樂(lè)西高速五彝灣泥石流動(dòng)力學(xué)特征及危險(xiǎn)性分析

肖學(xué)沛， 蔣 銳， 李 博

(四川省公路規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司， 成都 610041)

西南山區(qū)構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈，巖體破碎，降雨豐沛，地形復(fù)雜，為泥石流的形成與發(fā)育提供了有利條件[1-3]，常威脅山區(qū)公路、鐵路等交通工程安全施工與運(yùn)營(yíng)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，國(guó)道318線西藏段沿線威脅公路安全通行的泥石流主要有88條，其中大型泥石流有23條之多，如迫龍溝、古鄉(xiāng)溝、米堆溝、培龍溝等泥石流[4-5]；都(江堰)汶(川)高速同樣也飽受泥石流災(zāi)害的威脅，如2010年8月14日銀杏坪溝暴發(fā)特大型泥石流，淹沒(méi)了正在建設(shè)中的都汶高速連山村特大橋部分橋梁樁基及施工設(shè)備；次年，該溝再次爆發(fā)泥石流，致使施工設(shè)備及當(dāng)?shù)仫嬎芫€被沖毀或掩埋，2019年汶川“8·20”強(qiáng)降雨誘發(fā)的泥石流災(zāi)害等又導(dǎo)致都汶高速多段線路被破壞[6]。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國(guó)西部山區(qū)的公路沿線泥石流高達(dá)5 000～6 000條，對(duì)公路施工及正常運(yùn)行構(gòu)成極大威脅，如正在建設(shè)的川藏鐵路拉薩至加查段(長(zhǎng)212.8 km)有83條對(duì)鐵路產(chǎn)生威脅的泥石流[7-8]，加查—朗縣段(長(zhǎng)約156 km)則有45條威脅鐵路安全的泥石流[9]。

五彝灣流域中上游山高坡陡，構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈，崩塌滑坡現(xiàn)象嚴(yán)重，大量的松散堆積體在暴雨及水流的沖刷下進(jìn)入主河，水土流失嚴(yán)重。人類工程活動(dòng)，如道路建設(shè)、房屋建設(shè)及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)導(dǎo)致堆積區(qū)植被破壞，高陡臨空面增多，泥石流溝道變窄，勢(shì)必會(huì)加劇水土流失、崩滑等不良地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生，從而為泥石流的形成提供較為一定的物源，增大了泥石流爆發(fā)風(fēng)險(xiǎn)。此外，樂(lè)西高速公路途經(jīng)的大涼山地區(qū)幾乎沒(méi)有類似工程的泥石流防治經(jīng)驗(yàn)。為此，本文以樂(lè)西高速五彝灣泥石流為例，分析評(píng)價(jià)該泥石流溝的動(dòng)力特征及危險(xiǎn)性對(duì)樂(lè)西高速沿線泥石流防治措施的影響，這對(duì)確保樂(lè)西高速施工及運(yùn)行具有重要意義。

1 五彝灣溝地質(zhì)環(huán)境條件

五彝灣流域位于四川省馬邊縣袁家溪鄉(xiāng)額落村境內(nèi)，為典型的構(gòu)造剝蝕中山峽谷地貌，流域面積約7.53 km2，流域內(nèi)最高海拔為1 820 m，最低海拔為850 m，相對(duì)高差為980 m，溝道平均縱比降為187‰。流域溝道侵蝕下切嚴(yán)重，多為“V”形谷，兩側(cè)山高坡陡，平均坡度約40°，局部直立。該流域?qū)僦衼啛釒Ъ撅L(fēng)氣候帶，年平均降雨量976.0 mm。馬邊縣河流屬岷江水系，五彝灣流域降雨匯入沙壩河，沙壩河向北匯入馬邊河，如圖1所示。

圖1 五彝灣泥石流地理位置及流域示意

馬邊縣處于四川臺(tái)坳川中臺(tái)拱西南緣的觀音—馬邊向斜和涼山褶皺帶的結(jié)合部上，主要表現(xiàn)為南北向構(gòu)造體系、旋轉(zhuǎn)構(gòu)造體系。五彝灣流域內(nèi)出露地層由新到老分別為第四系全新統(tǒng)崩坡積層(Q4dl+pl)、殘坡積層(Q4dl+el)、滑坡堆積層(Q4del)、沖洪積層(Q4al+pl)等；侏羅系自流井組(J1z)；三疊系雷口坡組(T2l)、嘉陵江組(T1j)、飛仙關(guān)組(T1f)、銅街子組(T1t)。巖性主要為泥巖、砂巖、粉砂巖、白云巖、灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r、泥灰?guī)r等。

流域內(nèi)的地下水類型主要為松散堆積層孔隙水和基巖裂隙水2類。松散堆積孔隙水零星分布于河床及其沿岸或谷坡地帶的沖洪積或崩坡積堆積層內(nèi)；基巖裂隙水主要賦存于砂巖、粉砂巖等巖體風(fēng)化裂隙和構(gòu)造裂隙中。

2 五彝灣泥石流溝基本特征

五彝灣流域內(nèi)新生界第四系全新統(tǒng)崩坡積(Q4dl+pl)、殘坡積(Q4dl+el)、滑坡堆積(Q4del)、沖洪積(Q4al+pl)等松散堆積物分布廣泛，如圖2所示。物源主要類型可分為崩滑物源、坡面物源、溝道物源和人工物源4類。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、結(jié)合遙感解譯，采用相關(guān)計(jì)算方法[10-12]，估算得出五彝灣流域松散固體物質(zhì)總量約337.2萬(wàn)m3，其中能直接參與泥石流活動(dòng)的動(dòng)儲(chǔ)量為76.4萬(wàn)m3，占物源總量的22.6%，各類泥石流物源量及其占比見表1。

圖2 五彝灣泥石流物源分布

表1 五彝灣泥石流各類物源總量及動(dòng)儲(chǔ)量×104 m3

根據(jù)五彝灣泥石流溝物源及堆積物的運(yùn)動(dòng)、分布特征，將五彝灣流域大致分為清水區(qū)、形成流通區(qū)和堆積區(qū)，其中清水區(qū)分布于溝底高程1 050 m以上區(qū)域，形成流通區(qū)位于主溝溝底高程1 050 m～860 m，堆積區(qū)(泥石流堆積扇)位于溝底高程960 m以下區(qū)域，分別占整個(gè)流域面積(約7.53 km2)的40.51%、58.96%、0.53%，如圖3所示。

圖3 五彝灣流域溝道縱斷面

根據(jù)《四川省中小流域暴雨洪水計(jì)算手冊(cè)》(1984年)計(jì)算得出該流域設(shè)計(jì)點(diǎn)暴雨量，見表2。五彝灣流域年均降雨量為800 mm～1 200 mm，根據(jù)T/CAGHP 006—2018《泥石流災(zāi)害防治工程勘查規(guī)范(試行)》，其爆發(fā)泥石流的24 h、1 h、10 min臨界雨強(qiáng)值分別為10 mm、20 mm和60 mm。

表2 五彝灣流域設(shè)計(jì)點(diǎn)暴雨成果 mm

從表2可知，五彝灣流域僅在2年一遇(P=50%)頻率下，每個(gè)時(shí)段的設(shè)計(jì)點(diǎn)暴雨均大于區(qū)域泥石流暴發(fā)的臨界降雨量，表明五彝灣流域降雨十分豐富，泥石流水源條件十分充足。

3 五彝灣泥石流運(yùn)動(dòng)特征研究

五彝灣泥石流溝為老泥石流溝，物質(zhì)組成多為塊碎石，巖性以砂巖為主，直徑多為20 cm～80 cm，含少量白云巖、白云質(zhì)灰?guī)r、泥灰?guī)r，石塊磨圓度差，呈網(wǎng)狀分布，空隙被泥沙填充，膠結(jié)程度高。

3.1 泥石流容重的確定

泥石流粘土顆粒(<0.005 mm)含量與泥石流容重存在以下關(guān)系[13]：

γc=-1.32×103x7-5.13×102x6+8.91×102x5-55x4+34.6x3-67x2+12.5x+1.55

(1)

式中：γc為泥石流容重，g/cm3；x為泥石流堆積物中粒徑小于60 mm粘粒含量占比。

根據(jù)顆分、水分試驗(yàn)數(shù)據(jù)，五彝灣泥石流堆積物中粘粒含量為0.59%，見表3，由式(1)計(jì)算出五彝灣泥石流容重為1.551 g/cm3。

表3 不同粒徑含量占比

3.2 泥石流流速與流量

五彝灣泥石流屬于稀性泥石流，參照T/CAGHP 006—2018《泥石流災(zāi)害防治工程勘查規(guī)范(試行)》中稀性泥石流流速計(jì)算公式：

(2)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查獲得斷面面積Asc，可通過(guò)式(3)計(jì)算泥石流峰值流量Qc，結(jié)果見表4。

Qc=Asc×Vc

(3)

式中：Qc為泥石流峰值流量,m3/s;Asc為調(diào)查斷面的過(guò)流面積，m2；Vc為通過(guò)調(diào)查斷面的泥石流平均流速，m/s。

表4 五彝灣不同斷面泥石流流速及流量

3.3 一次泥石流總量

一次泥石流總量Q，可根據(jù)泥石流歷時(shí)T和泥石流峰值流量Qc按下式計(jì)算：

Q=0.264TQc

(4)

式中：Q為一次泥石流總量，m3；T為泥石流持續(xù)時(shí)間，s，本次研究泥石流持續(xù)時(shí)間T取30 min。

一次泥石流沖出的固體物質(zhì)總量QH按下式計(jì)算：

QH=Q(γc-γw)/(γH-γw)

(5)

式中：QH為一次泥石流固體物質(zhì)總量，m3。

五彝灣流域不同暴雨頻率下，一次泥石流總量Q及一次泥石流固體物質(zhì)總量QH結(jié)果見表5。

從表5可知，在各設(shè)計(jì)暴雨頻率下，從泥石流的上游至下游(斷面3-3′至1-1′)，固體物質(zhì)約占泥石流總量32%～33%，屬稀性泥石流；從1-1′斷面可知，泥石流規(guī)模主要為中小型泥石流。

4 五彝灣泥石流危險(xiǎn)性研究

4.1 泥石流危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)因子及權(quán)重

根據(jù)五彝灣泥石流的發(fā)育及活動(dòng)特征，采用單溝泥石流危險(xiǎn)度評(píng)價(jià)方法[14]，以泥石流危險(xiǎn)度14個(gè)二級(jí)指標(biāo)因子為依據(jù)，同時(shí)根據(jù)該溝的實(shí)際調(diào)查情況及資料分析，對(duì)該溝進(jìn)行危險(xiǎn)度評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)因子的權(quán)重見表6。

表5 五彝灣泥石流一次泥石流總量計(jì)算

表6 泥石流危險(xiǎn)度評(píng)價(jià)因子的權(quán)重

從表6中14個(gè)評(píng)價(jià)因子可知，Wc10的權(quán)重最大，Wc5的權(quán)重次之，其余危險(xiǎn)因子的權(quán)重較小。

4.2 泥石流危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)

泥石流的危險(xiǎn)度計(jì)算：1) 通過(guò)權(quán)重用層次分析法對(duì)14個(gè)評(píng)價(jià)因子進(jìn)行賦值；2) 根據(jù)實(shí)地訪問(wèn)及實(shí)測(cè)數(shù)值對(duì)每一個(gè)因子打分；3) 將各個(gè)因子的得分(X)與相應(yīng)的權(quán)重(Wci)相乘即可求出泥石流危險(xiǎn)度值(R)，見表7。

計(jì)算結(jié)果的危險(xiǎn)度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)為：R<30，泥石流危險(xiǎn)度低；30≤R<65，泥石流危險(xiǎn)度中等；65≤R<130，泥石流危險(xiǎn)度高；R≥130，泥石流危險(xiǎn)度極高。

泥石流危險(xiǎn)度評(píng)價(jià)公式為：

R=Wci×Xi

(6)

式中：R為泥石流危險(xiǎn)度值；Wci為各評(píng)價(jià)因子的權(quán)重；Xi為各評(píng)價(jià)因子的得分。

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)訪問(wèn)及實(shí)測(cè)值，由式(8)計(jì)算得出五彝灣泥石流的危險(xiǎn)度R為45.23，按照危險(xiǎn)度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)可知，五彝灣泥石流屬于中等危險(xiǎn)度的泥石流溝，此結(jié)果與實(shí)地調(diào)查的定性結(jié)果一致。

表7 泥石流危險(xiǎn)度評(píng)價(jià)因子及賦值

5 結(jié)論

五彝灣泥石流是樂(lè)西高速公路沿線典型的泥石流災(zāi)害之一，本文通過(guò)對(duì)五彝灣泥石流發(fā)育、運(yùn)動(dòng)特征的分析研究，得出以下結(jié)論：

1) 五彝灣泥石流溝為一老泥石流溝，地質(zhì)歷史上曾發(fā)生過(guò)泥石流。目前，五彝灣泥石流類型為溝谷+降雨+混合+低頻+(中～大)型+稀性泥石流，一般情況下以水石流或洪水為主。

2) 采用單溝泥石流危險(xiǎn)度評(píng)價(jià)方法得知五彝灣泥石流危險(xiǎn)度R為45.23，屬于中等危險(xiǎn)度，此結(jié)果與實(shí)地調(diào)查的定性結(jié)果一致，在未來(lái)較長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)仍將十分活躍，再次發(fā)生大規(guī)模災(zāi)害性泥石流的可能性較大，特別是遭遇地震、極端氣候等強(qiáng)大外力情況時(shí)，泥石流暴發(fā)的頻率和規(guī)模都將大大增加。

5) 擬建高速公路位于五彝灣流域上游，屬于泥石流弱發(fā)育區(qū)，高速公路遭遇災(zāi)害性泥石流的可能性較小。但為了保證擬建高速公路工程建設(shè)和運(yùn)行的安全，建議高速公路橋梁設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮橋梁的凈寬跨、凈高等設(shè)計(jì)參數(shù)，建議采用大跨度結(jié)構(gòu)通過(guò)泥石流區(qū)，建成后加強(qiáng)對(duì)五彝灣泥石流長(zhǎng)期活動(dòng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。