矮子溝泥石流影響因素及運動參數(shù)分析

賀 拿 ，陳寧生 ，朱云華 ，楊建元

(1.中國科學(xué)院水利部成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所，山地災(zāi)害與地表過程重點實驗室，四川成都610041；2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；3.浙江華東建設(shè)工程有限公司，浙江 杭州 310030)

泥石流是山區(qū)溝谷由各種自然和人為因素綜合作用的產(chǎn)物。其暴發(fā)必需具備豐富的物源、陡峻的地形和高強度集中暴雨3個條件[1]。泥石流形成機理十分復(fù)雜，多年來，國內(nèi)外學(xué)者從水力、土力和溝道條件影響等方面開展了大量的研究工作，提出了諸如粘性流啟動機理、突變機理、滲流啟動機理和振動軟化或局部軟化啟動機理[2]等。本文基于泥石流的形成條件，對矮子溝流域的地形地貌特征、地質(zhì)條件及氣象水文條件等因素進(jìn)行分析，在此基礎(chǔ)上揭示6?28矮子溝泥石流形成機理及過程，并計算相關(guān)的運動參數(shù)，為合理選擇泥石流治理方案提供依據(jù)。

1 矮子溝泥石流影響因素及形成過程分析

矮子溝地處四川省涼山彝族自治州寧南縣境內(nèi)，為金沙江左岸的一級支流。主溝長21.96 km，流域匯水面積65.55 km2，溝道平均坡度約155‰。矮子溝位于擬建白鶴灘電站上游，溝口距離壩址6.1 km。2012年6月28日早晨6點左右，矮子溝發(fā)生特大泥石流，災(zāi)害共造成17人死亡、23人失蹤。此外，“6?28”泥石流堵塞下游正在施工的排水洞，嚴(yán)重威脅下游棄渣場的安全，影響大壩的施工進(jìn)度。因此，必須采取相應(yīng)的防治措施，而對“6?28”矮子溝泥石流影響因素及形成過程的分析是方案選擇的基礎(chǔ)。

1.1 地形地貌條件

矮子溝流域由三個匯流區(qū)組成，主溝矮子溝匯流區(qū)、主溝泥羅漢溝匯流區(qū)及支溝瓜綠溝匯流區(qū)。

整個流域內(nèi)海拔最高點高程3 646 m，最低點溝口高程604m，最大相對高差3 042 m(各匯流區(qū)特征見表1)。

表1 矮子溝各匯流區(qū)特征

矮子溝各匯流區(qū)源區(qū)土體組成均有較大差異(見圖1)，而土體的組構(gòu)特征在一定程度上決定著其滲透及強度特性，泥石流源區(qū)土體中的粗顆粒及粘粒含量都會影響泥石流的啟動[3-4]。

圖1 矮子溝源區(qū)土體顆分曲線

1.2 地層巖性

矮子溝流域內(nèi)主要為奧陶系白云巖、灰?guī)r、砂巖，寒武系白云巖、砂巖，震旦系白云巖和二疊系玄武巖，且各巖層交錯出現(xiàn)。研究表明當(dāng)基巖構(gòu)造總體較均一時，表部松散物的流失是持續(xù)漸進(jìn)的；基巖為軟硬相間的巖層，或者受到線性構(gòu)造破壞，容易出現(xiàn)差異風(fēng)化，表部物質(zhì)呈脈動式剝蝕，可以為泥石流啟動提供較好的物源條件[5]。

1.3 氣象水文條件

矮子溝流域地處金沙江干熱河谷區(qū)，屬亞熱帶季風(fēng)氣候，年內(nèi)干濕季節(jié)分明。每年的11月至次年的4月為干季，干季降水量不到全年降水量的10%；每年的5—10月為雨季，雨季降水量占全年總降水量的90%以上，據(jù)統(tǒng)計降雨集中期常是泥石流暴發(fā)的高潮期。矮子溝流域進(jìn)入5月份以來持續(xù)的降雨過程使流域內(nèi)土體的含水率大幅提升甚至接近飽和，土體的強度隨含水率的增加而降低。

前期降雨量、臨界雨量又是互相聯(lián)系、互相影響的。泥石流發(fā)生前的土體含水率狀況與前期降雨量有密切的關(guān)系。前期降雨量越充分，斜坡土體含水率越接近飽和，激發(fā)滑坡、泥石流的臨界雨量也相對減少。

進(jìn)入5月份后，持續(xù)的降雨過程使矮子溝流域內(nèi)土體的含水率提高。而2012年6月21日至27日降雨量也比較豐富，且6月28日當(dāng)天的降雨量較大(見表2)，豐富的前期雨量及強大的激發(fā)雨量作用是矮子溝泥石流暴發(fā)的主要原因。

表2 矮子溝流域降雨特征表

1.4 地震活動及極端干旱氣候

研究表明，地震與泥石流災(zāi)害關(guān)系密切。1964年阿拉斯加地震與當(dāng)年大規(guī)模泥石流暴發(fā)耦合[6]；1999年臺灣集集地震影響了隨后兩年南投縣Chenyulan River流域泥石流的暴發(fā)，導(dǎo)致泥石流暴發(fā)頻率增加，激發(fā)累積降雨量降低，規(guī)模增大[7]。2008年四川汶川地震影響了當(dāng)年地震重災(zāi)區(qū)72條泥石流暴發(fā)，導(dǎo)致泥石流激發(fā)累積降雨量和小時雨強降低[8]。此外，地震活動對流域內(nèi)地貌格局的形成及不良地質(zhì)現(xiàn)象的產(chǎn)生起控制作用。近20年間，鄰近縣市波及矮子溝流域大于等于3.0級地震總次數(shù)27次，大于等于4.0級的地震共16次。在地震作用下，滑坡、崩塌體堆積物質(zhì)因為地震效應(yīng)使得堆積體結(jié)構(gòu)疏松多孔，密度降低[9]，為水分下滲提供了通道，而不同密實度的巖土體其強度及穩(wěn)定性差異很大，含水率一定的條件下，土體越疏松其抗剪強度越低[10]。

矮子溝所在的寧南縣自2009、2010、2011連續(xù)三年遭遇干旱，2012年寧南縣又遭遇了百年不遇的特大旱災(zāi)，尤其是矮子溝流域所處的金沙江干熱河谷地帶旱情十分嚴(yán)重，極端干旱氣候與泥石流災(zāi)害存在一定的關(guān)系。許多現(xiàn)象證明泥石流與干旱氣候相關(guān)性較高。中國最為嚴(yán)重的泥石流災(zāi)害區(qū)均分布于干旱河谷區(qū)[11]；2010年中國極端的泥石流災(zāi)害點都發(fā)生在2008年地震區(qū)和2009—2010年的干旱區(qū)；意大利北部Lake Lago di Braies及其流域4500年來的沉積資料顯示，泥石流發(fā)育與季節(jié)性的極端氣候交替變化相關(guān)。

在持續(xù)的干旱條件下，經(jīng)歷多次地震的影響，土體的結(jié)構(gòu)遭到破壞，強度極大的降低，進(jìn)入5月份后持續(xù)的降雨過程及6月28日當(dāng)天的強降雨激發(fā)作用，導(dǎo)致矮子溝發(fā)生特大泥石流災(zāi)害。

1.5 矮子溝泥石流形成過程

綜合以上分析，“6?28”矮子溝泥石流是在極端干旱氣候及地震控制下，受豐富的前期降雨的影響，由6月28日當(dāng)天的強降雨激發(fā)作用而發(fā)生。其形成過程為:極端干旱及地震影響→土體疏松→持續(xù)降雨作用→土體飽和強度降低→坡面及小支溝先發(fā)生泥石流→泥石流攜帶的固體物質(zhì)堵塞主溝泄洪通道→強降雨作用形成巨大山洪→堵塞體瞬間潰決、溝床物質(zhì)啟動→沿途松散物質(zhì)補給→“6?28”矮子溝特大泥石流。

2 泥石流運動特征

泥石流流速、流量及泥石流總量等參數(shù)是泥石流工程防治的基礎(chǔ)，但目前還沒有比較成熟的計算方法，在泥石流防治工程設(shè)計中一般采用經(jīng)驗公式進(jìn)行計算。

2.1 泥石流流速計算

泥石流流速是泥石流運動力學(xué)研究的核心內(nèi)容之一，也是泥石流防治工程設(shè)計的核心參數(shù)之一，泥石流流速是計算泥石流流量的基礎(chǔ)，是分析泥石流沖淤變化的基本參數(shù)，也是泥石流學(xué)科研究的焦點之一。

經(jīng)現(xiàn)場勘查及調(diào)訪，對泥石流原狀樣配置樣品，請目擊者確認(rèn)對比，計算主溝泥石流的密度為1.77 g/cm3。用馬爾文激光粒度儀測出“6?28”矮子溝泥石流原狀樣的粘粒含量(見表3)，根據(jù)基于粘土顆粒含量的泥石流密度計算公式[12](1)，計算出的泥石流密度見表3。

由于在取樣過程中剔除了大石塊，計算的結(jié)果偏小，綜合考慮確定泥石流的密度為1.80 g/cm3。一般以密度指標(biāo)將泥石流分為稀性泥石流(密度1.30 g/cm3～1.80 g/cm3)和粘性泥石流(1.80 g/cm3～2.30 g/cm3)，因此確定此次泥石流為粘性泥石流。

表3 泥石流原狀樣粘粒含量表

由于矮子溝與云南東川蔣家溝地理位置比較接近，氣候特征也較為相似，因此選用云南東川蔣家溝粘性泥石流計算公式(2)，計算矮子溝泥石流流速。

根據(jù)實地勘查獲取五個典型斷面(斷面具體位置見表4)，由流域內(nèi)居民協(xié)助確認(rèn)各斷面的泥深，測量各斷面的底床坡度，根據(jù)溝底固體物質(zhì)情況查泥石流糙率系數(shù)表，得到各斷面的糙率系數(shù)，計算得到各斷面的泥石流流速見表4。

表4 矮子溝泥石流流速計算結(jié)果

通過表4可見矮子溝泥石流流速從上游到下游逐漸增加，在溝口處流速最大為7.54 m/s。

2.2 泥石流流量計算

2.2.1 基于洪峰流量的泥石流流量計算

泥石流流量計算對泥石流防治工程的規(guī)劃設(shè)計和災(zāi)害評估都是很重要的問題[13]。泥石流爆發(fā)突然，活動時間短，并且各溝條件差異很大，產(chǎn)、匯流過程復(fù)雜，流量直接測量較為困難。本文將配方法和形態(tài)調(diào)查法相結(jié)合，對“6?28”矮子溝泥石流流量進(jìn)行計算。配方法是在清水流量的基礎(chǔ)上進(jìn)行配方，清水流量用推理公式法計算，見公式(3)。

式中 :ψ=f(μ，τn)；τn=f(m ，s，J ，L)；Q為最大流量(m3/s)；ψ為洪峰徑流系數(shù)；s為暴雨雨力(mm/h)；n為暴雨指數(shù)；F為流域面積(km2)；L為溝道長度(km)；τ為流域匯流時間(h)；μ為入滲強度；m為匯流參數(shù)，公式中參數(shù) ψ，τ均為函數(shù)關(guān)系，《四川省中小流域暴雨洪水計算手冊》中提供試算法確定。根據(jù)公式及相關(guān)參數(shù)計算的清水流量見表5。

表5 矮子溝清水流量計算表

依照中華人民共和國國土資源部的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《泥石流災(zāi)害防治工程勘查規(guī)范》[14]，泥石流流量的雨洪計算法的公式為:

表6 矮子溝泥石流流量計算表

2.2.2 形態(tài)調(diào)查法計算泥石流流量

根據(jù)泥石流的泥痕確定泥石流的最高泥位，恢復(fù)泥石流運動的過流斷面，計算過流斷面面積，依據(jù)公式(5)計算泥石流流量:

式中:Asc為斷面的過流面積(m2)；Vc為斷面的流速(m/s)。

表7 形態(tài)調(diào)查法計算的泥石流流量

通過計算發(fā)現(xiàn)，配方法和形態(tài)調(diào)查法計算的結(jié)果較為接近，此次泥石流流量分別為971.36 m3/s和925.91m3/s，考慮到測量的誤差，取其平均值作為此次泥石流的流量，即948.63 m3/s。

2.3 一次泥石流總量計算

一次泥石流總量決定泥石流防治工程的規(guī)模，是十分重要的泥石流運動參數(shù)，但目前還沒有規(guī)范的方法計算一次泥石流的總量，尤其是矮子溝泥石流缺少堆積扇，其泥石流總量的計算更加困難。為此參照《中國泥石流》[15]采用概化的方法進(jìn)行粗略的計算。參照《中國泥石流》，按泥石流暴漲暴落的特點，根據(jù)泥石流的歷時T和最大流量Qc，通過各斷面的一次泥石流總量Wc由式(6)計算:

經(jīng)過對流域內(nèi)居民的調(diào)訪，“6?28”矮子溝泥石流持續(xù)時間約40 min，將 Qc=948.63 m3/s及 T=2 400 s帶入公式(6)，此次泥石流總量為60.08萬m3。

3 結(jié) 論

“6?28”矮子溝泥石流成因復(fù)雜，影響因素較多。陡峭的地形條件是泥石流形成的基礎(chǔ)，巨大的高差為泥石流的運動提供了能量條件，極端干旱氣候及地震活動的影響、季節(jié)性的干濕循環(huán)、持續(xù)的降雨過程及強降雨的激發(fā)作用是“6?28”矮子溝泥石流形成的主要原因。

為了確保下游排水洞及棄渣場的安全必須采取相應(yīng)的泥石流治理措施?！??28”矮子溝泥石流運動參數(shù)的合理計算是防治工程設(shè)計的基礎(chǔ)，“6?28”矮子溝運動參數(shù)是在現(xiàn)場勘查的基礎(chǔ)上，結(jié)合對流域內(nèi)居民的調(diào)訪，并查閱相關(guān)的氣象資料計算得到的，能夠較為真實的反映此次矮子溝泥石流的運動特征，也為接下來防治工程的設(shè)計奠定了基礎(chǔ)。

[1]Iverson R M，ReidM E，Lahusen R R G，et al.Debris-flow mobilization from landslides[J].Annual Review of Earth and Planetary Sciences，1997 ，25:85-138.

[2]陳曉清.滑坡轉(zhuǎn)化泥石流啟動機理試驗研究[D].成都:西南交通大學(xué)，2006.

[3]魏厚振，汪 稔，胡明鑒，等.蔣家溝礫石土不同粗粒含量直剪強度特征[J].巖土力學(xué)，2008，29(1):48-51，57.

[4]楊成林，陳寧生，鄧明楓，等.黏粒含量對泥石流源區(qū)礫石土體強度影響的實驗研究[J].成都理工大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2011，38(5):522-528.

[5]吳光明.泥石流物源區(qū)基巖巖性特征探討[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2008，(5):110-112.

[6]Ryan H F，Legg M R，Conrad J，et al.Recent faulting in the Gulf of Santa Catalina:San Diego to Dana Point[J].Geological Society of America Special Paper，2009，454:291-315.

[7]Lin C W，Shieh C L，Yuan B D，et al.Impact of Chi-Chi earthquake on the occurrence of landslides and debris flows:example from the Chenyulan River watershed，Nantou，Taiwan[J].Engineering Geology，2004，71(1-2):49-61.

[8]Tang C，Zhu J，Li W L，et al.Rainfall-triggered debris flowsfollowing the Wenchuan earthquake[J].Bulletin of Engineering Geology and the Environment，2009，68(2):187-194.

[9]屈永平，唐 川，王金亮，等.強震區(qū)泥石流啟動機制[J].山地學(xué)報，2012，30(3):336-341.

[10]宋繼宏，胡明鑒，付克儉，等.宜巴高速巖堆不同密實度大型直剪強度特性[J].工程地質(zhì)學(xué)報，2012，20(5):687-692.

[11]Chen N S，Yang C L，Zhou W，et al.The critical rainfall characteristics for torrents and debris flows in the Wenchuan earthquake stricken area[J].Journal of Mountain Science，2009，6(4):362-372.

[12]陳寧生，崔 鵬，劉中港，等.基于黏土顆粒含量的泥石流容重計算[J].中國科學(xué) E輯技術(shù)科學(xué)，2003，33(增刊):164-174.

[13]胡明鑒，汪 稔，張平倉.蔣家溝流域松散礫石土斜坡滑坡頻發(fā)原因與試驗?zāi)M[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2002，21(12):1831-1834.

[14]韋方強，胡凱衡.泥石流流速研究現(xiàn)狀與發(fā)展方向[J].山地學(xué)報，2009，27(5):545-550.

[15]陳寧生，楊成林，周 偉，等.泥石流勘查技術(shù)[M].北京:科學(xué)出版社，2011.