四川省甘孜州雅江縣下渡溝泥石流成因及運動特征研究

柏 山，沈習文

（中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川 成都 610072）

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四川省甘孜州雅江縣下渡溝泥石流成因及運動特征研究

柏 山，沈習文

（中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川 成都 610072）

本文在現場地質勘察的基礎上，分析了雅江縣下渡溝泥石流的成因，描述了泥石流溝的特征，運用工程地質分析原理的方法對該泥石流溝形成條件進行了定性分析，計算了不同概率下泥石流的峰值流量及總量，對下渡溝泥石流發展趨勢及影響范圍進行了預測分析，并在此基礎上提出了相應的治理措施。

下渡溝；泥石流；運動特征；工程地質分析原理

0 前 言

下渡溝為雅礱江右岸一級支流，溝口位于甘孜州雅江縣下渡村附近。該溝流域面積82.122 km2，主溝長度14.38 km，流域內最高點海拔4 573 m，溝口海拔2 550 m，相對高差2 023 m，溝床平均比降140.68‰（見圖1）。該溝近年來發生過小規模稀性泥石流。

圖1 下渡溝流域地形示意

1 下渡溝泥石流形成條件

泥石流的形成受區域自然環境條件的制約和影響，根據對泥石流研究結果，泥石流形成的基本條件可歸納為：

（1）充沛的各類水源，足夠大的降雨強度；

（2）豐富、松散且容易失穩入溝的固體物質；

（3）有利于形成陣發性尖型洪峰的流域地形地貌形態等。根據泥石流形成的基本條件，對比地形、水源和物源情況，分析下渡溝的基本特征及泥石流運動特征，進而預測泥石流的發展趨勢及影響范圍，為下渡溝泥石流防治提供依據。

1.1 地形地貌條件

下渡溝在平面圖上呈不規則卵形，流域最寬處寬度約10.9 km，流域四周被高山及山嶺所環繞，溝谷兩岸支溝發育，左側發育3條支溝，右側發育3條支溝，呈樹枝狀分布。

下渡溝總體流向南西至北東，呈構造侵蝕深切割曲流峽谷地貌。溝谷兩岸山體雄厚，溝谷峽窄、谷坡陡峻，沿河嶺谷高差懸殊，相對高差1 000～2 000 m，屬典型的侵蝕峽谷地貌；在坡度相對較緩的斜坡、坡腳廣泛分布滑坡堆積、崩坡積、坡殘積或沖洪積堆積物。陡峻的地形條件為泥石流的形成提供了有利條件。

1.2 物源條件

下渡溝流域位處松潘—甘孜造山帶，在大地構造部位上，流域位于“雅江—理塘”菱形斷塊內部偏南弧頂向南的雅江弧形褶皺構造帶。流域受構造影響較強烈，主要發育小斷層、擠壓破碎帶等。

下渡溝兩側斜坡局部基巖裸露，基巖巖性為三疊系雅江組中段鈣質粉砂質板巖夾巖屑石英砂巖，產狀為210°∠46°，表層松動卸荷強烈，巖體裂隙發育。溝口左右兩側斜坡均發育二級沖積洪積坡積階地，左側二級階地與一級階地之間分布彎曲變形巖體，右側為沖洪坡積二級階地，溝谷分布厚約2～8 m的沖洪積塊碎石土，結構松散。兩側斜坡地形均較為陡峻，左岸斜坡坡度約45°～55°，右岸斜坡坡度約40°～45°，斜坡淺層松動卸荷松弛較強烈，巖體強卸荷深度30～40 m，弱卸荷深度80～100 m。

斜坡表層巖體較破碎，規模不等的滑坡、溜滑、崩塌和坍塌等不良地質現象極為發育，堆積在溝床及兩側斜坡的各類碎屑物質成為區內山洪和泥石流的直接或潛在固體物源。

據調查，下渡溝及其沖溝內松散碎屑物質較豐富，其中溝內碎屑物質約20萬m3，溝床兩岸穩定物源約200萬m3，溝床兩岸基本穩定物源約50萬m3，溝床兩岸欠穩定物源約10萬m3。豐富的物源為泥石流的形成提供了有利條件。

1.3 水源條件

雅礱江流域洪水主要由暴雨形成，一般出現在6～9月，主要集中在7、8兩月，且多連續降雨。雅礱江較大洪水多為兩次以上的連續降雨形成。汛期內連綿不斷的降雨使河流底水逐漸抬高，如發生1～3日較為集中的大面積暴雨，即可形成較大洪水。洪水過程多呈雙峰或多峰型，一般單峰過程6～10天，雙峰過程12～17天。洪水起漲時底水流量較大，一般可占洪峰流量的1／2～1／3左右。由于流域大部分地區雨強不大，加之流域形狀呈狹長帶狀，不利于洪水匯集，故洪水一般具有洪峰相對不高、洪量大、歷時長的特點，這些為山洪和泥石流的激發創造了有利條件。

根據流域內地下水的賦存條件，可分為第四系松散堆積層孔隙水和基巖裂隙水兩種類型。第四系松散堆積層孔隙水主要分布在河谷、岸坡沖積物、崩坡積物、泥石流堆積物、滑坡堆積物等各種成因的第四紀松散堆積體內，受大氣降水、河水及兩岸地下水補給，流域內地下水較豐富，為山洪和泥石流的形成創造了有利條件。

1.4 人類活動

本區所在地甘孜州為四川省貧困地區，同時也為少數民族聚居地，數十年來森林工業一直是其財政收入的主要來源，實施“天保工程”之前，本區內森林遭受過渡采伐，造成水土流失比較嚴重。與此同時，毀林開荒、開山挖石、溝道兩側修建縣鄉道路及民用建筑，加劇了滑坡、崩塌等不良地質現象的發生，為山洪和泥石流的形成創造了條件。

2 泥石流溝的基本特征

2.1 泥石流溝谷特征

下渡溝主溝長度14.38 km，溝床平均比降140.68‰，溝道總體較曲折，溝谷較窄，溝道寬窄變化與陡緩變化相對應，溝道流域內松散堆積物較豐富。下渡溝溝口右岸一級階地下方發現早期泥石流殘留物，為泥結卵礫石，黃灰色，中密～密實，層厚3～6 m，殘留物體積約500～1 500 m3，屬粘性泥石流。溝道縱坡整體上表現出上游段陡峻，中游段居中，下游段稍緩。流域內溝道兩側及緩坡地段分布較多灌木及青崗樹。

據計算，下渡溝流域完整性系數較低，表明溝谷的侵蝕作用較強烈。溝內沖溝及毛溝較多，各沖溝以土質溝床為主，局部為巖質溝床。據調查，下渡溝歷史上爆發過多次較大規模泥石流，近年來爆發過多次小規模稀性泥石流。

2.2 泥石流形成區物源特征

下渡溝形成區和流通區的界限不明顯，泥石流為溝谷型泥石流，即形成區物源不集中，流通區既有物源推移，又有物源堆積。根據調查，下渡溝泥石流固體物源沿溝都有分布，其中直接物源主要分布于高程2 550～3 500 m范圍內，類型主要為溝床洪積物、兩岸崩塌、崩坡積堆積物。其余物源分布在3 500～4 573 m高程段。

溝谷兩側斜坡堆積體上雖然局部植被較發育，但由于臨空面坡度較大，暴雨時飽水和溝床激流的淘蝕作用，容易產生坍滑型失穩，大部分堆積體處于不穩定或潛在不穩定狀態。

2.3 泥石流流通區特征

如前所述，下渡溝泥石流流通區與形成區的界限不明顯，大致以溝口向上游第4條支溝與主溝的匯合口（高程約3 430 m）為界。該段溝谷地形差異不大，根據溝谷地形的微小差異、溝谷形態和是否有早期泥石流堆積物等判斷，流通區長約10 040 m，高程從2 580 m到3 430 m附近。在下渡溝溝口附近，溝道較順直通暢，溝床有厚約5～8 m的沖洪積、泥石流堆積的塊碎石，溝床兩側局部分布崩坡積堆積體，兩側斜坡坡腳局部分布古泥石流堆積物殘體。左、右兩岸斜坡陡峻，局部基巖裸露，巖壁上有古泥石流活動痕跡。

2.4 泥石流堆積區特征

溝口可見多期洪積扇，后期經雅礱江及下渡溝流水改造，僅見局部殘留，殘留體厚約5～8 m。另在下渡溝溝谷中可見近期泥石流堆積物，泥石流堆積體一般由（漂）塊碎礫石及砂性土組成，塊石主要為變質砂巖、粉砂質板巖，塊度10～50 cm，最大約1.5 m，溝谷中堆積體體積約8 000 m3，泥質平均含量＞10%，為稀性泥石流。

下渡溝泥石流具多期多次形成的特點，后期經雅礱江及下渡溝流水改造，僅見局部殘留，溝口堆積區上覆近期洪積堆積物。泥石流規模有逐次減小的趨勢，泥石流堆積體厚度逐次減小，從堆積體的規模演化分析，泥石流溝處于衰退階段。

3 泥石流運動特征

3.1 泥石流容重

泥石流容重采用經驗法確定，詳見下式：

式中 rm——為泥石流容重，kN／m3；

rs——為固體物質重度，取26 kN／m3；

f——為泥石流體中固體物質體積與水的體積之比。

計算得泥石流重度為16 kN／m3，為稀性泥石流。

3.2 泥石流流速

泥石流流速采用《工程地質手冊》（第四版）稀性泥石流流速公式：

式中 vm——為泥石流斷面平均流速，m／s；

a——為阻力系數；

mm——為泥石流粗糙系數，取5.5；

φ——為泥石流修正系數；

γm——為泥石流重度，kN／m3，200年一遇泥石流重度取19 kN／m3，100年一遇泥石流重度取18 kN／m3，50年一遇泥石流重度取17 kN／m3，20年一遇泥石流重度取16 kN／m3，10年一遇泥石流重度取15 kN／m3；

Gm——為固體物質比重，一般取2.4～2.7。

計算得200年一遇泥石流斷面平均流速為2.6 m／s；100年一遇泥石流斷面平均流速為2.5 m／s；50年一遇泥石流斷面平均流速為2.3 m／s；20年一遇泥石流斷面平均流速為2.2 m／s；10年一遇泥石流斷面平均流速為2.0 m／s。

3.3 洪水峰值流量

采用《四川省中小流域暴雨洪水計算手冊》中的推理公式：

式中 QB——為設計洪峰流量，m3／s；

φ——為洪峰徑流系數；

S——為暴雨雨力，即最大1 h暴雨量，mm／h；

τ——為流域匯流時間，h；

n——為暴雨公式指數；

F——為流域面積，km2。

下渡溝200年一遇設計洪峰流量為161.683 m3／s；100年一遇設計洪峰流量為143.574 m3／s；50年一遇設計洪峰流量為125.062 m3／s；20年一遇設計洪峰流量為101.028 m3／s；10年一遇設計洪峰流量為81.89 m3／s。

3.4 設計泥石流峰值流量

對于暴雨泥石流，常采用配方法計算泥石流的峰值流量。即假定泥石流發生頻率與暴雨洪水發生頻率相同，以設計洪峰流量進行配方，按比例加上泥石流所挾帶的固體物質體積來計算泥石流流量，其計算公式為：

式中 QC——為泥石流洪峰流量，m3／s；

QB——為清水洪峰流量，m3／s；

Φc——為泥石流洪峰流量增加系數；

Du——為堵塞系數。

下渡溝溝床植被較少，溝床糙率相對較低，對泥石流的堵塞作用較小，200年一遇泥石流堵塞系數可取1.6；100年一遇泥石流堵塞系數可取1.5；50年一遇泥石流堵塞系數可取1.3；20年一遇泥石流堵塞系數可取1.2；10年一遇泥石流堵塞系數可取1.1。

200年一遇設計泥石流峰值流量為591.298 m3／s；100年一遇設計泥石流峰值流量為430.722 m3／s；50年一遇設計泥石流峰值流量為289.032 m3／s；20年一遇設計泥石流峰值流量為193.974 m3／s；10年一遇設計泥石流峰值流量為131.024 m3／s。

3.5 泥石流撞擊力

泥石流沖擊力計算包括整體沖擊力和單塊最大沖擊力計算。泥石流整體沖擊力為：

式中 F——為泥石流整體沖壓力，10 kN／m2；

g——為重力加速度，9.8 m／s2；

α——為受力面與泥石流沖壓力方向所夾的角，（°）；

λ——為受力體形狀系數，方形為1.47、矩形為1.33，圓形、尖端、圓端形為1.00；

γm——為泥石流重度。

單塊塊石的最大撞擊力按下式計算：

式中 Fs——為單塊巨石的撞擊力，10 kN；

γ——為動能折減系數，正面撞擊時取0.3；

α——為受力面與泥石流撞擊面撞擊角；C1、C2為巨石與建筑物的彈性變形系數，可取C1＋C2＝0.005；

W——為巨石重量，10 kN。

沖擊力計算均考慮成最危險情況，即有關參數取使沖擊力最大的數值，并只考慮正面撞擊。

200年一遇泥石流整體沖擊力為13.106 kN／m2；100年一遇泥石流整體沖擊力為11.48 kN／m2；50年一遇泥石流整體沖擊力為9.177 kN／m2；20年一遇泥石流整體沖擊力為7.902 kN／m2；10年一遇泥石流整體沖擊力為6.122 kN／m2。

200年一遇單塊最大沖擊力為254.911 kN；100年一遇泥石流整體沖擊力為241.495 kN；50年一遇泥石流整體沖擊力為2 228.079 kN；20年一遇泥石流整體沖擊力為214.663 kN；10年一遇泥石流整體沖擊力為201.246 kN。

3.6 泥石流總量及輸砂量

通過斷面的一次泥石流總量WC如下：

一次泥石流沖出的固體物質總量WS為：

式中 T——為一次泥石流持續時間，s；

QC——為泥石流峰值流量，m3／s；當F＜5 km2，K＝0.202；當F＜5～10 km2，K＝0.113；當F＜10～100 km2，K＝0.037 8；當F＞100 km2，K＝0.025 2。此處流域面積為82.122 km2，根據線性插值，K＝0.037 8。

200年一遇泥石流總量為40 232 m3；100年一遇泥石流總量為17 584 m3；50年一遇泥石流總量為9 177 m3；20年一遇泥石流總量為3 080 m3；10年一遇泥石流總量為1 486 m3。

200年一遇固體物質總量為22 630 m3；100年一遇固體物質總量為8 792 m3；50年一遇固體物質總量為4 015 m3；20年一遇固體物質總量為1 155 m3；10年一遇固體物質總量為464 m3。

4 泥石流發展趨勢及影響范圍預測分析

4.1 泥石流溝發展趨勢

下渡溝為溝谷型衰退期低頻率稀性泥石流溝。在天然條件下，因下渡溝溝谷侵蝕較為強烈，局部基巖裸露且風化嚴重，兩岸分布崩塌松散堆積體及松散坡積物。

當長時間降雨或強降雨時，溝道中及兩岸斜坡堆積體極易飽水失穩，同時強風化—中風化石英砂巖及粉砂質板巖易剝落，且兩側山坡松散坡積物即碎石土與巖屑被雨水沖入溝道中，從而產生新的物源進入溝道，一旦發生短時強降雨引發洪水，即可能激發暴雨類山洪。一旦降雨時間較長或暴雨強度變大，暴雨山洪沖出下渡溝溝口后其行進會變動改道，或者在扇面上左右搖擺，洪水中固體物質置于前期洪積物上。到達溝口后，因堆積扇縱坡坡度減緩，山洪的挾砂能力減弱，使得泥砂大量沉積，粗顆粒先沉降，細顆粒如粘土和砂粒后沉降。

下渡溝近年來發生過小規模稀性泥石流，從堆積體的規模演化分析，下渡溝泥石流處于衰退期。下渡溝兩岸山坡表層松散碎屑物質較多，斜坡穩定性相對較差，近期下渡溝仍具有發生中小型泥石流的可能性。

4.2 泥石流影響范圍預測分析

下渡溝泥石流主要物源是下渡溝兩側松散堆積物和溝道附近松散堆積物以及溝道中殘留的早期洪積物。下渡溝上游固體物質物源較豐富，但大多處于基本穩定狀態。因下渡溝中下游地形坡度緩，因此固體物質主要堆積在下渡溝中下游地段。當泥石流峰值流量較大時，泥石流可能沖淤溝道附近鄉村道路及溝內建筑。

5 泥石流防治措施

下渡溝泥石流固體物質主要來自于中上游坡面松散堆積物及溝道附近洪積物。下游段溝道較順直，溝口附近較開闊，且下渡溝溝道兩側分布鄉村道路及民用建筑。因此下渡溝泥石流的防治以排為主，結合造林、保持生態平衡預警預報為輔的綜合治理方案。

5.1 工程防治措施

考慮到溝道兩側分布鄉村道路及建筑，工程措施以排導為主，在下渡水電站等重要建筑附近采用T形全襯砌排導槽，并應適當增加槽底厚度。公路外側修建防護墻，防止泥石流沖淤公路。

5.2 生物防治措施

泥石流形成區海拔3 000 m以上區域實行封山育林，因地制宜選用當地優勢林木、灌木及牧草，嚴禁濫砍濫伐，限制過度放牧。通過生物措施，故土穩坡，防止水土流失，保持生態平衡，減少固體物質補給量。

5.3 泥石流預警預報系統

在該流域應建立泥石流監測點，采取降雨量監測、地表水監測及異常聲響監測等手段，爆發山洪及泥石流前及時發布預警預報，確保人民群眾生命財產安全。

6 結論與建議

（1）下渡溝位于高山曲流峽谷地區，溝谷深切，山勢陡峻，巖體較破碎，斜坡上覆松散固體物質，且降雨較豐富，構成了爆發泥石流的有利條件。該溝一旦爆發較大規模泥石流，將嚴重威脅溝道兩側鄉村公路及民用建筑安全。必須采用T形全襯砌排導槽及護墻，確保其公路安全。

（2）下渡溝為溝谷型衰退期低頻率稀性泥石流溝，因溝谷內分布較豐富松散碎屑物質，斜坡穩定性相對較差，近期下渡溝仍具有發生中小型泥石流的可能性。

（3）下渡溝泥石流防治措施應根據現場實際情況，因地制宜，以排為主，結合造林、預警預報等綜合治理方案。

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1003－9805（2015）01－0032－05

2013－07－29

柏 山（1970－），男，陜西涇陽人，高級工程師，從事巖土工程勘測設計及工程造價工作。