茂縣磨溝泥石流發育特征及其防治措施
2011-01-01 00:00:00劉德兵,鄧茂林,吳昊,李毅
中華建設科技 2011年2期
【摘 要】“5·12”汶川大地震地震引發了大量的次生地質災害。這些次生地質災害阻斷交通，堵塞河流，威脅民房和安置點，對災區人民的生命財產安全形成了嚴重威脅，并為災區過渡性安置和災后重建工作遺留重大的安全隱患。本文論述了四川省地震災區茂縣磨溝泥石流流域地質環境條件、發育特征，通過對多種地質環境因素的綜合量化分析，對其易發程度進行了判斷，并針對泥石流災害特點提出了相應的綜合治理措施。
【關鍵詞】泥石流；發育特征；防治措施；磨溝
The development characteristics of Mo Gou debris flow in Mao Xian and control measures
Liu De-bing，Deng Mao-lin，Wu Hao，Li Yi
(Sichuan Shudong geology investigate adesign research institute Dazhou Sichuan 635006)
【Abstract】“5.12” Wenchuan earthquake caused a large number of secondary geological disaster. These disasters are blocking traffic， blocking the river， threatening homes and settlements， has posed a serious threat to the lives of the people in disaster areas， and also left a significant security risk to disaster transitional settlement and reconstruction work. This paper discusses the geological environment and development characteristics of Mo Gou debris flow in Mao Xian， judges their degree of susceptibility through comprehensive quantitative analysis of a variety of geological environmental factors， and takes corresponding integrated control measures according to the debris flow characteristics.
【Key words】Debri;Development characteristics;Control measures;Mo Gou
1. 引言
“5·12”汶川大地震給四川省造成極為嚴重的人員傷亡和財產損失，同時因地震引發了大量的滑坡、崩塌、泥石流等次生地質災害。黃潤秋等對這次地震觸發地質災害的發育分布規律進行了研究，截至2008年7月20日，42個重災縣(市)震后新增可統計地質災害隱患多達8627處，其中泥石流837處［1］。這些次生地質災害阻斷交通，堵塞河流，威脅民房和安置點，對災區人民的生命財產安全形成嚴重威脅，同時也嚴重影響災區搶險救災工作的順利開展，并為災區過渡性安置和災后重建工作遺留重大的安全隱患。黃潤秋對“5·12”地震地質災害的基本特征及其對災后重建的影響進行了分析［2］。本文對茂縣磨溝泥石流的發育特征和防治措施進行了研究，以便為相關部門對該泥石流的治理提供科學依據和為該區域的災后重建提供保障。
磨溝位于茂縣南新鎮與鳳儀鎮交界處，為岷江的一級支溝，屬于一條老泥石流溝。“5·12”地震之前，75年來磨溝發生過兩次泥石流，其中1954年屬小型泥石流，而1976年屬中型泥石流。磨溝泥石流一旦再次暴發，將直接威脅到極危險區內的25戶人數200余人（含學校）的生命財產安全，其潛在危險性等級為中型。因此，研究磨溝泥石流的發育特征，預測其暴發規模，并立即開展應急治理工作十分必要。
2. 流域地質環境條件
2.1 氣象水文。
磨溝處于高原型季風氣候區，區內氣候溫和，冬無嚴寒，夏無酷暑；但由于區內地形復雜，小氣候效應、垂直分帶氣候顯著，河谷與高山氣溫懸殊。據茂縣多年氣象資料，全縣多年平均氣溫11.1℃，極端最高氣溫32℃，極端最低氣溫-11.6℃，最冷月平均氣溫0.8℃，最熱月平均氣溫20.4℃，但各地氣溫差異大，大約海拔每升高100m，平均氣溫下降0.55～0.6℃；區內降雨多集中在5～10月份（圖1），具有隨海拔增加而降雨量增大的特點，多年平均降水量490.7mm，年最大降水量598.7mm，24h最大降水量約75.2mm；另據《四川省中小流域暴雨洪水計算手冊》查圖得，工作區6h最大降雨量約24.5mm，1h最大降雨量約23.2mm，10min最大降雨量8.6mm。
2.2 地形地貌。
工作區地處川西北高原東北部的高山峽谷地帶，屬長江流域岷江水系上游強烈抬升區。第三紀末喜山運動以來由于受區域整體間歇性抬升和河流強烈下切侵蝕作用的影響，區內山勢巍峨，溝谷深切，山嶺海拔高度一般3500～4500m，嶺谷高差1000m左右，呈現出強烈隆升深切割的中高山～高山地貌景觀。
磨溝流域（見圖2）地勢SE高NW低，溝道長約8.5Km，流域面積約14.2Km2。流域內最高點為溝源九頂山，海拔高度4550m，最低點為溝口岷江河谷，最低標高1485m，相對高差約3065m。標高1630m以上的中、上游地區，溝谷平面形態呈串珠狀的倒三角形形態，U形谷與V形谷相間，溝道狹窄，縱坡坡降137.8～559.6‰不等，總體呈逐漸變緩的趨勢；以下為泥石流堆積扇地貌，由于各期堆積扇相互堆疊或切割，堆積扇地貌不規則，總體表現出中軸高于兩側，扇緣突出擠壓岷江河道的特征。堆積區內，磨溝經中軸以東大角度匯入岷江，入河口標高為1887.9m［3］。
2.3 地層巖性。
流域內地表出露有新生界第四系全新統（Q4）、中上更新統（Q2+3）及古生界泥盆系月里寨群（Dyl1-2）地層及志留系茂縣群（Smx4-5）五～四段地層。
第四系全新統（Q4）松散堆積層主要分布在泥石流堆積區及磨溝西南側，其主要成因類型有：泥石流堆積層（Q4sef）、崩坡積層（Q4c+dl）、坡洪積層（Q4dl+pl）、沖洪積層（Q4al+pl）及殘坡積層（Q4dl+el）等；局部地段還零星分布有人工填土層（Q4me）。中上更新統（Q2+3）沖洪積層（Q2+3al+pl）主要分布在岷江Ⅰ級基座階地一帶，階地前緣出露良好，階坡陡峭，靠山一側已遭后期坡、洪及泥石流堆積物所掩蓋。該層上覆Q4sef塊、碎石土，下伏Smx4千枚巖，分布標高為1490～1520m之間。
古生界泥盆系月里寨群（Dyl）在磨溝上游及溝源段對稱重復出露，由于褶皺作用，組成了倒轉向斜的核部。其中，月里寨群上組（Dyl2）由淺海相泥頁巖～碳酸巖建造，與下伏Dyl1地層為逐漸過渡關系。下部巖性為灰、青灰色泥質灰巖夾深灰色千枚巖及少量生物碎屑灰巖，中部為灰色中～厚層狀灰巖夾泥質灰巖及深灰色千枚巖，上部為深灰色薄～厚層灰巖為主夾泥質條帶灰巖及深灰色鈣質千枚巖。受構造影響，巖體裂隙發育，強風化層破碎，崩塌現象較發育。“5·12”地震期間，該組地層內形成了大量的崩塌巖堆，嚴重堵塞磨溝溝道，構成了磨溝泥石流潛在物源的集中分布區。月里寨群下組（Dyl1）巖性以深灰、黑灰色千枚巖、炭質千枚巖為主，夾灰色絹云石英千枚巖、泥質灰巖、灰巖及石英砂巖等。受構造影響，巖體裂隙發育；其中的砂巖、灰巖段地層危巖發育、崩塌現象眾多。
志留系茂縣群五段（Smx5）在磨溝上游、中游及下游的陡斜坡處均有出露。區內該組地層上部為灰色，中下部為帶綠色的絹云千枚巖、絹云石英千枚巖夾變質鈣質細砂巖薄層或條帶，局部地段有一層灰色薄～中層細晶灰巖。受構造擠壓，其巖體破碎。茂縣群四段（Smx4）分布在磨溝下游堆積區外的山脊陡斜坡處，該組地層巖性以灰色絹云千枚巖、絹云石英千枚巖為主，夾少量條帶～薄層變質細砂巖，局部偶見泥質灰巖透鏡體。由于地形陡峭，淺表層風化、卸荷作用強烈。
2.4 區域構造和地震。
磨溝流域屬九頂山華夏構造系，地質構造復雜，區內構造以斷裂、褶皺為主。工程區位于九頂山復向斜北翼，該復向斜是彭灌復背斜北翼次一級的復向斜，由志留系茂縣群及泥盆系月里寨群組成，延伸長50Km以上，寬約12Km；其核部為泥盆系月里寨群，軸線走向45～40°，南北兩翼地層均傾向北西，軸面傾向約315度，傾角約70度，為一通斜倒轉復向斜，兩翼均發育有多個次級同斜倒轉褶曲；而溝域范圍內出露的次級褶曲有：疏果坪倒轉背斜、福興山倒轉向斜等，兩者軸線走向、軸面產狀與九頂山復向斜近于一致。流域內，地層傾向一般300～342°，傾角59～73°不等，局部反傾。
區內主要發育有3組節理裂隙，發育密度為3～9條/m3不等。由于構造活動強烈，巖體擠壓破碎，表層結構松散，為崩塌、滑坡和泥石流等地質災害的發育提供了豐富的物質來源。工程區地處龍門山斷裂帶以西的川西北強烈抬升區，新生代以來主要表現為大面積抬升隆起和斷塊差異升降，挽近期斷裂活動與地震活動性均較強，區域穩定性一般～較差，是中國地震活躍地區之一。歷史上，本區破壞性地震活動頻繁，距工程區直線距離90Km范圍內曾多次發生5級以上地震，如1713年疊溪7級地震、1748年漳臘北6.5級地震、1933年疊溪7.5級地震和1960年漳臘6.75級地震；2008年5月12日發生的8.0級汶川大地震。
根據《中國地震動參數區劃圖》（GB18306－2001）國家標準第1號修改單，工程區地震基本烈度為8度，地震動峰值加速度為0.20g，地震動反應譜特征周期為0.35s。
2.5 不良地質現象。
流域內地形切割強烈，基巖地層主要為千枚巖夾變質灰巖，巖層陡傾、巖體節理裂隙發育，加之區域內構造運動活動性強，故在長期風化剝蝕、流水侵蝕、臨空卸荷，特別是地震活動等內、外營力作用下，區內重力地質災害現象發育。基巖出露區主要的不良地質類型為崩塌及危巖，而沿溝的土質岸坡段，由于磨溝水流對坡腳的掏蝕，普遍存在有滑塌現象。
3. 泥石流發育特征
3.1 溝谷特征。
磨溝泥石流溝域形態為紡錘形，溝域縱向長度8.5Km，平均寬度2.0Km，溝域面積12.56Km2，其中匯水面積為9.50Km2，占流域面積的75.6%。該溝其主溝流向曲折，溝源溝床最大高程約3100m，入河口高程為1487m，相對高差1613m；由溝源向下，溝床縱向坡降總體呈由陡變緩的變化趨勢（圖3），兩側谷坡坡度變化較大。
根據磨溝的溝谷變化特點，將其溝谷分為四段，即溝源段、上游段、中游及下游段。其中，溝源段三面環山，溝床縱坡平均421.5‰，兩側岸坡陡峭，呈漏斗狀陡坡地形，利于匯水，為磨溝泥石流的清水區；上游流段溝道狹窄，溝床縱坡平均325.2‰，谷坡陡立，崩塌發育，屬磨溝泥石流的形成區；中游流段溝道蜿蜒，“U”型與“V”型谷相間，溝床縱坡平均217.6‰，谷坡總體表現為東陡西緩，屬泥石流的流通區；下游流經老泥石流堆積扇，其上、下段溝道深切，中部居民聚居區內溝道淺坦，屬泥石流的堆積區。
3.2 物源特征。
磨溝泥石流形成區內物源豐富，集中物源主要有11處崩塌巖堆，均分布在磨溝溝道左右兩側500m范圍內，多形成于“5.12”地震及其余震期間，堆積松散。流通區內的不穩定不良地質體主要為11處崩塌巖堆及2處人工棄土堆。此外，溝道內及溝岸堆積物還可因沖刷而轉化為物源。流通區溝道表層松散堆積物約有1.0×104m3的物質可成為動儲量，“5.12”地震產生的巖堆動儲量約占該部分物源總儲量的35%；沿岸特別是彎道段的坡面堆積物產生塌岸形成的動儲量可能達到3.0×104m3。
經統計（見表1），磨溝流域內的各類物源總儲量為628.55×104m3，其中穩定物源為612.45×104m3，占97.44%，潛在不穩定物源為16.10×104m3，占2.56%。從分布區域上看，69.6%的動儲量物源集中在形成區內。可見，“5.12”地震產生的崩塌巖堆是磨溝泥石流的主要物源。
3.3 泥石流的活動史及易發性判斷。
從堆積扇的規模、堆積層序以及調查訪問情況綜合分析，磨溝屬老泥石流溝歷史上曾多次爆發泥石流，其活動歷史可大致分為兩個階段。
3.3.1 早期活動情況。
形成的堆積扇直接堆積于岷江階地上，地表出露范圍為標高1560m以下至階地階坡頂部。如前所述，早期堆積扇為多次大中型泥石流的產物，考慮到堆積體內所夾的沖洪積物厚度薄，故推斷早期泥石流活動期內水動力條件充足（洪水頻繁），構造運動強烈（產生豐富物源），因此泥石流活躍、形成的堆積扇規模大且各次泥石流間隔時間不長。
同時，該堆積扇已被后期水流切割出深達5～15m的溝道，磨溝不僅切穿早期堆積體，還底蝕基巖達1～3m，說明堆積扇形成久遠。
3.3.2 近期活動情況。
根據訪問，近50年來磨溝山洪暴發周期為9～11年左右一次，但除1949年和1977年各爆發過一次泥石流外，均未發生過泥石流。
1949年磨溝因暴雨發生水石型泥石流，由于年代久遠，故已無法準確訪問到泥石流發生時的實際狀況。據經歷過此次泥石流的目擊者介紹，此次泥石流大致沖毀、淹沒農田200余畝，無人員傷亡。結合區域地質情況分析，此次泥石流啟動物源可能與1933年的疊溪地震相關，其規模屬小型。
1977年雨季，數日暴雨后，磨溝泥石流再次爆發。此次泥石流攜帶出的石塊、泥砂大多堆積于形成區——流通區的淹沒區內，一時沖毀、淹沒新改造的農田約150多畝；造成該部位原溝道淤塞、磨溝向西改道、原G213線公路涵洞堵塞，磨坊被埋，所幸當時磨溝溝道附近無人居住，故無一人傷亡。目前在形成區-流通區仍能見到新近沖出的巨石，塊徑達3～3.8m（圖4）。在磨溝入河口處，形成了目前所見的小堆積扇。
此次泥石流啟動的物源主要為上游溝道沖洪積物及其兩側的崩坡積松散堆積物，停積方量在2.0萬m3以上，其類型屬中型粘性泥石流。
上述兩次泥石流啟動物源均主要為溝道堆積物及岸坡塌岸堆積物。
綜合分析磨溝泥石流的各種誘發因素，如崩坍、滑坡及水土流失（自然和人為活動的）嚴重程度、泥沙沿途補給程度、溝口泥石流堆積活動程度、河溝縱坡降、區域構造影響程度、流域內植被覆蓋狀況等15項反映泥石流活動條件的諸因素進行綜合評判并量化打分，磨溝現狀發生泥石流嚴重程度得分為102分，屬易發泥石流溝。
4. 工程防治措施建議
泥石流的防治要堅持防治結合、生物措施與工程措施結合、民辦與公助相結合，對易發生泥石流地區采取：穩、攔、排、停、封等相結合的防治措施。常見的工程措施有:跨越工程、穿過工程、防護工程、排導工程、攔擋工程。通過控制泥石流的固體物質和暴雨、洪水徑流，削弱泥石流的流量、下泄量和能量，減少對下游建筑物的沖刷、撞擊和淤埋等危害，主要有攔渣壩、儲淤場、支擋工程、截洪工程等［4］。
針對磨溝泥石流的發育特征及其可能造成的危害，提出如下工程措施。
4.1 方案1攔排結合。
主要措施：多級谷坊+攔擋壩+修整排導槽。
該方案通過在形成區設置谷坊群，防治溝底下切，溝頭上延長。同時通過回淤物質對溝道兩側不穩定和潛在不穩定的邊坡進行壓腳加固，減弱集中水流對邊坡的淘蝕，減少松散物源的來源。攔擋壩可以攔蓄大量泥沙，使溝底坡度平緩，河床固定，達到減少泥石流流速和峰值流量，保護溝道。原始溝道進行簡單的清理修整，以滿足排洪需要為主。
4.2 方案2以排為主。
由于原始溝道較為曲折，且大部分溝道被移民建房所侵占，排導條件較差。該方案通過改道新建排導槽，將泥石流排導路線改離居民區。新建排導槽截面形式采用復式“V”形斷面，縱坡降為8.1%，排導槽通過公路段設過水壩。
磨溝泥石流綜合治理對比方案見圖5。通過對兩種方案在技術可行性、施工難易程度、安全可行性和工程投資等方面的比選，推薦方案一即“多級谷坊+攔擋壩+修整排導槽”為優選方案。
5. 結論與建議。
5.1 磨溝泥石流屬中等易發。按水源分類為暴雨型泥石流，按物源分類為崩滑型泥石流，按集水區地貌特征分類為溝谷型泥石流，按流體性質分類為粘性泥石流，按泥石流發展階段為衰退～停歇期，按暴發頻率分類為低頻泥石流，按災害等級劃分該泥石流災害危險性等級為中型地質災害，按潛在危險性等級為中型泥石流。
5.2 建議加強對該泥石流的群測群防，并由相關部門設立降雨氣象觀測站，以便及時預告流域降雨狀況，進行泥石流的預測預報工作［5］。
5.3 建議在地震災區恢復重建工作中，房屋選址應盡量遠離排導槽，嚴禁侵占泥石流溝道。5.4 針對茂縣磨溝泥石流溝域地形和發育特征，建議采用“多級谷坊+攔擋壩+修整排導槽”的綜合防治措施。
參考文獻
［1］ 黃潤秋，李為樂. “5.12”汶川大地震觸發地質災害的發育分布規律研究［J］. 巖石力學與工程學報，2008， 27 (12)，2585-2592.
［2］ 黃潤秋. “5·12”汶川大地震地質災害的基本特征及其對災后重建影響的建議［J］. 中國地質教育，2008， (2)，21-24.
［3］ 四川煤田地質一三七總公司.阿壩州茂縣地質災害應急勘查項目磨溝泥石流勘查報告［R］ .2009.
［4］ 李明立，殷世芳，蔡慧慧.盧氏縣黑馬渠溝泥石流的形成條件及其防治［J］.中國水土保持，2007， (6)，44-45.
［5］ 張友誼，胡卸文，呂小平，王華.柳洪溝泥石流發育特征及其防治對策［J］.鐵道建筑，2007，(3)，70-72.
