喜德縣波振溝泥石流形成條件及動力特征

陳波

?

喜德縣波振溝泥石流形成條件及動力特征

陳波

（四川省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局403地質(zhì)隊，四川峨眉山 614200）

波振溝位于四川省涼山州喜德縣境內(nèi)孫水河左岸，屬于川南紅層地區(qū)典型溝谷型泥石流溝。通過工程地質(zhì)調(diào)查與遙感影像解譯，研究了該泥石流形成條件和機理，獲取了泥石流動靜力學參數(shù)。調(diào)查研究表明：①波振溝流域地貌正處于壯年期發(fā)育階段；②泥石流容重1.64g/cm３，屬于過渡（偏稀）性泥石流；③波振溝流域內(nèi)還存在大量崩滑體及溝道松散堆積體，松散物源近4×105m3，在強降雨作用下容易啟動泥石流，建議加強綜合防治。該研究對砂泥巖互層地區(qū)泥石流形成機理的認識有一定幫助，對波振溝泥石流防治具有參考價值。

泥石流；形成條件；動力特征；波振溝

1 泥石流概況

波振溝泥石流位于四川省涼山彝族自治州喜德縣兩河口鎮(zhèn)境內(nèi)孫水河左岸（圖1），溝口坐標為東經(jīng)102°31′08″，北緯28°12′45″。波振溝流域面積3.14km2，地貌類型屬于安寧河流域典型的中低山河谷與中山地貌，根據(jù)區(qū)域資料，波振溝處于孫水河斷陷褶皺帶以西的大德里向斜西翼，新構(gòu)造運動活躍，地震活動頻繁，據(jù)中國地震動參數(shù)區(qū)劃，波振溝流域地震基本烈度為Ⅷ度，地震動峰值加速度0.20g。流域內(nèi)主要出露有新生界第四系全新統(tǒng)和中生界侏羅系上統(tǒng)飛天山組地層，其中，中生界侏羅系上統(tǒng)飛天山組地層由紫紅色中層狀—厚層狀之細粒砂巖及紫紅色泥巖組成（圖2），具有川南紅層地區(qū)砂泥巖互層典型的地質(zhì)特征。

圖1 波振溝泥石流流域圖

波振溝泥石流暴發(fā)頻繁，先后曾于1998年、2005年、2008年、2012年發(fā)生泥石流，淤埋溝口公路和田地，擠壓、堵塞孫水河。2012年8月31日，孫水河降下百年一遇強降雨，日降雨量達到146.1mm，受2012年8月31日強降雨影響，波振溝流域內(nèi)溝谷侵蝕嚴重，大量松散物質(zhì)聚集。

2 波振溝地貌特征與泥石流發(fā)育階段

圖2 波振溝流域的面積-高程曲線

該曲線即為流域面積—高程曲線，如圖2所示，將其積分記為:

根據(jù)Stranler理論，當0.6＜S＜1時，表示流域的地表物質(zhì)被侵蝕小于40%，此時曲線形狀為上凸，地貌發(fā)育階段為幼年期；當0.35≤S≤0.6時，表明地表物質(zhì)被侵蝕大于40%而小于65%，曲線接近直線，地貌發(fā)育階段為壯年期；當0＜S＜0.35時，表明有65%以上的物質(zhì)被侵蝕掉，曲線形狀為下凹，此時為老年期。

據(jù)上述面積—高程曲線分析方法，以1∶50 000地形圖上為基礎(chǔ)，利用Mapgis軟件繪制了波振溝流域的面積-高程曲線（圖2）。擬合方程為：

擬合方程相關(guān)系數(shù)R=0.998 7。對曲線方程在[0，1]區(qū)間進行積分計算，計算獲得波振溝泥石流流域的面積—高程積分S為0.545。根據(jù)A.N.Stanler地貌侵蝕循環(huán)理論對流域地貌發(fā)育階段的劃分，波振溝流域地貌正處于壯年期發(fā)育階段，松散物質(zhì)聚集速度快，溝槽堆積嚴重，形成區(qū)將進一步擴大。據(jù)此可以判斷，波振溝泥石流溝正處于泥石流暴發(fā)的旺盛階段。

（左圖a：砂泥巖互層；右圖b：砂巖球狀風化現(xiàn)象）

3 泥石流形成機理

3.1 地質(zhì)條件

調(diào)查表明，泥石流流域內(nèi)主要出露有新生界第四系全新統(tǒng)和中生界侏羅系上統(tǒng)飛天山組地層。其中，第四系全新統(tǒng)堆積層廣布，主要成因類型包括殘坡積層、崩滑堆積層、泥石流和沖洪積層，主要由碎、塊石組成，土質(zhì)松散—稍密；中生界侏羅系上統(tǒng)飛天山組地層由紫紅色中層狀—厚層狀之細粒砂巖及紫紅色泥巖組成（圖3a），強風化層厚度1.0~5.0m不等，但以2~3m為主，并呈現(xiàn)出球狀風化的特征（圖3b）。區(qū)內(nèi)地層傾向一般為140°~162°，傾角32°~49°，主要發(fā)育兩組節(jié)理，間距不足1m，延伸長度可達十余米，發(fā)育密度5~9條/m3。節(jié)理裂隙將巖體切割成鑲嵌結(jié)構(gòu)，穩(wěn)定性較差，時常發(fā)生崩落和滑坡現(xiàn)象。

圖4 溯源侵蝕與物源補給

波振溝流域地質(zhì)條件有利于泥石流物源的聚集，根據(jù)勘查報告，波振溝流域內(nèi)松散物源量近40萬m3。調(diào)查研究表明，波振溝泥石流松散物源分布及其補給方式呈現(xiàn)出顯著的區(qū)域性特點，物源補給方式多樣。流域上游淺溝或沖溝殘坡積物以侵蝕方式補給泥石流（圖4）、中上游溝床質(zhì)沖洪積物或早期泥石流堆積以揭底方式補給泥石流（圖5）、中下游松散碎塊石土構(gòu)成的岸坡以崩滑方式補給泥石流（圖6）。

圖5 溝床揭底與物源補給

3.2 地形與匯水條件

波振溝流域?qū)儆谥械蜕胶庸扰c中山地貌，流域面積3.14km2，流域地勢開闊，西高東低，流域形態(tài)呈漏斗狀。流域分水嶺最高標高為2 877m，最低點為波振溝與孫水河的交匯處，海拔2 005m，相對高差872m，平均溝床比降208.2‰。波振溝泥石流屬于典型的溝谷型泥石流，可清楚的分為形成區(qū)、流通區(qū)和堆積區(qū)。形成區(qū)位于海拔2 165m以上地區(qū)，地形陡峻，溝床比降260‰以上，斜坡坡度一般20°~50°。形成區(qū)形態(tài)呈近圓形的環(huán)谷狀，水系呈放射狀，發(fā)育8條溝谷。海拔2 165m以下至溝口段流域?qū)挾燃眲p小，轉(zhuǎn)為流通段，長度1.2km，平均溝床比降128.7%。流通段溝寬一般20~30m，深度8~25m，谷坡坡度40°~70°，流通段支溝不發(fā)育，僅可見短小沖溝。但受河流或泥石流侵蝕影響，谷坡滑塌現(xiàn)象嚴重。

波振溝流域的陡峻地形除為泥石流啟動提供良好的勢能和動力條件外，漏斗狀地形提供了優(yōu)越的匯水條件，上游形成區(qū)匯流量可占全流域95%以上。波振溝所處地區(qū)屬亞熱帶季風氣候，降雨季節(jié)性明顯。據(jù)當?shù)貧庀筚Y料統(tǒng)計，多年平均降雨1 013.5mm，其中6~9月降雨量占全年的76%，雨型多為暴雨。根據(jù)《四川省中小流域暴雨洪水計算手冊》，波振溝流域百年一遇的10min雨強、1h雨強和24h降雨量分別為32.34mm、87.66mm、156.1mm。在百年一遇降雨條件下，波振溝流域內(nèi)可迅速形成流量47.8m3/s的洪流。

4 泥石流運動及鏈式成災(zāi)特征

4.1 泥石流沿程沖淤變化與動力特征

波振溝流域上游溝窄坡陡，泥石流表現(xiàn)出了較強的下切侵蝕，中游溝床多處出現(xiàn)基巖，沿程沖淤變化不大，而在主支溝交匯處由于泥石流擠壓或頂托作用導致交匯處下游段出現(xiàn)不同程度淤積，另外溝道轉(zhuǎn)彎處的凹岸普遍遭受侵蝕，而凸岸普遍淤積抬高。下游河道變寬，寬約13~15m，溝床比降變緩，現(xiàn)一般6°~8°，溝道淤積主要位于高程2 805m（坐標28°12′42.2″，102°30′52.9″）以下至孫水河交匯段。溝道內(nèi)可見保存完好的泥石流堆積側(cè)積壟，呈現(xiàn)出明顯的粘滯性和整體堆積特征。堆積物混雜，塊度20cm以上的漂石約占30%。

圖6 溝岸崩滑與物源補給

溝口泥石流新老堆積扇演化特征明顯，古堆積扇堆積厚度5m以上，高出現(xiàn)洪水位或泥位線，已被開發(fā)利用?，F(xiàn)河道切古泥石流堆積扇，剖面顯示古泥石流已經(jīng)具有一定膠結(jié)，且含泥量較高，推測古泥石流性質(zhì)以粘性為主。在古泥石流堆積與孫水河之間可見三次泥石流堆積的特征，由于扇面疊置和后期洪流改造三次泥石流規(guī)模難以判斷，總體以最后一次泥石流規(guī)模最大，覆蓋范圍最廣?，F(xiàn)扇面堆積大量漂礫石，最大塊度4~5m，表明泥石流的強大搬運能力。需要提及的是波振溝泥石流堆積漂礫石磨圓度相對較好，以次棱角狀—次磨圓狀為主，這種現(xiàn)象的出現(xiàn)與砂巖風化的球狀風化特點密切相關(guān)。

由于沒有泥石流現(xiàn)場觀測的容重值，因此，本文通過經(jīng)驗法來確定，即通過訪問當?shù)鼐用?，較客觀地了解泥石流體中的固液兩相的體積比例，研究結(jié)果表明，波振溝泥石流容重1.64g/cm3，屬于過渡（偏稀）性泥石流的范疇。在溝道下游主流通順直段（E102°30′52.9″，N28 °12′42.2″），進行了泥石流過流斷面的測繪，該段主溝溝床寬度14m，縱比降155‰，泥石流泥位3.0m。根據(jù)鐵道科學研究院西南研究所改進的流速計算公式以及形態(tài)調(diào)查法[5]，對下游流通段泥石流流速、流量分別進行計算：

計算結(jié)果表明，波振溝泥石流流速為4.8m/s，按照對應(yīng)過流斷面面積42m2，計算對應(yīng)泥石流峰值流量201.6m3/s。

另外，根據(jù)《四川省中小流域暴雨洪水計算手冊》提供的暴雨資料，在百年一遇降雨條件下，波振溝流域內(nèi)可迅速形成流量47.8m3/s的洪流。假設(shè)泥石流與暴雨同頻率、同步發(fā)生，計算斷面的暴雨洪水設(shè)計流量全部轉(zhuǎn)變?yōu)槟嗍鞯牧髁?。根?jù)雨洪法計算百年一遇強降雨條件下波振溝泥石流流量：

式中，c為泥石流的流量（m3/s），φ為堵塞系數(shù)，根據(jù)波振溝溝道特征取值2.5，w為洪水流量（m3/s），取值47.8m3/s。根據(jù)雨洪法計算波振溝百年一遇泥石流流量196m3/s。同過流斷面實測計算結(jié)果表現(xiàn)出較強的一致性。

4.2 泥石流輸砂與鏈式成災(zāi)特征

波振溝流域處于砂泥巖互層地區(qū)，每次泥石流的暴發(fā)都伴隨著大量砂石的輸移。除溝道下游至孫水河交匯處堆積外，波振溝山洪泥石流將大量礫砂輸入孫水河[6]。波振溝本處于孫水河凹岸，屬于侵蝕河段。但由于波振溝泥石流發(fā)生導致溝口處孫水河擠壓較為嚴重。實地測量表明，最近一次泥石流堆積體長125m，寬140m，堆積厚度2~3m，堆積幅角6°~8°，擴散角約31°。根據(jù)測量計算，最近一次泥石流發(fā)生后，保留堆積扇面積約4 230m2，堆積體體積約1.1×104m3。同堆積扇泥石流固體物質(zhì)堆積對比發(fā)現(xiàn)，波振溝泥石流發(fā)生后56%的固體物質(zhì)被孫水河洪水攜帶至主溝和下游，體現(xiàn)了強大的輸砂特性和鏈式成災(zāi)特征。

5 結(jié)論與防治對策建議

1）波振溝屬于砂泥巖互層地區(qū)典型泥石流溝，流域地貌正處于壯年期發(fā)育階段，松散物質(zhì)聚集速度快，近4×105m3松散物源分布在波振溝流域內(nèi)。上游淺溝或沖溝殘坡積物以侵蝕方式補給泥石流、中上游溝床質(zhì)沖洪積物或早期泥石流堆積以揭底方式補給泥石流、中下游松散碎塊石土構(gòu)成的岸坡以崩滑方式補給泥石流。溯源侵蝕、溝床揭底、岸坡滑塌共同構(gòu)成了波振溝泥石流形成機理。

2）波振溝泥石流容重1.64g/cm3，屬于過渡（偏?。┬阅嗍鞯姆懂牎０倌暌挥瞿嗍髁髁?96m3/s，峰值流量可達201.6m3/s，泥石流將大量砂石輸入孫水河，鏈式成災(zāi)效應(yīng)突出。

3）波振溝泥石流發(fā)生頻繁，對波振村小學、溝口田地及公路運行構(gòu)成威脅。建議通過上游谷坊固床、中下游攔擋及溝口排導相結(jié)合的工程治理措施進行綜合防治。

[1] 陸中臣, 賈紹鳳, 黃克新, 等. 流域地貌系統(tǒng)[M]. 大連: 大連出版社, 1991.

[2] 李青, 曾凡偉, 徐剛, 等. 泥石流流域地貌發(fā)育階段的定量分析—以北碚區(qū)為例[J]. 宜賓學院學報, 2004, 4(4): 82-85.

[3] 呂學軍, 劉希林, 蘇鵬程. 四川達曲河流域泥石流溝發(fā)育階段的面積—高程分析[J]. 山地學報, 2005, 22(3): 336-341.

[4] 王曉朋, 潘懋, 任群智. 基于流域系統(tǒng)地貌信息熵的泥石流危險性定量評價[J]. 北京大學學報(自然科學版), 2007, 43(2): 211-215.

[5] 周必凡, 李德基, 羅德富, 等. 泥石流防治指南[M]. 北京: 科學出版社, 1991.

[6] 倪化勇, 王德偉, 白永健, 等. 孫水河流域地質(zhì)災(zāi)害鏈式成災(zāi)規(guī)律[J]. 山地學報, 2016, 34（4）: 451-459.

Genesis and Dynamics of the Bozhen’gou Debris Flow in Xide, Sichuan

CHEN Bo

(No. 403 Geological Team, BGEEMRSP, Emeishan, Sichuan 614200)

Bozhen Gully is located on the left bank of the Sunshui River in Xide County, Sichuan. It is a typical debris flow gully in the red bed area. This paper deals with genesis and mechanism of the debris flow. The study indicates that landform in the Bozhen Gully is in mature development stage with a debris flow density of 1.64g/cm３andloose accumulation of 4×106m3.

debris flow; formation condition; dynamic characteristic; interbeds of sandstone and siltston

P642.23

A

1006-0995（2017）03-0486-04

10.3969/j.issn.1006-0995.2017.03.031

2017-04-20

國土資源調(diào)查項目（12120113010600）

陳波（1982-），男，湖北人，工程師，主要從事地質(zhì)災(zāi)害防治和研究