云南鶴慶“8·12”水箐溝泥石流災害成因分析與特征量估算

楊 偉，張 恒

(中國電建集團昆明勘測設計研究院有限公司，云南 昆明 650051)

云南鶴慶“8·12”水箐溝泥石流災害成因分析與特征量估算

楊 偉，張 恒

(中國電建集團昆明勘測設計研究院有限公司，云南 昆明 650051)

2016年8月12日，云南鶴慶水箐溝在強降雨的激發(fā)下暴發(fā)泥石流，造成大麗公路堵塞，谷坊壩淤埋、水庫溝渠損壞、村民經(jīng)濟作物受損等。在對水箐溝泥石流災害現(xiàn)場調查的基礎上，分析了水箐溝泥石流的特征與成因，計算了泥石流的靜、動力學特征量：容重1.68 g/cm3左右，泥石流的洪峰流量達41.03 m3/s，一次泥石流固體總量為13 757.4 m3，泥石流的整體沖擊力為10.1 kPa。對水箐溝調查研究表明：溝道縱坡比降大，流域內存在大量松散堆積物，在強降雨的激發(fā)下，可能再次形成泥石流，對大麗公路及下游居民造成威脅。應及時地進行溝道的治理，并加強監(jiān)測預警。

泥石流；成因；特征；降雨

0 引言

2016年8月12日凌晨5時50分，鶴慶縣西邑鎮(zhèn)出現(xiàn)連續(xù)強降雨，水箐溝暴發(fā)山洪泥石流災害，造成下游部分涵洞堵塞、大麗公路堵塞近5 h、淤埋谷坊壩2座、水庫溝渠損壞、村民經(jīng)濟作物受損等，所幸未造成人員傷亡。由于大麗公路(大理-麗江)橫跨該泥石流溝，且下游分布有村莊及耕地，為了避免泥石流再次發(fā)生，對下游人民生命財產(chǎn)安全造成損失，有必要進行泥石流的調查、成因與參數(shù)分析及趨勢預測。

目前關于泥石流災害成因及參數(shù)分析的研究較多[1-5]，大多數(shù)是基于泥石流災害的現(xiàn)場調查，從泥石流災害形成的地形、物源、水源等條件進行成因分析，并采用相關研究成果對泥石流的參數(shù)進行計算分析，從而達到為相關工程的防治設計提供依據(jù)的目的。據(jù)調查，水箐溝為一條高頻老泥石流溝，僅8月就發(fā)生了兩次泥石流災害，而對于該泥石流的調查研究極少，鑒于此，為了防止該泥石流溝再次對下游人身財產(chǎn)安全造成威脅，本文在現(xiàn)場調查的基礎上，分析了水箐溝的流域特征、成因、靜力學與動力學特征，并在此基礎上進行了趨勢預測，可為該泥石流的預防與治理提供技術支撐，且為此類泥石流災害的預測提供可以借鑒的依據(jù)，對類似泥石流災害的防災減災具有參考意義。

1 泥石流發(fā)生概況及危害

2016年8月12日，在芹河村強降雨的作用下，水箐溝于12日凌晨5時50分左右發(fā)生泥石流災害，持續(xù)時間近2小時。此次泥石流導致橫跨在之上的大麗公路堵塞(圖 1)，谷坊壩淤埋(圖2)，下游阿柱利水庫溝渠損壞，道路下方經(jīng)濟作物受損等。

圖1 大麗公路堵塞Fig.1 Dali road blocked

圖2 谷坊壩淤埋Fig.2 Check dam buried

19日由于降雨的影響，水箐溝又發(fā)生了一次規(guī)模較小的泥石流，由于規(guī)模較小，在公路上方溝道開闊處進行堆積(圖3)，并在兩岸坡留下了泥痕(圖4)，泥石流并未造成公路堵塞以及對下游村民產(chǎn)生危害。

圖3 泥石流沿途堆積①Fig.3 Debris flow accumulation along the gully①

圖4 泥石流沿途堆積②Fig.4 Debris flow accumulation along the gully②

2 水箐溝流域概況

流域為典型的溶蝕構造高(中)山溝谷地貌，總體自北西向南東伸展，流域面積約5.9 km2。流域內分水嶺高程約為3 621 m，最低高程約為1 792 m，相對高差達1 829 m，主溝長約8.74 km，溝床平均縱坡降約275.3‰(圖 5)。主溝左岸發(fā)育有1#支溝，匯水面積0.58 km2，溝長1.55 km, 溝床平均縱坡降約392.9‰。右岸發(fā)育有兩條支溝，其中2#支溝匯水面積0.26 km2，溝長0.65 km, 溝床平均縱坡降約618.5‰，3#支溝匯水面積0.35 km2，溝長1 km, 溝床平均縱坡降約482‰。主溝溝谷上游深切呈“V”字型，兩岸地形陡峻，坡度一般25°～50°，岸坡坍塌嚴重，給泥石流的形成提供了豐富的物源。中下游溝谷呈“U”字型，兩岸地形稍陡。左、右岸支溝溝谷呈寬緩的“U”字型，溝道內崩坡積發(fā)育，支溝此次并未暴發(fā)泥石流，主要為泥石流的形成提供水源條件。

圖5 水箐溝流域概況圖Fig.5 General situation of Shuiqing Gully

流域屬冬季干燥夏季潮濕的高原季風氣候。通過對鶴慶縣氣象局資料進行統(tǒng)計分析，該區(qū)多年平均降雨量966.4 mm，降水年際變化大，全年降雨量豐水年達1 261.9 mm，日平均最大降雨量70.64 mm，枯水年達684.3 mm，每年6～8月為雨季較集中月份，降雨占全年降雨量的60%以上。

流域周邊地質構造復雜，呈近南北向延伸，傾向北東東。受主要斷裂—馬頭灣壓性斷裂的影響，流域巖體節(jié)理裂隙發(fā)育、巖體破碎，風化強烈。流域新構造運動強烈，主要表現(xiàn)為河谷縱向侵蝕和老構造不同程度的復活等[6]。調查區(qū)及附近地區(qū)，地震活動頻繁，根據(jù)《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》(GB 18306—2015)，區(qū)域內地震峰值加速度為0.30 g，反應譜特征周期為0.45 s，地震烈度為Ⅷ度。

3 泥石流特征與成因

3.1 泥石流特征

圖6 溝床掏蝕Fig.6 Erosion of gully bed

從水箐溝溝道內布設的一個攔渣壩及兩個谷坊壩，且攔渣壩已淤滿可知，該泥石流溝為一條老泥石流溝，在近10～20年發(fā)生過多次不同規(guī)模的泥石流?！?·12”水箐溝泥石流暴發(fā)于凌晨5點50分左右，持續(xù)時間約2個小時，根據(jù)現(xiàn)場調查，本次泥石流主要發(fā)生于主溝，支溝均未發(fā)生，支溝主要提供水源。主溝與支溝交匯處以上為泥石流主要形成區(qū)，主溝后緣發(fā)育有兩個崩滑體，在降雨的誘發(fā)下，崩滑體局部失穩(wěn)，前緣發(fā)生坍塌，由于溝道比降大，堆積物伴隨著水流高速下沖，掏蝕溝床(圖6)，溝床底部局部基巖出露， 最大沖刷深度達1.0～1.5 m,兩岸岸坡坍塌嚴重。主支溝會合處至大麗公路上方為主要流通區(qū)，流通區(qū)溝道寬5～10 m，主要呈“U”字型狀，以沖刷為主，在溝道轉彎及遇堵時產(chǎn)生少量淤積，溝道局部有跌坎，跌坎下方溝道沖刷較深。兩岸岸坡堆積物較厚，約2～10 m,局部基巖出露。

受大麗公路涵洞堵塞的影響，此次泥石流主要堆積于公路、公路下游溝道及兩岸開闊處，公路上堆積體寬30～50 m,厚約1～2 m，公路下游淤積厚度約0.5～1 m不等，堆積物粒徑約15～30 cm，巖性以玄武巖為主，據(jù)現(xiàn)場估計本次泥石流沖出固體物質約1×104m3左右(圖7)。

圖7 大麗公路泥石流堆積Fig.7 Debris flow accumulation on Dali road

3.2 成因分析

“8·12”水箐溝泥石流的暴發(fā)，屬于暴雨激發(fā)型溝谷泥石流，與其溝道坡降陡峻、強降雨的激發(fā)及豐富的松散物源有著密切的關系。根據(jù)對水箐溝泥石流流域的調查及泥石流的特征分析，“8·12” 水箐溝暴發(fā)泥石流的成因分析如下：

(1)溝道坡降較陡：相對高差提供的勢能及流水提供的動能是泥石流的一般動力來源[1]。水箐溝整體溝道坡降較陡，主溝長約8.74 km，相對高差達1 829 m，溝床平均縱坡降約275.3‰，在不同的溝段，溝道坡降呈現(xiàn)出一定的差異。形成區(qū)為“V”字型溝谷，切割較深、岸坡陡峻，溝床縱坡降達到517‰，流通區(qū)地形稍陡，平均溝床比降為233.5‰(圖8)。形成區(qū)陡峻的地形不僅使得溝道松散固體物源難于穩(wěn)定，而且使得泥石流啟動后流速加快，進一步加強了對兩岸及溝床的沖刷能力。

圖8 水箐溝道縱剖面圖Fig.8 Cross section of main channel gully

(2)降雨強度大：根據(jù)對當?shù)卮迕竦恼{查以及溝道已設防治工程現(xiàn)狀的判斷，該溝為一條高頻泥石流溝。根據(jù)鶴慶氣象局資料統(tǒng)計分析，該區(qū)多年平均降雨量966.4 mm，降水年際變化大，全年降雨量豐水年達1 261.9 mm，日平均最大降雨量70.64 mm。而查閱云南省水文手冊可知區(qū)內最大1 h、6 h、24 h降雨平均值分別為23 mm、40 mm、55 mm，在3.33%的條件下，最大1 h、6 h、24 h降雨可達到42.78 mm、71.36 mm、91.14 mm，因而降雨豐沛，而8月12日凌晨的強降雨持續(xù)近2小時，達100 mm左右，降雨量大、持續(xù)時間長，且形成區(qū)主溝及支溝地形陡峻，利于降雨的快速匯集，成為激發(fā)泥石流的水動力條件[2]。

(3)物源儲量豐富：水箐溝形成、流通區(qū)松散固體物質豐富，主要來源有崩滑堆積物、溝床堆積物及坡面侵蝕等(圖9)。

圖9 形成區(qū)、流通區(qū)物源分布圖Fig.9 Distribution of Materials source in original area and flowing area of Shuiqing gully

崩滑堆積物又包括崩滑體與崩坡積物，主要分布于主溝的后緣及形成流通區(qū)溝道兩岸。主溝后緣發(fā)育有兩個較大的崩滑堆積體(圖10)，受降雨的影響，后緣拉裂縫發(fā)育，前緣坍塌，初步估計兩個崩滑體體積約5 000 m3。崩坡積物主要分布于形成與流通區(qū)兩岸，主要是受泥石流掏蝕溝床及兩岸的影響，岸坡坍塌嚴重(圖11)。溝床堆積物主要分布于形成、流通區(qū)溝床上，厚度0.5～1.5 m，主要為老泥石流堆積物。此外，水箐溝后緣石蒲塘風電場進場公路的修建，產(chǎn)生了一些坡面棄渣(圖12)，約3 000 m3，目前處于基本穩(wěn)定狀態(tài)[7]。

圖10 后緣崩滑體Fig.10 Collapse and landslide at the back of basin

據(jù)現(xiàn)場調查初步估計，溝域內松散固體物儲量約3.64 ×106m3，其中可移動儲量約3.785×105m3(表 1)。

(4)人類工程活動

水箐溝后緣石蒲塘風電場進場公路的修建，在溝域后緣形成了一些坡面掛渣(圖12)，巖性主要為灰?guī)r，

表1 水箐溝泥石流固體物源儲量表Table 1 Statistical summary table of debris flow source in Shuiqing gully

現(xiàn)狀基本穩(wěn)定，從泥石流堆積物的巖性以玄武巖為主可以判斷，公路修建產(chǎn)生的坡面掛渣并未參與8月12日、19日泥石流的形成。在公路下方布設的涵洞及公路邊溝將1#支溝的匯水引入主溝，在強降雨的條件下，涵洞的集中排水對后緣進行沖刷，形成了一些寬10～20 cm，深20～30 cm的小沖溝(圖13)。

圖12 石蒲塘風電場進場公路棄渣Fig.12 Road slag of Shiputang wind farms

圖13 后緣坡面小沖溝Fig.13 Small gully of trailing slope

4 泥石流靜力學與動力學特征量估算

泥石流靜力學與動力學參數(shù)是泥石流防治工程設計的依據(jù)[4]，由于缺乏泥石流發(fā)生時的觀測數(shù)據(jù)，主要依據(jù)泥石流發(fā)生后現(xiàn)場調查訪問及參考已有相關研究成果。

4.1 容重

本次泥石流屬于強降雨激發(fā)的泥石流，從大麗公路上方的堆積物來看，堆積物呈無分選泥礫混雜，無明顯層理，漿體與塊石膠結較好，且溝道兩側岸坡殘留的漿體成分主要為粉質黏土、粉土和碎石，泥石流流體細顆粒含量相對較高，按照一般規(guī)律，該泥石流為黏性泥石流，估計泥石流重度為1.6～1.8 g/cm3，根據(jù)村民目測，通過配漿法測得泥石流容重為1.68 g/cm3。

4.2 流速計算

泥石流流速是決定泥石流動力特征和防治設計中最重要的參數(shù)之一[3]， 調查分析水箐溝泥石流屬于黏性泥石流，本文采用綜合西藏古鄉(xiāng)溝、東川蔣家溝及武都火燒溝的通用公式[8]：

(1)

式中：Vc——泥石流流速/(m·s-1)；

nc——泥石流溝床糙率系數(shù)；

Hc——水力半徑或泥位深/m；

Ic——泥石流水力坡度/(‰)。

根據(jù)實測資料，水箐溝選擇2個代表性的典型斷面進行了泥痕調查測量，根據(jù)公式(1)計算水箐溝各斷面泥石流流速結果見表2。

表2 水箐溝泥石流斷面流速計算結果表Table 2 Cross-section’s velocity calculation table of Shuiqing gully debris flow

4.3 流量及一次沖出量計算

目前計算流量公式主要有形態(tài)調查法及雨洪法，結合二者計算結果可以得到更為合理的流量參數(shù)[5]。

(1)實測斷面法

根據(jù)現(xiàn)場斷面測量，采用以下公式進行計算：

Qc=WcVc

(2)

計算結果見表 3。

表3 實測斷面法計算泥石流流量Table 3 Cross-section method to calculate discharges of Shuiqing gully debris flow

(2)雨洪法

先按照水文法計算出設計斷面不同頻率下的暴雨洪峰流量，然后根據(jù)泥石流堵塞系數(shù)Dc及泥沙修正系數(shù)Ф按照以下公式進行計算：

Qc=(1+φ)QpDc

(3)

按照以上公式計算得出泥石流洪峰流量見表 4。

表4 泥石流峰值流量計算一覽表(雨洪法)Table 4 Calculation table of Shuiqing gully debris flow’s peak flow

從上述兩種方法計算可得，實測斷面法計算的峰值流量相對較大，有可能是由于泥石流爬高導致泥痕深度偏大所致，相對誤差較大，因而，采取雨洪法計算的流量進行設計，根據(jù)水箐溝泥石流主要受災對象為省道、小型水庫及鄉(xiāng)村居民點，因而按照30年一遇進行設防。

一次泥石流過程總量Q按照下式進行計算：

Q=0.264TQc=KTQc

(4)

式中K受流域面積的影響，水箐溝流域面積位于5～10 km2,取值0.113，Qc為泥石流峰值流量，T為泥石流一次過流時間，計算結果見表5。

表5 一次泥石流過程總量結果Table 5 Result of the amount of debris flow process at one time

一次泥石流沖出的固體物質總量按照以下公式進行計算:

QH=Q(γc-γw)/(γH-γw)

(5)

計算得出一次泥石流沖出的固體物質總量為13 757.4 m3。與現(xiàn)場測量的泥石流沖出固體量(1×104m3)相差不大，因而可推測該次泥石流發(fā)生的規(guī)模為30年一遇。綜上可以判斷“8·12”水箐溝泥石流規(guī)模屬于中型泥石流。

4.4 泥石流沖擊力計算

泥石流整體沖擊力按照以下公式進行計算：

(6)

按最不利情況考慮[9]，γ為90°；為受力體形狀系數(shù)，取值為1.47；泥石流流速Vc取值6.33 m/s，計算得出泥石流整體沖壓力為10.1 kPa。

5 結論及趨勢預測

5.1 結論

水箐溝屬于暴雨激發(fā)溝谷型高頻黏性老泥石流溝，水箐溝地形坡降大、松散固體物源豐富，集中降水是誘發(fā)8月12日、19日泥石流的主要原因，人類工程活動中石蒲塘風電場進場公路修建產(chǎn)生的施工棄渣現(xiàn)狀基本穩(wěn)定，未參與2016年8月12日、19日泥石流的活動，而公路邊溝引入主溝的集中排水，對溝谷的沖刷有一定的影響。

“8·12”水箐溝泥石流容重約1.68 g/cm3，30年一遇泥石流洪峰流量為41.03 m3/s，一次泥石流過程總量為33 382.0 m3，泥石流沖出的固體物質總量為13 757.4 m3，為中型泥石流，整體沖擊力為10.1 kPa。

5.2 發(fā)展趨勢

通過對水箐溝泥石流的特征、成因和溝道內的松散固體物質狀況分析，可以間接預測水箐溝泥石流的發(fā)展趨勢：

(1)水箐溝形成區(qū)地形陡峻，溝床比降大，在強降雨的激發(fā)下，極易啟動形成泥石流。

(2)主溝后緣兩個崩滑堆積體前緣坍塌嚴重，后緣裂縫發(fā)育，在降雨的激發(fā)下，極易產(chǎn)生局部、甚至整體失穩(wěn)，有可能堵塞溝道形成堰塞湖，進而形成潰決型泥石流。

(3)水箐溝溝域內物源儲量豐富，據(jù)現(xiàn)場調查，流域松散物源儲量共計3.64×106m3，可移動物質儲量約3.785×105m3，且固體物源主要集中在形成與流通區(qū)，形成區(qū)溝道狹窄，岸坡陡峻，溝床侵蝕后易導致岸坡失穩(wěn)。在強降雨的激發(fā)下，該溝還可能發(fā)生泥石流災害。

綜上分析，水箐溝溝床地形陡峻、松散物源豐富，在強降雨的激發(fā)下，發(fā)生泥石流的可能性很大，為了減輕泥石流對下游大麗公路、水庫溝渠、甚至村民的人身財產(chǎn)安全的威脅，應及時采取防治工程進行溝道的治理，并加強監(jiān)測預警。

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FormationanalysisandcharacteristicestimationofthedebrisflowdisasterofShuiqinggully,Heqing,YunnanonAugust12，2016

YANG Wei，ZHANG Heng

(PowerChinaKunmingEngineeringCorporationLimited，Kunming,Yunnan650051，China)

Due to heavy rains and debris flow happened in Shuiqing gully of Heqing, Yunnan on August 12th,2016, which blocked Dali-road, buried check dam and damaged the reservoir ditches and economic crops. Based on field investigation and analysis,The characteristics and formation of debris flow occurred in Shuiqing Gully，Heqing，Yunnan ,were elaborated and dynamic parameters were calculated，which were the density of 1.68 g·cm-3,discharge of 41.03 m3.s-1，and The total volume of sediment in debris flows were estimated at 13 757.4 m3，the large boulder of debris flows have powerful impact force of 10.1 kPa. Research shows that it has maximum possibility of happening debris flow in continuous heavy rainfall, because of a large number of loose debris in the drainage basins and steep slope, which may bring harms to Dali-road and downstream residents.so, It is necessary to carry out measures to control and strengthen the monitoring and early warning timely.

debris flow； formation；characteristics； rainfall

10.16031/j.cnki.issn.1003-8035.2017.04.05

P642. 23

A

1003-8035(2017)04-0027-07

2016-12-28;

2017-02-08

楊 偉(1986-),男，漢族,江西吉安人，碩士，工程師，研究方向為地質災害與工程地質。E-mail：wendyyangwei@163.com