四川崇州大巖溝泥石流成因機制及危險性評價

王 銳 劉 剛 鐘曉波

（1.中國建筑西南勘察設計院有限公司 重慶 401147；2.重慶市地質礦產勘查開發局 南江水文地質工程地質隊 重慶 401147）

1 引言

泥石流通常是在集中暴雨等誘發條件下引起的攜帶有大量泥沙和石塊，于地形陡峻、溝壑縱深大地區發生的特殊洪流。泥石流常表現突發性強、沖擊力大、破壞性強等特點，常常會沖毀房屋、公路、鐵路等設施，甚至人員傷亡，造成巨大損失，所以對于泥石流的形成機制研究及危險性評價有重大意義。

國外對泥石流的形成機制及危險性評價開展的比較早，對于泥石流危險性研究的成果也較多。奧地利、瑞士等歐洲國家對泥石流的災害性評價，較早的提出了“三色”（即類似交通信號中紅、黃、綠）方法來劃分泥石流危險區、潛在危險區和無危險區。日本足立勝治等于1977年首次開展了泥石流危險度的判定研究，提出主要從地貌條件、泥石流形態和降雨3個方面判定泥石流發生的幾率。

國內對泥石流的危險度研究起源于20世紀80年代。近年來，由于地震，伴隨著泥石流災害頻頻發生，對泥石流的危險性研究也隨之增加。專家學者對黃河上游地區崩塌、滑坡、泥石流地質災害區域、都（江堰）汶（川）公路泥石流、四川涼山州安寧河流域泥石流、四川閻王曲二支溝泥石流、臨潼大水溝泥石流等泥石流危險性作了深入細致的研究，且李泳早在1999年就泥石流問題綜合多種方法思想作了歸納總結，李闊等人針對泥石流的研究現狀作了詳細闡述。但由于四川崇州雞冠山鄉茍家村特殊的地層巖性、地質結構和構造，對于大巖溝泥石流的形成機制和危險性評價亟需解決。本文針對大巖溝泥石流的特點，在了解大巖溝地層巖性和地質構造后，結合區域性環境對其泥石流形成區、流通區和堆積區的影響作用，最終形成對其危險性的評判。

2 工程概況

位于四川省崇州市雞冠山鄉茍家村的大巖溝泥石流在2008年“5·12”特大地震后，在坡面形成碎屑，3天暴雨后于5月16日發生過。以后暴雨過后曾發生多次泥石流，但規模均很小，僅有少量泥砂夾塊石沖出，堵塞河道，未造成嚴重的經濟和財產損失，也沒有造成人員傷亡。淤積物被攜帶達幾百米，危及溝中住戶。目前，在泥石流堆積區、極危險區、危險區范圍內受威脅對象包括溝內分布有10多戶居民和到白云溝的旅游道路以及橋梁1座。據統計，泥石流危險區潛在受災人口計100人，其險情級別劃分屬小型。

本次泥石流應急勘查的主要目的有：查明泥石流類型、規模、形成條件、運動特征、發展趨勢、可能出現的災情和險情等，為泥石流應急防治工程設計提供科學依據。主要任務包括：查明地形地貌特征；查明泥石流運動學特征，計算泥石流流量、流速、沖擊力、沖高和爬高等參數；確定泥石流危險區范圍，對泥石流災情和險情進行統計分析；根據泥石流形成條件和基本特征、危害情況等，有針對性地提出泥石流應急防治的方案建議。

圖1 泥石流區平面示意圖

圖2 泥石流地質1-1’橫剖面圖

3 勘查區自然條件及地質環境條件

3.1 自然條件

3.1.1 位置與交通

勘查區位于崇州市雞冠山鄉茍家大巖溝，區內有旅游公路及通村公路，交通較方便，工作區距崇州市區約50km。

3.1.2 氣象與水文

崇州市屬四川盆地亞熱帶濕潤季風氣候，四季分明，雨量充沛，日照偏少，無霜期較長。年平均降雨量1012.4mm，崇州氣象站觀測的24h最大降雨量為257.00mm（鞍子河，1966.7.26～7.27），351.4mm（萬家場，1966.7.26～7.27），雨日和雨量均為夏多冬少，春季為176.1mm，夏季為588.0mm，秋季218.4mm，冬季為29.9mm。主要災害性天氣為連續性陰雨、洪澇、干旱、大風、冰雹、寒潮、霜凍等。

大巖溝流域屬岷江水系。大巖溝為岷江左岸一級支流西河之一級支流，溝源頭位于崇州南部的雞冠山鄉茍家村的后龍山西麓，由東向西流經雞懷公路，在茍家場匯入西河上游文井江。其中文井江，平均逕流量15.2m3/s。全長109km，市境內長96.8km，流經14個鄉鎮，為全市最長河流，主溝屬于雨源類型河流，地表徑流主要由降雨補給。

工區段白云溝自東向西從堆積區前緣流過，沖溝寬度15.0m～30.0m，本段河床縱比降約230.3‰。流域內洪水主要由暴雨形成，年最大洪水發生時間以5月～9月居多，其余月次之。洪水匯流速度快，河槽調蓄能力小，具有山區河流共有的急漲快落的特征，每次洪水一般經歷1天～3天左右。泥石流形成區發育一條沖溝，自北向南，在二道橋右岸匯入白云溝，切深0m～0.70m，常年有少量流水，勘查期間幾乎斷流，物源區沖溝不發育，地表碎石，斷木星羅棋布。

3.2 地質環境

3.2.1 地層巖性

工作區主體屬上龍門山隆起褶帶分區，以古生代石炭系和泥盆系陸相沉積巖最為發育，次為晚三疊系復陸屑沉積巖，呈飛來峰式。第四系主要沿河谷及兩側岸坡分布，有沖積、洪積、坡積、滑積等成因類型，地貌特征明顯，地層軟硬相間。地層由淺到深依次為：第四系沖積層（Q4al）與冰磧冰水堆積層（Q1+3gl+fgl），三疊系巖屑砂巖與砂質泥巖互層夾煤層，石炭系灰巖、泥質灰巖，泥盆系白云巖、灰巖等。表層沖積層與冰磧～冰水堆積層都是一些松散堆積物，具有明顯的二元結構，為泥石流的發生奠定了物源條件。

3.2.2 地質構造

調查區位于龍門山隆起褶帶南段。龍門山隆起褶帶是褶皺、斷裂活動強烈，多期復合、規模巨大的構造帶。由一系列北東向隆起、坳陷、單式和復式褶皺，壓性、壓扭性斷裂組，巖層構造變形強烈，成為地表不良地質現象發育的內在因素之一。

3.2.3 地震

據《中國地震動參數區劃圖》（GB18306-2001）和《建筑抗震設計規范》（GB50011-2001），工程區抗震設防烈度為8度。該區地震動峰值加速度為0.15g，地震動反應譜特征周期為0.45s。

4 泥石流成因機制分析

4.1 形成區（物源區）特征

形成區（物源區）特征主要包括有：松散堆積體（殘坡積層）、地質災害堆積體、人類活動形成的松散堆積體、調查分析形成區的水源類型。

松散堆積體（殘坡積層）：調查區處于強烈抬升區，區內地殼活動頻繁、強烈，近南西北東向斷層發育。溝谷下切強烈，巖石破碎，引起崩塌、滑坡，為泥石流的發生貢獻了部分固體物質。區內出露巖性主要為白云巖，灰巖、砂頁巖，這些軟硬相間的巖層，結構疏松，易于風化。

地質災害堆積體：在沖溝上游兩岸，分布高程1275m～1375m一帶，森林毀壞嚴重稀疏，到處是白茫茫的碎石堆積，猶如光潔的臉蛋被劃出多道傷痕，成蘋果狀。在沖溝右側山坡形成崩塌堆積兩處，而在左側形成崩塌堆積3處。

人類活動形成的松散堆積體：區內人類工程活動主要為坡腳附近公路建設、居民住宅以及農家樂，植被發育、水土保持較好周圍無水利工程以及棄土棄渣等。總結有，區內存在8萬m3或更多的可被洪水帶走形成泥石流的固體物源，其中8萬m3為近期可移動物源。

調查分析形成區的水源類型：如前所述，大巖溝為岷江水系一級支流西河的支流白云溝的支溝，雨季有水，溝水主要接受大氣降水補給。可見，泥石流溝內地表水流量不大，但水動力強大，沖蝕和攜帶固體物質的能力很強。因此，特別是暴雨條件下，富含泥砂的地表水從較大落差的高處沖下，沖洗、掏蝕和裹帶溝床及溝岸兩側松散物質并沿溝而下，致使流體中固體物質含量增多，粘度變大，并形成破壞力很強的稀性泥石流。

表1 泥石流流量計算參數及結果

表2 一次泥石流總量和沖出固體物質總量計算結果

4.2 流通區特征

泥石流流通區的沖淤特征表現為有沖有淤，其沖淤特征與不同溝段坡降及溝谷方向、溝床寬度的變化等有關。流通區沖刷特征主要表現為溝谷側蝕和下蝕作用強烈，將原泥石流堆積物或沖洪積物沖刷帶出溝谷，于松散物臨溝側形成新鮮的陡坎。沿溝可見這種因沖刷形成的陡坎高度通常高4m～5m。流通區泥石流淤積特征，主要表現為泥石流彎道處呈現凹岸堆積和溝谷突然變寬地段、坡降變緩的溝段出現的堆積以及岸坡上部泥石流爬高或彎道超高而形成的泥石流堆積。沿溝常見沖淤并存的現象，如下方因泥石流沖刷而形成陡坎，而上部則又有泥石流爬高后產生的堆積物覆蓋其上。調查表明，泥石流流通區一般沖淤變幅在1m～2m左右。

4.3 堆積區的特征

據調查，堆積區的沖淤特征表現以淤積為主，局部沖刷。泥石流沖出山口后，因地形突然變得開闊和溝谷縱坡變緩，泥石流物質便停積下來形成泥石流堆積扇。同時，在沿溝段局部地段也有一定的沖刷痕跡。

4.4 泥石流的形成條件

地形地貌條件：大巖溝流域大巖溝兩岸地形陡峻，為典型的中低山峽谷地貌，最高海拔高程為1500m，最低海拔高程1100m，相對高差400m。流域面積約0.31km2，主溝全長0.8km，主溝有少量流水，與支溝大角度斜交，有利于匯水，泥石流溝堆積區、流通區、形成區溝床比降分別為：34%，31%，24%，總體平均坡降為27%。堆積區、流通區相對狹窄，而形成區溝道較寬闊，較長。大巖溝相對高差大，匯水面積較大、流通區狹窄且比降較大，有利于泥石流的形成。

降水條件：根據崇州市（崇慶縣）1959年～2004年的降水資料進行統計。結果表明崇州西部山區的降水條件對泥石流的形成十分有利：（1）降水充沛，山區多年平均年降雨量在1012.4mm，這樣的雨量已達到或超過中國一些半干旱，半濕潤泥石流強烈活動地區的年降雨量。（2）降水集中，降雨量在年內月份分布不均勻，多集中在4月～9月，占全年降水的80%以上。（3）多暴雨，山區多為歷時短，強度大的區域性暴雨、大雨，且主要時段集中在6h之內。

崇州市境內的泥石流發生頻率0.2～0.8的最大日暴雨量為60mm～80mm，按照這樣的泥石流發生臨界雨量，山區以具備發生泥石流對雨量的基本要求。

4.5 泥石流的主要誘發因素

區內地形陡峻，溝谷縱坡大，跌水和彎道發育，為泥石流的發育提供了有利的地形地貌條件，區內面蝕、溝岸崩滑及溝底松散物質再搬運為泥石流的發生提供了豐富的固體物源條件。而溝谷匯水條件好，水動力充足，為泥石流的發育提供了較好的水源條件，這些因素為泥石流的形成提供了基礎。

據了解，泥石流主要為短時集中降雨所激發，且溝谷堵塞和突然潰決增大泥石流的突發性和破壞能力，也成為泥石流難以預防和造成損失嚴重的重要因素。此外，調查表明，地震也是形成泥石流的重要誘因。

5 泥石流特征及危險性評價

5.1 泥石流的動力學特征

5.1.1 泥石流容重

根據現場測定及事后當地居民的描述得出水土石的比例定為1∶1∶8，按下式計算泥石流容重：

式中：γc為泥石流容重，t/m3；γs為固體物質密度，t/m3，取試驗值1.66t/m3；f為泥石流固體物質體積和水的體積之比。

計算結果顯示泥石流的容重為1.594t/m3，為稀性泥石流。

5.1.2 泥石流流量

根據《四川省中小流域暴雨洪水計算手冊》，假定暴雨和洪水同頻率出現，采用其推薦的推理公式由暴雨計算洪峰流量：

式中：ψj為洪峰徑流系數，等于形成洪峰的凈雨量與降雨量之比值，這里取0.70；i為最大平均暴雨強度，mm/h，120.1mm（1%）、108mm（2%）；A為匯水面積，0.31km2。表 1為泥石流流量計算參數及結果，其中1%，2%為泥石流發生頻率。

再利用適合稀性泥石流計算的雨洪法對泥石流流量進行計算。泥石流流量可先采用水文方法計算出斷面不同頻率下的小流域暴雨洪峰流量Qp（計算方法查閱水文手冊）然后選用堵塞系數Dc取2.5，按下式計算泥石流流量Qc：

5.1.3 泥石流流速

泥石流流速是決定動力學性質的最重要參數之一，目前泥石流流速計算公式為半經驗公式或經驗公式，本次根據崇州稀性泥石流結合川西山區特點選用西南地區（鐵二院）推薦的斯里勃內依改進公式進行計算：

基于以上的分析，計算得出泥石流流速為3.81m/s。

5.1.4 一次泥石流過程的總量計算

一次泥石流總量可通過計算法和實測法確定。根據下兩公式計算一次泥石流總流量。

式中：K根據流域面積為0.31km2，取0.202；T取0.5h和1.0h。表2為計算獲得1%頻率和2%頻率下的一次泥石流總量和沖出固體物質總量。

通過以上對泥石流運動和動力學特征的分析，可以判斷泥石流的規模為小規模。

5.2 泥石流的危險性評價

5.2.1 泥石流活動性評價

為合理評價大巖溝泥石流的危險程度，根據現場調查評價泥石流的活動強度，且考慮其堆積扇規模較大，主河河型變化（已改道），主流已偏移，泥沙補給長度比40%，沿溝松散堆積物儲量大于104m3/km2，松散堆積物變形量較大，暴雨強度指標R為6.0左右，判定出大巖溝泥石流的活動強度強。

5.2.2 泥石流致災能力評價

根據調查，大巖溝泥石流活動強度強，活動規模為小型，發生頻率為高頻（自“5.12”地震爆發后已多次發生），堵塞程度為中等，F=8，屬致災能力較強的泥石流。

5.2.3 受災體（建筑物）綜合承（抗）災能力評價

根據調查受災體（建筑物）工程質量合格存在隱患，區位條件位于危險區內，防治工程和輔助工程存在問題。橋墩局部沖刷已達0.7m，溝口的彎道導流墻部分破壞，溝底的導流槽被破壞，其設計標準5年～10年一遇，綜合以上E=8，綜合承（抗）災能力差。

5.2.4 泥石流危險性評價

通過調查分析確定泥石流活動的危險程度或災害發生的幾率，利用以下判定式：

式中：D為危險程度或災害發生的幾率；F為泥石流的致災能力；E為受災體（建筑物）綜合承（抗災）能力。

將值代入，D=1，受災體處于災變的臨界工作狀態，表明該區域要警惕可能發生的泥石流災害。

6 結論與建議

（1）泥石流溝堆積區、流通區、形成區溝床比降分別為：34%，31%，24%，總體平均坡降為27%，山區多年平均年降雨量在1012.4mm，且泥石流發生頻率0.2～0.8的最大日暴雨量為60mm～80mm，按照這樣的泥石流發生臨界雨量和地形條件，山區已具備發生泥石流基本條件。

（2）泥石流的一次最大沖出量為5000m3，計算結果顯示泥石流的容重為1.594t/m3，為稀性泥石流，且泥石流流速為3.81m/s。通過以上對泥石流運動和動力學特征的綜合分析，可以判斷泥石流的規模為小規模。

（3）通過現場調查分析，表明大巖溝泥石流的活動強度強，且為致災能力較強（F=8），綜合承（抗）災能力差（E=8）的泥石流，最終判定受災體處于災變的臨界工作狀態（D=1）。

（4）建議對泥石流進行綜合治理：對形成區建議進行植樹造林，生物防護；對流通區的卡口位置建議修建攔砂壩，降低泥石流的沖擊力；在堆積物區建議修建導流堤，保護附近的居民住宅，在溝口附近修復導流壩，修復主溝中沖刷槽，對橋涵橋墩進行防沖刷加固，對主溝堆積體附近的跌水進行斜坡化處理。陜西水利

[1]DT/T0220－2006，泥石流災害防治工程勘查規范[S].

[2]DT/T0239－2004，泥石流災害防治工程設計規范[S].

[3]DT/T0221－2006，崩塌、滑坡、泥石流監測規程[S].

[4]GB/T500266－99，工程巖體試驗方法標準》[S].

[5]胡卸文,呂小平,黃潤秋等.唐家山堰塞湖大水溝泥石流發育特征及堵江危害性評價[J].巖石力學與工程學報,2009,28（4）:850-858.

[6]陳中學,汪稔,胡明鑒等.云南東川蔣家溝泥石流形成內因初探[J].巖土力學,2009,30（10）:3053-3057.

[7]余斌,楊永紅,蘇永超等.甘肅省舟曲8.7特大泥石流調查研究[J].工程地質學報,2010,18（4）:437-444.

[8]倪化勇,李宗亮,巴仁基等.四川瀘定縣泥石流災害成因、特征與防治建議[J].工程地質學報,2010,18（1）:91-99.

[9]李麗.舟曲縣泥石流危險性評價[D].北京：中國地質大學（北京），2012.

[10]H.奧里茨基.荒溪流域危險區制圖的原理與方法[M].中奧合作北京山區荒溪分類及危險區制圖培訓班教材，1992:33-41.

[11]足立勝治,德山久仁夫，中筋章人等.土石流發生危險度の判定にフやて[J]，新砂防.1977，30（3）:7-16.

[12]張春山,張業成,馬寅生.黃河上游地區崩塌、滑坡、泥石流地質災害區域危險性評價[J].地質力學學報,2003,9（2）:143-154.

[13]劉希林,王全才,孔紀名等.都（江堰）汶（川）公路泥石流危險性評價及活動趨勢[J].防災減災工程學報,2004,24（1）:41-46.

[14]韓用順，黃鵬，朱穎彥等.都汶公路沿線泥石流危險性評價 [J].山地學報,2012,30（3）:328-335.

[15]李秀珍,劉希林,蘇鵬程.四川涼山州安寧河流域泥石流危險性評價[J].防災減災工程學報,2005,25（4）:426-431.

[16]崔建凱,沈軍輝,李永林等.四川閻王曲二支溝泥石流危險性評價 [J].水土保持研究,2007,14（1）:141-143.

[17]姚勇,高加成,姚文花.臨潼大水溝泥石流特征分析及危險性評價 [J].鐵道工程學報,2010,（11）:5-9.

[18]李泳.泥石流危險性評價的問題[J].山地學報,1999,17（4）:305-312.

[19]李闊,唐川.泥石流危險性評價研究進展[J].災害學,2007,22（1）:106-111.