官坝河泥石流动力学特征参数

李 俊，陈宁生

（1．四川大学 水力学与山区河流开发保护国家重点实验室，成都610065；2．中国科学院 水利部 成都山地灾害与环境研究所，成都610041）

25万km2的青藏高原东南缘内发育有11个构造断陷湖［1］，这些构造断陷湖都不同程度地受到泥石流侵蚀带来的泥沙淤积的影响。滇池、泸沽湖、洱海、邛海均地处构造活跃区，地震频繁，人为生态破坏严重，使得这些区域的山洪和泥石流发育［2－9］。山洪和泥石流携带大量的泥沙进入湖泊，使其呈现严重萎缩的趋势。目前人们已经认识到仅修建河堤或排导槽并不能解决青藏高原东南缘湖泊的泥沙淤积问题，还必须进行有效的工程治理。青藏高原东南缘众多的高原构造断陷湖中，邛海的泥沙淤积问题最具有代表性。日益严峻的泥沙淤积使邛海面临着生死存亡的忧患［10－11］。据调查，西昌市邛海北岸的官坝河平均每年流入邛海泥沙量为15万m3，并且泥沙每年平均向邛海推进的距离为55m。同时，邛海南岸的鹅掌河将大量泥沙带入邛海［12］，鹅掌河输入邛海的泥沙有4．96万m3，并且泥沙每年平均向邛海推进距离为2m［6］。因此，本文通过总结国内外泥石流防治工程的研究现状［13］，选取治理难度较大的典型泥石流防治工程，如邛海官坝河泥石流防治工程，采用合理的方法计算其泥石流动力学特征参数，并给出官坝河泥石流防治建议。以期为治理青藏高原东南缘构造断陷湖区域内的山洪和泥石流提供参考。

1 官坝河流域概况

官坝河系邛海的一级支流，位于西昌市川兴镇东北方，属青藏高原东南部螺髻山系，东连昭觉县，北接喜德县，西与著名的泸山风景区遥相对应。早更新世末，沿川滇菱形断块的东侧边界断裂曾发生强烈的拉张性断陷活动，并在西昌附近形成了一个北北西向的地堑地垒系，其中有大兴单断同生断陷盆地［14］，受川滇南北向构造作用影响，官坝河流域地形地貌较为复杂。海拔2 700m以上区域主要为中高山剥蚀地貌，约占流域总面积的27．7%；海拔高程为1 700～2 700m区域主要为深切峡谷，约占流域总面积的59．9%，沟道多呈“V”字型，滑坡、崩塌和坡面泥石流发育；海拔高程1 500～1 700m地带断陷盆地发育。经过现场调查，推测张巴寺河上游处可能有一断层，走向呈北西—南东向，倾角50°左右，该断层经过地区岩体破碎，崩塌滑坡发育，为泥石流的发生提供了大量物源。官坝河基本情况见表1。

官坝河物源丰富，总物源为1．2×107m3，物源动储量为1．16×106m3。动物源主要集中于张巴寺河上游。官坝河流域上游裸地区产生了大量的细颗粒，经分析认为这些细颗粒以山洪泥石流方式进入邛海。

表1 官坝河基本参数

2 官坝河泥石流活动特征和邛海泥沙淤积特征

2．1 1998年官坝河泥石流特征值参数

2．1．1 容重 2010年5月调查了官坝河流域的泥石流历史活动（表2）。通过调查，发现三处明显的1998－07－06官坝河泥石流洪痕，分别为1—1′，2—2′，3—3′断面。但由于后期水流改造，难以采集到泥石流原样，根据现场颗分实验结果（图1），采用基于黏粒含量的泥石流容重计算方法［15］和根据泥石流沉积物计算泥石流容重计算方法［16］，取这两种计算结果的平均值作为官坝河泥石流容重值。计算结果表明，张巴寺河沿程容重逐渐降低，泥石流浆体运动至断面2—2′处以后，容重值由2．33 g／cm3降低至1．69g／cm3，官坝河泥石流由黏性过渡到稀性。官坝河其他支流如麻鸡窝河和新仁寺河容重值分别为1．79g／cm3和1．93g／cm3，属于过渡性泥石流，而大萝卜沟泥石流容重值为1．65g／cm3，属于稀性泥石流。官坝河流域泥石流总体属于过渡性—黏性泥石流［17］。

表2 官坝河泥石流历史活动情况和容重

2．1．2 流量 采用雨洪法［18］计算各断面处的泥石流洪峰流量（表3），然后用泥石流形态调查法［18］进行校核（表4）。

计算结果表明，雨洪法和形态调查法计算的泥石流峰值流量较为接近，官坝河泥石流的最大洪峰流量出现在1—1′断面处为813．7m3／s，比断面7—7′的泥石流洪峰流量大。分析认为，由于1—1′断面以下的河流为宽浅泥石流滩地，冲出出山口后断面逐渐展宽，泥石流流速降低，泥石流浆体沿程停淤，最后导致泥石流在入海口处流量降低。

图1 官坝河各断面处沉积物颗分曲线

2．1．3 一次泥石流固体物质总量 目前国内外还没有好的方法计算泥石流固体总量，因此采用泥石流五边形法［18］，粗略计算了1998年7月6日官坝河断面7—7′处一次泥石流固体物质总量（表5）。

通过大量的实地走访，确认1998年7月6日官坝河泥石流为百年一遇的泥石流。计算结果表明，1998年7月6日官坝河入海口处一次泥石流固体物质总量46．4万m3，另外通过现场实地调查，官坝河入海口处1998年泥石流堆积物为69．0万m3，故可判断剩余22．6万m3泥石流体来源于同年的其他小规模山洪泥石流和常流水期间被水流所携带的悬移质。说明1998年官坝河进入邛海的泥沙以山洪泥石流方式运移的泥沙总量最大，因此官坝河泥石流的工程治理对减少邛海泥沙淤积问题具有重要意义。

表3 雨洪法计算的泥石流洪峰流量

表4 形态调查法计算的泥石流洪峰流量

表5 官坝河泥石流断面7－7′的一次泥石流总量和一次泥石流固体物质总量

2．2 1952—2003年邛海泥沙淤积特征

据调查与测量，邛海水面面积从1952年的31 km2减少到2003年的27．4km2，按50a计算，则邛海平均每年约减少7．2万m2，50a邛海面积萎缩11．6%。邛海的库容由1952年的3．2亿m3减少到2003年的2．93亿m3（表6），最大水深和平均水深也由原来的34．0m和14．0m降低至2003年的18．32 m 和10．95m［12］。

表6 邛海典型年份淤积变化

据表6，邛海面积和库容变化率为0．16%，水深和平均水深变化率分别为0．9%和0．43%，面积、库容和水深变化都说明邛海正在不断地萎缩，按此变化率计算，则邛海的寿命将只有600a左右。

据调查，2010年的邛海面积为27km2，泥沙淤积现状严重（图2）。2003—2010年，邛海水面面积平均每年约减少5万m2，8a内邛海水面面积萎缩了1．45%。近年来邛海流域在小箐沟、鹅掌河实施的水土保持工程对入海泥沙起到了一定的控制作用，其他未进行工程治理的流域依然十分严重。2008—2009年官坝河河口泥沙推进90m，高仓河河口泥沙前进20m。通过对邛海1952—2003年泥沙淤积特征的分析和官坝河98年百年一遇泥石流的动力学特征参数计算结果可知，仅通过修建河堤或排导槽并不能解决邛海的泥沙淤积问题，还须依赖于有效的工程治理。

2．3 官坝河泥石流动压力和冲击力

依据舟曲泥石流的大石块冲击力计算实例［19］，基于1998年7月6日官坝河泥石流动压力和大石块冲击力，分别采用铁二院公式［20］和基于弹塑性理论的泥石流大石块冲击力计算方法［21］（表7），计算拟建混凝土拦砂坝的动压力和大石块冲击力。现场调查1998年官坝河泥石流最大石块直径为6m。官坝河沟道堆积大石块岩石类型为红砂岩，大石块密度取2．31g／cm3。

图2 2010年官坝河入海口处泥沙现状

表7 官坝河泥石流动压力和大石块冲击力

3 官坝河泥石流防治建议

总结了官坝河泥石流的活动历史、动力学特征参数和邛海泥沙淤积特征，建议官坝河泥石流的防治原则应以保护官坝河上游居民和保护邛海为主，尽量减少官坝河上游滑坡和崩塌物产生的细颗粒进入邛海，结合官坝河沟道地形地貌特征、物源量和动力学特征参数，建议在官坝河主沟及各支沟下游处设置以拦挡细颗粒为主的拦砂坝和修建排导槽并定时清淤，以减少进入邛海的泥沙。同时在主沟及各支沟上游有施工条件的地方尽量多修建谷坊，以形成谷坊坝群效应，起到稳固沟床，拦挡大颗粒作用，在保护官坝河上游居民的安全，同时减轻下游拦砂坝的拦挡压力。另外考虑了地震和极端降雨情况，建议拦砂坝和谷坊采用高强度混凝土，确保其施工质量。

4 讨 论

官坝河泥石流容重计算采用了两种截然不同的方法，这两种方法在计算官坝河泥石流最大容重值时存在较大波动，而计算其他支沟泥石流容重偏差较小。这是由于目前基于物体颗粒级配的泥石流容重计算的不成熟和青藏高原东南缘构造断陷湖泥石流沟的特殊性引起的结果，即泥石流搬运的粗大颗粒堆积在沟床中，而泥石流演化成高含沙水流以后细颗粒随洪水进入湖中，调查中无法获得更全面的颗分资料。因而进一步研究青藏高原东南缘构造断陷湖的泥石流沟容重值变化过程存在困难。另外1998年官坝河向邛海以山洪泥石流方式运移的泥沙总量占当年邛海泥沙淤积总量的67．2%。说明泥石流对邛海可持续利用非常不利。最后总结了官坝河百年一遇的清水流量497m3／s与集水面积106．64km2成5倍关系，其他断面的百年一遇清水流量与面积之比在4～7倍之间浮动，可为计算川滇地区其他构造断陷湖的泥石流沟提供经验估算公式。

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