雅礱江中游老里溝坡面型泥石流成因機(jī)制及危險(xiǎn)度評(píng)價(jià)

楊栓成，梁瑞鋒，陳 明，楊 敏

（成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都 610059）

雅礱江中游老里溝坡面型泥石流成因機(jī)制及危險(xiǎn)度評(píng)價(jià)

楊栓成，梁瑞鋒，陳 明，楊 敏

（成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都 610059）

坡面泥石流是山地分布最廣，出現(xiàn)頻率最高的災(zāi)害現(xiàn)象?；谝巴猬F(xiàn)場調(diào)查及室內(nèi)實(shí)驗(yàn)分析，闡述了老里溝坡面型泥石流的基本特征及形成機(jī)制，并結(jié)合泥石流動(dòng)力特征參數(shù)進(jìn)行了危險(xiǎn)度評(píng)價(jià)。研究結(jié)果表明：滑坡體上坡面侵蝕溝道發(fā)育，為坡面型泥石流的形成提供了強(qiáng)有力的條件；降雨是誘發(fā)老里溝坡面流的主要因素；老里溝泥石流類型為高中頻、小規(guī)模、粘性、暴雨型泥石流，屬于中度危險(xiǎn)泥石流溝。

坡面型泥石流；形成機(jī)制；危險(xiǎn)度評(píng)價(jià)；雅礱江中游

0 引言

坡面型泥石流一般指發(fā)育在尚未形成明顯溝谷的山體上的小型或微型泥石流［1］。雖然該類型泥石流規(guī)模小，但由于其具有分布廣、突發(fā)性強(qiáng)、沖擊力大等特點(diǎn)，造成的危害和經(jīng)濟(jì)損失比一般滑坡危害大得多［2］。本文通過野外實(shí)地調(diào)查、現(xiàn)場取樣、室內(nèi)測試分析等方法，結(jié)合雅礱江中游老里溝的地形地貌特征，分析了該坡面型泥石流的形成機(jī)理，并對其進(jìn)行了危險(xiǎn)度評(píng)價(jià)，為該類型泥石流預(yù)測預(yù)警提供一定的理論參考。

1 研究區(qū)自然地理?xiàng)l件

研究區(qū)位于四川省涼山州卡拉鄉(xiāng)北西向雅礱江中游段，屬于四川盆地與青藏高原過渡地帶。該區(qū)氣候多變，溫差較大；降雨多集中在6～9月，月平均降雨量在120～230mm，占全年降雨量的75%以上，且雨季多暴雨，集中性和突發(fā)性十分明顯［3］。在地質(zhì)構(gòu)造上，該區(qū)屬九龍地背斜西翼次級(jí)向斜之羊奶向斜的西翼，整體為一巖層向東傾的單斜構(gòu)造，區(qū)內(nèi)大規(guī)模斷層主要為前波斷層及高牛場斷層組。巖性出露主要為雜谷腦組（T3z）深灰色厚層變巖屑雜砂巖。區(qū)內(nèi)植被覆蓋率較低，滑坡體主要為松散碎塊石堆積物且坡體內(nèi)沖溝侵蝕嚴(yán)重（圖1）。

據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，在老里溝溝口堆積物的巨石中發(fā)現(xiàn)歷史泥石流堆積物（圖2），其堆積物較松散，說明在近期該溝就發(fā)生過泥石流。此外，通過對溝口居住老鄉(xiāng)（朱白，55歲，卡拉鄉(xiāng)麻撒村）的調(diào)查訪問，該溝每逢雨季經(jīng)常暴發(fā)小規(guī)模泥石

流。最近一次泥石流災(zāi)害發(fā)生于2015年8月5日，沖毀溝口處卡拉鄉(xiāng)道及溝口民房，且對下游卡拉水電站構(gòu)成了一定的威脅。

2 老里溝坡面泥石流特征

2.1 老里溝概況

老里溝位于雅礱江中游左岸一級(jí)支流，為坡面侵蝕溝道，是八通1?；屡c2＃滑坡的分界。溝長1.1km，流域總面積約1.02km2，海拔1950～3211m，相對高差 1260m，主溝道縱坡比降為502.86‰，形態(tài)上呈“V”型谷，溝寬4～20m。流域內(nèi)物源儲(chǔ)量較大，為泥石流暴發(fā)提供了物源條件。老里溝泥石流的發(fā)生，除了豐富的物源條件外，局部強(qiáng)降雨也是主要誘發(fā)因素。參考前人對小流域暴雨強(qiáng)度隨高程變化的研究成果［3－5］，該地區(qū)小時(shí)雨強(qiáng)隨高程變化梯度為3.5 mm／100m，可推算出老里溝小流域小時(shí)雨強(qiáng)平均為64.25 mm。

2.2 泥石流分區(qū)特征

根據(jù)老里溝地形地貌及泥石流發(fā)育特征，將其劃分為兩個(gè)區(qū)：形成流通區(qū)和堆積區(qū)。

形成流通區(qū)位于老里溝溝口0.2km以上流域，面積約1km2，溝道長度約1.1km，溝道寬度4～20m，最窄的溝段寬度僅4m，溝道堵塞較為嚴(yán)重，跌坎發(fā)育；溝底高程介于1925～2480m，溝道縱比降平均為622.2‰，兩岸為滑坡堆積碎石土，岸坡較為陡峻，坡度30°～70°。該區(qū)植被覆蓋率較差，低于10%。

老里溝發(fā)育于八通滑坡體，主要為滑坡堆積碎塊石土，局部溝段溝底出露基巖。出露地層巖性：雜谷腦組（T3z）深灰色厚層變巖屑雜砂巖。該區(qū)內(nèi)松散固體物質(zhì)的主要為溝道內(nèi)沖積物和岸坡崩塌堆積物。據(jù)調(diào)查計(jì)算，該區(qū)段溝床堆積物、崩坡積物等松散固體物質(zhì)共計(jì)約29萬m3，其中可供補(bǔ)給的物質(zhì)達(dá)到5萬m3。

位于溝口至0.2km的下游區(qū)段，屬泥石流堆積區(qū)。該段溝道坡度陡緩交替，溝內(nèi)多巨石，崩塌堵溝易形成跌水。水量在該段溝道隨季節(jié)降雨變化較大，冬春季幾乎無地表徑流，卡拉公路通過該段溝道。溝道展寬，寬度一般為5～20m，溝床縱坡平均355‰，局部20.5‰；距溝口約50m處，由于侵蝕作用，形成陡崖岸坡，岸坡消失后堆積物沖入雅礱江后河谷展寬，呈現(xiàn)出明顯的扇狀堆積（圖3）。據(jù)測泥石流堆積扇面積500m2以上，堆積體主要為漂卵礫石土，磨圓中等，呈次棱角～次圓狀。

3 老里溝泥石流成因機(jī)制分析

國內(nèi)外眾多學(xué)者先后對降雨誘發(fā)的坡面型泥石流形成機(jī)理開展了大量的研究工作［1－2］。1984年Brand E W通過試驗(yàn)解釋了斜坡松散帶的液化而形成液化型滑坡的現(xiàn)象［6］。1993年Fredlund等認(rèn)為土體強(qiáng)度降低由于降水入滲導(dǎo)致土體中孔隙水壓力升高，從而引起滑坡型泥石流的發(fā)生［7］。1998年崔鵬［8］研究了坡面型泥石流的形成條件。2001年胡卸文［9］較詳細(xì)地揭示了蔣家溝流域松散物類型及其與滑坡泥石流轉(zhuǎn)化機(jī)理。根據(jù)野外實(shí)地調(diào)查和室內(nèi)試驗(yàn)分析，老里溝泥石流的成因機(jī)制分析如下：

（1）老里溝坡面流的形成不僅受其地形地貌、地質(zhì)條件影響，而且與斜坡巖土體工程特性、降水及降水后巖土體的力學(xué)強(qiáng)度弱化有很大聯(lián)系。坡面泥石流的發(fā)生除了與斜坡體上殘坡積物厚度有關(guān)以外，還與其物質(zhì)組成密切相關(guān)。在泥石流溝口堆積區(qū)對堆積物中粒徑＞60mm的卵礫石等固體顆粒進(jìn)行了粒徑統(tǒng)計(jì)分析（表1）。

表1 老里溝溝口堆積扇粒徑測量總表Tab.1 The debris flow fan diameter measurement table

野外現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)老里溝溝口巨石上殘留歷史泥石流堆積物，故選取歷史泥石流殘留物＜60mm的礫石土作為室內(nèi)篩分試驗(yàn)樣品。按照水利部標(biāo)準(zhǔn)《土工試驗(yàn)規(guī)程》（SL237－1999）［10］進(jìn)行顆粒分析試驗(yàn)，得到＜60mm的泥石流顆粒組成特征。試驗(yàn)土樣材料顆粒分布曲線（圖4）。

從圖4可知，該土樣的不均勻系數(shù) Cu為140，曲率系數(shù)為1.6，表明其級(jí)配良好，細(xì)小的顆粒比較容易填充土顆粒間的孔隙，說明此種土的透水性較差。通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，老里溝泥石流的殘坡積土的滲透性差且膨脹性較低，這是導(dǎo)致坡面流發(fā)生的重要原因。其次，泥石流堆積物中土石成分較高，一方面可能是顆粒組分與調(diào)查時(shí)位置選定差異有關(guān)；另一方面說明該溝泥石流啟動(dòng)時(shí)的固體物質(zhì)以塊碎石土為主。另外，泥石流固體顆粒磨圓較差，說明泥石流運(yùn)移距離較近。

（2）坡體表面松散物質(zhì)在水力作用下，其土體力學(xué)強(qiáng)度降低是導(dǎo)致斜坡失穩(wěn)的主要原因。持續(xù)降水或者暴雨入滲會(huì)導(dǎo)致巖土體中孔隙水壓力增加，隨著孔隙水壓力的不斷增加，有效應(yīng)力逐漸降低，抗剪強(qiáng)度也隨之減少，土體間內(nèi)摩擦可迅速折減，當(dāng)土體含水量達(dá)到飽和、超飽和狀態(tài)時(shí)，內(nèi)摩擦角達(dá)到最低限，且孔隙水壓力升高形成超孔隙水壓力，土體的力學(xué)性質(zhì)發(fā)生突變，在土體中形成剪切破壞區(qū)并最終貫通成剪切面，降水沿著剪切面發(fā)生滲流，致使土體強(qiáng)度進(jìn)一步減弱。在大量降水作用下，巖土體迅速稀釋軟化、混合坍塌滑動(dòng)物質(zhì)失穩(wěn)并在向下運(yùn)動(dòng)過程中轉(zhuǎn)化為坡面型泥石流。

4 泥石流動(dòng)力特征及危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)

4.1 泥石流容重

根據(jù)《泥石流災(zāi)害防治工程勘查規(guī)范》［11］中的附表G.1和G.2對老里溝泥石流進(jìn)行易發(fā)程度數(shù)量化評(píng)分，可得老里溝評(píng)分117分，易發(fā)程度為極易發(fā)，相對應(yīng)的容重為1.843t／m3。

4.2 泥石流流速

根據(jù)老里溝泥石流性質(zhì)為粘性泥石流（容重大于1.8t／m3），流速采用規(guī)范粘性泥石流計(jì)算公式：

式中，nc粘性泥石流糙率數(shù)，可查規(guī)范粘性泥石流糙率系數(shù)表，取值0.445；Hc泥石流平均泥深（m）；Ic泥位縱坡率，這里用計(jì)算斷面處的溝床縱坡代替，取值0.35；計(jì)算結(jié)果見表2。

4.3 泥石流峰值流量

采用《四川省水文手冊》［12］和《四川省中小

流域暴雨洪水計(jì)算手冊》［13］中暴雨洪水推理公式計(jì)算得到洪水流量Qw，按照泥石流中水與固體物質(zhì)的比例，泥石流流量可用一定比例下可能出現(xiàn)的洪水量加上按比例所需的固體物質(zhì)體積配合而成的，計(jì)算公式：

式中，Qc為泥石流斷面峰值流量，m3／s；Dc為泥石流堵塞系數(shù)，可查泥石流堵塞系數(shù)Dc值規(guī)范經(jīng)驗(yàn)取值表；Qw為暴雨洪峰流量，m3／s；見表2。

4.4 過流總量及固體物沖出量

依據(jù)《泥石流災(zāi)害防治工程勘查規(guī)范》（DT／T 0220—2006）［11］附錄I提供的泥石流過流總量計(jì)算公式：

式中，K值的變化隨流域面積F的大小而變化；T為泥石流歷時(shí)（s）；Qc為泥石流斷面峰值流量，m3／s；Q為一次泥石流過流總量，m3。

泥石流固體沖出物量計(jì)算公式：

式中，Q為一次泥石流過程總量（m3）；QH一次泥石流沖出固體物質(zhì)總量（m3）；γc為泥石流容重（t／m3），取值1.843；γh為固體物容重（t／m3），取值2.65；γw為水容重（t／m3），取值1.0；見表2。

4.5 泥石流沖擊力

根據(jù)《泥石流災(zāi)害防治工程設(shè)計(jì)規(guī)范》［14］（DZ／T0239—2004）提供的泥石流整體沖擊力計(jì)算公式：

式中，F(xiàn)為泥石流整體沖壓力（kN）；g為重力加速度（m／s2），取值9.8m／s2；V為泥石流流速（m／s）；γc為泥石流容重（t／m3））α為受力面與泥石流沖壓力方向所夾的角度（°）；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。

單塊塊石的最大撞擊力按下式計(jì)算：

式中，F(xiàn)s為單塊巨石的撞擊力（tf），其中1tf＝9.8×103N；γ為動(dòng)能折減系數(shù)，正面撞擊時(shí)取0.3；α為受力面與泥石流撞擊面撞擊角（°）；W為巨石重量（tf）；C1、C2為巨石與建筑物的彈性變形系數(shù)，采用船筏與橋墩臺(tái)的撞擊系數(shù)。

根據(jù)上述計(jì)算公式及參數(shù)取值，可得到老里溝泥石流在不同暴雨頻率下的動(dòng)力特征參數(shù)（表2）。

表2 老里溝泥石流動(dòng)力特征參數(shù)Tab.2 Dynamic characteristic parameter of debris flow

4.6 泥石流危險(xiǎn)度評(píng)價(jià)

根據(jù)劉希林［15］的單溝泥石流危險(xiǎn)度評(píng)價(jià)模型：

式中，H為單溝泥石流危險(xiǎn)度（0～1或0% ～ 100%）；M，F(xiàn)，S1，S2，S3，S6，S9分別為m，f，s1，s2，s3，s6，s9的轉(zhuǎn)換值（表3），按照危險(xiǎn)度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)：極低危險(xiǎn)（0～0.2）、低度危險(xiǎn)（0.2～0.4）、中度危險(xiǎn)（0.4～0.6）、高度危險(xiǎn)（0.6～0.8）、極高危險(xiǎn)（0.8～1）。根據(jù)計(jì)算得到H為0.482，可知老里溝泥石流屬中度危險(xiǎn)。

表3 危險(xiǎn)度評(píng)價(jià)因子和轉(zhuǎn)換函數(shù)及其轉(zhuǎn)換值Tab.3 Risk evaluation factor and conversion function and its conversion value

5 結(jié)論

老里溝是一個(gè)新泥石流溝，溝口堆積扇為多次泥石流堆積形成。研究表明，該流域具備坡面型泥石流形成的基本條件。地形地貌上，老里溝多處溝道堵塞，溝谷縱坡比降大，有利于泥石流的匯集和成災(zāi)；物源條件上，溝內(nèi)物源豐富，松散堆積物源總量約29×104m3，可參與泥石流活動(dòng)的動(dòng)儲(chǔ)量約5×104m3；水源條件上，降雨是誘發(fā)老里溝坡面流的主要因素。

老里溝泥石流類型為高中頻、小規(guī)模、粘性、暴雨型泥石流。易發(fā)程度為極易發(fā)，威脅對象主要為將建設(shè)的卡拉水電站庫區(qū)以及目前位于溝口的卡拉鄉(xiāng)道及溝口兩戶居民，危險(xiǎn)度為中度。

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［9］ 胡卸文.蔣家溝流域松散物源類型及其與泥石流的轉(zhuǎn)化機(jī)理［J］.成都理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2001，28（增刊1）：166－169.

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［14］ 中國地質(zhì)調(diào)查局.DZ／T0239—2004，泥石流災(zāi)害防治工程設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2004.

［15］ 劉希林，唐川.泥石流危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)［M］.北京：科學(xué)出版社，2004.

Formation Mechanism and Risk Assessment of the Laoli?Gully?Debris Flow on Slope，the Middle Reaches of the Yalong River

Yang Shuancheng，Liang Ruifeng，Chen Ming，Yang Min
（State Key Laboratory of Geo?Hazard Prevention and Geo?Environment Protection，Chengdu University of Technology，Chengdu 610059，China）

Debris flow on slope is the most widely distributed and most frequent disaster in the mountains.Based on field investigation and lab analysis，this paper elaborates the basic characteristics and formation mechanism of Laoli debris flow，and evaluates the debris flow risk in combination with the dynamic characteristic parameters.Research results show that the slope erosion gully on landslide is developed，which provides powerful conditions for the formation of debris flow on slope；Rainfall is the main triggering factor of Laoli debris flow；The type of Laoli debris flow is high?frequent，small?scale，viscous，rainstorm debris flow，which belongs to the moderate dangerous of debris flow gully.

debris flow on slope；formation mechanism；risk assessment；middle reaches of the Yalong River

P642.23

A

1673－8047（2016）03－0024－06

2016－07－13

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（41072231）；中國地質(zhì)調(diào)查局項(xiàng)目資助項(xiàng)目（12120113010100）

楊栓成（1989—），男，碩士研究生，主要從事地質(zhì)工程專業(yè)研究。