某水電站庫區(qū)徐家溝泥石流發(fā)育特征及形成機(jī)制分析

付調(diào)金，張卜仁，葉圣生

(長(zhǎng)江三峽勘測(cè)研究院有限公司，湖北 武漢 430074)

某水電站位于金沙江中游攀枝花河段末端，雅礱江口上游約3.6km。徐家溝位于該水電站水庫區(qū)金沙江左岸，上游段被稱為硫磺溝，下游至溝口段被稱為徐家溝，出口注入金沙江。沖溝下游段分布徐家溝礦區(qū)，沿溝堆積大量棄渣。下游至溝口段的跨溝設(shè)施有麗攀高速路橋、成昆鐵路攀枝花至格里坪支線鐵路橋、S310省道公路橋等。

2016年9月19日早上7點(diǎn)，受連日強(qiáng)降雨影響，上游硫磺溝段暴發(fā)泥石流，響聲如雷，地面顫動(dòng)。泥石流沖出物下泄至徐家溝礦區(qū)排土場(chǎng)，受排土場(chǎng)堆土阻塞而形成堰塞體，隨后排土場(chǎng)潰決，形成二次泥石流災(zāi)害，致使徐家溝礦場(chǎng)部分被淹沒。本次泥石流活動(dòng)造成3人失聯(lián)，沖毀民房，毀壞礦場(chǎng)機(jī)械，造成S310省道跨溝橋梁受損，并沖走兩頭水牛至金沙江內(nèi)。

1 泥石流發(fā)育條件

1.1 地形地貌條件

地形條件制約著泥石流形成、運(yùn)動(dòng)、規(guī)模等特征，主要包括泥石流的溝谷形態(tài)、集水面積、溝坡坡度與坡向、溝床縱坡降等。

徐家溝流域平面上呈兩頭小中間大的不規(guī)則葉片狀(圖1)，由1條主溝及3條支溝組成，流域匯水面積8.94km2，總體地勢(shì)呈北高南低，出口至金沙江邊最低高程為985m，流域內(nèi)最大相對(duì)高差為1515m。主溝溝床比降為17.9%，支溝平均溝床比降為20%～30%。

圖1 徐家溝泥石流地貌形態(tài)

徐家溝排土場(chǎng)以上地貌形態(tài)呈漏斗狀，地形切割較強(qiáng)烈，均以“V”形為主，兩側(cè)斜坡坡度一般為35°～40°，溝上游往北至分水嶺間地形坡度一般在45°以上，局部為陡崖地形。

徐家溝排土場(chǎng)以下溝道為較狹窄的“V”形，兩側(cè)斜坡一般為40°。溝道受人工改造影響，排土場(chǎng)上下游均設(shè)置地下排水洞，溝道水流經(jīng)地下繞排。至下游段徐家溝礦區(qū)及溝口金沙江階地地形較平緩，有利于碎屑物的堆積。

1.2 物源條件

主要物源有兩個(gè)方面：一方面是斜坡面及溝道內(nèi)的松散堆積物，另一方面是徐家溝礦區(qū)沿溝分布的棄渣。根據(jù)送審物源的分布特征，將松散物源劃分為清水區(qū)松散物源、形成區(qū)松散物源、流通區(qū)松散物源、堆積區(qū)松散物源。各分區(qū)松散物儲(chǔ)量計(jì)算見表1。

表1 易參與泥石流的物源動(dòng)儲(chǔ)量統(tǒng)計(jì)表

1.2.1物源及儲(chǔ)量分析

(1)清水區(qū)松散物源

清水區(qū)面積為6.98km2，約占流域總面積的78%，大面積分布的清水區(qū)為泥石流的形成提供良好的匯水條件，同時(shí)也為泥石流的形成提供極少量的松散物源。

(2)形成區(qū)松散物源

分為主要物源區(qū)及次要物源區(qū)。

① 主要物源區(qū)

包括兩類：一類是溝后緣山體斜坡表面的全風(fēng)化物及殘坡積物，由于地形坡度較陡，在暴雨季節(jié)，堆積物穩(wěn)定性較差，易向沖溝一側(cè)產(chǎn)生滑移。同時(shí)，也可能在強(qiáng)降雨作用下形成坡面泥石流而向下運(yùn)移，極易啟動(dòng)大規(guī)模泥石流活動(dòng)。

另一類是沿溝大規(guī)模人工堆積的棄渣。徐家溝礦區(qū)的排土場(chǎng)則是主要棄渣堆積區(qū)，總方量近300萬m3。后續(xù)采礦過程中可能將在此處繼續(xù)堆放棄渣，松散物源量可能會(huì)進(jìn)一步增加。

②次要物源區(qū)

次要活動(dòng)物源區(qū)是指在泥石流活動(dòng)過程中，松散堆積體發(fā)生局部變形破壞現(xiàn)象，并為泥石流活動(dòng)提供一定量物質(zhì)來源的區(qū)域，如斜坡地排作區(qū)域、高陡邊坡松動(dòng)危巖體等。

該區(qū)主要分布于正長(zhǎng)巖地層分布區(qū)段內(nèi)，表層巖體風(fēng)化物呈松散狀，在地形坡度較陡的情況下，受雨水沖刷易成為泥石流的補(bǔ)充物源。

(3)流通區(qū)松散物源

泥石流在活動(dòng)過程中，隨著高能沖出物快速向下游徑流排泄，沿流經(jīng)溝道產(chǎn)生揭底沖刷，大量溝內(nèi)物質(zhì)隨泥石流沖出物一起向下游運(yùn)移，成為泥石流沿途不斷的補(bǔ)給物源。

徐家溝流通區(qū)主溝長(zhǎng)約6.3km，支溝長(zhǎng)約2.4km，泥石流流經(jīng)的大部分溝道內(nèi)基巖裸露，溝道及兩側(cè)壁侵蝕強(qiáng)烈，送審物大部分隨泥石流向下游運(yùn)移。

(4)堆積區(qū)松散物源

堆積區(qū)松散物一般不再次成為泥石流的補(bǔ)充物源，但徐家溝泥石流特殊的地形條件使現(xiàn)有部分堆積區(qū)的堆積物可能再次成為泥石流的補(bǔ)充物源，其主要原因是徐家溝礦區(qū)修建了引水洞，人為改變沖溝的排泄通道，并在引水洞入口附近大規(guī)模開挖形成寬闊的平緩地，使得泥石流沖出物在流通的過程中因引水洞斷面小受阻而漫向平緩地堆積，該處堆積物在遇極端條件時(shí)仍有可能再次成為泥石流補(bǔ)充物源。

1.2.2易參與泥石流的動(dòng)儲(chǔ)量

受地形地貌特征及堆積物自身的穩(wěn)定性影響，一次泥石流過程中，所有的松散物源不可能全部參與泥石流活動(dòng)，需將總靜儲(chǔ)量轉(zhuǎn)換成能直接參與泥石流的動(dòng)儲(chǔ)量。綜合各區(qū)松散物源的穩(wěn)定性及進(jìn)入溝道的難易程度，以一定的百分比換算徐家溝泥石流易參與泥石流活動(dòng)的動(dòng)儲(chǔ)量，見表1。

1.3 降雨及植被條件

(1)降雨條件

水是泥石流的組成部分，又是泥石流的搬運(yùn)介質(zhì)。松散固體物質(zhì)在大量充水達(dá)到飽和狀態(tài)后，結(jié)構(gòu)破壞，摩阻力降低，滑動(dòng)力增大，從而產(chǎn)生流動(dòng)。泥石流的形成與短時(shí)間內(nèi)突發(fā)性的大量降水是密切相關(guān)的。

徐家溝泥石流所在的四川攀枝花市屬南亞熱帶亞濕潤(rùn)氣候，降雨少而集中，年降水量在760～1200mm之間，90%左右的降雨量高度集中在雨季(6—10月)，一般7月達(dá)到峰值(1981—2010年統(tǒng)計(jì)7月份平均降水量為218.4mm)。集中而又持續(xù)的強(qiáng)降雨為泥石流的形成提供必要的水源條件。

根據(jù)氣象資料，“9·19”泥石流暴發(fā)前夕，攀枝花市東區(qū)18日、19日逐日雨量累計(jì)112.4mm，位于流域內(nèi)北端的務(wù)本鄉(xiāng)更是達(dá)到247.3mm，持續(xù)的強(qiáng)降雨為泥石流的暴發(fā)提供了強(qiáng)勁的水動(dòng)力條件。

(2)植被條件

流域內(nèi)地勢(shì)高差懸殊，形成以干熱河谷為基礎(chǔ)的立體氣候，植被具有明顯的垂直分帶特征。地面高程1600m以下流域內(nèi)植被覆蓋較少，多生長(zhǎng)雜草、灌木叢；高程1600m以上至分水嶺之間的主溝兩側(cè)及溝尾多為常綠闊葉林及針闊混交林，高大喬木間多生長(zhǎng)低矮灌木，整體植被覆蓋率約為60%，各支溝范圍內(nèi)植被覆蓋較少。

1.4 工程活動(dòng)影響

徐家溝流域中部硫磺溝一帶零散分布少量居民住宅、少量礦場(chǎng)及企業(yè)設(shè)施，下游段徐家溝礦區(qū)采礦、棄渣活動(dòng)強(qiáng)烈。

徐家溝礦區(qū)總面積為1.2km2。采礦活動(dòng)已將溝下游徐家溝段兩側(cè)挖掘成平緩地段，溝道寬度增大至300m左右，一旦徐家溝在礦區(qū)的地下引水隧洞排水排渣受限，沖溝內(nèi)徑流將在徐家溝礦區(qū)一帶形成漫流，形成較大范圍淤積。

棄渣堆積于礦區(qū)北側(cè)的徐家溝排土場(chǎng)，沿溝內(nèi)及兩側(cè)堆積，堆積范圍約為23.5萬m2，占據(jù)主溝長(zhǎng)度約1.02km，最大堆積厚度約為100m，總堆積方量約為300萬m3。大量的棄渣堆積于溝內(nèi)，影響溝道正常排泄，同時(shí)可能引發(fā)棄渣泥石流。

2 泥石流形成機(jī)制

從徐家溝泥石流發(fā)育條件分析看，徐家溝流域內(nèi)具備暴發(fā)泥石流的三大必要條件：①陡峻的便于集水、集物的地形；②流域內(nèi)有豐富的松散固體物質(zhì)；③短時(shí)間內(nèi)有大量水的來源。

“9.19”泥石流以持續(xù)、集中的暴雨作為激發(fā)條件，在支溝匯流和主溝侵蝕兩種主要模式相輔相成的作用下，暴發(fā)泥石流活動(dòng)。在遇持續(xù)強(qiáng)降雨時(shí)，殘坡積物土體達(dá)到飽和狀態(tài)后突然啟動(dòng)，形成坡面泥石流，坡面泥石流強(qiáng)烈沖刷坡面的同時(shí)向坡下溝谷匯聚，巨大的動(dòng)能對(duì)溝道產(chǎn)生揭底沖刷，泥石流沖出物在沿溝道向下運(yùn)移的過程中不斷揭底，接受溝道內(nèi)松散堆積物的補(bǔ)充，最終轉(zhuǎn)化為溝谷型泥石流，向硫磺溝及下游徐家溝快速運(yùn)移，造成了泥石流災(zāi)害。泥石流形成機(jī)圖如圖2所示。

圖2 泥石流形成機(jī)制框圖

3 運(yùn)動(dòng)學(xué)特征研究

3.1 泥石流重度

泥石流的容重是反映泥石流流體特征的一個(gè)重要參數(shù)指標(biāo)。根據(jù)DZ/T 0220—2006《泥石流災(zāi)害防治工程勘查規(guī)范》，采用了體積比法、基于黏土顆粒含量的容重計(jì)算法、數(shù)量化評(píng)分法三種方法對(duì)比確定徐家溝泥石流的容重指標(biāo)(表2)。其中，最大值1.662 t/m3是比較接近實(shí)際情況的，屬黏性泥石流。

表2 泥石流容重計(jì)算

3.2 泥石流流速

泥石流流速與流量是泥石流動(dòng)力學(xué)性質(zhì)中最為重要參數(shù)之一，也是泥石流防治工程設(shè)計(jì)中不可缺少的參數(shù)。

徐家溝泥石流屬黏性泥石流，流速計(jì)算采用DZ/T 0220—2006附錄I中綜合西藏古鄉(xiāng)溝、東川蔣家溝、武都火燒溝的通用公式：

(1)

計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 泥石流流速計(jì)算

徐家溝泥石流的形成及流通過程中，因分別在徐家溝排土場(chǎng)和礦區(qū)3號(hào)引水洞一帶形成兩次堵塞、淤積后沖開堵塞體而潰決，改變了泥石流的平均流速及洪峰流量特征。綜合泥石流活動(dòng)情況及現(xiàn)場(chǎng)典型溝道斷面測(cè)算的流速，認(rèn)為斷面8、斷面9測(cè)算出的流速作為泥石流防治設(shè)計(jì)依據(jù)較符合實(shí)際，即為Vc=7.07～7.62m/s，平均值為7.35m/s。

3.3 泥石流流量

分別采用形態(tài)調(diào)查法和雨洪法對(duì)比計(jì)算泥石流流量。

(1) 形態(tài)調(diào)查法

經(jīng)對(duì)12條典型過流斷面進(jìn)行實(shí)測(cè)斷面形態(tài)(圖3)，根據(jù)實(shí)測(cè)過流斷面面積及以上計(jì)算得出的泥石流流速，按規(guī)范推薦的流量公式計(jì)算斷面洪峰流量：

圖3 典型過流斷面圖

Qc=Wc·Vc

(2)

計(jì)算結(jié)果見表4。

表4 泥石流流量計(jì)算表

(2) 雨洪法

根據(jù)《四川省中小流域暴雨洪水計(jì)算手冊(cè)》中的推理公式推求出最大洪水流量Qm，計(jì)算公式如下：

(3)

然后采用DZ/T 0220—2006中的公式計(jì)算泥石流洪峰流量Qc。計(jì)算結(jié)果見表5、表6。

表5 設(shè)計(jì)暴雨值計(jì)算

表6 不同頻率泥石流洪峰流量計(jì)算成果表

對(duì)比形態(tài)調(diào)查法與雨洪法計(jì)算結(jié)果，雨洪法的計(jì)算結(jié)果明顯偏小，洪峰流量與實(shí)際出入較大，而形態(tài)調(diào)查法得出的洪峰流量與走訪百姓調(diào)查結(jié)果較為相符。因此，對(duì)于泥石流沖出物流通過程中多次受阻形成堰塞體的情形，雨洪法計(jì)算得出的結(jié)果可能與實(shí)際情況相差甚遠(yuǎn)，不宜將雨洪法計(jì)算結(jié)果作為泥石流防治設(shè)計(jì)依據(jù)。

4 泥石流發(fā)展趨勢(shì)及危害性

4.1 泥石流規(guī)模及頻率

流域內(nèi)從未對(duì)泥石流做過系統(tǒng)的觀察記錄，綜合調(diào)查訪問結(jié)果及沿溝堆積物分布情況，得出徐家溝泥石流暴發(fā)頻率一般是50年以上發(fā)生一次，屬于低頻或極低頻泥石流。

依據(jù)DZ/T 0220—2006中的泥石流規(guī)模分類，徐家溝泥石流溝1%頻率一次泥石流活動(dòng)堆積總量為38.48萬～39.8萬m3，洪峰流量為1793.08m3/s，屬特大型泥石流溝。

4.2 一次泥石流(可能)最大沖出量

徐家溝泥石流活動(dòng)過程中多次受阻塞淤積，整個(gè)過程時(shí)間明顯延長(zhǎng)，采用DZ/T 0220—2006中的公式計(jì)算一次泥石流沖出總量誤差較大，可采用調(diào)查法確定一次泥石流沖出總量。

泥石流在3號(hào)引水洞部位淤塞后，大部分在徐家溝礦區(qū)平緩堆積，另外一部分在再次沖開引水洞后向下游溝口金沙江排泄。經(jīng)對(duì)堆積物及入江部分沖出物測(cè)算，一次泥石流沖出總量約為95.9萬m3，沖出固體總量為38.48萬m3。

4.3 泥石流易發(fā)性及危險(xiǎn)度

依據(jù)DZ/T 0220—2006附錄G進(jìn)行易發(fā)性評(píng)價(jià)，其易發(fā)程度評(píng)分結(jié)果為96分，易發(fā)程度屬易發(fā)。

根據(jù)劉希林、唐川的《泥石流危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)》，泥石流的危險(xiǎn)程度是指遭到泥石流損害的可能性大小，是一個(gè)概率概念，最小概率為0%，最大概率為100%，則危險(xiǎn)度取值范圍為[0，1]。泥石流的危險(xiǎn)度由危險(xiǎn)因子綜合判定，各泥石流危險(xiǎn)因子的賦值與其權(quán)重的乘積之和即為泥石流的危險(xiǎn)度Rd。

Rd=0.2353GL1+0.2353GL2+0.1176GS1+

0.0882GS2+0.0735GS3+0.1029GS6+

0.0147GS7+0.0588GS9+0.0441GS10+

0.0294GS14

(4)

經(jīng)對(duì)以上算式進(jìn)行賦值計(jì)算得出徐家溝泥石流危險(xiǎn)度Rd=0.49，屬中度危險(xiǎn)，較少造成較大災(zāi)難及嚴(yán)重危害。

4.4 危險(xiǎn)范圍預(yù)測(cè)

泥石流危險(xiǎn)區(qū)包括泥石流形成區(qū)、流通區(qū)和堆積區(qū)，其中堆積區(qū)是危害成災(zāi)的主要部位。可通過對(duì)歷史泥石流的回訪和調(diào)查確定危險(xiǎn)區(qū)，也可按以下經(jīng)驗(yàn)公式預(yù)測(cè)泥石流堆積區(qū)的最大危險(xiǎn)范圍：

s=0.6667L×B-0.0833B2sinR/(1-cosR)

(5)

式中，L—泥石流最大堆積長(zhǎng)度，km，L=0.8061+0.0015A+0.000033W;B—泥石流最大堆積寬度，km，B=0.5452+0.0034D+0.000031W;R—泥石流堆積幅角，°，R=47.8296-1.3085D+8.8876H；A—流域面積，km2;W—松散固體物質(zhì)儲(chǔ)量，萬m3；D—主溝長(zhǎng)度，km；H—流域最大高差，km。

計(jì)算成果見表7。

表7 泥石流堆積區(qū)最大危險(xiǎn)范圍預(yù)測(cè)計(jì)算

5 結(jié)語

(1)徐家溝泥石流屬溝谷型泥石流。流域內(nèi)松散物源總儲(chǔ)量為692.2萬m3，易參與泥石流活動(dòng)的動(dòng)儲(chǔ)量約129.14萬m3。

(2)徐家溝是屬于間歇性發(fā)生大規(guī)模泥石流、綜合致災(zāi)能力很強(qiáng)的黏性泥石流溝。按頻率為1%的暴雨條件計(jì)算，泥石流最大洪峰流量為1793.08m3/s，一次泥石流沖出總量約為95.9萬m3。泥石流易發(fā)程度數(shù)量化評(píng)分為96分，故徐家溝為一條特大型泥石流溝，單溝活動(dòng)強(qiáng)，易發(fā)，中度危險(xiǎn)，潛在危險(xiǎn)性大。

(3)鑒于泥石流溝從徐家溝-密地防護(hù)區(qū)防護(hù)工程上游段穿過，且防護(hù)區(qū)位于泥石流的堆積區(qū)范圍內(nèi)，一旦暴發(fā)泥石流，對(duì)防護(hù)區(qū)場(chǎng)地的穩(wěn)定性有不利影響，同時(shí)可能帶來生命財(cái)產(chǎn)的損失及社會(huì)危害。徐家溝-密地防護(hù)區(qū)受泥石流影響較大，需采取避讓措施或進(jìn)行工程防治。