蝶子溝泥石流對(duì)九綿高速公路的危害分析

羅 恒，沈軍輝，李本松，宋歡歡

（1.成都理工大學(xué) 地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610059；2.中國公路工程咨詢集團(tuán)有限公司 北京中咨華路達(dá)工程技術(shù)有限公司，北京 100097）

1 研究背景

蝶子溝位于四川省平武縣，是火溪河右岸一級(jí)支溝，曾多次發(fā)生泥石流。盡管蝶子溝近幾十年未爆發(fā)大規(guī)模泥石流，但從溝口巨大的堆積扇和溝內(nèi)豐富的物源條件來看，該溝仍有爆發(fā)大規(guī)模泥石流的可能，對(duì)溝口堆積扇體上在建九綿高速公路木座服務(wù)區(qū)安全構(gòu)成巨大威脅。本文根據(jù)系統(tǒng)的野外調(diào)查，總結(jié)蝶子溝泥石流形成的地質(zhì)地貌條件，分析泥石流動(dòng)力學(xué)參數(shù)，結(jié)合多因子評(píng)價(jià)方法，對(duì)該溝泥石流進(jìn)行危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)，建立基于關(guān)聯(lián)度的泥石流危險(xiǎn)范圍預(yù)測模型，預(yù)測泥石流的危險(xiǎn)范圍，為泥石流防治工程設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

2 泥石流形成條件分析

2.1 地形地貌條件蝶子溝屬深切割構(gòu)造高中山地形，呈EW向展布。流域呈現(xiàn)“Y”字狀（圖1）。流域面積14.74 km2，最高點(diǎn)高程3230 m，溝口（火溪河）高程1410 m。溝道在高程約1600 m處出現(xiàn)分叉，分左右兩支。分叉點(diǎn)以下主溝長約2 km，縱比降約100‰，溝道相對(duì)寬緩，利于松散堆積物堆積。左側(cè)主溝長約4.98 km，縱坡降約300‰，局部溝道相對(duì)狹窄，且子溝發(fā)育，呈樹枝狀。右側(cè)主溝溝長約4.26 km，平均縱坡降為333.6‰，其中中部溝道溝床坡度較緩，且溝道寬度較大，可達(dá)100～120 m，利于松散堆積物堆積。蝶子溝溝床坡度的變化對(duì)泥石流的侵蝕作用有很大影響，侵蝕作用的加強(qiáng)，增加了泥石流爆發(fā)可能性和爆發(fā)規(guī)模。溝谷呈“V-U”型，溝谷深切，相對(duì)切割密度為0.736，溝谷兩側(cè)斜坡坡度較大，多在30°～60°之間，這樣的坡度接近或超過松散固體物質(zhì)的自然休止角，遇強(qiáng)降雨，松散物質(zhì)坡體產(chǎn)生孔隙水壓力，軟化強(qiáng)度降低，易產(chǎn)生失穩(wěn)［1］。

2.2 地質(zhì)條件溝域內(nèi)主要出露震旦系地層，巖性以中-厚層狀變粒巖為主，夾少量板巖、千枚巖，巖層產(chǎn)狀為165°∠35°。木座組（Zbm）：灰色厚塊狀含礫黑云母變粒巖，主要分布于左側(cè)主溝及右側(cè)主溝的中部。陰平組（Zay）：灰色薄-中厚層狀變粒巖與絹云英千枚巖的不等厚互層，主要分布于右側(cè)主溝區(qū)域。

圖1 蝶子溝流域地質(zhì)地貌

研究區(qū)位于龍門山斷裂帶西北側(cè)，與北段青川-平武斷裂相隔約40 km。受多級(jí)構(gòu)造的影響，流域內(nèi)構(gòu)造裂隙發(fā)育，巖體破碎，在地震及風(fēng)化作用下極易轉(zhuǎn)化為泥石流物源。

2.3 水源條件蝶子溝所在區(qū)域?qū)俦眮啛釒降貪駶櫦撅L(fēng)氣候，氣候溫和，降雨豐沛。溝域內(nèi)徑流水源主要為降雨。蝶子溝泥石流多發(fā)生于夏季，強(qiáng)降雨為泥石流爆發(fā)的前提條件，溝域多年平均降雨量944.1 mm，降雨最大的為1955年，為1155.4 mm，降雨多集中在7-8月，占年降雨量的50%，據(jù)《四川省中小流域暴雨洪水計(jì)算手冊(cè)》［2］中暴雨等值線圖可知，研究區(qū)24、6和1 h多年最大暴雨量平均值分別為95、55和25 mm，短時(shí)降雨量強(qiáng)。

2.4 物源條件蝶子溝固體物源主要分布于溝口至溝道分叉段及右側(cè)主溝段。特殊的巖性組合及地質(zhì)構(gòu)造造成溝域內(nèi)巖體裂隙發(fā)育，巖體破碎。受構(gòu)造控制，溝域斜坡呈左緩右陡，左岸順向坡滑坡和崩滑體發(fā)育，右側(cè)橫向坡崩塌、落石發(fā)育，使得大量松散物質(zhì)進(jìn)入溝道參與泥石流活動(dòng)。兩側(cè)較大的坡度、大密度深切的溝谷以及較大的匯水面積為蝶子溝提供良好的匯水和排泄條件，強(qiáng)降雨時(shí)，強(qiáng)大的水動(dòng)力條件易使溝道遭揭底沖刷和側(cè)蝕沖刷形成泥石流［3］。在主溝溝道變緩的溝段，流水的搬運(yùn)能力下降，松散的固體物質(zhì)可在這類溝道停留形成溝道堆積體。由于流域內(nèi)大部分滑坡、崩塌堆積體還未完全解體破壞，且數(shù)公里長溝谷內(nèi)固體碎屑物豐富，堆積物淤塞嚴(yán)重，在持續(xù)強(qiáng)暴雨條件下有發(fā)生大規(guī)模泥石流的極大可能［4］。以上物源為早期發(fā)生大規(guī)模泥石流提供條件，汶川地震后，溝道內(nèi)已形成地震-崩塌、滑坡-降雨-泥石流災(zāi)害鏈效應(yīng)［5］，溝域內(nèi)松散物質(zhì)有一定的增加，這些松散物質(zhì)堆積于溝道內(nèi)，在強(qiáng)降雨條件下易啟動(dòng)復(fù)活。同時(shí)，蝶子溝為一多期次泥石流溝［6］，溝口巨大堆積體也證實(shí)早期發(fā)生過大規(guī)模泥石流，豐富的物源也為下一次泥石流提供條件。通過野外調(diào)查，共發(fā)現(xiàn)滑坡點(diǎn)8處，崩塌（滑）點(diǎn)6處，坡面泥石流點(diǎn)2處，老泥石流堆積體4處及深厚的溝道松散物源，物源的總量達(dá)1530.5×104m3（表1）。

表1 蝶子溝物源統(tǒng)計(jì) （單位：×104m3）

3 泥石流動(dòng)力學(xué)特征

3.1 泥石流流速采用配漿法計(jì)算其重度，計(jì)算得到蝶子溝泥石流的重度為17.45 kN/m3，為稀性泥石流。流速VC按照規(guī)范［7］推薦的稀性泥石流的計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算：

式中：VC為泥石流斷面平均流速，m/s；為清水河床糙率系數(shù)，查水文手冊(cè)；R為水力半徑，m，一般可用平均水深H（m）代替；I為泥石流水力坡度，‰，一般可用溝床縱坡代替；γH為泥石流中固體物質(zhì)重度，kN/m3；ΦC為泥石流泥沙修正系數(shù)，ΦC=(γc-γw)(γH-γc)，γc為泥石流重度，kN/m3；γw為清水的重度，kN/m3，本文取值1。

通過對(duì)溝口斷面進(jìn)行地質(zhì)調(diào)查可給出計(jì)算參數(shù)（表2），根據(jù)式（2）計(jì)算得出蝶子溝溝口過流斷面流速，如表2所示。

表2 蝶子溝泥石流流速計(jì)算結(jié)果

3.2 泥石流流量通過雨洪法計(jì)算泥石流峰值流量，利用雨洪法需要先計(jì)算不同頻率下設(shè)計(jì)洪峰流量，然后再計(jì)算泥石流峰值流量。

洪峰設(shè)計(jì)流量計(jì)算公式：

泥石流峰值流量計(jì)算公式：

式中：QC為頻率為P的泥石流洪峰值流量，m3/s；QP為暴雨洪水設(shè)計(jì)流量，m3/s；T為泥石流歷時(shí)，h；ψ為涇流系數(shù)；s為暴雨雨強(qiáng)，mm/h；N為暴雨公式指數(shù)；F為流域面積，km2。

通過查找平武地區(qū)氣象資料及水文手冊(cè)資料，運(yùn)用式（4）計(jì)算不同頻率下的峰值流量，其結(jié)果見表3。

3.3 泥石流一次固體物質(zhì)量蝶子溝泥石流一次泥石流總量按下式計(jì)算：

一次泥石流沖出的固體物質(zhì)總量為：

根據(jù)訪問村民進(jìn)行調(diào)查，泥石流歷時(shí)T取25min，按式（5）—式（6）計(jì)算不同頻率下一次泥石流沖出固體物質(zhì)量結(jié)果見表4。計(jì)算結(jié)果顯示，當(dāng)泥石流爆發(fā)頻率為2%時(shí)，一次沖出固體物質(zhì)量為10.84×104m3，因此蝶子溝有爆發(fā)大型泥石流的可能。

表3 蝶子溝泥石流峰值流量

表4 泥石流一次沖出固體物質(zhì)量

4 泥石流危險(xiǎn)性分析和工程處理

4.1 泥石流危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)本文采用單溝泥石流評(píng)價(jià)方法［8-9］，根據(jù)蝶子溝特定情況選擇泥石流最大沖出量（v）、發(fā)生頻率（f）、流域面積（s1）、主溝長度（s2）、主溝相對(duì)高差（s3）、流域切割密度（s6）、不穩(wěn)定溝床比（s9）7個(gè)評(píng)價(jià)因子，將因子原始值進(jìn)行轉(zhuǎn)換，用因子轉(zhuǎn)換值進(jìn)行評(píng)價(jià)。計(jì)算公式為：

通過現(xiàn)場調(diào)繪，確定出蝶子溝泥石流危險(xiǎn)度評(píng)價(jià)因子初始值，各評(píng)價(jià)因子的轉(zhuǎn)換函數(shù)及轉(zhuǎn)換值如表5所示。

表5 危險(xiǎn)度評(píng)價(jià)因子和轉(zhuǎn)換值

將轉(zhuǎn)換因子轉(zhuǎn)換值帶入危險(xiǎn)度計(jì)算公式（式（7）），可以得出H=0.65。按照分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)［7］，0.6＜H＜0.8為高度危險(xiǎn)，可知蝶子溝屬于高度危險(xiǎn)的泥石流溝。

4.2 泥石流危險(xiǎn)范圍預(yù)測泥石流危險(xiǎn)范圍是指一次泥石流堆積泛濫的最大范圍［10］。李闊等［11］通過前人模型試驗(yàn)結(jié)果，建立泥石流危險(xiǎn)性范圍與泥石流一次補(bǔ)給量、容重、堆積區(qū)坡度的多元線性回歸方程。本文采用多元線性回歸方法，選出一次沖出固體量、流域面積、相對(duì)高差、溝床縱比降及主溝溝長5項(xiàng)作為初步因子，并結(jié)合實(shí)地調(diào)查、地形圖量測及解譯等方法得出火溪河某段內(nèi)堆積保存完好的11條泥石流溝的數(shù)據(jù)。然而同一地域泥石流危險(xiǎn)范圍與各因子之間存在一定關(guān)聯(lián)性，不同地域不同類型泥石流影響危險(xiǎn)范圍的因子不一致，因此，本文以5項(xiàng)初步因子作為基礎(chǔ)，結(jié)合灰色關(guān)聯(lián)度分析，分析不同因子與泥石流堆積最大長度和最大寬度之間的關(guān)聯(lián)度。從而以此為基礎(chǔ)，建立泥石流危險(xiǎn)范圍預(yù)測模型。

（1）基于關(guān)聯(lián)度的泥石流危險(xiǎn)范圍模型。經(jīng)均值化后的系統(tǒng)參數(shù)序列為：X0=(x0(1)，x0(2)，…，x0(n ) )，比較序列為Xi=(xi(1)，xi(2)，…，xi(n))，i=1，2，…，m。Xi與X0的相關(guān)系數(shù)為：

式中：γ0i為Xi與X0的相關(guān)系數(shù)，表示第i列中Xi與X0的絕對(duì)差值；M、m分別為比較序列與參考序列差的絕對(duì)值的最大、最小值；ξ為分辨系數(shù)，本文取0.5。

其關(guān)聯(lián)度計(jì)算為：

灰色關(guān)聯(lián)分析的思想是根據(jù)序列曲線幾何形狀的相似程度判斷其聯(lián)系是否緊密，曲線越接近，相應(yīng)序列之間的關(guān)聯(lián)度就越大，反之越?。?2］。根據(jù)火溪河11條溝的各因子原始值及堆積范圍值（表6），對(duì)最大堆積長度和最大堆積寬度分別與5個(gè)因子進(jìn)行灰色關(guān)聯(lián)度分析得出各因子關(guān)聯(lián)度值（表7）。

通過關(guān)聯(lián)度分析結(jié)果可知，泥石流危險(xiǎn)范圍的最大堆積長度和最大寬度與一次沖出固體量（V）、相對(duì)高差（H）及平均縱坡降（I）關(guān)聯(lián)度較大，因此，選擇此3組因子作為危險(xiǎn)范圍定量評(píng)價(jià)因子。

劉希林等［13］和李闊等［11］等人研究發(fā)現(xiàn)，泥石流危險(xiǎn)范圍與多因素之間可存在線性關(guān)系，本文根據(jù)對(duì)火溪河小流域內(nèi)泥石流的調(diào)查，選取其11條一級(jí)支溝為樣本，根據(jù)關(guān)聯(lián)度分析得出的3組因子為變量因子，對(duì)泥石流危險(xiǎn)范圍的最大堆積長度LM和最大堆積寬度BM進(jìn)行建模及預(yù)測，選擇預(yù)測模型方程形式為：

表6 樣本參數(shù)值

表7 關(guān)聯(lián)度分析結(jié)果

式中：a0、a1、a2、a3、b0、b1、b2、b3為未知參數(shù)，其取值可通過表6原始值進(jìn)行多元線性回歸分析確定，利用SPSS軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并結(jié)合多元統(tǒng)計(jì)中建立多元線性回歸分析模型的方法，得出參 數(shù) 取 值 分 別 為 287.0371、 -244.385、 -0.01326、 0.004396、 989.681、 -447.158、 -0.2713、0.00304，將參數(shù)帶入式（10）、式（11），可得泥石流危險(xiǎn)范圍預(yù)測模型為：

（2）模型自驗(yàn)證。將表6原數(shù)據(jù)代入預(yù)測模型，得出其預(yù)測值，并將兩者進(jìn)行對(duì)比得出誤差率（表8）。由表8可知，最大堆積長度的平均誤差率為13.8%，最大堆積寬度的平均誤差率為16.6%，11條溝中，沙場溝的誤差最大，推測可能與堆積扇邊緣采沙場導(dǎo)致數(shù)據(jù)采集不準(zhǔn)有關(guān)。

最大長度和最大寬度的殘差分布見圖2、圖3。從圖2、圖3可知，預(yù)測結(jié)果均衡分布在標(biāo)準(zhǔn)線兩側(cè)，說明該模型對(duì)研究區(qū)泥石流的預(yù)測是均衡的［14］?？偟膩碚f，式（12）和式（13）建立的模型雖因客觀原因?qū)е履Ｐ蜆颖酒伲荒懿杉?1條堆積較完整的泥石流溝，但模型檢驗(yàn)基本效果良好，可進(jìn)行對(duì)蝶子溝泥石流的危險(xiǎn)范圍預(yù)測。

（3）蝶子溝泥石流危險(xiǎn)范圍預(yù)測。通過建立的泥石流危險(xiǎn)范圍預(yù)測模型，計(jì)算出泥石流不同頻率下危險(xiǎn)范圍預(yù)測值（表9），結(jié)合蝶子溝溝口及堆積扇泥石流堆積特征，可得蝶子溝危險(xiǎn)范圍預(yù)測如圖4。由圖4可知，當(dāng)泥石流爆發(fā)頻率為20年一遇時(shí)，所爆發(fā)泥石流對(duì)九綿高速主線橋梁及木座服務(wù)區(qū)不會(huì)造成威脅；當(dāng)泥石流爆發(fā)頻率為50年一遇時(shí)，所爆發(fā)泥石流會(huì)產(chǎn)生較大威脅；當(dāng)泥石流爆發(fā)頻率為100年一遇時(shí)，所爆發(fā)泥石流可能導(dǎo)致泥石流堵河現(xiàn)象，危害性更大。

表8 危險(xiǎn)范圍預(yù)測模型預(yù)測誤差

圖2 泥石流最大長度殘差分布

圖3 泥石流最大寬度殘差分布

4.3 蝶子溝泥石流處理措施為避免蝶子溝泥石流對(duì)溝口服務(wù)區(qū)造成危害，經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查及計(jì)算，綜合考慮地形、地質(zhì)條件，并考慮服務(wù)區(qū)的設(shè)置位置等因素，建議對(duì)蝶子溝泥石流采用“固坡、攔擋、防護(hù)、排導(dǎo)”的綜合工程治理措施。

（1）固坡。在蝶子溝中下游堆積區(qū)溝床高程1488～1448 m之間的溝道兩側(cè)修建防護(hù)堤，防治泥石流對(duì)溝岸的沖刷，穩(wěn)住兩側(cè)老泥石流堆積坡腳，減少松散固體物質(zhì)參與洪水運(yùn)動(dòng)，防護(hù)堤凈高2～3 m為宜。

圖4 泥石流危險(xiǎn)范圍預(yù)測

表9 泥石流危險(xiǎn)范圍預(yù)測

（2）攔擋。在蝶子溝堆積區(qū)溝口處，溝床高程約1448 m處修建一座攔擋壩。壩型采用重力式實(shí)體壩，壩軸方向與溝道走向垂直，有效壩高8 m，迎水面坡比1∶0.5，背水面坡比1∶0.2，壩頂設(shè)溢流口過流，壩身設(shè)排水孔，主要作用是攔擋大塊石及松散物質(zhì)下泄，抬高溝床基準(zhǔn)面，從而減少溝道兩側(cè)的沖刷，防治固體物質(zhì)大量下泄對(duì)下游服務(wù)區(qū)造成危害。

（3）防護(hù)。攔擋壩下游，溝床高程1445～1428 m段之間的現(xiàn)溝道兩側(cè)設(shè)置防護(hù)堤，以防治泥石流直沖向下游，對(duì)高速橋梁構(gòu)成危害，防護(hù)堤可以起到導(dǎo)流的作用，將泥石流引向左側(cè)低洼溝槽流向下游，繞避高速主線及堆積體內(nèi)建筑物。另外，在彎道處，需對(duì)防護(hù)堤進(jìn)行加高，防治泥石流超高溢出。該段內(nèi)老泥石流堆積體豐富，防護(hù)堤還可起到穩(wěn)坡的作用，減少松散固體物質(zhì)二次參與泥石流。

（4）排導(dǎo)。在防護(hù)堤下游接排導(dǎo)槽，排導(dǎo)槽沿右側(cè)老溝槽修建，將下泄泥石流排導(dǎo)至下游，排導(dǎo)槽始端和末端均設(shè)置為八字形結(jié)構(gòu)，在排導(dǎo)槽進(jìn)口留一定容量，空時(shí)較大粒徑固體物質(zhì)進(jìn)入排導(dǎo)槽，同時(shí)加大清淤，防治堵塞。

5 結(jié)論

蝶子溝的深切割地形、特殊的地層巖性及地質(zhì)構(gòu)造、豐沛的降水補(bǔ)給，加之溝域豐富的物源條件，使得蝶子溝有形成泥石流的較好的條件，經(jīng)分析，蝶子溝有發(fā)生大型規(guī)模泥石流的可能。采用單溝泥石流危險(xiǎn)度評(píng)價(jià)方法，對(duì)蝶子溝泥石流進(jìn)行危險(xiǎn)度評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)結(jié)果為蝶子溝屬于高度危險(xiǎn)的泥石流溝。利用關(guān)聯(lián)度分析得出一次沖出固體量、相對(duì)高差及平均縱坡降3個(gè)因子與該流域內(nèi)泥石流危險(xiǎn)范圍關(guān)聯(lián)度較高，并以此為基礎(chǔ)，建立了泥石流危險(xiǎn)范圍多元回歸預(yù)測模型，通過模型的自檢驗(yàn)后對(duì)蝶子溝進(jìn)行危險(xiǎn)范圍預(yù)測，預(yù)測結(jié)果表明，當(dāng)?shù)訙媳l(fā)50年和100年一遇泥石流時(shí)，將會(huì)對(duì)九綿高速公路橋梁及服務(wù)區(qū)產(chǎn)生威脅，甚至?xí)氯鹣?。根?jù)蝶子溝泥石流形成條件及地形等因素，建議對(duì)蝶子溝采取必要的固坡、攔擋、防護(hù)和排導(dǎo)措施，保證河道通暢，高速公路安全運(yùn)行。