大渡河上游干橋溝泥石流發(fā)育特征與防治方法

黃 海, 石勝偉, 劉建康

(中國地質(zhì)科學(xué)院 探礦工藝研究所, 成都 611734; 中國地質(zhì)調(diào)查局 地質(zhì)災(zāi)害防治技術(shù)中心, 成都 611734)

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大渡河上游干橋溝泥石流發(fā)育特征與防治方法

黃 海1,2, 石勝偉1,2, 劉建康1,2

(中國地質(zhì)科學(xué)院 探礦工藝研究所, 成都 611734; 中國地質(zhì)調(diào)查局 地質(zhì)災(zāi)害防治技術(shù)中心, 成都 611734)

通過野外調(diào)查與實(shí)地勘測，在查明泥石流的形成背景條件及災(zāi)害特征的基礎(chǔ)上，分析了干橋溝暴發(fā)大規(guī)模泥石流災(zāi)害的成因，計(jì)算了泥石流運(yùn)動特征參數(shù)，探索了泥石流沿溝道的演化過程及機(jī)理，提出了相應(yīng)防治方法。研究結(jié)果表明：干橋溝為高頻大規(guī)模泥石流，具有暴發(fā)頻率高、成災(zāi)速度快、運(yùn)動過程短、危害嚴(yán)重的特點(diǎn)；受溝道微地貌影響，泥石流沿溝道演化過程具有“小淤大沖、聚小成大”的特征，是形成大規(guī)模泥石流災(zāi)害的主控因素；受物源點(diǎn)活動趨勢的控制，干橋溝常態(tài)工況下的泥石流的暴發(fā)規(guī)模和頻率呈降低趨勢，對溝口危害較小，但受泥石流聚小成大的演化規(guī)律影響，在極端暴雨工況下將暴發(fā)大規(guī)模以上災(zāi)害，危害縣城安全。針對泥石流特征，提出“以固源、穩(wěn)溝、攔擋為主，輔以消能、排導(dǎo)”的治理方法；同時(shí)對白呷衣滑坡變形進(jìn)行監(jiān)測，加強(qiáng)泥石流災(zāi)害的預(yù)警。

泥石流; 活動特征; 微地貌; 演化過程; 防治方法

干橋溝為大渡河上游右岸的一級支流，地處川滇南北向構(gòu)造與小金—金湯弧形構(gòu)造的復(fù)合部位，小構(gòu)造上屬于丹巴旋渦狀旋扭構(gòu)造南側(cè)。受構(gòu)造作用影響，巖層局部倒轉(zhuǎn)，擠壓變形作用強(qiáng)烈，節(jié)理裂隙發(fā)育[1-2]，具備泥石流發(fā)育的三大條件，是我國泥石流危險(xiǎn)度區(qū)劃中最重度泥石流危險(xiǎn)區(qū)之一，低頻泥石流及峽陡型泥石流分布廣泛[3]。區(qū)內(nèi)泥石流災(zāi)害發(fā)育，僅丹巴縣境內(nèi)已經(jīng)查明的泥石流溝即有112條，其中特大規(guī)模以上的5處[2]。因此，泥石流災(zāi)害嚴(yán)重影響大渡河上游兩岸分布于泥石流堆積扇上的重要城鎮(zhèn)及居民聚集區(qū)，如丹巴縣城、金川縣城、小金縣城等均受泥石流災(zāi)害威脅。

近30年來，干橋溝泥石流災(zāi)害頻發(fā)，每2～3年暴發(fā)一次，其中1989年和2010年兩次暴發(fā)大規(guī)模泥石流。受“5.12”汶川地震影響，干橋溝泥石流暴發(fā)頻率和災(zāi)害規(guī)模均有所增加，嚴(yán)重威脅溝口丹巴縣城安全。通過多次泥石流災(zāi)害現(xiàn)場調(diào)查，研究溝域內(nèi)松散物源分布及穩(wěn)定性，分析泥石流啟動機(jī)理、運(yùn)動特征參數(shù)和演進(jìn)過程及其影響因素，并針對災(zāi)害特征與危害情況，提出相應(yīng)的防治對策。

1 泥石流發(fā)育特征

1.1 地質(zhì)環(huán)境背景

干橋溝地處青藏高原東部邊緣的大雪山東麓，屬于侵蝕深切河谷地貌區(qū)，以中高山山地和峽谷地貌為主，所在區(qū)域新構(gòu)造運(yùn)動主要以抬升作用為主[4]，溝域?qū)儆诎l(fā)育初期，溝道強(qiáng)烈下切，呈“V”字型。流域面積3.25 km2，主溝長3.82 km，溝口海拔1 935 m，流域最高點(diǎn)海拔3 849 m，相對高差達(dá)1 914 m，溝谷平均縱比降501.05‰。流域形態(tài)呈柳葉狀，流域完整系數(shù)δ=0.223，相對切割程度h′=0.442，表明該流域發(fā)育完整性差，溝谷地貌處于幼年期[5]，具有良好的匯流條件，對泥石流的形成有利。

溝域平面形態(tài)呈不對稱分布，其右岸寬度較大，發(fā)育唯一的支溝，支溝溝谷較短且溝道不明顯；溝域左岸寬度較小，僅源頭有小沖溝匯入。干橋溝溝道從上游往下縱比降呈現(xiàn)“陡—緩—陡—緩”的交替演變狀態(tài)，上游斜坡坡度大于30°，溝谷為淺切沖溝；中游冰水堆積臺地區(qū)的深切溝道，溝谷為深切U型；下游為典型V型溝谷，斜坡坡度25°～30°。溝道內(nèi)跌坎和卡口發(fā)育。

研究區(qū)屬于北半球亞熱帶氣候區(qū)，受高山峽谷地形的影響，垂直氣候取代了緯度氣候，具有明顯的垂直分帶性，海拔越高，降水量越大，氣溫越低，蒸發(fā)量越小。區(qū)內(nèi)多年平均降雨量為609.8 mm，多年平均蒸發(fā)量為1 314.0 mm；多年平均氣溫14.6℃，最冷月1月，平均溫度3.0～6.0℃。據(jù)縣城氣象站統(tǒng)計(jì)，干橋溝流域降水集中在5—9月的雨季，降水量占到全年的79.4%，最大日降水量達(dá)49.8 mm。

區(qū)內(nèi)新構(gòu)造運(yùn)動受丹巴旋渦狀旋扭構(gòu)造控制，出露地層以志留系茂縣群的千枚巖、板巖為主，地表覆蓋層主要為殘坡積和冰水堆積，冰水堆積主要分布于溝域中游段，受流水切蝕形成高15～20 m直立陡坡，在流水側(cè)蝕作用下易發(fā)生垮塌堵塞溝道；上游殘坡積覆蓋層厚度約5～15 m，坡體結(jié)構(gòu)為順向坡，溝道溯源侵蝕在源頭區(qū)誘發(fā)的白呷衣滑坡是泥石流主要物質(zhì)來源。構(gòu)造和溝谷下切共同作用為泥石流提供豐富的松散物質(zhì)儲量，溝道泥沙補(bǔ)給長度占總溝長的35.6%。據(jù)2010年地質(zhì)測繪，干橋溝泥石流形成區(qū)共有滑坡崩塌5處、坡面重力侵蝕2處。崩滑堆積固體物源總量為229.76萬m3，可能參與泥石流活動的動儲量為19.50萬m3；溝道堆積固體物源總量為21.90萬m3，可能參與泥石流活動的動儲量為5.86萬m3；坡面侵蝕固體物源總量為7.60萬m3，可能參與泥石流活動的動儲量為1.28萬m3。共計(jì)有松散固體物源量259.26萬m3，可能參與泥石流活動的動儲量為26.24萬m3。

1.2 泥石流活動情況

根據(jù)查閱資料[6]和實(shí)地調(diào)查訪問，干橋溝為高頻泥石流溝，小規(guī)模的泥石流每年均爆發(fā)1～2次，多數(shù)活動固體物質(zhì)在溝道中游淤積下來，未沖出溝口。大規(guī)模泥石流則15～30 a暴發(fā)一次，建國以來較大規(guī)模的泥石流發(fā)生在1989年。

1989年8月中旬，干橋溝暴發(fā)泥石流，泥石流漫出下游溝道，淤埋溝道兩側(cè)房屋上百間，并造成縣城內(nèi)道路的中斷，造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失，此次泥石流歷時(shí)約1 h，為典型的黏性陣性流，本次泥石流的一次沖出總量約2.70萬m3，固體物質(zhì)約1.80萬m3。而后當(dāng)?shù)刈园l(fā)在下游縣城段建排導(dǎo)槽，此后1995年、2005年多次暴發(fā)小規(guī)模泥石流，要么在上游冰積臺地段停淤，要么通過下游排導(dǎo)槽排出，均未溢出溝道；2010年干橋溝于8月19日、9月6日凌晨2點(diǎn)、9點(diǎn)暴發(fā)泥石流，3次合計(jì)沖出固體物質(zhì)2.10萬m3，其中9月6日緊急撤離干橋溝兩側(cè)的機(jī)關(guān)單位、居民5 000多人。

1.3 泥石流流體特征

干橋溝出露地層巖性較為單一，主要為千枚巖、板巖，覆蓋層以殘坡積和冰水堆積碎塊石土為主，含大塊石相對較少。為了確定干橋溝泥石流的性質(zhì)，對近期暴發(fā)的兩次較大規(guī)模的泥石流分別采集堆積物樣品并進(jìn)行顆粒分析，結(jié)果見圖1。

圖1 干橋溝泥石流樣品顆粒級配圖

原始泥石流堆積物的顆粒分析表明，干橋溝兩次泥石流堆積物中，黏粒(<0.005 mm)含量為3.12%～4.85%，含量較高，綜合該溝道的多次泥石流活動特征調(diào)查，確定干橋溝發(fā)育的泥石流重度為18.2～20.4 kN/m3。干橋溝泥石流容重與規(guī)模密切相關(guān)，小規(guī)模的泥石流主要受上游滑坡活動影響，受中游溝道淤積影響，運(yùn)動至溝口的泥石流流體中大顆粒固體物質(zhì)含量較少，相應(yīng)的容重較低，大規(guī)模的泥石流裹挾溝床中豐富的較大顆粒塊石，同時(shí)受堵潰的影響，導(dǎo)致泥石流的黏度系數(shù)和侵蝕搬運(yùn)能力劇增[7]，流體容重也就隨之增大。

2 泥石流運(yùn)動特征分析

2.1 不同降雨頻率下泥石流流量

利用雨洪法計(jì)算泥石流的流量[8]：

QC=(1+φ)QPDC

(1)

式中：QC——頻率為C的泥石流峰值流量(m3/s)；QP——頻率為P的暴雨洪水流量(m3/s)；φ——泥石流泥沙修正系數(shù)，φ=(γC-γW)/(γH-γC)；γC——泥石流重度(kN/m3)；γW——清水的重度(kN/m3)；γH——泥石流中固體物質(zhì)重度(kN/m3)，千枚巖取26.5 kN/m3；DC——泥石流堵塞系數(shù)。

泥石流重度是影響泥石流峰值流量的關(guān)鍵因素，從泥沙攜帶能力考慮，重現(xiàn)期越長，泥石流溝的水力條件越好，攜帶大塊石能力越強(qiáng)，泥石流重度越高。

泥石流的流量計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 雨洪法泥石流計(jì)算結(jié)果

2.2 一次泥石流活動總量預(yù)測

泥石流歷時(shí)T和泥石流流量QC是決定泥石流一次活動總量的關(guān)鍵，按泥石流暴漲暴落的特點(diǎn)，將其過程概化“三角形”狀，通過斷面一次泥石流的總量WC的計(jì)算公式如下[8]：

WC=19TQC/72

(2)

一次沖出固體物質(zhì)的總量WS由下式計(jì)算：

WS=WC(γC-γW)/(γH-γW)

(3)

據(jù)公式(2)—(3)，可獲得該溝一次泥石流總量和相應(yīng)的固體物質(zhì)總量(表2)。

2.3 泥石流發(fā)展趨勢

2.3.1 主要物源現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 干橋溝最主要物

源為上游的白呷衣滑坡，該滑坡為大型表層土體滑坡，目前滑坡尚處于蠕動變形—加速變形階段，變形跡象有后緣拉張裂縫、兩側(cè)剪切裂縫以及前緣土體剪出解體。前緣解體經(jīng)歷過多次活動，每次均造成規(guī)模不等的泥石流災(zāi)害。隨著溝道側(cè)蝕日益嚴(yán)重，前緣阻滑段土體解體流失，造成前緣臨空面不斷增高，滑坡變形日益加劇，在強(qiáng)降雨作用下，產(chǎn)生大規(guī)模滑動可能性極大。干橋溝泥石流活動與白呷衣滑坡活動同步，因此未來滑坡一旦大規(guī)?；顒樱赡芡瑫r(shí)誘發(fā)大規(guī)模泥石流災(zāi)害。

表2 干橋溝全流域不同降雨頻率一次泥石流暴發(fā)總量預(yù)測

2.3.2 暴雨作用下泥石流發(fā)展趨勢 該溝為大渡河上游的山區(qū)氣候區(qū)，降雨量少而集中，為泥石流活動提供了高強(qiáng)度的暴雨激發(fā)條件。白呷衣滑坡的活躍性為后期泥石流的形成提供豐富的固體物質(zhì)，按照流域暴雨提供的洪水量和目前泥石流活動規(guī)模，該溝泥石流活動將在未來繼續(xù)活躍,直至源頭滑坡整體穩(wěn)定。經(jīng)調(diào)查，近年來干橋溝暴發(fā)的泥石流規(guī)模具有增大趨勢，主要是滑坡的活動性在增加，滑體前緣變形解體量增大的影響，泥石流暴發(fā)頻率與降雨特征同步?？傮w上，泥石流的規(guī)模主要受控于暴雨強(qiáng)度和滑坡活動，在強(qiáng)降雨作用下，很容易出現(xiàn)堵潰效應(yīng)，形成類似于地震災(zāi)區(qū)的超常規(guī)規(guī)模的泥石流災(zāi)害[9]。

3 泥石流活動特征與溝道微地貌關(guān)系

干橋溝溝道縱向上呈現(xiàn)“陡—緩—陡—緩”的縱坡變化特征，橫向形態(tài)則V型溝谷與U型溝谷交替出現(xiàn)，溝道過流寬度呈現(xiàn)“窄—寬—窄—寬”的寬窄相間形態(tài)，溝道橫向和縱向形態(tài)具有“陡—窄—V型，緩—寬—U型”的耦合關(guān)系。溝道參數(shù)特征統(tǒng)計(jì)見表3。

表3 干橋溝溝道微地貌特征

泥石流的運(yùn)動與溝床邊界條件密切相關(guān)，前人野外調(diào)查與室內(nèi)試驗(yàn)成果揭示：流體能量與挾沙能力與縱比降呈正相關(guān)關(guān)系[10]，泥石流淤積量與溝道寬度呈正相關(guān)，并受溝谷形態(tài)控制，表現(xiàn)為V型溝谷，具有束水攻沙效果，有利于泥石流泥沙輸移，U型谷則淤積現(xiàn)象明顯[11]。

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，泥石流在白呷衣滑坡前緣處形成后，運(yùn)動至中游冰積臺地段，根據(jù)災(zāi)害規(guī)模表現(xiàn)不同的沖淤特征，大規(guī)模泥石流在中游段表現(xiàn)為沖刷為主；而小規(guī)模泥石流由于較寬溝道段泥深較小，鋪床較寬，輸移力小于含沙量，表現(xiàn)為淤積為主。因此，中游段溝道為干橋溝泥石流災(zāi)害的規(guī)模放大段，規(guī)模放大主要通過小規(guī)模淤積，固體物質(zhì)存儲，大規(guī)模沖刷，固體物質(zhì)補(bǔ)給的運(yùn)動特征實(shí)現(xiàn)。

4 泥石流防治對策

4.1 工程治理

干橋溝松散固體物質(zhì)充足，在一定的降水條件下，將會暴發(fā)泥石流，對溝口丹巴縣城影響嚴(yán)重，采取工程防治措施是非常必要的。干橋溝溝道特征總體上呈上游縱坡較大，下游逐漸變緩，局部地段有陡緩相間的變化特點(diǎn)，為治理工程設(shè)置攔擋壩提供了有利條件[12]，且有村道直接進(jìn)入溝道內(nèi)，工程擬布設(shè)處交通條件較好。

(1) 在滑坡前緣修建消能墩，減小上游大塊石沖擊速度，減輕流體對下游冰積臺地兩岸的側(cè)蝕作用，同時(shí)減小塊石對中游攔擋工程沖擊破壞。

(2) 中游修建3道攔擋壩對上游泥石流固體物質(zhì)進(jìn)行攔擋，2道谷坊壩對溝道溝床物質(zhì)進(jìn)行穩(wěn)固，防止溝道下切和側(cè)蝕引起冰積臺地岸坡垮塌。

(3) 出山口的干橋溝滑坡段修建4道谷坊形成壩群，防止溝道側(cè)蝕誘發(fā)干橋溝滑坡復(fù)活，同時(shí)消減能量，減小流體對下游排導(dǎo)工程的沖刷作用。

(4) 溝口縣城段對現(xiàn)有排導(dǎo)槽修復(fù)加固，優(yōu)化排導(dǎo)槽入口導(dǎo)流工程，槽底局部沖刷破壞段用防沖條石鋪底，在大縱比降段設(shè)置防沖肋檻。

4.2 監(jiān)測預(yù)警

干橋溝泥石流一旦在下游漫出排導(dǎo)槽，將對溝口丹巴縣城造成嚴(yán)重危害，威脅縣城居民的生命和財(cái)產(chǎn)安全。因此，在有限設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)下的泥石流防護(hù)和治理措施的情況下，應(yīng)補(bǔ)充對干橋溝泥石流的監(jiān)測預(yù)警。重點(diǎn)監(jiān)測溝道源頭的白呷衣滑坡整體變形情況，同時(shí)做好溝道中下游的泥位監(jiān)測等措施，為特大規(guī)模泥石流災(zāi)害的預(yù)報(bào)、預(yù)警提供依據(jù)。

5 結(jié) 論

(1) 干橋溝自20世紀(jì)80年代進(jìn)入泥石流活躍期，多次暴發(fā)泥石流災(zāi)害，對溝口丹巴縣城影響嚴(yán)重，溝道主要物源白呷衣滑坡目前處于蠕動變形—加速變形階段，泥石流災(zāi)害規(guī)模和頻率均受控于該滑坡的活動情況。

(2) 干橋溝泥石流屬于典型黏性泥石流，泥石流過程速度極快，危害嚴(yán)重，頻率為1%下的泥石流容重為20.4 kN/m3，流量為87.25 m3/s；頻率為2%下泥石流容重為19.6 kN/m3，流量為59.30 m3/s。

(3) 根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，干橋溝泥石流災(zāi)害規(guī)模與中游溝道微地貌密切相關(guān)，中游溝道橫斷面形態(tài)表現(xiàn)為“V—U—V”變化趨勢，縱向則為“陡—緩—陡”的演變特點(diǎn)，導(dǎo)致該段溝道為干橋溝泥石流演化過程中的規(guī)模放大點(diǎn)，具有“小規(guī)模淤積儲存、大規(guī)模沖刷補(bǔ)給”的特點(diǎn)。

(4) 為了保護(hù)溝口丹巴縣城，針對溝內(nèi)泥石流演化規(guī)律及致災(zāi)特點(diǎn)，提出以“穩(wěn)固、攔擋、調(diào)控、排導(dǎo)并重的綜合防治體系”，同時(shí)對上游主要物源點(diǎn)白呷衣滑坡和溝道進(jìn)行監(jiān)測預(yù)警。

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Characteristics and Countermeasures of Debris Flow of Ganqiao Gully in the Upper Dadu River

HUANG Hai1,2, SHI Shengwei1,2, LIU Jiankang1,2

(1.InstituteofExplorationTechnology,CAGS,Chengdu611734,China;2.TechnicalCenterforGeologicalHazardPreventionandControl,CGS,Chengdu611734,China)

Based on investigation of the formation conditions and activity characteristics of debris flow by surveys, researches were conducted to examine the hazard causes and the motion parameters, and countermeasures for debris flow mitigation were also proposed. Analysis suggested that debris flows were characterized by high frequency, high speed, short process, large-size and severe risks. And the scale of disaster was influenced by microtopography of the gully. In normal situation, the frequencies and scales of debris flows can decrease gradually in Ganqiao gully, but, because of the evolutionary process which can amplify the scale of debris flow, large-size disaster can occur. In order to mitigate this debris flow, the countermeasures such as building check dams, channel, and warning system of Baigayi landslide wear put forward in this paper.

debris flow; activity characteristics; microtopography; evolutionary process; countermeasures

2014-09-02

2014-09-19

中國地質(zhì)調(diào)查局項(xiàng)目“西南山區(qū)重大泥石流災(zāi)害調(diào)查與防治”(12120113011000)

黃海(1984—),男,湖南醴陵人,工程師,主要從事地質(zhì)災(zāi)害成災(zāi)機(jī)理和防治技術(shù)研究。E-mail:hhai84@163.com

P642

1005-3409(2015)05-0354-04