雅江縣相格宗溝泥石流成因及運(yùn)動(dòng)特征研究

李 毅，李任華，伍小林

(中國水電顧問集團(tuán)成都勘測設(shè)計(jì)研究院交通分院，四川成都 610072)

1 前 言

相格宗溝為雅礱江右岸一級(jí)支流，溝口距四川甘孜州雅江縣縣城上游約200～400m。該溝流域面積 157km2，主溝長度 20.261km，左側(cè)支溝長17.106km，流域內(nèi)最高點(diǎn)海拔4 706m，溝口海拔2 556m，相對(duì)高差2 150m，溝床平均比降106‰。該溝為中、低頻溝谷型稀性泥石流溝，近年來多次爆發(fā)泥石流，威脅G318國道、溝道兩側(cè)民用建筑及人民財(cái)產(chǎn)的安全。

2 相格宗溝泥石流形成條件

泥石流的形成受區(qū)域自然環(huán)境條件的制約和影響，根據(jù)對(duì)泥石流研究結(jié)果，泥石流形成的基本條件可歸納為:(1)充沛的各類水源，足夠大的降雨強(qiáng)度;(2)豐富、松散且容易失穩(wěn)入溝的固體物質(zhì);(3)有利于形成陣發(fā)性尖型洪峰的流域地形、地貌形態(tài)等。根據(jù)泥石流形成的基本條件，對(duì)比相格宗溝的地形、水源和物源情況，分析相格宗溝的基本特征及泥石流運(yùn)動(dòng)特征，進(jìn)而預(yù)測泥石流的發(fā)展趨勢(shì)及影響范圍，為相格宗溝泥石流的防治提供依據(jù)。

2.1 地形地貌條件

相格宗溝在平面圖上呈不規(guī)則卵形，分水嶺高程約3 500～4 700m，流域最寬處寬約13km，四周被高山及山嶺所環(huán)繞，溝谷兩岸沖溝發(fā)育。左側(cè)支溝發(fā)育13條沖溝，呈樹枝狀分布;主溝即右側(cè)支溝發(fā)育10條沖溝，左側(cè)支溝與主溝以山嶺為界。

相格宗溝總體流向由西至東，呈構(gòu)造侵蝕深切割曲流峽谷地貌。溝谷兩岸山體雄厚，溝谷峽窄、谷坡陡峻，沿河嶺谷高差懸殊，相對(duì)高差600～1 500 m，屬典型的侵蝕峽谷地貌。在坡度相對(duì)較緩的斜坡、坡腳廣泛分布滑坡堆積、崩坡積、坡殘積或沖洪積堆積物。陡峻的地形條件為泥石流的形成提供了有利條件。

2.2 物源條件

相格宗溝流域位處松潘－甘孜造山帶，在大地構(gòu)造部位上，流域位于“雅江－理塘”菱形斷塊內(nèi)部偏南弧頂向南的雅江弧形褶皺構(gòu)造帶。流域受構(gòu)造影響較強(qiáng)烈，主要發(fā)育小斷層、擠壓破碎帶、褶皺(向斜及背斜)等。

在流域出露的基巖巖性為三疊系雅江組中段中厚層狀巖屑石英砂巖夾薄層狀鈣質(zhì)粉砂質(zhì)板巖，巖體軟硬相間，以中厚層狀、薄層狀、碎裂狀結(jié)構(gòu)為主。巖體表層風(fēng)化卸荷較強(qiáng)烈，強(qiáng)卸荷深度約30～50m，弱卸荷深度約80～120m。斜坡表層巖體較破碎，規(guī)模不等的滑坡、溜滑、崩塌和坍塌等不良地質(zhì)現(xiàn)象極為發(fā)育，堆積在溝床及兩側(cè)斜坡的各類碎屑物質(zhì)成為區(qū)內(nèi)山洪和泥石流的直接或潛在固體物源。

據(jù)調(diào)查，相格宗溝及其沖溝內(nèi)松散碎屑物質(zhì)較豐富，其中溝內(nèi)碎屑物質(zhì)約50×104m3，溝床兩岸穩(wěn)定物源約500×104m3，溝床兩岸基本穩(wěn)定物源約200×104m3，溝床兩岸欠穩(wěn)定物源約150×104m3。豐富的物源為泥石流的形成提供了有利條件。

溝中碎屑物是指現(xiàn)在溝床內(nèi)的泥石流、沖洪積堆積物，在爆發(fā)大型泥石流時(shí)，部分物質(zhì)會(huì)成為泥石流直接物源。溝床兩岸穩(wěn)定物源主要是指膠結(jié)程度較好的古泥石流堆積體及緩坡地段的坡殘積體，在自然條件下坡體保持穩(wěn)定和在暴雨情況下基本穩(wěn)定。溝床兩岸基本穩(wěn)定物源主要是指崩塌堆積體、泥石流堆積體，地形坡度較大的崩坡積、坡殘積堆積體，在常年雨水沖刷的情況下能基本保持穩(wěn)定，但在長時(shí)間的特大暴雨條件下，因飽水、軟化、滑移進(jìn)入溝內(nèi)或因洪水側(cè)蝕帶入溝內(nèi)形成泥石流物源。溝床兩岸欠穩(wěn)定物源主要是指滑坡堆積體及在常年雨水作用下坡體處于蠕滑階段，離溝床較近，是泥石流的主要物源。

2.3 水源條件

雅礱江流域洪水主要由暴雨形成，一般出現(xiàn)在6～9月，主要集中在7、8兩月，且多連續(xù)降雨。雅礱江較大洪水多為兩次以上的連續(xù)降雨形成。汛期內(nèi)連綿不斷的降雨使河流底水逐漸抬高，如發(fā)生1～3日較為集中的大面積暴雨，即可形成較大洪水。洪水過程多呈雙峰或多峰型，一般單峰過程6～10d，雙峰過程12～17d。洪水起漲時(shí)底水流量較大，一般可占洪峰流量的1/2～1/3左右。由于流域大部分地區(qū)雨強(qiáng)不大，加之流域形狀呈狹長帶狀，不利于洪水匯集，故洪水一般具有洪峰相對(duì)不高、洪量大、歷時(shí)長的特點(diǎn)。這些為山洪和泥石流的激發(fā)創(chuàng)造了有利條件。

根據(jù)流域內(nèi)地下水的賦存條件，地下水可分為第四系松散堆積層孔隙水和基巖裂隙水兩種類型。第四系松散堆積層孔隙水主要分布在河谷、岸坡沖積物、崩坡積物、泥石流堆積物、滑坡堆積物等各種成因的第四紀(jì)松散堆積體內(nèi)，受大氣降水、河水及兩岸地下水補(bǔ)給，流域內(nèi)地下水較豐富。流域內(nèi)的地下水特征、大氣降水量等特點(diǎn)為山洪和泥石流的形成創(chuàng)造了有利條件。

2.4 人類活動(dòng)

隨著我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)的穩(wěn)定快速增長，山區(qū)的經(jīng)濟(jì)與工程活動(dòng)日益增多，活動(dòng)強(qiáng)度也逐漸加大，在缺乏全面規(guī)劃和有效統(tǒng)籌管理的情況下，過度向山區(qū)索取各種資源，如木材、土地等，使得森林生態(tài)系統(tǒng)受到較大的干擾破壞，森林涵養(yǎng)水源的功能有所減弱，土壤生態(tài)受到嚴(yán)重干擾，影響了大自然的生態(tài)平衡，加劇了山洪和泥石流的形成。

本區(qū)所在地甘孜州為四川省貧困地區(qū)，同時(shí)也為少數(shù)民族聚居地，數(shù)十年來森林工業(yè)一直是其財(cái)政收入的主要來源。實(shí)施“天保工程”之前，本區(qū)內(nèi)森林遭受過度采伐，水土流失比較嚴(yán)重。與此同時(shí)，毀林開荒、開山挖石、溝道兩側(cè)修建G318國道、縣鄉(xiāng)道路及民用建筑，加劇了滑坡、崩塌等不良地質(zhì)現(xiàn)象的發(fā)生，為山洪和泥石流的形成創(chuàng)造了有利條件。

3 泥石流溝的基本特征

3.1 泥石流溝谷特征

據(jù)計(jì)算，相格宗溝流域完整性系數(shù)較低，表明溝谷的侵蝕作用較強(qiáng)烈。溝內(nèi)沖溝及毛溝較多，各沖溝以土質(zhì)溝床為主，局部為巖質(zhì)溝床。據(jù)調(diào)查，相格宗溝在歷史上曾爆發(fā)過多次較大規(guī)模的泥石流，近年來爆發(fā)過多次中小規(guī)模稀性泥石流及水石流。

相格宗溝溝長約20.261km，總體平均坡降106‰，溝道總體較曲折，溝谷較窄，溝道寬窄變化與陡緩變化相對(duì)應(yīng)，溝道流域內(nèi)松散堆積物較豐富。溝道兩側(cè)斜坡局部分布古泥石流堆積物殘?bào)w，泥結(jié)塊碎石，弱膠結(jié)，層厚3～5m，結(jié)構(gòu)密實(shí)，塊碎石成分為石英砂巖及粉砂質(zhì)板巖。溝道兩側(cè)斜坡坡度約25°～40°，局部陡坡段坡度約 40°～50°。溝道縱坡整體上表現(xiàn)為上游段陡峻、中游段居中、下游段稍緩。內(nèi)溝道兩側(cè)及緩坡地段分布較多灌木及喬木。

3.2 泥石流形成區(qū)物源特征

相格宗溝形成區(qū)和流通區(qū)的界限不明顯，泥石流為溝谷型泥石流，即形成區(qū)的物源不集中，流通區(qū)既有物源補(bǔ)充又有物源堆積。根據(jù)調(diào)查，相格宗溝泥石流固體物源沿溝都有分布，其中直接物源主要分布于高程2 500～3 700m范圍內(nèi)，類型主要為溝床洪積物、兩岸崩塌堆積物;其余物源分布在3 700～4 700m高程段。

溝谷兩側(cè)的斜坡堆積體上雖然植被較發(fā)育，但由于臨空面坡度較大，暴雨時(shí)飽水和在溝床急流的淘蝕作用下，容易產(chǎn)生坍滑型失穩(wěn)，大部分堆積體處于不穩(wěn)定或潛在不穩(wěn)定狀態(tài)。

3.3 泥石流流通區(qū)特征

如前所述，相格宗溝泥石流流通區(qū)與形成區(qū)的界限不明顯，大致以左側(cè)支溝與主溝的匯合口為界。該段溝谷地形差異不大，根據(jù)溝谷地形的微小差異、溝谷形態(tài)和是否有古泥石流堆積物等判斷，流通區(qū)長約1 900m，高程從2 600m到2 700m附近。在相格宗溝下部，溝道較順直通暢，溝床有厚約3～7m的沖洪積、泥石流堆積的塊碎石，溝床兩側(cè)局部分布崩坡積、淺表層溜滑堆積體，斜坡緩坡地段局部分布古泥石流堆積物殘?bào)w。左、右兩岸斜坡陡峻，局部基巖裸露，巖壁上有古泥石流活動(dòng)痕跡。

3.4 泥石流堆積區(qū)特征

泥石流堆積區(qū)呈扇形，為洪積泥石流堆積扇，海拔2 556～2 600m，堆積扇前緣長約370m，等效扇半徑長約340m，面積約56 700m2，堆積扇厚約7～12m。堆積物雜亂無章，顆?？傮w特征以砂粒、塊碎(卵礫)石為主，砂粒含量約30% ～40%。

相格宗溝泥石流具多期多次形成的特點(diǎn)，后期經(jīng)雅礱江及相格宗溝流水改造，僅見局部殘留，溝口堆積區(qū)上覆近期洪積堆積物。泥石流規(guī)模有逐次減小的趨勢(shì)，泥石流堆積體厚度逐次減小。從堆積體的規(guī)模演化分析，泥石流溝處于衰退階段。

4 泥石流運(yùn)動(dòng)特征

4.1 泥石流容重

泥石流容重采用經(jīng)驗(yàn)法公式(1)確定:

算得泥石流重度為16kN/m3，屬稀性泥石流。

4.2 泥石流流速

泥石流流速采用《工程地質(zhì)手冊(cè)》稀性泥石流流速公式計(jì)算:對(duì)rm，200年一遇泥石流重度取19kN/m3，100年一遇泥石流重度取18kN/m3，50年一遇泥石流重度取17kN/m3，20年一遇泥石流重度取16kN/m3，10年一遇泥石流重度取15kN/m3。

計(jì)算得200年一遇泥石流斷面平均流速為2.55m/s;100年一遇泥石流斷面平均流速為2.45 m/s;50年一遇泥石流斷面平均流速為2.35m/s;20年一遇泥石流斷面平均流速為2.2m/s;10年一遇泥石流斷面平均流速為1.9m/s。

4.3 洪水峰值流量

采用《四川省中小流域暴雨洪水計(jì)算手冊(cè)》中的推理公式計(jì)算:

經(jīng)計(jì)算，相格宗溝200年一遇設(shè)計(jì)洪峰流量為277m3/s;100年一遇設(shè)計(jì)洪峰流量為245m3/s;50年一遇設(shè)計(jì)洪峰流量為215m3/s;20年一遇設(shè)計(jì)洪峰流量為173m3/s;10年一遇設(shè)計(jì)洪峰流量為141m3/s。

4.4 設(shè)計(jì)泥石流峰值流量

對(duì)于暴雨泥石流，常采用配方法計(jì)算泥石流的峰值流量。即假定泥石流發(fā)生頻率與暴雨洪水發(fā)生頻率相同，以設(shè)計(jì)洪峰流量進(jìn)行配方，按比例加上泥石流所挾帶的固體物質(zhì)體積來計(jì)算泥石流流量，其計(jì)算公式為:

相格宗溝溝床植被較少，溝床糙率相對(duì)較低，對(duì)泥石流的堵塞作用較小，200年一遇泥石流堵塞系數(shù)可取1.6，100年一遇泥石流堵塞系數(shù)可取1.5，50年一遇泥石流堵塞系數(shù)可取1.35，20年一遇泥石流堵塞系數(shù)可取1.25，10年一遇泥石流堵塞系數(shù)可取1.15。

200年一遇設(shè)計(jì)泥石流洪峰流量為1 013m3/s;100年一遇設(shè)計(jì)泥石流洪峰流量為735m3/s;50年一遇設(shè)計(jì)泥石流洪峰流量為516m3/s;20年一遇設(shè)計(jì)泥石流洪峰流量為346m3/s;10年一遇設(shè)計(jì)泥石流洪峰流量為235.85m3/s。

4.5 泥石流撞擊力

泥石流沖擊力計(jì)算包括整體沖擊力和單塊最大沖擊力計(jì)算。泥石流整體沖擊力F為:

單塊塊石的最大撞擊力Fs按下式計(jì)算:

沖擊力計(jì)算均考慮成最危險(xiǎn)情況，即有關(guān)參數(shù)取為使沖擊力最大的數(shù)值，并只考慮正面撞擊。

200年一遇泥石流整體沖擊力為185.32kN/m2;100年一遇泥石流單塊沖擊力為162.07kN/m2;50年一遇泥石流單塊沖擊力為140.82kN/m2;20年一遇泥石流單塊沖擊力為116.16kN/m2;10年一遇泥石流單塊沖擊力為81.23kN/m2。

200年一遇單塊最大沖擊力為216.67kN;100年一遇泥石流單塊沖擊力為197.22kN;50年一遇泥石流單塊沖擊力為178.66kN;20年一遇泥石流單塊沖擊力為157.42kN;10年一遇泥石流單塊沖擊力為127.46kN。

4.6 泥石流總量及輸砂量

通過斷面的一次泥石流總量WC為:

一次泥石流沖出的固體物質(zhì)總量WS為:

當(dāng)F＜5km2，K=0.202(調(diào)整系數(shù));當(dāng) F＜5～10km2，K=0.113;當(dāng) F ＜10 ～100km2，K=0.037 8;當(dāng)F＞100km2，K＜0.025 2。此處流域面積 F為157Km2，根據(jù)線性插值，K=0.0252。

200年一遇泥石流總量為45 951m3;100年一遇泥石流總量為20 004m3;50年一遇泥石流總量為10 923m3;20年一遇泥石流總量為3 662m3;10年一遇泥石流總量為1 783m3。

200年一遇固體物質(zhì)總量為25 847m3;100年一遇固體物質(zhì)總量為10 002m3;50年一遇固體物質(zhì)總量為4 779m3;20年一遇固體物質(zhì)總量為1 373 m3;10年一遇固體物質(zhì)總量為557m3。

5 泥石流發(fā)展趨勢(shì)及影響范圍預(yù)測

5.1 泥石流溝發(fā)展趨勢(shì)

相格宗溝為溝谷型衰退期中低頻率稀性泥石流溝。在天然條件下，因相格宗溝溝谷侵蝕較為強(qiáng)烈，局部基巖裸露且風(fēng)化嚴(yán)重，兩岸分布崩塌松散堆積體及松散坡積物。

當(dāng)連綿降雨時(shí)，溝道中及兩岸斜坡堆積體極易飽水失穩(wěn)，同時(shí)強(qiáng)風(fēng)化－中風(fēng)化石英砂巖及粉砂質(zhì)板巖易剝落，且兩側(cè)山坡松散坡積物即碎石土與巖屑被雨水沖入溝道中，從而產(chǎn)生新的物源進(jìn)入溝道，一旦發(fā)生短時(shí)強(qiáng)降雨引發(fā)洪水，即可能激發(fā)暴雨類山洪。如降雨時(shí)間較長或暴雨強(qiáng)度變大，暴雨山洪沖出相格宗溝溝口后其行進(jìn)會(huì)變動(dòng)改道，或者在扇面上左右搖擺，洪水中固體物質(zhì)置于前期洪積物上，到達(dá)溝口后，因堆積扇縱坡坡度減緩，山洪的挾砂能力減弱，使得泥砂大量沉積，粗顆粒先沉降，細(xì)顆粒如黏土和砂粒后沉降。

相格宗溝近年來發(fā)生過小規(guī)模稀性泥石流，從堆積體的規(guī)模演化分析，相格宗溝泥石流處于衰退期。相格宗溝兩岸山坡表層松散碎屑物質(zhì)較多，斜坡穩(wěn)定性相對(duì)較差，近期相格宗溝仍具有發(fā)生中小型泥石流的可能性。

5.2 泥石流影響范圍預(yù)測分析

相格宗溝泥石流主要物源是相格宗溝兩側(cè)松散堆積物和溝道附近松散堆積物以及溝道中殘留的早期洪積物。溝上游固體物質(zhì)物源較豐富，但大多處于基本穩(wěn)定狀態(tài)。溝下游地形坡度緩，因此固體物質(zhì)主要堆積在相格宗溝下游。當(dāng)泥石流峰值流量較大時(shí)，泥石流可能沖淤溝道附近的G318國道及縣鄉(xiāng)道路，并威脅溝道兩側(cè)民用建筑的安全。

6 泥石流防治措施

相格宗溝泥石流固體物質(zhì)主要來自于中上游坡面松散堆積物及溝道中洪積物。下游段溝道較順直，溝口附近較開闊，且溝道兩側(cè)分布G318國道及民用建筑。因此泥石流的防治以排為主，結(jié)合造林、保持生態(tài)平衡預(yù)警預(yù)報(bào)為輔的綜合治理方案。

6.1 工程防治措施

考慮到溝道兩側(cè)分布G318國道及縣鄉(xiāng)道路，工程措施以排導(dǎo)為主，建議采用T形全襯砌排導(dǎo)槽，并應(yīng)適當(dāng)增加槽底厚度。公路側(cè)修建防護(hù)墻，防止泥石流沖淤公路。

6.2 生物防治措施

在泥石流形成區(qū)海拔2500m以上的區(qū)域?qū)嵭蟹馍接?，因地制宜選用當(dāng)?shù)貎?yōu)勢(shì)林木、灌木及牧草，嚴(yán)禁濫砍濫伐，限制過度放牧。通過生物措施，因土穩(wěn)坡，防止水土流失，保持生態(tài)平衡，減少固體物質(zhì)補(bǔ)給量。

6.3 泥石流預(yù)警預(yù)報(bào)系統(tǒng)

在該流域應(yīng)建立泥石流監(jiān)測點(diǎn)，采取降雨量監(jiān)測、地表水監(jiān)測及異常聲響監(jiān)測等手段，在爆發(fā)山洪及泥石流前及時(shí)發(fā)布預(yù)警預(yù)報(bào)，確保人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全。

7 結(jié)論與建議

(1)相格宗溝位于高山曲流峽谷地區(qū)，溝谷深切，山勢(shì)陡峻，巖體較破碎，斜坡上覆松散固體物質(zhì)，且降雨較豐富，構(gòu)成了爆發(fā)泥石流的有利條件。該溝一旦爆發(fā)較大規(guī)模的泥石流，將嚴(yán)重威脅溝道兩側(cè)G318國道、縣鄉(xiāng)道及民用建筑的安全。

(2)相格宗溝為溝谷型衰退期中低頻率稀性泥石流溝，因溝谷內(nèi)分布較豐富松散碎屑物質(zhì)，斜坡穩(wěn)定性相對(duì)較差，近期相格宗溝仍具有發(fā)生中小型泥石流的可能性。

(3)相格宗溝泥石流防治措施應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況，因地制宜，采取以排為主，結(jié)合造林、預(yù)警預(yù)報(bào)等綜合治理方案。

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