蔡園溝泥石流的特征研究

馬新軍

(廣東金東建設(shè)工程公司,廣州510080)

1 引言

蔡園溝位于阿壩州九寨溝縣境內(nèi),蔡園溝流域內(nèi)地貌主要以構(gòu)造侵蝕中高山及構(gòu)造侵蝕峽谷地貌為主,流域面積約 0.7km2,最高點(diǎn)海拔1 920m,位于溝谷后緣,最低點(diǎn)海拔1 620m,位于白馬河左岸邊,相對高差約300m,主溝長約1.32km,平均溝床縱比降為227‰,蔡園溝流域內(nèi)沒有支溝發(fā)育。其衛(wèi)星航片圖如圖1所示。

圖1 蔡園溝衛(wèi)星航片

蔡園溝在1986年6月發(fā)生過泥石流,羅依鄉(xiāng)突降特大暴雨,持續(xù)時(shí)間2～3h(根據(jù)歷史降雨資料,1986年6月,本地區(qū)月降雨量達(dá)139mm),在高強(qiáng)度降雨的作用下,流域內(nèi)山坡上松散固體物質(zhì)啟動(dòng)流入到溝內(nèi)形成泥石流;在下游一溝道拐彎出,泥石流沖出溝道,把溝邊4座民房局部沖毀。5?12地震后,流域內(nèi)的松散物源有所增加,因此,有必要對蔡園溝的泥石流發(fā)育特征、形成條件、發(fā)展趨勢及工程影響進(jìn)行深入細(xì)致的研究,為蔡園溝泥石流防治工程的設(shè)計(jì)提供地質(zhì)依據(jù)。

2 泥石流形成條件

2.1 物源條件

對泥石流的形成 、補(bǔ)給有重要意義的是松散固體物質(zhì)的儲(chǔ)量。主要包括基巖風(fēng)化、卸荷的產(chǎn)物,基巖殘積物及不穩(wěn)定的滑坡、崩滑體及溝床堆積體 ,還有人類工程活動(dòng)形成的松散堆積體,所有這些都為一定條件下泥石流的發(fā)生奠定了物質(zhì)基礎(chǔ)。

2.2 地形地貌條件

蔡園溝在新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)作用下,溝道切割強(qiáng)烈,上游溝道呈“U”字,谷底寬 5～10m,下游溝道呈“V”字型,谷底寬 2～ 10m,兩側(cè)谷坡坡度10～30°,谷坡臨近溝谷的前緣形成陡坎,坡度達(dá)70～90°,蔡園溝中下游溝谷兩側(cè)植被不發(fā)育,主要為村民住房和莊稼地;蔡園溝后緣地形較陡,谷坡坡度約30～50°,且后緣的植被較為發(fā)育,植被覆蓋率70%～85%。

2.3 地層巖性

區(qū)內(nèi)出露地層主要為二疊系下統(tǒng)大關(guān)山組(P2-21)、第四系殘坡積層(Qel+dl4 )、河流沖洪積層(Qal+pl4 )、崩坡積層(Qcol+dl4 )和泥石流堆積層(Qsef4),第四系各類不同成因的松散堆積層沿谷坡及河谷分布。

2.4 氣象水文

九寨溝縣屬川西高原氣候中的暖溫帶干溫河谷氣候。特點(diǎn)是溫和偏冷,夏短冬長,垂直差異大,晝夜溫差變化大,縣城海拔 1 400m。年均氣溫12.7℃,一月平均氣溫1.7℃,七月均氣溫22.3℃。據(jù)九寨溝縣氣象站的記錄,1975～2000年期間區(qū)域內(nèi)6h最大降雨量為37.3mm,同時(shí)雨量隨海拔高度升高而增加,平均降雨梯度約為4mm/100m;1h最大雨強(qiáng)和10min最大雨強(qiáng)分別為40mm和20mm。由此可見,少見的高強(qiáng)度暴雨,是導(dǎo)致此次泥石流暴發(fā)的主要原因之一。

3 泥石流溝的基本特征

3.1 物源區(qū)特征

蔡園溝泥石流物源主要來自流域內(nèi)的溝床兩側(cè)堆積物及崩塌堆積體。蔡園溝物源分布范圍較大,主要物源位于海拔1 725～1 920m。該區(qū)域構(gòu)造發(fā)育,巖層破碎,新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)較為活躍,易形成崩塌,堆積于主溝床兩側(cè),粗顆粒及泥石流堆積物呈長條狀分布于溝床之上。

3.2 流通區(qū)特征

流通區(qū)分布高程1 720～1 950m,長約400km,溝床坡降230‰,溝谷寬窄不一,寬度一般5～15m,切割較深。溝谷兩側(cè)坡度一般在25～45°之間,谷坡前緣近直立;流通區(qū)兩側(cè)主要為崩坡積物,堆積物松散～稍密,局部近的近直立的不穩(wěn)定堆積體,在暴雨條件及溝中水流的作用下,可能倒塌入溝中,直接成為泥石流物源。在溝谷兩側(cè)分布的崩坡積物厚度較大,谷坡上植被發(fā)育較差,主要是村民的住宅和莊稼地。溝床上堆積有呈次棱角狀～次圓狀的卵礫石,粒徑幾厘米至幾十厘米?？傊?流通區(qū)內(nèi)溝谷較狹窄,切割較深,呈拓寬V字形或U字型,溝谷兩側(cè)有大量的固體物質(zhì)可為泥石流提供物源。

3.3 堆積區(qū)特征

蔡園溝溝口位于白馬河左岸,堆積區(qū)范圍內(nèi)主要為羅依鄉(xiāng)順和村、大寨村村民住宅地和莊稼地,是人類活動(dòng)的場所。蔡園溝和白馬河交匯處,由于白馬河水流量較大,蔡園溝溝口處的泥石流堆積物被白馬河水流帶走,故溝口的泥石流堆積物佷少;溝前緣由于溝谷較深,泥石流物質(zhì)沿溝堆積,在每年雨季水流的沖刷下,遺留下的泥石流物質(zhì)也較少;在泥石流沖出溝谷部位,由于是村民的居住地,故泥石流堆積物基本被清理干凈,沒留下泥石流堆積物。

3.4 泥石流的動(dòng)力學(xué)與運(yùn)動(dòng)學(xué)特征

3.4.1 泥石流流速計(jì)算

泥石流流速計(jì)算的方法較多,本文采用鐵道科學(xué)研究院西南科學(xué)研究所研究東川泥石流后推薦的流速改進(jìn)公式：

式中VC為泥石流流速(m/s);γC為泥石流容重(t/m3);γH為泥石流中固體顆粒容重(t/m3);mc為巴克諾夫糙率系數(shù);R為水力半徑,1.925m;I為泥石流水面坡度或溝床縱坡,‰;α為泥石流阻力系數(shù);φ為泥石流修正系數(shù)。計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 泥石流流速計(jì)算成果

式中Sp=H tp?tn2-1;SP為某頻率的雨強(qiáng)值(mm/h);F為流域匯水面積(km2);τ為匯流時(shí)間;n為暴雨參數(shù);μ為產(chǎn)流參數(shù)(mm/h);H tp為設(shè)計(jì)頻率的th最大降雨量(mm),計(jì)算結(jié)果見表2。

3.4.3 泥石流總量的計(jì)算

根據(jù)泥石流暴漲暴落的特點(diǎn),將其過程概化為三角形,并認(rèn)為洪水流量達(dá)到峰值流量時(shí),泥石流流量亦達(dá)到峰值。根據(jù)對當(dāng)?shù)鼐用竦脑L問以及對泥石流形成條件分析,給定在不同設(shè)計(jì)頻率下的泥石流持續(xù)時(shí)間T。泥石流輸砂量計(jì)算公式為：

3.4.2 泥石流流量計(jì)算

泥石流流量的計(jì)算,有雨洪修正法和泥痕調(diào)查法。對于雨洪修正法,采用我國學(xué)者對東川泥石流研究得出的流量公式(簡稱東川公式)：

式中QC為泥石流流量(m3/s);QB為泥石流溝的洪水流量(m3/s);φ為泥石流修正系數(shù)。DC為泥石流堵塞系數(shù)。

據(jù)《四川省中小流域暴雨洪水計(jì)算手冊》：

式中QS為泥石流輸砂量(m3/s);QC為泥石流峰值流量(m3/s);QB最大洪水流量(m3/s);t為泥石流持續(xù)時(shí)間,計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 泥石流流量計(jì)算成果

3.5 泥石流的成因類型分析

蔡園溝沿溝分布有豐富的松散固體物源,在降雨的作用下,松散堆積體在溝中水流的淘蝕及雨水的作用下,堆積體前緣土體倒塌入溝中,另有坡體表面的固體物質(zhì)不斷被地表徑流帶入溝中,大量的固體物質(zhì)在溝內(nèi)聚集,在勢能的作用下沿著溝道運(yùn)動(dòng);在溝道狹窄處,如有較大直徑的巖石在此處被卡住,將會(huì)形成溝道的堵塞,在堰塞壩后由于固體物質(zhì)和水流的蓄積,勢能將不斷增大,勢能達(dá)到一定程度時(shí),會(huì)造成潰壩,溝中固體物質(zhì)在這種較大蓄積勢能的作用下,沿溝奔流而下,形成泥石流。

3.6 泥石流發(fā)展趨勢評價(jià)

據(jù)調(diào)查訪問,蔡園溝在1986年發(fā)生的這次泥石流是近年來最大的一次,該次發(fā)生的泥石流沖出溝谷,造成溝邊四處房屋的局部損壞。該溝發(fā)生較大洪水的周期為15～20年,但多次洪水均未誘發(fā)泥石流,這說明泥石流的發(fā)生并非與洪水的周期直接相關(guān)。由于蔡園溝植被較發(fā)育,縱坡降較緩,主溝溝長較短,誘發(fā)大規(guī)模泥石流的可能性較小。

蔡園溝流域的降雨量、降雨類型、雨強(qiáng)和暴雨頻率基本不變,因此誘發(fā)泥石流的外動(dòng)力條件沒有改變,泥石流爆發(fā)的基本規(guī)律不會(huì)發(fā)生改變。

根據(jù)訪問和調(diào)查,蔡園溝泥石流的形成主要和其流域的地形地貌、氣候有關(guān)。蔡園溝流域內(nèi)的人類活動(dòng),主要是開墾溝兩側(cè)的荒地種莊稼,使得溝兩側(cè)的松散堆積體增多,這些人類活動(dòng)將進(jìn)一步促進(jìn)泥石流的發(fā)生。目前,該泥石流溝危險(xiǎn)性為較小,在人類活動(dòng)繼續(xù)加強(qiáng)和5?12地震的影響下,泥石流危險(xiǎn)性將向中等危險(xiǎn)發(fā)展。

4 泥石流防治對策

蔡園溝泥石流治理工作以防災(zāi)減災(zāi)為出發(fā)點(diǎn),綜合治理為立足點(diǎn)。合理應(yīng)用固坡、排水和生物措施,形成一個(gè)完整有效的泥石流災(zāi)害防治體系,從而根治泥石流災(zāi)害的危害。因此,根據(jù)蔡園溝泥石流的形成環(huán)境、基本性質(zhì)、活動(dòng)規(guī)律、發(fā)展趨勢及危害程度等特征,兼顧客觀需要和工程實(shí)施的可能性,從整體治理和恢復(fù)生態(tài)平衡的角度出發(fā),確定蔡園溝泥石流的防治對策。

(1)土地整理與改良。由于泥石流溝坡表層種植土基本流失殆盡,應(yīng)對坡面進(jìn)行土地整理,并適當(dāng)對種植土進(jìn)行改良,以利于自然植物的生長恢復(fù)。

(2)生態(tài)攔擋,徑流排導(dǎo)。對坡面進(jìn)行地形整理,采用松木樁和生態(tài)植被袋、砌石以及地被植物攔擋措施,實(shí)現(xiàn)對坡面徑流的緩沖、截流、排導(dǎo),以分散徑流、降低沖刷;同時(shí)塑造微地形、緩坡和平臺(tái),用以種植根系發(fā)達(dá)的水土保持植物;在面積集中區(qū)域加大沿線的灌草植被密度,提高抗沖刷能力和對雨水徑流中泥沙的過濾凈化功能。

(3)恢愎植被。采用播種和栽種相結(jié)合,栽種植物采用片植和沿坡面自然式配制模式,片植以根系發(fā)達(dá)的植物為主。

(4)對泥石流溝道內(nèi)殘留的堆積物和溝口堆積物,采取相應(yīng)的清淤、排導(dǎo)和攔擋等措施,盡量削減泥石流災(zāi)害的規(guī)模。

5 結(jié)語

蔡園溝泥石流屬于稀性泥石流,近年來在發(fā)生過較大規(guī)模的泥石流。近年來溝域內(nèi)人類種莊稼及5?12地震的影響下,使得溝谷兩側(cè)的松散物源增多,具備了爆發(fā)泥石流的松散物源條件,蔡園溝處于泥石流的發(fā)展期,在將來可能會(huì)爆發(fā)規(guī)模中等的泥石流,泥石流的爆發(fā)勢必會(huì)對溝兩側(cè)居民和土地產(chǎn)生重要影響。直接影響體現(xiàn)在泥石流掏刷或沖出溝,直接損壞溝側(cè)房屋,影響人民生命財(cái)產(chǎn)安全。

(1)針對蔡園溝泥石流的活動(dòng)區(qū)域,采取有效的治坡、治溝和排水等工程措施,綜合治理泥石流的形成環(huán)境,溝坡兼治,治溝為主,保證溝坡土體的穩(wěn)定,達(dá)到防止發(fā)生泥石流災(zāi)害的目的。

(2)開展植樹造林,恢復(fù)山體斜坡地面被毀壞的植被,改善生態(tài)環(huán)境,控制水土流失,保護(hù)坡腳泥石流溝口地帶居民的房屋和人身安全。

[1]劉希林,唐 川.泥石流危險(xiǎn)性評價(jià)[M].北京：科學(xué)出版社,1995.

[2]劉傳正.地質(zhì)災(zāi)害指南[M].北京：地質(zhì)出版社,2000.

[3]李彥軍,劉漢超,石豫川.四川某電站庫區(qū)泥石流的特征研究[J].水土保持研究,2005,13(2)：194～197.