力

泥石流沖擊力計算包括整體沖擊力和單塊最大沖擊力計算。泥石流整體沖擊力為：

式中 F——為泥石流整體沖壓力，10 kN／m2；

g——為重力加速度，9.8 m／s2；

α——為受力面與泥石流沖壓力方向所夾的角，（°）；

λ——為受力體形狀系數(shù)，方形為1.47、矩形為1.33，圓形、尖端、圓端形為1.00；

γm——為泥石流重度。

單塊塊石的最大撞擊力按下式計算：

式中 Fs——為單塊巨石的撞擊力，10 kN；

γ——為動能折減系數(shù)，正面撞擊時取0.3；

α——為受力面與泥石流撞擊面撞擊角；C1、C2為巨石與建筑物的彈性變形系數(shù)，可取C1＋C2＝0.005；

W——為巨石重量，10 kN。

沖擊力計算均考慮成最危險情況，即有關(guān)參數(shù)取使沖擊力最大的數(shù)值，并只考慮正面撞擊。

200年一遇泥石流整體沖擊力為13.106 kN／m2；100年一遇泥石流整體沖擊力為11.48 kN／m2；50年一遇泥石流整體沖擊力為9.177 kN／m2；20年一遇泥石流整體沖擊力為7.902 kN／m2；10年一遇泥石流整體沖擊力為6.122 kN／m2。

200年一遇單塊最大沖擊力為254.911 kN；100年一遇泥石流整體沖擊力為241.495 kN；50年一遇泥石流整體沖擊力為2 228.079 kN；20年一遇泥石流整體沖擊力為214.663 kN；10年一遇泥石流整體沖擊力為201.246 kN。

3.6 泥石流總量及輸砂量

通過斷面的一次泥石流總量WC如下：

一次泥石流沖出的固體物質(zhì)總量WS為：

式中 T——為一次泥石流持續(xù)時間，s；

QC——為泥石流峰值流量，m3／s；當(dāng)F＜5 km2，K＝0.202；當(dāng)F＜5～10 km2，K＝0.113；當(dāng)F＜10～100 km2，K＝0.037 8；當(dāng)F＞100 km2，K＝0.025 2。此處流域面積為82.122 km2，根據(jù)線性插值，K＝0.037 8。

200年一遇泥石流總量為40 232 m3；100年一遇泥石流總量為17 584 m3；50年一遇泥石流總量為9 177 m3；20年一遇泥石流總量為3 080 m3；10年一遇泥石流總量為1 486 m3。

200年一遇固體物質(zhì)總量為22 630 m3；100年一遇固體物質(zhì)總量為8 792 m3；50年一遇固體物質(zhì)總量為4 015 m3；20年一遇固體物質(zhì)總量為1 155 m3；10年一遇固體物質(zhì)總量為464 m3。

4 泥石流發(fā)展趨勢及影響范圍預(yù)測分析

4.1 泥石流溝發(fā)展趨勢

下渡溝為溝谷型衰退期低頻率稀性泥石流溝。在天然條件下，因下渡溝溝谷侵蝕較為強(qiáng)烈，局部基巖裸露且風(fēng)化嚴(yán)重，兩岸分布崩塌松散堆積體及松散坡積物。

當(dāng)長時間降雨或強(qiáng)降雨時，溝道中及兩岸斜坡堆積體極易飽水失穩(wěn)，同時強(qiáng)風(fēng)化—中風(fēng)化石英砂巖及粉砂質(zhì)板巖易剝落，且兩側(cè)山坡松散坡積物即碎石土與巖屑被雨水沖入溝道中，從而產(chǎn)生新的物源進(jìn)入溝道，一旦發(fā)生短時強(qiáng)降雨引發(fā)洪水，即可能激發(fā)暴雨類山洪。一旦降雨時間較長或暴雨強(qiáng)度變大，暴雨山洪沖出下渡溝溝口后其行進(jìn)會變動改道，或者在扇面上左右搖擺，洪水中固體物質(zhì)置于前期洪積物上。到達(dá)溝口后，因堆積扇縱坡坡度減緩，山洪的挾砂能力減弱，使得泥砂大量沉積，粗顆粒先沉降，細(xì)顆粒如粘土和砂粒后沉降。

下渡溝近年來發(fā)生過小規(guī)模稀性泥石流，從堆積體的規(guī)模演化分析，下渡溝泥石流處于衰退期。下渡溝兩岸山坡表層松散碎屑物質(zhì)較多，斜坡穩(wěn)定性相對較差，近期下渡溝仍具有發(fā)生中小型泥石流的可能性。

4.2 泥石流影響范圍預(yù)測分析

下渡溝泥石流主要物源是下渡溝兩側(cè)松散堆積物和溝道附近松散堆積物以及溝道中殘留的早期洪積物。下渡溝上游固體物質(zhì)物源較豐富，但大多處于基本穩(wěn)定狀態(tài)。因下渡溝中下游地形坡度緩，因此固體物質(zhì)主要堆積在下渡溝中下游地段。當(dāng)泥石流峰值流量較大時，泥石流可能沖淤溝道附近鄉(xiāng)村道路及溝內(nèi)建筑。

5 泥石流防治措施

下渡溝泥石流固體物質(zhì)主要來自于中上游坡面松散堆積物及溝道附近洪積物。下游段溝道較順直，溝口附近較開闊，且下渡溝溝道兩側(cè)分布鄉(xiāng)村道路及民用建筑。因此下渡溝泥石流的防治以排為主，結(jié)合造林、保持生態(tài)平衡預(yù)警預(yù)報為輔的綜合治理方案。

5.1 工程防治措施

考慮到溝道兩側(cè)分布鄉(xiāng)村道路及建筑，工程措施以排導(dǎo)為主，在下渡水電站等重要建筑附近采用T形全襯砌排導(dǎo)槽，并應(yīng)適當(dāng)增加槽底厚度。公路外側(cè)修建防護(hù)墻，防止泥石流沖淤公路。

5.2 生物防治措施

泥石流形成區(qū)海拔3 000 m以上區(qū)域?qū)嵭蟹馍接?，因地制宜選用當(dāng)?shù)貎?yōu)勢林木、灌木及牧草，嚴(yán)禁濫砍濫伐，限制過度放牧。通過生物措施，故土穩(wěn)坡，防止水土流失，保持生態(tài)平衡，減少固體物質(zhì)補(bǔ)給量。

5.3 泥石流預(yù)警預(yù)報系統(tǒng)

在該流域應(yīng)建立泥石流監(jiān)測點，采取降雨量監(jiān)測、地表水監(jiān)測及異常聲響監(jiān)測等手段，爆發(fā)山洪及泥石流前及時發(fā)布預(yù)警預(yù)報，確保人民群眾生命財產(chǎn)安全。

6 結(jié)論與建議

（1）下渡溝位于高山曲流峽谷地區(qū)，溝谷深切，山勢陡峻，巖體較破碎，斜坡上覆松散固體物質(zhì)，且降雨較豐富，構(gòu)成了爆發(fā)泥石流的有利條件。該溝一旦爆發(fā)較大規(guī)模泥石流，將嚴(yán)重威脅溝道兩側(cè)鄉(xiāng)村公路及民用建筑安全。必須采用T形全襯砌排導(dǎo)槽及護(hù)墻，確保其公路安全。

（2）下渡溝為溝谷型衰退期低頻率稀性泥石流溝，因溝谷內(nèi)分布較豐富松散碎屑物質(zhì)，斜坡穩(wěn)定性相對較差，近期下渡溝仍具有發(fā)生中小型泥石流的可能性。

（3）下渡溝泥石流防治措施應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場實際情況，因地制宜，以排為主，結(jié)合造林、預(yù)警預(yù)報等綜合治理方案。

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TV642.23

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1003－9805（2015）01－0032－05

2013－07－29

柏 山（1970－），男，陜西涇陽人，高級工程師，從事巖土工程勘測設(shè)計及工程造價工作。