九寨溝縣勿角鎮(zhèn)甲勿溝泥石流運動參數(shù)特征與堵河分析

蔣清明,郝紅兵,楊學之,蒙明輝

(1.四川省華地建設(shè)工程有限責任公司,成都 610081;2.四川省地質(zhì)災(zāi)害防治工程技術(shù)研究中心,成都 610081)

泥石流是一種分布廣泛,具有突發(fā)性、偶然性且破壞力極強的地質(zhì)災(zāi)害。泥石流的形成有三大條件,即地形條件、物源條件、水源條件,在西部山區(qū),地形主要以高山峽谷為主,為泥石流的形成創(chuàng)造了良好的地形條件;“5.12”地震對震區(qū)內(nèi)山體擾動較大,新增了大量的松散固體物源,臨溝臨坎處穩(wěn)定性較差的第四系松散堆積體易啟動參與泥石流過程;隨著西部大開發(fā)的進一步加強加深,在西部山區(qū)具有較強的人類工程活動,人類工程活動也新增了部分泥石流固體物源,進一步增強了泥石流的形成規(guī)模;近年來極端天氣增多,強降雨天氣持續(xù)增加,為泥石流的形成提供了較好的降雨條件。

由于泥石流易發(fā)性逐漸增加、破壞性極強等特點,前人對泥石流開展了較為深入的研究。許多學者主要從地形地貌條件、松散固體物質(zhì)條件、植被發(fā)育條件及降水情況等多方面深入分析了泥石流的形成條件[1-3];也有部分學者從泥石流的運動特征方面進行了較為深入的研究[4];豐富的理論研究成果為泥石流的防治提供了理論依據(jù)及經(jīng)驗。

2020年8月15～17日,九寨溝勿角鎮(zhèn)甲勿溝流域經(jīng)歷持續(xù)強降雨過程,根據(jù)附近勿角鎮(zhèn)甲勿氣象觀測站數(shù)據(jù)可知,8月15日降雨量為21.9 mm,8月16日降雨量為38.2 mm,8月17日降雨量為37.3 mm,3 d降雨量總和達到97.4 mm,單日降雨量接近5 a一遇降雨強度,在連續(xù)經(jīng)歷強降雨天氣后,甲勿溝于8月17日凌晨發(fā)生大規(guī)模泥石流過程,泥石流持續(xù)時間近3 h,沿途沖毀旅游道路,淤埋村民房屋,泥石流溝口處綿九高速公路項目部幾乎被完全淤埋,直接經(jīng)濟損失超過4 000萬元,溝口處沖出的固體物質(zhì)方量約20.0×104m3。

受九寨溝“8.8”地震影響[5],再加上甲勿溝本身有利的地形條件、物源條件等[6],甲勿溝泥石流本身屬于易發(fā)性較強的泥石流溝[7,8],一旦甲勿溝再次發(fā)生大規(guī)模泥石流過程,將直接威脅溝域內(nèi)的熊貓園、甲勿池景區(qū)及游客中心、旅游道路等旅游設(shè)施,除此之外還威脅沿溝的居民區(qū)、溝口的勿角場鎮(zhèn)以及綿九高速公路等,其危害性較大[9]。因此,對泥石流的基本特征、運動參數(shù)特征及堵河可能性等進行研究,對泥石流的防治具有重要的參考意義。

1 流域概況

甲勿溝泥石流位于九寨溝縣勿角鎮(zhèn)甲勿村,屬湯珠河左岸一級支流,流域面積43.9 km2,主溝全長10.7 km,最高點位于流域西南側(cè)山脊部位,高程3 335 m,最低點位于主溝與湯珠河交匯處,高程1 780 m,相對高差1 555 m,溝道平均縱坡降145.9‰。流域?qū)購娏仪懈顓^(qū),總體地勢西南高、東北低,河谷深切,地形起伏大。山坡坡度一般在20°以上,部分地區(qū)坡度在50°以上,總體上具有岸坡陡峻,切割深度大,呈現(xiàn)上陡下緩的空間特征。甲勿溝流域地形呈葉脈狀,共發(fā)育有9條主要支溝,其中二道坪溝、6#支溝為泥石流溝,其余7條支溝均為清水溝(圖1)。

圖1 甲勿溝流域概況圖

2 泥石流分區(qū)特征

根據(jù)泥石流形成條件和松散固體物源的分布情況,將甲勿溝溝域劃分為清水區(qū)、形成流通區(qū)、堆積區(qū)等三大片區(qū)[10]。

2.1 清水區(qū)特征

清水區(qū)主要分布于主溝2 460 m高程以上至溝源頭部位。面積約32.04 km2,主溝2 460 m以上至溝源段長2.3 km,最大高程3 335 m,相對高差875 m,平均縱坡降380.4‰。區(qū)內(nèi)溝谷形態(tài)多呈“V”型槽谷;溝道岸坡陡峻,岸坡坡角35°～60°。清水區(qū)森林植被發(fā)育較好,保水性好,不良地質(zhì)現(xiàn)象較弱,主要為泥石流的形成匯集水源和提供水動力條件。

2.2 形成流通區(qū)特征

形成流通區(qū)主要分布于溝域中下游,流域面積約11.73 km2,分布高程1 815～2 460 m,相對高差645 m,該段溝道長度約5.2 km,平均縱坡降為124.9‰。該區(qū)溝谷形態(tài)多呈“U”型槽谷,溝道上游局部地段呈“V”形峽谷(見圖2);岸坡坡角在20°～60°之間,溝底為第四系沖洪積層及前期泥石流堆積層,岸坡局部基巖裸露,出露地層主要為生物碎屑灰?guī)r及石英巖狀砂巖等。該區(qū)發(fā)育有較多崩塌和滑坡等不良地質(zhì)現(xiàn)象,為泥石流提供了大量松散固體物源;形成流通區(qū)溝道較長,其沖淤特征視不同溝段的彎曲程度以及縱坡降差異而表現(xiàn)出不同的特點,縱坡較大處表現(xiàn)為以沖為主,局部稍緩部位以沖淤平衡為主[11]。

圖2 形成流通區(qū)地形地貌

2.3 堆積區(qū)特征

堆積區(qū)主要分布于主溝高程1 815 m以下至主河湯珠河段,該段主溝溝長約0.61 km,溝道高程1 770～1 815 m,溝寬50～100 m,平均縱坡降73.8‰,流通堆積區(qū)面積約0.13 km2。該區(qū)段溝道平均縱坡比降變緩,溝床變寬,水動力條件減弱,溝道沖淤特征以淤積為主[11]。

3 泥石流運動特征參數(shù)計算

泥石流運動特征參數(shù)計算主要從形態(tài)調(diào)查法以及雨洪法兩個方面入手,既可驗證泥石流運動特征參數(shù)計算的準確性,也可為泥石流的堵河分析提供依據(jù)。形態(tài)調(diào)查法根據(jù)現(xiàn)場試驗、現(xiàn)場實測泥痕、泥位及溝道斷面等進行計算,雨洪法計算參數(shù)主要根據(jù)《四川省中小流域暴雨洪水計算手冊》及相關(guān)規(guī)范[12]中闡述的方法進行計算得到。

3.1 泥石流容重

(1) 配漿法重度取值

甲勿溝泥石流近期發(fā)生過泥石流過程,根據(jù)泥石流流體性質(zhì),在溝道上中下不同部位共進行了12次重度實驗,配漿法重度計算公式見泥石流勘查規(guī)范[12],此處不再進行贅述,其結(jié)果見表1。

(2) 雨洪法重度取值

雨洪法重度取值是結(jié)合配漿法以及查表法進行綜合取值。查表法是在現(xiàn)狀調(diào)查基礎(chǔ)上,綜合了流域內(nèi)地質(zhì)環(huán)境條件、溝道特征及物源發(fā)育分布等特性,帶預測性,更能反映泥石流特征及實際情況。泥石流過后溝域內(nèi)局部物源發(fā)生了啟動,物源特征、啟動條件及堵塞程度在一定程度上發(fā)生了變化,采用配漿法及查表法確定泥石流重度參數(shù)均存在誤差。因此,雨洪法重度取值考慮不同斷面現(xiàn)場實際及查表法等綜合分析取值確定,結(jié)果見表2。

3.2 泥石流流速

由配漿法及查表法結(jié)果可知,泥石流屬于稀性泥石流,對流速的計算采用原鐵道部第二勘察設(shè)計院推薦的西南地區(qū)經(jīng)驗公式(式1)進行計算[12]。

(1)

式中,Vc為泥石流斷面平均流速;1/n為清水河床糙率系數(shù),查水文手冊;R為水力半徑,一般用平均泥深代替;I為泥石流水力坡度,一般按溝床縱坡代替;φ為泥沙修正系數(shù);γH為泥石流固體物質(zhì)容重。

根據(jù)公式及各斷面部位溝道特征,形態(tài)調(diào)查法及雨洪法10 a一遇降雨強度(P=10%)各斷面部位泥石流流速計算結(jié)果見表3。

通過形態(tài)調(diào)查法及雨洪法泥石流流速計算結(jié)果對比可知,甲勿溝“8.17”泥石流流速接近雨洪法10 a一遇降雨強度下的流速,說明甲勿溝“8.17”泥石流的強度接近10 a一遇降雨條件下的泥石流強度。

表2 泥石流重度綜合取值統(tǒng)計表

表3 泥石流流速計算表(形態(tài)調(diào)查法及雨洪法)

3.3 泥石流峰值流量

(1) 形態(tài)調(diào)查法

采用形態(tài)調(diào)查法對泥石流流量進行計算[12],計算公式為:

Qc=WcVc

(2)

式中,Qc為泥石流斷面峰值流量(m3/s);Wc為泥石流過流斷面面積(m2),采用調(diào)查測繪獲取的溝道形態(tài)參數(shù);Vc為泥石流斷面平均流速(m/s)。

據(jù)此求得形態(tài)調(diào)查法各斷面位置泥石流峰值流量,計算結(jié)果見表4。

表4 甲勿溝“8.17”泥石流流量計算統(tǒng)計表(形態(tài)調(diào)查法)

(2) 雨洪法

暴雨洪峰流量計算根據(jù)相關(guān)規(guī)范[12]及計算手冊[13]公式計算地表水匯水流量,計算公式為:

(3)

式中,Q為最大洪峰流量(m3/s);ψ為洪峰徑流系數(shù);i為最大平均暴雨強度;s為暴雨雨力;n為暴雨公式指數(shù);F為集水面積(km2);τ為流域匯流時間(h)。

暴雨洪峰流量計算結(jié)果見表5。

在計算求得暴雨洪峰流量的基礎(chǔ)上,根據(jù)規(guī)范[12],采用下式(式4)進行泥石流峰值流量的計算:

Qc=(1+φ)QpDc

(4)

式中,Qc為泥石流斷面峰值流量(m3/s);φ為泥沙修正系數(shù);Qp為暴雨洪峰流量;Dc為堵塞系數(shù),按規(guī)范查表確定。

各斷面泥石流峰值流量計算結(jié)果詳見表5。

表5 泥石流暴雨洪峰流量與峰值流量計算結(jié)果(雨洪法)

通過形態(tài)調(diào)查法及雨洪法泥石流峰值流量計算結(jié)果對比可知,甲勿溝“8.17”泥石流峰值流量比雨洪法10 a一遇降雨強度下的峰值流量偏小較多,如主溝服務(wù)中心上游形態(tài)調(diào)查法流量為80.261 m3/s,雨洪法流量為115.55 m3/s,又如主溝溝口形態(tài)調(diào)查法流量為127.92 m3/s,雨洪法流量為161.79 m3/s,所有計算斷面形態(tài)調(diào)查法計算結(jié)果均比雨洪法計算結(jié)果小。推斷主要原因是因為現(xiàn)場調(diào)查時能準確測量最高泥位線,但由于泥石流后期強度逐漸變?nèi)?泥石流的攜砂能力減弱,溝道內(nèi)逐漸淤積有固體物質(zhì),導致現(xiàn)場測量的過流斷面偏小,進而導致形態(tài)調(diào)查法計算得到的泥石流峰值結(jié)果偏小。

4 泥石流堵河分析

甲勿溝溝口為湯珠河,“8.17”泥石流過程中,大量固體物源進入主河,造成主河的堵塞以及河床的抬升,主河河水以及甲勿溝洪流在交匯處形成漫流之勢,大量河水越過河堤,河水攜帶大量泥砂及碎石,淤埋了陽山村安置點以及勿角場鎮(zhèn),淤埋深度平均達0.5～1.0 m,最大深度處達到2.0 m(圖3)。

針對泥石流堵塞主河問題,陳德明[14]、唐川[15]、張金山[16]等國內(nèi)許多學者對其進行了相應(yīng)研究,提出了泥石流堵河的經(jīng)驗判別式。

參照陳德明等提出的泥石流堵河可能性的經(jīng)驗判別式,對可能堵河閾值進行計算。

(5)

式中,γ支為泥石流流體重度(t/m3);γ主為主河河水重度(t/m3);Q支為泥石流峰值流量(m3/s);Q主為泥石流發(fā)生時主河河水流量,取湯珠河洪期平均流量(m3/s);V支為泥石流入?yún)R時的流速(m/s);V主為泥石流入?yún)R處主河河水流速(m/s);α為泥石流溝入?yún)R角(°);Cγ為閾值,為1.44。

前文第3節(jié)對泥石流運動特征參數(shù)進行了計算,根據(jù)泥石流流量、流速等計算結(jié)果,采用判別式進行堵河閾值計算,計算結(jié)果見表6。

表6 甲勿溝堵塞主河判斷閾值計算表

由表6可見,甲勿溝泥石流堵河閾值均大于1.44,泥石流堵塞湯珠河的可能性較大,大規(guī)模的泥石流固體物質(zhì)沖出后進入湯珠河,勢必會將主河道河床抬高,減小主河道的過流斷面面積,進而減弱主河道的過流能力。

通過對甲勿溝泥石流的發(fā)災(zāi)歷史調(diào)查以及溝域特征的分析,泥石流堵塞主河道湯珠河的可能性基本與計算結(jié)果一致。

圖3 甲勿溝溝口淤積范圍

5 結(jié)論

(1) 甲勿溝具有較好的地形條件、物源條件等,在經(jīng)歷持續(xù)強降雨過程時,易發(fā)生泥石流過程,對溝域內(nèi)的熊貓園、甲勿池景區(qū)及游客中心、旅游道路等旅游設(shè)施,沿溝的居民區(qū)、溝口的勿角場鎮(zhèn)以及綿九高速公路等造成較大的危害。

(2) 通過現(xiàn)場配漿法及查表法,泥石流重度相對較小,泥石流性質(zhì)屬于稀性泥石流;通過形態(tài)調(diào)查法及雨洪法泥石流流速、流量等計算結(jié)果對比可知,甲勿溝“8.17”泥石流強度接近10 a一遇降雨強度下的泥石流強度。

(3) 由于泥石流后期強度逐漸減弱,泥石流的攜砂能力降低,溝道內(nèi)逐漸淤積有固體物質(zhì),現(xiàn)場實際測量的過流斷面比泥石流峰值過流時的過流斷面偏小,進而導致形態(tài)調(diào)查法計算得到的泥石流峰值結(jié)果偏小。

(4) 甲勿溝泥石流松散固體物源豐富,堆積區(qū)溝道較短,大部分沖出固體物質(zhì)堆積于溝口至主河道之間,容易造成主河道湯珠河堵塞,根據(jù)泥石流堵河判別公式計算,泥石流堵塞湯珠河的可能性較大。