李文博，魏菲，倪師軍，2，施澤明，2，石建凡，廖超

（1.成都理工大學地球化學系，成都 610059；2.地學核技術四川省重點實驗室，成都 610059）

長坡溝位于四川省安縣，其地處川西北龍門山斷裂帶東側，這里是地震及次生地質(zhì)災害高易發(fā)地區(qū)［1]。自2008年汶川特大地震發(fā)生以來，由于構造活化和山體松動，該區(qū)域幾乎每年都有泥石流、滑坡、崩塌等次生地質(zhì)災害的發(fā)生。2009、2011及2012年的七八月間該區(qū)域都爆發(fā)了泥石流，對下游工業(yè)廠房及當?shù)鼐用裨斐闪藝乐赝{和一定程度的破壞。在本次泥石流爆發(fā)前，2013年7月初，本地區(qū)降雨量和降雨強度巨大，7月8日的單日降雨量達到百年一遇的450 mm，激發(fā)了本次泥石流的發(fā)生，主要發(fā)生區(qū)域就是長坡溝，通過走訪當?shù)鼐用竦弥?，此次泥石流?月9日凌晨3點發(fā)生至上午7點結束，歷時4 h泥石流傾瀉而下，造成下游公路淤泥深達2 m，部分房屋被淤泥沖入，河段部分淤塞。通過調(diào)查分析該區(qū)域發(fā)生泥石流災害的可能性依然很大。

1 泥石流形成的條件

1.1 自然地理條件

本次泥石流爆發(fā)的區(qū)域位于青藏高原與四川盆地過渡的中低山區(qū)。河流以下蝕作用為主，山高溝深、切割嚴重。在地形上是三面高山環(huán)抱著一個開口規(guī)則的半漏斗狀洼地，谷底時寬時窄，上游彎曲，下游近南北向，較平直。長坡溝發(fā)源于該區(qū)域的北西側分水嶺，呈NW展布，溝寬15～70 m，溝口標高1 020 m，相對分水嶺高差600余m，匯水面積3.7 k m2。長坡溝縱坡降達432‰，平均坡度為32°，接近分水嶺處切溝的溝床坡度42°～45°。由此可見長坡溝屬于陡峭而強烈切割的地形，并有較大的溝床縱坡比降。所以，長坡溝具有泥石流發(fā)育的首要條件——有利的地形。

1.2 地質(zhì)背景條件

區(qū)域內(nèi)出露地層包括震旦系、寒武系、奧陶系、志留系、泥盆系、石炭系和第四系。在長坡溝內(nèi)出露的主要是：震旦系水晶組主要出露于研究區(qū)西側，受斷層影響未見底，以黑色炭質(zhì)板巖為主，夾白云質(zhì)灰?guī)r、變質(zhì)砂巖和千枚巖；寒武系邱家河組主要出露于東側，其下與震旦系水晶組整合接觸，以黑色炭質(zhì)、硅質(zhì)板巖和變質(zhì)砂巖為主，夾炭質(zhì)泥巖、頁巖和灰?guī)r；第四系分布甚廣，主要是坡洪積層（Qspl）由灰、灰褐、紫紅色含碎（礫、卵）石的砂紙粘土、粘質(zhì)砂土混合組成，殘坡積層（Qesl）零星分布于緩坡及坡腳地帶，為深灰、灰黑色碎塊及砂質(zhì)粘土雜亂堆積而成。

長坡溝上游地層為水晶組三段，黑色炭質(zhì)砂巖、白云巖，產(chǎn)狀100°∠60°～70°，傾向與坡向接近，傾角略小于坡度角。沿巖層面和軟弱層易于發(fā)生滑動。同時巖石中發(fā)育一組卸荷裂隙，產(chǎn)狀95°∠54°，傾向基本與坡向一致，傾角小于坡角，巖體更易沿此滑動崩落，巖體穩(wěn)定性很差。

長坡溝中游右岸巖體坡向55°，坡度角55°～60°，地層為水晶組三段中厚層黑色灰質(zhì)白云巖，炭質(zhì)砂巖，產(chǎn)狀20°～30°∠50°，傾向與坡向一致，傾角小于坡度角。巖體中發(fā)育兩組裂隙。

長坡溝下游右岸坡向60°左右，總體坡角達75°左右，多處直立呈陡坎，地層為水晶組三段，巖性以黑色?。泻駥影自茙r，炭質(zhì)砂巖為主夾薄層黑色炭質(zhì)泥巖（軟弱層），巖層傾向與坡向一致，且傾角小于坡角，巖體極易沿軟弱層滑動崩落。另右岸巖石中發(fā)育兩組裂隙，其產(chǎn)狀分別為328°∠45°和35°∠54°，兩組裂隙傾向與右岸坡向相反，造成巖體穩(wěn)定降低。長坡溝下游左岸坡向240°左右，坡度角總體70°～74°，地層為邱家河組一段，巖性以黑色薄層炭質(zhì)變砂巖，炭質(zhì)硅質(zhì)板巖為主，夾黑色薄層炭質(zhì)泥巖，產(chǎn)狀100°∠55°。巖層傾向與坡向相反，不易沿巖層面滑動，但由于坡度較陡，且多見直立陡坎，巖石極易崩塌。

長坡溝正處于龍門山前陸推覆體上，構造比較復雜，斷層比較發(fā)育，結合以上分析推測：長坡溝下游兩岸巖體均有滑動的可能，右岸滑動的可能性較大。

巖土類型和性質(zhì)是影響區(qū)內(nèi)斜坡穩(wěn)定的根本因素。區(qū)內(nèi)震旦系和寒武系以含泥很高的炭質(zhì)板巖、炭質(zhì)泥巖、頁巖為主，巖石軟化系數(shù)較?。ㄉ皫r0.65～0.97、頁巖0.24～0.74、泥灰?guī)r0.44～0.54、千枚巖0.67～0.96、泥質(zhì)板巖0.39～0.52），吸水后易液化，為“易滑地層”，抵抗斜坡變形破壞的能力極低，易發(fā)生滑坡崩塌。同時，軟弱層易發(fā)生風化，而形成陡坎，甚至懸空坳陷，造成巖體在重力作用下崩塌。

1.3 物源條件

長坡溝上游溝坡和溝底都存在較多的松散堆積物大多由大塊石、碎石組成，期間充填泥砂，長期被流水浸泡，易風化崩解。根據(jù)泥石流前勘查數(shù)據(jù)，利用5個橫剖面和1個縱剖面分段計算；總方量C＝C1＋C2＋C3＋C4＋C5＝49.088 8×104m3；C1＝長（100 m）×寬（13 m）×深（20 m），該段為滑坡舌，其中該段鉆孔表明堆積物厚度為17 m；C2＝長（92 m）×寬（38 m）×深（25 m），該段鉆孔表明堆積物厚度為25.4 m；C3＝長（79.3 m）×寬（50 m）×深（25 m）；C4＝長（37.4 m）×寬（46 m）×深（25 m）；C5＝長（261.5 m）×寬（36 m）×深（25 m）。加上長坡中游和下游部分小滑坡體和堆積物，總共物源約有66×104m3。

1.4 降水條件

氣候－氣象條件是誘發(fā)泥石流的重要因素，它決定和影響著泥石流發(fā)生的時間、空間分布規(guī)律，對其活動性質(zhì)亦產(chǎn)生作用。氣候－氣象條件主要體現(xiàn)在降水上，前人研究［2－4]顯示，年降水量大于800 mm的亞熱帶和暖溫帶河谷地區(qū)泥石流較發(fā)育。泥石流發(fā)生的可能性、數(shù)量、規(guī)模等在很大程度上取決于降雨量強度大小，它是一個十分關鍵的激發(fā)因素。長坡溝所在區(qū)域屬中亞熱帶濕潤季風氣候，干濕分明，年平均降雨量1 371～1 700 mm，降雨量分配不均，一年中降雨峰值出現(xiàn)在7、8月，占全年的47%，冬春降雨稀少，僅占13%，個別年份出現(xiàn)日降雨量在400 mm以上的特大暴雨。

降雨對斜坡上不連續(xù)結構面進行侵蝕、軟化，加快滑移面形成；同時對增加滑體的重量和動水壓力起著誘發(fā)作用。在長坡溝泥石流發(fā)生前期持續(xù)數(shù)日的大雨讓大量雨水滲透進入長坡溝上游物源內(nèi)，增重物源重力勢能的同時起到了潤滑滑動面的作用，而泥石流發(fā)生當天和前夜的大暴雨則是觸發(fā)泥石流最終發(fā)生的導火索。

2 泥石流特征值

2.1 泥石流流速

泥石流流速是決定泥石流運動性質(zhì)的最重要參數(shù)之一。目前泥石流流速計算仍為經(jīng)驗公式和半經(jīng)驗公式。由于長坡溝泥石流屬于稀性泥石流，應該采用西南地區(qū)（鐵二院）稀性泥石流流速計算公式［5]：

泥石流斷面面積是訪問當?shù)乩相l(xiāng)，根據(jù)了解當時泥石流厚約3 m，經(jīng)計算得到的。根據(jù)泥石流數(shù)量化評分確定長坡溝總得分120，查《泥石流災害防治工程勘察規(guī)范》［6]中附錄G2的泥沙修正系數(shù)將長坡溝φ定為0.998，長坡溝糙率系數(shù)取7。計算結果見表1。

表1 泥石流斷面測速結果表

2.2 泥石流流量計算

本文采用雨洪法［7]計算泥石流的流量即在泥石流與暴雨同頻率、且同步發(fā)生、計算斷面的暴雨洪水設計流量全部轉變成泥石流流量的假設下建立的計算方法。其計算步驟是先按水文方法計算斷面不同頻率下的小流域暴雨洪峰流量（計算方法查閱水文手冊），公式如下：

（1）清水流量計算

按中國水利科學院水文研究所提出的小匯水面積設計流量公式計算如下：

式中，Qp為暴雨洪峰流量（m3／s）；i為暴雨徑流系數(shù)，取 0.6；F為匯水面積（k m2）；r 為小時雨強（mm／h）。

根據(jù)可查的氣象資料顯示，2013年雨季暴雨小時雨強（P＝1%）為100 mm／h。計算結果見表2。

表2 暴雨洪峰流量計算表

（2）泥石流峰值流量計算

式中，Qc為泥石流斷面峰值流量（m3／s）；φ為泥砂修正系數(shù)；Qp為暴雨洪峰流量；Dc為堵塞系數(shù)。

泥石流阻塞系數(shù)取值的選擇是根據(jù)《泥石流災害防治工程勘查規(guī)范》［7]和《工程地質(zhì)手冊》［8]第六篇第三章（泥石流）推薦的云南東川7年中40個觀測資料驗證的值，再經(jīng)綜合分析而選取的。長坡溝溝槽寬窄變化明顯，中游有巖脈窄口，所以長坡溝是屬于中度阻塞，取Dc為2.0；據(jù)此，采用雨洪法求得泥石流峰值流量（表3）。

表3 泥石流峰值流量計算表

2.3 一次泥石流過程總量及固體物質(zhì)總量

（1）一次泥石流過程總量

一次泥石流過程總量Q可以通過計算法和實測法確定。實測法精度高，但往往不具備測量條件，只是一個粗略的概算，所以按照《泥石流災害防治工程勘查規(guī)范》（DZ／T0220－2006）附錄I提供的公式進行計算：

式中，Q為一次泥石流過程總量（m3）；T為泥石流歷時（s）；Qc為泥石流最大流量（m3／s）。

根據(jù)當?shù)鼐用窕貞浻∽C，該次泥石流發(fā)生歷時4個小時，即T＝14 400 s。而長坡溝流域匯水面積小于5 k m2，故取K＝0.202。計算得到長坡溝泥石流一次過程總量如表4所示。

表4 泥石流一次過程總量計算表

（2）一次泥石流固體物質(zhì)沖出量

一次泥石流固體物質(zhì)沖出量《泥石流災害防治工程勘查規(guī)范》（DZ／T0220－2006）附錄I提供的公式進行計算：

式中，QH為一次泥石流沖出固體物質(zhì)總量（m3）；Q為一次泥石流過程總量（m3）；γc為泥石流重度（t／m3）；γW為水的重度（t／m3）；γH為泥石流固體物質(zhì)的重度（t／m3）。

利用上面計算的一次泥石流過程總量，據(jù)此計算得泥石流一次沖出固體物質(zhì)的沖出量如表5。

表5 泥石流一次過程固體物質(zhì)沖出量計算表

長坡溝泥石流流體的組成特征：漿體是由不含或含少量的粘性物質(zhì)組成，粘度值＜0.3 pa·s，只形成網(wǎng)格結構，不會產(chǎn)生曲張應力，為牛頓體。非漿體部分的粗顆粒由大小石塊、碎石、粗砂及少量粉砂、粘土組成，流動狀態(tài)為紊流，固、液兩相不等速運動，有垂直交換和散流現(xiàn)象，泥石流中固體物質(zhì)易出，表現(xiàn)為沖淤變化大，堆積物有一定的分選性，沉積物以粗粒物質(zhì)為主。據(jù)以上特征，可以判斷該泥石流屬于稀性泥石流。

2.4 泥石流沖擊力計算

泥石流沖擊力是泥石流防治工程設計的重要參數(shù)。分為流體整體沖壓力與個別石塊的沖擊力兩種。按照《泥石流災害防治工程勘查規(guī)范》（DZ／T0220－2006）附錄I提供的公式選擇并進行計算：

（1）泥石流整體沖擊壓力計算公式：

式中，δ為泥石流整體沖擊壓力（Pa）；g為重力加速度（m／s2），取g＝9.8 m／s2；γc為泥石流重度（t／m3）；Vc為泥石流流速（m／s），計算得到3.11 m／s；α為建筑物受力面與泥石流沖壓力方向的夾角（°）；λ為建筑物形狀系數(shù)，圓形＝1.0，矩形＝1.33，方形＝1.47。

本區(qū)域內(nèi)的大多數(shù)廠房和民房墻受力面與泥石流流向垂直，所以?。?0；而這些房子都近似矩形。據(jù)此，計算得到泥石流整體沖壓力δ＝2.35 Pa。

（2）泥石流體中大石塊對公路的沖擊力F

式中，γ為動能折減系數(shù)，對圓形端γ＝.3；Vc為據(jù)前面計算查得為3.11 m／s；α為公路受力面與泥石流沖壓力方向的夾角（°）；W 為石塊重量（t）。

由于大石塊對公路的危害影響較大，而長坡溝中大石塊的重量一般為62 t左右，C1、C2分別為巨石、公路的彈性變形系數(shù)，C1＋C2＝0.005。

據(jù)此，計算出重量為62 t的大石塊對公路的沖擊力為11 569.2 N。

3 防治建議

為避免和減少泥石流再次發(fā)生所帶來的威脅，應在長坡溝的上游修建攔砂壩，在在泥石流勢能轉化為動能之前給予攔截；對于上游泥石流形成區(qū)和流通區(qū)的拐彎處和薄弱處的邊坡進行混凝土固化，在下游已筑的人工欄壩下可修筑副壩增加主壩基礎的強度，防止主壩垮塌；使用防水布將滑坡堆積物尤其是后緣覆蓋，或在表面修筑導流槽和明渠將雨水快速從兩側導入下游，防治雨水持續(xù)下滲?；潞缶壚芽p以及地裂縫，全部回填并夯實，防止裂縫滲水和進一步擴大造成土體失穩(wěn)。將下游流通區(qū)和堆積區(qū)溝內(nèi)已經(jīng)存在泥石流堆積物應清理干凈，避免再次發(fā)生的泥石流堆積物累積外溢至廠區(qū)和公路；長坡溝兩岸植被大大破壞，覆蓋率較低，應植樹造林，種植草皮，以穩(wěn)固土壤不受沖刷不致流失。

4 結語

（1）長坡溝平均坡度為32°，最大可達42°～45°，縱坡降為432‰，屬于陡峭而強烈切割的地形，并有較大的溝床縱坡比降。下伏地層巖性為炭、硅質(zhì)板巖，泥頁巖，變質(zhì)砂巖，夾千枚巖等，汶川地震后巖體裂隙構造發(fā)育，根據(jù)長坡溝兩岸巖體穩(wěn)定性分析顯示長坡溝下游兩岸巖體均有滑動的可能，右岸滑動的可能性較大。

（2）泥石流發(fā)生前長坡溝上游物源據(jù)測算大約有66×104m3。該地區(qū)雨量豐富，年降雨為1 371～1 700 mm，且47%降雨量集中在7～8月份，泥石流發(fā)生前持續(xù)降雨充分滲入物源，增加重力勢能并潤滑了下滑面，最終導致了長坡溝泥石流的發(fā)生。

（3）該泥石流屬稀性泥石流，通過對泥石流特征值的計算可得，該次泥石流流速為2.95 m／s，泥石流峰值流量為7.59 m3／s，一次泥石流物源總量為11.64×104m3，其中固體物質(zhì)總量為5.57×104m3，泥石流整體沖壓力為2.35 Pa，大石塊對公路的沖擊力為11 569.2 N。本次泥石流發(fā)生后長坡溝上游依然存在大量物源。在適當?shù)慕涤陾l件下仍有較大的可能性再次發(fā)生。

（4）防治方式主要有：在上游修筑攔砂壩，對于上游泥石流形成區(qū)和流通區(qū)的拐彎處和薄弱處的邊坡進行混凝土固化，使用防水布將滑坡堆積物尤其是后緣覆蓋，或在表面修筑導流槽和明渠將雨水快速從兩側導入下游，防治雨水持續(xù)下滲。回填滑坡后緣拉裂縫以及地裂縫并夯實，將下游泥石流堆積物轉移，種植草皮樹木，以穩(wěn)固土壤不受沖刷不致流失。

［1]李勇，黃潤秋，周榮軍，等.龍門山地震帶的地質(zhì)背景與汶川地震的地表破裂［J].工程地質(zhì)學報，2009，17（1）：6－14.

［2]張養(yǎng)才，譚凱炎.中國亞熱帶北界及其過渡帶.［J]地理研究，1991，10（2）：85－91.

［3]胡桂勝，陳寧生，楊成林.成都市災害性山洪泥石流臨界降雨量特征［J].重慶交通大學學報：自然科學版，2011，30（1）：95－101.

［4]李中平，畢宏偉，張明波.我國山洪災害高易發(fā)降雨區(qū)分布研究［J].人民長江.2008，39（17）：61－63.

［5]洪正修.泥石流流速公式探討［J].中國地質(zhì)災害與防治學報，1996，1（7）：26－34.

［6]中華人民共和國國土資源部.泥石流災害防治工程勘查規(guī)范［S].2006：2.

［7]劉傳正.地質(zhì)災害勘查指南［M].北京：地質(zhì)出版社，2000：158.

［8]《工程地質(zhì)手冊》編寫委員會.工程地質(zhì)手冊（第4版）［M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2006：563.