四川省都江堰市八一溝泥石流動力學特征及危險性評估

周 偉，陳寧生，鄧明楓，楊成林，盧 陽

（1.中國科學院 水利部 成都山地災害與環(huán)境研究所，四川 成都610041；2.中國科學院 研究生院，北京100049；3.中國科學院 山地災害與地表過程重點實驗室，四川 成都610041）

泥石流是一種常發(fā)生于山區(qū)小流域的自然災害，是一種飽含大量泥沙石塊和巨礫的固液兩相流體，呈黏性層流或稀性紊流等運動狀態(tài)［1－4］。泥石流廣泛分布于除南極洲外的6大洲山區(qū)［3－5］，嚴重地影響著當?shù)厝嗣竦纳a(chǎn)生活，同時也給當?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境造成嚴重的破壞，阻礙了山區(qū)經(jīng)濟發(fā)展和生態(tài)建設。

在全球氣候變暖、人類活動加劇的情形下，極端天氣情況誘發(fā)的特大規(guī)模泥石流災害呈上升趨勢。這些災害不僅造成重大人員傷亡和巨大的財產(chǎn)損失，還嚴重影響了當?shù)厣鐣?jīng)濟的發(fā)展。汶川地震使得四川省（面積4.86×105k m2）2/3的面積受災，其中極重災區(qū)和重災區(qū)面積約1.3×105k m2，涵蓋汶川、北川等10個極重災縣和理縣、崇州等29個重災縣（市）。由于地震中產(chǎn)生了大量的松散固體物質，2008年5月12—19日和9月24日汶川地震災區(qū)發(fā)生9次大規(guī)模的泥石流災害。2010年1—5月我國西南地區(qū)的大面積干旱導致嚴重的生態(tài)退化，土壤疏松，透水性增強，強度降低。2010年8月13日，強降雨誘發(fā)了特大規(guī)模的泥石流災害。都江堰龍池鎮(zhèn)、汶川映秀鎮(zhèn)和綿竹清平鄉(xiāng)等地發(fā)生大規(guī)模山洪泥石流，共造成82人死亡和失蹤。其中，龍池鎮(zhèn)境內泥石流災害點高達80余處，泥石流沖出量達8×106m3，致使受災人數(shù)達5 149人，農(nóng)林作物受災面積達95 h m2，交通、電力、通訊、供排水、天然氣等基礎設施以及農(nóng)家樂、鄉(xiāng)村酒店、景觀景點等旅游配套設施均遭受嚴重破壞。據(jù)不完全統(tǒng)計，龍池鎮(zhèn)直接經(jīng)濟損失達6.66億元［6］。

八一溝位于地震極重災區(qū)四川省都江堰市龍池鎮(zhèn)云華村，5·12汶川地震后曾于2008年5月14日、19日和7月17日發(fā)生過3次大規(guī)模泥石流［7］。2010年8月13日、8月18日的強降水誘發(fā)了2次大規(guī)模泥石流，其中以8月13日的泥石流災害規(guī)模最

八一溝具有利于泥石流形成的地形條件和豐富的松散固體物源條件，在持續(xù)降雨或短時高強度暴雨作用下，極易產(chǎn)生泥石流。在一定時間內，八一溝泥石流的暴發(fā)規(guī)模和頻率將持續(xù)增強。而泥石流一旦暴發(fā)，嚴重影響當?shù)鼐用竦纳敭a(chǎn)安全及溝口附近公路的正常運營，同時將威脅紫坪鋪水庫的安全。在2010年8月泥石流暴發(fā)之前，八一溝的10座攔沙壩正在施工之中，由于設計頻率偏低，使得攔沙壩無法發(fā)揮攔擋作用。因此有必要分析泥石流形成條件和基本特征，評估其危險性，為八一溝的工程治理措施提供科學依據(jù)，以保護公共基礎設施，維護社會秩序穩(wěn)定，保護當?shù)亟?jīng)濟持續(xù)發(fā)展，同時還可為其它地區(qū)泥石流的防治積累經(jīng)驗。

1 八一溝泥石流成因分析理

1.1 地形條件

八一溝主要由大干溝、小干溝和小灣溝等支溝組成，溝口地理坐標為東經(jīng)103°31′，北緯31°3.67′。八一溝流域面積8.30 k m2，主溝長2.93 k m，平均比降為123‰。流域形態(tài)呈樹葉狀自北向南伸展，主溝兩岸沖溝呈樹枝狀發(fā)育，形如葉脈。流域西高東低，海拔高程為1 400～2 400 m，高差達1 000 m。溝谷切割淺，縱坡降大，跌水坎多，橫斷面呈“V”形，斜坡坡度一般為45°～60°，局部超過70°，高程介于1 070～1 530 m，谷底一般寬20～40 m。

圖1 泥石流過后的八一溝堆積扇

圖2 5.12汶川地震后的八一溝堆積扇

地形地貌是泥石流形成的必備條件。八一溝地貌屬構造侵蝕中切割陡峻低山—中山地貌、斜坡沖溝地形，流域北、東、西三面高，中部及南部低，海拔高程860～2 200 m，相對高差1 340 m。八一溝陡峭的地大，損失最嚴重。這2次特大泥石流淤平出山口以下溝道，淤埋下方公路，沖毀八一溝大橋，致使八一溝溝口下方的公路中斷（如圖1所示，將圖1與圖2進行對比，就可了解泥石流暴發(fā)前后的堆積扇變化情況），損毀農(nóng)田6.67 h m2余，摧毀在建的全部10座攔沙壩。形不僅易發(fā)育崩塌滑坡等不良地質體及坡面松散固體物質，為泥石流形成提供松散固體物源，還可為坡面地表徑流提供勢能。溝床縱坡降是影響泥石流形成和運動的主要因素。呂儒仁等［8］統(tǒng)計了西藏的150條泥石流溝，發(fā)現(xiàn)溝床平均比降在100‰～200‰的占54.7%，溝床平均比降在200‰～300‰的占18.7%，溝床平均比降在50‰～100‰的占17.3%，其余的占9.3%。由此可知，泥石流暴發(fā)頻率較高的溝道的溝床縱比降為100‰～200‰，其次為50‰～100‰和200‰～300‰，其余比降的暴發(fā)頻率較低。八一溝的平均溝床縱坡降為123‰，屬泥石流發(fā)生頻率較高范圍。流域內山坡坡度是影響泥石流固體物質的補給方式、數(shù)量和泥石流規(guī)模的重要因素。自然坡度在20°～40°之間的坡面易形成滑坡等地質災害，為泥石流的形成提供松散物源。八一溝坡度在20°～40°的山體面積約占流域總面積的70%（表1），由此可見，八一溝具備了泥石流形成的地形地貌條件。

表1 八一溝坡度統(tǒng)計結果

1.2 物源條件

八一溝在區(qū)域構造上位于映秀斷層西北側和虹口－南獄廟斷層的西南端［9］，為龍門山后山北川—中灘鋪斷裂的一部分，北東向壓扭性深大斷裂。都江堰境內的映秀斷層分布于虹口鄉(xiāng)和龍池鎮(zhèn)北部，斷層面向北西傾斜，傾向300°～330°，傾角50°～60°。虹口－南獄廟斷層位于八一溝小灣支溝溝口，傾向約330°，傾角約55°，破碎帶寬達3～5 m。斷裂帶周圍裂隙發(fā)育，巖體破碎，揉搓現(xiàn)象較為明顯，為地質災害的形成與發(fā)生提供了有利的物源條件。

八一溝內的松散固體物質按其成因可分為殘坡積物、崩坡積物、溝床淤積物以及支溝口泥石流堆積物。根據(jù)野外實地踏勘，八一溝共有崩塌堆積體39個，散碎屑巖土體堵塞溝道5處。該溝物源總量為8.59×106m3，可參與泥石流活動的松散物質儲量約為5.20×106m3，約占松散物源總量的60%。

1.3 降雨條件

降水是八一溝泥石流的主要誘發(fā)因素。八一溝泥石流是前期降雨、10 min降雨、1 h降雨和24 h降雨共同作用的結果。降水不僅可使坡面的表層土體失穩(wěn)，產(chǎn)生滑坡、崩塌，還可補給地表水源，在形成匯流后，使溝道兩岸的松散堆積物因受到強烈沖刷而不斷進入溝道，為泥石流形成創(chuàng)造條件。八一溝多年平均降雨1 134.8 mm，最大年降雨量1 605.4 mm（1978年），最大日降雨量233.8 mm，最大10 min降雨量28.3 mm。當10 min雨強超過4 mm，1 h雨強大于或等于9 mm時，泥石流暴發(fā)的概率較大［10］。由此可知，八一溝的降雨條件可以滿足泥石流形成的基本條件。

1.4 八一溝泥石流形成過程初步分析

八一溝泥石流屬土力類泥石流?，F(xiàn)以2010年“8·13”八一溝泥石流為例，說明其形成過程與機理。八一溝泥石流形成可分為4個階段。（1）前期降雨時間長，雨量大，在降水作用下，堆積于溝道和坡面的處于非飽和狀態(tài)的松散土體的含水量和自重增加，同時土體濕陷收縮，孔隙水壓力增加，抗剪強度降低［11］，使得松散固體物質的穩(wěn)定性降低。（2）在降雨滲透作用下，松散固體物質的含水量繼續(xù)增加。松散固體物質中的粘土膨脹導致孔壓上升，并由此引發(fā)土體的黏聚力和摩擦力降低［12］，導致松散固體物質的穩(wěn)定性降低并失穩(wěn)液化。該階段短歷時的強降雨起主導誘發(fā)作用。（3）短歷時強降水在短時內無法形成滲流，迅速形成地表徑流進而演變?yōu)樯胶椤系兰皟砂兜乃缮⒐腆w物質在山洪強烈沖刷侵蝕作用下，啟動并形成規(guī)模較小的泥石流。（4）小規(guī)模的泥石流在短時快速的山洪沖刷下，挾帶流域內的松散堆積物沿溝道運動。在流域內大量的松散物質與地表徑流匯入后，小規(guī)模的泥石流就轉變?yōu)橐?guī)模較大的泥石流。

2 八一溝泥石流動力學特征

2.1 容 重

泥石流容重是泥石流流體單位體積的平均重量，是確定泥石流性質與運動特征的基本參數(shù)，也是泥石流防治工程設計必須獲得的參數(shù)。目前，常用的確定泥石流容重的方法是現(xiàn)場調查法和經(jīng)驗模型法［13］。對于年代久遠和無目擊者的泥石流而言，可以借助經(jīng)驗模型來確定泥石流容重。對于可觀測到或有目擊者的泥石流而言，一般采用現(xiàn)場調查法測定泥石流容重，即在現(xiàn)場請當?shù)啬繐裟嗍鞯木用駭?shù)人，選取有代表性的泥石流堆積物，將其攪拌至目擊者認可的泥石流暴發(fā)時的形態(tài)，測出樣品的質量和體積，即可求得泥石流流體容重。在無法取得代表性樣品時，可根據(jù)泥石流溝易發(fā)程度數(shù)量化評分表給泥石流溝打分，然后參考數(shù)量化評分與泥石流重度關系對照表，確定泥石流的容重［13］。通過現(xiàn)場試驗和綜合判斷，確定八一溝泥石流的平均容重為1.82 g/c m3。

2.2 泥石流流速

泥石流流速是泥石流動力特性和泥石流工程防治設計的重要參數(shù)之一。八一溝泥石流是黏性泥石流，其流速可按黏性泥石流流速公式進行計算。鑒于西南地區(qū)黏性泥石流在地域上的相似性，采用目前流行的西南地區(qū)泥石流流速公式進行計算［14］：

式中：Hc——計算斷面的平均泥深（m）；nc——泥石流溝床糙率系數(shù)，參照相應的參考文獻查表獲得；Ic——泥石流水力坡度（‰）。下同。

根據(jù)式（1），八一溝泥石流的平均流速為7.96 m/s。

2.3 泥石流流量

目前主要有兩種泥石流流量計算方法，一是雨洪法；二是形態(tài)調查法。

2.3.1 雨洪法 假設泥石流與暴雨同頻率發(fā)生，采用目前公認的用于小流域設計洪水的推理公式，計算出斷面不同頻率的洪峰流量（計算方法參照《四川省水文手冊》），然后根據(jù)溝道實際情況選用堵塞系數(shù)，計算泥石流流量［15］：

式中：Qc——頻率為P的泥石流洪峰值流量（m3/s）；Qb——頻率為P的暴雨洪水設計流量（m3/s）；Kq＝1＋（γc－γw）/（γs－γc）（泥石流流量修正系數(shù)），γc——泥石流容重（g/c m3）；γw——清水的容重（g/c m3）；γs——泥 石 流 中 固 體 物 質 容 重 （g/c m3）；Du——堵塞系數(shù)。下同。

按照雨洪法，利用泥石流流量公式計算所得的泥石流峰值流量如表2所示。

表2 八一溝泥石流動力學參數(shù)計算成果

2.3.2 形態(tài)調查法 根據(jù)泥石流暴發(fā)時留下的痕跡（泥痕）可以確定該次泥石流的最高泥位，并調訪最高泥位的泥石流通過后的斷面變化情況，盡可能以調查時的斷面為基礎，恢復過流時的斷面，獲得斷面面積Ac，以計算其流量，并與配方法相互印證。其公式為：

式中：Ac——調查斷面的過流面積（m2）；Vc——通過調查斷面的泥石流平均流速（m/s）。

根據(jù)實際勘察得到計算斷面的斷面面積為148～158 m2，泥石流流速為7.96 m/s，按公式（3）計算得到泥石流流量為1 178～1 258 m3/s，計算值與雨洪法所得的測量值很接近。

2.4 一次泥石流總量

一次泥石流總量涉及到泥石流防治工程的規(guī)模大小，是十分重要的泥石流運動參數(shù)。采用概化的方法估算不同頻率下的泥石流總量和固體物質總量。根據(jù)泥石流的歷時和最大流量，按泥石流暴漲暴落的特點，將其過程線概化為一個理想的五邊形［15］。

根據(jù)泥石流歷時T和最大流量Qc，通過斷面的一次泥石流總量Wc由下式計算：

一次泥石流沖出固體物質總量按下式計算：

式中：Ws——通過計算斷面的固體物質實體總量（m3）。

2.5 泥石流沖擊力計算

泥石流的沖擊力可分為兩部分，即流體動壓力和流體中最大石塊的沖擊力。最大石塊沖擊力是工程建筑物設計的一個重要參數(shù)。下面將分別對這兩部分進行計算。

（1）泥石流流體動壓力的計算公式［16］為：

式中：σ——壓強（kg/m2）；ρd——泥石流流體容重（kg/m3）；V——泥石流平均流速（m/s）；K——泥石流流體不均勻系數(shù)（根據(jù)云南東川實測資料取K＝3）。

（2）采用彈性碰撞法［17］計算八一溝泥石流的最大石塊沖擊力。最大石塊沖擊力計算公式［17］為：

式中：Kc——修正系數(shù)，應該根據(jù)實驗和實測資料確定，一般取0.1（由日本燒岳溝泥石流沖擊力實驗資料可知，修正系數(shù)Kc與石塊的尺寸和速度有關，隨尺寸增加而變小。）；RS2——大石塊半徑（m）；v1，v2——材料和球體（石塊）的泊松比；E1，E2——材料和石塊的楊氏模數(shù)（kg/m2）；m2——石塊的質量 （kg）；V——石塊的相對速度（m/s）。

假定抗沖材料為混凝土，楊氏模數(shù)E1＝2.00×109kg/m2。由西藏古鄉(xiāng)溝泥石流的觀測資料知，在比降較小時，大石塊的運動速度為泥石流流體速度的0.25～0.55倍。取該石塊速度為流體速度的0.5倍，即為3.98 m/s。現(xiàn)場調查的八一溝最大石塊直徑約為3.68 m。石塊為花崗巖，其密度ρ＝2.65×103kg/m3，楊氏模數(shù)E2＝5×109kg/m2。將上述參數(shù)帶入式（7），計算出最大石塊沖擊力，結果見表2。

3 八一溝泥石流危險性評估

危險性評價是對泥石流的發(fā)展趨勢所進行的預測評價，危險度則是它的定量表達。單溝泥石流危險性評價有多種方法，目前還沒有統(tǒng)一的泥石流危險度評價標準［19－20］。常用泥石流危險度評價的定量方法是劉希林等［19］推薦的單溝泥石流危險度評價方法。根據(jù)劉希林等的研究，選用泥石流規(guī)模M（103m3）、頻率F（次/100 a）、流域面積S1（k m2）、主溝長度S2（k m）、流域相對高差S3（k m）、流域切割密度S6（k m/k m2）及不穩(wěn)定溝床比例S9（%）7個因素作為單溝泥石流危險度評價因子。

單溝泥石流危險度的計算公式［19］為：

式中 M，F(xiàn)，S1，S2，S3，S6，S9分別按照單溝泥石流危險度評價因子的轉換函數(shù)表（表3）計算可得m，f，s1，s2，s3，s6，s9的轉換值。按計算值 H 的不同將單溝泥石流危險度劃分為5級，即極低危險（0＜H＜0.2）、低度危險（0.2＜H＜0.4）、中度危險（0.4＜H＜0.6）、高度危險（0.6＜H＜0.8）和極高危險（0.8＜H＜1.0）。

表3 單溝泥石流危險度評價因子的轉換函數(shù)［20］

將八一溝的流域參數(shù)帶入式（8），計算得到“8·13”泥石流暴發(fā)前后的危險度。由表4可知，“8·13”泥石流對八一溝泥石流危險度評價有一定的影響，“8·13”泥石流暴發(fā)后，其危險度略微降低?！?·13”泥石流暴發(fā)前的危險度為0.602，根據(jù)危險度的判斷標準，該溝泥石流危險度屬于高度危險，即發(fā)生大規(guī)模泥石流的可能性較大?！?·13”泥石流暴發(fā)后的危險度為0.598，屬于中度危險。

表4 八一溝泥石流危險度計算結果

經(jīng)過現(xiàn)場調查分析，八一溝泥石流處于發(fā)展期，在一段時間內比較活躍。雖然“8·13”八一溝泥石流沖出量達8.27×105m3，但這部分量僅占其物源動儲量的15.9%。

目前，大量松散固體物質堆積在八一溝中上游，仍然具備了良好的物源條件。

另外，八一溝流域內降雨豐富，平均年降雨量達1 200 mm，10 min降雨也超過泥石流啟動的臨界雨量，故該流域豐富的降雨極有可能啟動固體物源，形成特大規(guī)模的泥石流災害。

4 結論

在對八一溝泥石流的實地調查的基礎上，初步分析了八一溝泥石流的形成過程，研究了八一溝泥石流的動力學參數(shù)特征，采用單溝泥石流危險度評價方法對其危險度進行了評價，得出了以下結論。

（1）八一溝具備泥石流形成的3大條件，即適宜的地形地貌條件，豐富的物源補給條件和充足的降雨條件。強降雨誘發(fā)了“8·13”八一溝泥石流。

（2）八一溝的泥石流危險度等級為高，泥石流處于活躍期，雖然短期內暴發(fā)的泥石流攜帶了部分松散固體物質，但流域內仍堆積大量松散固體物質。如遇強降水，還有可能暴發(fā)大規(guī)模泥石流。

（3）八一溝低頻率泥石流的流量、流速及一次泥石流沖出固體物質總量均較大，會給八一溝溝口附近的公路以及紫坪鋪庫區(qū)造成較大危害。由于一次泥石流沖出量較大，為了能確保公共基礎安全設施和人民群眾生命財產(chǎn)的安全，必須在短期內對八一溝進行工程治理，以防再次出現(xiàn)泥石流災害。

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