狹陡型泥石流成災特征與防治對策研究
——以阿壩州金川縣劉家溝泥石流為例

崔華麗，楊東旭，楊 棟，李元靈，賈 逸，吳 波*

（1.中國地質科學院探礦工藝研究所，四川 成都 611734；2.成都華建地質工程科技有限公司，四川 成都 611734）

0 引言

2008年汶川8.0級地震誘發(fā)了大量的崩塌、滑坡，據(jù)粗略估算區(qū)內(nèi)新增松散固體物源量達55.86×108t［1］，為泥石流的活動提供了豐富的物源。受地震影響，大量溝道從山洪溝轉化為泥石流溝，針對重震區(qū)、（特）大規(guī)模的泥石流災害，眾多學者從泥石流的暴發(fā)成因、泥石流特征、成災（堵河）分析、防治經(jīng)驗等方面均進行了大量的研究［2-7］。其中一類“狹陡型泥石流”的特征指標、防治對策以及動力學特性與震前常規(guī)泥石流存在顯著差異，燒房溝、小崗劍、磨子溝、連山大橋溝、福堂溝、蔣家溝均屬于此類。屈永平等［8-9］、楊東旭等［10］在對汶川震區(qū)泥石流災害的調查與分析中得出，狹（急）陡（窄）溝道泥石流流域面積＜5 km2，溝道縱比降＞300‰，溝道橫斷面以V形為主，流域內(nèi)單位面積物源量豐富，區(qū)域強降雨集中，活動旺盛。韓玫等［11］以都汶高速沿線磨子溝為例，分析了汶川震區(qū)窄陡溝道型泥石流動力學過程，并分析其危險范圍、評價其危害性，為此類泥石流防治工程措施提供了依據(jù)。楊東旭等［12］以小崗劍泥石流災害為例分析了強震-暴雨疊加區(qū)泥石流在形成、活動及危害方面的典型特征，并提出了相應的防治對策。陳明等［13］以汶川瓦窯溝為例，研究其動力特性及啟動、侵蝕、堆積演化過程，提出應開展對震區(qū)急陡溝道型泥石流風險評估、監(jiān)測、早期預警等研究，治理方案也需有效組合運用。

狹（急）陡（窄）型泥石流暴發(fā)時間短、沖出速度快、沖出距離遠、成災性強，危害大，因此有必要針對單條狹陡型泥石流溝道的特點，深入分析治理難點，提出針對性、適宜性的防治新技術。近年來高頻小流域、成災性與危害性較弱的狹陡型泥石流受關注較少，在災害防治方面未引起重視，在治理經(jīng)驗方面還存在一些不足。本文以阿壩州金川縣劉家溝泥石流為例，分析該泥石流溝的成災機理、堵江可能性并結合溝道情況提出適宜的治理措施，以期為同類型泥石流防治提供思路。

1 研究區(qū)概況

1.1 流域概況

劉家溝位于阿壩州金川縣卡撒鄉(xiāng)腳姆塘村，為卡撒溝的支溝。流域面積0.36 km2，主溝長1.43 km，溝域內(nèi)最高點高程2710 m，溝口高程2124 m，相對高差達566 m，溝道平均坡降409.8‰。劉家溝溝域內(nèi)無支溝發(fā)育，且無清水匯流區(qū)，遙感圖像顯示為白色條帶狀（見圖1）。溝域內(nèi)植被不發(fā)育，流域形態(tài)指數(shù)δ=A L2定量計算［14］為0.168。

圖1 劉家溝流域全貌Fig.1 Liujia gully drainage area

1.2 地貌環(huán)境

劉家溝溝道切割較深，跌水和陡坎較發(fā)育，溝道兩側地形坡度在50°左右，局部可達65°以上，整個溝域由形成流通區(qū)、堆積區(qū)組成。形成流通區(qū)在2161～2710 m，區(qū)縱坡432.28‰，溝道較窄，溝底寬約3～5 m（鄰脊寬度170～280 m），呈典型V字形深切溝谷，兩側斜坡在30°～50°，局部可達70°，此段滑坡堆積體和殘坡積體發(fā)育；2161 m至溝口段縱比降111.45‰，地形平緩，溝道較淺，為泥石流的堆積區(qū)。

1.3 地層巖性

研究區(qū)內(nèi)地層主要為中生界三疊系中統(tǒng)雜谷腦組（T2z），巖性為淺灰、灰、深灰色中層、厚層及塊狀變質長石石英砂巖、石英砂巖、凝灰質砂巖、粉砂巖夾灰色粉砂質板巖、炭質板巖。砂、板巖之比為5∶1～7∶1，砂巖以單層厚、分布集中為特征。

1.4 地質構造與地震

劉家溝流域位于滇藏歹字形構造頭部外圍與金湯弧形構造西半弧復合部位。其構造的顯著特點是：一方面區(qū)內(nèi)褶皺構造發(fā)育，斷裂不發(fā)育，以擠壓緊密、軸部尖棱為特征之褶皺為主，一個大的褶皺往往由數(shù)個至數(shù)十個次級褶皺組成，一個次級褶皺，又包含多個揉皺、撓曲，斷裂主要有向陽斷裂和燒日斷裂，皆為推測斷裂；另一方面，兩構造體系之構造形跡表現(xiàn)形式不一，并在平面上構成明顯分區(qū)，其中歹字形構造體系為區(qū)域性強大的壓應力作用的產(chǎn)物，由一系列強烈擠壓之線性褶皺組成，構造線呈北西線展布，而金湯弧形構造體系為局部應力場的產(chǎn)物，應力相對較弱，主要由一系列強烈擠壓之緊密褶皺組成，由北向南褶皺緊密程度遞增，構造軸線呈東西向、北西西向，地層多以塑性變形為主。

研究區(qū)新構造運動十分強烈，第四紀以來主要表現(xiàn)為強烈升降運動和斷裂活動。川西北斷塊的3條邊界——托索湖-瑪沁-文縣斷裂帶、龍門山斷裂帶和鮮水河斷裂帶均為活動斷裂。晚近期以來地震活動十分強烈且頻繁，這些地震主要分布于川西北斷塊的邊界斷裂帶上。流域地處鮮水河地震帶和松潘地震帶之間，抗震設防烈度為7度，地震加速度值為0.10g。劉家溝溝道縱、橫斷面及物源如圖2、圖3所示。

圖2 劉家溝溝道縱斷面及物源Fig.2 Longitudinal-section and source of Liujia gully

圖3 劉家溝溝道典型橫斷面Fig.3 Cross-section of Liujia gully

1.5 氣象氣候

劉家溝流域屬明顯的大陸性高原季風氣候，流域內(nèi)為高山峽谷區(qū)，地形復雜，相對高差大，氣候呈立體分布，隨海拔高度、地形不同而有差異。區(qū)內(nèi)大致可分為2種氣候類型區(qū)：（1）暖溫帶季風氣候，在海拔2400 m以下，活動積溫3400～4500℃，年降雨量606.8～654.4 mm；（2）在海拔2400～2800 m中溫帶季風氣候，活動積溫3400～1600℃，年降雨量654～745 mm。金川縣泥石流發(fā)育地區(qū)的特征為1 h降雨量≥10 mm，24 h降雨量≥30 mm時就有發(fā)生泥石流的可能。

2 泥石流發(fā)育特征及致災機制

2.1 物源與勢能

泥石流發(fā)生的勢能條件與泥石流流域地形地貌關系密切，金川縣陡峻的地形為泥石流發(fā)生提供了良好的勢能和動能條件，主要表現(xiàn)在溝谷流域高差一般較大，溝谷為典型的深V形谷，使得溝道內(nèi)或兩岸松散堆積物具有較大勢能，有利于向動能轉化進而引發(fā)泥石流。

劉家溝形成流通區(qū)溝道兩側發(fā)育有5處滑坡以及5處坡面傾蝕物源，上游泥石流啟動區(qū)（海拔2710～2335 m），溝 道 長801 m，平 均 縱 坡 為468.16‰，此段溝道在泥石流側蝕作用影響下，概算大約有17.52×104m3物源儲量，動儲量約6.03×104m3；中游啟動區(qū)（海拔2335～2180 m），溝道長362 m，平均縱坡為375.23‰，概算大約有17.8×104m3物源儲量，動儲量約5.97×104m3。形成流通區(qū)單位面積上的物源量達98.11×104m3，該段溝道在下蝕和側蝕作用下，大量殘坡積物以垮塌和滑坡的形式持續(xù)補給泥石流，增大了泥石流的規(guī)模和破壞力。

2.2 泥石流暴發(fā)歷史及危害

劉家溝泥石流威脅對象是沿溝兩岸農(nóng)田、溝口兩岸的居民以及道路。自1997年起，每年雨季均會暴發(fā)不同規(guī)模的泥石流，受泥石流災害的影響，目前溝口鄉(xiāng)道已經(jīng)改道。在近兩年（2020年、2021年）發(fā)生的泥石流災害中，泥石流漫出溝道，堵塞卡撒溝，形成2.0 m高的堰塞壩，造成上游淤積，回水淹沒了溝道堆積區(qū)左側平壩區(qū)。由于大顆粒物質殘留在主河道內(nèi)，很難被主河攜帶走，卡撒溝在此處過流能力嚴重減弱，溝道被壓縮變形。參見圖4。

圖4 2021年6月泥石流淤積情況Fig.4 Debris flow event on June,2021

2.3 災害鏈機制

根據(jù)劉家溝泥石流災害暴發(fā)歷史分析，其暴發(fā)時間與連續(xù)降水或短時強降雨具有明顯一致性，表明降水是該泥石流發(fā)生的觸發(fā)因素。

降雨及其形成的徑流直接導致溝谷兩岸的滑坡和坡面傾蝕在流水側蝕作用下解體，松散土體被席卷進入狹陡的溝道，形成堵塞體，在上游暴雨洪峰流量作用下，堵塞體潰決形成泥石流，這種堵潰并非單一的，而是沿溝道發(fā)育，多次堵潰作用下，對泥石流峰值流量產(chǎn)生極大的放大作用［15］。泥石流進入主河，堵塞主河，形成堰塞壩，造成危害。在整個泥石流形成和發(fā)生過程中，呈現(xiàn)出的是一個降雨—侵蝕下切—崩滑—堵塞體—堵塞體潰決—席卷溝床物質—進一步侵蝕下切—進一步崩滑—進一步堵潰—增大的泥石流規(guī)?！呷呷麎螡Q—卡撒溝中、下游損害的成災過程。

2.4 泥石流流量特征值計算

2.4.1 不同降雨頻率下泥石流的流量

據(jù)《四川省中小流域暴雨洪水計算手冊》所附暴雨量等值線圖，由變異系數(shù)查皮爾遜Ⅲ型曲線，求得P＝5%設防頻率下的1 h、6 h雨強值分別為33.4、47.1 mm，利用雨洪法計算泥石流的流量：

式中：Qc——頻率為P的泥石流峰值流量，m3/s；Qp——頻率為P的暴雨洪水流量，m3/s；Ф——泥石流泥沙修正系數(shù)，Ф＝（γc-γw）/（γH-γc）；γc——泥石流重度，kN/m3；γw——清水的重度，kN/m3；γH——泥石流中固體物質重度，kN/m3；Dc——泥石流堵塞系數(shù)。下同。

泥石流重度是影響泥石流峰值流量的關鍵因素，從泥沙攜帶能力考慮，重現(xiàn)期越長，泥石流溝的水力條件越好，攜帶大塊石能力越強，泥石流重度越高［16］。泥石流的流量計算結果見表1。

表1 不同頻率下泥石流峰值流量計算Table 1 Calculated peak volumes of debris flow at different frequencies

2.4.2 一次泥石流活動總量預測

泥石流歷時T和泥石流流量Qc是決定泥石流一次活動總量的關鍵，按泥石流暴漲暴落的特點，將其過程概化“三角形”狀［17］，通過斷面一次泥石流總量Wc由下式計算：

一次沖出固體物質的總量Ws由下式計算：

據(jù)式（2）、（3），計算出該溝一次泥石流總量和相應的固體物質總量（見表2）。

表2 泥石流固體物質總量Table 2 Total solids in debris flow at different frequencies

2.4.3 形態(tài)調查法

根據(jù)2021年6月20日泥石流泥位、過流面積，采用形態(tài)調查法（表3）計算泥石流的流量明顯大于根據(jù)雨洪法計算的泥石流峰值流量（表2），表明溝道內(nèi)堵潰作用造成了泥石流流量沿程放大。

表3 形態(tài)調查法計算劉家溝泥石流流量Table 3 Calculated volumes of debris flow in Liujia gully

2.4.4 泥石流沖擊力計算

劉家溝形成流通區(qū)平均縱坡為468.16‰，使得泥石流在運動過程中，沿程流速加大，沖擊力增強，本文選取擬設工程部位為計算斷面，對單塊塊石最大沖擊力進行計算。計算公式如下，計算結果見表4。

表4 單塊塊石最大沖擊力計算結果Table 4 Calculated maximum impact force of a single stone

式中：F——對墩的沖擊力，kN；γ——動能折減系數(shù)，巨石沖擊時取0.3；α——受力面與泥石撞擊面接觸角，取90°；W——巨塊石重力，kN；C1、C2——巨石與建筑物的彈性變形系數(shù)，取C1+C2=0.0005；Vs——泥石流中塊石移運速度，m/s。

3 泥石流堵河可能性判別

3.1 泥石流與主河交匯條件

劉家溝溝口于2021年修建了長50.0 m的排導槽，排導槽過流面積23.22 m2，根據(jù)雨洪法計算是可以滿足20年一遇泥石流過流能力的，但由于排導槽與主河卡撒溝交匯角為87°，近似直角交匯，泥沙沉降速度加快［18］，較易形成堆積體，增加堵塞卡撒溝的可能性。

3.2 堵河可能性計算

根據(jù)泥石流溝口的斷面寬度、流量及泥石流重度參數(shù)、主河在匯口處斷面寬度、流量及河水重度參數(shù)，泥石流溝與主河交匯的夾角等，將主河與泥石流不同設計洪水頻率以及兩者不同組合條件下的相關參數(shù)帶入泥石流堵河流量判別指標［19］公式進行計算：

式中：QM——主河單寬流量，m3/s；QB——支槽泥石流單寬流量，m3/s；θ——泥石流溝與主河交匯的夾角，（°）；γG——支槽泥石流重度，kN/m3；γM——主槽水流重度，kN/m3。

計算得CF＝-8.42，即會產(chǎn)生堵河。

徐永年等［20］通過分析堵河影響因素，選取主要因子，得到泥石流堵江的危險程度表達式：

式 中：γm、γc——主 河 和 支 溝 重 度，kN/m3；Qm、Qc——主河和支溝流量，m3/s；Jc、Jm——主河和支溝比降，%；θ——入?yún)R角，（°）。

據(jù)金川縣河流統(tǒng)計數(shù)據(jù)，卡撒溝長度23.5 km，落差2250 m，坡降95.25‰，流域面積246.2 km2，多年平均流量4.31 m3/s，由于溝口修建的排導槽使泥石流歸流，目前可見主支溝夾角為87°，卡撒溝水流重度取10 kN/m3，劉家溝泥石流重度取18 kN/m3。計算K＝20.74，根據(jù)莊建琦等［19］將K=10作為泥石流堵江的臨界指標，K大于或接近10后泥石流便會發(fā)生堵江。

3.3 堵河規(guī)模判別

根據(jù)正交入主河的三角形堰塞體堵河，所需最小泥石流總量，則堵溝所需堆積體的最大體積依以下經(jīng)驗公式估算：

式中：B、h——河面寬度、水寬，m；b——滑坡堆積體順河頂寬，m；ɑ——溝口原堆積扇或岸坡的坡度，（°）。

卡撒溝在此段河寬15.0 m，按形成3.0 m高的堰塞壩，水深1.5 m，溝口堆積扇坡度65°計算堵河所需堆積體體積為2419.30 m3，大于20年一遇泥石流固體物質含量。

4 泥石流防治的特殊性

（1）形成流通區(qū)溝道兩岸松散殘坡積物層較厚，岸坡垮塌發(fā)育，未見明顯基巖出露，中部縱坡達432.28‰，溝道橫向平均寬度約6.0 m，最窄處僅3.0 m，溝底跌水。若在此段修建攔擋工程，回淤庫容和反壓穩(wěn)固方量極為有限，壩肩、壩基穩(wěn)定性堪憂，且溝道狹窄、縱坡較陡，設備轉運以及布置的施工難度大。

（2）劉家溝泥石流在形成過程中，沿程鏟刮溝床質堆積物、席卷坡腳殘坡積或崩坡積等松散堆積物以及堵塞體潰決導致流速、流量在向下游運動的過程中都呈現(xiàn)出顯著的沿程放大效應，用傳統(tǒng)的雨洪法推求泥石流流量，與現(xiàn)場泥痕調查法得出的流量指標相比偏小，防治工程的設計參數(shù)不能滿足實際流量的要求。

（3）出山口距離主河入口處有600 m，此段縱坡達111.45‰，溝道僅有1.0 m深，溝型不明顯，泥石流暴發(fā)時極易漫出溝道，因此此段需修建歸流工程，避免漫流與堵河成災。

5 防治思路與措施

5.1 泥石流形成流通區(qū)設置潛坎群

防沖潛坎可以起到穩(wěn)固岸坡，防治物源揭底啟動，潛坎應急防沖以格賓石籠為宜。格賓石籠具有施工快速，就地取材，搬運輕便，少擾動的施工工藝。主體聯(lián)結強，整體穩(wěn)定，耐沖刷，成本較低，因其柔性強，可抵抗高強度壓力，可承受大范圍的變形而不破裂，可以依地勢靈活布置，整體結構穩(wěn)定，可有效提高地基承載力和沖刷淘蝕，且具有很強的抵御自然破壞及耐磨蝕和抗惡劣氣候影響的能力，使用壽命長。

5.2 出山口設置攔擋壩

劉家溝泥石流為粘性泥石流，并含眾多大石塊，縱坡較陡，在出山口處流速較大的石塊將產(chǎn)生巨大的沖擊力，嚴重威脅下游建筑物及卡撒溝的行洪?；诖?，經(jīng)現(xiàn)場比選在出山口處岸坡覆蓋層較薄，且溝道變緩，具有較好的攔擋條件處修建一座攔砂壩，以攔擋溝道中的巨石及較大固體物質，減小泥石流對下游的破壞［21-22］。

5.3 堆積區(qū)設置排導工程

針對堆積區(qū)溝道縱坡可以排泄泥石流，與出山口攔擋壩銜接做成八字堤導流，修建雙邊防護堤，對泥石流進行歸流，在入主河處修建雙邊排導槽，與主河呈小角度交匯，最大限度利用主河的輸移能力，對泥石流進行排導［22］。

5.4 建立監(jiān)測預警系統(tǒng)

降雨是劉家溝泥石流暴發(fā)的激發(fā)因素，流域內(nèi)局部降雨明顯，且流域附近無雨量站。當監(jiān)測到可能發(fā)生泥石流的臨界雨量時，及時進行預警預報，減少災害發(fā)生的可能性。另由于溝道內(nèi)物源比較豐富，在降雨激發(fā)情況下，物源一旦啟動，極易形成堵潰性泥石流，因此建議加強群測群防，在溝道上游、中游及下游建立雨量監(jiān)測系統(tǒng)，尤其在溝道中游安裝裂縫計，加強對滑坡物源的監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)滑坡物源大規(guī)模啟動時，及時采用聲光報警器進行預警［23］。

防治工程規(guī)劃示意見圖5。

圖5 防治工程規(guī)劃示意Fig.5 Mitigation planning for Liujia gully

6 結論與討論

通過現(xiàn)場調查、理論計算與分析，探討了劉家溝泥石流的成災特征并提出可行的防治措施，得出結果如下：

（1）劉家溝泥石流屬于高頻泥石流，由于溝道狹陡，溝口流速、流量出現(xiàn)沿程放大，使用雨洪法計算數(shù)據(jù)難以滿足工程設計要求，設計理念、方法與設防標準均應有所調整。

（2）劉家溝泥石流流域面積僅0.36 km2，平均縱坡為409.8‰，流域完整性系數(shù)為0.168，溝道橫斷面以典型V形，單位面積上物源量達98.11×104m3。溝口已建排導槽與主河呈大角度相交，加重了堵河可能性，泥石流堵河定量分析以及堵河所需體積計算均表明在發(fā)生20年一遇泥石流災害情況下均會發(fā)生堵河。

（3）受限于較窄的溝道以及極陡的縱坡降，施工設備及材料轉運、基礎開挖難度較大，在施工階段，需地質災害專業(yè)人員全面科學評估泥石流災害的鏈式效應，科學有效組織施工，避免次生災害發(fā)生。

（4）需加強對溝道物源、溝域內(nèi)降雨量及泥石流活動的動態(tài)監(jiān)測，尤其是對松散物源穩(wěn)定性和失穩(wěn)情況的監(jiān)測，建議安裝專業(yè)儀器在汛期實行實時監(jiān)測。