汶川震區哈爾木溝堵河型泥石流災害特征與防治方法

黃 海, 謝忠勝, 石勝偉, 佘 濤

(1.中國地質科學院 探礦工藝研究所, 四川 成都 611734; 2.中國地質調查局 地質災害防治技術中心, 四川 成都 611734)

汶川震區哈爾木溝堵河型泥石流災害特征與防治方法

黃 海1,2, 謝忠勝1,2, 石勝偉1,2, 佘 濤1,2

(1.中國地質科學院 探礦工藝研究所, 四川 成都 611734; 2.中國地質調查局 地質災害防治技術中心, 四川 成都 611734)

摘要：[目的] 分析汶川震區哈爾木溝堵河型泥石流災害特征，為堵河型泥石流災害防治提供借鑒。[方法] 通過震后歷次泥石流跟蹤調查，分析哈爾木溝地質環境演變過程。利用雨洪法等計算了泥石流運動特征參數，并采用經驗公式計算了不同頻率的泥石流堵河可能性。[結果] 哈爾木溝泥石流流體特性、交匯條件和主河水文條件均有利于泥石流堵河，4個經驗公式計算均顯示,P=1%(100年一遇泥石流)以上規模的泥石流有嚴重堵河風險。對哈爾木溝治理工程運行情況進行跟蹤調查分析，發現經過3個水文年共7次泥石流災害的檢驗，治理工程防災效果明顯，但同時還存在攔擋工程平面布局不合理、壩肩滲流、溢流口淤積、排導槽沖刷損毀等問題，影響了防治工程的安全可靠度及防災效果。[結論] 針對哈爾木溝泥石流發育特征，應通過增設攔擋工程，修復加固排導槽等方法進行治理。

關鍵詞：泥石流; 堵塞主河; 活動特征; 防治方法

哈爾木溝為雜谷腦河中游左岸的一級支流，地處薛城S型構造中部核心區域，溝內次級斷裂發育，據現場調查統計，共發育3條次級斷裂。受構造及溝道切割影響，溝域內巖層破碎，高陡臨空面發育，溝岸兩側滑坡、崩塌及坡面泥石流發育，形成豐富的松散固體物源，具備了泥石流發育的所有條件[1-2]。近40 a來，哈爾木溝泥石流災害頻發[3]，曾于1989年6月16日暴發特大規模泥石流，淤埋溝口農田2.33 hm2，沖毀房屋3間，并堵斷主河雜谷腦河形成堰塞湖，回淹區淹沒農田6.70 hm2，沖毀主河右岸國道G317路基300 m，中斷道路30 d，造成巨大經濟損失[4]。“5·12”汶川地震后，哈爾木溝泥石流暴發頻率進一步增高，每年雨季均暴發2～3次規模不等的泥石流災害，嚴重危害了木堆羌寨和G317國道的安全。

本文通過震后歷次泥石流跟蹤調查，綜合分析溝域地質環境演變過程，查明溝域內松散物源分布及穩定性，分析高位滑坡進入溝道形成壅塞體及災害鏈的風險，對哈爾木溝泥石流啟動機理、動力過程、運動特征參數和震后泥石流災害特征進行研究，利用4種判別指數對堵河風險進行評價，并對防治工程近3個水文年的運行現狀進行總結分析，提出基于工程損壞情況及防治目標優化方法，以期為汶川震區堵河型泥石流災害防治提供借鑒。

1泥石流發育特征

1.1　地質環境背景

哈爾木溝處于青藏高原東部邊緣的邛崍山系,屬于侵蝕深切河谷地貌區,以中、高山山地和峽谷地貌為主，所在區域新構造運動主要以抬升作用為主,溝道強烈下切，呈“V”字型，形成下部基巖陡立，上部緩坡滑坡發育的溝谷形態。溝域流域面積6.35 km2，主溝長4.646 km，溝口海拔1 665 m,流域最高點海拔3 610 m,相對高差達1 945 m，平均溝床縱比降332.8‰。溝谷以山地和峽谷地貌為主，區內新構造運動主要以抬升作用為主,溝道強烈下切，呈“V”型，形成下部基巖陡立，上部緩坡滑坡發育的溝谷形態。流域形態呈樹葉狀，流域完整系數δ=0.300 9，相對切割程度h′=0.432，高程—面積積分值H=0.536 1，地貌信息熵S=0.159 5，表明該流域發育較完整，溝谷地貌處于壯年(偏幼)期[2]，具有良好的匯流條件，對泥石流的形成有利。

哈爾木溝溝域內的新構造運動受薛城S型構造控制，壓扭性弧形斷層較發育，褶皺緊密，地層巖性簡單，以泥盆系危關群和志留系茂縣群的千枚巖、砂巖為主，河谷兩側斜坡主要覆蓋有殘坡積層，左岸覆蓋層厚度約5—15 m，右岸覆蓋層厚度約10—35 m。受構造和溝谷下切作用共同影響，溝域內松散物質儲量豐富，溝道泥沙補給長度56.5%。

據2009年調查，哈爾木溝泥石流形成區共有滑坡崩塌14處、坡面泥石流6條、堵塞溝道堰塞體1處，滑坡崩塌體積約4.61×106m3，坡面泥石流堆積2.72×104m3，溝道老泥石流堆積1.85×104m3，總計固體物源4.65×106m3,可能參與泥石流活動的動儲量約2.09×106m3。

1.2　地震對哈爾木溝的影響

“5·12”汶川大地震主要影響溝域內的地表表生過程，表現為松散固體物質增多、溝谷微地貌條件改變和溝域匯水條件變化[5]。哈爾木溝對地震的相應主要表現為松散物源增多和溝道堵塞加劇。

物源增多是溝域內最為直觀的地表變化，導致震后泥石流活動激發臨界降雨條件降低，泥石流活動頻率增大，災害規模增大，活躍期限增長[6-9]。地震直接誘發崩塌、滑坡、泥石流等次生災害是造成哈爾木溝內松散物源急劇增加的最重要因素，哈爾木溝震后新增可參與泥石流活動的松散物質儲量1.19×106m3，占總物源的56.7%(表1)。

表1　哈爾木溝中型以上崩塌滑坡物源特征統計結果

同時地震造成坡面覆蓋層土體結構更加松散，基巖裂隙擴張，為后期滑坡、崩塌等災害提供有利條件，哈爾木溝內現堵溝風險最大的H03高位滑坡即為受地震影響，是在2008年7月在暴雨作用下形成的(如圖1所示)。溝谷地貌條件的變化改變了泥石流輸移過程中的運動力學狀態。

a 典型高位滑坡　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　b 滑坡演化成的坡面泥石流

圖1泥石流形成區地震誘發的典型滑坡

哈爾木溝兩側受地震影響，發育大量崩塌、滑坡和坡面泥石流，松散堆積體進入溝道后，造成溝道堵塞，完全堵塞溝道將抬高溝床面，減小淤積段溝床縱比降，塊石較多時還可能形成跌坎，對泥石流在溝道中運動時造成消能作用(圖2a)，半堵塞則擠占溝道過流斷面(圖2b)。此外受地震后泥石流暴發規模和頻率均增大的影響，泥石流運動過程對溝床沖刷淤積作用強烈，主要表現為泥石流堆積物在串珠狀溝道的寬緩段淤積嚴重，形成側積壟，抬高溝床侵蝕基準面和減小溝道過流斷面。

a 左岸滑坡半堵塞溝道　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　b 左岸崩塌堵斷溝道

圖2哈爾木溝兩岸滑坡崩塌堵塞溝道

哈爾木溝溝域內發育不良地質現象共23處，造成溝道全堵塞7處，包含崩塌1處，滑坡5處，坡面泥石流1處，對溝道造成半堵塞的災害點15處。溝內的堵塞體急劇增加導致溝道內松散物質增加，泥石流“滾雪球”效益較震前更顯著，同時，堵塞體對溝內泥石流輸移過程將產生堵潰放大效應，增大泥石流峰值流量，因此，溝道條件的變化是震后哈爾木溝泥石流規模和頻率均增大的重要原因。

1.3　泥石流活動情況

哈爾木溝泥石流形成的主要原因是：溝內發育大量滑坡，前緣進入溝道后在流水側蝕作用下解體，松散土體進入溝道內，堵塞溝道形成堵塞體,在上游暴雨洪峰流量作用下，堵塞體潰決形成泥石流，這種堵潰并非單一的，而是沿溝道發育，多次堵潰作用下，對泥石流峰值流量產生極大的放大作用[10]，形成大規模泥石流災害。根據調查訪問，哈爾木溝曾于1989年6月暴發大規模泥石流。據中國科學院成都山地災害與環境研究所的調查記錄[4]，泥石流一次沖出量達2.50×105m3，重度達2.21 t/m3，溝口流速為2.79 m/s，具有典型黏性泥石流特征。泥石流體運動至溝口堆積扇后，沿溝道淤積，溝床一次抬高2～3 m，最大處淤積高度達5.0 m。泥石流進入主河后，由于流體結構性強，抵抗主河洪水稀釋能力強，從而逐步擠壓雜谷腦河過流斷面，直至全部堵塞形成堰塞湖，造成主河右岸G317國道300 m余的路基沖毀，道路中斷3個月，堰塞湖上游回淹長度約400 m。自此，哈爾木溝泥石流災害進入活躍期，每3～5 a暴發一次泥石流，規模不等。

汶川地震后，哈爾木溝泥石流暴發頻率進一步提高，僅2008年7—9月就暴發了4次泥石流，2009—2013年共暴發了12次泥石流，泥石流活動規模不等，最大為2012年7月，一次沖出固體物質總量3.56×104m3。最小為2011年6月，一次沖出固體物質總量約600 m3。

通過調查統計，震后參與泥石流活動的固體物質總量1.50×105m3，其中累計沖出固體物質4.68×104m3，其他固體物質沿溝道堆積，為下一次泥石流災害提供溝床補給物源。

1.4　泥石流流體特征

哈爾木溝溝域內地層巖性較為單一，主要為志留系和泥盆系的千枚巖、板巖，覆蓋層以殘坡積碎石土為主，含大塊石相對較少。為了確定哈爾木溝泥石流的性質，對震后哈爾木溝暴發的最大規模的泥石流分別采集了堆積物樣品，顆粒分析結果如圖3所示。

圖3　哈爾木溝震后泥石流樣品顆粒級配

原始泥石流堆積物的顆粒分析表明，哈爾木溝泥石流堆積物中，黏粒(<0.005 mm)含量為3.84%～4.00%，含量較高，綜合震前震后的多次歷史泥石流調查，確定哈爾木溝發育的泥石流重度為1.95～2.25 g/cm3。

對比震前可知，溝內泥石流土力條件變化極大，震后泥石流重度相對震前略高。重度變大與溝內松散物源量增多密切相關，主要原因是地震誘發了多處崩塌，增加了流域內大塊石補給，同時松散物質中細顆粒含量增多，導致泥石流的粘度系數和侵蝕搬運能力劇增[11-12]。

2泥石流運動特征分析

2.1　不同降雨頻率下泥石流流量

利用雨洪法計算泥石流的流量：

QC=(1+φ)QP×DC

(1)

式中：QC——頻率為P的泥石流峰值流量(m3/s);QP——頻率為P的暴雨洪水流量(m3/s);φ——泥石流泥沙修正系數,φ=(γC-γW)/(γH-γC);γC——泥石流重度(kN/m3);γW——清水的重度(kN/m3);γH——泥石流中固體物質比重(t/m3);DC——泥石流堵塞系數。下同。

泥石流重度是影響泥石流峰值流量的關鍵因素，從泥沙攜帶能力考慮，重現期越長，泥石流溝的水力條件越好，攜帶大塊石能力越強，泥石流重度越高。泥石流的流量計算結果見表2。

表2　雨洪法泥石流計算結果

2.2　一次泥石流活動總量預測

泥石流歷時T和泥石流流量Qc是決定泥石流一次活動總量的關鍵，按泥石流暴漲暴落的特點，將其過程概化“三角形”狀[13]，通過斷面一次泥石流的總量Wc由下式計算：

WC=19×T×QC/72

(2)

一次沖出固體物質的總量Ws由下式計算：

WS=WC(γC-γW)/(γH-γW)

(3)

據公式(2)和(3) ，可計算該溝一次泥石流總量和相應的固體物質總量(表3)。

表3　哈爾木溝全流域不同降雨頻率一次泥石流暴發總量預測

3泥石流堵河風險分析

3.1　泥石流與主河交匯條件

(1) 入匯角。泥石流入匯主河一般有3種形式：銳角入匯、直角入匯、鈍角入匯，尤以前兩種形式為多見[14]。據張金山等[15]的研究，3種交匯形式堵塞主河可能性為：銳角入匯≤直角入匯≤鈍角入匯。銳角入匯時,主河水流與入匯后的泥石流體運動方向一致，主河增加泥石流運動動能,并減小匯合后流體內部能量損耗，增大泥沙輸移力，泥沙沉降形成堆積體體積較小，即堵塞主河的可能性相對較小。另外兩種情況則相反，泥石流出溝口后順河向流速分量為負值或為零,增加了主河流體內的能量耗散，減小泥沙輸移力，泥沙沉降速度加快[16]，較易形成堆積體，增加堵塞主河可能性。哈爾木溝自然溝道與雜谷腦河的交匯角為85°，近似直角交匯，屬較易堵塞主河情況。汶川地震后，已對哈爾木溝泥石流進行工程治理，溝口修建排導工程，現狀排導槽的入匯角為70°，入匯條件較天然溝床有所改善，但仍屬較易堵塞主河的入匯條件。

(2) 流量比。流量比指匯入口泥石流流量與主河洪水流量之間的比值，有文獻也稱為匯流比[17]。流量比(R)主要影響泥石流進入主河后的堆積形態和規模，是泥石流堵河的關鍵因素之一。哈爾木溝泥石流堵河預測計算中，泥石流峰值流量與設防標準密切相關，擬采取泥石流重現頻率為1%，2%和5%進行計算；主河雜谷腦河的洪水流量采取主河汛期多年平均流量。計算結果如表4所示。

表4　流量比計算統計

3.2　堵河可能性判別

泥石流堵河與否取決于泥石流與主河的交匯條件，包括泥石流運動物理特征、主河水文條件以及交匯處的空間狀態等。前人對堵河判別的公式開展了大量工作(表5)，張金山等[15]和唐川等[18]通過分析川西地區堵河型泥石流總結出經驗公式[15]：

(4)

(5)

式中：R——泥石流堵塞度；P——泥石流暴發頻率；Kz——堆積區主河寬度(km)；Qn——泥石流流量(m3/s)；Qz——主河流量(t/m3)；Jn——泥石流溝比降；Jz——主河比降；Z——泥石流堵河判別值；K——修正系數(取值范圍1.0～1.5)；γn——泥石流容重(t/m3)；β——石流溝與主河順流方向夾角(°)。

崔鵬等[19]通過室內試驗分析了堵河條件中動量比和流量比，得到了泥石流堵河的動量CM和流量CF判別式：

(6)

(7)

式中：QB——泥石流流量(m3/s)；QM——主河流量(m3/s)；VB——泥石流表面流速(m/s)；VM——主河洪水流速(m/s)；θ——交匯角(°)；γw——清水容重(t/m3)；γm——泥石流容重(t/m3)；β——石流溝與主河順流方向夾角(°)。

表5　4種堵河判別公式計算分析

計算結果表明，天然溝床條件下，P=1%的頻率的泥石流堵河可能性大，而小于100 a的重現期的泥石流堵斷主河的可能性均較小。計算結果與哈爾木溝泥石流暴發歷史基本吻合，哈爾木溝泥石流最近一次完全堵塞主河雜谷腦河為1989年，該次泥石流暴發頻率超過100年一遇，而此后多次爆發的泥石流災害均未完全堵塞主河，主要表現為堆積區擠占主河過流斷面，雜谷腦河河床寬度由1989年的15.9 m演變為2013年的8.9 m。

同時，對比分析工程治理前后的泥石流堵塞主河可能性計算結果，工程治理后的堵河參數下降20%～30%，堵河可能性均由堵塞主河下降為堵河可能性較小(張金山公式堵塞度仍然較大)。結合哈爾木溝泥石流暴發情況，工程竣工后，共經歷6次泥石流災害，對主河影響較小，工程治理效果明顯。

4泥石流防治對策及工程運行情況

4.1　防治工程概況及效果

“5·12”汶川地震后，在相關主管部門主持下，對哈爾木溝泥石流進行了工程治理，共布設了四道實體攔砂壩，350 m長的排導槽。

哈爾木溝泥石流治理工程對泥石流災害的影響主要表現為：攔擋泥沙、調節峰值流量、加大溝口輸移能力、調節泥石流入匯角度等。工程竣工后的7次泥石流災害對溝口未造成危害，對雜谷腦河主河影響較小，未造成堵塞，主河淤積高度僅0.15 m。

4.2　防治工程存在問題及對策

泥石流治理工程竣工后，歷經3個水文年，共7次泥石流災害的考驗。工程措施目前存在3方面問題。

(1) 上游1#攔砂壩和2#攔砂壩間距過小，2#攔砂壩的回淤高度高于1#攔砂壩溢流口，其攔擋效益全部失效。主要原因為設計回淤縱比降比實際回淤縱比降小。(2) 2#攔砂壩壩肩滲流造成坡體變形。2#攔砂壩右岸為基巖山坡，右岸為松散堆積體。攔砂壩修建運行后，庫區黏性泥石流堆積物滲透性差，將壩體的泄水孔堵塞。泄水孔與溢流口之間蓄滿深2.1 m的靜水，蓄水從左岸坡體內產生滲流，造成坡體變形。(3) 排導槽工程沖刷破壞，主要集中在急流槽的中心。為保證對黏性泥石流的輸移能力，排導槽斷面設計為“V”型槽。經實踐證明，排導槽對黏性泥石流的排導能力滿足設計要求，但同時造成了常年流水及高含沙水流流速過快，沖刷能力超出混凝土的抗磨蝕能力，水流集中地中心線沖刷嚴重。

基于哈爾木溝的危害特征及泥石流物理特性，可對哈爾木溝泥石流防治體系進行調峰、防沖刷等優化。具體優化措施為：① 中游滑坡集中段溝道設置谷坊群固源，減小泥石流發生堵潰產生放大效益增大峰值流量；② 溝谷寬緩段增加開放式攔擋工程對泥石流消能，減小流體動能；③ 排導槽優化槽底防沖刷設計，增加防沖肋檻、換填抗磨能力強的材料等。

5結 論

(1) 哈爾木溝自1989年進入泥石流活躍期，多次暴發泥石流堵塞主河，主河河床寬度由15.9 m減小為8.9 m，縮減幅度達44%，多年觀測結果表明，哈爾木溝輸沙量遠大于主河雜谷腦河的輸沙能力。

(2) 受“5·12”汶川地震影響，可參與泥石流活動的固體物源增加了1.19×106m3，占總物源的56.7%。岸坡失穩造成大量土體進入溝道，嚴重堵塞溝道，降低了泥石流啟動的臨界條件，并對泥石流峰值流量的放大效應明顯，表現為震后泥石流暴發頻率和活動規模大大增加。

(3) 計算分析顯示，哈爾木溝暴發P=1%以上規模的泥石流將嚴重堵塞甚至堵斷主河，P=2%以上規模的泥石流部分堵塞主河，擠壓主河行洪斷面。對泥石流進行“以排為主，攔擋調峰”工程治理后，堵河可能性降低20%~30%，治理工程有效減小了堵河風險。

(4) 通過3個水文年7次泥石流檢驗，哈爾木溝泥石流的“以排為主、輔以攔擋工程調峰”的治理思路可行，工程達到了預期治理效果。在泥石流作用下，工程結構出現了局部損毀的現象，可通過優化工程結構型式、更換建筑材料等方式進行修復。同時，可基于現有的治理思路，在工程地質條件較好的溝道段增設調峰、固坡工程，增大泥石流的安全儲備，以應對日益頻繁的極端天氣。

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Characteristics and Countermeasures of River-blocking Debris Flow of Haermu Gully in Wenchuan Area After Earthquake

HUANG Hai1,2， XIE Zhongsheng1,2， SHI Shengwei1,2， SHE Tao1,2

(1.InstituteofExplorationTechnology,CAGS,Chengdu,Sichuan611734,China;

2.TechnicalCenterforGeologicalHazardPreventionandControl,CGS,Chengdu,Sichuan611734,China)

Abstract：[Objective] To provide reference for disaster prevention and control of river-blocking debris flow of Haermu gully in Wenchuan area after earthquake.[Methods] By in-situ investigation, the changes of geological environment was analyzed systematically based on the formation of debris flows after Wenchuan Earthquake. The possible size of the debris flow under different rain frequencies was studied. We used four experience formulae to evaluate the risk of debris flow.[Results] The characteristics of debris flow, confluence condition and hydrologic condition of main river were conducive to debris flow blocking the river. Calculated by the 4 empirical equations, it was indicated that there was risk of river blocking when P=1% and above. After the comprehensive treatment for 7 debris flows within 3 years, significant improvement have been achieved. However, issues such as project layout unreasonable, abutment seepage, overflow port siltation, erosion damage to drainage canal still existed. [Conclusion] To solve those issues, we suggested that more check dams need to be built and drainage canal need to be reinforced in the future.

Keywords:debris flow; blocking river; activity characteristics; countermeasures

文獻標識碼：A

文章編號：1000-288X(2015)01-0327-06

中圖分類號：P642.23

收稿日期：2014-02-26修回日期：2014-03-10

資助項目：中國地質調查局項目“西南山區重大泥石流災害調查與防治”(12120113011000)

第一作者：黃海(1984—),男(漢族),湖南省醴陵市人,碩士，工程師,從事地質災害成災機理和防治技術研究。E-mail:hhai84@163.com。