大渡河流域野牛溝泥石流堵河危險性預測

王東輝，李明輝，高延超

（中國地質調查局 成都地質調查中心，四川 成都610081）

堵河性泥石流災害除具有泥石流本身的突發性、強破壞性以外，由于堵塞主河而產生的上游淹沒災害、下游洪水災害等常常造成更大的破壞。有關泥石流堵河的理論研究主要針對堵河影響因素、堵河判別公式及泥石流入匯對主河河道的影響等方面。郭志學等［1］通過室內試驗分析了泥石流各因素與堵江之間的關系；吳積善等［2］通過對西藏東南部4條泥石流進行研究提出了泥石流堰塞壩形成的主要控制因素；張金山等［3］通過對岷江上游泥石流的研究，提出與泥石流堵河關系較為密切的因素；黨超等［4］通過室內試驗分析了泥石流堵河的主要影響因素；朱平一等［5］通過對川藏公路培龍溝泥石流的研究提出了影響泥石流堵江的主要因素。在分析泥石流堵河主要影響因素的基礎上，部分學者［5－12］通過室內試驗及野外調查提出了泥石流堵河的判別公式。近年來，大渡河流域中段泥石流堵河（或部分堵河）事件頻發，如2001年，柳楊溝泥石流堵塞瓦斯溝，2003年丹巴邛山溝泥石流堵塞大金川，2005年磨西河泥石流堵塞大渡河，2005年野牛溝泥石流堵塞金湯河，2009年響水溝泥石流部分堵塞大渡河。通過大渡河流域中段具代表性的野牛溝泥石流的深入研究，對野牛溝泥石流在不同頻率降雨條件下堵塞主河的可能性進行了探討，以期為該地區泥石流研究及防治提供依據。

1 泥石流形成條件

1.1 自然地理條件

野牛溝位于康定縣捧塔鄉解放一村，金湯河右岸，屬大渡河流域中段。地理位置在東經102°16′08″，北緯30°29′20″。流域面積38.8km2，主溝長9 449.3m，溝口標高2 340.0m，最高海拔5 102.0m，主溝平均縱坡達233.8‰。屬典型的高山峽谷地貌，溝床上游陡、下游較緩。

溝源區均被中、高山地形所環抱，呈“漏斗狀”，山坡坡度多在30°～50°，構成良好的地表匯水條件。上游發育兩條大的支溝，其中左側支溝雞索子溝流域內多為巖質溝岸，山坡坡度多大于35°，部分地段可達60°，為主要清水動力區。右側支溝偏巖窩溝以土質溝岸為主，山坡坡度多大于25°。流通區為中游望牛坪至高家河壩處，全長1.5km，主溝縱坡186.3‰，河谷呈V形，溝道狹窄，寬度多5～15m，最窄處僅3.0m，溝床相對平緩且總體較順直。堆積區主要指金湯河左岸至高家河壩區段，總體呈不規則扇狀，長440.0m，前緣寬近240.0m，縱坡83.0‰。最大塊石長9.0m，寬2.5m，高2.0m。溝內植被較差，以灌木為主，主要分布于中游，3 500.0m以上主要為裸露的基巖或松散的碎塊石。

表1 野牛溝主溝流域特征值

1.2 氣象水文條件

野牛溝主要受東南季風影響，氣候溫暖、濕潤、多雨、雨量集中，年均溫度8.9℃，7月均溫19～23℃，多年平均降水量753.1mm，年最大降水量1 005.7mm，日最大降水量60.1mm，日平均降水量2.29mm，10 min最大降水量8.3mm。降水集中在5—9月，以6—7月為最，無霜期192d。區內氣候垂直分帶明顯，降水主要集中于海拔3 000～4 000m范圍內。

1.3 地質環境條件

位于金湯弧形滑脫—推覆帶核心部位，色古—三道水—鍋巴巖斷層從流域左側穿過，區內巖石節理裂隙發育，巖石破碎、強劈理化、透鏡化，發育折射劈理，晚期方解石脈切割劈理。出露地層有奧陶系中上統寶塔組（O2－3b）、志留系茂縣群（SM）、泥盆系中下統捧塔組（D1－2pd）及中上統河心組（D2－3h），寶塔組主要分布于流域西南部，面積較小，巖性主要為灰色中薄層狀灰巖；志留系地層主要分布于流域右側，偏巖窩溝上游，巖性以絹云母千枚巖為主，偶夾變質石英砂巖及泥灰巖，分布海拔較高，多裸露破碎；泥盆系為流域內最發育的地層，巖性主要為變質灰巖，偶有千枚巖夾層。第四紀堆積物十分發育，分布于溝道兩岸及岸坡上，主要為崩坡積及殘坡積物，崩坡積堆積物主要為松散的碎塊石土，多分布于流域上游。殘坡積物主要分布于中游溝谷兩岸，以碎石土為主，其上植被發育，結構松散（圖1）。

1.4 主要物源特征

野牛溝內物源主要分布于偏巖窩溝內及主溝中下游地段。以松散的殘坡積及崩坡積成因的碎塊石土為主，碎塊石含量以30%～40%為主，一般粒徑10～30cm，偶見大于2.0m，主要為變質灰巖及砂質板巖，多呈次棱角狀，結構比較松散，厚度一般6～20 m。據調查，流域內發育5處滑坡，2處不穩定斜坡，其中H1滑坡位于偏巖窩溝口附近，為一大型滑坡，處于整體蠕滑階段，前緣臨空10～16m，局部擠壓溝道，滑體主要為崩坡積碎塊石土，碎塊石含量約30%，直徑多介于30～50cm間，最大者近10.0m，塊石間充填粘土及小碎石，結構松散，其上植被較發育，覆蓋率約50%，以灌木為主。其余4處滑坡及2處不穩定斜坡集中于流通區（望牛坪至溝口段），整體均較穩定，但是前緣受溝水掏蝕均發生局部的破壞。流域內松散固體物質總量約1.33×107m3，不穩定物源量約2.44×106m3（表2）。

圖1 野牛溝流域地質環境特征

2 泥石流堵河危險性預測

2005年7月7日，野牛溝發生大型泥石流，泥石流完全摧毀了扇上面積達54 511.0m2范圍內的農田、房屋。同時，泥石流摧毀了橋梁，導致金湯河（大渡河—級支流）堵塞，極大地影響了下游隴須電站及金湯電站的正常運營，造成直接經濟損失532.0萬元。

據調查，2005年以前野牛溝與金湯河呈近90°直交，泥石流發生后，野牛溝與金湯河夾角約55°。

表2 野牛溝主要物源特征

2.1 泥石流流量計算

不同頻率泥石流流量Qc計算采用雨洪法［13］，計算公式為：

式中：Qp——頻率為 P 的洪水流量（m3／s）；Dc——泥石流堵塞系數，取2.1；φ——泥石流泥沙修正系數，取2.23；ψ——洪峰徑流系數；F——匯水面積（km2）；S——暴雨雨力（mm／h）；τ——流域匯流時間（h）；n——暴雨公式指數；γc——泥石流重度（t／m3）；γw——清水重度（t／m3）；γH——泥石流中固體物質比重（t／m3），現場實測為2.52。

2.2 一次泥石流固體物質總量計算

一次泥石流固體物質總量Vs計算公式［14］為：

式中：Vc——一次泥石流總量；t——泥石流歷時。

根據現場調查，2005年泥石流容重為2.05t／m3。依據公式（1）—（5）對野牛溝泥石流不同頻率下的流量Qc及一次性沖出固體物質方量Vs進行計算，結果詳見表3。

2.3 泥石流可能參與堵河的方量

通過對2005年泥石流進行調查，其一次沖出固體物質方量約2.2×105m3，其中扇面停淤方量約1.6×105m3，實際堵河方量約3.0×104m3，約占總沖出方量的14%。由于目前野牛溝與金湯河呈銳角相交，導致被主河帶走的泥石流固體物質量增大，參與堵河固體物質所占總方量的比例進一步減少，實際參與堵河的物質應小于一次性沖出固體物質總量的14%，按此比例計算，則在3種不同頻率下，真正能參與堵河的最大泥石流固體物質方量分別為4.7×104m3，2.7×104m3，2.0×104m3。

2.4 堵河所需參數計算

目前，有關泥石流堵河判別公式［5－10］的研究很多，但是多限定條件或限定區域，均不適用于野牛溝泥石流的判別。本研究參考周必凡等［14］提出的有關經驗公式，結合野牛溝具體情況進行部分修正。從一次泥石流規模、流量和扇形地的溝床條件3個方面對野牛溝泥石流堵河的可能性進行分析（圖2）。

圖2 泥石流堵塞主河示意

2.4.1 最小土體方量 泥石流堵河時，可以假設堵塞體為三棱柱體，視主河底坡為水平，堵塞體上游坡度較陡，應滿足泥石流沖出固體物質在飽和狀態下的內摩擦角。堵塞體下游坡度可采用河床物質發生水石流的起始坡度，取14°。則堵塞主河所需土體方量為：

式中：V——堵河所需固體物質方量；b——野牛溝寬度；Hw——金湯河水深；Bw——金湯河寬度；φ——堵塞體上游坡度，取25°。

2.4.2 最小泥石流流量 泥石流發生堵河時，輸入主河的泥石流土體的剪切阻力應大于主河水體的剪切分力，泥石流流量應滿足公式（7）：

式中：Qw——主河匯流斷面的清水流量（m3／s），據現場考察，金湯河洪水期徑流量介于80～146.3m3／s；tgθb1——主河縱坡，為0.046；Cv——變差系數，取0.6；γy——泥石流中土體的容重參數，取2.1t／m3；φm——泥石流中土體的動摩擦角，取25°。

2.4.3 最小扇形地溝床坡度 扇形地的泥石流溝床坡度應大于泥石流的運動坡度，使泥石流能夠有較大的速度進入主河，則泥石流溝床坡度應滿足公式（8）：

通過現場實測及室內分析，依據公式（6）—（8）進行計算，確定野牛溝泥石流在3種頻率下堵河所需的參數值詳見表3。

表3 野牛溝泥石流堵河所需參數值

2.5 堵河可能性分析

（1）目前野牛溝扇形地溝床縱坡為83‰，滿足堵河所需最小扇形地溝床坡度。

（2）3種頻率下泥石流流量均滿足堵河所需最小泥石流流量范圍。

（3）頻率為5%時，其發生的泥石流規模遠無法滿足堵河所需最小土體方量，即發生20年一遇泥石流時不可能堵河。

（4）由于野牛溝溝床條件的改變，其與金湯河呈銳角相交后，其再次發生50年一遇泥石流時可以參與堵河的方量大幅度降低，最大為2.7×104m3，其規模雖不能滿足堵河所需方量，但相差無幾，在此我們應該考慮到2005年泥石流已經造成金湯河河道變窄，河床抬高，流速降低，這些因素都有利于堵河的發生，且野牛溝泥石流具有流速快，流量大，沖擊力強等特點，泥石流出溝口后極易改變扇形地溝道走向，因此認為野牛溝發生頻率為2%的泥石流時發生堵河的可能性仍較大，至少會造成部分堵河。

（5）頻率為1%時，其一次泥石流固體物質總量遠大于堵河所需最小土體方量，會造成完全堵河。

3 結論

（1）野牛溝具備發生泥石流的地形地貌、物源及降雨條件。

（2）P＝1%時，野牛溝泥石流會造成完全堵河。

（3）野牛溝與金湯河交匯夾角的改變，較大的弱化了泥石流堵塞主河的可能性，P＝2%時，泥石流可能會堵河或部分堵河，P＝5%時則不可能堵河。

（4）由于野牛溝位于金湯河中游，一旦發生泥石流堵河潰決將嚴重的威脅金湯河下游的鄉鎮及數個水電站的安全，建議對野牛溝進行工程治理，汛期應派專人進行職守。

（5）對傳統的堵河公式進行了修正，使其適用于大渡河中游泥石流溝堵河可能性判別，為區域內泥石流早期識別和預防提供了可靠的方法。

［1］郭志學，曹叔尤，劉興年，等.泥石流堵江影響因素試驗研究［J］.水利學報，2004（11）：39－45.

［2］吳積善，程尊蘭，耿學勇.西藏東南部泥石流堵塞壩的形成機理［J］.山地學報，2005，23（4）：399－405.

［3］張金山，沈興菊，謝洪.泥石流堵河影響因素研究：以岷江上游為例［J］.災害學，2007，22（2）：82－86.

［4］黨超，程尊蘭，劉晶晶.泥石流堵塞主河條件［J］.山地學報，2009，27（5）：557－563.

［5］朱平一，程尊蘭，游勇.川藏公路培龍溝泥石流輸砂堵江成因探討［J］.自然災害學報，2000，9（1）：80－83.

［6］徐永年，匡尚富，黃永鍵，等.泥石流入匯的危險性判別指標［J］.自然災害學報，2002，11（3）：33－38.

［7］陳德明，王兆印，何耘.泥石流入匯對河流影響的實驗研究［J］.泥沙研究，2002（3）：22－28.

［8］游勇，程尊蘭.西藏波密米堆溝泥石流堵河模型試驗［J］.山地學報，2005，23（3）：289－293.

［9］程尊蘭，黨超，劉晶晶，等.藏東南部泥石流堵河試驗研究［J］.地學前緣，2007，14（6）：181－187.

［10］張金山，謝洪.岷江上游泥石流堵河可能性的經驗公式判別［J］.長江流域資源與環境，2008，17（4）：651－655.

［11］梁志勇，劉峽，徐永年，等.泥石流入匯對河流河床演變的影響［J］.自然災害學報，2001，10（1）：45－50.

［12］崔鵬，何易平，陳杰.泥石流輸沙及其對山區河道的影響［J］.山地學報，2006，24（5）：539－549.

［13］四川省水利電力廳.四川省中小流域暴雨洪水計算手冊［S］.四川 成都：四川省水利電力廳，1984.

［14］周必凡.泥石流防治指南［M］.北京：科學出版社，1991.