綿竹市清平鄉(xiāng)芍藥溝泥石流危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)分析①

辛聰聰 毛永星 喻文亮

1 建設(shè)綜合勘察研究設(shè)計(jì)院有限公司安徽分院，安徽 合肥 230000 2 江西省地質(zhì)局第五地質(zhì)大隊(duì)，江西 新余 338000 3 江西省新達(dá)地質(zhì)災(zāi)害防治研究院，江西 新余 338000

5.12 汶川8.0 級(jí)地震引發(fā)了大規(guī)模的同震災(zāi)害[1]，主要以崩塌、滑坡、泥石流等為主，震后長(zhǎng)時(shí)間的次生災(zāi)害給人們的生產(chǎn)生活帶來了巨大的影響。發(fā)震斷裂主要是NE 向龍門山斷裂中的主中央斷裂-映秀-北川斷裂[2]。此次地震發(fā)震較為迅猛強(qiáng)烈，發(fā)震時(shí)間較長(zhǎng)，發(fā)震時(shí)，地表破裂主要集中在映秀-北川斷裂以及江油-都江堰斷裂上，延伸長(zhǎng)度達(dá)到330km，發(fā)震時(shí)間約為2min。隨之震后的強(qiáng)烈連鎖效應(yīng)，導(dǎo)致災(zāi)害不斷，形成大量的同震災(zāi)害物源，在后期的降雨條件下，極易發(fā)生泥石流災(zāi)害。李為樂等利用震后ALOS 影像自動(dòng)提取了汶川地震重災(zāi)區(qū)綿遠(yuǎn)河流域內(nèi)的崩塌滑坡，確定災(zāi)害的數(shù)量以及面積，得出災(zāi)害中分布最廣、數(shù)量最多的是淺層崩滑體，同時(shí)由于地震力作用強(qiáng)烈，觸發(fā)了許多深層、高速、遠(yuǎn)程滑坡，并形成了大量的滑坡堰塞[3]。清平鄉(xiāng)文家溝泥石流屬于震后特大型泥石流[4-6]，主要是在地震作用下，斜坡出現(xiàn)裂縫引發(fā)滑坡、崩塌，形成堆積物源，在后期降雨作用下，堆積體失穩(wěn)，產(chǎn)生二次垮塌，物源進(jìn)入溝道內(nèi)，形成高頻泥石流，多次暴發(fā)泥石流后，溝道內(nèi)仍有物源堆積[7]。由于該地區(qū)的泥石流發(fā)生頻繁，且同時(shí)影響較大，治理將會(huì)是一個(gè)較為長(zhǎng)久的過程。強(qiáng)烈地震產(chǎn)生次生災(zāi)害，為泥石流的發(fā)生提供了物源基礎(chǔ)。

芍藥溝位于綿竹市漢旺鎮(zhèn)清平鄉(xiāng)小木嶺二級(jí)水電站旁，清水河右岸，地震后導(dǎo)致的大規(guī)模同震災(zāi)害以及后續(xù)次生災(zāi)害產(chǎn)生了大量的物源，降雨使得這些物源較為活躍，從而導(dǎo)致大規(guī)模泥石流的發(fā)生。2010、2011 年在強(qiáng)降雨條件下均發(fā)生了大規(guī)模泥石流。2017 年8 月發(fā)生強(qiáng)降雨，引發(fā)大規(guī)模泥石流，對(duì)水電站廠房造成極大的損害。芍藥溝泥石與玉麥棚子溝泥石屬于同流域不同支溝泥石流，張欣等對(duì)綿竹市清平鄉(xiāng)玉麥棚子溝泥石流性質(zhì)進(jìn)行研究，得出其為粘性泥石流，整體規(guī)模中等，流域的地形、構(gòu)造及物源等條件均有利于泥石流的的形成，特別是在強(qiáng)降雨的作用下，存在再次發(fā)生泥石流的可能性[8]。芍藥溝泥石流屬于震后泥石流，在后期多次強(qiáng)降雨條件下，出現(xiàn)多次反復(fù)性。溝內(nèi)建設(shè)有發(fā)電站以及高速公路，泥石流發(fā)生過后，高速路基沖毀，電站運(yùn)營(yíng)也受到較大的影響，因此查明芍藥溝泥石流的物源來源、啟動(dòng)機(jī)制以及發(fā)生機(jī)理，并對(duì)其進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，可以為泥石流的治理提供重要依據(jù)。 漸變緩。流域面積共1.52km2，流通區(qū)所占面積較高，為1.48km2（表1）。

表1 溝谷分區(qū)地形特征一覽表 Table 1 List of topographic features of valley subarea

1 泥石流形成條件

1.1 地形地貌

研究區(qū)內(nèi)清平鄉(xiāng)綿遠(yuǎn)河上游沿河兩岸為侵蝕淺切割低山，海拔高程785～1000m，相對(duì)高差215m。其余部分為侵蝕中切割陡峻中山，海拔高程1000～2000m，相對(duì)高度1000m。個(gè)別山峰海拔高程超過2000m（圖1）。

圖1 研究區(qū)地貌分布圖 Fig.1 Landform map of the study area

芍藥溝總體上為“V”型溝谷地貌，屬侵蝕中切割陡峻中山，上游溝段溝谷相對(duì)較為狹窄，縱坡較陡，水流較急，且動(dòng)態(tài)變化較大，具陡漲陡落的山溪溝谷特征。中游段溝谷稍寬，縱坡較緩，溝寬在20～30m。泥石流原始物質(zhì)堆積，坡面侵蝕等現(xiàn)象發(fā)育。下游段溝谷又開始變緩，溝道較窄且平直，縱坡較陡，到溝口處，縱坡又逐

流域岸坡地形坡度較大，以陡坡地貌為主，一般坡度介于30°～60°，局部近于直立，植被較為發(fā)育，中上游流域植被發(fā)育，以高等灌木為主，水土保持良好，中游以下主要為雜草和低矮灌木為主，水土流失一般。

1.2 地層巖性及物源

研究區(qū)無(wú)重要礦產(chǎn)[9-11]，區(qū)內(nèi)出露相關(guān)的地層主要為黃硐子溝組（Zbw）、天橋組（Zbt）、芍藥溝組（Zbs）、唐王寨群（D3tn）、第四系全新統(tǒng)（Q4）以及花崗閃長(zhǎng)巖（γδ(2)）（圖2）。

圖2 研究區(qū)地層巖性分布圖 Fig.2 Formation lithologic distribution map of the study area

震旦系上部黃硐子溝組（Zbw）巖性主要為灰色泥質(zhì)粉砂質(zhì)白云巖夾硅質(zhì)條帶；中部主要為棕紅色粉砂質(zhì)泥巖夾泥質(zhì)粉砂巖條帶；下部主要為淺紅色、淺灰綠色粉砂質(zhì)頁(yè)巖、石英粉砂巖和長(zhǎng)石石英粉砂巖。

天橋組（Zbt）上部為淺灰色薄板狀隱晶-微晶石灰?guī)r夾白云巖條帶；中部為具多種不同結(jié)構(gòu)構(gòu)造的厚-塊狀白云巖，有豆?fàn)畎自茙r、變鮞硅質(zhì)白云巖、白云質(zhì)硅巖夾硅質(zhì)條帶；下部為黑色炭質(zhì)頁(yè)巖夾泥砂巖、白云巖及灰黑色長(zhǎng)石石英砂巖。

芍藥溝組（Zbs）上部為花斑狀藻白云巖；中部為假鮞狀、條紋狀硅質(zhì)白云巖；下部為黑色炭質(zhì)頁(yè)巖夾黑灰色硅質(zhì)白云巖及泥質(zhì)粉砂巖條帶。

上泥盆統(tǒng)唐王寨群（D3tn）上部為淺灰色薄-厚層狀白云巖夾灰白色較純灰?guī)r，局部具鮞狀或假鮞狀結(jié)構(gòu)（即茅壩組）；下部為白云巖夾白云質(zhì)灰?guī)r（即沙窩子組）。

晉寧期花崗閃長(zhǎng)巖（γδ2(2)），巖石呈灰-淺灰綠色，細(xì)-中?；◢弾r結(jié)構(gòu)或二長(zhǎng)結(jié)構(gòu)。主要礦物有斜長(zhǎng)石，含量40%～60%，牌號(hào)An=23～38，微斜長(zhǎng)石顯著增多，含量達(dá)15%～25%，其他為石英及少量黑云母。表面的綠色往往都是次生的綠泥石和少量綠簾石渲染的結(jié)果。

第四系松散堆積層（Q）：包括泥石流堆積物（Q4sef）、沖洪積物（Q4pl+al）、坡殘積物（Q4dl+el）、崩坡積物（Q4col+dl）等（圖3，圖4）；引發(fā)泥石流的因素主要是第四系的物源（表2）。

圖3 芍藥溝溝道堆積物 Fig.3 The accumulation of Shaoyaogou channel

圖4 芍藥溝岸坡堆積物 Fig.4 The accumulation of the bank slope of Shaoyaogou channel

表2 泥石流物源特征 Table 2 Debris flow source characteristics

1.3 地質(zhì)構(gòu)造與地震

龍門山山前斷裂又稱為龍門山主邊界斷裂（F4），主要由北東段的江油斷裂、中段的都江堰-安縣斷裂和西南段的天全斷裂組成，總體走向北東35°～45°，斷面傾向北西，傾角50°～70°。在平面上總體呈左行雁列展布，局部地段如都江堰至綿竹九龍場(chǎng)呈右行雁列（圖5）。

圖5 區(qū)域構(gòu)造綱要圖 Fig.5 Regional tectonic framework map

研究區(qū)位于都江堰-安縣斷裂和北川-映秀斷裂之間，主要受控于龍門山主中央斷裂（F3），龍門山主中央斷裂主要由北川-林庵寺斷裂、北川-映秀斷裂、鹽井-五龍斷裂組成，斷裂總體走向北東45°，斷面傾向北西，傾角60°左右。斷裂兩側(cè)還發(fā)育有一系列與之平行的次級(jí)斷層，在剖面上組成疊瓦狀構(gòu)造，顯示明顯的壓性特征。

據(jù)全國(guó)地震區(qū)劃圖編制委員會(huì)編制的《中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》GB18306-2015[12]，區(qū)域地震動(dòng)峰值加速度為0.2g（圖6），地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期為0.4s，地震基本烈度為Ⅶ度。

圖6 研究區(qū)地震動(dòng)加速度 Fig.6 Ground acceleration in the study area

1.4 氣象與水文條件

小木嶺電站位于清水河上游山區(qū)，海拔在900～4405m，流域受地形及季風(fēng)影響，該地區(qū)氣候具有順西北盆地邊緣高山地區(qū)冬長(zhǎng)夏短，冬春寒冷，霜雪較多，夏秋涼爽雨水多，全年日照少，濕度大的特點(diǎn)。山區(qū)的年平均氣溫在14.4℃以下，比平壩低1.9℃以上，年降雨量在1500～1700mm；而在夏季的多雨時(shí)節(jié)，可連續(xù)3～4d，日降水量達(dá)到45mm。

1.5 泥石流成因分析

分區(qū)內(nèi)溝谷狹窄，較為平直，主要為一較順直V 型谷，流向100°左右，溝谷寬150～500m，溝床縱坡坡降較陡，平均462‰。溝谷岸坡較陡，左右側(cè)邊坡角度在30°～60°。局部為陡崖，植被稀疏，水土流失嚴(yán)重，可見基巖出露（圖7，圖8）。

圖7 溝道內(nèi)陡坡 Fig.7 Steep slope in the channel

圖8 溝道上游近景 Fig.8 Close-up of the channel upstream

該區(qū)溝谷岸坡陡峻，構(gòu)造復(fù)雜，斷層發(fā)育，松散堆積體厚度相對(duì)較大，“5·12”地震后又新產(chǎn)生了大量崩塌和滑坡，為泥石流的發(fā)育提供了大量松散固體物源。另該區(qū)局部地區(qū)震裂及滑塌非常發(fā)育，植被破壞較嚴(yán)重，水土流失加劇，產(chǎn)生大量新的坡面侵蝕物源區(qū)。

芍藥溝泥石流的水源主要來源于大氣降水。由于泥石流均發(fā)生于雨季，此外，溝域內(nèi)地下水不豐富，不構(gòu)成引發(fā)泥石流的主要水源，溝域內(nèi)沒有水庫(kù)、湖泊等集中的地表水體，因此暴雨形成的地表徑流是引發(fā)泥石流的主要水源，暴雨是泥石流的主要激發(fā)因素。

2 泥石流運(yùn)動(dòng)特征參數(shù)計(jì)算

2.1 泥石流容重

在研究區(qū)主要二級(jí)電站芍藥溝附近的溝口段、堆積扇處，取泥石流堆積物配合溝水?dāng)嚢枘嗍鳚{體，經(jīng)詢問曾見過泥石流發(fā)生性狀的二級(jí)電站員工，將漿體配成當(dāng)時(shí)泥石流漿體濃度（主要參照2010 年“8·13”清平鄉(xiāng)群發(fā)性泥石流期暴發(fā)時(shí)的性狀）并進(jìn)行稱重，量測(cè)漿體體積，計(jì)算其重度作為泥石流流體的重度，其計(jì)算公式為：

式中γc為泥石流重度（t/m3）；Gc為配制泥漿重量（t）；V為配制泥漿體積（m3）。經(jīng)公式（1）計(jì)算芍藥溝主溝泥石流重度在1.824～1.983t/m3之間，平均值為1.851t/m3。

2.2 泥石流流速

泥石流流速是決定泥石流動(dòng)力學(xué)性質(zhì)最重要的參數(shù)之一，目前泥石流流速計(jì)算公式多為半經(jīng)驗(yàn)或經(jīng)驗(yàn)公式。芍藥溝泥石流屬粘性泥石流，其流速采用粘性泥石流通用公式進(jìn)行計(jì)算：

式中Vc為泥石流斷面平均流速（m/s）；Hc為泥石流流體水力半徑（m），可近似取其泥位深度；Ic為泥位縱坡率，以溝道縱坡率代替；nc為粘性泥石流溝床糙率。經(jīng)公式（2）計(jì)算結(jié)果為2.727m/s。

2.3 泥石流流量

按中國(guó)公路科學(xué)研究所提出的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算地表水匯水流量。

當(dāng)匯水面積F≥3km2時(shí)計(jì)算公式為：

當(dāng)匯水面積F<3km2時(shí)：

式中Qp為暴雨洪峰流量（m3/s）；Ψ為暴雨徑流系數(shù)；F為匯水面積（km2），S為小時(shí)降雨（mm/h）。本文匯水面積均小于3km2，采用公式（3-2）。其中，表中P 值為設(shè)計(jì)發(fā)生頻率（即100年發(fā)生泥石流的頻數(shù)），求得的各斷面部位暴雨洪峰流量值詳見表3。

泥石流峰值流量計(jì)算：

式中，Qc為泥石流斷面峰值流量（m3/s）；Φ為泥沙修正系數(shù)，采用公式Φ=（γc-γw）/（γH-γc）計(jì)算得出，其中γc為泥石流重度（t/m3），γw為水的重度（t/m3），γH泥石流固體物質(zhì)的重度（t/m3）；Qp為暴雨洪峰流量，在表3 中已經(jīng)算出；Dc為堵塞系數(shù)，可查《泥石流災(zāi)害防治工程勘查規(guī)范》DZ/T0220-2006[13]得出對(duì)應(yīng)經(jīng)驗(yàn)值。代入公式（4）計(jì)算得到結(jié)果（表4）。

表3 芍藥溝溝口暴雨洪峰流量計(jì)算表 Table 3 Calculation table of floodhead flows of rainstorm at the exit of Shaoyaogou

表4 芍藥溝泥石流峰值流量計(jì)算表 Table 4 Peak flow calculation table for the muddy stream of Shaoyaogou

2.4 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》（DZ/T0220-2006）[13]附錄I 提供的計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算，一次泥石流過流總量計(jì)算公式：

式中，Q為一次泥石流過程總量（m3）；K為匯流系數(shù)；T為泥石流歷時(shí)（s）；Qc為泥石流最大流量（m/s）。

一次泥石流固體沖出物的計(jì)算公式：

式中QH為一次泥石流沖出固體物質(zhì)總量（m3）；Q為一次泥石流過程總量（m3）。

據(jù)前面的計(jì)算和分析測(cè)試結(jié)果，芍藥溝20 年一遇泥石流暴發(fā)時(shí)泥石流沖出量為Q=6.265×104m3，泥石流重度γc=1.851t/m3，水的重度γw=1t/m3，泥石流固體物質(zhì)重度γH=2.65t/m3，據(jù)此計(jì)算出固體物質(zhì)沖出總量為3.231×104m3（表5）。

表5 芍藥溝溝谷主要斷面泥石流固體沖出量計(jì)算表 Table 5 Calculation table of debris flow solids outflow from main section of Shaoyaogou valley

3 泥石流風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

本文對(duì)綿竹市清平鄉(xiāng)二級(jí)站芍藥溝泥石流進(jìn)行災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，主要評(píng)價(jià)方法是單溝泥石流風(fēng)險(xiǎn)性評(píng)價(jià)模型[14]，為使評(píng)價(jià)結(jié)果更為準(zhǔn)確，同時(shí)利用災(zāi)害評(píng)估規(guī)范進(jìn)行驗(yàn)證。

3.1 泥石流危險(xiǎn)度評(píng)價(jià)

汶川地震后由于引發(fā)的一系列同生災(zāi)害及后期發(fā)生的一系列次生災(zāi)害為泥石流的發(fā)生提供了豐富的物源[15]，在當(dāng)?shù)貜?qiáng)降雨的作用下，芍藥溝先后于2011 年、2012 年以及2017 年發(fā)生多次泥石流，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的調(diào)查與分析發(fā)現(xiàn)，其發(fā)生的頻率約在5%。根據(jù)單溝泥石流發(fā)生模式公式：

式中：H為單溝泥石流危險(xiǎn)度（0～1）；M、F、S1、S2、S3、S6、S9分別為評(píng)價(jià)因子m、f、s1、s2、s3、s6、s9的轉(zhuǎn)換值（表6），是泥石流運(yùn)動(dòng)特征參數(shù)，用來定量說明泥石流的特征（泥石流容重、流速、流量以及一次泥石流過流總量），對(duì)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)不影響。

危險(xiǎn)度H可劃分多個(gè)等級(jí)，分別為極低危險(xiǎn)（0～0.2）、低危險(xiǎn)（0.2～0.4）、中等危險(xiǎn)（0.4～0.6）、高危險(xiǎn)（0.6～0.8）、極高危險(xiǎn)（0.8～1）。根據(jù)（7）單溝泥石流發(fā)生模式公式得，H=0.46，為中等危險(xiǎn)（表6）。

表6 危險(xiǎn)度評(píng)價(jià)因子的轉(zhuǎn)換函數(shù)及轉(zhuǎn)換值 Table 6 Conversion function and conversion value of risk assessment factor

3.2 易損性

泥石流易損性主要體現(xiàn)在承災(zāi)、社會(huì)、經(jīng)濟(jì)以及環(huán)境等方面[8]等方面，其計(jì)算公式如下：

式中：V為單溝泥石流易損度（0～1 或0～100%）；V1為財(cái)產(chǎn)指標(biāo)（萬(wàn)元）；FV1為財(cái)產(chǎn)指標(biāo)的轉(zhuǎn)換函數(shù)賦值（0～1）；V2為人口指標(biāo)（人/km2）；FV2為人口指標(biāo)的轉(zhuǎn)換函數(shù)賦值（0～1）；I為物質(zhì)易損度指標(biāo)（萬(wàn)元）；E為經(jīng)濟(jì)易損度指標(biāo)（萬(wàn)元）；L為土地資源價(jià)值（萬(wàn)元）；a 為65 歲及以上老人和15 歲以下少年兒童的比例；b 為只接受過初等教育（小學(xué)）及以下人口的比例；r 為人口自然增長(zhǎng)率（%）；D 為人口密度（人/km-2）。

芍藥溝植被覆蓋，無(wú)人居住，主要威脅對(duì)象為溝口小木嶺一級(jí)水電站，根據(jù)其電站的投資額V1為1300 萬(wàn)元，由公式（9）算的FV1為0.8009。流域主要人口為水電站的工作人員，因此a和r為0，b=40，D=11。根據(jù)公式（10）得到FV2=-0.4015。最后由式（8）可知V=0.45。

3.3 泥石流風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

泥石流風(fēng)險(xiǎn)度公式為：

式中H為單溝泥石流危險(xiǎn)度，V為單溝泥石流易損度。

泥石流風(fēng)險(xiǎn)度R的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)：極低風(fēng)險(xiǎn)（0～0.04）、低度風(fēng)險(xiǎn)（0.04～0.16）、中度風(fēng)險(xiǎn)（0.16～0.36）、高度風(fēng)險(xiǎn)（0.36～0.64）、極高風(fēng)險(xiǎn)（0.64～1）。

結(jié)合上述泥石流危險(xiǎn)度和易損度的計(jì)算結(jié)果，綿竹市清平鄉(xiāng)芍藥溝石流的風(fēng)險(xiǎn)度R為0.207，為中等風(fēng)險(xiǎn)泥石流溝。

4 結(jié)論與建議

本文結(jié)合區(qū)域構(gòu)造、巖性、氣象水文以及區(qū)域地貌等地質(zhì)因子，同時(shí)對(duì)區(qū)域內(nèi)泥石流的物理特征收集，對(duì)其泥石流的危險(xiǎn)性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

（1）芍藥溝泥石流是在特大地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)下的災(zāi)害，其溝域范圍內(nèi)的地貌特征、物源分布、水文以及構(gòu)造條件，對(duì)泥石流的二次發(fā)生提供較好的基礎(chǔ)。

（2）芍藥溝泥石流是在地震背景下產(chǎn)生的同生或次生災(zāi)害，具有明顯的強(qiáng)震泥石流特征，物源主要源于強(qiáng)震后的滑坡與崩塌。研究區(qū)屬于強(qiáng)烈構(gòu)造活動(dòng)區(qū)，區(qū)域巖體裂隙、節(jié)理構(gòu)造面等發(fā)育，促使巖體失穩(wěn)，增加區(qū)域物源量；同時(shí)區(qū)域地貌為切割中山“V”型谷，溝岸兩側(cè)坡度大，同時(shí)此溝為支溝，河流縱比降大，為物源提供較好的失穩(wěn)勢(shì)能。

（3）根據(jù)研究，強(qiáng)降雨條件是泥石流發(fā)生的主要觸發(fā)因素，芍藥流域降雨主要集中于6～8月份的梅雨季節(jié)，降雨量較大，同時(shí)此處海拔較大，山頂降雨較大，導(dǎo)致山頂?shù)那逅畢^(qū)匯流量大，為此處泥石流發(fā)生提供較好的啟動(dòng)力。

（4）芍藥溝泥石流主要屬于主河道的支流泥石流，泥石流發(fā)育受其流域影響較大。評(píng)價(jià)危險(xiǎn)度上為中等。但由于二級(jí)站處于泥石流出口的位置，泥石流在此處易于堆積，故此對(duì)電站的正常運(yùn)行以及內(nèi)部員工的安全具有較大的影響，應(yīng)該對(duì)其的發(fā)育與破壞加大重視。

（5）在對(duì)泥石流的預(yù)防和治理過程中，建議以疏排的方式為主；另外加強(qiáng)對(duì)泥石流的控制，應(yīng)對(duì)物源及其流通區(qū)進(jìn)行植樹，而對(duì)有威脅的建筑物對(duì)象，應(yīng)該對(duì)其加固防護(hù)墻；對(duì)溝內(nèi)的物源進(jìn)行及時(shí)的清理工作，以防出現(xiàn)流水不暢的情況，在雨季對(duì)溝口進(jìn)行疏導(dǎo)；隨時(shí)對(duì)降雨量進(jìn)行監(jiān)測(cè)。