5·12地震后旋地泥石流形成條件及運動特征

蔡 磊,鄧英爾,肖冰峰,童 憬

(1.成都理工大學地質災害防治與地質環境保護國家重點實驗室,四川成都 610059;2.河北冀東建設工程有限公司,河北 唐山 063020)

5·12地震后旋地泥石流形成條件及運動特征

蔡 磊1,鄧英爾1,肖冰峰2,童 憬1

(1.成都理工大學地質災害防治與地質環境保護國家重點實驗室,四川成都 610059;2.河北冀東建設工程有限公司,河北 唐山 063020)

對四川省平武縣旋地泥石流溝流域進行了現場調查,分析了 5·12地震后旋地泥石流溝形成泥石流的基本條件(物源和水源條件)。根據野外實地考察,確定旋地泥石流為稀性泥石流,重度為 1.724 t/m3。對泥石流溝動儲量和易發條件進行評價,得出在暴雨、震動等不利工況下易暴發泥石流。在此基礎上,提出了修建攔擋壩和排導槽等措施,以保護溝口居民生命財產安全。

5·12地震;旋地泥石流;形成條件;運動特征;防治措施

1 引言

泥石流是指在山區或溝谷深壑、地形險峻的地區,因暴雨暴雪或其他自然災害引發的攜帶有大量泥沙以及石塊的特殊洪流[1]。它是山區常見的一種地質災害,具有突然暴發、破壞性大等特點。在 5·12地震后,四川省部分地區泥石流頻發,造成部分河道堵塞,農田淹沒,民房、公路、鐵路等公共設施被破壞,給當地居民生產和生活帶來了嚴重的威脅。我國的泥石流研究起步較晚,在 20世紀 30年代我國開始將泥石流作為水土保持工作的一部分初步進行研究,建國后經過不斷發展,到現在已經逐步達到了成果系統化、規范化和實用化。隨著我國西部大開發的進展,泥石流災害隱患將會增加,災害造成的損失也將大量增加,因此加強泥石流的綜合研究意義重大[2]。

2 旋地泥石流形成的基本條件

旋地泥石流溝位于四川省綿陽市平武縣南壩鎮洪溪村境內,該泥石流溝由一條主溝和其西側的支溝組成。依據主溝溝谷形態、地形地貌特征等特點,可以將主溝劃分為三個主要區段,自上而下,分別是形成區、流通區和潛在堆積區(圖 1)。在 5·12地震后,旋地主溝兩側山體發生崩塌、滑坡等不良地質現象增多,在溝道內形成大量的固體松散物質,為發生泥石流提供大量的物源。根據現場調查,當地降水較為豐富,且主溝整體坡降較陡,在暴雨等不利情況下,發生較大規模泥石流的可能性較大。而一旦發生泥石流將直接嚴重威脅主溝溝口處的災后居民安置點共 32戶 150人的生命財產安全①。因此,深入研究旋地泥石流形成條件及運動特征,并據此提出有效的防治對策,對 5·12地震后災區重建工作意義重大。

圖1 旋地主溝分區圖

圖2 旋地泥石流溝全景

2.1 地形地貌條件

旋地主溝溝域呈條形,主溝西側發育有一條支溝。旋地主溝全貌圖如圖 2,主溝和其西側的支溝剖面圖分別如圖 3、圖 4。主溝溝域縱向長度約 1 650 m,流域面積為 0.76 km2,主溝形成區流向由東南向北西,流通區流向為由南向北,溝頭最高點高程為 1 673m,溝口河床交匯處高程約 880m,相對高差 700多米,溝谷縱坡降 400‰左右。主溝平均寬度為20～30 m。支溝縱向長度較短,長約 550m,主溝與支溝交匯處高程為 1 356m,支溝流通方向為由南西向北東①。

圖3 旋地主溝剖面圖

圖4 西側支溝剖面圖

溝域內山體地形切割極為強烈,山體上部坡度較陡,中部有一平臺,為旋地社居民居住。從山頂到山腳山體坡度逐漸變緩。山體平均坡度 20～48°,大于 30°的急陡坡地占總面積的 70%,溝谷上游斷面形態大部分呈“V”型,下游溝道斷面呈拓寬“U”型。山前有涪江水系支流石坎河流過,河谷呈“U”型。

2.2 物源條件

研究區覆蓋層主要由第四系松散的崩塌、滑塌堆積物(Q4col)和殘坡積物(Q4el+dl)組成①。第四系崩塌、滑塌堆積物以碎塊石為主,主要巖石成分為灰巖,其為“5·12地震”形成的次生地質災害堆積物,分布于陡坎下部斜坡一帶,層厚 0.2～3 m左右。第四系殘坡積物主要由腐殖土、粘土和少量砂巖、粉砂巖碎塊組成,主要分布于斜坡山脊上及坡度稍緩的山坡上。

出露基巖主要為震旦系上統水晶組地層(Zs2),巖性為薄層狀結晶灰巖、千枚巖。地層產狀較緩,巖層產狀變化較大,在斜坡底部總體產狀 225°～ 230°∠20°～ 25°,斜坡上部基巖產狀變化為 307°∠26°。巖石風化弱 ～中等風化,局部節理裂隙發育。斜坡中部出露寒武系邱家河組地層(∈q),巖性主要為硅炭質板巖夾硅質巖,地層產狀較緩,總體產狀為 280°∠34°。表部巖石風化較嚴重,節理裂隙較發育。

旋地主溝溝內松散固體物質來源較為豐富,且物源分布較為集中,主要為坡面侵蝕物源和溝床堆積物源兩類。

⑴坡面侵蝕物源

坡面侵蝕物源主要來自主溝上部 2#不穩定斜坡及小規模的滑坡,均為松散的坡積物。2-2區不穩定斜坡坡頂高程為 1 576m,前緣高程 1 380 m,相對高差 196m,整體坡型呈“三角形”,寬 520 m,長 240m,估算方量 6～9萬方(見圖5)。該不穩定斜坡第四系覆蓋層較厚且較為松散,主要為亞粘土及碎塊石土,未見基巖出露。不穩定斜坡整體滑動方向北西西向,正對下部主溝。

受 5·12地震影響,2#坡體變形跡象明顯,不穩定斜坡表層產生數十條拉張裂縫,呈上寬下窄,走向為近南北向(見圖 6),與下部沖溝方向大致平行,其延伸長度數米 ～數十米,寬度多在 5～10 cm,可見拉裂深度 20～50 cm。另外斜坡內形成多處下錯臺坎,下錯距離 20～100 cm。在降雨條件下,更易形成地表水入滲,降低巖土體強度參數,導致坡體進一步變形,隨著裂縫的擴展、地表雨水的下滲、滑動面抗剪強度的進一步下降以及臨空面處位移的擴大,從而導致整個坡體失穩下滑,成為泥石流的重要物源 。

圖5 2#不穩定斜坡全景

圖6 不穩定斜坡表層拉裂縫

(2)溝床堆積物源

溝床堆積物源主要來自主溝和支溝內散落的堆積物(見圖 7～8),堆積物由地震后兩岸山體崩塌和滑坡形成的碎石和碎屑物質組成。

在 5·12地震后,主溝兩岸山體次生了較多的崩塌和滑坡不良地質現象,岸坡滑塌提供松散固體物源大大增加,大量的塊石、碎屑等物質崩落于主溝溝床底部,碎石塊徑大小不等,平均為 30～100 cm,最大塊徑達到 1～2 m。堆積物方量約在 5～8萬方左右。這些碎石堆積于溝谷內,將成為泥石流的重要物源之一。此外,在主沖溝西側支溝內,地震之后堆積了大量的崩積物,堆積方量在 10萬方左右,也成為泥石流發生的重要物源。

圖7 主溝內堆積物

圖8 支溝內堆積物

2.3 水源條件

旋地主溝發生泥石流的水源主要來自大氣降水。主溝頂部有一定的匯水條件,匯水面積超過 5萬 m2。主溝內中上部未見水流出,沖溝下部發現有流水出露,水量中等。不構成引發泥石流的主要水源,溝域內沒有水庫、湖泊等集中的地表水體,因此暴雨形成的地表徑流是引發泥石流的主要水源,暴雨是泥石流的主要激發因素。

平武縣屬亞熱帶季風氣候區,主要特點是:夏無酷暑,冬無嚴寒,雨量充沛、四季分明,多年平均降水量為 807.6mm。降水最多的是 1955年為 1 155.4 mm,最少的是 1986年為480.8mm,極差 683.6mm;有自南向北由多變少之趨勢。

主溝溝內雖然水流量較小,但溝谷縱坡較大,地形陡峻,客觀上有利于地下水的匯集。平武縣境內降雨量較為充沛,如果有持續的前期降雨,加上短歷時高強度暴雨,則可在很短的時間內形成強大徑流,沖刷溝床,搬運溝中下游的崩滑堆積物,形成較大規模的災害性泥石流。

3 泥石流運動特征

3.1 泥石流流態

經過現場勘查,根據泥石流易發程度(N)查(N—γc— 1+φ)對照表獲得[3],查表可得旋地主溝泥石流重度 =1.724 t/m3,可以預測旋地主溝泥石流為稀性泥石流[4]。

3.2 泥石流流速

泥石流流速是決定泥石流運動特征的重要參數之一,選取溝道順直、斷面變化不大、無阻塞、無回流、上下溝槽無沖淤變化溝段作為特征斷面,運用泥石流流速計算公式[5]計算各特征斷面流速。

其中:γw為清水重度,取 1 t/m3;為泥石流中固體物質比重,取 2.67 t/m3。

計算得旋地主溝泥石流平均流速為 5.17m/s。

3.3 泥石流流量

(1)旋地主溝清水流量

旋地主溝流域內無水文和降雨觀測資料,因此根據《四川省水文手冊》提供的暴雨資料進行流量計算。假定暴雨和洪水同頻率出現,采用其推薦的推理公式[6]由設計暴雨推求設計洪峰流量。

式中:QP為雨洪峰流量(m3/s);i為產流系數,取 0.4;r為小時平均雨強(mm/h);F為流域面積(km2),取0.76 km2。

(2)旋地主溝泥石流流量

采用雨洪法來計算旋地主溝泥石流的流量。假設泥石流與暴雨同頻率、且同步發生,先按水文方法計算出斷面不同頻率下的小流域暴雨洪峰流量,選用堵塞系數,按照公式[3]計算泥石流流量。

計算結果見表 1。

表1 泥石流流量計算結果一覽表

3.4 一次泥石流過流總量及固體沖出物

(1)一次泥石流過流總量

對于一次泥石流過流總量 Q的計算,可根據泥石流歷時T(s)和最大流量QC(m3/s),按泥石流暴漲暴落的特點,按下式計算[5]。

其中,T取 1 800s,K取 0.202。

(2)一次泥石流固體沖出物

一次泥石流固體沖出物按照規范提供的計算公式進行計算[5]:

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

計算結果見表 2。

表2 泥石流一次過程總量和沖出固體總量計算結果一覽表

式中:Vs為泥石流中大石塊的移動速度(m/s);dmax為泥石流堆積物中最大石塊的粒徑(m),取 1.8;α為全面考慮的摩擦系數,取 4。

根據以上公式,計算得石塊運動速度為 5.37m/s。

3.5 泥石流中石塊運動速度

根據以下經驗公式近似計算石塊運動速度[5]:

4 旋地泥石流發展趨勢分析及防治措施

4.1 泥石流發展趨勢分析

旋地社主溝雖然未發生過泥石流,但是 5·12地震后崩塌、滑坡等不良地質現象發育,又由于主溝內松散物總儲量豐富,溝谷縱坡降較大,所以在暴雨等不利工況下易于發生泥石流災害。

按照泥石流溝的數量化綜合評判及易發程度等級標準[3],對標準中 15個因素進行評分,旋地社主溝泥石流易發程度綜合評分為 105分,易發生泥石流[7]。

根據前述對泥石流易發程度的分析,旋地社主溝泥石流屬于溝谷型泥石流。旋地主溝內松散物質為發生泥石流的重要物源,此外,主溝上部存在 2#不穩定斜坡也是發生泥石流的潛在物源。5·12地震后 2#不穩定斜坡表層產生了張拉裂縫和下錯臺坎,在強降雨或山洪暴發的情況下可能會使 2#斜坡體產生失穩,滑進主溝成為泥石流的重要物源之一。由于旋地主溝溝道較陡,高差較大,且物源和水源條件都具備,在暴雨等不利工況下易于發生泥石流,泥石流正處于發展期。

4.2 泥石流防治措施

根據旋地主溝和支溝內泥石流形成的條件、形成機制、基本特征、發展趨勢分析和危害對象,在旋地主溝與支溝交匯下方溝內設置格柵壩,起到攔石排水的效果,用以攔擋形成區內大顆粒塊石,減少泥石流的物源。在主溝流通區中下游處布設谷坊壩以穩定物源,抬高溝床,降低流速。在溝口采用排導措施,將泥石流引到溝口石坎河,保證溝口災后居民安置點的安全。

5 結論

通過對旋地泥石流溝域的詳細調查,確定泥石流主溝縱向長度約1 650m,相對高差約 700m,溝域面積為 0.76 km2,溝道平均縱坡為 254‰,重度為 1.724 t/m3,為稀性泥石流。通過公式計算得出主溝泥石流平均流速為5.17m/s,20年一遇的泥石流峰值流量為 27.89 m3/s,一次泥石流過流總量為8715.492m3,一次泥石流固體沖出物為 3782.52m3,泥石流中石塊運動速度為 5.37m/s。

5·12 地震后溝道內物源較豐富,主溝動儲量約 9萬方,加之較為豐富的降水條件,使其具備泥石流發生的條件。該溝一旦暴發泥石流,將會直接威脅溝口災后居民安置點人民的生命和財產安全。

通過對泥石流溝的數量化綜合評判及易發程度等級標準評價表明,該泥石流溝在暴雨、震動等不利工況下有可能會發生泥石流。

[1]劉亞柯.淺談泥石流危害的治理措施[J].能源與環境,2010,13:157.

[2]曾思偉,王得楷.泥石流研究與展望[J].甘肅科學學報,2003,15:10-14.

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[4]張自光,張志明等.都江堰八一溝泥石流形成條件與動力學特征分析[J].中國地質災害與防治學報,2010,21(1):34-38.

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Form ation conditions and dynam ics characteristics of the Xuandi debris flow a fter the 5·12 Earthquake

CAI Lei1,DENG Ying-er1,XIAO Bing-feng2,TONG Jing1
(1.State Key Laboratory of Geohazard Prevention and Geoenvironment Protection,Chengdu University of Technology,Chengdu 610059,China;2.Hebei Jidong Construction Engineering Com pany Limited,Hebei,Tangshan 063020,China)

According to the on-site investigation of the valley and the Xuandi in Pingwu Country of Sichuan Province,we analyzed the basic conditions of the Xuandi debris flow gu lly after the W enchuan May 12th Earthquak.Based on the field investigation,the property of the gully is determ ined as diluted debris flow,and the density is 1.724 t/m3.Trough the evaluation of the dynamic reserves and the conditions of the debris flow,we get the resu lt that in the heavy rain,vibration and other adverse conditions such as debris flows would broke outeasily.On this basis,we put forward the engineeringmeasures adopted including has obstruc t and the platoon leads.So as to protect the lives and p roperty security of the debris flow gu lly of residents.

the 5·12 Earthquake;Xuandi debris flow;formation conditions;movement characteristics;p revention methods

P375

B

1004-1184(2011)01-0138-04

2010-09-01

四川省教育廳重點科技項目(07ZA009);教育部博士點基金項目(20095122110006);國家自然科學基金項目(40572163)

蔡磊(1985-),男,江蘇徐州人,碩士研究生,主要從事環境地質研究。