壩底鄉(xiāng)小河溝泥石流危險(xiǎn)性評價(jià)及治理

陳全根

(廣東省清遠(yuǎn)市地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測站，廣東 清遠(yuǎn) 511500)

“5·12”汶川大地震引發(fā)了大量的次生地質(zhì)災(zāi)害，給國家和人民生命財(cái)產(chǎn)造成了特大危害，四川省北川縣小河溝泥石流自記載以來主要發(fā)生了三次較大規(guī)模的泥石流，已造成直接經(jīng)濟(jì)損失10余萬元，災(zāi)情屬小型泥石流;目前小河溝泥石流威脅溝口1所小學(xué)(壩底小學(xué))870人，及溝口左右岸17戶62人居民的生命和財(cái)產(chǎn)安全?？赡茉斐傻闹苯咏?jīng)濟(jì)損失600余萬元，險(xiǎn)情等級屬于中型。急需提出合理的工程治理方案，保障溝口居民和壩底小學(xué)的生命安全。

1 泥石流區(qū)工程地質(zhì)條件

1.1 地形地貌

該地區(qū)位于后龍門山中山地貌，地勢由東向西傾斜，地形復(fù)雜，在花巖山為最高，海拔高程2 254 m，在小河溝河口為最低，海拔高程914 m，相對高差達(dá)1 340 m。

形成區(qū)內(nèi)主溝長度為2.2 km，呈樹枝狀分布，為“V”型谷，溝內(nèi)左右側(cè)邊坡坡度為:35°～50°，溝床寬10～30 m，溝縱坡為280‰ ～350‰。

流通區(qū)內(nèi)主溝長度為0.5 km，溝呈“V”型谷，溝內(nèi)左右側(cè)邊坡形成陡崖，坡度30°～35°，局部達(dá)40°以上，溝谷寬20～30 m，縱坡較緩，為 120‰ ～150‰。

堆積區(qū)長度為0.5 km，地形平緩、開闊，主溝坡度為5°～8°，縱坡較緩，為50‰ ～100‰。泥石流堆積形成扇體，扇體堆積寬250～300 m。

1.2 地層巖性

區(qū)內(nèi)出露地層主要為志留系和第四系松散堆積層(Q4)，其中志留系上中統(tǒng)茂縣群組巖性為千枚巖、板巖、石千枚巖、砂頁巖等;第四系松散堆積層(Q4)主要為殘坡積()、洪積物)、泥石流堆積物(Qsef4)。

1.3 地質(zhì)構(gòu)造與地震

(1)地質(zhì)構(gòu)造。該區(qū)位于后龍門山褶皺帶，組成物質(zhì)為脆性的碳酸鹽巖，在同一應(yīng)力場作用下，形成與后龍門山相似的單式和復(fù)式褶皺[4]，褶皺主要受大魚口倒轉(zhuǎn)復(fù)向斜和復(fù)地鋪倒轉(zhuǎn)復(fù)背斜影響，無斷裂發(fā)育。

(2)地震?！?·12”大地震余震絕大部分圍繞后龍門山褶皺帶分布，北川縣壩底鄉(xiāng)受地震影響較小。根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50011－2001，2008年版)，工作區(qū)抗震設(shè)防烈度為Ⅷ度，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.20 g。

1.4 水文地質(zhì)

依據(jù)區(qū)內(nèi)地下水的含水介質(zhì)組合、賦存條件、水動(dòng)力條件等情況劃分為松散類孔隙水、變質(zhì)巖裂隙水。

1.5 工程地質(zhì)

根據(jù)巖土體建造為基礎(chǔ)將區(qū)內(nèi)巖土體劃分為松散巖、變質(zhì)巖二種巖類;按巖石結(jié)構(gòu)、力學(xué)強(qiáng)度將巖體劃分為較軟千枚巖變質(zhì)巖組、松散巖類工程地質(zhì)巖組。

2 泥石流主要特征

2.1 泥石流溝概況

小河溝在空間形態(tài)上分為:形成區(qū)(清水區(qū)和物源區(qū))、流通區(qū)和堆積區(qū)[1－2]，清水區(qū)主要由大水溝等三條支溝組成，物源區(qū)、流通區(qū)與堆積區(qū)均為一條主溝組成，匯入青片河，以主小河溝命名(見圖1)。

圖1 北川縣小河溝泥石流空間形態(tài)特征圖

2.2 泥石流各區(qū)主要特征

泥石流形成區(qū)、流通區(qū)、堆積區(qū)的特征對比見表1。

3 泥石流危險(xiǎn)性分析

3.1 泥石流危險(xiǎn)預(yù)測及分區(qū)

該溝泥石流潛在危險(xiǎn)性等級為中型泥石流[3]，根據(jù)泥石流活動(dòng)危險(xiǎn)區(qū)域劃分表的判別特征，將其該泥石流活動(dòng)劃分為極危險(xiǎn)區(qū)、危險(xiǎn)區(qū)和安全區(qū)。

(1)極危險(xiǎn)區(qū):分布在括扇體上泥石流可能沖出現(xiàn)有溝槽直接到達(dá)的地區(qū)。

(2)危險(xiǎn)區(qū):主要是指小河溝堵塞后的壅高水位以下的淹沒區(qū)。

(3)安全區(qū):除極危險(xiǎn)區(qū)和危險(xiǎn)區(qū)以外的地區(qū)均為安全區(qū)。

表1 泥石流各區(qū)主要特征一覽表

3.2 泥石流危險(xiǎn)性評估

根據(jù)泥石流災(zāi)害防治工程勘查規(guī)范(DZ/T0220－2006)，確定了小河溝泥石流的綜合致災(zāi)能力:為較強(qiáng)(F=8);受災(zāi)體(建筑物)的綜合承(抗)災(zāi)能力:為極危險(xiǎn)區(qū)受災(zāi)體(建筑物)的綜合承(抗)災(zāi)能力為差(E=8)[5];暴雨泥石流活動(dòng)危險(xiǎn)程度或?yàn)?zāi)害發(fā)生機(jī)率:小河溝泥石流發(fā)生機(jī)率D≈1，受災(zāi)體處于災(zāi)變的臨界工作狀態(tài)，成災(zāi)與否的機(jī)率各占50%，要警惕可能成災(zāi)的那部份。

3.3 泥石流特征值的確定方法和計(jì)算結(jié)果

3.3.1 泥石流粒徑及泥痕調(diào)查

(1)根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查和篩分試驗(yàn)[3]，泥石流堆積物顆粒分析:小河溝泥石流堆積扇粒徑一般 0.075～60 mm，最大 0.8～2.2 m，實(shí)地取樣測試求出主溝堆積扇泥石流容重 γc=15.88 KN/m3(1.62 g/cm3)。

(2)泥石流泥痕調(diào)查結(jié)果:在泥石流的流通區(qū)、堆積區(qū)內(nèi)實(shí)測泥痕，通過斷面測繪，依據(jù)形態(tài)調(diào)查法計(jì)算泥石流峰值流量為 48.94 m3/s，平均流速為 3.62 m/s。

3.3.2 泥石流流量及流速

(1)采用形態(tài)調(diào)查法計(jì)算泥石流峰值流量見表2。

表2 各泥痕斷面的流速及流量計(jì)算結(jié)果

備注:泥石流斷面面積 13 m2，水力半徑0.65，縱坡為5°，平均流速為 3.62 m/s，平均流量 45.43 m3/s。

(2)采用雨洪法計(jì)算泥石流的峰值流量

泥石流峰值流量采用“雨洪法”來進(jìn)行計(jì)算。其計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 頻率為P的泥石流峰值流量Qc計(jì)算成果表

將以上計(jì)算結(jié)果與當(dāng)?shù)卦?jīng)目睹過小河溝泥石流爆發(fā)的人對泥石流情況的描述相對比佐證，認(rèn)為，該計(jì)算結(jié)果應(yīng)該是較為可靠的，20年、50年一遇流量分別為41.01 m3/s，51.4 m3/s，與泥痕計(jì)算得出 45.43 m3/s較為接近，基本反映了小河溝泥石流的流量特征。

3.3.3 泥石流整體沖壓力計(jì)算

根據(jù)鐵二院(成昆、東川兩線)公式:

式中:δ為泥石流體整體沖擊壓力(Pa);γc為泥石流容重 =15.88 KN/m3;Vc為泥石流斷面平均流速 =3.62 m/s;g為重力加速度取g=9.8m/s2;α為建筑物受力面與泥石流沖壓力方向的夾角(°);λ為建筑物形狀系數(shù)，圓形建筑物 λ=1.0，矩形建筑物 λ =1.33，方形建筑物:λ =1.47。

按該公式計(jì)算 λ=1.47，α=90°，計(jì)算可得泥石流整體沖壓力為 31.21 kpa。

表4 攔擋壩庫容量計(jì)算

4 泥石流防治工程

治理泥石流的目標(biāo)主要是:控制泥石流向著自然地質(zhì)現(xiàn)象發(fā)展，保證泥石流排泄暢通，不威脅扇體上居民及壩底小學(xué)安全;在50年一遇的特大暴雨時(shí)，泥石流不產(chǎn)生災(zāi)害，建議壩底鄉(xiāng)小河溝泥石流治理宜采用排導(dǎo)槽+一級攔擋壩[6－7]。

根據(jù)攔擋壩所具有的功能，在攔擋壩淤滿后，回淤坡度根據(jù)下式計(jì)算:

I0=0.5I

式中:I0為泥石流攔擋壩回淤坡度，‰;I為泥石流溝原溝床天然坡度，‰。

攔擋壩攔蓄泥沙量采用如下公式計(jì)算:

Vbr=nBh2

式中:Vbr為攔擋壩庫容量，m3;n為河床粗糙系數(shù);h為攔擋壩凈高，m。

根據(jù)上述公式，結(jié)合溝床地形情況，各攔擋壩的庫容量計(jì)算見表4所示:

用回淤坡度計(jì)算庫容可以得出:當(dāng)壩凈高為6 m，可以攔截2.56萬 m3。

依據(jù)“雨洪法”計(jì)算泥石流的峰值流量，20年一遇最大泥石流沖出量為 0.85萬 m3，50年一遇最大泥石流沖出量為1.03萬 m3，故設(shè)計(jì)值滿足20年和50年一遇最大泥石流沖出量要求。

5 結(jié)語

(1)小河溝主溝長度為 3.2 km，流域面積 8.6 km2，主溝平均縱坡180‰，堆積區(qū)內(nèi)溝寬 250～300 m，溝側(cè)山坡坡度30°～50°。

(2)該泥石流溝可劃分為形成區(qū)、流通區(qū)和堆積區(qū)，形成區(qū)面積 7.38 km2，流通區(qū)面積 0.81 km2，堆積區(qū)面積 0.51 km2;物源區(qū)內(nèi)不穩(wěn)定體總方量為164.49萬 m3，動(dòng)儲(chǔ)量(溝道新、老堆積松散體方量)為3.83萬 m3，一次泥石流可以提供最大物源量為0.26萬 m3。

(3)該泥石流為稀性泥石流，根據(jù)泥痕斷面法，采用雨洪法等計(jì)算結(jié)果，主溝堆積扇泥石流容重 γc=15.88 KN/m3(1.62 g/cm3)。平均流速為 3.62 m/s，平均流量 45.43 m3/s。20 年、50 年一遇流量分別為 41.01 m3/s，51.4 m3/s，泥石流流體整體沖壓力為31.21 kpa。

(4)根據(jù)溝內(nèi)的工程地質(zhì)條件本泥石流溝的治理可采用排導(dǎo)槽+一級攔砂壩。

[1]謝洪.西部開發(fā)中的泥石流問題[N].自然災(zāi)害學(xué)報(bào).2001，10(3):44－50.

[2]田連權(quán)，吳積善.論泥石流學(xué)[J].山地研究.1996，14(2):89 －95.

[3]DZ/T0220－2006.泥石流災(zāi)害防治工程勘查規(guī)范[S].

[4]唐興邦.中國泥石流[M].北京:商務(wù)印書館.2000:192－212，246－295.

[5]彭平花.綿竹市泥石流災(zāi)害危險(xiǎn)性評價(jià)[D].成都理工大學(xué)碩士學(xué)位論文.2012:20－41.

[6]方海燕，蔡強(qiáng)國，李秋艷，等.甘肅舟曲“8.7”特大山洪泥石流災(zāi)害原因及防治對策[J].中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所.2010，8(6):14 －18.

[7]楊建輝.秋日河泥石流成因機(jī)制及防治對策[J].四川省冶金地質(zhì)勘查局水文工程大隊(duì).四川成都.2013，39(8):43－45.