瓦司溝泥石流特征分析及危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)

徐久燕，張 晉，史光明

（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)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都610059）

瓦司溝位于四川省汶川縣映秀鎮(zhèn)S303線映秀至臥龍公路K2＋900～K3＋100處，為漁子溪左岸的一條支溝[1]。瓦司溝流域主要以“V”字形溝谷為主，溝谷兩岸地形基本對(duì)稱，流域內(nèi)地形陡峻，切割深度較大，溝口處兩側(cè)巖壁較陡峭，無支溝發(fā)育。

2010年8月13日以映秀鎮(zhèn)為中心，方圓10km范圍內(nèi)的地區(qū)遇到在2h降雨量達(dá)163mm的強(qiáng)降雨，于次日暴發(fā)大型泥石流，泥石流沖出溝道，堆積于溝口，掩埋公路致使交通中斷，堆積體沖入河道抬升河床，部分堆積體被河水沖走，總量約23×104m3。

目前，溝內(nèi)仍殘留大量崩滑堆積物，物源豐富，地質(zhì)條件和地貌條件都有利于泥石流的形成，在連續(xù)降雨或短時(shí)間強(qiáng)降雨作用下極易再次暴發(fā)大規(guī)模泥石流，對(duì)公路的正常通行造成影響。因此，對(duì)瓦司溝泥石流進(jìn)行危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)對(duì)公路的災(zāi)后重建工作具有重要的工程意義。

1 形成條件

1.1 地質(zhì)條件

該地區(qū)位于龍門山華夏系構(gòu)造體系之中南段的九頂山華夏系構(gòu)造帶內(nèi)，夾持于龍門山中央斷裂（映秀斷裂）與后山斷裂（茂汶斷裂）之間，斷裂、裂隙發(fā)育，巖體破碎，河谷狹窄，谷坡陡峻，構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈。出露基巖為晉寧—澄江期花崗巖（γ42）、花崗閃長巖（γδ32），受地震影響巖體以碎塊狀—大塊狀鑲嵌—砌體結(jié)構(gòu)為主，節(jié)理裂隙較發(fā)育，易產(chǎn)生崩塌、掉塊。表層覆蓋崩坡積、洪坡積及滑坡堆積層等，結(jié)構(gòu)大多松散（圖1）。

圖1 瓦司溝流域平面示意圖

2008年“5.12”汶川大地震前，瓦司溝流域沒有典型崩塌和滑坡體，植被覆蓋良好，物源僅為巖體表層少量松散堆積物。震后，受地震影響，淺溝內(nèi)崩塌和滑坡非常發(fā)育，為泥石流提供大量的松散固體物質(zhì)來源。溝內(nèi)堆積多處崩塌滑坡體，產(chǎn)生大量的松散堆積物積累在溝道兩側(cè)，同時(shí)淤塞溝道，使溝床及兩側(cè)堆積有6～8m厚的松散物源，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)地調(diào)查與震后遙感影像解譯相結(jié)合對(duì)物源進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，總方量約238×104m3（圖2）。強(qiáng)降雨時(shí)，這些松散堆積物在雨水的沖刷作用下會(huì)迅速轉(zhuǎn)換為泥石流的物源，從而再次暴發(fā)泥石流。

圖2 瓦司溝物源影像圖

1.2 地形地貌條件

瓦司溝泥石流位于漁子溪左岸，流域地貌形態(tài)上屬于構(gòu)造侵蝕的中高山地貌，溝內(nèi)出露基巖巖性為晉寧—澄江期花崗巖。主溝長約1.19km，支溝不發(fā)育，流域面積1.67km2，流域平均寬度0.7km，流域內(nèi)最高點(diǎn)高程2 454m，主溝溝頭最高點(diǎn)白泥塘高程為1 700m，溝口海拔980m，流域內(nèi)相對(duì)高差1 474m，平均溝床縱比降為667‰。瓦司溝流域主要以“V”字形溝谷為主，溝谷兩岸地形基本對(duì)稱，溝口處兩側(cè)巖壁較陡峭，溝口寬度50m。溝道縱坡降較大，地形陡峻，溝道比較順直，為泥石流的發(fā)生提供足夠的勢(shì)能條件。結(jié)合地形地貌、匯水面積、物源分布等因素綜合考慮進(jìn)行劃分，泥石流溝可以劃分為3個(gè)區(qū)，即形成區(qū)、流通區(qū)及堆積區(qū)（圖3）。

（1）形成區(qū)：從地形上看，瓦司溝無明顯的支溝發(fā)育，僅發(fā)育幾條淺溝，形成區(qū)高程1 350～2 050m，溝谷相對(duì)狹窄，總體形態(tài)呈漏斗狀，易于物源匯集。從影像地質(zhì)圖上可以看出形成區(qū)滑坡體、崩塌體發(fā)育，溝道內(nèi)有松散物質(zhì)堆積，“8.14”前后均沒有崩滑體完全堵塞溝道形成堰塞湖。

圖3 瓦司溝剖面圖

（2）流通區(qū)：流通區(qū)主要位于溝谷堆積區(qū)后緣以上至溝道淺溝匯集處，高程1 170～1 350m，溝谷長度約400m，平均縱坡降約538‰。流通區(qū)主要以沖刷為主，溝道比較順直，兩側(cè)均有基巖出露，該段的松散物源主要補(bǔ)給方式是溝道內(nèi)的大量堆積物，平均厚度約為8m。

（3）堆積區(qū)：堆積區(qū)位于漁子溪左岸，映臥公路K2＋900～K3＋100處，高程950～1 170m，溝谷長度約450m，平均縱坡降約488‰，整個(gè)堆積區(qū)溝道比較順直，與流通區(qū)過渡段坡度較緩，易于物質(zhì)堆積，溝口處坡度較陡。堆積區(qū)的物質(zhì)成分主要是碎塊石。本次泥石流沖出溝口，溝道堆積較少，堆積物扇體前緣寬度達(dá)到230m，扇體長度100m，平均厚度10m左右。堆積物沖出溝口處淤埋至漁子溪河道，將溝口公路路基掩埋，但并未形成堰塞湖，通過現(xiàn)場估算，瓦司溝泥石流沖出固體物質(zhì)總量約為23×104m3。

1.3 氣候條件

瓦司溝流域?qū)倥璧剡吘墯夂騾^(qū)，氣候溫暖濕潤，具有多雨多澇，無霜期長等氣候特點(diǎn)，多年平均氣溫15.2～15.9℃。年降水量880～975mm，其中6—8月降雨集中，約占全年降水量的66%～76%，日最大降水量可達(dá)269.8mm。2010年8月13日，以映秀鎮(zhèn)為中心，方圓10km范圍內(nèi)的地區(qū)在2h降雨量達(dá)163mm。

2 泥石流發(fā)育特征

2.1 老泥石流發(fā)育特征

瓦司溝為多期次老泥石流溝，說明歷史上該溝曾暴發(fā)大規(guī)模泥石流。溝口右側(cè)可見老泥石流殘留堆積體，成分主要為花崗巖及花崗閃長巖塊碎石土，碎石粒徑以10～20cm為主，約占70%左右，最大塊石粒徑約為1m，分選性差，風(fēng)化程度中等，表層物質(zhì)堆積松散。堆積體高度達(dá)50m以上，因地貌改造及人類工程活動(dòng)，堆積體破壞（圖4）。[2]

圖4 瓦司溝老泥石流堆積體

2.2 震后泥石流發(fā)育特征

瓦司溝在2010年“8.14”爆發(fā)了大規(guī)模的泥石流災(zāi)害，堆積體掩埋路基，抬升河床水位。溝口流通區(qū)泥石流泥痕約10m高，泥石流扇體前緣寬度達(dá)到230m，扇體長度100m，平均厚度10m左右。堆積體以粒徑10～50cm的塊石為主，約占50%左右，粒徑50～100cm的塊石含量約30%，最大塊石達(dá)到2～3m，主要分布于扇體前緣，其余為混雜的粉質(zhì)黏土。泥石流暴發(fā)時(shí)將路基掩埋，造成交通中斷，由于漁子溪河谷開闊，瓦司溝溝口一帶溝床坡度大，本次泥石流堆積體主要堆積在溝口，未造成漁子溪河道阻塞。溝道兩岸斜坡陡峻，不良地質(zhì)現(xiàn)象發(fā)育，物源豐富，植被覆蓋率低，溝口扇形堆積地形發(fā)育，河流受擠壓明顯（圖5）。

圖5 “8.14”泥石流堆積體

3 泥石流預(yù)測評(píng)價(jià)

泥石流危險(xiǎn)性的評(píng)價(jià)方法很多，但是對(duì)于震后泥石流沖出規(guī)模的判定目前沒有成熟的理論體系，尤其是強(qiáng)震區(qū)泥石流的規(guī)模預(yù)測評(píng)價(jià)沒有可以借鑒的成功經(jīng)驗(yàn)。因此，通過對(duì)瓦司溝泥石流根據(jù)雨洪法計(jì)算的泥石流流量，從而對(duì)該溝泥石流危險(xiǎn)程度進(jìn)行評(píng)價(jià)預(yù)測。

3.1 泥石流流量計(jì)算

泥石流流量的計(jì)算方法很多，主要有雨洪法、形態(tài)調(diào)查法和最大粒徑法。瓦司溝泥石流受暴雨影響較大，其流量計(jì)算參考雨洪法[3]。

3.1.1 瓦司溝泥石流峰值流量計(jì)算

假設(shè)泥石流與暴雨同頻率、且同步發(fā)生，先按水文方法計(jì)算出斷面不同頻率下的小流域暴雨洪峰流量（計(jì)算方法查閱四川省水文手冊(cè)[4]），根據(jù)《泥石流災(zāi)害防治工程勘查規(guī)范》[5]中的雨洪法計(jì)算公式：

式中：Qc—— 頻率為P 的泥石流洪峰值流量（m3／s）；

Qp——頻率為P 的暴雨洪水設(shè)計(jì)流量（m3／s）；

Ф——泥石流泥沙修正系數(shù)。

式中：γc—— 泥石流容重（t／m3）；

γw—— 清水的重度（t／m3），取值1.0；

γH—— 泥石流中固體物質(zhì)重度（t／m3）；

Dc——泥石流堵塞系數(shù)，查表可得。

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查和查（N～γc）對(duì)照表，瓦司溝泥石流重度綜合取值為：γh＝2.6，γc＝2（全流域100a一遇泥石流，設(shè)計(jì)頻率1%），γc＝1.95（全流域50a一遇泥石流，設(shè)計(jì)頻率2%）；查《四川省水文手冊(cè)》得泥石流堵塞系數(shù)Dc＝1.3，1h暴雨洪水設(shè)計(jì)流量Qp＝91.35（1%），Qp＝83.25（2%）。將以上參數(shù)帶入式中，得瓦司溝泥石流峰值流量見表1。

表1 瓦司溝泥石流峰值流量

3.1.2 瓦司溝泥石流一次泥石流過程總量計(jì)算

根據(jù)《規(guī)范》，瓦司溝一次泥石流過程總量Q（m3）由式（2）得出。

其中，K ＝0.264，當(dāng)F ＜5km2，K ＝0.202；F＝5～10km2，K ＝0.113；F ＝10～100km2，K ＝0.037 8；F＞100km2，K ＜0.025 2。

一次泥石流沖出的固體物質(zhì)總量QH（m3）：

瓦司溝泥石流歷時(shí)40min左右，即T＝2 400s。由于瓦司溝流域面積小于5km2，所以取K＝0.202，γc、γH取值與式（1）中相同，代入式（2）、式（3），計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 一次泥石流總量和固體物質(zhì)總量

根據(jù)瓦司溝泥石流的現(xiàn)場調(diào)查，泥石流堆積體前緣部分被水流沖走，堆積體總體形態(tài)未發(fā)生較大改變，溝口堆積體總量約為23×104m3，因此判斷溝口堆積量為泥石流一次過程總量，與上述計(jì)算的一次過程總量值基本相符。

3.2 泥石流發(fā)展趨勢(shì)

瓦司溝泥石流主要威脅性是於埋溝口處S303公路，沖入漁子溪抬高河床，淤塞河道形成堰塞湖。同時(shí)，瓦司溝泥石流出口與漁子溪呈近于直角，8月14日暴發(fā)泥石流堆積物已經(jīng)堆積至漁子溪河道，掩埋公路路基，造成交通中斷[1]。

瓦司溝為老泥石流溝，其地形地貌條件為泥石流的暴發(fā)提供了足夠的勢(shì)能。從溝口右側(cè)堆積的老泥石流堆積體位置及厚度可以推測歷史上瓦司溝曾爆發(fā)大規(guī)模泥石流災(zāi)害，并對(duì)公路通行造成巨大影響?！?.12”汶川大地震后，瓦司溝流域產(chǎn)生大量的崩塌和滑坡，為泥石流的暴發(fā)提供了豐富的固體物質(zhì)來源?！?.14”泥石流后，瓦司溝內(nèi)仍然有大量的松散堆積物堆積于溝道及兩側(cè)，物源量在暴發(fā)泥石流前后變化不大。在短時(shí)強(qiáng)降雨或持續(xù)降雨作用下，再次暴發(fā)大規(guī)模泥石流的可能性極大，其堆積物將沖入河道，再次掩埋公路路基，堵塞河道形成堰塞湖。

4 泥石流防治

泥石流防治工程措施主要是在泥石流的形成、流通、堆積區(qū)內(nèi)采取放坡、護(hù)坡、攔擋、支護(hù)、排導(dǎo)、引渡、停淤工程等治理工程，以控制泥石流的發(fā)生和危害[6]。

根據(jù)瓦司溝泥石流形成條件、發(fā)育特征、泥石流流量計(jì)算、防治工作現(xiàn)狀及減災(zāi)要求，需對(duì)其進(jìn)行工程治理以確保公路正常通行。確定原則為：因地制宜，因?yàn)?zāi)設(shè)防；以防為主，防治結(jié)合；治理工程與布局規(guī)劃相結(jié)合[1]。受汶川“5.12”地震影響，“8.14”山洪泥石流災(zāi)害期間映臥公路K2＋400～K7＋250標(biāo)段發(fā)育多處大型地質(zhì)災(zāi)害，致使公路多處中斷。因此，對(duì)瓦司溝泥石流的治理應(yīng)綜合考慮區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育情況。

泥石流的工程治理措施一般設(shè)置于其流通區(qū)及堆積區(qū)，瓦司溝泥石流流通區(qū)溝床縱坡降較大，溝道順直，上部物源豐富，爆發(fā)大規(guī)模泥石流災(zāi)害時(shí)，攔擋、排導(dǎo)措施效用較小。堆積區(qū)上部平緩，溝口處地勢(shì)陡峭，近于直立，根據(jù)泥石流發(fā)育特征，可在堆積區(qū)對(duì)泥石流進(jìn)行排導(dǎo)。瓦司溝流域地貌條件復(fù)雜，在極端降雨條件下爆發(fā)大規(guī)模泥石流的可能性較大，在堆積區(qū)修建排導(dǎo)工程對(duì)大規(guī)模泥石流排導(dǎo)效果不明顯，且施工難度較大。結(jié)合該區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育情況，宜采用隧道形式對(duì)其進(jìn)行繞避。

5 結(jié)語

（1）瓦司溝泥石流是一個(gè)大型老泥石流溝，歷史曾暴發(fā)大規(guī)模泥石流，該溝流域面積1.67km2，主溝長1.19km，溝道縱坡降較大，平均縱坡降為667‰，地形陡峻，溝道比較順直，為泥石流的發(fā)生提供足夠的勢(shì)能條件。震后，受地震影響，淺溝內(nèi)崩塌和滑坡非常發(fā)育，為泥石流提供大量的松散固體物質(zhì)來源，據(jù)統(tǒng)計(jì)總方量約238×104m3。

（2）受強(qiáng)降雨影響該溝與2010年“8.14”爆發(fā)了大規(guī)模的泥石流災(zāi)害，堆積體掩埋路基，抬升河床水位，溝口堆積物總量約23×10m4。按照雨洪法計(jì)算得出瓦司溝全流域50a一遇泥石流（設(shè)計(jì)頻率為2%），峰值流量為266.4m3／s，固體物質(zhì)總量18.88×104m3；全流域100a一遇泥石流（設(shè)計(jì)頻率為1%），峰值流量為 316.68m3／s，固體物質(zhì)總量25.59×104m3。

（3）瓦司溝流域仍有大量的崩塌和滑坡堆積物，溝域內(nèi)部分溝道堵塞，物源豐富，當(dāng)降雨條件充足時(shí)極有可能再次暴發(fā)大規(guī)模泥石流，掩埋公路造成交通中斷，堵塞漁子溪形成堰塞湖。瓦司溝流域地形條件特殊，單獨(dú)對(duì)其進(jìn)行治理意義不大，建議以長隧道對(duì)其繞避。

[1]沈軍輝，彭昌翠，唐壘慶，等.省道303線映秀至臥龍公路恢復(fù)重建工程沿線自然地質(zhì)災(zāi)害誘發(fā)的工程安全評(píng)估[D].成都：成都理工大學(xué)，2011.64－80.

[2]張晉，李滿意，袁屹璋.映臥公路干溝泥石流發(fā)育特征及危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)[J].長春工程學(xué)院學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2011，12（3）：72－74.

[2]李鴻軍，徐望國，謝軍.雨洪法在泥石流流量計(jì)算中的應(yīng)用[J].內(nèi)江科技，2011，5：26－27.

[3]沈躍民，陳天良.四川省中小流域暴雨洪水計(jì)算手冊(cè)[M].成都：[s.n.]，1984：8，107－124，218－219.

[4]DZ／T 0220—2006，泥石流災(zāi)害防治工程勘查規(guī)范[S].

[5]劉希林，唐川.泥石流危險(xiǎn)性分析[M].北京：科學(xué)出版社，1995：1－93.