典型沖溝型泥石流動(dòng)力學(xué)特征
——以四川省瀘定縣麻沙坡溝為例

徐如閣，鐵永波，巴仁基

(中國地質(zhì)調(diào)查局成都地質(zhì)調(diào)查中心，四川成都 610081)

0 引言

根據(jù)集水區(qū)地貌特征，可將泥石流分為溝谷型泥石流和坡面型泥石流［1］。傳統(tǒng)觀點(diǎn)［1－6］認(rèn)為坡面型泥石流溝流域面積一般在1～2 km2以下，溝槽發(fā)育不完善，溝道淺短，縱比降大，無支溝，溝床比降與山坡坡度接近，無明顯受水區(qū)、堆積區(qū)和流通區(qū)，流通區(qū)不易和形成區(qū)區(qū)分，泥石流運(yùn)動(dòng)過程沿山坡或沖溝進(jìn)行，成災(zāi)規(guī)模小，重現(xiàn)期長，無重復(fù)性;溝谷型泥石流溝谷面積較大，水系發(fā)育完整，溝道長，縱坡緩，泥石流的形成區(qū)、流通區(qū)和堆積區(qū)明顯，泥石流運(yùn)動(dòng)過程沿一條發(fā)育較為完整的河谷進(jìn)行，一般成災(zāi)規(guī)模大，重現(xiàn)期短，能重復(fù)發(fā)生。倪化勇根據(jù)斜坡地貌演化和侵蝕溝發(fā)育過程，提出將介于溝谷型泥石流和坡面型泥石流之間的泥石流類型劃分為沖溝型泥石流［7］;沖溝型泥石流具有流域面積小，流域邊界不明顯，溝床比降大，主溝長度短、溝谷深度不大、泥石流規(guī)模小等特征。

目前，泥石流的劃分方法主要為二分法［1－2］，即劃分為溝谷型泥石流和坡面型泥石流，溝谷型泥石流研究資料十分豐富，坡面泥石流研究資料相對匱乏，而沖溝泥石流主要放在坡面泥石流中進(jìn)行研究［8］，其研究資料更加稀少。倪化勇利用人工降雨條件下泥石流起動(dòng)試驗(yàn)對沖溝型泥石流的形成機(jī)理和形成特征進(jìn)行了研究［9］;連惠邦根據(jù)渠槽試驗(yàn)提出了適用于沖溝型泥石流體積濃度的計(jì)算公式［10］;楊栓成等對沖溝泥石流成因機(jī)制進(jìn)行了研究并用溝谷泥石流經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算了其動(dòng)力學(xué)參數(shù)［8］，但未說明選用公式的理由，也未對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。本文通過對沖溝泥石流溝谷特征和泥石流形成過程進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)其溝谷特征和泥石流形成過程與溝谷泥石流具有較大的相似性，因此采用溝谷泥石流的動(dòng)力學(xué)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算其動(dòng)力學(xué)參數(shù)，并用現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果來驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果，驗(yàn)證結(jié)果表明采用溝谷泥石流的動(dòng)力學(xué)經(jīng)驗(yàn)公式來計(jì)算沖溝型泥石流動(dòng)力學(xué)參數(shù)是可行的。

1 地質(zhì)環(huán)境背景

麻沙坡溝位于大渡河河谷地區(qū)(見圖1)，海拔分布范圍為 1250～2100m，流域面積僅為0.23km2，但溝口到源頭海拔高差達(dá)到780m，溝床比降達(dá)615‰。流域內(nèi)地形陡峻，坡降大，岸坡坡度35°～50°，屬于高中山地貌。麻沙坡溝流域內(nèi)地貌格局受構(gòu)造和巖性的制約，地殼的強(qiáng)烈上升形成了深切的溝道，呈“U”和“V”型［11］，沿岸存在幾處較大滑坡、崩塌。

圖1 麻沙坡溝位置圖Fig．1 Geographical location of Mashapo Groove

麻沙坡溝處于中部隆起區(qū)，安寧河斷裂帶、鮮水河斷裂帶和龍門山斷裂帶在流域附近交匯。SN向的大渡河斷裂帶南段——得妥斷裂，通過該溝的上游;NW向的金坪斷裂從該溝的溝口通過(見圖2)，龍門山斷裂帶的尾部收斂于該溝沿大渡河向下約2km的冷磧鎮(zhèn)［12］。

氣候上，該溝具有瀘定縣城區(qū)域上典型氣候特征，年平均降水量 664.4mm，年最大降水量795.4mm(1964年)，日最大降水量為72.3mm，且雨量多集中在6～8月，占全年降水量的60%左右。

麻沙坡溝屬間歇性河流，僅在雨天時(shí)有流水，流量隨降雨變化明顯。流域內(nèi)森林植被覆蓋率高且分區(qū)明顯;上游區(qū)域由于地勢較為平緩，植被以森林為主，少量為耕地;中游－下游山坡坡度較大，植被以灌叢和草地為主;堆積扇開墾為農(nóng)田并修有公路和居民居住。

2 泥石流基本特征

通過野外調(diào)查，麻沙坡溝在1955年和2005年發(fā)生過泥石流，其中2005年瀘定縣遭遇強(qiáng)降雨過程，導(dǎo)致全縣境內(nèi)泥石流群發(fā)。2005年麻沙坡溝泥石流，致使溝口及下游數(shù)十家居民房屋及耕地遭到破壞，造成嚴(yán)重災(zāi)害，直接經(jīng)濟(jì)損失15萬元。該溝還曾在1955年暴發(fā)過一次類似規(guī)模的泥石流。泥石流威脅12戶居民56人及杵坭鄉(xiāng)衛(wèi)生院，總資產(chǎn)約150萬。

2.1 溝谷特征

麻沙坡溝主溝長1.27km，主溝以“U”型谷為主，溝寬3～8m，無沖溝和支溝。溝道上游植被茂密，可見基巖出露;中游主要為冰磧臺(tái)地，冰磧物半膠結(jié)，易失穩(wěn);下游溝道平直，可見基巖出露;根據(jù)溝道特征可將其劃分為清水區(qū)、形成區(qū)、流通區(qū)和堆積區(qū)。

麻沙坡溝清水區(qū)面積約0.056km2，溝道高程范圍約為1900～2100m，該區(qū)植被覆蓋較好，溝道兩岸可見基巖石出露，巖性為石英閃長巖。清水區(qū)溝道總長約395m，溝道比降為506‰，以“V”型谷為主，溝床平均寬度約3m。該區(qū)域植被覆蓋良好，清水匯集方式主要為山坡型。雖然坡面殘積物分布較廣，但基本被植被根系所固定，所以匯流區(qū)地表松散物質(zhì)對麻沙坡溝泥石流的貢獻(xiàn)不大(見圖3)。麻沙坡溝形成區(qū)主要分布在主溝的中上游及中下游段，區(qū)域面積約0.12km2，高程范圍為1440～1900m，物源區(qū)溝道長為665m，溝道比降為692‰。物源區(qū)溝道兩岸坡度陡，呈“U”型谷，部分溝道為“V”型谷，溝床較寬，平均寬度約5m(見圖 4)。區(qū)內(nèi)松散物源主要為殘坡積物、冰川堆積物()及溝道堆積物()。殘坡積物為碎塊石土，平均厚度為1.0～1.5m;冰川堆積物為含漂石角礫混砂土(見圖5)，主要集中在中下游1500～1610m范圍內(nèi)，平均厚度6～7m，最厚處超過10m;溝道沖洪與泥石流堆積物為含漂卵石砂土，沿著主溝溝道廣泛分布，平均厚度為0.5～1.0m。麻沙坡溝形成區(qū)的松散物儲(chǔ)量約為35.1×104m3，其中，強(qiáng)活動(dòng)性物源(一次泥石流最大可能提供的物源量)儲(chǔ)量達(dá)7.5×104m3。

圖3 上游溝道特征Fig．3 Channel characteristics of the upstream of Mashapo Groove

圖4 中下游溝道特征Fig．4 Channel characteristics of the midstream and downstream of Mashapo Groove

流通區(qū)位于麻沙坡溝的下游段，溝道高程范圍1340～1400m，全長僅175m，面積約0.016km2，溝道平均寬度約6～8m，溝道縱比降為571‰，兩岸和溝谷底部均可見基巖出露，巖性為鉀長花崗巖。溝道呈“V”字形，但溝道較上游淺且寬，溝道兩側(cè)岸坡多為風(fēng)化的基巖，較穩(wěn)定，可提供的松散物很少。

堆積區(qū)總長440m，總面積約0.04km2，高程分布范圍1250～1340m，溝道縱比降為205‰，溝道平均寬度3.5m，局部修筑有排導(dǎo)工程，該段未見基巖出露。由于麻沙坡溝溝道出現(xiàn)較大的轉(zhuǎn)折，泥石流沖出溝道主要堆積在麻沙坡坡腳的溝口位置，沿溝道向下游擴(kuò)散約160m，向外擴(kuò)散約60m，為2005年泥石流的主堆積區(qū)，主要為含漂卵石砂土。

2.2 物源補(bǔ)給特征

麻沙坡溝上游植被覆蓋良好，雖然坡面殘積物分布較廣，但基本被植被根系所固定，而下游基巖出露，因此上下游為泥石流發(fā)生所提供的物源量較少。中游溝道兩岸的土質(zhì)岸坡是泥石流固體物質(zhì)的主要來源。其中，冰川堆積體在物源區(qū)較為集中，主要分布中游沿溝道150m左右長度范圍內(nèi)，溝道兩岸均有分布，厚度較大，當(dāng)堆積體的基腳遭到水流的侵蝕時(shí)，便很容易發(fā)生坍塌進(jìn)入溝道(見圖6)，成為泥石流的固體物質(zhì)來源，其儲(chǔ)量約15.0×104m3，占固體松散物質(zhì)總量的42%以上。

2005年麻沙坡溝泥石流物源補(bǔ)給方式為中游冰川堆積體發(fā)生滑坡進(jìn)入溝道形成主要物源，水流沖蝕溝岸及河床形成次要物源。

2005年6月30日麻沙坡溝泥石流爆發(fā)的前30天，該地區(qū) 17天有降雨，累計(jì)降雨量達(dá)126.5mm，其中前3天和前5天累計(jì)降雨量分別達(dá)到19.7mm和44.3mm，6月28日和30日兩天又有較大降雨，雨量分別為19.4mm和

圖5 冰磧物特征Fig．5 Moraine characteristic

圖6 中游溝岸失穩(wěn)Fig．6 Collapse of midstream bank slope of Mashapo Groove

2.3 泥石流形成過程

17.1 mm［9］。前期降雨使得溝谷兩岸的冰川堆積體含水量增大，土體中孔隙水壓力上升，塑限和液限降低，土體粘滯力和內(nèi)摩擦角減小，從而導(dǎo)致穩(wěn)定性降低，當(dāng)堆積體的基腳遭到水流的侵蝕時(shí)，便很容易發(fā)生坍塌進(jìn)入溝道，成為泥石流的固體物質(zhì)來源，當(dāng)日中等強(qiáng)度的降雨，已充分滿足泥石流形成的水源條件，最終使中游冰川堆積體發(fā)生滑坡進(jìn)入溝道形成泥石流。

通過對麻沙坡溝口左岸居民李發(fā)清的訪問，2005年泥石流持續(xù)時(shí)間總共約1小時(shí)，流體呈稀粥狀并含有碎塊石和卵礫石，泥石流發(fā)生時(shí)伴有“轟轟”的響聲，很快沖到溝口。在該住戶家客廳和廚房的墻上仍留有2005年泥石流發(fā)生后留下的高1.2m的泥痕，屋后面仍留有此次泥石流攜帶的粒徑4.2m的大漂石。

3 泥石流動(dòng)力學(xué)特征

泥石流的動(dòng)力學(xué)特征參數(shù)主要為流速、流量、撞擊力、輸沙量。該動(dòng)力學(xué)參數(shù)值直接反映了泥石流發(fā)育規(guī)模、破壞強(qiáng)度、災(zāi)害規(guī)模與范圍［13］。

沖溝型泥石流雖然具有坡面泥石流特征且溝道短淺，但其溝谷特征與典型溝谷泥石流溝谷特征相似，且其泥石流的發(fā)生和發(fā)展與典型溝谷泥石流形成特征相似。根據(jù)現(xiàn)場訪問，麻沙坡溝泥石流具有較快的流速，而坡面泥石流往往具有很小的流［14］。因此，本文采用典型溝谷泥石流動(dòng)力學(xué)公式來計(jì)算沖溝型泥石流動(dòng)力學(xué)參數(shù)，并將結(jié)果與現(xiàn)場調(diào)查數(shù)據(jù)進(jìn)行對比。

3.1 流體重度

泥石流流體重度是由泥石流流體中的固體物質(zhì)的重度及含量來決定，由于泥石流固體物質(zhì)的含量為泥沙及礫石，比重差別不大，因此其含量是決定其重度的主要因素。

γc為泥石流流體重度，cd為泥石流流體體積濃度，ρs為泥石流固體物質(zhì)比重，ρ為水體的比重。

由于麻沙坡溝溝床比降很大(大于18.8°)，傳統(tǒng)的計(jì)算泥石流體積濃度經(jīng)驗(yàn)公式不適用，本文采用臺(tái)灣逢甲大學(xué)連惠邦［9］推導(dǎo)的適合縱坡大的公式:

其中:

cm為溪床面靜止泥沙之最大泥沙體積濃度;tanα為動(dòng)摩擦系數(shù)，當(dāng)水流處于完全慣性區(qū)時(shí)，tanα≈0.32;θ為溪床傾斜角度;ξ為綜合因子，它是靜摩擦系數(shù)、泥沙顆粒形狀、級(jí)配、排列及其粘聚特性等因素綜合影響的修正系數(shù)。

選取 cm=0.604，tanα =0.32，ξ=0.25，ρs=2.72，ρ=1.0，tanθ=0.667，計(jì)算結(jié)果為 cd=0.41，γc=1.71g/cm3。

根據(jù)現(xiàn)場多名村民描述，麻沙坡溝泥石流稠度特征呈一定濃度的稀粥狀，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際調(diào)查分析，泥石流堆積物中的碎礫石及粘粒含量較大，可以判定密度在1.60～1.80g/cm3之間，與計(jì)算結(jié)果一致。

3.2 流速

根據(jù)東川泥石流改進(jìn)的粘性泥石流通用公式(3)［1］計(jì)算麻沙坡溝泥石流流速:

Vc為泥石流斷面平均流速(m/s);Hc為泥石流斷面泥位高度(m);Ic為泥石流水力坡度(‰)，一般可用溝床縱坡代替;K為粘性泥石流的流速系數(shù)。Hc取泥位為1.0m，Ic水力坡度為0.571，K粘性泥石流的流速系數(shù)取10，則麻沙坡溝泥石流的流速為8.94 m/s。

3.3 流量

假設(shè)泥石流與暴雨同頻率、且同步發(fā)生，先按水文方法計(jì)算出斷面不同頻率下的小流域暴雨洪峰流量Qp，然后選用堵塞系數(shù)和泥砂修正系數(shù)，按公式(4)［1］計(jì)算泥石流流量Qc:

首先，計(jì)算麻沙坡流域內(nèi)泥石流溝洪水流量Qp。取暴雨時(shí)的最大洪峰流量，按推理公式(5)［1］:

計(jì)算所得的泥石流最大流量如表1所示。

表1 雨洪法計(jì)算泥石流流量Tab．1 Debris flow discharge calculated by the storm flood method

3.4 一次泥石流總量及輸砂量

一次泥石流總量Q可通過形態(tài)調(diào)查法和經(jīng)驗(yàn)公式法計(jì)算確定。經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算法根據(jù)泥石流歷時(shí)T(s)和最大流量Qc(m3/s)，按泥石流暴漲暴落的特點(diǎn)，將其過程線概化成五角形計(jì)算，按公式(6)［1］計(jì)算一次泥石流總量 Q(m3)。

當(dāng) F＜5km2，K=0.202，一次泥石流沖出的固體物質(zhì)總量QH(m3):

麻沙坡溝流域面積 F為0.23km2，取 K=0.202，γc為泥石流重度，γH為固體物質(zhì)比重取2.70g/cm3，γw為清水重度取 1.0g/cm3。根據(jù)計(jì)算，得到不同頻率下的一次泥石流過程總量與沖出固體物質(zhì)總量(見表2)。

采用形態(tài)調(diào)查法在泥石流溝道中選擇測流斷面，查找泥位、測量泥石流的過流斷面，按公式(8)求泥石流斷面峰值流量Qc:

其中斷面寬約4.8m，泥位約0.65m，計(jì)算得2005年麻沙坡溝泥石流最大流量為27.89 m3/s。

表2 一次泥石流過程與固體物質(zhì)總量表Tab．2 Solid material volume in a debris flow

2005年麻沙坡溝泥石流堆積物約為20000m3，通過與一次泥石流沖出的固體物質(zhì)總量、泥石流最大流量計(jì)算結(jié)果與調(diào)查結(jié)果進(jìn)行比較，推定其爆發(fā)頻率為20年一遇;根據(jù)氣象資料，當(dāng)日降雨量僅為中等強(qiáng)度降雨，據(jù)巴仁基等［15］計(jì)算，降雨強(qiáng)度不到30年一遇，與推定的泥石流爆發(fā)頻率相當(dāng)。因此，沖溝型泥石流動(dòng)力學(xué)參數(shù)可以采用典型溝谷泥石流動(dòng)力學(xué)計(jì)算公式來計(jì)算，其結(jié)果較為合理。

4 結(jié)語

(1)麻沙坡溝流域面積為0.23km2，溝床比降為615‰，溝寬4～6m，溝深2～3m，是一條典型的沖溝;其具有溝谷泥石流溝的形態(tài)特征，存在明顯的清水區(qū)、物源區(qū)、流通區(qū)和堆積區(qū);分析麻沙坡溝泥石流的物源補(bǔ)給特征和降水特征，發(fā)現(xiàn)該泥石流形成過程與典型的溝谷型泥石流形成過程相似，且泥石流流速較快。因此認(rèn)為，麻沙坡溝泥石流具備采用溝谷型泥石流動(dòng)力學(xué)公式計(jì)算其動(dòng)力學(xué)參數(shù)的條件。

(2)根據(jù)雨洪法計(jì)算麻沙坡溝泥石流最大流量和固體物質(zhì)總量，計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果一致，因此認(rèn)為溝谷型泥石流動(dòng)力學(xué)經(jīng)驗(yàn)公式適用于沖溝型泥石流。

(3)沖溝型泥石流是山坡型泥石流與溝谷型泥石流的中間階段，具備山坡型泥石流和溝谷型泥石流的雙重特征，其溝道至堆積扇縱坡變化較大，泥石流沖出溝口會(huì)與地面發(fā)生撞擊，造成能量損失，因此其沖出溝道后的相關(guān)動(dòng)力學(xué)參數(shù)如何計(jì)算，應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)探索與研究。

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