牛眠溝流域泥石流形成條件、發(fā)展趨勢及其防治探討*

楊志全 廖麗萍 楊萬科 胡 進

(1)中國科學(xué)院與水利部成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所/中國科學(xué)院山地災(zāi)害與地表過程重點實驗室，成都 610041 2)中國科學(xué)院研究生院，北京 100049 3)四川大學(xué)土木工程及應(yīng)用力學(xué)系，成都610065)

牛眠溝流域泥石流形成條件、發(fā)展趨勢及其防治探討*

楊志全1，2)廖麗萍1，2)楊萬科3)胡 進1，2)

(1)中國科學(xué)院與水利部成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所/中國科學(xué)院山地災(zāi)害與地表過程重點實驗室，成都 610041 2)中國科學(xué)院研究生院，北京 100049 3)四川大學(xué)土木工程及應(yīng)用力學(xué)系，成都610065)

汶川地震使牛眠溝流域變成了一個多泥石流災(zāi)害的區(qū)域，到目前為止，已經(jīng)發(fā)生7次大規(guī)模泥石流災(zāi)害。經(jīng)研究，該流域誘發(fā)泥石流災(zāi)害的3個基本條件非常發(fā)育，而目前正處于發(fā)展階段，在震后5～10年內(nèi)的雨季，極易發(fā)生危害性較大、沖擊力較強的大規(guī)模降雨型泥石流。如果考慮直接利用主溝內(nèi)沉積的泥石流堆積物，在主溝堆積區(qū)的中上游左右兩側(cè)修建約為溝寬一半的交替式攔擋土石壩、在中下游修建與溝寬大致相等的攔擋土石壩及在相鄰兩壩間修建與溝向相對且具有一定坡度斜坡的土木防治工程，可實現(xiàn)消能與耗能雙重目的。

牛眠溝流域;泥石流;形成條件;發(fā)展趨勢;防治工程

1 引言

映秀鎮(zhèn)位于四川省汶川縣南部，是汶川地震7個受災(zāi)最嚴重的鄉(xiāng)鎮(zhèn)之一(圖1)。

牛眠溝流域，位于映秀鎮(zhèn)境內(nèi)，距成都78 km，距映秀鎮(zhèn)約1.5 km。該流域面積為10.46 km2，主溝長5.8 km，流向由東北向西南，穿過213國道匯入岷江，為岷江的一級支流，支溝較發(fā)育，主要有道溝、白溝、蓮花心溝、清水溝、牛筋巷溝及瞟長溝等6大呈樹枝狀分布的支溝系(圖2)。

圖1 牛眠溝流域的航空遙感圖Fig.1 Aerial remote sensing image of Niumiangou valley

圖2 牛眠溝流域的三維地形圖Fig.2 Three dimension digital terrain map of Niumiangou valley

汶川震后，牛眠溝流域相繼發(fā)生7次大規(guī)模的泥石流災(zāi)害，其中尤以2010年8月14日的泥石流災(zāi)害最為嚴重，沖出物約55×104m3，引起該流域主溝堆積區(qū)厚度增加約為3～5 m;堵塞主溝溝口老國道213線及堵斷岷江五分之四的寬度。

2 牛眠溝流域泥石流形成的條件

牛眠溝流域發(fā)生的泥石流為降雨型泥石流，誘發(fā)降雨型泥石流的3個條件，即豐富的松散固體物源、合適的地形及充足的降雨在本流域非常發(fā)育。

2.1 松散固體物質(zhì)

牛眠溝流域位于映秀-北川斷裂帶上，映秀-北川斷裂帶對該區(qū)域地層的發(fā)育起著控制作用。該流域地層自中元古界至第四系均有出露。流域內(nèi)上三疊統(tǒng)(T3)有較廣泛的出露，但發(fā)育一般都不完整，缺失晚三疊世早期地層，發(fā)育有多套滑脫層［1］。志留系巖性主要是千枚巖、板巖等淺變質(zhì)巖，三疊系主要為碎屑巖和變質(zhì)碎屑巖。

流域內(nèi)出露巖石主要以千枚巖及板巖為主，而千枚巖及板巖系抗風(fēng)化能力極差的軟弱巖石。加之地震作用影響強烈(自1169年以來，龍門山區(qū)域共發(fā)生震中烈度Ⅵ度地震13次、Ⅶ度以上地震4次［2］，這些地震都屬于淺源地震)，對地表破壞作用強烈，尤其是破壞了山坡的穩(wěn)定性，促進了流域內(nèi)滑坡及崩塌的發(fā)育，積累了大量的松散固體物質(zhì)。尤其汶川地震時，劇烈的山體震動，大量崩塌、落石、滑坡活動進一步增強，使牛眠溝流域內(nèi)松散碎屑物質(zhì)劇增，積聚了更為豐富的松散固體物質(zhì)［3］。

牛眠溝流域受構(gòu)造運動的影響，節(jié)理發(fā)育，風(fēng)化強烈，巖性脆弱，流域內(nèi)松散固體物質(zhì)堆積厚度大，儲備十分豐富，且分選性很差，為泥石流的形成提供了豐富松散固體的物質(zhì)來源(圖3、4)。

2.2 地形

牛眠溝流域處于青藏高原東緣向四川盆地過渡地帶，屬切割較強烈高山區(qū)，呈陡峭高山峽谷地貌，具有山勢高、溝谷深、坡陡的特點［4］。地形南高北低，最高點海拔2 693 m，最大相對高度1 833 m，山坡坡度在35～75°間，平均坡度42.5°。

圖3 蓮花新溝的松散固體物質(zhì)Fig.3 Solid loose materials in the Lianhuaxin gully

主溝的6條支溝溝長1.0 km。主溝上游及支溝，溝床陡，跌水發(fā)育，主溝溝床比降20.7%，支溝溝床比降32.7～52.5%。由此可見，牛眠溝流域山高坡陡，溝床縱比降大，為堆積的松散固體物質(zhì)提供了較大的勢能，為該流域泥石流的發(fā)育創(chuàng)造了動能條件。

圖4 道溝的松散固體物質(zhì)Fig.4 Solid loose materials in the Dao gully

2.3 降雨

牛眠溝流域氣象主要受東南暖濕氣流控制，是典型的亞熱帶潮濕氣候，垂直變化明顯，旱、雨季分明，每年5～10月為雨季，11月至翌年4月為旱季，雨季降水占全年降水的68.2%，且時常為暴雨。

據(jù)當(dāng)?shù)貧庀笳举Y料統(tǒng)計，多年年平均降雨量為1 253.1 mm，年最大降雨量達1 688 mm，最大日降雨量269.8 mm［5］。高強度降水為泥石流的發(fā)育提供了豐富的水動力條件。

3 發(fā)展趨勢

牛眠溝流域節(jié)理發(fā)育，風(fēng)化強烈，巖性脆弱;各支溝溝谷呈V型，溝床陡急，跌水發(fā)育，滑坡、落石與崩塌發(fā)育旺盛，山坡坡角陡峭，在該流域積累了大量的松散固體物質(zhì);目前估算該流域的松散物質(zhì)量約2 000×104m3。不穩(wěn)定松散物質(zhì)量計算結(jié)果為靜態(tài)值，由于堆積體大多位于溝床邊，在溝水沖刷作用下可能產(chǎn)生逐步垮塌后退現(xiàn)象，因此，從較長時間來看，該流域的不穩(wěn)定松散物質(zhì)量大于計算值，甚至可大大超過2 000×104m3。

每年5—10月的降雨量、降雨類型、雨強及暴雨頻率基本不變，因此誘發(fā)牛眠溝流域泥石流的降雨條件幾乎不會改變。此外，在該流域的中上部，分布著由汶川地震引起的5個堰塞湖，在暴雨條件下，可能會引起部分堰塞湖潰壩，從而誘發(fā)流速更快，破壞力更強的泥石流災(zāi)害。

結(jié)合誘發(fā)泥石流的3個基本形成和觸發(fā)條件分析，牛眠溝流域處于發(fā)展階段，在震后的5～10年內(nèi)的雨季，極易發(fā)生危害性較大的降雨性泥石流。

4 牛眠溝流域泥石流防治工程探討

4.1 土木防治工程

針對該流域泥石流的性質(zhì)、規(guī)模與形成、運動和成災(zāi)規(guī)律及主溝堆積區(qū)堆積物的特點，可考慮在主溝堆積區(qū)內(nèi)，以溝內(nèi)沉積的泥石流堆積物為原料實施土木防治工程措施［6-8］：

1)由于中上游具有一定停淤空間且細粒物較多，由此可以考慮在該部分內(nèi)修建間隔一定距離的交替式攔擋土石壩，來逐步減緩泥石流速度及減少對下游的危害的能量，在一定程度上減小向下流動的泥石流的規(guī)模。

結(jié)合堆積區(qū)中上游的實際情況，可布置間隔為100 m、長度40～60 m(約為溝寬的一半)及上底4 m，下底10 m，高10 m的梯形狀橫斷面交替式攔擋土石壩(圖5)，排水溝設(shè)置在沒有攔擋土石壩的一端。

圖5 牛眠溝流域主溝堆積區(qū)土木防治工程示意圖Fig.5 Schetch of civil control engineering of the accumulation area of main gully in the Niumiangou valley

2)堆積區(qū)的中下游長457多米，溝寬85～115 m。在中下游可以考慮修建間隔一定的距離與溝大致等寬的攔擋土石壩，經(jīng)過中上游交替式攔擋土石壩及斜坡減緩一定速度、能量及規(guī)模的泥石流經(jīng)過該部分的攔擋土石壩的阻礙，可進一步大大降低泥石流的速度與能量，使大部分泥石流物堆積在溝內(nèi)，以實現(xiàn)對該流域泥石流的防治。

結(jié)合堆積區(qū)中下游的實際情況，可布置間隔為100～150 m、長80～110 m(約為溝寬)及與中上游相同形狀橫斷面的攔擋土石壩，排水溝設(shè)置在堆積區(qū)的凸坡腳。目前該溝中下游已修建了3該類型的攔擋土石壩。

3)在整個主溝堆積區(qū)內(nèi)，相鄰攔擋土石壩之間修建與溝縱比降相對且具有一定坡度的斜坡，當(dāng)泥石流經(jīng)過斜坡時，由于斜坡的阻礙作用，速度在接觸瞬間由順溝向下轉(zhuǎn)變成大致平行于斜坡的方向，從而可減小泥石流順溝向下的速度與動能，從而逐步減緩泥石流的危害能量。

在牛眠溝流域主溝堆積區(qū)內(nèi)，直接利用主溝內(nèi)沉積的泥石流堆積物，在中上游左右兩側(cè)修建約為溝寬一半的交替式攔擋土石壩、中下游布置約為溝寬的攔擋土石壩及在相鄰攔擋土石壩之間修建與溝縱比降相對且具有一定坡度斜坡的土木防治工程，不僅可以就地取材，減少成本，而且能為下次泥石流提供更大的停淤空間，最重要的是，通過這些防治工程與泥石流的瞬間接觸來改變泥石流順坡流動的速度方向，從可逐步減小泥石流順溝向下流動的速度、能量及規(guī)模，實現(xiàn)消能與消量的雙重目的，從而達到控制或減少進入老國道213線和岷江的泥沙石塊及盡可能避免對溝口左側(cè)居民震后安置房危害的防治要求。

4.2 生物防治工程

針對牛眠溝流域目前的生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀，可考慮整個流域內(nèi)實施坑穴造林、支溝造林、坡改梯、坡式梯田、隔坡造林、退耕還林還草、林地封禁、撫育、果園改造及生物谷坊相結(jié)合的生物工程措施，逐步恢復(fù)由地震破壞的生態(tài)壞境，進而來達到治理泥石流的功效。

5 結(jié)論

1)形成和觸發(fā)泥石流災(zāi)害的3個基本條件在牛眠溝流域非常嚴重，即：崩塌、落石及滑坡引起松散固體物質(zhì)堆積厚度大、儲備十分豐富且分選性很差，為泥石流的形成提供了豐富松散固體的物質(zhì)條件;山勢高、峽谷深、坡角陡的地形條件，為泥石流的發(fā)生提供了能量儲備;每年雨季集中的高強度降水為泥石流創(chuàng)造了動力條件。

2)牛眠溝流域泥石流處于發(fā)展階段，在震后5～10年內(nèi)的雨季，極易發(fā)生危害性較大、沖擊力較強的大規(guī)模的降雨性泥石流，可能會堵斷岷江、危害溝口左側(cè)當(dāng)?shù)鼐用裾鸷蟀仓梅俊p毀老國道213線及給當(dāng)?shù)丶斑^往人民群眾生命財產(chǎn)及車輛安全構(gòu)成了嚴重威脅。

3)直接利用主溝內(nèi)沉積的泥石流堆積物，在主溝堆積區(qū)的中上游左右兩側(cè)修建約為溝寬一半的交替式攔擋土石壩、在中下游修建與溝寬大致相等的攔擋土石壩及在相鄰兩壩間修建與溝向相對且具有一定坡度的斜坡的土木防治工程，可實現(xiàn)逐步減小泥石流順溝向下流動的速度、能量及規(guī)模，從而實現(xiàn)消能與耗能的雙重目的。由此，采用土木防治工程與生物防治工程相結(jié)合的防治工程體系對防止牛眠溝流域的泥石流具有較大的工程實踐性。

致謝 圖1、2由韓用順博士提供，在此表示感謝!

1 謝洪，等.2008年汶川地震重災(zāi)區(qū)的泥石流［J］.山地學(xué)報，2009，27(4)：501-509.(Xie Hong，et al.Debris flow in Wenchuan quake-hit area in 2008［J］.Journal of Mountain Science2009，27(4)：501-509)

2 莊建琦，等.“5·12”地震后都汶公路沿線泥石流溝危險性評價［J］.四川大學(xué)學(xué)報(工程科學(xué)版)，2009，41(3)：131-139.(Zhuang Jianqi，et al.Hazard assessment of debris flow valleys along Dujiangyan-Wenchuan highway after“5 ·12”Wenchuan deva stating earthquake［J］.Journal of Sichuan University(Engineering Science Edition)，2009，41 (3)：131-139)

3 Han Yongshun，et al.Hazard assessment on secondary geohazards triggered by Wenchuan earthquake［J］.Journal of Applied Remote Sensing，2009，5

4 韓用順，等.地形條件對次生山地災(zāi)害易發(fā)性分析［J］.四川大學(xué)學(xué)報(工程科學(xué)版)，2010，41(增刊1)：15-21.(Han Yongshun，et al.Susceptibility of mountain hazards triggered by Wenchuan earthquake to topographic factors［J］.Journal of Sichuan University(Engineering Science E-dition)，2010，41(Supp.1)：15-21)

5 四川省地面氣候資料累年值(1951—1980)［Z］.成都：四川I省氣象局行政處，1983.(Sichuan Province Meteorological Bureau.Siehuan ground climatic data year after year value［Z］.Chengdu：Sichuan Province Meteorologieal Bureau，1983.)

6 謝洪，等.岷江上游干旱河谷區(qū)龍洞溝泥石流及其防治［J］.自然災(zāi)害學(xué)報，2004，13(5)：20-25.(Xie Hong，et al.Prevention and control of debris flow in dry valley of the upper Minjiang river：A case study of Longdong gully［J］.Journal of Natural Disasters，2004，13(5)：20-25)

7 唐邦興，等.山洪泥石流滑坡災(zāi)害及防治［M］.北京：科學(xué)出版社，1994.(Tang Bangxing，et al.Torrent，debris flow and landslide disasters and prevention［M］.Beijing：Science Press，1994)

8 吳積善，等.中國山地災(zāi)害防治工程［M］.成都：四川科學(xué)技術(shù)出版社，1997.(Wu Jishan，et al.Prevention projects of Chinese mountain hazards［M］.Chengdu：Sichuan Science and Technology Press，1997)

DISCUSSION ON GENESIS AND DEVELOPMENT TREND CONTROL ENGINEERING OF DEBRIS FLOW IN NIUMIANGOU VALLEY

Yang Zhiquan1，2)，Liao Liping1，2)，Yang Wanke3)and Hu Jin1，2)

(1)Institute of Mountain Hazards and Environment，Chinese Academy of Sciences and Ministry of Water Conservancy/ Key Laboratory of Mountain Hazards and Earth Surface Processes，Chinese Academy of Sciences，Chengdu 610041 2)Graduate University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049 3)Department of Civil Engineering and Applied Mechanics，Sichuan University，Chengdu610065)

After Wenchuan earthquake，Niumiangou valley becomes an area with dense and frequent debris flow disasters;so far，seven large-scale debris flows occurred.In this valley there are three basic conditions making debris flow well develop，and so it is in a developing stage now.Thus the large-scale rainfall induced debris flow disasters，with large damage and stronger wallop，will easily occur in the 5-10 year after earthquake.If considering to use directly the debris flow deposit in the main gully of Niumiangou valley，to construct civil control engineering such as alternate landslide dams from earth and rock with about half of main gully width in the left and right sides of upper and middle of the accumulation area，landslide dams from earth and rock with approximately equal to main gully width in middle and lower of the accumulation area and slope with certain gradient and relative to gully orientation between two adjacent dam，then the dual-purpose of energy dissipation and consumption can be achieved.

Niumiangou valley;debris flow;formation conditions;trend of development;control engineering

1671-5942(2011)05-0071-04

2011-03-31

國家自然科學(xué)基金(41071058);西部交通建設(shè)科技項目(09A31901900);2011年中國科學(xué)院社會實踐項目(Y1R2060060)

楊志全，男，1983年生，在讀博士，主要從事山地災(zāi)害風(fēng)險評估及防治方面的研究.E-mail：yzq1983816@yahoo.com.cn

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