四川熊家溝泥石流災(zāi)害研究

鐘 聲

（成都理工大學(xué)環(huán)境與土木工程學(xué)院，成都610059）

0 引言

熊家溝位于阿壩州茂縣石大關(guān)鄉(xiāng)，屬“5·12”特大地震的重災(zāi)區(qū)。特大地震不僅造成了一定的人員傷亡和嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)財(cái)產(chǎn)損失，同時(shí)還誘發(fā)了為數(shù)眾多的崩塌、滑坡、泥石流等次生地質(zhì)災(zāi)害。這些重大地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)險(xiǎn)情緊迫、危害巨大、危險(xiǎn)程度高，不僅嚴(yán)重危及泥石流溝口和流通區(qū)66戶約266多位居民生命、財(cái)產(chǎn)安全，同時(shí)位于溝口前方通過的213國道也將受到嚴(yán)重威脅，更嚴(yán)重影響了災(zāi)后恢復(fù)重建工作的順利開展。通過在現(xiàn)場調(diào)查的基礎(chǔ)上，分析了熊家溝泥石流的形成條件及若干特征值參數(shù)，并提出預(yù)測趨勢，這對熊家溝泥石流災(zāi)害的防治具有重要意義。

1 熊家溝泥石流形成條件分析

1.1 降水條件

熊家溝位于茂縣縣城西北約30km處，流域中下游與茂縣縣城海拔相近，并同屬岷江干旱河谷區(qū)，所以茂縣的氣象條件與熊家溝所處的區(qū)域相似。通過對茂縣多年的降雨資料統(tǒng)計(jì)分析，該區(qū)降雨主要有以下特點(diǎn)：（1）降雨適中。茂縣多年平均降水量484.1mm，年最大降雨量為560.6mm，年最小降雨量為335.5mm。（2）降雨集中。在時(shí)間上，冬春季節(jié)降水量嚴(yán)重偏少，常發(fā)生冬干連春旱，而夏秋季降水偏多，各月分配不均（如圖1、圖2），降水量集中在下半年（4月—10月）為444.4mm，占全年降水量的91.8%，而冬半年（10月—次年3月）降雨量僅39.7mm，占全年降水量的8.2%。（3）降雨地區(qū)分布不均。茂縣降雨量在地區(qū)分布上極不平衡，具有中部較少，向周邊延伸逐漸增多的特點(diǎn)，多年平均降水量等值線參見圖3所示。熊家溝流域所處的石大關(guān)鄉(xiāng)與茂縣縣城所在的鳳儀鎮(zhèn)同處在年降水量500mm的降雨適中處（如圖3所示）。

圖1 茂縣多年降雨量變化曲線圖

圖2 茂縣多年月平均降水分布圖

圖3 茂縣多年平均降水量等值線圖

雖然降雨不多，不太強(qiáng)，但根據(jù)吳積善等著《泥石流及其綜合治理》，四川大部分地區(qū)的泥石流激發(fā)雨量都是比較小的［1］，況且汶川地震后，熊家溝內(nèi)地質(zhì)條件更加不好，堆積的松散物質(zhì)又多，激發(fā)泥石流的雨強(qiáng)很小都能產(chǎn)生比較有影響的規(guī)模泥石流。所以說暴雨是該泥石流的主要引發(fā)因素。

1.2 新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)與地震

茂縣縣境及鄰區(qū)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，區(qū)內(nèi)新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)為區(qū)域性地殼急劇上升并伴隨斷裂活動(dòng)，在上升中有短暫間歇，區(qū)內(nèi)新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈。而且，區(qū)域內(nèi)地震活動(dòng)與新構(gòu)造活動(dòng)密切相關(guān)，強(qiáng)震多發(fā)生在活動(dòng)構(gòu)造帶內(nèi)（圖4）。目前有記載的大于6級，并且對本區(qū)影響較大的地震共有14次。2008年5月12日，地處龍門山斷裂帶上的汶川縣映秀鎮(zhèn)發(fā)生里氏8.0級地震，而石大關(guān)鄉(xiāng)的建筑物破壞較為嚴(yán)重。根據(jù)GB 18306—2001《中國地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》第1號(hào)修改單，調(diào)查工作區(qū)的地震動(dòng)峰值加速度由原來的0.10g提高為0.20g（圖5），地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期為0.35s（圖6），由此可知調(diào)查區(qū)地震基本烈度為Ⅷ度［2］。

圖4 茂汶M≥4.7的地震分布圖

圖5 地震動(dòng)峰值加速度區(qū)劃圖

圖6 地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期區(qū)劃圖

1.3 人類工程活動(dòng)

目前，熊家溝流域內(nèi)的人類工程活動(dòng)主要為修路。由于修路對熊家溝右側(cè)的邊坡進(jìn)行開挖，引發(fā)了邊坡的局部失穩(wěn)。同時(shí)，在開挖邊坡的過程中產(chǎn)生的大量棄渣都堆積在路邊，局部地段棄渣堆放到河道內(nèi)，并使河道變窄，這種現(xiàn)象在河道中下游比較嚴(yán)重。在開挖邊坡過程中產(chǎn)生的棄渣一方面為泥石流的爆發(fā)提供了大量物源，另一方面棄渣堵塞河道，將淤高上游水位，在水位到達(dá)一定高度時(shí)，由松散的棄渣構(gòu)成的壩體可能潰壩，將導(dǎo)致大量水體下瀉，這就將沖擊滯留在河道內(nèi)和河道兩側(cè)的松散堆積體向下游運(yùn)動(dòng)（圖7）。

圖7 熊家溝流通區(qū)內(nèi)的修路建設(shè)

1.4 地形地貌及溝道條件

熊家溝溝域形態(tài)近似倒“梨”形，支溝發(fā)育一般，并且支溝絕大部分位于清水區(qū)。溝域縱向長度8.7km，平均寬度3.7km，溝域面積32.1km2，溝域最高點(diǎn)高程4 450m，最低點(diǎn)位于熊家溝匯入岷江溝口處，高程1 726m，相對高差2 724m，溝谷平均縱坡降313‰。溝域內(nèi)山高坡陡，平均坡度在35°以上，溝谷縱坡較大，特別是主溝上游段縱坡多在491‰左右，有利于降雨的集中，從而為泥石流水源的匯流集中提供了條件。

2 熊家溝泥石流各區(qū)段沖淤特點(diǎn)

2.1 形成區(qū)（清水區(qū)）沖淤特征

由于溝段普遍松散層較薄，有的為基巖裸露，溝床抗沖刷能力較強(qiáng)。從而使熊家溝上游清水區(qū)溝床大多具有沖淤平衡的特點(diǎn)。

2.2 形成區(qū)（物源區(qū)）沖淤特征

形成區(qū)（物源區(qū)）的沖淤特征視不同溝段表現(xiàn)出不同的特點(diǎn)，另外，因降雨量及其分布的不同、溝道內(nèi)洪水（或泥石流）流量的差異，其沖淤現(xiàn)象也會(huì)出現(xiàn)一定的差異，總體上看，主溝上段沖淤特征表現(xiàn)為以沖為主的特點(diǎn)，主溝下段沖淤特征表現(xiàn)為以淤為主的特點(diǎn)。

該段中上段由于溝谷縱比降相對較大（平均138.5‰），溝床相對狹窄（一般為15～30m左右，局部地段溝道寬度僅5～10m左右）且該溝段區(qū)域性抬升劇烈，因此溝道下切較為強(qiáng)烈，溝道兩側(cè)泥石流堆積臺(tái)地常形成基座階地，局部地段可見基巖溝床，這些特點(diǎn)決定在具備較強(qiáng)的水動(dòng)力條件時(shí)，泥石流下蝕作用通常大于堆積作用，其沖淤特征表現(xiàn)為以沖為主。但在較小的洪水或泥石流條件下，局部地段也可能出現(xiàn)小規(guī)模的淤積。

該段中下段由于溝谷縱比降較緩（一般80‰～100‰），且溝床寬度較大（一般50～80m左右，局部可達(dá)120m左右），這種特征決定其泥石流沖刷能力相對較弱，沖刷深度較小，在小規(guī)模暴雨洪水或泥石流條件下，其淤積的速度大于侵蝕的速度，其沖淤特征表現(xiàn)為以淤為主的特點(diǎn)，但在發(fā)生大規(guī)模暴雨洪水或泥石流的條件下，則可能轉(zhuǎn)化為沖刷侵蝕，但其沖刷深度相對較小。

2.3 流通堆積區(qū)沖淤特征

流通堆積區(qū)分布于熊家溝溝底高程為1 880m至溝口段，該段溝道平均縱坡僅100‰左右，而溝道寬度則更大，這種條件決定該溝段沖淤特征仍為以淤為主的特點(diǎn)，但在大規(guī)模暴雨洪水或稀性泥石流作用下，其沖刷作用將加劇，據(jù)訪問調(diào)查，此次最大侵蝕深度達(dá)1m左右，平均侵蝕深度0.5m左右。

3 泥石流常規(guī)特征值的計(jì)算

3.1 泥石流流量

根據(jù)熊家溝流通溝道的研究，在熊家溝溝道處選擇有代表性的3個(gè)斷面（表1），確定泥石流的斷面面積，采用形態(tài)調(diào)查法算出路過斷面的泥石流峰值流量。

表1 斷面特征參數(shù)

形態(tài)調(diào)查法計(jì)算公式為：

式中：Qc為泥石流斷面峰值流量（m3／s）；Wc為泥石流過流斷面面積（m2）Vc為泥石流斷面平均流速（m／s）。

對主溝中下游溝段，熊家溝泥石流的重度是1.783t／m3，是處在稀性與稀性黏性泥石流二者中的流體，而前面有說到，熊家溝溝域內(nèi)的降雨量是比較大的，使得熊家溝泥石流處于稀性狀態(tài)，從而采用下面公式算泥石流斷面平均流速。

式中：Vc為泥石流流速（m／s）；Hc為多年發(fā)生的平均泥石流深度（m），一般可用平均水深來代替；φ為泥石流泥沙修正系數(shù)；Ic為泥位縱坡率，以溝道縱坡率代替；n為泥石流溝床的粗糙系數(shù)；γH為泥石流固體物質(zhì)重度（t／m3）。

在以上變量中Wc和Hc常常是以前發(fā)生過的多次泥石流溝取的相應(yīng)均值。泥沙修正系數(shù)和溝床粗糙系數(shù)常常通過實(shí)際分別由查表法和相應(yīng)的規(guī)范決定。泥石流流速和流量的計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 泥石流流速和流量的計(jì)算結(jié)果

所選擇的3個(gè)流通斷面的泥石流流量值相差不是很明顯，從而采用這幾個(gè)斷面的流量平均值來計(jì)算泥石流總量，平均流量為79.56m3／s。

3.2 單次泥石流過程總量

采用下面算法式子：

式中：Q為單次泥石流過程總量（m3）；T為泥石流歷時(shí)（s）；Qc為泥石流最大流量（m／s）。

其中，K值的變化隨流域面積（F）的大小而變化［3］，當(dāng)F＜5km2時(shí)，K ＝0.202；當(dāng)5km2＜F＜10km2時(shí)，K＝0.113；當(dāng)10km2＜F＜100km2時(shí)，K ＝0.037 8；熊家溝流域面積32.1km2，所以K＝0.037 8，通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)熊家溝在有歷史記載以來發(fā)生的最具影響力的泥石流時(shí)間是1987年，據(jù)調(diào)查訪問，這次泥石流的發(fā)生經(jīng)過了差不多1.0～1.5h，本次計(jì)算取T＝1.5h＝5 400s，采用斷面法分析成果，權(quán)衡各方面因素得到熊家溝泥石流最大流量Qc＝126.35m3／s，按以上式子得到熊家溝單次泥石流過程總量為Q＝2.58×104m3，見表3。

表3 單次泥石流過程總量參數(shù)及結(jié)果一覽表

4 熊家溝泥石流發(fā)生頻率和發(fā)展階段預(yù)測

根據(jù)對熊家溝泥石流災(zāi)害史的調(diào)查，熊家溝泥石流以往屬低頻泥石流，從近期泥石流災(zāi)害史看，自20世紀(jì)50年代中期發(fā)生泥石流到1987年發(fā)生的泥石流，其時(shí)間間隔為22a。然而不好的結(jié)果是汶川地震過后，許多的固體物質(zhì)可能會(huì)參與泥石流的發(fā)生，據(jù)公式算，得其體積量達(dá)3.078×105m3，相當(dāng)于1987年熊家溝泥石流固體物質(zhì)沖出量1.143×104m3的26.9倍，造成這種原因是地震過后，許多不好的地質(zhì)現(xiàn)象在熊家溝內(nèi)發(fā)育得比較好，例如滑坡、崩塌等。從而使不大的降雨量就足以造成一次泥石流的產(chǎn)生，因此，熊家溝爆發(fā)泥石流的時(shí)間間隔可能縮短的概率比較大。震后5～10a預(yù)計(jì)其發(fā)生頻率可能達(dá)到1～2次，以后，隨著植被的恢復(fù)和部分物源趨于穩(wěn)定，其發(fā)生頻率可能逐漸降低為低頻，目前熊家溝泥石流所處發(fā)展階段為發(fā)展期。

5 結(jié)語

流域內(nèi)具有泥石流發(fā)育的良好條件。從地形地貌上看，熊家溝流域內(nèi)相對高差大，地形陡峻，溝谷縱坡較大，有利于泥石流物質(zhì)的匯集和成災(zāi)，又由于汶川地震作用使雄家溝內(nèi)產(chǎn)生了大量的堆積物質(zhì)，此外熊家溝那里降雨量大，降雨集中，這更加使熊家溝易于發(fā)生泥石流。由于泥石流危險(xiǎn)性增大，且危害非常嚴(yán)重，對其實(shí)施應(yīng)急防治工程顯得十分必要而迫切。

［1］吳積善.泥石流及其綜合治理［M］.北京：科學(xué)出版社，1993.

［2］GB 18306－2001中國地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖［S］.

［3］DZ／T 0220—2006泥石流災(zāi)害防治工程勘察規(guī)范［S］.