樂西高速五彝灣泥石流動力學特征及危險性分析

肖學沛， 蔣 銳， 李 博

(四川省公路規劃勘察設計研究院有限公司， 成都 610041)

西南山區構造活動強烈，巖體破碎，降雨豐沛，地形復雜，為泥石流的形成與發育提供了有利條件[1-3]，常威脅山區公路、鐵路等交通工程安全施工與運營。據統計，國道318線西藏段沿線威脅公路安全通行的泥石流主要有88條，其中大型泥石流有23條之多，如迫龍溝、古鄉溝、米堆溝、培龍溝等泥石流[4-5]；都(江堰)汶(川)高速同樣也飽受泥石流災害的威脅，如2010年8月14日銀杏坪溝暴發特大型泥石流，淹沒了正在建設中的都汶高速連山村特大橋部分橋梁樁基及施工設備；次年，該溝再次爆發泥石流，致使施工設備及當地飲水管線被沖毀或掩埋，2019年汶川“8·20”強降雨誘發的泥石流災害等又導致都汶高速多段線路被破壞[6]。據不完全統計，我國西部山區的公路沿線泥石流高達5 000～6 000條，對公路施工及正常運行構成極大威脅，如正在建設的川藏鐵路拉薩至加查段(長212.8 km)有83條對鐵路產生威脅的泥石流[7-8]，加查—朗縣段(長約156 km)則有45條威脅鐵路安全的泥石流[9]。

五彝灣流域中上游山高坡陡，構造活動強烈，崩塌滑坡現象嚴重，大量的松散堆積體在暴雨及水流的沖刷下進入主河，水土流失嚴重。人類工程活動，如道路建設、房屋建設及農業生產導致堆積區植被破壞，高陡臨空面增多，泥石流溝道變窄，勢必會加劇水土流失、崩滑等不良地質災害的發生，從而為泥石流的形成提供較為一定的物源，增大了泥石流爆發風險。此外，樂西高速公路途經的大涼山地區幾乎沒有類似工程的泥石流防治經驗。為此，本文以樂西高速五彝灣泥石流為例，分析評價該泥石流溝的動力特征及危險性對樂西高速沿線泥石流防治措施的影響，這對確保樂西高速施工及運行具有重要意義。

1 五彝灣溝地質環境條件

五彝灣流域位于四川省馬邊縣袁家溪鄉額落村境內，為典型的構造剝蝕中山峽谷地貌，流域面積約7.53 km2，流域內最高海拔為1 820 m，最低海拔為850 m，相對高差為980 m，溝道平均縱比降為187‰。流域溝道侵蝕下切嚴重，多為“V”形谷，兩側山高坡陡，平均坡度約40°，局部直立。該流域屬中亞熱帶季風氣候帶，年平均降雨量976.0 mm。馬邊縣河流屬岷江水系，五彝灣流域降雨匯入沙壩河，沙壩河向北匯入馬邊河，如圖1所示。

圖1 五彝灣泥石流地理位置及流域示意

馬邊縣處于四川臺坳川中臺拱西南緣的觀音—馬邊向斜和涼山褶皺帶的結合部上，主要表現為南北向構造體系、旋轉構造體系。五彝灣流域內出露地層由新到老分別為第四系全新統崩坡積層(Q4dl+pl)、殘坡積層(Q4dl+el)、滑坡堆積層(Q4del)、沖洪積層(Q4al+pl)等；侏羅系自流井組(J1z)；三疊系雷口坡組(T2l)、嘉陵江組(T1j)、飛仙關組(T1f)、銅街子組(T1t)。巖性主要為泥巖、砂巖、粉砂巖、白云巖、灰巖、白云質灰巖、泥灰巖等。

流域內的地下水類型主要為松散堆積層孔隙水和基巖裂隙水2類。松散堆積孔隙水零星分布于河床及其沿岸或谷坡地帶的沖洪積或崩坡積堆積層內；基巖裂隙水主要賦存于砂巖、粉砂巖等巖體風化裂隙和構造裂隙中。

2 五彝灣泥石流溝基本特征

五彝灣流域內新生界第四系全新統崩坡積(Q4dl+pl)、殘坡積(Q4dl+el)、滑坡堆積(Q4del)、沖洪積(Q4al+pl)等松散堆積物分布廣泛，如圖2所示。物源主要類型可分為崩滑物源、坡面物源、溝道物源和人工物源4類。根據現場調查、結合遙感解譯，采用相關計算方法[10-12]，估算得出五彝灣流域松散固體物質總量約337.2萬m3，其中能直接參與泥石流活動的動儲量為76.4萬m3，占物源總量的22.6%，各類泥石流物源量及其占比見表1。

圖2 五彝灣泥石流物源分布

表1 五彝灣泥石流各類物源總量及動儲量×104 m3

根據五彝灣泥石流溝物源及堆積物的運動、分布特征，將五彝灣流域大致分為清水區、形成流通區和堆積區，其中清水區分布于溝底高程1 050 m以上區域，形成流通區位于主溝溝底高程1 050 m～860 m，堆積區(泥石流堆積扇)位于溝底高程960 m以下區域，分別占整個流域面積(約7.53 km2)的40.51%、58.96%、0.53%，如圖3所示。

圖3 五彝灣流域溝道縱斷面

根據《四川省中小流域暴雨洪水計算手冊》(1984年)計算得出該流域設計點暴雨量，見表2。五彝灣流域年均降雨量為800 mm～1 200 mm，根據T/CAGHP 006—2018《泥石流災害防治工程勘查規范(試行)》，其爆發泥石流的24 h、1 h、10 min臨界雨強值分別為10 mm、20 mm和60 mm。

表2 五彝灣流域設計點暴雨成果 mm

從表2可知，五彝灣流域僅在2年一遇(P=50%)頻率下，每個時段的設計點暴雨均大于區域泥石流暴發的臨界降雨量，表明五彝灣流域降雨十分豐富，泥石流水源條件十分充足。

3 五彝灣泥石流運動特征研究

五彝灣泥石流溝為老泥石流溝，物質組成多為塊碎石，巖性以砂巖為主，直徑多為20 cm～80 cm，含少量白云巖、白云質灰巖、泥灰巖，石塊磨圓度差，呈網狀分布，空隙被泥沙填充，膠結程度高。

3.1 泥石流容重的確定

泥石流粘土顆粒(<0.005 mm)含量與泥石流容重存在以下關系[13]：

γc=-1.32×103x7-5.13×102x6+8.91×102x5-55x4+34.6x3-67x2+12.5x+1.55

(1)

式中：γc為泥石流容重，g/cm3；x為泥石流堆積物中粒徑小于60 mm粘粒含量占比。

根據顆分、水分試驗數據，五彝灣泥石流堆積物中粘粒含量為0.59%，見表3，由式(1)計算出五彝灣泥石流容重為1.551 g/cm3。

表3 不同粒徑含量占比

3.2 泥石流流速與流量

五彝灣泥石流屬于稀性泥石流，參照T/CAGHP 006—2018《泥石流災害防治工程勘查規范(試行)》中稀性泥石流流速計算公式：

(2)

根據現場調查獲得斷面面積Asc，可通過式(3)計算泥石流峰值流量Qc，結果見表4。

Qc=Asc×Vc

(3)

式中：Qc為泥石流峰值流量,m3/s;Asc為調查斷面的過流面積，m2；Vc為通過調查斷面的泥石流平均流速，m/s。

表4 五彝灣不同斷面泥石流流速及流量

3.3 一次泥石流總量

一次泥石流總量Q，可根據泥石流歷時T和泥石流峰值流量Qc按下式計算：

Q=0.264TQc

(4)

式中：Q為一次泥石流總量，m3；T為泥石流持續時間，s，本次研究泥石流持續時間T取30 min。

一次泥石流沖出的固體物質總量QH按下式計算：

QH=Q(γc-γw)/(γH-γw)

(5)

式中：QH為一次泥石流固體物質總量，m3。

五彝灣流域不同暴雨頻率下，一次泥石流總量Q及一次泥石流固體物質總量QH結果見表5。

從表5可知，在各設計暴雨頻率下，從泥石流的上游至下游(斷面3-3′至1-1′)，固體物質約占泥石流總量32%～33%，屬稀性泥石流；從1-1′斷面可知，泥石流規模主要為中小型泥石流。

4 五彝灣泥石流危險性研究

4.1 泥石流危險性評價因子及權重

根據五彝灣泥石流的發育及活動特征，采用單溝泥石流危險度評價方法[14]，以泥石流危險度14個二級指標因子為依據，同時根據該溝的實際調查情況及資料分析，對該溝進行危險度評價，評價因子的權重見表6。

表5 五彝灣泥石流一次泥石流總量計算

表6 泥石流危險度評價因子的權重

從表6中14個評價因子可知，Wc10的權重最大，Wc5的權重次之，其余危險因子的權重較小。

4.2 泥石流危險性評價

泥石流的危險度計算：1) 通過權重用層次分析法對14個評價因子進行賦值；2) 根據實地訪問及實測數值對每一個因子打分；3) 將各個因子的得分(X)與相應的權重(Wci)相乘即可求出泥石流危險度值(R)，見表7。

計算結果的危險度分級標準為：R<30，泥石流危險度低；30≤R<65，泥石流危險度中等；65≤R<130，泥石流危險度高；R≥130，泥石流危險度極高。

泥石流危險度評價公式為：

R=Wci×Xi

(6)

式中：R為泥石流危險度值；Wci為各評價因子的權重；Xi為各評價因子的得分。

結合現場訪問及實測值，由式(8)計算得出五彝灣泥石流的危險度R為45.23，按照危險度分級標準可知，五彝灣泥石流屬于中等危險度的泥石流溝，此結果與實地調查的定性結果一致。

表7 泥石流危險度評價因子及賦值

5 結論

五彝灣泥石流是樂西高速公路沿線典型的泥石流災害之一，本文通過對五彝灣泥石流發育、運動特征的分析研究，得出以下結論：

1) 五彝灣泥石流溝為一老泥石流溝，地質歷史上曾發生過泥石流。目前，五彝灣泥石流類型為溝谷+降雨+混合+低頻+(中～大)型+稀性泥石流，一般情況下以水石流或洪水為主。

2) 采用單溝泥石流危險度評價方法得知五彝灣泥石流危險度R為45.23，屬于中等危險度，此結果與實地調查的定性結果一致，在未來較長一段時間內仍將十分活躍，再次發生大規模災害性泥石流的可能性較大，特別是遭遇地震、極端氣候等強大外力情況時，泥石流暴發的頻率和規模都將大大增加。

5) 擬建高速公路位于五彝灣流域上游，屬于泥石流弱發育區，高速公路遭遇災害性泥石流的可能性較小。但為了保證擬建高速公路工程建設和運行的安全，建議高速公路橋梁設計時應充分考慮橋梁的凈寬跨、凈高等設計參數，建議采用大跨度結構通過泥石流區，建成后加強對五彝灣泥石流長期活動進行監測。