枇杷溝泥石流基本特征分析與評價

高 東

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

0 引言

“5·12汶川地震”不僅導(dǎo)致地震災(zāi)區(qū)大量人員傷亡和財產(chǎn)損失，而且造成災(zāi)區(qū)巖土體的損傷甚至形成一系列的崩塌、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害［1－2］。這些受損的巖土體和地震形成的崩滑堆積物都為地震災(zāi)區(qū)泥石流的發(fā)生提供了豐富的物源［3－4］。與此同時，地震災(zāi)區(qū)地形地貌和降雨量等因素也是引發(fā)泥石流的重要原因。對于地震災(zāi)區(qū)泥石流溝特別是極震區(qū)泥石流溝，由于“刮鏟效應(yīng)”使泥石流過水?dāng)嗝婷娣e和泥石流平均流速發(fā)生顯著變化，所以在確定新的參數(shù)并得到新的流量值后有必要使用行之有效的計算方法對計算結(jié)果進行驗證［5－7］。因此，對地震災(zāi)區(qū)泥石流特征值的研究更有利于災(zāi)區(qū)泥石流形成機制的探析，并為災(zāi)區(qū)泥石流的防治提供依據(jù)。

1 研究區(qū)地質(zhì)環(huán)境概況

枇杷溝位于汶川地震極震區(qū)——安縣縣城以西的高川鄉(xiāng)，睢水河右岸，溝口即為高川鄉(xiāng)新橋村二、三組居民點。溝口處有雎水至高川的公路通過，距安縣縣城主城區(qū)約55km。枇杷溝為一老泥石流溝：1995年該溝曾發(fā)生過泥石流，將溝口的食品站沖毀；2009年7月17日因強降雨發(fā)生泥石流災(zāi)害，沖出物質(zhì)淤積溝谷內(nèi)，沒有造成人員傷亡和財產(chǎn)損失；2012年8月17日，該溝因強降雨發(fā)生泥石流災(zāi)害，沖毀2戶房屋，威脅11戶房屋的安全，所幸的是沒有造成人員傷亡。

1.1 地形地貌

枇杷溝溝域地形總體上屬中等切割構(gòu)造侵蝕中山地形，上游由邱家溝、龍家溝2條支溝組成（圖1）。該溝平均縱向長度1 470m，平均寬度450m，溝域面積0.49km2。溝域最高點高程1 503m，最低點位于溝口與雎水河交匯處，高程898m，相對高差605m。溝域岸坡以陡坡地貌為主，5·12地震溝內(nèi)新出現(xiàn)了大量崩滑不良的地質(zhì)現(xiàn)象，為泥石流的發(fā)育提供了大量松散固體物源。枇杷溝總體上為中等切割“V”型谷，總體上具有岸坡陡峻、切割深度較大的特點。主溝平均縱坡降389‰，其中龍家溝與邱家溝交匯處以上溝段縱坡陡峻，而以下溝段總體上縱坡略緩，且呈現(xiàn)陡緩相間的空間變化特征。溝谷平面上彎道發(fā)育，谷寬總體上上游窄、下游較寬，且也呈現(xiàn)出時寬時窄的變化特點。枇杷溝主要接受大氣降水與泉水補給，流量受降水量影響大。據(jù)訪問，在4月—7月豐水期溝內(nèi)有水，但地震后流量驟減，枇杷溝較大的支溝為龍家溝與邱家溝。

1.2 地層巖性

溝域內(nèi)主要出露泥盆系、二疊系、三疊系和第四系地層。枇杷溝上段為泥盆系上統(tǒng)唐王寨群，上部淺灰色薄—厚層狀白云巖夾白色較純灰?guī)r，局部具鮞狀或假鮞狀結(jié)構(gòu)，下部白云巖夾白云質(zhì)灰?guī)r中上部為二疊系白、乳白色厚—塊狀石灰?guī)r為主，含生物碎屑及燧石結(jié)核石灰?guī)r。下部為三疊系下統(tǒng)飛仙關(guān)組紫紅色頁巖、砂質(zhì)頁巖及粉砂巖，表層強風(fēng)化，裂隙較發(fā)育。第四系松散堆積層中：泥石流堆積物和沖洪積物主要分布于枇杷溝下溝段溝中和溝口地區(qū)，厚0.2～3.3m。坡殘積物、滑坡堆積物主要分布在斜坡中下部及坡腳地帶及坡體上的坡折段，厚度0.5～8m。溝下部巖層傾角約68°、溝上部巖層傾角約43°，有自下而上逐漸變緩的趨勢。

圖1 枇杷溝泥石流地形圖

1.3 地質(zhì)構(gòu)造與地震

枇杷溝位于四川龍門山褶斷帶與四川盆地結(jié)合部，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，區(qū)內(nèi)構(gòu)造以斷裂、褶皺為主。該泥石流溝域受構(gòu)造活動影響，巖體擠壓破碎，表層結(jié)構(gòu)松散，為崩塌、滑坡和泥石流等地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)育提供了豐富的物質(zhì)來源。區(qū)內(nèi)新構(gòu)造運動表現(xiàn)為區(qū)域性地殼急劇上升并伴隨斷裂活動，在上升中有短暫間歇。區(qū)地震活動較為頻繁，地震基本烈度為Ⅷ度。枇杷溝距汶川大地震的發(fā)震斷裂——映秀—北川斷裂直線距離較近［2］。泥石流區(qū)地處汶川地震發(fā)震斷層的上盤，由于上盤效應(yīng)，使該地區(qū)形成滑坡和巖土體內(nèi)部損傷，形成較多泥石流物源，這也是該處泥石流易發(fā)的重要原因。地震過程中巖土體受損程度與該區(qū)域構(gòu)造發(fā)育程度有關(guān)，且在暴雨情況下容易導(dǎo)致泥石流。

1.4 降雨及水文地質(zhì)條件

枇杷溝平均年降雨量1 261mm左右，區(qū)內(nèi)50a一遇年最大年降雨量為1 521.1mm（1990年），最大日降雨量為470mm／d（1992年）。從高川水文站收集的資料，2009年7月17日枇杷溝泥石流的降雨量為24小時157mm。2012年8月17日21時至18日凌晨，1小時降雨量達99.3mm，短時期強降雨量達200余mm。而四川山區(qū)泥石流激發(fā)雨量一般為一次雨量48～50mm左右，或10min雨量8～12.2mm，1min雨量0.8～1.2mm左右。安縣典型泥石流隱患點均分布于年均降雨量大于1 400mm的地區(qū)，結(jié)合地形、構(gòu)造圖（圖2）不難看出枇杷溝泥石流的發(fā)生除受地形地貌等因素的影響外，主控因素為降雨量及降雨強度，泥石流暴發(fā)的水源主要為暴雨洪水。

圖2 研究區(qū)構(gòu)造剖面圖［1］

2 泥石流特征值的計算與確定

通過地形圖測繪、實測斷面圖測量、野外調(diào)查和訪問獲取到：匯水面積、主溝長度、主溝平均縱坡降泥位、溝道斷面特征等資料，并對枇杷溝泥石流基本特征值進行計算。最終依據(jù)計算結(jié)果的可信度對不同方法進行計算后得出的結(jié)果進行選取。

2.1 泥石流體重度

地震的發(fā)生，使得地震災(zāi)區(qū)巖體由風(fēng)化作用為主的破壞形式瞬時向內(nèi)動力地質(zhì)作用的破壞形式轉(zhuǎn)變，所形成的崩滑物質(zhì)在粒度和分選上有別于外動力地質(zhì)作用所形成的崩滑物質(zhì)。例如枇杷溝附近的老鷹巖地區(qū)，地震所形成的滑體粒徑達7m、平均粒徑約2m，占60%～70%。據(jù)泥石流級配與容重之間的關(guān)系［8－10］和能量守恒定律，地震產(chǎn)生的崩滑物質(zhì)在增大泥石流重度的同時還使得泥石流在出口處具有更大的動能，即有更大的破壞力。

2.1.1 現(xiàn)場配漿法

在枇杷溝不同位置分3處取泥石流堆積物，考慮到級配成分對測定泥石流容重誤差的影響［8－10］，結(jié)合實際操作情況，在取泥石流堆積物時考慮最大粒徑達200mm。分別對3處泥石流堆積物顆粒級配進行分析。經(jīng)過詢問曾見過泥石流發(fā)生性狀的村民，取溝水將漿體攪拌成當(dāng)時泥石流漿體質(zhì)量濃度，并進行稱重，量測漿體體積，計算其重度作為泥石流流體的重度，其計算公式為

式中：γc為泥石流重度（t／m3）；Gc為配制泥漿重量（t）；V 為配制泥漿體積（m3）。

測得枇杷溝泥石流重度為1.798～1.944t／m3，平均值為1.848t／m3。

2.1.2 查表法

按照DZ／T 0220—2006《泥石流災(zāi)害防治工程勘查規(guī)范》［11］（以下簡稱《規(guī)范》）附錄 H 填寫泥石流調(diào)查表并按附錄G進行易發(fā)程度評分為108，按表G.2查表確定枇杷溝泥石流重度為1.745t／m3，為黏性泥石流，泥沙修正系數(shù)1＋φ（γh＝2.65）為1.842。

綜合取值：由于枇杷溝泥石流以往沒有監(jiān)測資料，只能通過配方法和查表法2種方法來確定，而這2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。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，更宜作為泥石流設(shè)計的依據(jù)，本次泥石流重度的綜合取值采用查表法的結(jié)果。

2.2 泥石流流速計算

由于地震力對溝道兩側(cè)巖土體的破壞以及泥石流刮鏟效應(yīng)增加了沖出物在水平面的運移停積能力［7］，使黏性泥石流在陣發(fā)性初期處于低流速狀態(tài)。而后期由于溝道的加寬和阻力的減小，使得泥石流流速加大、一次性沖出物增多。同時可見震后災(zāi)區(qū)泥石流對泥石流溝道有著明顯的拓寬效應(yīng)。這些都與現(xiàn)場調(diào)查所了解到的情況相一致。枇杷溝泥石流重度為1.745t／m3，根據(jù)《規(guī)范》為黏性泥石流，流速按下式計算：

計算位置：2－2’剖面斷面流速為6.60m／s，10－10’剖面（圖3）斷面流速為5.85m／s，12－12’剖面斷面流速為5.76m／s。

2.3 泥石流流量

泥石流流量是描述泥石流基本特征的重要參數(shù)，也是泥石流設(shè)計工作的基礎(chǔ)，本次工作采用雨洪法和形態(tài)調(diào)查法，綜合分析確定泥石流的流量。

圖3 枇杷溝剖面圖

2.3.1 雨洪法

1）清水流量計算。以目前公認用于小流域設(shè)計洪水的推理公式為主，進行設(shè)計清水流量的計算。依據(jù)四川省水利電力廳編《四川省中小流域暴雨洪水計算手冊》［12］中小流域暴雨洪水流量的推理公式為

式中：QP為頻率為P的暴雨洪水設(shè)計流量（m3／s）；ψP為頻率為P的暴雨洪峰徑流系數(shù)；SP為某頻率的暴雨雨力（mm／h）；nP為短歷時（24h以內(nèi)）設(shè)計的暴雨公式指數(shù)；F為流域集水面積（km2）；L為自出口斷面沿主河道至分水嶺的河流長度（km）；τP為流域匯流時間（h）；μ為產(chǎn)流參數(shù)（mm／h）；m 為匯流參數(shù)。

首先確定出設(shè)計暴雨頻率，并計算出暴雨參數(shù)n。主要斷面暴雨洪峰流量計算表見表1所示。

表1 主要斷面暴雨洪峰流量計算表

2）頻率為P的泥石流峰值流量計算公式：

式中：Qc為頻率為P時的泥石流洪峰值流量（m3／s）；QP為頻率為P時的暴雨洪峰值流量（m3／s）；（1＋φ）為泥石流泥砂修正系數(shù)，根據(jù)量化評分N＝108，查表得1＋φ＝1.842；Dc為泥石流堵塞系數(shù)值。

根據(jù)枇杷溝特征，并參考有關(guān)經(jīng)驗數(shù)據(jù)，確定枇杷溝堵塞系數(shù)Dc為3。

2.3.2 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

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）。

計算位置：流速計算斷面選擇2－2、10－10’剖面和12－12’剖面共3個斷面。

根據(jù)各斷面流速和斷面面積可計算得各斷面流量：2－2’剖面斷面流量為39.60m3／s，10－10’剖面斷面流量為61.78m3／s，12－12’剖面斷面流量為64.05m3／s。

2.3.3 綜合取值

對比2個計算結(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)果普遍略小于雨洪法求得的結(jié)果，總體上形態(tài)調(diào)查法求得的流量值介于雨洪法P＝2%和P＝5%流量計算之間，另采用形態(tài)調(diào)查法計算結(jié)果沒有暴雨頻率的概念，僅能代表當(dāng)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，泥石流峰值流量采用雨洪法計算求得的結(jié)果。

2.3.4 結(jié)果驗證

地震災(zāi)區(qū)泥石流溝特別是枇杷溝這種老泥石流溝，由于地震力對巖土體的破壞及后期暴雨、泥石流對溝道兩側(cè)的“刮鏟效應(yīng)”使得溝段寬窄、卡口、稠度高、溝槽堵塞程度、陣流間隔時間等發(fā)生變化。從而使泥石流過水?dāng)嗝婷娣e和泥石流平均流速發(fā)生顯著變化，所以針對地震災(zāi)區(qū)泥石流有必要對計算結(jié)果的準(zhǔn)確性進行驗證。據(jù)高橋堡經(jīng)驗公式

式中：Q0為泥石流斷面峰值流量（m3／s）；B 為溝床寬度（m）；d為礫石粒徑（m）。

依據(jù)：Q0＝Qc＝（1＋φ）·Qp·Dc，結(jié)合枇杷溝溝床寬度、礫石粒徑等計算所得泥石流峰值流量與驗證值相差不大，說明綜合取值所得結(jié)果符合實際情況。

2.4 一次泥石流過流總量

一次泥石流過流總量按照DT／T 0220—2006《規(guī)范》附錄I提供的計算公式進行計算

式中：T為泥石流持續(xù)時間；Q為泥石流流量。

F＞100km2，K＝0.025 2；F＜5km2，K＝0.202；F＝5～10km2，K＝0.113；F＝10～100km2，K＝0.037 8。

據(jù)訪問，2012年8月17日發(fā)生泥石流（晚上11點到12點之間，持續(xù)了約35min），吞并溝口的兩間房屋，幸未造成人員傷亡。因此本次只計算2012年8月17日一次泥石流過流總量，即泥石流歷時約35min，T＝2 100s。據(jù)此計算出2012年一次泥石流過程總量在10－10’剖面處為26 207.08m3／s，而在12－12’剖面處為27 170.01m3／s。

2.5 一次泥石流固體沖出物

一次泥石流固體沖出物按照DT／T 0220—2006《規(guī)范》附錄I提供的計算公式進行計算

據(jù)前面的計算和分析結(jié)果，泥石流重度γc＝1.745t／m3，水的重度γw＝1t／m3，泥石流固體物質(zhì)重度γH＝2.63t／m3，據(jù)此計算出2012年泥石流固體物質(zhì)沖出總量在10－10’剖面為11 978.08m3，而在12－12’剖面為12 418.19m3。

3 結(jié)語

1）地震的發(fā)生，使得地震災(zāi)區(qū)巖體由風(fēng)化作用為主的破壞形式瞬時向內(nèi)動力地質(zhì)作用的破壞形式轉(zhuǎn)變，所形成的崩滑物質(zhì)在粒度和分選上有別于外動力地質(zhì)作用所形成的崩滑物質(zhì)。據(jù)泥石流級配與容重之間關(guān)系和能量守恒定律，地震產(chǎn)生的崩滑物質(zhì)增大了泥石流容重的同時使得泥石流在出口處具有更大的動能，即有更大的破壞力。

2）在計算泥石流重度時，考慮到級配成分對測定泥石流容重誤差的影響并結(jié)合實際操作情況，在取泥石流堆積物時盡量使顆粒最大粒徑達到最大。且應(yīng)采取多點取樣計算取其平均值的方法，增強結(jié)果的可信度。

3）由于地震力對溝道兩側(cè)巖土體的破壞以及泥石流刮鏟效應(yīng)增加了沖出物在水平面的運移停積能力，使黏性泥石流在陣發(fā)性初期處于低流速狀態(tài)。而后期由于溝道的加寬和阻力的減小，使得泥石流流速加大、一次性沖出物增多。同時可見震后災(zāi)區(qū)泥石流對泥石流溝道有著明顯的拓寬效應(yīng)。這些都與現(xiàn)場調(diào)查所了解到的情況相一致。

4）地震災(zāi)區(qū)泥石流溝特別是枇杷溝這種老泥石流溝，由于地震力對巖土體的破壞及后期暴雨、泥石流對溝道兩側(cè)的“刮鏟效應(yīng)”作用使得溝段寬窄、卡口、稠度、溝槽堵塞程度、陣流間隔時間等發(fā)生變化，從而使泥石流過水?dāng)嗝婷娣e和泥石流平均流速發(fā)生顯著變化。所以針對地震災(zāi)區(qū)泥石流溝：在確定新的參數(shù)并得到新的流量值后有必要使用行之有效的計算方法對計算結(jié)果的準(zhǔn)確性加以驗證。本文采用高橋堡經(jīng)驗公式，并結(jié)合實際說明綜合取值，所得結(jié)果符合實際情況。

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