褚勝名，余 斌，李 麗，馬 煜，吳雨夫，亓 星

(成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都610059)

汶川地震誘發(fā)了大量崩塌、滑坡，為泥石流的形成提供了豐富的固體物質(zhì)，降低了泥石流暴發(fā)需要的激發(fā)降雨量，使得地震災(zāi)區(qū)泥石流的活動(dòng)頻率和規(guī)模都大大增加。堿坪溝位于汶川地震極重災(zāi)區(qū)四川省都江堰市龍池鎮(zhèn)，2009年7月17日凌晨曾暴發(fā)過(guò)泥石流，2010年8月13日下午在強(qiáng)降雨的影響下再次暴發(fā)大規(guī)模泥石流，間斷性堵塞龍溪河，抬高河水水位，威脅溝口及下游的輸電線路、自來(lái)水廠、龍池景區(qū)公路和石雕公園等公共設(shè)施以及南岳村部分村民的安全。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，堿坪溝正處在發(fā)育期，具備泥石流形成的地形和物源條件，在持續(xù)降雨或短歷時(shí)高強(qiáng)度暴雨的誘發(fā)下極易再次暴發(fā)泥石流。因此，研究堿坪溝泥石流的基本特征、形成條件及動(dòng)力學(xué)參數(shù)，提出行之有效的防治對(duì)策，對(duì)于保障下游地區(qū)群眾生命和基礎(chǔ)設(shè)施安全有著重要的意義。

1 流域概況及泥石流形成條件

堿坪溝為岷江一級(jí)支溝龍溪河左岸次級(jí)支溝，自東北向西南方向延伸，海拔1 054—2 143 m，匯水面積3.6 km2，主溝長(zhǎng)2.8 km，平均縱比降363‰，主要由漆樹坪溝和黃柏坪溝2條支溝組成。堿坪溝流域圖見圖1。

1.1 地質(zhì)地貌

堿坪溝所在地屬中高山剝蝕侵蝕地貌，主溝發(fā)育于高山峽谷區(qū)，岸坡陡峻，溝谷深切，可大致分為形成區(qū)、流通區(qū)和堆積區(qū)。形成區(qū)海拔1 400—2 143 m，溝谷切割淺，縱坡較大，坡度一般為45°～60°，局部超過(guò)70°，兩條主要支溝中黃柏坪溝溝長(zhǎng)0.81 km、流域面積0.99 km2、溝谷平均縱比降537‰，漆樹坪溝溝長(zhǎng)1.46 km、流域面積1.59 km2、溝谷平均縱比降463‰。流通區(qū)海拔1 070—1 400 m，溝谷長(zhǎng)1.09 km、寬40 m、溝床平均縱比降226‰，溝谷較為開闊、平直，溝床起伏小，有利于泥石流的流通，岸坡侵蝕嚴(yán)重，溝底及岸坡分布有大量松散堆積物和混雜堆積的巨石。堆積區(qū)海拔995—1 070 m，溝口向西正對(duì)龍池公路和龍溪河，溝床平均縱比降65‰，坡度2°～5°。在堿坪溝，較大的高差和匯水面積使得地表水能夠大量快速匯聚，從而侵蝕溝道和帶動(dòng)松散固體物質(zhì)運(yùn)動(dòng)，使得泥石流暴發(fā)的可能性大大增加。

圖1 堿坪溝流域

堿坪溝地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，斷裂較為發(fā)育，出露的地層主要有震旦系(Za)灰綠色安山巖、凝灰?guī)r及安山玄武巖和第四系地層。溝內(nèi)第四系地層有第四系殘坡積層()，巖性為含碎石粉質(zhì)黏土;第四系崩積層()分布于溝谷兩岸坡腳地帶，由不穩(wěn)定斜坡和崩塌物質(zhì)堆積而成，結(jié)構(gòu)松散;第四系滑坡堆積層()分布于邊坡滑坡地帶，土體物質(zhì)成分復(fù)雜多樣，滲水性較好;第四系泥石流堆積層()分布于堿坪溝溝谷和溝口龍溪河河道內(nèi)，堆積物主要為碎塊石土，結(jié)構(gòu)松散。

1.2 水文條件

堿坪溝所在地屬中亞熱帶濕潤(rùn)氣候區(qū)，分析1957—2006年降雨資料，主要有以下特點(diǎn):①降雨充沛。年均降水量1 134.8 mm，最大年降水量1 605.4 mm(1978年)，已達(dá)到或超過(guò)國(guó)內(nèi)一些半干旱半濕潤(rùn)并且泥石流強(qiáng)烈活動(dòng)地區(qū)的年降水量。②降雨集中。降雨時(shí)空分布嚴(yán)重不均，5—9月降水量占年降水量的80%以上。③降雨強(qiáng)度大。月最大降水量為592.9 mm，日最大降水量為233.8 mm，次連續(xù)最大降水量為457.1 mm，一次連續(xù)最長(zhǎng)降雨時(shí)間為28天，10年一遇1 h降水量為71.3 mm，20年一遇1 h降水量為74.8 mm。豐沛的降雨為泥石流的形成提供了水動(dòng)力條件，為泥石流的突然暴發(fā)埋下了隱患。

1.3 物源條件

斷裂帶貫穿造成堿坪溝溝道兩側(cè)山體破碎，在重力、動(dòng)水壓力以及地震的作用下滑坡、崩塌現(xiàn)象普遍，崩塌體、滑坡體堆積在溝床及溝道兩側(cè)山坡上，為泥石流暴發(fā)儲(chǔ)存了豐富的物源。固體物質(zhì)補(bǔ)給集中、數(shù)量多、穩(wěn)定性較差以及溝谷時(shí)陡時(shí)深時(shí)狹的地形特點(diǎn)都有利于泥石流的形成。

綜上所述，堿坪溝屬暴雨—溝谷型泥石流溝;水源豐富、匯水面積大，為泥石流形成提供了豐富的水源條件;地形陡峻、溝谷縱坡大為水源和松散固體物質(zhì)匯聚提供了有利的條件，也為泥石流發(fā)生創(chuàng)造了適宜的勢(shì)能條件;溝道兩岸堆積的大量崩滑物質(zhì)和滑坡堆積物等為泥石流發(fā)生提供了豐富的松散固體物源。在暴雨的作用下，大量地表水匯集于溝道，匯流過(guò)程中將坡面上的固體物質(zhì)及崩塌堆積物、滑坡堆積物等帶入溝道并順溝而下，通過(guò)揭底沖刷卷動(dòng)溝道底部及兩側(cè)的松散堆積物，以滾雪球的方式向下游運(yùn)動(dòng)，從而引發(fā)了泥石流。據(jù)調(diào)查，堿坪溝泥石流發(fā)生與否及規(guī)模大小的主要影響因素是降雨強(qiáng)度、地震烈度、人類活動(dòng)強(qiáng)度等。

2 堿坪溝泥石流形成過(guò)程和激發(fā)暴雨預(yù)測(cè)

2010年8月13日龍池鎮(zhèn)茶關(guān)村發(fā)生強(qiáng)降雨，1 h最大降水量達(dá)75 mm，相當(dāng)于當(dāng)?shù)?0年一遇降水量。在強(qiáng)降雨的作用下，16時(shí)左右堿坪溝暴發(fā)泥石流，持續(xù)時(shí)間約90 min，溝床啟動(dòng)并帶動(dòng)溝道兩側(cè)固體物質(zhì)運(yùn)動(dòng)形成大規(guī)模泥石流，沖毀溝口農(nóng)家樂、龍池公路及溝口一處居民供水設(shè)施。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，“8·13”堿坪溝泥石流是從兩條支溝(黃柏坪溝和漆樹坪溝)同時(shí)暴發(fā)的，在溝口以上60 m處開始堆積，淤積物寬32 m、深4.5 m，到達(dá)溝口后沖垮擋土墻、淤塞公路，然后順勢(shì)向龍溪河下游流動(dòng)，形成約長(zhǎng)930 m、寬18 m、深6 m的堆積體，堆積體體積達(dá)11 萬(wàn) m3。

2010年8月18日凌晨茶關(guān)村再次發(fā)生強(qiáng)降雨，1 h最大降水量達(dá)69 mm，相當(dāng)于當(dāng)?shù)?0年一遇降水量，但是在同樣物源充足的情況下堿坪溝卻沒有發(fā)生泥石流，由此可以初步推測(cè)堿坪溝暴發(fā)泥石流需要至少20年一遇的降水量。

3 泥石流靜力學(xué)和動(dòng)力學(xué)特征

3.1 泥石流容重

堿坪溝內(nèi)堆積體的沉積形態(tài)呈現(xiàn)混雜堆積、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和弱分選性，由此分析認(rèn)為該泥石流為過(guò)渡型—黏性泥石流。對(duì)調(diào)查取樣進(jìn)行顆粒級(jí)配分析，得到顆粒分布曲線，見圖2。

泥石流容重的計(jì)算公式[1]為式中:γd為黏性泥石流容重，g/cm3;γv為黏性泥石流最小容重，g/cm3;γ0為泥石流最小容重，g/cm3;P2為＞2 mm的粗顆粒所占百分比，以小數(shù)計(jì);P05為＜0.05 mm的細(xì)顆粒所占百分比，以小數(shù)計(jì)。

圖2 堿坪溝泥石流顆粒分析

由式(1)計(jì)算得到堿坪溝的泥石流容重為1.90 g/cm3。

3.2 泥石流流速、流量及沖出量

泥石流流速是決定泥石流動(dòng)力特征和防治設(shè)計(jì)中最重要的參數(shù)之一。根據(jù)《泥石流災(zāi)害防治工程勘查規(guī)范》[2]中的黏性泥石流流速計(jì)算公式，采用綜合西藏古鄉(xiāng)溝、云南東川蔣家溝、甘肅武都火燒溝的通用公式，計(jì)算公式為

式中:Vc為泥石流斷面平均流速，m/s;n為河床糙率;R為水力半徑，m;Ic為泥石流溝縱比降，‰。

選取洪峰斷面，參數(shù)特征分別為斷面寬(B)7.8 m、高(H)1.7 m、面積(Wc)13.26 m2、縱比降(I)176‰、水力半徑(R)1.18 m。采用形態(tài)調(diào)查法計(jì)算泥石流流量Qc，其計(jì)算公式為

式中:Qc為泥石流流量，m3/s;Wc為泥石流洪峰斷面面積，m2;其余符號(hào)意義同上。

一次泥石流沖出量(U)可根據(jù)泥石流歷時(shí)和流量Qc，依據(jù)泥石流暴漲暴落的特點(diǎn)將其過(guò)程線概化成五角形，計(jì)算公式為

式中:U為一次泥石流沖出量，m3;T為泥石流持續(xù)的時(shí)間，T=5 400 s;其余符號(hào)意義同上。

“8·13”堿坪溝泥石流特征參數(shù)計(jì)算結(jié)果依次為平均流速6.1 m/s、峰值流量80.1 m3/s、沖出量11.5萬(wàn)m3。公式(2)作為經(jīng)驗(yàn)公式，適用范圍較廣，由公式(2)得出的平均流速計(jì)算的沖出量與實(shí)地測(cè)量的堆積方量(11萬(wàn)m3)較為接近，也證明了計(jì)算結(jié)果的可信度。

3.3 泥石流沖擊力

泥石流的破壞力很大，尤其是巨石的沖擊力是造成建筑物毀壞的主要原因。堿坪溝流通區(qū)最大巨石長(zhǎng)6.8 m、寬3.6 m、高3.2 m。泥石流暴發(fā)時(shí)巨石沖擊力的計(jì)算公式[3]為

式中:C1為縱波波速，m/s;Ad為石塊與被撞物體的接觸面積，m2，按流通區(qū)最大石塊的中、短徑所在平面面積的10%計(jì)算;F為石塊沖擊力，N;Vd為石塊運(yùn)動(dòng)速度，m/s;dmax為石塊的最大粒徑，m;ρd為石塊密度，kg/m3。

由(5)、(6)兩式計(jì)算得到的泥石流沖擊力達(dá)149.94 kN，表明堿坪溝泥石流的破壞力極大。

4 發(fā)展趨勢(shì)分析

通過(guò)分析泥石流的特征、成因和溝道內(nèi)的松散固體物質(zhì)狀況，預(yù)測(cè)堿坪溝泥石流的發(fā)展趨勢(shì):

(1)堿坪溝流域內(nèi)崩塌、滑坡發(fā)育，沿溝有松散堆積物111處，主要分布在形成區(qū)和流通區(qū)，主要有溝床堆積物和坡面侵蝕物兩種類型。據(jù)調(diào)查，溝內(nèi)固體物源總量約78.90萬(wàn)m3，在短歷時(shí)強(qiáng)降雨或持續(xù)降雨作用下極有可能再次暴發(fā)泥石流。

(2)在形成區(qū)和流通區(qū)中徑5 m以上的巨石很多，巨石啟動(dòng)破壞力很大，并且由于溝口堆積及人為活動(dòng)使溝口處的溝槽變窄，泥石流滿槽后外溢的可能性很大，會(huì)對(duì)堆積區(qū)居民、公路及引水設(shè)施安全造成危害。堿坪溝溝床兩岸分布有大量的崩滑堆積體，這些崩滑堆積物多處于潛在不穩(wěn)定狀態(tài)，在持續(xù)暴雨條件下極有可能再次誘發(fā)泥石流，堵斷龍溪河并導(dǎo)致河水回壅至上游居民區(qū)，在龍溪河形成堰塞湖，直接威脅下游群眾生命財(cái)產(chǎn)安全。

5 防治建議

依據(jù)泥石流的危害性和被保護(hù)對(duì)象的重要程度，建議對(duì)溝道堵塞物進(jìn)行疏導(dǎo)。例如，在堆積區(qū)修建排導(dǎo)設(shè)施，使排導(dǎo)槽與龍溪河之間形成30°左右的夾角，以規(guī)范泥石流的流向;在溝口位置疏通河道，使泥石流順暢排泄。

6 結(jié)語(yǔ)

(1)堿坪溝泥石流是典型的震區(qū)高頻—暴雨—溝谷型泥石流。堿坪溝匯水面積3.6 km2，主溝長(zhǎng)2.8 km，平均縱比降為363‰，主要發(fā)育有黃柏坪溝和漆樹坪溝兩條支溝，且形成區(qū)、流通區(qū)、堆積區(qū)分區(qū)明顯。泥石流的發(fā)生威脅南岳村4組15戶43人以及龍溪河下游在建自來(lái)水廠、龍池公路、輸電線路等公共設(shè)施的安全。

(2)在分析堿坪溝流域特征和泥石流形成條件的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)對(duì)泥石流的容重、流速、流量、沖出量等動(dòng)力學(xué)參數(shù)進(jìn)行了計(jì)算。堿坪溝泥石流容重為1.90 g/cm3，平均流速為6.1 m/s，峰值流量為80.1 m3/s，沖出量為11.5萬(wàn)m3。

(3)根據(jù)對(duì)2010.08.13和2010.08.19降雨資料分析，“8·13”堿坪溝泥石流發(fā)生時(shí)的1 h最大降水量為75 mm，相當(dāng)于當(dāng)?shù)?0年一遇的降水量;“8·19”強(qiáng)降雨1 h最大降水量為69 mm，相當(dāng)于10年一遇的降水量，在物源充足的情況下并沒有發(fā)生泥石流，由此可以判斷在當(dāng)前物源動(dòng)儲(chǔ)量條件下，堿坪溝暴發(fā)泥石流需要至少20年一遇的降水量。

(4)溝口向西正對(duì)龍溪河，堆積扇深入河床，河道殘存大量堆積物。如果再次發(fā)生同等甚至更大規(guī)模的泥石流，可能會(huì)使原本變窄的龍溪河堵塞，在龍溪河內(nèi)形成堰塞湖，威脅龍溪河上、下游群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全。

[1]余斌.不同容重的泥石流淤積厚度計(jì)算方法研究[J].防災(zāi)減災(zāi)工程學(xué)報(bào)，2010，30(2):78-92.

[2]DZ/T0220—2006，泥石流災(zāi)害防治工程勘查規(guī)范[S].

[3]康志成.云南東川達(dá)德溝災(zāi)害性泥石流調(diào)查[C]//全國(guó)泥石流防治經(jīng)驗(yàn)交流會(huì)論文集.重慶:科學(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社重慶分社，1983:71-77.