大渡河左岸小河沟泥石流特征及其危险性评估研究

2011-02-11程礼来吴俊峰

水土保持研究 2011年1期

程礼来，吴俊峰

（1.河南省地矿局地球物理勘查队，郑州 450053；2.成都理工大学地质灾害与环境保护国家重点实验室，成都 610059）

小河沟位于四川省泸定县得妥乡境内，大渡河左岸，沟口距大岗山坝址约11.2km。该沟2009年爆发泥石流，中断S211省道，并在沟口造成大渡河暂时性堵河，沟口拱桥净空减小一半。研究该沟泥石流特征，评价其活动对大岗山电站库区及S211省道的影响，具有重要的现实意义。

1 泥石流形成条件

（1）地形。小河沟源于海拔约2750 m处，最后在海拔约1027 m处流入大渡河，主沟长约4.7km，流域面积10.36km2，平均纵坡降370‰，具备了典型的泥石流沟地形地貌特征，即形成区、流通区和堆积区区分明显。形成区三面环山，冲沟发育，主沟叫马塘子沟，最大的一条支沟为郭家沟，沟内常年有流水；四吊一沟较短，为季节性流水沟谷，沟谷总体坡度30°～45°；流通区沟顺直，谷较狭窄，呈“V”字型，沟壁坡度大于60°；沟口以大角度与大渡河交汇。

沟谷流域内植被因受地形地貌、地层岩性等的影响，其垂直分带性非常明显。沟底至海拔1500 m，为人类活动集中区域，植被以农作物和果树为主，海拔1500 ～2200 m植被类型以乔灌木为主，2200 m以上植被类型以森林为主。小河沟上游两岸植被较好，覆盖率70%以上。

（2）地层与构造活动。小河沟流域内的岩性主要为澄江期的花岗岩（γ2），流域右侧支沟马塘子沟内有部分三叠系白果湾组（T3bg）的砂板岩，此外第四系（Q3－4）堆积物广泛分布于小河沟沟口、沟道内及两岸的缓坡地带，主要包括坡残积物、泥石流堆积物和少量的崩塌、滑坡堆积体（图1）。沟内可见裸露花岗岩基岩，细小节理发育，但闭合较好，岩体较完整。右侧支沟内的砂板岩整体完整性较差，易被风化剥蚀。根据现场调查及1∶20万区域地质图，小河沟流域内无断层通过，但研究区经历了中更新世的剥蚀夷平及中更新世晚期以来的强烈隆升区，岩体中构造节理及浅表层岩体卸荷裂隙及风化裂隙发育，为丰富的物源形成奠定了良好的条件。

图1 小河沟流域地质图

（3）水文气象。研究区属四川盆地亚热带湿润气候区，气候垂直变化明显，四季分明，年平均气温一般为13～18℃，极端最低气温一般－5℃左右，最高气温多发生在7－8月。因受焚风影响形成少雨区，多年平均年降水量在700mm左右，但降水量主要集中在5－10月，其中又以6－9月最多。雨季均发生过暴雨，最大日降水量达100mm以上（2009年）。小河沟流域降雨多以地表径流的形式流入沟中，以降雨为主要水动力，常年流水，沟源有泉水出露。

（4）人类活动。人类工程活动在形成区较为活跃，从沟口1027 ～1500 m高程均为人类工程活动区，机耕道开挖、削坡、大于30°的斜坡上开垦坡地及植被的破坏，加速了雨水的侵蚀作用，堆积前缘的掏蚀临空降低了堆积体的稳定性，为堆积体失稳并堵塞沟道创造了条件。

2 泥石流沟特征

2.1 泥石流沟功能分区特征

小河沟泥石流的功能区划分如下:小河沟泥石流物源区与清水汇流区大致以1600 m高程为分界线（见图2）。清水汇流区纵坡降约487.27‰，植被茂盛，沟谷狭窄，偶见零星崩落的块石堆积于沟底。

图2 小河沟泥石流纵坡降图

小河沟泥石流物源区纵坡降约411.21‰，物源主要为用于耕种的残坡积堆积物和沟道附近的崩塌堆积、洪积或古泥石流堆积体（照片1），其中在紫雅村附近发育有一小型覆盖层滑坡，体积约4万m3，主滑方向40°。物源以黏土、碎石、块石为主，成分为花岗岩、砂板岩等，结构松散。小河沟流通区纵坡降约182.30‰，区内沟道狭窄且在近沟口段有局部弯道，弯道的岩壁上可以清楚地看到2009年9月份泥石流撞击留下的泥痕（照片2）。流通区以下直达大渡河为小河沟泥石流的堆积区，该区纵坡降约61.08‰，长约30m，根据野外调查，该沟在大渡河强烈切割区形成一个具有一定规模的泥石流堆积扇（扇长82m，宽15m，扩散角130°）（照片3－4），该沟曾发生过大型泥石流造成短时间的堵河，溃坝后大部分的泥石流物质被河流冲走，如今大渡河在枯水季节局限在靠右岸一侧流动（照片4）。

照片1 物源区坡体表层冲沟

照片2 流通区沟底堆积物及沟壁泥痕

照片3 沟口堆积扇扇顶（沟口堵塞）

照片4 小河沟泥石流沟口堆积扇

小河沟上游两岸缓坡地带形成大量结构松散，稳定性差的残坡积堆积体，在沟道内则夹有部分古泥石流残留堆积体（物质成分花岗岩和闪长岩为主，分选差，胶结较好，磨圆较好，由漂砾石夹泥沙组成）和崩塌堆积体，该部分物源的整体稳定性较好，按临界坡度30°划为稳定或半稳定物源。小河沟物源见表1。

综上所述，该沟物源总量较多，约为130.8万m3，其中约有20.3万m3为结构松散的不稳定物源，易被降雨或泥石流冲蚀形成物源。

2.2 历史泥石流活动特征

跟据作者现场调查访问，小河沟每年雨季均有小规模泥石流发生，因历时短，固体物源少，为稀性泥石流，危害小，没有引起人们重视，未获得具体的数据。历史上较大的一次是1983年7月份雨季，规模比2009年略小，在沟口也有推挤大渡河并形成险滩现象，几年后就被大渡河冲刷消失了。据老乡介绍，1983年泥石流发生与耕地挤占沟道，雨季垮塌堵塞有关。

表1 小河沟泥石流物源特征一览表

表2 小河沟泥石流易发程度评判表

2.3 2009年泥石流活动特征

小河沟上游左侧的四吊一支沟是2009年泥石流最为严重的支沟。持续4～5h的暴雨，引发了泥石流灾害。四吊一支沟泥石流在转弯处崩塌堵塞，随后，溃决，夹杂大量泥石的流体飞泄而下，主沟沟口泥位达8.5m。另外郭家沟支沟泥石流现象较为严重，沟内随处可见崩塌堆积体。其余两沟泥石流较轻。沟口的S211公路被堵，桥洞堵塞近一半（照片3－4），根据现场配浆试验，泥石流容重大18.6kN／m3，调查当时老乡描述的堆积物规模复原测量及计算复核，2009年泥石流的输沙量约5400 m3。小河沟泥石流的暴发与其沟谷发育形态、人类改造及降雨有密切的关系。分析该沟泥石流暴发周期为20年一遇，属于中频的粘性降雨型泥石流。小河沟泥石流沟的汇水面积较大，支沟发育，沟内岩体除右侧马塘子沟为砂板岩地层，岩性较破碎外，其余都为花岗岩，岩体总体较完整。沟内物源主要为残坡积堆积体，在沟内广泛分布，暴雨时，雨水带走坡体上的松散物质，并形成冲沟，在强大水动力条件下，所有物质汇入主沟，崩塌形成的大块石在狭窄沟道内堵塞，后溃决，形成冲击力极强的粘性泥石流，冲出沟口，流入大渡河。综上所述，强降雨与堵塞－溃决是小河沟2009年泥石流形成的两个基本条件，小河沟泥石流属于降雨型沟谷堵塞－溃决型泥石流。

3 危险性评价

按照泥石流易发程度评价［1］，对小河沟天然状况下诸因素打分进行综合评价，其评分值参见表2，评分值为100（表2），属于中等易发泥石流沟。

为了分析泥石流现状及对工程建设形成危害的潜在危险性，采用地质灾害危险性分析的方法，分析研究区泥石流危险性指数构成，建立危险性分析结构模型［1－2］。

以小河沟流域范围作为分析单元，分析影响泥石流潜在活动强度的各种控制条件，在此基础上建立泥石流危险性指数计算模型，从而确定泥石流灾害的发育特征。参考前人的分析经验，采用下式计算泥石流危险性指数（Zw）:

式中:Z1——泥石流的历史强度；Zq——泥石流的潜在强度；A1——历史强度的权重；Aq——潜在强度的权重，分别为0.3和0.7；α——修正系数，泥石流取0.46［3－5］。历史灾害强度按下式计算:

式中:G——历史活动规模的评判等级分值；P——活动频率的评判等级分值。根据泥石流的堆积体积和活动性各取0～5间的数值。该值是依据工作经验按两类因素分别取值后叠加形成的。

潜在泥石流危险强度按下式计算:

式中:D——控制泥石流形成与发展的地质条件的标度分值；X——地形地貌条件的标度分值；Q——控制泥石流形成与发展的气候植被条件的标度分值；R——控制泥石流形成与发展的人为条件充分程度的标度分值。评分标准采用张业成等人的研究成果［3－5］，其具体内容和评判标准见表3（带△项为小河沟特征）。Ad，Ax，Aq，Ar为4类泥石流形成条件的权重（表4）。K为修正系数，取0.7。以上分析中所使用的权重是张业成先生等采用专家问卷调查的方法并对调查结果采用层次分析后获得的，依据充分，结果可信。根据上述原则对小河沟的泥石流危险程度进行判别。

表3 小河沟泥石流潜在活动强度控制条件判别表

根据以上标准和小河沟的实际情况，危险性指数计算参数D、X、Q、R 值分别为:13，36，6，6；G、P 值分别为4，4；经计算潜在危险性Zq为10.724，历史危险性Zl为16，小河沟泥石流危险性指数Zw为5.66。按照危险性指数判别标准（表5）:小河沟泥石流为危险性大。

泥石流危险度的评价方法很多［6－12］，这里采用单沟泥石流危险度评价方法［13－14］。改进单沟泥石流危险度评价方法采用7个评价因子，除主要内在因子泥石流规模m和发生频率f外，其它次要环境因子分别是流域面积s1、主沟长度s2、流域相对高差s3、流域切割密度s6和不稳定沟床比例s9。这5个次要因子可从流域地形图上比较准确地获取。次要因子是采用双系列关联度分析方法筛选的，所以其判定结果可信度较高。

单沟泥石流危险度计算公式为

式中:M，F，S1，S2，S3，S6，S9分别为 m，f，s1，s2，s3，s6，s9的转化值。按照单沟泥石流危险度评价因子的转换函数表7，计算可得相应的转换值表8。

表4 各种影响条件对地质灾害强度的作用权值

表5 泥石流危险性等级划分

根据公式（4），小河沟泥石流的危险度为 H为0.57，按照分级标准:极低危险（0＜H＜0.2）、低度危险（0.2＜H＜0.4）、中度危险（0.4＜H＜0.6）、高度危险（0.6＜H＜0.8）、极高危险（0.8＜H＜1.0），可知小河沟属于中度危险的泥石流沟，与实地调查小河沟泥石流的定性结果吻合。

表6 单沟泥石流危险度评价因子的权重系数

表7 危险度评价因子和转换函数

表8 危险度评价因子转换值

小河沟泥石流易发程度评价结果为中等易发，危险性指数评价为危险性大的泥石流沟，单沟危险度评价结果为中度危险性。综合以上三种评价结果，小河沟是一条中等易发，危险性大的泥石流沟。

小河沟是一条高频中等易发的泥石流，流域内的降雨量、降雨类型、雨强和暴雨频率基本不变，因此诱发泥石流的外动力条件没有改变，泥石流暴发的基本规律不会发生改变。小河沟是一条处于发展期的泥石流沟，且沟内松散物源较多，将来在类似强降雨条件下，易发生泥石流灾害。

4 结论

通过现场调查，对小河沟泥石流有如下几点认识:（1）具备泥石流发生的地形条件；（2）沟内物源较丰富，人类工程活动强，降雨强于集中；（3）小河沟一条处于发展期的沟谷型、暴雨型，中等易发、中频、危险性大的泥石流沟；（4）小河沟泥石流对大岗山水电站库区影响表现为淤积，但由于输砂量小，库容大，对水库影响有限，但对S211及沿沟村道的影响较大，表现为堵塞沟口拱桥，中断交通；沟内滑坡坡脚的侵蚀将有可能诱发滑坡的复活，威胁居住滑坡上居民的生命及财产安全。

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