四川省安县千佛山景区王爷庙沟泥石流特征分析

鄢松，姚亨林

(1．中冶成都勘察研究总院有限公司，四川成都610023;2．四川省交通厅交通勘察设计研究院，四川成都610017)

2008年8月，位于四川省绵阳市安县千佛山景区的王爷庙沟发生了一起泥石流，造成金溪河堵河危害。本文根据现场考察，对王爷庙沟流域特征、分区特征、动力特征及其危险度进行了分析，其防灾减灾措施主要是植树造林，拦挡排导，提高下游的排导能力。

1 流域特征

区内地层主要为古生界寒武系下统的清平组(ε1c)，还包括少量的古生界震旦系上统邱家河组(Zbq)和古生界奥陶系中统的宝塔组(O2b)，岩性主要为粉砂岩、砂岩等。由于地震原因，沟道两侧植被基本破坏，崩塌、滑坡地质灾害发育。

该沟流域的汇水面积约0.53 km2，主沟长约1 537 m，沟道主沟沟谷呈“V”字型，流域内最高海拔约1 680 m，沟口海拔约1 010 m，主沟流域相对高差约570 m，主沟沟床平均纵坡降34.4%，主沟道两侧平均坡降约43.6%。流域内共发育有一条支沟，主沟及支沟两侧比降大，流向基本与主沟道顺向，非常有利于泥石流的形成、流通。流域简图见图1。

图1 王爷庙沟流域简图

2 分区特征

王爷庙沟泥石流可以分为4个区域，即清水区、形成区、流通区和堆积区;其分区纵坡比及特征见图2、表1，简述

图2 王爷庙沟纵坡比

如下。

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2.1 清水区

清水区是泥石流形成的动力源区，其对泥石流形成的影响主要表现为汇流作用。当降水发生时，清水区将分散的地表径流汇集，增大流域的清水流量，并迅速进入主沟，冲刷沟道底床及两岸不稳定边坡的松散物质，从而导致泥石流的发生。王爷庙沟的清水区主要位于海拔1 460 m以上区域，集水面积约0.13 km2，占总流域面积的四分之一多。据调查，由于地震原因，清水区内多见基岩裸露，区内有明显的滑坡、崩塌等不良地质现象，基岩节理、裂隙较为发育，并有一定程度的风化。对王爷庙沟泥石流的水源、物源补给贡献较大。

2.2 形成区

形成区是泥石流物质补给的主要源区，对泥石流的影响主要表现在为泥石流的发生提供足够的松散固体物源，在水动力的作用下汇入沟道，形成泥石流。王爷庙沟的形成区位于高程1 170～1 460 m之间，形成区面积为0.28 km2，该段主沟长约795 m，沟道坡降350‰，沟宽5～10m不等，呈“V”字形沟谷。该区内基岩风化较为强烈，表层岩石较为破碎，节理裂隙发育程度相对较高，沟道内随处可见崩塌、滑坡，堆积的石块粒径小至5 cm，大至50 cm。崩积体是形成区主要的松散固体物质补给源。

2.3 流通区

流通区对泥石流的影响主要表现为改变泥石流的动力学参数特征，如加速或减速、堵塞等。当流通区沟道比降较大的情况下，泥石流在此便会得到加速，泥石流的流速、冲击力、破坏力等便会增大，反之则减小。王爷庙沟的流通区主要位于高程1 060～1 170 m之间，面积约为0.10 km2，沟长约370 m，坡降297‰，沟道呈“V”字形，宽约5～10 m，沟道内石块粒径以5～20 cm为主，最大至80 cm。由于地震原因，流通区内遍布大量滑坡、崩塌，给泥石流的爆发又提供了丰富的物源。

2.4 堆积区

堆积区是泥石流的主要堆积场所，也是泥石流危害最大的区域，一般情况下，堆积区坡度较缓，泥石流到此后所受的阻力便会增大，流速减小，并开始沿途堆积。王爷庙沟泥石流的堆积区位于高程1 060～1 010 m之间，泥石流堆积物已延伸至金溪河边，堆积区呈明显的扇状结构，扇顶角约为100°，堆积区面积为0.16×104m2，堆积区粒径以5～10 cm为主，最大至30 cm。其堆积厚度1.5～2m，估算该堆积扇的堆积体积为0.32×104m3。堆积区内可见粒径分布范围主要在10～30 cm之间。

3 泥石流成因分析

3.1 地形地貌条件

王爷庙沟道两侧地形陡峻，为典型的峡谷地貌。沟口高程大约1 010 m，最高高程1 680 m，相对高差达570 m。平均沟床纵比降34.4%，山坡平均坡度60°，陡坡和沟床利于松散固体物质的能量释放和转化;王爷庙沟相对高差较大，流域面积较小、坡陡、沟道短且总比降较大，这些特征均有利于泥石流的形成与运动。

3.2 固体物源条件

根据现场调查，王爷庙沟出露岩性以粉砂岩、砂岩为主，沟道内两岸基岩表层风化强烈且节理裂隙发育程度相对较高，滑坡、崩塌发育，风化堆积物与沟道内松散堆积体是王爷庙沟泥石流固体物质的主要来源之一。据调查估算，能够参与泥石流活动的松散固体物质储量为12.16×104m3。

3.3 水源条件

降水是深家沟泥石流发生的主要诱发因素，雨水既是激发泥石流形成的动力条件，又是组成泥石流的水体成分。该地区气象参考资料知，区内多年平均年降雨量为1 200 mm，历年最大一日降雨量64.3 mm，因此可以判断，短时强降雨是引发该沟泥石流的主要原因。

4 泥石流动力特征

4.1 泥石流容重计算

由于没有条件取得泥石流现场样品计算重度值，因此按照国土资源部《泥石流灾害防治工程勘查规范》(DZ/T 0220－2006)，采用经验法:通过现场调查得出王爷庙沟泥石流水土比例为6∶5，按下式计算泥石流容重［1］:

式中:γc为泥石流重度(t/m3);γH为固体物质密度(取2.5t/m3);P为泥石流体中固体物质体积与水的体积之比。计算得γc为1.81t/m3，属粘性泥石流。

4.2 山洪流量计算

王爷庙沟流域内无水文观测资料和降雨观测资料，本次计算工作根据《四川省中小流域暴雨洪水计算手册》提供的暴雨资料，假定暴雨和山洪同频率出现，采用其推荐的推理公式由设计暴雨推求设计洪峰流量［1］。

式中:Q为设计洪峰流量(m3/s);ψ为洪峰径流系数;τ为汇流时间(h);n为暴雨衰减指数;s为暴雨雨力(mm/h);F为流域面积(km2)。

计算结果见表2。

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4.3 泥石流洪峰设计流量

泥石流洪峰流量的计算采用配方法，即假定泥石流与暴雨洪水同频率并同时发生，计算断面的暴雨洪水设计流量全部变成泥石流流量。在计算过程中，还适当考虑沟道的堵塞，乘以堵塞系数D。

假定泥石流与暴雨洪水同频率发生，采用配方法将暴雨洪水流量全部换算为泥石流流量，计算公式如下:

式中:Qc为设计泥石流峰值流量(m3/s);φ为泥石流修正系数，φ=(rc－rw)/(rs－rc);rc为泥石流容重(t/m3);rw为水容重(t/m3);rs为泥沙比重(t/m3);D为泥石流堵塞系数。

计算结果见表3。

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4.4 泥石流流速的计算

流速U按照《泥石流防治指南》中推荐的粘性泥石流的计算公式进行计算［2］:

其中:U为平均速度(m/s);R为水力半径(m);S为底坡坡度。

在沟口处测量2个断面参数，计算结果见表4。

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结合表3、表4、表5可知该泥石流规模为小型泥石流。

4.5 泥石流冲击力的计算

泥石流在进入堆积扇后开始大量淤积，淤积厚度及方量可由以下公式计算，泥石流的潜在危险区也可以根据相应的淤埋范围确定［4］，其计算公式为:

式中:τB为泥石流体屈服应力(N/m2);γ'=(γs－γ0)，泥石流相对容重(kg/m3)，γs为泥石流容重(kg/m3)，γ0为水容重，γ0=1 000(kg/m3);g为重力加速度(m/s2);θ为堆积区坡度(°)，通过调查得到王爷庙沟堆积区坡度为5°;h为泥石流的最大堆积厚度(m)。

计算不同频率下的泥石流可能淤积厚度见表6。

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4.6 泥石流冲击力的计算

泥石流冲击力可以分成泥石流流动压力和个别石块冲击力两个部分，实践和计算结果告诉我们，个别石块的冲击力对工程建筑物的威胁要远远大于流体动压力，并往往是导致工程失事的原因。根据陈光曦［5］高级工程师的计算方法为:

式中:δ为泥石流体整体冲击力(t/m2);g为重力加速度(m/s2)，取g=9.8 m/s2;Vc为泥石流流速(m/s);α为建筑物受力面与泥石流冲压力方向的夹角(°)，按最危险力取90°;λ为建筑物形状系数，λ=1.0。

计算结果为泥石流冲击力δ=11.12 t/m2。

4.7 泥石流的危险范围

通过计算，王爷庙沟泥石流一次松散固体物质最大补给量V为4 680 m3;堆积区坡度I为5°;泥石流重度为1.81 t/m3(按50年一遇计算)，将以上参数代入一次泥石流危险范围预测模型［6］:a=0.4935L2;L=2.5748(VIrc/ln rc)1/3;d=0.254［Vrc(I2ln rc)］1/3;得出王爷庙沟泥石流危险范围a为5 863 m2，泥石流最大堆积长度L为109 m，泥石流最大堆积厚度d为2.69 m。

5 防治建议

由于王爷庙沟泥石流对金溪河及对面村庄存在直接危害，应采取一些必要防护措施。

5.1 生物防治

生物治理方案主要布置于泥石流流域以及坡度大于25°的陡坡，通过增加植被覆盖率来固稳斜坡，减少泥石流的固体物源，消减泥石流的下泄流量，起到降低泥石流规模和发生频率的作用。在一些严重灾害点仅仅依靠生物措施尚不能完全解决问题，还须与工程措施相结合才能产生明显的防治效益。

5.2 工程防治

对上游形成区以固坡为主，减少泥石流松散物质的补给量，主要采取的生物措施是种草植树。中游流通区以拦挡工程措施为主，主要措施为修建谷坊、拦砂坝等。下游堆积区以排导工程措施为主，对淤积严重的河床清淤疏通，主要措施为排导槽、停淤场。

5.3 行政防治措施

各级政府部门应重视地质灾害的防治，加强地质灾害知识宣传，做好防灾避灾工作。加强群防群设网络的建设，在地质灾害的防治工程实施中，加强工程质量管理等措施保证地质灾害的防治趋向科学化、程序化、规范化。

6 结束语

王爷庙沟泥石流为粘性、小型规模泥石流，该沟流域山高坡陡，相对高差较大，地震后崩塌、滑坡等不良地质体发育，沟道内覆盖大量松散固体物质，两岸坡面堆积物丰富，为泥石流形成发育提供了大量的固体物质。连续的前期降雨使王爷庙主沟及支沟两岸土体逐渐饱和，降雨诱发泥石流灾害。文中对泥石流流域特征、动力特征等分析得出的结果可作为开展下一步工作的基础性资料。

［1］交通部第一铁路设计院．铁路工程地质手册［M］．北京:人民交通出版社，1975

［2］周必凡，李德基，罗德富，等．泥石流防治指南［M］．北京:科学出版社，1991

［3］DZ－T－0220－2006泥石流防治工程勘察规范［S］

［4］吴积善，康志成，田连权，等．云南蒋家沟泥石流观测研究［M］．北京:科学出版社，1990:110－112

［5］陈光曦，王继康，王林海．泥石流防治［M］．北京:中国铁道出版社，1983:71－80

［6］刘希林，唐川．泥石流危险性评价［M］．北京:科学出版社，1995