四川省安縣千佛山景區王爺廟溝泥石流特征分析

鄢松，姚亨林

(1．中冶成都勘察研究總院有限公司，四川成都610023;2．四川省交通廳交通勘察設計研究院，四川成都610017)

2008年8月，位于四川省綿陽市安縣千佛山景區的王爺廟溝發生了一起泥石流，造成金溪河堵河危害。本文根據現場考察，對王爺廟溝流域特征、分區特征、動力特征及其危險度進行了分析，其防災減災措施主要是植樹造林，攔擋排導，提高下游的排導能力。

1 流域特征

區內地層主要為古生界寒武系下統的清平組(ε1c)，還包括少量的古生界震旦系上統邱家河組(Zbq)和古生界奧陶系中統的寶塔組(O2b)，巖性主要為粉砂巖、砂巖等。由于地震原因，溝道兩側植被基本破壞，崩塌、滑坡地質災害發育。

該溝流域的匯水面積約0.53 km2，主溝長約1 537 m，溝道主溝溝谷呈“V”字型，流域內最高海拔約1 680 m，溝口海拔約1 010 m，主溝流域相對高差約570 m，主溝溝床平均縱坡降34.4%，主溝道兩側平均坡降約43.6%。流域內共發育有一條支溝，主溝及支溝兩側比降大，流向基本與主溝道順向，非常有利于泥石流的形成、流通。流域簡圖見圖1。

圖1 王爺廟溝流域簡圖

2 分區特征

王爺廟溝泥石流可以分為4個區域，即清水區、形成區、流通區和堆積區;其分區縱坡比及特征見圖2、表1，簡述

圖2 王爺廟溝縱坡比

如下。

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2.1 清水區

清水區是泥石流形成的動力源區，其對泥石流形成的影響主要表現為匯流作用。當降水發生時，清水區將分散的地表徑流匯集，增大流域的清水流量，并迅速進入主溝，沖刷溝道底床及兩岸不穩定邊坡的松散物質，從而導致泥石流的發生。王爺廟溝的清水區主要位于海拔1 460 m以上區域，集水面積約0.13 km2，占總流域面積的四分之一多。據調查，由于地震原因，清水區內多見基巖裸露，區內有明顯的滑坡、崩塌等不良地質現象，基巖節理、裂隙較為發育，并有一定程度的風化。對王爺廟溝泥石流的水源、物源補給貢獻較大。

2.2 形成區

形成區是泥石流物質補給的主要源區，對泥石流的影響主要表現在為泥石流的發生提供足夠的松散固體物源，在水動力的作用下匯入溝道，形成泥石流。王爺廟溝的形成區位于高程1 170～1 460 m之間，形成區面積為0.28 km2，該段主溝長約795 m，溝道坡降350‰，溝寬5～10m不等，呈“V”字形溝谷。該區內基巖風化較為強烈，表層巖石較為破碎，節理裂隙發育程度相對較高，溝道內隨處可見崩塌、滑坡，堆積的石塊粒徑小至5 cm，大至50 cm。崩積體是形成區主要的松散固體物質補給源。

2.3 流通區

流通區對泥石流的影響主要表現為改變泥石流的動力學參數特征，如加速或減速、堵塞等。當流通區溝道比降較大的情況下，泥石流在此便會得到加速，泥石流的流速、沖擊力、破壞力等便會增大，反之則減小。王爺廟溝的流通區主要位于高程1 060～1 170 m之間，面積約為0.10 km2，溝長約370 m，坡降297‰，溝道呈“V”字形，寬約5～10 m，溝道內石塊粒徑以5～20 cm為主，最大至80 cm。由于地震原因，流通區內遍布大量滑坡、崩塌，給泥石流的爆發又提供了豐富的物源。

2.4 堆積區

堆積區是泥石流的主要堆積場所，也是泥石流危害最大的區域，一般情況下，堆積區坡度較緩，泥石流到此后所受的阻力便會增大，流速減小，并開始沿途堆積。王爺廟溝泥石流的堆積區位于高程1 060～1 010 m之間，泥石流堆積物已延伸至金溪河邊，堆積區呈明顯的扇狀結構，扇頂角約為100°，堆積區面積為0.16×104m2，堆積區粒徑以5～10 cm為主，最大至30 cm。其堆積厚度1.5～2m，估算該堆積扇的堆積體積為0.32×104m3。堆積區內可見粒徑分布范圍主要在10～30 cm之間。

3 泥石流成因分析

3.1 地形地貌條件

王爺廟溝道兩側地形陡峻，為典型的峽谷地貌。溝口高程大約1 010 m，最高高程1 680 m，相對高差達570 m。平均溝床縱比降34.4%，山坡平均坡度60°，陡坡和溝床利于松散固體物質的能量釋放和轉化;王爺廟溝相對高差較大，流域面積較小、坡陡、溝道短且總比降較大，這些特征均有利于泥石流的形成與運動。

3.2 固體物源條件

根據現場調查，王爺廟溝出露巖性以粉砂巖、砂巖為主，溝道內兩岸基巖表層風化強烈且節理裂隙發育程度相對較高，滑坡、崩塌發育，風化堆積物與溝道內松散堆積體是王爺廟溝泥石流固體物質的主要來源之一。據調查估算，能夠參與泥石流活動的松散固體物質儲量為12.16×104m3。

3.3 水源條件

降水是深家溝泥石流發生的主要誘發因素，雨水既是激發泥石流形成的動力條件，又是組成泥石流的水體成分。該地區氣象參考資料知，區內多年平均年降雨量為1 200 mm，歷年最大一日降雨量64.3 mm，因此可以判斷，短時強降雨是引發該溝泥石流的主要原因。

4 泥石流動力特征

4.1 泥石流容重計算

由于沒有條件取得泥石流現場樣品計算重度值，因此按照國土資源部《泥石流災害防治工程勘查規范》(DZ/T 0220－2006)，采用經驗法:通過現場調查得出王爺廟溝泥石流水土比例為6∶5，按下式計算泥石流容重［1］:

式中:γc為泥石流重度(t/m3);γH為固體物質密度(取2.5t/m3);P為泥石流體中固體物質體積與水的體積之比。計算得γc為1.81t/m3，屬粘性泥石流。

4.2 山洪流量計算

王爺廟溝流域內無水文觀測資料和降雨觀測資料，本次計算工作根據《四川省中小流域暴雨洪水計算手冊》提供的暴雨資料，假定暴雨和山洪同頻率出現，采用其推薦的推理公式由設計暴雨推求設計洪峰流量［1］。

式中:Q為設計洪峰流量(m3/s);ψ為洪峰徑流系數;τ為匯流時間(h);n為暴雨衰減指數;s為暴雨雨力(mm/h);F為流域面積(km2)。

計算結果見表2。

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4.3 泥石流洪峰設計流量

泥石流洪峰流量的計算采用配方法，即假定泥石流與暴雨洪水同頻率并同時發生，計算斷面的暴雨洪水設計流量全部變成泥石流流量。在計算過程中，還適當考慮溝道的堵塞，乘以堵塞系數D。

假定泥石流與暴雨洪水同頻率發生，采用配方法將暴雨洪水流量全部換算為泥石流流量，計算公式如下:

式中:Qc為設計泥石流峰值流量(m3/s);φ為泥石流修正系數，φ=(rc－rw)/(rs－rc);rc為泥石流容重(t/m3);rw為水容重(t/m3);rs為泥沙比重(t/m3);D為泥石流堵塞系數。

計算結果見表3。

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4.4 泥石流流速的計算

流速U按照《泥石流防治指南》中推薦的粘性泥石流的計算公式進行計算［2］:

其中:U為平均速度(m/s);R為水力半徑(m);S為底坡坡度。

在溝口處測量2個斷面參數，計算結果見表4。

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結合表3、表4、表5可知該泥石流規模為小型泥石流。

4.5 泥石流沖擊力的計算

泥石流在進入堆積扇后開始大量淤積，淤積厚度及方量可由以下公式計算，泥石流的潛在危險區也可以根據相應的淤埋范圍確定［4］，其計算公式為:

式中:τB為泥石流體屈服應力(N/m2);γ'=(γs－γ0)，泥石流相對容重(kg/m3)，γs為泥石流容重(kg/m3)，γ0為水容重，γ0=1 000(kg/m3);g為重力加速度(m/s2);θ為堆積區坡度(°)，通過調查得到王爺廟溝堆積區坡度為5°;h為泥石流的最大堆積厚度(m)。

計算不同頻率下的泥石流可能淤積厚度見表6。

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4.6 泥石流沖擊力的計算

泥石流沖擊力可以分成泥石流流動壓力和個別石塊沖擊力兩個部分，實踐和計算結果告訴我們，個別石塊的沖擊力對工程建筑物的威脅要遠遠大于流體動壓力，并往往是導致工程失事的原因。根據陳光曦［5］高級工程師的計算方法為:

式中:δ為泥石流體整體沖擊力(t/m2);g為重力加速度(m/s2)，取g=9.8 m/s2;Vc為泥石流流速(m/s);α為建筑物受力面與泥石流沖壓力方向的夾角(°)，按最危險力取90°;λ為建筑物形狀系數，λ=1.0。

計算結果為泥石流沖擊力δ=11.12 t/m2。

4.7 泥石流的危險范圍

通過計算，王爺廟溝泥石流一次松散固體物質最大補給量V為4 680 m3;堆積區坡度I為5°;泥石流重度為1.81 t/m3(按50年一遇計算)，將以上參數代入一次泥石流危險范圍預測模型［6］:a=0.4935L2;L=2.5748(VIrc/ln rc)1/3;d=0.254［Vrc(I2ln rc)］1/3;得出王爺廟溝泥石流危險范圍a為5 863 m2，泥石流最大堆積長度L為109 m，泥石流最大堆積厚度d為2.69 m。

5 防治建議

由于王爺廟溝泥石流對金溪河及對面村莊存在直接危害，應采取一些必要防護措施。

5.1 生物防治

生物治理方案主要布置于泥石流流域以及坡度大于25°的陡坡，通過增加植被覆蓋率來固穩斜坡，減少泥石流的固體物源，消減泥石流的下泄流量，起到降低泥石流規模和發生頻率的作用。在一些嚴重災害點僅僅依靠生物措施尚不能完全解決問題，還須與工程措施相結合才能產生明顯的防治效益。

5.2 工程防治

對上游形成區以固坡為主，減少泥石流松散物質的補給量，主要采取的生物措施是種草植樹。中游流通區以攔擋工程措施為主，主要措施為修建谷坊、攔砂壩等。下游堆積區以排導工程措施為主，對淤積嚴重的河床清淤疏通，主要措施為排導槽、停淤場。

5.3 行政防治措施

各級政府部門應重視地質災害的防治，加強地質災害知識宣傳，做好防災避災工作。加強群防群設網絡的建設，在地質災害的防治工程實施中，加強工程質量管理等措施保證地質災害的防治趨向科學化、程序化、規范化。

6 結束語

王爺廟溝泥石流為粘性、小型規模泥石流，該溝流域山高坡陡，相對高差較大，地震后崩塌、滑坡等不良地質體發育，溝道內覆蓋大量松散固體物質，兩岸坡面堆積物豐富，為泥石流形成發育提供了大量的固體物質。連續的前期降雨使王爺廟主溝及支溝兩岸土體逐漸飽和，降雨誘發泥石流災害。文中對泥石流流域特征、動力特征等分析得出的結果可作為開展下一步工作的基礎性資料。

［1］交通部第一鐵路設計院．鐵路工程地質手冊［M］．北京:人民交通出版社，1975

［2］周必凡，李德基，羅德富，等．泥石流防治指南［M］．北京:科學出版社，1991

［3］DZ－T－0220－2006泥石流防治工程勘察規范［S］

［4］吳積善，康志成，田連權，等．云南蔣家溝泥石流觀測研究［M］．北京:科學出版社，1990:110－112

［5］陳光曦，王繼康，王林海．泥石流防治［M］．北京:中國鐵道出版社，1983:71－80

［6］劉希林，唐川．泥石流危險性評價［M］．北京:科學出版社，1995