西藏拉薩市城關(guān)區(qū)格布溝泥石流特征及成災(zāi)機(jī)理研究

胡林，肖進(jìn)，羅紹強(qiáng)，徐琳

(四川省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局川西北地質(zhì)隊(duì)，綿陽(yáng) 621000)

泥石流是一種常見地質(zhì)災(zāi)害，近年來，在強(qiáng)降雨、地震等自然因素和工程活動(dòng)的人為因素作用下，泥石流地質(zhì)災(zāi)害暴發(fā)愈發(fā)頻繁，我國(guó)每年因泥石流災(zāi)害造成的損失均較為嚴(yán)重[1-3]。城關(guān)區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱，是拉薩市泥石流分布密集區(qū)之一，區(qū)內(nèi)泥石流活躍且多正處于發(fā)展期，暴發(fā)頻率高[4]，研究區(qū)具溫差大、干濕交替、高寒、高海拔的典型特征[5-6]，由于泥石流暴發(fā)突然、歷時(shí)短、成因復(fù)雜[7]，因此，系統(tǒng)研究區(qū)內(nèi)泥石流成災(zāi)機(jī)理，根據(jù)成災(zāi)機(jī)理采取針對(duì)性的防治措施，對(duì)防災(zāi)減災(zāi)、保證人民生命財(cái)產(chǎn)具有重要意義。本文以城關(guān)區(qū)蔡公堂鄉(xiāng)格布溝泥石流為例，采取資料收集、遙感解譯、地面調(diào)查等手段，查明了格布溝泥石流形成條件及動(dòng)力學(xué)特征，在此基礎(chǔ)上開展格布溝泥石流成災(zāi)機(jī)理研究。

1 泥石流概況

格布溝泥石流位于拉薩市城關(guān)區(qū)蔡公堂鄉(xiāng)者郎溝東岸格布溝內(nèi)，溝口地理坐標(biāo)：東經(jīng)91°15′16.18″、北緯29°38′40.22″，溝口距離城區(qū)約10 km，流域面積2.8 km2，主溝長(zhǎng)約2.4 km，縱坡降208.33 ‰，流向由南東向北西(圖1)。溝域地形總體上屬構(gòu)造侵蝕大起伏高山地形，坡體上部出露侏羅系下-中統(tǒng)葉巴組(J1-2y)火山巖、灰?guī)r；坡體中下部大部分被第四系殘坡積碎石土所覆蓋，厚0.4～2 m，土層結(jié)構(gòu)極為松散，坡度大于30°；溝口堆積區(qū)地勢(shì)相對(duì)平緩，原扇面形狀變化不大，堆積區(qū)內(nèi)堆積物由火山巖碎石、礫砂、中粗砂含少量細(xì)砂、粘土等混合堆積而成，平均堆積厚度約1.2 m。

1.全新統(tǒng)沖積物；2.全新統(tǒng)泥石流堆積物；3.全新統(tǒng)沖洪積物；4.全新統(tǒng)坡積物；5.全新統(tǒng)坡洪積物；6.更新統(tǒng)泥石流堆積物；7.更新統(tǒng)沖積物；8.侏羅系葉巴組；9.白堊世閃長(zhǎng)巖；10.地質(zhì)界線；11.泥石流威脅范圍；12.泥石流流域范圍；13.泥石流分區(qū)范圍；14.坡面物源及編號(hào)；15.滑坡物源及編號(hào)；16.溝道物源編號(hào)圖1 格布溝泥石流流域圖

據(jù)調(diào)查了解，格布溝泥石流每年雨季均會(huì)爆發(fā)，最近一次較嚴(yán)重的泥石流發(fā)生在2016年7月，歷時(shí)約10 min，損壞房屋3間，農(nóng)田0.5 hm2，造成經(jīng)濟(jì)損失約53萬(wàn)元。如果該泥石流再次發(fā)生災(zāi)害，將直接威脅溝口白定村9戶45人及過往車輛及行人的生命財(cái)產(chǎn)安全，潛在經(jīng)濟(jì)損失約280萬(wàn)元。

2 泥石流形成條件

2.1 地形條件

格布溝溝域面積2.8 km2，主溝道長(zhǎng)2.4 km，最高點(diǎn)海拔4 230 m，溝口海拔3 730 m，相對(duì)高差500 m，主溝縱坡降208.33 ‰，溝谷呈“V”型，寬約15～40 m，谷坡自然坡度為30°～65°，主溝兩岸斜坡坡腳陡坎、陡崖地形發(fā)育，為堆積體形成滑坡、坍塌等不良現(xiàn)象提供臨空條件。

泥石流清水區(qū)溝道長(zhǎng)約490 m，縱坡降286 ‰，兩岸坡度較陡，約30°～50°，植被發(fā)育一般，主要以雜草為主，溝道相對(duì)較窄；形成區(qū)長(zhǎng)約1 900 m，縱坡200 ‰，支溝溝谷切割較淺，主溝溝谷切割較深，坡面小型沖溝較為發(fā)育，溝道上游斜坡頂部多基巖裸露，局部裂隙發(fā)育、物理風(fēng)化較嚴(yán)重，斜坡中下部土層整體較厚，植被較發(fā)育，結(jié)構(gòu)松散-稍密；流通區(qū)長(zhǎng)約400 m，縱坡約150 ‰，溝道相對(duì)順直，無(wú)明顯堵點(diǎn)；堆積區(qū)長(zhǎng)400 m，寬約280 m，縱坡降100‰，總面積約0.12 km2，堆積區(qū)西部為古泥石流堆積扇，在北東部順河溝為新堆積扇，河溝高約1.5 m，寬約5～10 m，扇前緣為公路、居民區(qū)，地勢(shì)較平緩。

2.2 物源條件

格布溝泥石流屬溝谷堆積特征明顯的泥石流，其松散固體物源較豐富，且物源分布較為集中，主要集中于形成區(qū)、流通區(qū)。經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)物源類型主要包括滑坡堆積物源、溝道堆積物源、坡面侵蝕物源3類(圖2)。其中滑坡堆積物源2處，坡面侵蝕物源4處，溝道物源3處，其物源堆積量見表1。

表1 格布溝泥石流物源估算統(tǒng)計(jì)表

圖2 格布溝泥石流物源特征

2.3 動(dòng)力條件

城關(guān)區(qū)屬高原半濕潤(rùn)氣候區(qū)，區(qū)內(nèi)多年平均氣溫為9.48 ℃，年平均降水量495.70 mm，主要集中在6～9月，其降水量達(dá)到422.33 mm，占全年平均降雨量的85.20%，極端最大降水量637.80 mm(2014年)，極端最小降水量359.80 mm(2010年)；日最大降水量50.50 mm(2017年6月22日)[8]。根據(jù)表2、表3、表4計(jì)算可知，格布溝暴雨流量已具備泥石流可能發(fā)生的基本條件。

表2 格布溝設(shè)計(jì)雨量計(jì)算表

表3 格布溝暴雨清水流量計(jì)算表

表4 格布溝溝口各種頻率下泥石流峰值流量計(jì)算成果表

3 泥石流動(dòng)力學(xué)特征

由于格布溝流域無(wú)有效監(jiān)測(cè)資料，只能通過配方法和查表法兩種方法來確定，而這兩種方法又各有其特點(diǎn)。配方法只能對(duì)已發(fā)生過，且有人目擊的泥石流進(jìn)行測(cè)定，且測(cè)定結(jié)果只能代表當(dāng)時(shí)的一次泥石流發(fā)生的結(jié)果。由于暴發(fā)泥石流時(shí)降雨量大，水量豐富，導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的成果相對(duì)于實(shí)際情況有一定偏差。而查表法是在現(xiàn)狀調(diào)查基礎(chǔ)上帶預(yù)測(cè)性的重度值結(jié)果，可作為泥石流設(shè)計(jì)的依據(jù)。故本次勘查泥石流重度取值采用查表法。

按照《泥石流災(zāi)害防治工程勘查規(guī)范》(DZ/T0220-2006)[9]附錄H填寫泥石流調(diào)查表并按附錄G.1進(jìn)行易發(fā)程度評(píng)分，按表G.2查表確定格布溝泥石流重度和泥沙修正系數(shù)，計(jì)算出格布溝泥石流容重取值為17.03 kN/m3(γC=1.703,γH=2.65,1+φ=1.765)。

3.1 泥石流流速

由于無(wú)泥石流發(fā)生時(shí)的實(shí)際觀測(cè)數(shù)據(jù)，我們對(duì)泥石流溝的分析，主要根據(jù)查訪資料，類比利用目前泥石流運(yùn)動(dòng)特征及動(dòng)力特征研究的成果進(jìn)行分析。

根據(jù)以上的分析，我們選用了《泥石流災(zāi)害防治工程勘查規(guī)范》(DZ/T0220-2006)[9]附錄I.15通用公式計(jì)算格布溝粘性泥石流流速計(jì)算公式：

平均水深Hc=2.0 m，粘性泥石流河床糙率用內(nèi)插法由表1.5查得nc=0.067，泥石流水力坡度(‰)，用溝床縱坡代替，由于格布溝上陡下緩坡降依次降低，溝口處溝床坡降用流通區(qū)平均縱坡降代替Ic=110 ‰，計(jì)算得出格布溝溝口泥石流流速Vc=7.86 m/s。

3.2 一次泥石流總量和沖出固體物質(zhì)總量

一次泥石流過流總量按照《泥石流災(zāi)害防治工程勘查規(guī)范》(DT/T0220-2006)[9]附錄1.6提供的計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算：Q=0.264 TQc(Q：一次泥石流過程總量，T：泥石流歷時(shí)(s)；Qc：泥石流最大流量(m3/s)；一次泥石流固體沖出物按照《泥石流災(zāi)害防治工程勘查規(guī)范》(DT/T0220-2006)[9]附錄1.7提供的計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算：

QH=Q(γc-γw)/(γH-γw)

式中，QH為一次泥石流沖出固體物質(zhì)總量;Q為一次泥石流過程總量;γc為泥石流重度;γw為水的重度;γH為泥石流固體物質(zhì)的重度。將已知參數(shù)帶入上式進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見表5。

表5 格布溝泥石流一次泥石流總量和沖出固體物質(zhì)總量計(jì)算表

3.3 泥石流爬高和最大沖起高度

泥石流爬高和最大沖起高度按照《泥石流災(zāi)害防治工程勘查規(guī)范》(DT/T0220-2006)[9]附錄I提供的計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算：

式中，ΔH為泥石流最大沖起高度(m)；ΔHc為泥石流爬高(m)；Vc為泥石流平均流速(m/s)；b為泥石流迎面坡度的函數(shù)。

計(jì)算結(jié)果，泥石流最大沖起高度為3.09 m，泥石流爬高為4.94 m。

4 泥石流成災(zāi)機(jī)理研究

本文通過遙感解譯、野外調(diào)查等手段，綜合分析認(rèn)為參與格布溝泥石流的物源主要為滑坡堆積物源、溝道堆積物源、坡面侵蝕物源，根據(jù)格布溝泥石流地形條件、物源分布特征等方面進(jìn)行了分析，將格布溝泥石流成災(zāi)機(jī)理歸納為“溝岸沖洪積物-滑坡、崩塌-泥石流型”。 早期，溝道中上游形成水石流、泥流、泥石流，由于水動(dòng)力不足，固體物質(zhì)主要堆積于支溝溝口、主溝中游及中下游處，順溝堆積抬高溝床，洪水下切堆積體重新形成自然溝道，在側(cè)蝕、揭底作用下，沖溝變深、變寬，兩岸形成高1～4 m 的臺(tái)坎(臺(tái)地)，兩岸臺(tái)坎 (臺(tái)地)在降雨入滲、洪水側(cè)蝕等作用下坍塌，并參與到泥石流活動(dòng)中。

根據(jù)研究分析，格布溝泥石流具有如下特點(diǎn)：

(1) 格布溝流域內(nèi)，溝岸分布的沖洪積堆積物呈臺(tái)坎(臺(tái)地)地形，據(jù)鉆探工程斷面揭露，一般可分為2～5層，弱膠結(jié)，近臨空面處裂縫發(fā)育，洪水側(cè)蝕、掏空坡腳后易發(fā)生坍塌。

(2) 泥石流形成初期，溝岸松散堆積體上游多以洪水或水石流為主，洪水或水石流側(cè)蝕滑坡及溝道物源、揭底溝岸物源，進(jìn)而轉(zhuǎn)化為泥石流。

(3) 格布溝泥石流主溝流通區(qū)及堆積區(qū)縱坡降較小，縱坡降在100 ‰～150 ‰之間，為沖洪積物順溝堆積提供地形條件。

(4) 由于流通區(qū)、堆積區(qū)溝道縱坡降較小，水動(dòng)力較小時(shí)，固體物質(zhì)一般沿順溝堆積；當(dāng)水動(dòng)力較大時(shí)，固體物質(zhì)參與泥石流并沖出溝口。

(5) 格布溝近年暴發(fā)的泥石流，其物源主要由分布于溝道中上游兩岸的老泥石流堆積物提供，物源啟動(dòng)方式主要為在降雨、洪水作用下老泥石流堆積體形成滑坡、坍塌從而參與到泥石流活動(dòng)中。

5 泥石流發(fā)展趨勢(shì)

根據(jù)泥石流發(fā)生頻率和發(fā)展階段的演化，以及堆積區(qū)泥石流堆積物的疊置關(guān)系和泥石流發(fā)生趨勢(shì)分析，該泥石流發(fā)生強(qiáng)度有逐次增強(qiáng)的趨勢(shì)。格布溝泥石流于2016年7月爆發(fā)一次較大規(guī)模泥石流，之后每年均有小規(guī)模泥石流發(fā)生。另外近年來天氣變化，強(qiáng)降雨增多，加之溝道及坡面松散物源較多，泥石流溝道順直，縱坡較大，兩岸岸坡陡直，在強(qiáng)降雨時(shí)物源啟動(dòng)參加泥石流活動(dòng)。雖然該流域面積較小，但山坡坡度較大，縱坡較陡，短時(shí)強(qiáng)降雨不能及時(shí)形成滲流，通過地表徑流形式快速匯集，沖刷坡面及溝道，加之坡面塊碎石結(jié)構(gòu)松散，雨水沖刷后更不穩(wěn)定，更容易被侵蝕，參與泥石流活動(dòng)。因此根據(jù)以上分析格布溝泥石流發(fā)展趨勢(shì)爆發(fā)泥石流的可能性會(huì)越來越頻繁，規(guī)模逐次增大，直到活動(dòng)物源大部分剝蝕，達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

6 結(jié)論

(1) 格布溝泥石流流域面積2.8 km2，主溝道長(zhǎng)2.4 km，縱坡降208.33 ‰，兩岸物源豐富，參與泥石流活動(dòng)物源主要為3類：滑坡堆積物源、溝道堆積物源、坡面侵蝕物源。溝道順直，岸坡陡直，區(qū)內(nèi)降雨集中，已具備泥石流可能發(fā)生的基本條件，該溝在強(qiáng)降雨、地震作用下，再次暴發(fā)泥石流可能性較大。

(2) 通過計(jì)算得出格布溝泥石流流速為7.68 m/s，最大沖起高度為3.09 m，爬高為4.94 m，并計(jì)算出該泥石流在不同頻率下一次泥石流總量及沖出固體物質(zhì)總量。

(3) 成災(zāi)機(jī)理歸納為“溝岸沖洪積物-滑坡、崩塌-泥石流型”，其泥石流發(fā)展趨勢(shì)爆發(fā)泥石流的可能性會(huì)越來越頻繁，規(guī)模逐次增大，直到活動(dòng)物源大部分剝蝕，達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。