茨馬絨溝泥石流運動及堆積特征

胡耀飛，宋勝武

（中國水電顧問集團成都勘測設(shè)計研究院，成都 610072）

1 泥石流研究現(xiàn)狀

1885年奧地利學(xué)者г.科赫于在對阿爾卑斯山暴發(fā)的泥石流進行深入的研究后，著成《關(guān)于南阿爾卑斯山泥石流的問題》，1928年，美國地質(zhì)科學(xué)家Black welder博士發(fā)表了一篇名為《半干旱山區(qū)的地質(zhì)營力：泥石流》［1]，標(biāo)志了泥石流研究的開始。1943年，由奧地利學(xué)者哥特爾與溫特爾合著而成的《山坡洪流的整治原理》，標(biāo)志了從認(rèn)識泥石流到治理泥石流應(yīng)用研究的新篇章。

泥石流形成的三大條件即地形地貌條件、地層地質(zhì)條件以及水文氣象條件，在泥石流形成過程中缺一不可［2]。國內(nèi)外對泥石流形成條件進行了大量的研究，我國學(xué)者崔鵬通過對橫斷山區(qū)北部九寨溝內(nèi)的樹正溝泥石流的啟動條件的物理模擬研究，認(rèn)為溝床坡度、水分狀況和顆粒級配是影響泥石流啟動的主要因素［3]；前蘇聯(lián)泥石流學(xué)者弗萊施曼將形成泥石流的必要條件歸結(jié)為，一是在暴發(fā)泥石流的溝流域內(nèi)要具有充足的松散固體物質(zhì)，二是有足夠數(shù)量的水體，三是有切割較深的山地地形［4]。

泥石流運動學(xué)特征著重研究泥石流發(fā)生的啟動機制，運動過程中受溝道控制的沖淤情況，泥石流龍頭、龍身、龍尾的流速在橫斷面和縱斷面隨時間的變化情況，泥石流的流動狀態(tài)及泥石流類型等不同的方面。

2 研究區(qū)茨馬絨泥石流溝的地質(zhì)條件

2.1 研究來源

因電站建設(shè)的需要，在茨馬絨泥石流溝溝口附近擬建機電安裝場及綜合加工系統(tǒng)。該溝匯水區(qū)面積大，溝內(nèi)物源豐富，具備發(fā)生泥石流的基本條件，對溝口附近擬建場地的建筑設(shè)施及生命財產(chǎn)產(chǎn)生威脅，故應(yīng)在充分研究該溝泥石流的形成發(fā)生條件的基礎(chǔ)上，有針對性提出適宜的防護措施。

2.2 水文氣象

雅礱江流域地處青藏高原東側(cè)邊緣地帶，屬川西高原氣候區(qū)，主要受高空西風(fēng)環(huán)流和西南季風(fēng)影響，干、濕季分明。具有干季日照多、濕度小、日溫差大，雨季日照少、濕度較大、日溫差小的特點。

雅礱江流域洪水主要由暴雨形成，暴雨一般出現(xiàn)在6月－9月，主要集中在7、8兩月，且多連續(xù)降雨；一次降雨過程為3 d左右，兩次連續(xù)過程為5 d左右或更長時間，主雨段多在1～2 d。流域6月－9月為汛期，上游甘孜、雅江等站年最大洪水6月即可出現(xiàn)，中、下游各站年最大洪水多發(fā)生在7、8兩月。雅礱江較大洪水多為兩次以上的連續(xù)降雨形成，洪水一般具有洪峰相對不高、洪量大、歷時長的特點。

2.3 泥石流溝谷特征

茨馬絨溝位于四川省雅江縣下游約56 k m的雅礱江左岸，流域面積86.1 k m2，主溝長約15.7 k m，發(fā)源于5 000 m高程，總體流向近NE－NW，主溝床平均縱坡降160.5‰，支溝從168‰～444‰大范圍變化（表1），屬常年性流水溝，在海拔約2 480 m處匯入雅礱江。

表1 茨馬絨溝各主要支溝基本特征統(tǒng)計表Table 1 Basic characteristics of the main gullies of Cimaong Valley

茨馬絨溝總體上為呈葫蘆形“V”型谷地貌，溝谷寬窄不一，溝口堆積區(qū)及溝尾物源堆積區(qū)谷寬地帶呈“U”字型或拓寬“V”字型，溝床寬一般8～50 m；流通區(qū)和各支溝地段多呈“V”字形，溝床寬一般8～20 m，縱坡較陡，水流湍急，流量動態(tài)變化較大，具陡漲陡落的山溪溝谷特征。流域水系見圖1。

圖1 茨馬絨溝流域水系圖Fig.1 Water system of Cimaong Valley

2.4 溝谷地質(zhì)條件

溝內(nèi)出露的基巖及第四系松散堆積物主要有：

根據(jù)GB 50010—2011《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》的規(guī)定，HRB400、HRB500級鋼筋的延性、抗疲勞性能、錨固性能、可焊性、冷彎性能、熱穩(wěn)定性等主要技術(shù)指標(biāo)與HRB335級鋼筋接近。因此，對于由裂縫控制的混凝土結(jié)構(gòu)，采用HRB400級及HRB400級以上的高強鋼筋并不能達到有效減少鋼筋用量或減小斷面厚度的目的。目前，國內(nèi)鐵路、市政、交通、水利、民用建筑等工程項目，由于現(xiàn)行規(guī)范的要求和最小配筋率的規(guī)定，主要采用裂縫寬度要求來控制配筋。因此，在進行這些工程的結(jié)構(gòu)設(shè)計時，基本上采用HRB235和HRB335級鋼筋，較少使用高強鋼筋。

2.4.1 基巖

溝底高程2 900 m以下為兩河口組，同時在溝的右岸高位出露二長花崗巖，與牙根二級壩址區(qū)為同一巖株，砂板巖與二長花崗巖呈侵入接觸；溝底高程2 900 m以上為新都橋組砂板巖三段（T3xd3）地層，巖性為灰色－深灰色變質(zhì)砂巖與灰色砂質(zhì)絹云板巖、碳質(zhì)絹云板巖。地層產(chǎn)狀 N30°～45°W／NE∠70°，且主要發(fā)育N30°E／SE∠50°、近SN／E∠55°的兩組裂隙。溝谷內(nèi)斷層較不發(fā)育，未見大的區(qū)域性斷裂及活動斷裂，以小斷層及層內(nèi)擠壓帶發(fā)育為主。該溝最大的斷層為茨馬絨斷層，主要發(fā)育于近溝口右岸，對主溝岸坡影響不大。

2.4.2 第四系堆積物

第四系堆積物分布于溝谷中，主要有崩坡積堆積（Qcol＋dl）、坡殘積堆積（Qdl＋el）、泥石流堆積（Qsef）、沖洪積堆積（Qpl＋al）。溝內(nèi)小規(guī)模分散式垮塌較為普遍，可見數(shù)十處崩坡積體；整個溝床堆積物均見分布，主要為孤塊碎塊石土，結(jié)構(gòu)松散，孤塊石有一定磨圓度，粒徑一般30～100 cm，最大可達2 m；坡殘積物主要分布于兩側(cè)植被茂盛的斜坡以及坡腳地帶，主要為粘性土夾碎塊石，結(jié)構(gòu)較松散，碎塊石分選性較差，磨圓度差；冰水堆積物主要分布于距溝口0.9～3 k m區(qū)域，主要由碎塊石土或粘性土夾碎塊石組成，結(jié)構(gòu)較松散，碎塊石總體上分選性和磨圓度較差。

據(jù)現(xiàn)場調(diào)查與溝谷特征分析，茨馬絨總體呈葫蘆形，泥石流形成區(qū)、流通區(qū)和堆積區(qū)分區(qū)特征明顯，同時流通區(qū)和堆積區(qū)可互為重疊互為轉(zhuǎn)換。溝谷局部卡口，束放相間，部分溝床堆積物磨圓度較好，有分段搬運現(xiàn)象。

2.4.3 泥石流物源特征

茨馬絨溝泥石流的物源類型主要分為崩滑堆積物源、坡面侵蝕物源、溝床堆積物源及支溝物源。崩滑堆積物源主要分布于主溝和支溝溝岸及溝源部位，分布較為廣泛，主要為破碎巖體解體崩落至溝道形成。坡面侵蝕物源為坡表殘坡積物及裸露的風(fēng)化強烈的破碎巖體，在強降雨條件下，雨水沖刷坡表，攜帶細粒物質(zhì)進入溝道形成泥石流物源，溝域內(nèi)坡面侵蝕物源沿溝兩側(cè)連續(xù)發(fā)育，物源總量較大，但溝域植被繁茂，區(qū)內(nèi)水土流失輕微，可提供泥石流活動的坡面物源動儲量較少。溝床堆積物源連續(xù)分布整個溝道內(nèi)。支溝物源則分布在支溝出口與主溝交匯處，在泥石流發(fā)生時，流體通過下蝕作用將部分溝床堆積物及坡面堆積物卷入泥石流體，構(gòu)成該溝發(fā)生泥石流的潛在物源。

通過本次踏勘，對物源類型及分布進行了詳細的調(diào)查，并對物源量的統(tǒng)計表明流域內(nèi)碎屑物源總量約1 265.7×104m3，動儲量約88.29×104m3（表2）。

表2 茨馬絨溝泥石流物源方量統(tǒng)計Table 2 Source quantities of debris flows in Cimarong Valley

3 茨馬絨泥石流溝的運動與堆積特征

3.1 泥石流流速計算及運動特征

泥石流流速是決定泥石流動力學(xué)性質(zhì)最重要的參數(shù)之一，也是泥石流防治工程設(shè)計不可缺少的計算依據(jù)。通過現(xiàn)場勘查，茨馬絨溝泥石流松散堆積體中土體主要以碎塊石土為主，結(jié)合泥石流物源特征及漿體性質(zhì)，泥石流以稀性為主，流速采用鐵二院稀性泥石流計算公式：

式中，Vc為泥石流流速（m／s）；γH為泥石流固體物質(zhì)重度（t／m3）；φ＝（γC－1）／（γH－γC），為泥石流泥沙修正系數(shù)；γC為泥石流容重（t／m3）；n為泥石流溝床糙率系數(shù)；Hc為平均泥深（m）；Ic為泥位縱坡率，以溝道縱坡率代替。

因此，影響泥石流流速的因素較多，除泥石流或固體物質(zhì)的自身重度的內(nèi)因外，其外部主要影響因素為溝床糙率系數(shù)、溝道縱坡率、泥石流的平均泥深，最終泥石流的流速為上述各因素的綜合結(jié)果，并表現(xiàn)出不同地質(zhì)條件的泥石流溝有著不同的泥石流運動方式。

茨馬絨溝總體上為呈葫蘆形“V”型谷地貌，溝谷寬窄不一，溝道縱坡率變化大，陡緩相間，而溝床糙率總體變化不大。因此溝床內(nèi)泥石流流速快慢相互轉(zhuǎn)化，該溝流速變化大的關(guān)鍵控制因素為溝道縱坡率的變化程度，即在陡坡段具有加速的特征并可進一步攜帶溝床松散堆積物，隨著松散堆積物的加入，泥深加大，對泥石流流速的加速也有一定的促進作用。而流入緩坡度溝床時，流速急劇變小，在流通區(qū)內(nèi)形成局部的堆積區(qū)。

綜上所述，茨馬絨變坡度泥石流溝流速受溝床坡度控制明顯，速度快慢交替，呈現(xiàn)出流通區(qū)與堆積區(qū)在時空上相互轉(zhuǎn)化，形成了在流通區(qū)內(nèi)形成多個次級的堆積區(qū)的特點，與一般等坡度泥石流溝可以明顯劃分出形成區(qū)、流通區(qū)及堆積區(qū)的等3個地質(zhì)分區(qū)有著顯著的差別。

3.2 泥石流的堆積特征

稀性泥石流宏觀構(gòu)造一般有石線構(gòu)造、正粒級層、礫石支撐－疊置構(gòu)造、表泥層、板狀砂礫交錯層等構(gòu)造。在茨馬絨變坡度泥石流溝中的較大規(guī)范的堆積物中，均能發(fā)現(xiàn)上述一種或一種以上的堆積構(gòu)造，本文在此不予討論，而著重注意了其堆積物的堆積部位的分布特點。

茨馬絨泥石流溝主要有兩處寬緩的平臺，一處位于主溝與R3支溝交匯處（圖2），平臺面積約2.5×104m2；一處位于主溝與R2支溝交匯處（圖3），平臺面積約14×104m2。此兩處平臺均位于其內(nèi)兩條大支溝大角度交匯處，溝水對沖消能，平臺坡度變緩，流速急劇降低，為茨馬絨泥石流溝碎屑物質(zhì)堆積的主要區(qū)域。

圖2 主溝與R3支溝交匯處平臺Fig.2 Platfor m at the cross of the valley and Gully R3

而該溝溝口泥石流堆積物相對較少（圖4），目前溝口堆積物總量約1×104m3，泥石堆積物主要集中中溝平臺及局部溝床內(nèi)，溝口碎屑物塊度較小，說明經(jīng)過溝內(nèi)平臺消能大部分發(fā)生堆積后，僅有小部分碎屑物被攜帶至溝口。

圖3 主溝與R2支溝交匯處平臺Fig.3 Platfor m at the cross of the valley and Gully R2

圖4 溝口形態(tài)及堆積物特征Fig.4 Exit for m and deposit features

3.3 溝口過流總量預(yù)測

茨馬絨溝溝口堆積區(qū)一次性泥石流固體沖出量主要來源于兩個部分：

（1）茨馬絨溝不考慮溝內(nèi)平臺條件下溝口一次過流總量（表3）與茨馬絨溝近中部支溝匯合處流通堆積區(qū)一次性泥石流固體沖出量（表4）之差。

（2）因茨馬絨溝近中部支溝匯合處發(fā)育一面積近14×104m2的寬緩平臺，茨馬絨溝近中部支溝匯合處流通堆積區(qū)一次性泥石流固體沖出量在此可大部分堆積，有小部分泥石流通過流通區(qū)到達溝口堆積區(qū)。根據(jù)野外調(diào)查綜合分析，對寬緩平臺固體物質(zhì)量取0.1～0.4的系數(shù)作為可能在下游溝口區(qū)發(fā)生堆積的固體物質(zhì)量，且在高頻洪水時取小值，低頻洪水時取大值。將上述兩部分累加推算在溝口發(fā)生堆積的固體物質(zhì)總量。

根據(jù)茨馬絨壩溝泥石流運動特征和動力特性，按上述的取值原則，在9種不同設(shè)計概率洪水下，可以預(yù)測各概率下一次沖出泥石流堆積的平面范圍及厚度。從表5中可見，隨著暴雨頻率的減小，溝口堆積扇堆積面積、厚度則隨之增大。以30 a一遇的概率為基準(zhǔn)，與100 a和200 a一遇的概率結(jié)果相比較，則100 a、200 a一遇的堆積面積、最大堆積厚度均比30 a一遇的相應(yīng)值分別提高了59.5%、23.9%和102%、37.2%。

表3 不考慮溝內(nèi)平臺條件下溝口一次過流總量計算表Table 3 Flow volu mes at the exit forone time without consideration of the deposits on the platfor ms

表4 近中部主溝與R2支溝交匯處泥石流一次過流總量計算表Table 4 Flow volu mes forone time at the cross of the valley and Gully R2

表5 溝口在不同設(shè)計概率下一次沖出固體物質(zhì)的堆積量預(yù)測Table 5 Solid material accumulation forecast at the exitwith different probability forone time

4 結(jié)論

本文在研究茨馬絨變坡度泥石流溝的各種地質(zhì)條件和形成條件的基礎(chǔ)上表明泥石流溝流速受溝床坡度控制明顯，速度快慢交替，呈現(xiàn)出流通區(qū)與堆積區(qū)在時空上相互轉(zhuǎn)化，形成了在流通區(qū)內(nèi)形成多個次級堆積區(qū)，從而在溝口一次沖出物堆積較少，結(jié)合這一特點針對性地提出了與之相適應(yīng)的處理措施，即充分利用距溝口約4.6～2 k m的寬緩平臺，加強該平臺區(qū)溝床的定期整治，保持溝床的多級彎曲，雨季形成大范圍的漫灘，降低泥石流流速，停留絕大部分泥石流堆積物，同時，在枯季發(fā)動溝下游村民開展溝曲的整治，增加泥石流在此平臺區(qū)內(nèi)的流通時間與流通路徑，為進一步降低泥石流流速創(chuàng)造條件，間接地保護溝下游村民生命財產(chǎn)的安全。本文提出的針對茨馬絨變坡度泥石流溝的處理措施，可以較好地為其他類似的泥石流溝工程處理設(shè)計時提供參考。

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