瓦司沟泥石流特征分析及危险性评价

徐久燕，张 晋，史光明

（成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，成都610059）

瓦司沟位于四川省汶川县映秀镇S303线映秀至卧龙公路K2＋900～K3＋100处，为渔子溪左岸的一条支沟[1]。瓦司沟流域主要以“V”字形沟谷为主，沟谷两岸地形基本对称，流域内地形陡峻，切割深度较大，沟口处两侧岩壁较陡峭，无支沟发育。

2010年8月13日以映秀镇为中心，方圆10km范围内的地区遇到在2h降雨量达163mm的强降雨，于次日暴发大型泥石流，泥石流冲出沟道，堆积于沟口，掩埋公路致使交通中断，堆积体冲入河道抬升河床，部分堆积体被河水冲走，总量约23×104m3。

目前，沟内仍残留大量崩滑堆积物，物源丰富，地质条件和地貌条件都有利于泥石流的形成，在连续降雨或短时间强降雨作用下极易再次暴发大规模泥石流，对公路的正常通行造成影响。因此，对瓦司沟泥石流进行危险性评价对公路的灾后重建工作具有重要的工程意义。

1 形成条件

1.1 地质条件

该地区位于龙门山华夏系构造体系之中南段的九顶山华夏系构造带内，夹持于龙门山中央断裂（映秀断裂）与后山断裂（茂汶断裂）之间，断裂、裂隙发育，岩体破碎，河谷狭窄，谷坡陡峻，构造活动强烈。出露基岩为晋宁—澄江期花岗岩（γ42）、花岗闪长岩（γδ32），受地震影响岩体以碎块状—大块状镶嵌—砌体结构为主，节理裂隙较发育，易产生崩塌、掉块。表层覆盖崩坡积、洪坡积及滑坡堆积层等，结构大多松散（图1）。

图1 瓦司沟流域平面示意图

2008年“5.12”汶川大地震前，瓦司沟流域没有典型崩塌和滑坡体，植被覆盖良好，物源仅为岩体表层少量松散堆积物。震后，受地震影响，浅沟内崩塌和滑坡非常发育，为泥石流提供大量的松散固体物质来源。沟内堆积多处崩塌滑坡体，产生大量的松散堆积物积累在沟道两侧，同时淤塞沟道，使沟床及两侧堆积有6～8m厚的松散物源，根据现场实地调查与震后遥感影像解译相结合对物源进行统计，总方量约238×104m3（图2）。强降雨时，这些松散堆积物在雨水的冲刷作用下会迅速转换为泥石流的物源，从而再次暴发泥石流。

图2 瓦司沟物源影像图

1.2 地形地貌条件

瓦司沟泥石流位于渔子溪左岸，流域地貌形态上属于构造侵蚀的中高山地貌，沟内出露基岩岩性为晋宁—澄江期花岗岩。主沟长约1.19km，支沟不发育，流域面积1.67km2，流域平均宽度0.7km，流域内最高点高程2 454m，主沟沟头最高点白泥塘高程为1 700m，沟口海拔980m，流域内相对高差1 474m，平均沟床纵比降为667‰。瓦司沟流域主要以“V”字形沟谷为主，沟谷两岸地形基本对称，沟口处两侧岩壁较陡峭，沟口宽度50m。沟道纵坡降较大，地形陡峻，沟道比较顺直，为泥石流的发生提供足够的势能条件。结合地形地貌、汇水面积、物源分布等因素综合考虑进行划分，泥石流沟可以划分为3个区，即形成区、流通区及堆积区（图3）。

（1）形成区：从地形上看，瓦司沟无明显的支沟发育，仅发育几条浅沟，形成区高程1 350～2 050m，沟谷相对狭窄，总体形态呈漏斗状，易于物源汇集。从影像地质图上可以看出形成区滑坡体、崩塌体发育，沟道内有松散物质堆积，“8.14”前后均没有崩滑体完全堵塞沟道形成堰塞湖。

图3 瓦司沟剖面图

（2）流通区：流通区主要位于沟谷堆积区后缘以上至沟道浅沟汇集处，高程1 170～1 350m，沟谷长度约400m，平均纵坡降约538‰。流通区主要以冲刷为主，沟道比较顺直，两侧均有基岩出露，该段的松散物源主要补给方式是沟道内的大量堆积物，平均厚度约为8m。

（3）堆积区：堆积区位于渔子溪左岸，映卧公路K2＋900～K3＋100处，高程950～1 170m，沟谷长度约450m，平均纵坡降约488‰，整个堆积区沟道比较顺直，与流通区过渡段坡度较缓，易于物质堆积，沟口处坡度较陡。堆积区的物质成分主要是碎块石。本次泥石流冲出沟口，沟道堆积较少，堆积物扇体前缘宽度达到230m，扇体长度100m，平均厚度10m左右。堆积物冲出沟口处淤埋至渔子溪河道，将沟口公路路基掩埋，但并未形成堰塞湖，通过现场估算，瓦司沟泥石流冲出固体物质总量约为23×104m3。

1.3 气候条件

瓦司沟流域属盆地边缘气候区，气候温暖湿润，具有多雨多涝，无霜期长等气候特点，多年平均气温15.2～15.9℃。年降水量880～975mm，其中6—8月降雨集中，约占全年降水量的66%～76%，日最大降水量可达269.8mm。2010年8月13日，以映秀镇为中心，方圆10km范围内的地区在2h降雨量达163mm。

2 泥石流发育特征

2.1 老泥石流发育特征

瓦司沟为多期次老泥石流沟，说明历史上该沟曾暴发大规模泥石流。沟口右侧可见老泥石流残留堆积体，成分主要为花岗岩及花岗闪长岩块碎石土，碎石粒径以10～20cm为主，约占70%左右，最大块石粒径约为1m，分选性差，风化程度中等，表层物质堆积松散。堆积体高度达50m以上，因地貌改造及人类工程活动，堆积体破坏（图4）。[2]

图4 瓦司沟老泥石流堆积体

2.2 震后泥石流发育特征

瓦司沟在2010年“8.14”爆发了大规模的泥石流灾害，堆积体掩埋路基，抬升河床水位。沟口流通区泥石流泥痕约10m高，泥石流扇体前缘宽度达到230m，扇体长度100m，平均厚度10m左右。堆积体以粒径10～50cm的块石为主，约占50%左右，粒径50～100cm的块石含量约30%，最大块石达到2～3m，主要分布于扇体前缘，其余为混杂的粉质黏土。泥石流暴发时将路基掩埋，造成交通中断，由于渔子溪河谷开阔，瓦司沟沟口一带沟床坡度大，本次泥石流堆积体主要堆积在沟口，未造成渔子溪河道阻塞。沟道两岸斜坡陡峻，不良地质现象发育，物源丰富，植被覆盖率低，沟口扇形堆积地形发育，河流受挤压明显（图5）。

图5 “8.14”泥石流堆积体

3 泥石流预测评价

泥石流危险性的评价方法很多，但是对于震后泥石流冲出规模的判定目前没有成熟的理论体系，尤其是强震区泥石流的规模预测评价没有可以借鉴的成功经验。因此，通过对瓦司沟泥石流根据雨洪法计算的泥石流流量，从而对该沟泥石流危险程度进行评价预测。

3.1 泥石流流量计算

泥石流流量的计算方法很多，主要有雨洪法、形态调查法和最大粒径法。瓦司沟泥石流受暴雨影响较大，其流量计算参考雨洪法[3]。

3.1.1 瓦司沟泥石流峰值流量计算

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[4]），根据《泥石流灾害防治工程勘查规范》[5]中的雨洪法计算公式：

式中：Qc—— 频率为P 的泥石流洪峰值流量（m3／s）；

Qp——频率为P 的暴雨洪水设计流量（m3／s）；

Ф——泥石流泥沙修正系数。

式中：γc—— 泥石流容重（t／m3）；

γw—— 清水的重度（t／m3），取值1.0；

γH—— 泥石流中固体物质重度（t／m3）；

Dc——泥石流堵塞系数，查表可得。

根据现场调查和查（N～γc）对照表，瓦司沟泥石流重度综合取值为：γh＝2.6，γc＝2（全流域100a一遇泥石流，设计频率1%），γc＝1.95（全流域50a一遇泥石流，设计频率2%）；查《四川省水文手册》得泥石流堵塞系数Dc＝1.3，1h暴雨洪水设计流量Qp＝91.35（1%），Qp＝83.25（2%）。将以上参数带入式中，得瓦司沟泥石流峰值流量见表1。

表1 瓦司沟泥石流峰值流量

3.1.2 瓦司沟泥石流一次泥石流过程总量计算

根据《规范》，瓦司沟一次泥石流过程总量Q（m3）由式（2）得出。

其中，K ＝0.264，当F ＜5km2，K ＝0.202；F＝5～10km2，K ＝0.113；F ＝10～100km2，K ＝0.037 8；F＞100km2，K ＜0.025 2。

一次泥石流冲出的固体物质总量QH（m3）：

瓦司沟泥石流历时40min左右，即T＝2 400s。由于瓦司沟流域面积小于5km2，所以取K＝0.202，γc、γH取值与式（1）中相同，代入式（2）、式（3），计算结果见表2。

表2 一次泥石流总量和固体物质总量

根据瓦司沟泥石流的现场调查，泥石流堆积体前缘部分被水流冲走，堆积体总体形态未发生较大改变，沟口堆积体总量约为23×104m3，因此判断沟口堆积量为泥石流一次过程总量，与上述计算的一次过程总量值基本相符。

3.2 泥石流发展趋势

瓦司沟泥石流主要威胁性是於埋沟口处S303公路，冲入渔子溪抬高河床，淤塞河道形成堰塞湖。同时，瓦司沟泥石流出口与渔子溪呈近于直角，8月14日暴发泥石流堆积物已经堆积至渔子溪河道，掩埋公路路基，造成交通中断[1]。

瓦司沟为老泥石流沟，其地形地貌条件为泥石流的暴发提供了足够的势能。从沟口右侧堆积的老泥石流堆积体位置及厚度可以推测历史上瓦司沟曾爆发大规模泥石流灾害，并对公路通行造成巨大影响。“5.12”汶川大地震后，瓦司沟流域产生大量的崩塌和滑坡，为泥石流的暴发提供了丰富的固体物质来源。“8.14”泥石流后，瓦司沟内仍然有大量的松散堆积物堆积于沟道及两侧，物源量在暴发泥石流前后变化不大。在短时强降雨或持续降雨作用下，再次暴发大规模泥石流的可能性极大，其堆积物将冲入河道，再次掩埋公路路基，堵塞河道形成堰塞湖。

4 泥石流防治

泥石流防治工程措施主要是在泥石流的形成、流通、堆积区内采取放坡、护坡、拦挡、支护、排导、引渡、停淤工程等治理工程，以控制泥石流的发生和危害[6]。

根据瓦司沟泥石流形成条件、发育特征、泥石流流量计算、防治工作现状及减灾要求，需对其进行工程治理以确保公路正常通行。确定原则为：因地制宜，因灾设防；以防为主，防治结合；治理工程与布局规划相结合[1]。受汶川“5.12”地震影响，“8.14”山洪泥石流灾害期间映卧公路K2＋400～K7＋250标段发育多处大型地质灾害，致使公路多处中断。因此，对瓦司沟泥石流的治理应综合考虑区域地质灾害发育情况。

泥石流的工程治理措施一般设置于其流通区及堆积区，瓦司沟泥石流流通区沟床纵坡降较大，沟道顺直，上部物源丰富，爆发大规模泥石流灾害时，拦挡、排导措施效用较小。堆积区上部平缓，沟口处地势陡峭，近于直立，根据泥石流发育特征，可在堆积区对泥石流进行排导。瓦司沟流域地貌条件复杂，在极端降雨条件下爆发大规模泥石流的可能性较大，在堆积区修建排导工程对大规模泥石流排导效果不明显，且施工难度较大。结合该区域地质灾害发育情况，宜采用隧道形式对其进行绕避。

5 结语

（1）瓦司沟泥石流是一个大型老泥石流沟，历史曾暴发大规模泥石流，该沟流域面积1.67km2，主沟长1.19km，沟道纵坡降较大，平均纵坡降为667‰，地形陡峻，沟道比较顺直，为泥石流的发生提供足够的势能条件。震后，受地震影响，浅沟内崩塌和滑坡非常发育，为泥石流提供大量的松散固体物质来源，据统计总方量约238×104m3。

（2）受强降雨影响该沟与2010年“8.14”爆发了大规模的泥石流灾害，堆积体掩埋路基，抬升河床水位，沟口堆积物总量约23×10m4。按照雨洪法计算得出瓦司沟全流域50a一遇泥石流（设计频率为2%），峰值流量为266.4m3／s，固体物质总量18.88×104m3；全流域100a一遇泥石流（设计频率为1%），峰值流量为 316.68m3／s，固体物质总量25.59×104m3。

（3）瓦司沟流域仍有大量的崩塌和滑坡堆积物，沟域内部分沟道堵塞，物源丰富，当降雨条件充足时极有可能再次暴发大规模泥石流，掩埋公路造成交通中断，堵塞渔子溪形成堰塞湖。瓦司沟流域地形条件特殊，单独对其进行治理意义不大，建议以长隧道对其绕避。

[1]沈军辉，彭昌翠，唐垒庆，等.省道303线映秀至卧龙公路恢复重建工程沿线自然地质灾害诱发的工程安全评估[D].成都：成都理工大学，2011.64－80.

[2]张晋，李满意，袁屹璋.映卧公路干沟泥石流发育特征及危险性评价[J].长春工程学院学报：自然科学版，2011，12（3）：72－74.

[2]李鸿军，徐望国，谢军.雨洪法在泥石流流量计算中的应用[J].内江科技，2011，5：26－27.

[3]沈跃民，陈天良.四川省中小流域暴雨洪水计算手册[M].成都：[s.n.]，1984：8，107－124，218－219.

[4]DZ／T 0220—2006，泥石流灾害防治工程勘查规范[S].

[5]刘希林，唐川.泥石流危险性分析[M].北京：科学出版社，1995：1－93.