茨马绒沟泥石流运动及堆积特征

胡耀飞，宋胜武

（中国水电顾问集团成都勘测设计研究院，成都 610072）

1 泥石流研究现状

1885年奥地利学者г.科赫于在对阿尔卑斯山暴发的泥石流进行深入的研究后，著成《关于南阿尔卑斯山泥石流的问题》，1928年，美国地质科学家Black welder博士发表了一篇名为《半干旱山区的地质营力：泥石流》［1]，标志了泥石流研究的开始。1943年，由奥地利学者哥特尔与温特尔合著而成的《山坡洪流的整治原理》，标志了从认识泥石流到治理泥石流应用研究的新篇章。

泥石流形成的三大条件即地形地貌条件、地层地质条件以及水文气象条件，在泥石流形成过程中缺一不可［2]。国内外对泥石流形成条件进行了大量的研究，我国学者崔鹏通过对横断山区北部九寨沟内的树正沟泥石流的启动条件的物理模拟研究，认为沟床坡度、水分状况和颗粒级配是影响泥石流启动的主要因素［3]；前苏联泥石流学者弗莱施曼将形成泥石流的必要条件归结为，一是在暴发泥石流的沟流域内要具有充足的松散固体物质，二是有足够数量的水体，三是有切割较深的山地地形［4]。

泥石流运动学特征着重研究泥石流发生的启动机制，运动过程中受沟道控制的冲淤情况，泥石流龙头、龙身、龙尾的流速在横断面和纵断面随时间的变化情况，泥石流的流动状态及泥石流类型等不同的方面。

2 研究区茨马绒泥石流沟的地质条件

2.1 研究来源

因电站建设的需要，在茨马绒泥石流沟沟口附近拟建机电安装场及综合加工系统。该沟汇水区面积大，沟内物源丰富，具备发生泥石流的基本条件，对沟口附近拟建场地的建筑设施及生命财产产生威胁，故应在充分研究该沟泥石流的形成发生条件的基础上，有针对性提出适宜的防护措施。

2.2 水文气象

雅砻江流域地处青藏高原东侧边缘地带，属川西高原气候区，主要受高空西风环流和西南季风影响，干、湿季分明。具有干季日照多、湿度小、日温差大，雨季日照少、湿度较大、日温差小的特点。

雅砻江流域洪水主要由暴雨形成，暴雨一般出现在6月－9月，主要集中在7、8两月，且多连续降雨；一次降雨过程为3 d左右，两次连续过程为5 d左右或更长时间，主雨段多在1～2 d。流域6月－9月为汛期，上游甘孜、雅江等站年最大洪水6月即可出现，中、下游各站年最大洪水多发生在7、8两月。雅砻江较大洪水多为两次以上的连续降雨形成，洪水一般具有洪峰相对不高、洪量大、历时长的特点。

2.3 泥石流沟谷特征

茨马绒沟位于四川省雅江县下游约56 k m的雅砻江左岸，流域面积86.1 k m2，主沟长约15.7 k m，发源于5 000 m高程，总体流向近NE－NW，主沟床平均纵坡降160.5‰，支沟从168‰～444‰大范围变化（表1），属常年性流水沟，在海拔约2 480 m处汇入雅砻江。

表1 茨马绒沟各主要支沟基本特征统计表Table 1 Basic characteristics of the main gullies of Cimaong Valley

茨马绒沟总体上为呈葫芦形“V”型谷地貌，沟谷宽窄不一，沟口堆积区及沟尾物源堆积区谷宽地带呈“U”字型或拓宽“V”字型，沟床宽一般8～50 m；流通区和各支沟地段多呈“V”字形，沟床宽一般8～20 m，纵坡较陡，水流湍急，流量动态变化较大，具陡涨陡落的山溪沟谷特征。流域水系见图1。

图1 茨马绒沟流域水系图Fig.1 Water system of Cimaong Valley

2.4 沟谷地质条件

沟内出露的基岩及第四系松散堆积物主要有：

根据GB 50010—2011《混凝土结构设计规范》的规定，HRB400、HRB500级钢筋的延性、抗疲劳性能、锚固性能、可焊性、冷弯性能、热稳定性等主要技术指标与HRB335级钢筋接近。因此，对于由裂缝控制的混凝土结构，采用HRB400级及HRB400级以上的高强钢筋并不能达到有效减少钢筋用量或减小断面厚度的目的。目前，国内铁路、市政、交通、水利、民用建筑等工程项目，由于现行规范的要求和最小配筋率的规定，主要采用裂缝宽度要求来控制配筋。因此，在进行这些工程的结构设计时，基本上采用HRB235和HRB335级钢筋，较少使用高强钢筋。

2.4.1 基岩

沟底高程2 900 m以下为两河口组，同时在沟的右岸高位出露二长花岗岩，与牙根二级坝址区为同一岩株，砂板岩与二长花岗岩呈侵入接触；沟底高程2 900 m以上为新都桥组砂板岩三段（T3xd3）地层，岩性为灰色－深灰色变质砂岩与灰色砂质绢云板岩、碳质绢云板岩。地层产状 N30°～45°W／NE∠70°，且主要发育N30°E／SE∠50°、近SN／E∠55°的两组裂隙。沟谷内断层较不发育，未见大的区域性断裂及活动断裂，以小断层及层内挤压带发育为主。该沟最大的断层为茨马绒断层，主要发育于近沟口右岸，对主沟岸坡影响不大。

2.4.2 第四系堆积物

第四系堆积物分布于沟谷中，主要有崩坡积堆积（Qcol＋dl）、坡残积堆积（Qdl＋el）、泥石流堆积（Qsef）、冲洪积堆积（Qpl＋al）。沟内小规模分散式垮塌较为普遍，可见数十处崩坡积体；整个沟床堆积物均见分布，主要为孤块碎块石土，结构松散，孤块石有一定磨圆度，粒径一般30～100 cm，最大可达2 m；坡残积物主要分布于两侧植被茂盛的斜坡以及坡脚地带，主要为粘性土夹碎块石，结构较松散，碎块石分选性较差，磨圆度差；冰水堆积物主要分布于距沟口0.9～3 k m区域，主要由碎块石土或粘性土夹碎块石组成，结构较松散，碎块石总体上分选性和磨圆度较差。

据现场调查与沟谷特征分析，茨马绒总体呈葫芦形，泥石流形成区、流通区和堆积区分区特征明显，同时流通区和堆积区可互为重叠互为转换。沟谷局部卡口，束放相间，部分沟床堆积物磨圆度较好，有分段搬运现象。

2.4.3 泥石流物源特征

茨马绒沟泥石流的物源类型主要分为崩滑堆积物源、坡面侵蚀物源、沟床堆积物源及支沟物源。崩滑堆积物源主要分布于主沟和支沟沟岸及沟源部位，分布较为广泛，主要为破碎岩体解体崩落至沟道形成。坡面侵蚀物源为坡表残坡积物及裸露的风化强烈的破碎岩体，在强降雨条件下，雨水冲刷坡表，携带细粒物质进入沟道形成泥石流物源，沟域内坡面侵蚀物源沿沟两侧连续发育，物源总量较大，但沟域植被繁茂，区内水土流失轻微，可提供泥石流活动的坡面物源动储量较少。沟床堆积物源连续分布整个沟道内。支沟物源则分布在支沟出口与主沟交汇处，在泥石流发生时，流体通过下蚀作用将部分沟床堆积物及坡面堆积物卷入泥石流体，构成该沟发生泥石流的潜在物源。

通过本次踏勘，对物源类型及分布进行了详细的调查，并对物源量的统计表明流域内碎屑物源总量约1 265.7×104m3，动储量约88.29×104m3（表2）。

表2 茨马绒沟泥石流物源方量统计Table 2 Source quantities of debris flows in Cimarong Valley

3 茨马绒泥石流沟的运动与堆积特征

3.1 泥石流流速计算及运动特征

泥石流流速是决定泥石流动力学性质最重要的参数之一，也是泥石流防治工程设计不可缺少的计算依据。通过现场勘查，茨马绒沟泥石流松散堆积体中土体主要以碎块石土为主，结合泥石流物源特征及浆体性质，泥石流以稀性为主，流速采用铁二院稀性泥石流计算公式：

式中，Vc为泥石流流速（m／s）；γH为泥石流固体物质重度（t／m3）；φ＝（γC－1）／（γH－γC），为泥石流泥沙修正系数；γC为泥石流容重（t／m3）；n为泥石流沟床糙率系数；Hc为平均泥深（m）；Ic为泥位纵坡率，以沟道纵坡率代替。

因此，影响泥石流流速的因素较多，除泥石流或固体物质的自身重度的内因外，其外部主要影响因素为沟床糙率系数、沟道纵坡率、泥石流的平均泥深，最终泥石流的流速为上述各因素的综合结果，并表现出不同地质条件的泥石流沟有着不同的泥石流运动方式。

茨马绒沟总体上为呈葫芦形“V”型谷地貌，沟谷宽窄不一，沟道纵坡率变化大，陡缓相间，而沟床糙率总体变化不大。因此沟床内泥石流流速快慢相互转化，该沟流速变化大的关键控制因素为沟道纵坡率的变化程度，即在陡坡段具有加速的特征并可进一步携带沟床松散堆积物，随着松散堆积物的加入，泥深加大，对泥石流流速的加速也有一定的促进作用。而流入缓坡度沟床时，流速急剧变小，在流通区内形成局部的堆积区。

综上所述，茨马绒变坡度泥石流沟流速受沟床坡度控制明显，速度快慢交替，呈现出流通区与堆积区在时空上相互转化，形成了在流通区内形成多个次级的堆积区的特点，与一般等坡度泥石流沟可以明显划分出形成区、流通区及堆积区的等3个地质分区有着显著的差别。

3.2 泥石流的堆积特征

稀性泥石流宏观构造一般有石线构造、正粒级层、砾石支撑－叠置构造、表泥层、板状砂砾交错层等构造。在茨马绒变坡度泥石流沟中的较大规范的堆积物中，均能发现上述一种或一种以上的堆积构造，本文在此不予讨论，而着重注意了其堆积物的堆积部位的分布特点。

茨马绒泥石流沟主要有两处宽缓的平台，一处位于主沟与R3支沟交汇处（图2），平台面积约2.5×104m2；一处位于主沟与R2支沟交汇处（图3），平台面积约14×104m2。此两处平台均位于其内两条大支沟大角度交汇处，沟水对冲消能，平台坡度变缓，流速急剧降低，为茨马绒泥石流沟碎屑物质堆积的主要区域。

图2 主沟与R3支沟交汇处平台Fig.2 Platfor m at the cross of the valley and Gully R3

而该沟沟口泥石流堆积物相对较少（图4），目前沟口堆积物总量约1×104m3，泥石堆积物主要集中中沟平台及局部沟床内，沟口碎屑物块度较小，说明经过沟内平台消能大部分发生堆积后，仅有小部分碎屑物被携带至沟口。

图3 主沟与R2支沟交汇处平台Fig.3 Platfor m at the cross of the valley and Gully R2

图4 沟口形态及堆积物特征Fig.4 Exit for m and deposit features

3.3 沟口过流总量预测

茨马绒沟沟口堆积区一次性泥石流固体冲出量主要来源于两个部分：

（1）茨马绒沟不考虑沟内平台条件下沟口一次过流总量（表3）与茨马绒沟近中部支沟汇合处流通堆积区一次性泥石流固体冲出量（表4）之差。

（2）因茨马绒沟近中部支沟汇合处发育一面积近14×104m2的宽缓平台，茨马绒沟近中部支沟汇合处流通堆积区一次性泥石流固体冲出量在此可大部分堆积，有小部分泥石流通过流通区到达沟口堆积区。根据野外调查综合分析，对宽缓平台固体物质量取0.1～0.4的系数作为可能在下游沟口区发生堆积的固体物质量，且在高频洪水时取小值，低频洪水时取大值。将上述两部分累加推算在沟口发生堆积的固体物质总量。

根据茨马绒坝沟泥石流运动特征和动力特性，按上述的取值原则，在9种不同设计概率洪水下，可以预测各概率下一次冲出泥石流堆积的平面范围及厚度。从表5中可见，随着暴雨频率的减小，沟口堆积扇堆积面积、厚度则随之增大。以30 a一遇的概率为基准，与100 a和200 a一遇的概率结果相比较，则100 a、200 a一遇的堆积面积、最大堆积厚度均比30 a一遇的相应值分别提高了59.5%、23.9%和102%、37.2%。

表3 不考虑沟内平台条件下沟口一次过流总量计算表Table 3 Flow volu mes at the exit forone time without consideration of the deposits on the platfor ms

表4 近中部主沟与R2支沟交汇处泥石流一次过流总量计算表Table 4 Flow volu mes forone time at the cross of the valley and Gully R2

表5 沟口在不同设计概率下一次冲出固体物质的堆积量预测Table 5 Solid material accumulation forecast at the exitwith different probability forone time

4 结论

本文在研究茨马绒变坡度泥石流沟的各种地质条件和形成条件的基础上表明泥石流沟流速受沟床坡度控制明显，速度快慢交替，呈现出流通区与堆积区在时空上相互转化，形成了在流通区内形成多个次级堆积区，从而在沟口一次冲出物堆积较少，结合这一特点针对性地提出了与之相适应的处理措施，即充分利用距沟口约4.6～2 k m的宽缓平台，加强该平台区沟床的定期整治，保持沟床的多级弯曲，雨季形成大范围的漫滩，降低泥石流流速，停留绝大部分泥石流堆积物，同时，在枯季发动沟下游村民开展沟曲的整治，增加泥石流在此平台区内的流通时间与流通路径，为进一步降低泥石流流速创造条件，间接地保护沟下游村民生命财产的安全。本文提出的针对茨马绒变坡度泥石流沟的处理措施，可以较好地为其他类似的泥石流沟工程处理设计时提供参考。

［1]张倬元，王士天，王兰生.工程地质分析原理［M].北京：地质出版社，1994.

［2]亚南，王兰生，赵其华.崩塌落石运动学的模拟研究［J].地质灾害与环境保护，1996，7（2）：25－32.

［3]胥良，李云贵，刘艳梅.川西108国道高位崩塌成因与运动特征［J].水文地质工程地质，2008，（3）：28－31.

［4]黄润秋，何思明，吴永.滚石在平台上的运动特征分析［J].灾害，2008，23（5）：517－523.

［5]于廷新.四川地震灾区陈家山坪崩塌稳定性评价及治理研究［D].吉林大学，2010.

［6]陆玉珑.岩层风化滑坡勘测及防治［J].路基工程：1991，（4）：41－46.