蘆 明，柳金峰

(1.中國(guó)科學(xué)院山地災(zāi)害與地表過(guò)程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國(guó)科學(xué)院、水利部成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所，610041，成都； 2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，100049，北京)

金沙江芒康段沿岸分布著許多泥石流溝。這里氣候干燥、降雨集中、植被稀疏、水土流失嚴(yán)重，十分利于泥石流的形成[1-3]。楚梯崗溝是其中一條活躍的泥石流溝，泥石流災(zāi)害已經(jīng)導(dǎo)致溝口外的橋梁被損毀，同時(shí)大量的泥石流沖出物堆積于河岸，形成一個(gè)規(guī)模較大的泥石流堆積扇，當(dāng)泥石流完全堵塞河流時(shí)會(huì)形成堰塞湖，對(duì)沿岸居民的生命和財(cái)產(chǎn)安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅。2020年6月17日，四川省丹巴縣半扇門鎮(zhèn)梅龍溝發(fā)生了一起泥石流堵斷主河形成堰塞湖的災(zāi)害，所形成的堰塞湖湖面面積1.03 km2，受洪水淹沒(méi)威脅2萬(wàn)余人被迫轉(zhuǎn)移，造成巨大經(jīng)濟(jì)損失[4]。許多學(xué)者對(duì)泥石流堵江問(wèn)題作了大量研究，唐川等[5]通過(guò)對(duì)岷江上游和云南小江流域堵河型泥石流溝進(jìn)行調(diào)查和分析，認(rèn)為影響泥石流堵河的主要因素有堆積區(qū)主河寬度、泥石流密度及流量、主河流量，并推導(dǎo)出泥石流堵河判別的經(jīng)驗(yàn)公式。張金山等[6]通過(guò)對(duì)堵河型泥石流基本特征進(jìn)行分析總結(jié)，并與堵塞型、不堵河型泥石流溝進(jìn)行比較，得出計(jì)算泥石流堵河的經(jīng)驗(yàn)公式。現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)楚梯崗溝泥石流堆積扇嚴(yán)重?cái)D壓金沙江河床，并且其規(guī)模仍在不斷發(fā)展中，使泥石流堵河風(fēng)險(xiǎn)日益增加。為了更加清晰地認(rèn)識(shí)泥石流災(zāi)害對(duì)堵河的影響，通過(guò)利用前人的泥石流堵河判別公式，計(jì)算得到不同泥石流暴發(fā)頻率下堵河的發(fā)生概率，并且分析了未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。

筆者基于對(duì)楚梯崗溝泥石流災(zāi)害的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和泥石流運(yùn)動(dòng)參數(shù)的計(jì)算，揭示泥石流的活動(dòng)特征，并提出“穩(wěn)固+攔擋”的工程治理方案，以治理楚梯崗溝的泥石流災(zāi)害和水土流失，該方案也為該地區(qū)的泥石流災(zāi)害治理提供參考。

1 自然環(huán)境概況

1.1 流域概況

楚梯崗溝位于金沙江中游，緊鄰江水右岸。在行政區(qū)劃上屬于西藏自治區(qū)昌都地區(qū)芒康縣朱巴龍鄉(xiāng)楚梯崗村。溝口地理位置E 98°59′36.02″，N 29°42′2.62″。溝口位置距離芒康縣城直線距離38.77 km，距離巴塘縣城32 km，距離上游朱巴龍鄉(xiāng)政府所在地8 km。主、支溝溝道特征參數(shù)見(jiàn)表1。

1.2 地形地貌

楚梯崗溝處于西藏高原東南邊緣，橫斷山脈北部，地貌屬于青藏東南川西高原大區(qū)(圖1)。楚梯崗溝地貌類型復(fù)雜多樣，域內(nèi)山高谷深，山坡陡峭。溝谷坡度大部分在30°～60°，局部區(qū)域?yàn)槎秆碌孛病Ａ饔騼?nèi)坡體表面光禿破碎，植被覆蓋稀松疏少，崩塌、滑塌時(shí)有發(fā)生，大量松散固體物質(zhì)堆積于坡腳，在溝道內(nèi)部形成多處天然土石壩，極易發(fā)生堵潰現(xiàn)象。

表1 主、支溝溝道特征Tab.1 Watershed characteristics of main channels and branch channels

圖1 楚梯崗溝流域示意圖Fig.1 Schematic diagram of Chutigang gully watershed

1.3 地質(zhì)條件

楚梯崗流域位于青藏高原東緣弧形構(gòu)造帶的轉(zhuǎn)折部位，屬三江構(gòu)造區(qū)，橫跨金沙江結(jié)合帶和德格- 中甸陸塊2個(gè)二級(jí)構(gòu)造單元，該區(qū)域內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造十分復(fù)雜，主要構(gòu)造形跡為斷裂和褶皺。對(duì)區(qū)內(nèi)影響最大為將茶樹(shù)山- 竹巴籠背斜和金沙江斷裂，呈北北西向和南北向展布。流域內(nèi)地層巖性復(fù)雜，自前寒武系到第四系地層均有出露，總體上以強(qiáng)風(fēng)化灰?guī)r和砂巖、頁(yè)巖為主，基巖巖性為結(jié)晶灰?guī)r、粉砂質(zhì)頁(yè)巖及砂巖、板巖與火山巖。

1.4 氣候條件

楚梯崗溝流域處于寒溫帶，氣候類型屬于溫帶半濕潤(rùn)高原大陸性季風(fēng)氣候。氣候特點(diǎn)是冬春干燥寒冷，年平均氣溫12.73 ℃，雨量集中，蒸發(fā)量大，相對(duì)濕度小，氣候干燥，日照充足且太陽(yáng)輻射強(qiáng)烈，災(zāi)害性天氣較為頻繁。

2 泥石流形成條件

2.1 地形條件

楚梯崗溝流域山高谷深，溝岸陡峻，地勢(shì)西北高東南低。該流域內(nèi)清水匯流區(qū)的面積為4.30 km2，物源區(qū)的面積為1.19 km2。通過(guò)對(duì)流域山坡坡度進(jìn)行分級(jí)統(tǒng)計(jì)，陡坡和極陡坡絕大部分分布于流域的中下游，這樣的地形十分便于雨水的快速流動(dòng)和匯集。而流域的中下游也是坡面侵蝕物源和崩滑堆積物源的集中分布區(qū)，極易發(fā)生堵塞溝道的情況，進(jìn)而擴(kuò)大泥石流的活動(dòng)規(guī)模。具體統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2所示。

表2 楚梯崗溝流域山坡坡度分級(jí)統(tǒng)計(jì)Tab.2 Slope classification statistics of Chutigang gully watershed

2.2 物源條件

根據(jù)遙感影像圖判讀和野外實(shí)地踏勘可知，楚梯崗溝流域松散固體物質(zhì)儲(chǔ)量豐富，且主要分布于流域的中下游區(qū)域(圖2)。流域內(nèi)的物源類型主要包括溝道堆積物源、坡面侵蝕物源和崩滑堆積物源。溝道堆積物源(圖3)沿主溝和支溝的中游至溝口處分布，主要以礫石、漂石和砂礫為主，總計(jì)分布長(zhǎng)度3.5 km，寬度3～25 m，堆積厚度為1～10 m，堆積總量約15.8萬(wàn)m3，其中動(dòng)儲(chǔ)量為3.2萬(wàn)m3。長(zhǎng)期的崩塌、滑坡活動(dòng)所形成的崩滑堆積物在流域內(nèi)呈點(diǎn)狀分布于溝道兩側(cè)的坡岸上，其儲(chǔ)量為32.5萬(wàn)m3，其中可能參與泥石流活動(dòng)的動(dòng)儲(chǔ)量為12.8萬(wàn)m3。坡面侵蝕物源(圖4)主要分布于流域的中下游溝道兩側(cè)坡面，其中絕大部分位于主溝的下游區(qū)域。坡面侵蝕的主要誘因是坡腳失穩(wěn)的溯源式垮塌和坡面沖溝刻蝕，根據(jù)遙感解譯流域內(nèi)坡面侵蝕物源儲(chǔ)量約576.8萬(wàn)m3，其中可能參與泥石流活動(dòng)的動(dòng)儲(chǔ)量為195.6萬(wàn)m3。流域內(nèi)規(guī)模較大的坡面侵蝕物源點(diǎn)約22 處，其中坡面侵蝕點(diǎn)(H1)規(guī)模較大最具代表性。H1前后緣高程分別為2 867和3 441 m，相對(duì)高度374 m，物質(zhì)組成主要為碎石，坡度30°～45°。此處坡面細(xì)溝發(fā)育，沖溝刻蝕嚴(yán)重，坡面上的松散固體物質(zhì)處于隨時(shí)可能向溝內(nèi)輸移的臨界狀態(tài)。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和遙感解譯等工作方法確定，H1的面積約為15.3萬(wàn)m2，平均厚度約為1.3 m，方量可達(dá)19.8萬(wàn)m3，動(dòng)儲(chǔ)量約為6.71萬(wàn)m3，在暴雨的沖刷下可能起動(dòng)并向溝內(nèi)輸移。

圖2 楚梯崗溝物源分布圖Fig.2 Solid sources distribution of Chutigang gully

圖3 溝道堆積物源Fig.3 Solid sources of trench deposits

圖4 坡面侵蝕物源Fig.4 Solid sources of slope erosion

2.3 暴雨

楚梯崗溝流域全年降水主要集中在5—9月，同時(shí)也是泥石流、滑坡等山地災(zāi)害的高發(fā)期。楚梯崗溝所處位置與巴塘縣隔江相望，該區(qū)域氣候類型與巴塘縣差異不大，故可通過(guò)查閱《四川省暴雨統(tǒng)計(jì)參數(shù)圖集》來(lái)計(jì)算該區(qū)域的設(shè)計(jì)暴雨量。中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局成都地質(zhì)調(diào)查中心的調(diào)查資料[7]顯示：巴塘多年平均降雨量503.69 mm，年平均降水時(shí)間100.9 d，年最大降水量828.8 mm，最小降水量291.5 mm，日最大降水量40.6 mm。其中5—9月的降水量占全年總降水總量的 90%。

3 泥石流運(yùn)動(dòng)參數(shù)計(jì)算和堵河分析

3.1 泥石流流量的計(jì)算

由于楚梯崗溝流域內(nèi)無(wú)實(shí)測(cè)泥石流洪峰流量數(shù)據(jù)，筆者采用雨洪法進(jìn)行泥石流峰值流量的計(jì)算。假定泥石流和暴雨同頻率、同步發(fā)生且計(jì)算斷面的設(shè)計(jì)暴雨洪水流量全部轉(zhuǎn)變成泥石流流量。首先計(jì)算不同頻率下的設(shè)計(jì)暴雨量，然后由設(shè)計(jì)暴雨量推算設(shè)計(jì)洪峰流量，最后用配方法計(jì)算設(shè)計(jì)泥石流流量及其相關(guān)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)。其計(jì)算公式如下：

Qc=(1+ΦC)QBDC。

(1)

式中：Qc為泥石流洪峰流量，m3/s；QB為設(shè)計(jì)洪峰流量，m3/s；DC為堵塞系數(shù)；ΦC為泥石流洪峰流量增加系數(shù)。ΦC=(γc-γw)/(γs-γc)，式中：γc為泥石流密度，t/m3；γw為清水密度，t/m3；γs為固體物質(zhì)實(shí)體密度，t/m3。

1次泥石流沖出物總量，由泥石流峰值流量和泥石流歷時(shí)決定，而泥石流歷時(shí)多根據(jù)走訪調(diào)查確定，其計(jì)算公式如下：

Wc=0.264tQc。

(2)

式中：Wc為1次泥石流的總量，m3；t為泥石流歷時(shí)，s。

通過(guò)計(jì)算在不同頻率暴雨條件下楚梯崗溝泥石流流量參數(shù)(表3)，當(dāng)泥石流暴發(fā)頻率為“50年一遇”規(guī)模時(shí)，泥石流洪峰流量為125.19 m3/s，相對(duì)于楚梯崗溝這樣的小流域泥石流溝，其相對(duì)活動(dòng)規(guī)模和危害性值得警惕。

3.2 泥石流沖擊力的計(jì)算

泥石流密度大、流速快會(huì)對(duì)橋墩、橋梁等結(jié)構(gòu)造成沖擊破壞。關(guān)于泥石流流體整體沖壓力的計(jì)算，筆者采用鐵二院(成昆、東川兩線)公式[8]：

(3)

式中：δ為泥石流沖擊力，Pa；λ為建筑物形狀系數(shù)，該處取1.47；g為重力加速度，g=9.8 m/s2；Vc為泥石流的流速，m/s，按照式(4)計(jì)算；α為受力面與沖壓力方向的夾角，α=90°。

表3 不同頻率暴雨作用下泥石流峰值流量Tab.3 Debris peak flow under different frequency rainfall

泥石流的流速計(jì)算公式如下：

(4)

式中：nc為黏性泥石流的河床糙率，nc=10[9]，量綱為1；Rc為水力半徑，m；Ic為河床坡降，量綱為1。

選取受損橋梁上游附近的某一溝道斷面，測(cè)量泥深為1.5 m，根據(jù)形態(tài)調(diào)查法，當(dāng)泥石流流速為5.65 m/s，推算出泥石流流量為122.92 m3/s，其活動(dòng)規(guī)模與“50年一遇”規(guī)模相當(dāng)。計(jì)算泥石流流速5～7 m/s范圍內(nèi)的沖壓力大小，結(jié)果如表4所示。此處橋梁受泥石流沖擊破壞形式較為特殊，具體破壞過(guò)程為，當(dāng)泥石流運(yùn)動(dòng)至此，溝道受到橋墩擠占影響發(fā)生束窄，導(dǎo)致泥石流流體在此處逐漸壅高直至漫過(guò)橋梁，沖擊破壞橋下橫梁(圖5)。在跨泥石流溝道修建橋梁時(shí)，應(yīng)避免橋墩擠占溝道影響泥石流的正常流動(dòng)。

表4 不同流速作用下泥石流沖擊力Tab.4 Impact force of debris flow under different flow velocity

圖5 橋梁破壞示意圖Fig.5 Schematic diagram of a damaged bridge

3.3 泥石流堵河分析

楚梯崗溝泥石流堆積扇嚴(yán)重?cái)D壓金沙江河道，將水流擠向?qū)Π叮摱逊e扇扇徑長(zhǎng)400 m，擴(kuò)散角107°，縱比降218‰，并且仍然在不斷擴(kuò)展中。影響泥石流堵河的因素有泥石流的密度和流量、支槽的溝床比降、主河流量、主河河床比降和泥石流溝匯入主河的角度等[5-6]。唐川等[5]提出關(guān)于泥石流堵河的判別式如下：

(5)

式中：Z為泥石流堵河判別值[5]；B為堆積區(qū)主河寬度，m；Qm為主河流量，m3/s；β為支溝與主河順流方向的夾角,°；K為修正系數(shù)，與泥石流溝道堵塞系數(shù)有關(guān)，K取1.0～1.5。

張金山等[6]提出關(guān)于泥石流堵河的判別式如下：

(6)

式中：R為泥石流堵河判別值[6]；P為泥石流發(fā)頻率；Jc為支槽比降；Jm為主河比降。

在計(jì)算泥石流堵河過(guò)程中取金沙江流量為1 700 m3/s[10]，主河寬度B=80 m，主河比降和支槽比降分別取1.78‰和157‰。根據(jù)唐川的泥石流堵河經(jīng)驗(yàn)判別公式，當(dāng)判別值Z≥1.0時(shí)，泥石流可能造成完全堵河；當(dāng)判別值Z介于1.0～0.5之間，則泥石流造成部分堵河；當(dāng)判別值Z≤0.5時(shí)，泥石流不會(huì)造成堵塞或堵斷主河[5]。根據(jù)張金山等[6]的泥石流堵河經(jīng)驗(yàn)判別公式，R值越大泥石流堵塞主河的程度就越高，當(dāng)R≥10時(shí)為易于堵河，當(dāng)5≤R<10時(shí)會(huì)對(duì)主河造成嚴(yán)重堵塞，當(dāng)R<5時(shí)堵河的可能性很小，多表現(xiàn)為輕微堵塞。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果(表5)的比對(duì)分析，公式5和6計(jì)算的結(jié)果較為吻合。即當(dāng)遭遇“百年一遇”規(guī)模以上的泥石流時(shí)可能會(huì)造成主河的嚴(yán)重堵塞，當(dāng)遭遇“50年一遇”規(guī)模泥石流時(shí)可能會(huì)造成主河的輕微堵塞。根據(jù)實(shí)地調(diào)查發(fā)現(xiàn)在泥石流匯江處，泥石流堆積體擠壓河床、向?qū)Π稊U(kuò)延的趨勢(shì)明顯，使泥石流堵河風(fēng)險(xiǎn)日益增加。同時(shí)在流域內(nèi)應(yīng)當(dāng)考慮布置工程治理措施來(lái)調(diào)配減少流入金沙江內(nèi)的泥石流沖出物方量。

表5 不同頻率暴雨下泥石流堵河判別值計(jì)算Tab.5 Calculation of the discriminant value of debris flow blocking the river under different frequency of rainfall

4 防治對(duì)策討論

楚梯崗溝泥石流會(huì)造成金沙江堵塞形成堰塞湖，威脅沿江分布的村寨和農(nóng)田。

楚梯崗流域的主溝和1號(hào)支溝的縱坡降較大，絕大部分都在450‰以上，局部區(qū)域可達(dá)550‰；而自主溝和支溝交匯處向下，溝道縱坡降逐漸變緩，其中距離溝口上游300 m處的縱坡降約為204‰。上游的溝道呈“V”字形嚴(yán)重下切，使兩岸溯源侵蝕嚴(yán)重，導(dǎo)致坡面嚴(yán)重的水土流失。所以當(dāng)務(wù)之急是在關(guān)鍵區(qū)域布置穩(wěn)固工程，以達(dá)到“固床穩(wěn)坡”的效果，在緩解水土流失的同時(shí)又可以避免過(guò)多的坡面侵蝕物向溝道運(yùn)移。基于該流域的泥石流孕災(zāi)環(huán)境，楚梯崗溝的防治工程體系采用“穩(wěn)固+攔擋”方案。在主溝和1號(hào)支溝的關(guān)鍵物源區(qū)布置谷坊群等穩(wěn)固工程，在下游流通段坡降較緩處布置攔沙壩。

因?yàn)橹鳒虾?號(hào)支溝部分溝段兩岸坡面侵蝕嚴(yán)重，故擬在此區(qū)域布置3個(gè)谷坊群，用以緩解此處的坡面侵蝕和水土流失現(xiàn)象(圖6)。根據(jù)各個(gè)位置的坡面侵蝕發(fā)育程度，4個(gè)谷坊群內(nèi)的谷坊數(shù)量和每個(gè)谷坊之間的間距大小不等。谷坊壩體高度擬設(shè)計(jì)2.0～3.5 m左右，壩體寬度依據(jù)溝道寬度而定。水流對(duì)壩趾的沖刷掏蝕會(huì)破壞壩體的穩(wěn)定性，可以通過(guò)在壩體下游修建潛檻來(lái)改善。擬在主溝海拔3 000～3 250 m和2 790～2 990 m的區(qū)域內(nèi)修建1號(hào)谷坊群和2號(hào)谷坊群，分別包含谷坊壩5座和10座；在1號(hào)支溝海拔3 160～3 500 m和2 710～2 970 m的區(qū)域內(nèi)分別修建3號(hào)谷坊群和4號(hào)谷坊群，分別包含谷坊壩5座和3座。擬在下游溝道海拔2 598～2 613 m的位置修建攔沙壩1座，用來(lái)削減泥石流峰值流量以及緩解泥石流對(duì)溝床的下切。該防治工程體系可以有效緩解流域內(nèi)的水土流失現(xiàn)狀，避免更多的松散固體物質(zhì)匯入泥石流之中，在降低泥石流活動(dòng)規(guī)模的同時(shí)還可以削減洪峰，壓縮匯入主河的土石方量，降低堵塞主河的概率，有效保護(hù)下游村寨和鄉(xiāng)鎮(zhèn)的安全。

圖6 楚梯崗溝泥石流工程治理措施平面布置圖Fig.6 Layout of the engineering mitigation measures for controlling debris flows in Chutigang gully

5 結(jié)論

1)楚梯崗溝流域內(nèi)溝道下切嚴(yán)重、坡面侵蝕發(fā)育、水土流失現(xiàn)象嚴(yán)重，為泥石流的形成提供豐富的固體物源；因此有必要采取谷坊壩等工程措施來(lái)緩解土壤侵蝕程度進(jìn)而降低泥石流暴發(fā)的規(guī)模。

2)根據(jù)計(jì)算結(jié)果，當(dāng)暴發(fā)“百年一遇”規(guī)模以上的泥石流時(shí)可能會(huì)造成主河嚴(yán)重堵塞，當(dāng)暴發(fā)“50年一遇”規(guī)模泥石流時(shí)可能會(huì)造成主河的輕微堵塞，但隨著泥石流堆積物對(duì)河床的持續(xù)擠壓，將來(lái)可能會(huì)發(fā)生泥石流完全堵塞金沙江形成堰塞湖災(zāi)害。

3)基于實(shí)地調(diào)查和理論分析，筆者提出“穩(wěn)固+攔擋”的工程防治方案，通過(guò)布置4個(gè)谷坊群和1座攔沙壩來(lái)緩解流域內(nèi)的水土流失程度、壓縮匯入主河的泥石流土石方量，降低堵塞主河的概率，方案可為同地區(qū)的災(zāi)害治理提供參考。