西藏芒康縣楚梯崗溝泥石流成災(zāi)特征與防治

蘆 明，柳金峰

(1.中國科學院山地災(zāi)害與地表過程重點實驗室，中國科學院、水利部成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所，610041，成都； 2.中國科學院大學，100049，北京)

金沙江芒康段沿岸分布著許多泥石流溝。這里氣候干燥、降雨集中、植被稀疏、水土流失嚴重，十分利于泥石流的形成[1-3]。楚梯崗溝是其中一條活躍的泥石流溝，泥石流災(zāi)害已經(jīng)導致溝口外的橋梁被損毀，同時大量的泥石流沖出物堆積于河岸，形成一個規(guī)模較大的泥石流堆積扇，當泥石流完全堵塞河流時會形成堰塞湖，對沿岸居民的生命和財產(chǎn)安全構(gòu)成嚴重威脅。2020年6月17日，四川省丹巴縣半扇門鎮(zhèn)梅龍溝發(fā)生了一起泥石流堵斷主河形成堰塞湖的災(zāi)害，所形成的堰塞湖湖面面積1.03 km2，受洪水淹沒威脅2萬余人被迫轉(zhuǎn)移，造成巨大經(jīng)濟損失[4]。許多學者對泥石流堵江問題作了大量研究，唐川等[5]通過對岷江上游和云南小江流域堵河型泥石流溝進行調(diào)查和分析，認為影響泥石流堵河的主要因素有堆積區(qū)主河寬度、泥石流密度及流量、主河流量，并推導出泥石流堵河判別的經(jīng)驗公式。張金山等[6]通過對堵河型泥石流基本特征進行分析總結(jié)，并與堵塞型、不堵河型泥石流溝進行比較，得出計算泥石流堵河的經(jīng)驗公式?，F(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)楚梯崗溝泥石流堆積扇嚴重擠壓金沙江河床，并且其規(guī)模仍在不斷發(fā)展中，使泥石流堵河風險日益增加。為了更加清晰地認識泥石流災(zāi)害對堵河的影響，通過利用前人的泥石流堵河判別公式，計算得到不同泥石流暴發(fā)頻率下堵河的發(fā)生概率，并且分析了未來發(fā)展趨勢。

筆者基于對楚梯崗溝泥石流災(zāi)害的現(xiàn)場調(diào)查和泥石流運動參數(shù)的計算，揭示泥石流的活動特征，并提出“穩(wěn)固+攔擋”的工程治理方案，以治理楚梯崗溝的泥石流災(zāi)害和水土流失，該方案也為該地區(qū)的泥石流災(zāi)害治理提供參考。

1 自然環(huán)境概況

1.1 流域概況

楚梯崗溝位于金沙江中游，緊鄰江水右岸。在行政區(qū)劃上屬于西藏自治區(qū)昌都地區(qū)芒康縣朱巴龍鄉(xiāng)楚梯崗村。溝口地理位置E 98°59′36.02″，N 29°42′2.62″。溝口位置距離芒康縣城直線距離38.77 km，距離巴塘縣城32 km，距離上游朱巴龍鄉(xiāng)政府所在地8 km。主、支溝溝道特征參數(shù)見表1。

1.2 地形地貌

楚梯崗溝處于西藏高原東南邊緣，橫斷山脈北部，地貌屬于青藏東南川西高原大區(qū)(圖1)。楚梯崗溝地貌類型復(fù)雜多樣，域內(nèi)山高谷深，山坡陡峭。溝谷坡度大部分在30°～60°，局部區(qū)域為陡崖地貌。流域內(nèi)坡體表面光禿破碎，植被覆蓋稀松疏少，崩塌、滑塌時有發(fā)生，大量松散固體物質(zhì)堆積于坡腳，在溝道內(nèi)部形成多處天然土石壩，極易發(fā)生堵潰現(xiàn)象。

表1 主、支溝溝道特征Tab.1 Watershed characteristics of main channels and branch channels

圖1 楚梯崗溝流域示意圖Fig.1 Schematic diagram of Chutigang gully watershed

1.3 地質(zhì)條件

楚梯崗流域位于青藏高原東緣弧形構(gòu)造帶的轉(zhuǎn)折部位，屬三江構(gòu)造區(qū)，橫跨金沙江結(jié)合帶和德格- 中甸陸塊2個二級構(gòu)造單元，該區(qū)域內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造十分復(fù)雜，主要構(gòu)造形跡為斷裂和褶皺。對區(qū)內(nèi)影響最大為將茶樹山- 竹巴籠背斜和金沙江斷裂，呈北北西向和南北向展布。流域內(nèi)地層巖性復(fù)雜，自前寒武系到第四系地層均有出露，總體上以強風化灰?guī)r和砂巖、頁巖為主，基巖巖性為結(jié)晶灰?guī)r、粉砂質(zhì)頁巖及砂巖、板巖與火山巖。

1.4 氣候條件

楚梯崗溝流域處于寒溫帶，氣候類型屬于溫帶半濕潤高原大陸性季風氣候。氣候特點是冬春干燥寒冷，年平均氣溫12.73 ℃，雨量集中，蒸發(fā)量大，相對濕度小，氣候干燥，日照充足且太陽輻射強烈，災(zāi)害性天氣較為頻繁。

2 泥石流形成條件

2.1 地形條件

楚梯崗溝流域山高谷深，溝岸陡峻，地勢西北高東南低。該流域內(nèi)清水匯流區(qū)的面積為4.30 km2，物源區(qū)的面積為1.19 km2。通過對流域山坡坡度進行分級統(tǒng)計，陡坡和極陡坡絕大部分分布于流域的中下游，這樣的地形十分便于雨水的快速流動和匯集。而流域的中下游也是坡面侵蝕物源和崩滑堆積物源的集中分布區(qū)，極易發(fā)生堵塞溝道的情況，進而擴大泥石流的活動規(guī)模。具體統(tǒng)計結(jié)果如表2所示。

表2 楚梯崗溝流域山坡坡度分級統(tǒng)計Tab.2 Slope classification statistics of Chutigang gully watershed

2.2 物源條件

根據(jù)遙感影像圖判讀和野外實地踏勘可知，楚梯崗溝流域松散固體物質(zhì)儲量豐富，且主要分布于流域的中下游區(qū)域(圖2)。流域內(nèi)的物源類型主要包括溝道堆積物源、坡面侵蝕物源和崩滑堆積物源。溝道堆積物源(圖3)沿主溝和支溝的中游至溝口處分布，主要以礫石、漂石和砂礫為主，總計分布長度3.5 km，寬度3～25 m，堆積厚度為1～10 m，堆積總量約15.8萬m3，其中動儲量為3.2萬m3。長期的崩塌、滑坡活動所形成的崩滑堆積物在流域內(nèi)呈點狀分布于溝道兩側(cè)的坡岸上，其儲量為32.5萬m3，其中可能參與泥石流活動的動儲量為12.8萬m3。坡面侵蝕物源(圖4)主要分布于流域的中下游溝道兩側(cè)坡面，其中絕大部分位于主溝的下游區(qū)域。坡面侵蝕的主要誘因是坡腳失穩(wěn)的溯源式垮塌和坡面沖溝刻蝕，根據(jù)遙感解譯流域內(nèi)坡面侵蝕物源儲量約576.8萬m3，其中可能參與泥石流活動的動儲量為195.6萬m3。流域內(nèi)規(guī)模較大的坡面侵蝕物源點約22 處，其中坡面侵蝕點(H1)規(guī)模較大最具代表性。H1前后緣高程分別為2 867和3 441 m，相對高度374 m，物質(zhì)組成主要為碎石，坡度30°～45°。此處坡面細溝發(fā)育，沖溝刻蝕嚴重，坡面上的松散固體物質(zhì)處于隨時可能向溝內(nèi)輸移的臨界狀態(tài)。通過現(xiàn)場調(diào)查和遙感解譯等工作方法確定，H1的面積約為15.3萬m2，平均厚度約為1.3 m，方量可達19.8萬m3，動儲量約為6.71萬m3，在暴雨的沖刷下可能起動并向溝內(nèi)輸移。

圖2 楚梯崗溝物源分布圖Fig.2 Solid sources distribution of Chutigang gully

圖3 溝道堆積物源Fig.3 Solid sources of trench deposits

圖4 坡面侵蝕物源Fig.4 Solid sources of slope erosion

2.3 暴雨

楚梯崗溝流域全年降水主要集中在5—9月，同時也是泥石流、滑坡等山地災(zāi)害的高發(fā)期。楚梯崗溝所處位置與巴塘縣隔江相望，該區(qū)域氣候類型與巴塘縣差異不大，故可通過查閱《四川省暴雨統(tǒng)計參數(shù)圖集》來計算該區(qū)域的設(shè)計暴雨量。中國地質(zhì)調(diào)查局成都地質(zhì)調(diào)查中心的調(diào)查資料[7]顯示：巴塘多年平均降雨量503.69 mm，年平均降水時間100.9 d，年最大降水量828.8 mm，最小降水量291.5 mm，日最大降水量40.6 mm。其中5—9月的降水量占全年總降水總量的 90%。

3 泥石流運動參數(shù)計算和堵河分析

3.1 泥石流流量的計算

由于楚梯崗溝流域內(nèi)無實測泥石流洪峰流量數(shù)據(jù)，筆者采用雨洪法進行泥石流峰值流量的計算。假定泥石流和暴雨同頻率、同步發(fā)生且計算斷面的設(shè)計暴雨洪水流量全部轉(zhuǎn)變成泥石流流量。首先計算不同頻率下的設(shè)計暴雨量，然后由設(shè)計暴雨量推算設(shè)計洪峰流量，最后用配方法計算設(shè)計泥石流流量及其相關(guān)的運動參數(shù)。其計算公式如下：

Qc=(1+ΦC)QBDC。

(1)

式中：Qc為泥石流洪峰流量，m3/s；QB為設(shè)計洪峰流量，m3/s；DC為堵塞系數(shù)；ΦC為泥石流洪峰流量增加系數(shù)。ΦC=(γc-γw)/(γs-γc)，式中：γc為泥石流密度，t/m3；γw為清水密度，t/m3；γs為固體物質(zhì)實體密度，t/m3。

1次泥石流沖出物總量，由泥石流峰值流量和泥石流歷時決定，而泥石流歷時多根據(jù)走訪調(diào)查確定，其計算公式如下：

Wc=0.264tQc。

(2)

式中：Wc為1次泥石流的總量，m3；t為泥石流歷時，s。

通過計算在不同頻率暴雨條件下楚梯崗溝泥石流流量參數(shù)(表3)，當泥石流暴發(fā)頻率為“50年一遇”規(guī)模時，泥石流洪峰流量為125.19 m3/s，相對于楚梯崗溝這樣的小流域泥石流溝，其相對活動規(guī)模和危害性值得警惕。

3.2 泥石流沖擊力的計算

泥石流密度大、流速快會對橋墩、橋梁等結(jié)構(gòu)造成沖擊破壞。關(guān)于泥石流流體整體沖壓力的計算，筆者采用鐵二院(成昆、東川兩線)公式[8]：

(3)

式中：δ為泥石流沖擊力，Pa；λ為建筑物形狀系數(shù)，該處取1.47；g為重力加速度，g=9.8 m/s2；Vc為泥石流的流速，m/s，按照式(4)計算；α為受力面與沖壓力方向的夾角，α=90°。

表3 不同頻率暴雨作用下泥石流峰值流量Tab.3 Debris peak flow under different frequency rainfall

泥石流的流速計算公式如下：

(4)

式中：nc為黏性泥石流的河床糙率，nc=10[9]，量綱為1；Rc為水力半徑，m；Ic為河床坡降，量綱為1。

選取受損橋梁上游附近的某一溝道斷面，測量泥深為1.5 m，根據(jù)形態(tài)調(diào)查法，當泥石流流速為5.65 m/s，推算出泥石流流量為122.92 m3/s，其活動規(guī)模與“50年一遇”規(guī)模相當。計算泥石流流速5～7 m/s范圍內(nèi)的沖壓力大小，結(jié)果如表4所示。此處橋梁受泥石流沖擊破壞形式較為特殊，具體破壞過程為，當泥石流運動至此，溝道受到橋墩擠占影響發(fā)生束窄，導致泥石流流體在此處逐漸壅高直至漫過橋梁，沖擊破壞橋下橫梁(圖5)。在跨泥石流溝道修建橋梁時，應(yīng)避免橋墩擠占溝道影響泥石流的正常流動。

表4 不同流速作用下泥石流沖擊力Tab.4 Impact force of debris flow under different flow velocity

圖5 橋梁破壞示意圖Fig.5 Schematic diagram of a damaged bridge

3.3 泥石流堵河分析

楚梯崗溝泥石流堆積扇嚴重擠壓金沙江河道，將水流擠向?qū)Π叮摱逊e扇扇徑長400 m，擴散角107°，縱比降218‰，并且仍然在不斷擴展中。影響泥石流堵河的因素有泥石流的密度和流量、支槽的溝床比降、主河流量、主河河床比降和泥石流溝匯入主河的角度等[5-6]。唐川等[5]提出關(guān)于泥石流堵河的判別式如下：

(5)

式中：Z為泥石流堵河判別值[5]；B為堆積區(qū)主河寬度，m；Qm為主河流量，m3/s；β為支溝與主河順流方向的夾角,°；K為修正系數(shù)，與泥石流溝道堵塞系數(shù)有關(guān)，K取1.0～1.5。

張金山等[6]提出關(guān)于泥石流堵河的判別式如下：

(6)

式中：R為泥石流堵河判別值[6]；P為泥石流發(fā)頻率；Jc為支槽比降；Jm為主河比降。

在計算泥石流堵河過程中取金沙江流量為1 700 m3/s[10]，主河寬度B=80 m，主河比降和支槽比降分別取1.78‰和157‰。根據(jù)唐川的泥石流堵河經(jīng)驗判別公式，當判別值Z≥1.0時，泥石流可能造成完全堵河；當判別值Z介于1.0～0.5之間，則泥石流造成部分堵河；當判別值Z≤0.5時，泥石流不會造成堵塞或堵斷主河[5]。根據(jù)張金山等[6]的泥石流堵河經(jīng)驗判別公式，R值越大泥石流堵塞主河的程度就越高，當R≥10時為易于堵河，當5≤R<10時會對主河造成嚴重堵塞，當R<5時堵河的可能性很小，多表現(xiàn)為輕微堵塞。

根據(jù)計算結(jié)果(表5)的比對分析，公式5和6計算的結(jié)果較為吻合。即當遭遇“百年一遇”規(guī)模以上的泥石流時可能會造成主河的嚴重堵塞，當遭遇“50年一遇”規(guī)模泥石流時可能會造成主河的輕微堵塞。根據(jù)實地調(diào)查發(fā)現(xiàn)在泥石流匯江處，泥石流堆積體擠壓河床、向?qū)Π稊U延的趨勢明顯，使泥石流堵河風險日益增加。同時在流域內(nèi)應(yīng)當考慮布置工程治理措施來調(diào)配減少流入金沙江內(nèi)的泥石流沖出物方量。

表5 不同頻率暴雨下泥石流堵河判別值計算Tab.5 Calculation of the discriminant value of debris flow blocking the river under different frequency of rainfall

4 防治對策討論

楚梯崗溝泥石流會造成金沙江堵塞形成堰塞湖，威脅沿江分布的村寨和農(nóng)田。

楚梯崗流域的主溝和1號支溝的縱坡降較大，絕大部分都在450‰以上，局部區(qū)域可達550‰；而自主溝和支溝交匯處向下，溝道縱坡降逐漸變緩，其中距離溝口上游300 m處的縱坡降約為204‰。上游的溝道呈“V”字形嚴重下切，使兩岸溯源侵蝕嚴重，導致坡面嚴重的水土流失。所以當務(wù)之急是在關(guān)鍵區(qū)域布置穩(wěn)固工程，以達到“固床穩(wěn)坡”的效果，在緩解水土流失的同時又可以避免過多的坡面侵蝕物向溝道運移?；谠摿饔虻哪嗍髟袨?zāi)環(huán)境，楚梯崗溝的防治工程體系采用“穩(wěn)固+攔擋”方案。在主溝和1號支溝的關(guān)鍵物源區(qū)布置谷坊群等穩(wěn)固工程，在下游流通段坡降較緩處布置攔沙壩。

因為主溝和1號支溝部分溝段兩岸坡面侵蝕嚴重，故擬在此區(qū)域布置3個谷坊群，用以緩解此處的坡面侵蝕和水土流失現(xiàn)象(圖6)。根據(jù)各個位置的坡面侵蝕發(fā)育程度，4個谷坊群內(nèi)的谷坊數(shù)量和每個谷坊之間的間距大小不等。谷坊壩體高度擬設(shè)計2.0～3.5 m左右，壩體寬度依據(jù)溝道寬度而定。水流對壩趾的沖刷掏蝕會破壞壩體的穩(wěn)定性，可以通過在壩體下游修建潛檻來改善。擬在主溝海拔3 000～3 250 m和2 790～2 990 m的區(qū)域內(nèi)修建1號谷坊群和2號谷坊群，分別包含谷坊壩5座和10座；在1號支溝海拔3 160～3 500 m和2 710～2 970 m的區(qū)域內(nèi)分別修建3號谷坊群和4號谷坊群，分別包含谷坊壩5座和3座。擬在下游溝道海拔2 598～2 613 m的位置修建攔沙壩1座，用來削減泥石流峰值流量以及緩解泥石流對溝床的下切。該防治工程體系可以有效緩解流域內(nèi)的水土流失現(xiàn)狀，避免更多的松散固體物質(zhì)匯入泥石流之中，在降低泥石流活動規(guī)模的同時還可以削減洪峰，壓縮匯入主河的土石方量，降低堵塞主河的概率，有效保護下游村寨和鄉(xiāng)鎮(zhèn)的安全。

圖6 楚梯崗溝泥石流工程治理措施平面布置圖Fig.6 Layout of the engineering mitigation measures for controlling debris flows in Chutigang gully

5 結(jié)論

1)楚梯崗溝流域內(nèi)溝道下切嚴重、坡面侵蝕發(fā)育、水土流失現(xiàn)象嚴重，為泥石流的形成提供豐富的固體物源；因此有必要采取谷坊壩等工程措施來緩解土壤侵蝕程度進而降低泥石流暴發(fā)的規(guī)模。

2)根據(jù)計算結(jié)果，當暴發(fā)“百年一遇”規(guī)模以上的泥石流時可能會造成主河嚴重堵塞，當暴發(fā)“50年一遇”規(guī)模泥石流時可能會造成主河的輕微堵塞，但隨著泥石流堆積物對河床的持續(xù)擠壓，將來可能會發(fā)生泥石流完全堵塞金沙江形成堰塞湖災(zāi)害。

3)基于實地調(diào)查和理論分析，筆者提出“穩(wěn)固+攔擋”的工程防治方案，通過布置4個谷坊群和1座攔沙壩來緩解流域內(nèi)的水土流失程度、壓縮匯入主河的泥石流土石方量，降低堵塞主河的概率，方案可為同地區(qū)的災(zāi)害治理提供參考。