震后G318瀘定段磨子溝泥石流治理研究

王寶亮，陳洪凱，李輝良，韋 瑋

（1.核工業(yè)西南勘察設(shè)計研究院有限公司 四川 成都 610061；2.西藏東南建設(shè)有限責(zé)任公司,西藏 林芝860100；3.棗莊學(xué)院城市與建筑工程學(xué)院,山東 棗莊 277160）

0 引 言

泥石流是產(chǎn)生在溝谷中或坡地上的一種飽含大量泥沙石塊和巨礫的固液兩相流體，它介于塊體運(yùn)動與水力運(yùn)動之間，呈稀性紊流、粘性層流或塑性蠕流等狀態(tài)運(yùn)動，是各種自然因素和人類活動綜合作用的產(chǎn)物[1]。劉希林對國外泥石流機(jī)理模型進(jìn)行了梳理，為泥石流治理工程提供了設(shè)計依據(jù)[2]。陳洪凱等針對公路泥石流從形成環(huán)境、物源分析、泥石流動力學(xué)、防治技術(shù)等方面開展了系統(tǒng)性的研究和理論體系的建立[3-5]。作者曾采用地質(zhì)調(diào)繪和理論計算的方法，對震后坍塌引發(fā)型坡面泥石流形成演化機(jī)制進(jìn)行分析，提出截排水和植被防護(hù)治理措施[6]。

磨子溝位于瀘定縣瀘橋鎮(zhèn)，大渡河右岸，距大渡河約0.2 km，距瀘定縣城約6.5 km，溝口為咱里村1組，溝口地理坐標(biāo)為102°12′29.53″E，29°57′25.39″N，行政區(qū)劃上屬甘孜州瀘定縣瀘橋鎮(zhèn)咱里村。溝口與大渡河之間有G318國道通過，通村公路（寬約3.0 m）通往咱里村1組，交通較方便。磨子溝為老泥石流溝，建國后曾分別于1958年、1980年、2001年、2008年、2013年暴雨時暴發(fā)過5次泥石流災(zāi)害，磨子溝泥石流威脅下游咱里村1組55戶約640人及咱里村小學(xué)師生生命財產(chǎn)安全，可能造成G318國道淤埋斷線。一旦該溝暴發(fā)泥石流，其直接經(jīng)濟(jì)損失將大于1 000萬，災(zāi)害危害性等級為特大型（圖1～2）。

圖1 磨子溝泥石流平面圖

圖2 磨子溝泥石流特征圖

1 地震破壞作用

地震破壞表現(xiàn)為與地震同步出現(xiàn)的同震破壞，震后因地質(zhì)環(huán)境改變而導(dǎo)致的間接破壞。對于泥石流，主要表現(xiàn)為間接破壞的激活、加劇和新生。震后泥石流在啟動模式程度、物源量統(tǒng)計方法、動儲量實際參與泥石流活動等都與現(xiàn)行泥石流治理規(guī)范有較大偏差，表現(xiàn)為泥石流更加易發(fā)、泥石流所需雨量更小、參與泥石流活動的物質(zhì)更多、運(yùn)動危害更大、治理難度增加等。崔鵬等認(rèn)為震后泥石流的容重約提高10%～30%，流量可增加約50%～100%[7-8]。唐川等認(rèn)為震后區(qū)域泥石流啟動雨量降低了14.8%～22.1%，小時雨強(qiáng)降低25.4%～31.6%[9]。

瀘定縣地處青藏高原地震區(qū)的鮮水河地震帶、安寧河地震帶及龍門山地震帶交匯部位，鮮水河地震帶地震活動性最強(qiáng)烈，對本區(qū)起主控作用（圖3）。2008年“5·12”汶川地震和2013年“4·20”蘆山地震引發(fā)了震區(qū)及周邊地區(qū)大量的次生地質(zhì)災(zāi)害[10-12]，使震區(qū)泥石流進(jìn)入活躍期，在后期降雨作用下形成嚴(yán)重的泥石流災(zāi)害。

圖3 反應(yīng)譜特征周期區(qū)劃圖

2 泥石流形成條件分析

2.1 地質(zhì)條件

磨子溝溝域地形總體上屬深切割構(gòu)造侵蝕中山地形，溝域內(nèi)地形陡峻，地形臨空條件發(fā)育，為崩滑、坡面侵蝕等不良地質(zhì)現(xiàn)象的發(fā)育，以及泥石流松散固體物源的匯集提供了有利條件。溝域岸坡以陡坡地貌為主，一般坡度35°～45°，岸坡植被發(fā)育，喬、灌、草均有生長，生態(tài)環(huán)境較好。但由于斜坡較陡，地形臨空條件發(fā)育，客觀上具備不良地質(zhì)現(xiàn)象發(fā)育的地形條件，溝域內(nèi)出現(xiàn)的大量崩滑、坡面侵蝕等，為泥石流的發(fā)育提供了大量松散固體物源。

磨子溝總體上為V型谷地貌，上游各支溝溝谷較為狹窄，縱坡較陡，水流湍急，動態(tài)變化較大，具有陡漲陡落的山溪溝谷特征。下游段寬度略大，一般約20～30 m，但局部段溝谷較為狹窄，寬度僅10 m左右。溝口發(fā)育第四系寬緩堆積階地，為咱里村1組，這些寬緩階地成為人們相對集中的居住和耕作生產(chǎn)區(qū)。磨子溝泥石流沒有典型的形成區(qū)，溝域主要由清水區(qū)、形成流通區(qū)和堆積區(qū)組成，堆積區(qū)主要分布于溝口場鎮(zhèn)扇形地區(qū)。

2.2 物源條件

磨子溝泥石流松散固體物源較豐富，且物源分布較為集中，主要分布于磨子溝各支溝中上游-中下游段。作者共調(diào)查物源點(diǎn)12個，物源類型主要包括崩滑堆積物源、溝道堆積物源和坡面侵蝕物源3類。

據(jù)統(tǒng)計計算的結(jié)果，溝域內(nèi)崩滑堆積固體物源總量為16.42×104m3，可能參與泥石流活動的動儲量為 5.48×104m3；溝道堆積固體物源總量為 57.0×104m3，可能參與泥石流活動的動儲量為13.4×104m3；坡面侵蝕固體物源總量為8.6×104m3，可能參與泥石流活動的動儲量為3.0×104m3。松散固體物源量共計82.02×104m3，可能參與泥石流活動的動儲量為21.88×104m3。動儲量是根據(jù)溝道侵蝕深度、兩側(cè)邊坡物質(zhì)組成結(jié)構(gòu)及邊坡坡度等綜合確定的（表1）。

表1 磨子溝物源特征統(tǒng)計表

2.3 水源條件

磨子溝所在瀘定縣5—10月受西南季風(fēng)氣流控制，空氣暖濕，雨量逐漸增多，降雨量占全年總降雨量的90%以上，多年平均降雨量為600～700 mm（圖4）。搜集到瀘定縣2013年的日降雨量資料，其中8月24—29日有一次較大的降雨過程，日降雨量達(dá)15.5 mm，降雨過程雨量達(dá)37.3 mm；8月31日—9月6日瀘定縣經(jīng)歷了本年度最大的一次降雨過程，日降雨量達(dá)35.6 mm，降雨過程雨量達(dá)90.5 mm。根據(jù)降雨資料計算，20年一遇（P=5%），R=7.9，泥石流發(fā)生機(jī)率為0.2～0.8。磨子溝流域降雨滿足泥石流形成的臨界降雨強(qiáng)度，并且超出區(qū)域的臨界降雨值。

圖4 月降雨量統(tǒng)計圖

3 泥石流災(zāi)害史和危害性

據(jù)調(diào)訪村民尤其是老人，查閱村志等材料（圖5，表2），該溝于1958年、1980年、2008年分別發(fā)生過大小不一的泥石流災(zāi)害，“4·20”地震后流域內(nèi)物源增加，并于2013年8月底暴雨時暴發(fā)泥石流災(zāi)害，此次泥石流沖毀溝道下游村民自發(fā)修建的公路，沖毀房屋3處，田地約5畝，幸未造成人員傷亡，但是泥石流災(zāi)害造成的直接損失慘重，這次泥石流為特大暴雨（據(jù)瀘定縣2013年的日降雨量資料），呈稠粥狀，沖出固體物質(zhì)約2.5×104m3，泥石流持續(xù)時間約1 h。

圖5 泥石流災(zāi)害調(diào)查

表2 泥石流災(zāi)害發(fā)生歷史調(diào)查

根據(jù)磨子溝泥石流的災(zāi)害史，該泥石流為低頻泥石流，但隨著溝域內(nèi)物源量的增多，引發(fā)泥石流的激發(fā)雨量可能減小，發(fā)生頻率可能加密，泥石流的發(fā)展階段為發(fā)展期（壯年期），2008年泥石流頻率為50年一遇，規(guī)模等級為中型。2013年8月底泥石流規(guī)模為中型，根據(jù)雨洪法和氣象資料，判定泥石流頻率為20年一遇。

“5·12”、“4·20”地震后溝域物源量增加，溝內(nèi)崩滑等不良地質(zhì)現(xiàn)象和泥石流松散固體物質(zhì)較多，泥石流暴發(fā)的危險性增大，一旦遇到暴雨等不利情況，其發(fā)生較大規(guī)模泥石流的可能性較大，只要雨量足夠，再次暴發(fā)泥石流的規(guī)模可能達(dá)到甚至超過2013年泥石流的規(guī)模，如不及時治理，可能會對溝口1組聚居區(qū)及G318國道形成嚴(yán)重威脅。

4 運(yùn)動特征計算

由于磨子溝前期未監(jiān)測，泥石流基本特征值的計算主要參照和利用野外調(diào)查和訪問獲取的泥位、溝道斷面特征等進(jìn)行，計算指標(biāo)的確定主要根據(jù)擬設(shè)泥石流治理工程的需要，除對泥石流流體重度、流速、流量、一次沖出量、一次固體沖出物質(zhì)總量等常規(guī)指標(biāo)計算外，還結(jié)合擬建工程部位特點(diǎn)，對擬設(shè)攔擋工程部位泥石流整體沖壓力、爬高和最大沖起高度，擬設(shè)排導(dǎo)槽彎曲段的彎道超高等進(jìn)行計算和校核。

泥石流重度通過配方法和查表法來確定，為1.70 t/m3。采用雨洪法P=5%與2013年8月底泥石流相匹配，按20年一遇暴雨強(qiáng)度的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，泥石流主要運(yùn)動特征參數(shù)統(tǒng)計如表3。

5 治理措施

5.1 既有防治工程評述

針對磨子溝流域，交通部門修建國道G318時在溝口扇形區(qū)域修建有一座鋼筋混凝土簡支箱梁橋跨越泥石流，板橋橋下凈寬27.0 m，高度10.0 m，斷面約270.0 m2，根據(jù)20年一遇綜合確定泥石流峰值流量為139.91 m3/s，能夠滿足20年一遇泥石流過流要求；板橋至大渡河針對保護(hù)對象修建有不連續(xù)的漿砌塊石單邊防護(hù)堤，高度2.0 m，槽頂寬0.5 m，長度約0.1 km，溝道寬度約20 m，單邊防護(hù)堤排導(dǎo)能力有限，2013年發(fā)生泥石流停滯在溝道內(nèi)，最遠(yuǎn)到達(dá)大渡河岸邊，并未排入大渡河內(nèi)，因此修建排導(dǎo)能力較大排導(dǎo)槽是必要的（圖6）。

圖6 既有防治工程

5.2 治理措施建議

根據(jù)磨子溝泥石流的特點(diǎn)，結(jié)合已經(jīng)治理工程資料，在深入分析該泥石流溝的溝谷特征、活動特性、危險性、發(fā)展趨勢、影響因素、危害特征以及大渡河輸砂量等的基礎(chǔ)上，建議采用以攔擋固源為主的措施，在中游至中下游段修建3座攔砂壩，起到穩(wěn)攔物源和削峰減流的作用，減少到達(dá)磨子溝下游的固體物質(zhì)量，降低泥石流容重，并調(diào)節(jié)下游泥石流洪峰流量，減輕下游排導(dǎo)槽的壓力；針對保護(hù)對象設(shè)置單邊或雙邊防護(hù)堤，規(guī)整溝槽斷面，減小彎道曲率，將攔擋壩下游的泥石流物質(zhì)順暢地導(dǎo)入大渡河，保護(hù)下游村民及國道的安全。

6 結(jié)論

1）“5·12”、“4·20”震后破壞作用嚴(yán)重，泥石流地質(zhì)地貌條件發(fā)生變化，磨子溝泥石流發(fā)生所需臨界降雨強(qiáng)度值降低，參與泥石流活動的物源量增多，為21.88×104m3，泥石流容重升高，表現(xiàn)為較現(xiàn)行規(guī)范計算更大的破壞力，最大計算斷面泥石流沖擊力達(dá)123.9 kPa，所以對于磨子溝應(yīng)采用適用于震后超常規(guī)的防治措施。

2）根據(jù)磨子溝泥石流災(zāi)害特征研究和運(yùn)動特征計算結(jié)果，中下游采用攔砂壩攔擋固源，保護(hù)對象采用設(shè)置防護(hù)堤的綜合治理方法。磨子溝為老泥石流溝，交通部門采取過一定措施，所以同時開展震后既有泥石流治理工程的分析和評價，對治理結(jié)構(gòu)防治效益進(jìn)行系統(tǒng)的科學(xué)評價和總結(jié)，提出保養(yǎng)、加固、修復(fù)的治理措施，對指導(dǎo)下一步震后泥石流的防治工作意義重大。

3）磨子溝泥石流采用震后治理措施，取得了良好的效果，對保護(hù)人民生命財產(chǎn)安全和G318的安全通暢，提供了重要保障。服務(wù)國家戰(zhàn)略圍繞川藏線雅安至林芝段進(jìn)行泥石流治理研究是下一步工作的重點(diǎn)。