川西某沟泥石流灾害形成条件及运动特征研究

郑涛,杨敏

(1.重庆市高新工程勘察设计院有限公司,重庆 400042;2.四川省地质环境监测总站,成都 610081)

川西某沟泥石流灾害形成条件及运动特征研究

郑涛1,杨敏2

(1.重庆市高新工程勘察设计院有限公司,重庆 400042;2.四川省地质环境监测总站,成都 610081)

查明了该泥石流的发育情况及泥石流沟谷特征,分析预测其发展趋势,并通过计算确定典型泥石流沟的运动特征,这些结论对于如何经济合理防治该泥石流沟泥石流灾害具有重要现实意义。建议采取以拦挡工程为主,排导与拦挡工程相结合,工程措施与生物措施结合的综合防治对策。

泥石流;沟谷特征;运动特征;综合防治

1 前言

泥石流沟位于阿坝州小金县,据老乡介绍,该泥石流沟基本上间隔2～3 a均会发生一次规模不等的泥石流。最近发生的一次泥石流为2009年5月,泥石流携带几百方泥沙淹没S303省道10余米,拥堵公路,极大地影响当地交通和居民生活,所幸没有威胁居民生命财产安全。因此,查明泥石流的发育情况及泥石流沟谷特征,分析预测其发展趋势,并通过计算确定典型泥石流沟的动力学特征,这些结论对于如何经济合理防治该沟泥石流灾害具有重要现实意义。

2 泥石流自然地质条件

2.1 气象水文

研究区系大渡河上游河谷地带,具高原型季风气候特征,基本丧失了亚热带气候特征。境内气候表现为暖温带、温带、寒温带、亚寒带、寒带和永冻带,随地势增高呈垂直分布的气候带谱。

研究区全年降水季节分配为:夏季(6～8月)降水量为占全年总量的47.43%;冬季(12～2月)降水量占全年总量的1.41%;春秋分别占年总量的25.52%,25.64%。夏半年(5～10月)多年平均降水量占全年的86.3%,其中6月占全年的20.6%;冬半年多年平均降水量占全年的13.7%。月平均最小值出现在12月,仅1.5 mm[1]。

2.2 地形地貌

泥石流沟地处小金县西部的高原区,西临丹巴县,属于邛崃山高山地貌区。地势南低北高,河流切割强烈,峰峦重叠,地面起伏大,地势以高山峡谷为主,山脉多呈东西走向,小金川河由东向西延伸。

2.3 地层岩性及地质构造

碎块石土:灰、灰褐色,干燥,稍密-松散,碎块石成分主要为变质砂岩,强风化,棱角状,分选差,粗颗粒约占55%,粒径多在5～10 cm之间,其中块石含量10%,碎石含量在20%～30%,角砾含量在20%之间,期间粉质粘土充填。该层大面积分布于斜坡地表,厚度在1～4 m。

卵砾石层:灰白色,湿-干燥,稍密-松散,成分主要为变质砂岩和板岩,强风化,次圆-圆状,分选一般,粗颗粒约占65%,粒径多在5～20 cm之间,其中块石含量在10%～15%之间,碎石含量在30%～40%之间,砾石含量在25%～30%之间,砂及少量粘性土充填,局部地段砂层富集,该层主要分布于小金河谷内。

(3)第四系全新统坡洪积层(Q4dl+pl)

砂卵砾石层:灰色,湿,稍密-密实,成分主要为变质砂岩和板岩,强风化,次圆状,分选一般,粗颗粒约占70%,粒径多在5～10 cm之间,其中块石含量15%,碎石含量在30%～40%之间,砾石含量在25%～30%之间,砂及少量粘性土充填,该层主要分布于沟谷内。

(4)第四系全新统泥石流堆积层(Q4sef)

块碎石层:灰、青灰色,湿-干燥,稍密-密实,成分主要为变质砂岩、板岩,强-微风化,次圆状,分选一般,粗颗粒约占65%,粒径多在15～40 cm之间,其中块石含量在30%～40%之间,碎石含量在20%～25%之间,砾石含量在5%～10%之间,其间粗砂充填。该层主要分布于沟口堆积扇。

(5)三叠系上统侏倭组(T3zh)

主要为灰色、深灰色中厚-厚层状细粒变质砂岩夹含炭绢云板岩、粉砂质板岩,呈不等厚韵律互层。该泥石流沟沟谷两岸未见基岩出露,根据外围调查,下伏基岩岩层产状为10°～12°∠55°～60°。

工程区处于小金弧形构造带内,构造形态以褶皱为主,系由一系列彼此协调、紧密排列、弧形朝南的线状褶皱组成近东西或北西方向展布的构造带,断裂构造少,规模小,卷入地层主要为泥盆系危关群-三叠系西康群,两翼伴有花岗岩侵入。

工程区以北为中梁子背斜,以南为老营倒转北斜,以西为牛屎坪断层,处于达维向斜的北翼。

3 泥石流发育特征

该沟位于小金川河左岸,流域地势南高北低,主沟长约5.1 km,支沟不发育,流域面积约为4.7 km2,沟谷深切、狭窄,以“V”型谷为主,沟床宽2～8 m。沟口入河处高程2160 m,沟源高程3800 m,流域落差1640 m,纵坡降为321.6‰。

泥石流的分区特征明显,主要分为3个区,即汇水区、流通区及堆积区。

汇水区分布高程2500～3800 m,沟源(海拔3200 m以上)属高山寒带气候,呈现高山寒带地貌,植被以高寒地带针叶林为主,植被覆盖好,覆盖率达80%。总的来看,该区汇水面积较大,汇水功能显著,同时物源较丰富,主要分布在沟床附近,在洪水季节,沟床物质及人工堆积物易被启动参与泥石流,至下游流通区进行加速,形成更大规模的泥石流。

流通区位于沟口上游处,分布高程在2260～2500 m之间,长约0.6 km,平均纵坡降400.0‰。沟谷呈狭窄“V”型谷,沟宽2～4 m不等,两侧岸坡平均坡度>50°。左侧岸坡以残坡积物为主,右侧岸坡为冰积台地。植被覆盖主要以低矮灌木为主,沟床内分布大量冲洪积物块碎石,局部大块石,呈次棱角状,粒径在40～70 cm居多,最大直径2～3 m,中粗砂充填。河床局部堆积修建公路的人工弃渣。总的来看,流通区沟道顺直,沟谷相对狭窄,纵坡降较大,具有明显的加速功能。

堆积区位于沟口出山处至小金河,该区地形开阔,沟口右侧为冰积台地,岸坡陡峭,堆积密实,整体稳定性较好。堆积扇上植被以高大乔木为主,覆盖率达30%～40%。扇体物质组成底部主要为老泥石流堆积物,成分为块碎石土,厚度3～5 m。块石呈次棱角-次磨圆状,粒径在20～75 cm之间;碎砾石呈次磨圆状,粒径在2～12 cm之间居多,粉质粘土充填。表层过水面为新近泥石流堆积物,堆积厚度0.5～1 m。由于地质历史时期该段沟谷摆动及人为改造等因素的影响,现该泥石流沟在沟口出山后向右侧转弯,主要由扇区右侧流过并汇入主河小金川,该沟在扇面上没有明显的冲沟形态,水流直接从扇面上过流,该段沟谷平均纵坡降151.1‰,纵坡较缓,有利于泥石流物质的淤积。

图1 泥石流沟泥石流形态特征图Fig.1 Features of the form s of debris flow gully-debris flow

4 泥石流形成条件及活动趋势分析

沟谷两岸地形坡度多在40°～50°之间。沟谷中上游地势相对平缓,沟内物源较为丰富,汇水功能显著,下游沟谷纵坡降增大,形态呈狭窄“V”型谷,沟谷的形态对泥石流汇水和物源提供重要条件。

该沟泥石流物源总量为28.82×104m3,其中可参与泥石流活动的动储量为2.64×104m3。沟岸崩滑积物源和坡面侵蚀物源在强降雨作用下,将可能首先启动,在上游暴发泥石流的情况下,启动主沟沟床内堆积物,形成规模较大的泥石流灾害。

暴雨是泥石流形成的主要引发因素,泥石流属暴雨沟谷型泥石流。由于沟谷流域面积较大,地形陡峻,易于汇水,水源较为丰富,泥石流类型主要为稀性泥石流。从扇体规模大小看,泥石流沟曾经暴发过大规模的泥石流活动,这显然是泥石流发展期活动的结果。在此次泥石流大规模活动后,泥石流的活动转而进入衰退期,其活动强度减弱,表现为后期泥石流堆积物覆盖于前期的堆积扇上的后退式活动。

5 泥石流运动特征与动力学特性

对于泥石流运动特征和动力特征的定性分析,是认识泥石流和进行泥石流防治工程设计的基本数据。由于无泥石流发生时的实际观测数据,我们对各泥石流沟的分析,主要根据查访资料,类比利用目前泥石流运动特征及动力特征研究的成果进行分析[2]。

5.1 泥石流流速

泥石流流速是表征泥石流运动特征的重要指标之一,泥石流流体性质属稀性泥石流。选择稀性泥石流流速计算公式(《泥石流灾害防治工程勘查规范》DZ/T0220-2006):

式中,Vc为泥石流断面平均流速(m/s);γH为泥石流固体物质重度(t/m3),取1.38 t/m3;φ为泥石流泥沙修正系数,取0.53;1/n为泥石流沟床的糙率系数,取4.5;Hc为平均泥深(m),取3.55 m;Ic为泥位纵坡率,取321.6‰。

由于这些计算参数中,泥石流过流断面积和平均泥深主要依据已发生过泥石流的沟谷调查得到的平均泥深和断面平均宽度确定。沟床糙率和粘性泥石流沟床糙率按野外调查得到的清水河床形态特征查水文手册和勘查规范确定。

计算得出:泥石流流速为1.98 m/s。

5.2 泥石流容重

泥石流容重的确定有实测法、拌样调查法和经验公式计算法等。本次采用经验公式法确定。泥石流容重的经验计算公式为:

式中,A为坍方程度系数,取0.8;IC为坍方区平均坡度,取400‰。

计算表明,容重值为1.38 t/m3,比较客观反映泥石流的基本特征。

5.3 泥石流峰值流量

假设泥石流与暴雨同频率、且同步发生,先按水文方法计算出断面不同频率下的小流域暴雨洪峰流量(计算方法查阅四川省水文手册),然后选用堵塞系数,按下式计算泥石流流量:

式中,Qc为泥石流洪峰值流量(m3/s);Qp为暴雨洪峰流量(m3/s),见表1;φ为泥石流泥沙修正系数,φ =(γC-γW)/(γH-γC)(γC为泥石流重度,t/m3;γW为清水重度,t/m3)或查规范可得,取0.53;DC为泥石流堵塞系数,取1.1。

根据以上公式,计算处库区3条典型泥石流沟在10%、5%、2%、1%四种频率下的泥石流峰值流量,结果见表1。

5.4 一次泥石流过程总量及输沙量

根据泥石流历时T(s)和最大流量Qc(m3/s),按泥石流暴涨暴落的特点,将其过程线概化成五角形计算。

一次泥石流冲出的固体物质总量QH(m3):

式中,Q为泥石流总量,104m3/s;QC为泥石流峰值流量,104m3/s,见表1;T为泥石流历时,min;根据理论计算及实际调查访问资料综合确定。

根据以上公式,计算处库区3条典型泥石流沟在10%、5%、2%、1%四种频率下的一次泥石流过程总量及固体物质总量,结果见表1。

表1 泥石流峰值流量、一次泥石流过程总量及输沙量表Table 1 Peak flood of debris flow,one-off total contentof a debris flow and its sediment discharge rate

5.5 泥石流整体冲压力

泥石流整体冲压力按《泥石流灾害防治工程设计规范》(DZ/T0239-2004)下式计算:

式中,F为泥石流冲压力(kN);λ为建筑物形状系数,圆形建筑物λ=1.0,矩形建筑物λ=1.33,方形建筑物λ=1.47;γc为泥石流重度(kN/m3),取1.38;Vc为泥石流平均流速(m/s),取1.98;α为建筑物受力面与泥石流冲压力方向的夹角(°)。

计算过程主要选择拟布设拦挡工程部位各断面进行计算。建筑物形状系数按矩形建筑取λ= 1.33,拟设工程位置泥石流整体冲压力计算参数及计算结果详见表2。

表2 泥石流整体冲压力计算表Table 2 Calculation on the overall ram p ressure of the debris flow

6 结论

本文阐述了该泥石流沟的发育情况及沟谷特征,分析预测其发展趋势,并通过计算确定典型泥石流沟的动力学特征,这些结论对于如何经济合理防治泥石流灾害具有重要现实意义。

根据泥石流的流速、流量和冲击力等参数计算,结果显示该沟泥石流为稀性泥石流,泥石流20 a一遇,一次固体物质冲出量0.16×104m3,其规模为小型泥石流,沟谷在20 a一遇的洪水条件下发生泥石流的可能性大,其危害能力一般,但仍将对沟口的村民生命及财产安全构成一定威胁。因此,建议采取“拦防结合”方案对该沟泥石流进行治理,并在治理后采取生物措施相结合的综合防治对策,在泥石流形成物源区采用恢复植被的生物工程措施及固沟稳坡的工程措施[3,4]。

[1]柳金峰,欧国强.泥石流危险性评价的新思路[J].地质灾害与环境保护,2004,15(1):5-8.

[2]泥石流灾害防治工程勘查规范(DZ/T 0220-2006)[S].北京:中国标准出版社,2006.

[3]吴积善,田连权.泥石流及其综合治理[M].北京:科学出版社, 1993.

[4]周必凡.泥石流防治指南[M].北京:科学出版社,1991.

FORM ING COND ITIONSAND MOVEM ENT FEATURESOF DEBRIS FLOW D ISASTERS IN A CERTAIN RAVINE IN WESTERN SICHUAN PROVINCE

ZHENG Tao1,YANGM in2
(1.Chongqing Gaoxin Institute of Investigation and Design of Geoteclnical Engineering L td.,Chongqing 400042,China; 2.Sichuan Gedogical Circumstance Inspect Center,Chengdu 610081,China)

In this paper,the developmental state of the debris flow and its ravine features were examined,and analysis has been made on the development tendency of the debris flow.In addition,the movement features of a typical debris flow gully were confirmed by calculation.These conclusions have important p ractical significance to p revent the disasters incurred by this debris flow in an economically and reasonably way.As fo r the measures of integrated control,it is suggested that engineering p rojects of intercep tion and diversion shall be combined to p revent the debris flow,in w hich the intercep tion shall be taken as the p rio rity.Meanw hile,engineeringmeasures and biologicalmeasures shall also be combined on the p revention of debris flow.

:debris flow;ravine features;movement features;integrated control

P642.23

:A

1006-4362(2010)02-0024-04

郑涛(1972- ),男,工程师,主要从事水、工、环地质以及地质灾害防治方面工作。

2010-03-22改回日期:2010-04-21