雅江县相格宗沟泥石流成因及运动特征研究

2013-10-23李任华伍小林

水电站设计 2013年1期

李毅，李任华，伍小林

(中国水电顾问集团成都勘测设计研究院交通分院，四川成都 610072)

1 前言

相格宗沟为雅砻江右岸一级支流，沟口距四川甘孜州雅江县县城上游约200～400m。该沟流域面积 157km2，主沟长度 20.261km，左侧支沟长17.106km，流域内最高点海拔4 706m，沟口海拔2 556m，相对高差2 150m，沟床平均比降106‰。该沟为中、低频沟谷型稀性泥石流沟，近年来多次爆发泥石流，威胁G318国道、沟道两侧民用建筑及人民财产的安全。

2 相格宗沟泥石流形成条件

泥石流的形成受区域自然环境条件的制约和影响，根据对泥石流研究结果，泥石流形成的基本条件可归纳为:(1)充沛的各类水源，足够大的降雨强度;(2)丰富、松散且容易失稳入沟的固体物质;(3)有利于形成阵发性尖型洪峰的流域地形、地貌形态等。根据泥石流形成的基本条件，对比相格宗沟的地形、水源和物源情况，分析相格宗沟的基本特征及泥石流运动特征，进而预测泥石流的发展趋势及影响范围，为相格宗沟泥石流的防治提供依据。

2.1 地形地貌条件

相格宗沟在平面图上呈不规则卵形，分水岭高程约3 500～4 700m，流域最宽处宽约13km，四周被高山及山岭所环绕，沟谷两岸冲沟发育。左侧支沟发育13条冲沟，呈树枝状分布;主沟即右侧支沟发育10条冲沟，左侧支沟与主沟以山岭为界。

相格宗沟总体流向由西至东，呈构造侵蚀深切割曲流峡谷地貌。沟谷两岸山体雄厚，沟谷峡窄、谷坡陡峻，沿河岭谷高差悬殊，相对高差600～1 500 m，属典型的侵蚀峡谷地貌。在坡度相对较缓的斜坡、坡脚广泛分布滑坡堆积、崩坡积、坡残积或冲洪积堆积物。陡峻的地形条件为泥石流的形成提供了有利条件。

2.2 物源条件

相格宗沟流域位处松潘－甘孜造山带，在大地构造部位上，流域位于“雅江－理塘”菱形断块内部偏南弧顶向南的雅江弧形褶皱构造带。流域受构造影响较强烈，主要发育小断层、挤压破碎带、褶皱(向斜及背斜)等。

在流域出露的基岩岩性为三叠系雅江组中段中厚层状岩屑石英砂岩夹薄层状钙质粉砂质板岩，岩体软硬相间，以中厚层状、薄层状、碎裂状结构为主。岩体表层风化卸荷较强烈，强卸荷深度约30～50m，弱卸荷深度约80～120m。斜坡表层岩体较破碎，规模不等的滑坡、溜滑、崩塌和坍塌等不良地质现象极为发育，堆积在沟床及两侧斜坡的各类碎屑物质成为区内山洪和泥石流的直接或潜在固体物源。

据调查，相格宗沟及其冲沟内松散碎屑物质较丰富，其中沟内碎屑物质约50×104m3，沟床两岸稳定物源约500×104m3，沟床两岸基本稳定物源约200×104m3，沟床两岸欠稳定物源约150×104m3。丰富的物源为泥石流的形成提供了有利条件。

沟中碎屑物是指现在沟床内的泥石流、冲洪积堆积物，在爆发大型泥石流时，部分物质会成为泥石流直接物源。沟床两岸稳定物源主要是指胶结程度较好的古泥石流堆积体及缓坡地段的坡残积体，在自然条件下坡体保持稳定和在暴雨情况下基本稳定。沟床两岸基本稳定物源主要是指崩塌堆积体、泥石流堆积体，地形坡度较大的崩坡积、坡残积堆积体，在常年雨水冲刷的情况下能基本保持稳定，但在长时间的特大暴雨条件下，因饱水、软化、滑移进入沟内或因洪水侧蚀带入沟内形成泥石流物源。沟床两岸欠稳定物源主要是指滑坡堆积体及在常年雨水作用下坡体处于蠕滑阶段，离沟床较近，是泥石流的主要物源。

2.3 水源条件

雅砻江流域洪水主要由暴雨形成，一般出现在6～9月，主要集中在7、8两月，且多连续降雨。雅砻江较大洪水多为两次以上的连续降雨形成。汛期内连绵不断的降雨使河流底水逐渐抬高，如发生1～3日较为集中的大面积暴雨，即可形成较大洪水。洪水过程多呈双峰或多峰型，一般单峰过程6～10d，双峰过程12～17d。洪水起涨时底水流量较大，一般可占洪峰流量的1/2～1/3左右。由于流域大部分地区雨强不大，加之流域形状呈狭长带状，不利于洪水汇集，故洪水一般具有洪峰相对不高、洪量大、历时长的特点。这些为山洪和泥石流的激发创造了有利条件。

根据流域内地下水的赋存条件，地下水可分为第四系松散堆积层孔隙水和基岩裂隙水两种类型。第四系松散堆积层孔隙水主要分布在河谷、岸坡冲积物、崩坡积物、泥石流堆积物、滑坡堆积物等各种成因的第四纪松散堆积体内，受大气降水、河水及两岸地下水补给，流域内地下水较丰富。流域内的地下水特征、大气降水量等特点为山洪和泥石流的形成创造了有利条件。

2.4 人类活动

随着我国社会经济的稳定快速增长，山区的经济与工程活动日益增多，活动强度也逐渐加大，在缺乏全面规划和有效统筹管理的情况下，过度向山区索取各种资源，如木材、土地等，使得森林生态系统受到较大的干扰破坏，森林涵养水源的功能有所减弱，土壤生态受到严重干扰，影响了大自然的生态平衡，加剧了山洪和泥石流的形成。

本区所在地甘孜州为四川省贫困地区，同时也为少数民族聚居地，数十年来森林工业一直是其财政收入的主要来源。实施“天保工程”之前，本区内森林遭受过度采伐，水土流失比较严重。与此同时，毁林开荒、开山挖石、沟道两侧修建G318国道、县乡道路及民用建筑，加剧了滑坡、崩塌等不良地质现象的发生，为山洪和泥石流的形成创造了有利条件。

3 泥石流沟的基本特征

3.1 泥石流沟谷特征

据计算，相格宗沟流域完整性系数较低，表明沟谷的侵蚀作用较强烈。沟内冲沟及毛沟较多，各冲沟以土质沟床为主，局部为岩质沟床。据调查，相格宗沟在历史上曾爆发过多次较大规模的泥石流，近年来爆发过多次中小规模稀性泥石流及水石流。

相格宗沟沟长约20.261km，总体平均坡降106‰，沟道总体较曲折，沟谷较窄，沟道宽窄变化与陡缓变化相对应，沟道流域内松散堆积物较丰富。沟道两侧斜坡局部分布古泥石流堆积物残体，泥结块碎石，弱胶结，层厚3～5m，结构密实，块碎石成分为石英砂岩及粉砂质板岩。沟道两侧斜坡坡度约25°～40°，局部陡坡段坡度约 40°～50°。沟道纵坡整体上表现为上游段陡峻、中游段居中、下游段稍缓。内沟道两侧及缓坡地段分布较多灌木及乔木。

3.2 泥石流形成区物源特征

相格宗沟形成区和流通区的界限不明显，泥石流为沟谷型泥石流，即形成区的物源不集中，流通区既有物源补充又有物源堆积。根据调查，相格宗沟泥石流固体物源沿沟都有分布，其中直接物源主要分布于高程2 500～3 700m范围内，类型主要为沟床洪积物、两岸崩塌堆积物;其余物源分布在3 700～4 700m高程段。

沟谷两侧的斜坡堆积体上虽然植被较发育，但由于临空面坡度较大，暴雨时饱水和在沟床急流的淘蚀作用下，容易产生坍滑型失稳，大部分堆积体处于不稳定或潜在不稳定状态。

3.3 泥石流流通区特征

如前所述，相格宗沟泥石流流通区与形成区的界限不明显，大致以左侧支沟与主沟的汇合口为界。该段沟谷地形差异不大，根据沟谷地形的微小差异、沟谷形态和是否有古泥石流堆积物等判断，流通区长约1 900m，高程从2 600m到2 700m附近。在相格宗沟下部，沟道较顺直通畅，沟床有厚约3～7m的冲洪积、泥石流堆积的块碎石，沟床两侧局部分布崩坡积、浅表层溜滑堆积体，斜坡缓坡地段局部分布古泥石流堆积物残体。左、右两岸斜坡陡峻，局部基岩裸露，岩壁上有古泥石流活动痕迹。

3.4 泥石流堆积区特征

泥石流堆积区呈扇形，为洪积泥石流堆积扇，海拔2 556～2 600m，堆积扇前缘长约370m，等效扇半径长约340m，面积约56 700m2，堆积扇厚约7～12m。堆积物杂乱无章，颗粒总体特征以砂粒、块碎(卵砾)石为主，砂粒含量约30% ～40%。

相格宗沟泥石流具多期多次形成的特点，后期经雅砻江及相格宗沟流水改造，仅见局部残留，沟口堆积区上覆近期洪积堆积物。泥石流规模有逐次减小的趋势，泥石流堆积体厚度逐次减小。从堆积体的规模演化分析，泥石流沟处于衰退阶段。

4 泥石流运动特征

4.1 泥石流容重

泥石流容重采用经验法公式(1)确定:

算得泥石流重度为16kN/m3，属稀性泥石流。

4.2 泥石流流速

泥石流流速采用《工程地质手册》稀性泥石流流速公式计算:对rm，200年一遇泥石流重度取19kN/m3，100年一遇泥石流重度取18kN/m3，50年一遇泥石流重度取17kN/m3，20年一遇泥石流重度取16kN/m3，10年一遇泥石流重度取15kN/m3。

计算得200年一遇泥石流断面平均流速为2.55m/s;100年一遇泥石流断面平均流速为2.45 m/s;50年一遇泥石流断面平均流速为2.35m/s;20年一遇泥石流断面平均流速为2.2m/s;10年一遇泥石流断面平均流速为1.9m/s。

4.3 洪水峰值流量

采用《四川省中小流域暴雨洪水计算手册》中的推理公式计算:

经计算，相格宗沟200年一遇设计洪峰流量为277m3/s;100年一遇设计洪峰流量为245m3/s;50年一遇设计洪峰流量为215m3/s;20年一遇设计洪峰流量为173m3/s;10年一遇设计洪峰流量为141m3/s。

4.4 设计泥石流峰值流量

对于暴雨泥石流，常采用配方法计算泥石流的峰值流量。即假定泥石流发生频率与暴雨洪水发生频率相同，以设计洪峰流量进行配方，按比例加上泥石流所挟带的固体物质体积来计算泥石流流量，其计算公式为:

相格宗沟沟床植被较少，沟床糙率相对较低，对泥石流的堵塞作用较小，200年一遇泥石流堵塞系数可取1.6，100年一遇泥石流堵塞系数可取1.5，50年一遇泥石流堵塞系数可取1.35，20年一遇泥石流堵塞系数可取1.25，10年一遇泥石流堵塞系数可取1.15。

200年一遇设计泥石流洪峰流量为1 013m3/s;100年一遇设计泥石流洪峰流量为735m3/s;50年一遇设计泥石流洪峰流量为516m3/s;20年一遇设计泥石流洪峰流量为346m3/s;10年一遇设计泥石流洪峰流量为235.85m3/s。

4.5 泥石流撞击力

泥石流冲击力计算包括整体冲击力和单块最大冲击力计算。泥石流整体冲击力F为:

单块块石的最大撞击力Fs按下式计算:

冲击力计算均考虑成最危险情况，即有关参数取为使冲击力最大的数值，并只考虑正面撞击。

200年一遇泥石流整体冲击力为185.32kN/m2;100年一遇泥石流单块冲击力为162.07kN/m2;50年一遇泥石流单块冲击力为140.82kN/m2;20年一遇泥石流单块冲击力为116.16kN/m2;10年一遇泥石流单块冲击力为81.23kN/m2。

200年一遇单块最大冲击力为216.67kN;100年一遇泥石流单块冲击力为197.22kN;50年一遇泥石流单块冲击力为178.66kN;20年一遇泥石流单块冲击力为157.42kN;10年一遇泥石流单块冲击力为127.46kN。

4.6 泥石流总量及输砂量

通过断面的一次泥石流总量WC为:

一次泥石流冲出的固体物质总量WS为:

当F＜5km2，K=0.202(调整系数);当 F＜5～10km2，K=0.113;当 F ＜10 ～100km2，K=0.037 8;当F＞100km2，K＜0.025 2。此处流域面积 F为157Km2，根据线性插值，K=0.0252。

200年一遇泥石流总量为45 951m3;100年一遇泥石流总量为20 004m3;50年一遇泥石流总量为10 923m3;20年一遇泥石流总量为3 662m3;10年一遇泥石流总量为1 783m3。

200年一遇固体物质总量为25 847m3;100年一遇固体物质总量为10 002m3;50年一遇固体物质总量为4 779m3;20年一遇固体物质总量为1 373 m3;10年一遇固体物质总量为557m3。

5 泥石流发展趋势及影响范围预测

5.1 泥石流沟发展趋势

相格宗沟为沟谷型衰退期中低频率稀性泥石流沟。在天然条件下，因相格宗沟沟谷侵蚀较为强烈，局部基岩裸露且风化严重，两岸分布崩塌松散堆积体及松散坡积物。

当连绵降雨时，沟道中及两岸斜坡堆积体极易饱水失稳，同时强风化－中风化石英砂岩及粉砂质板岩易剥落，且两侧山坡松散坡积物即碎石土与岩屑被雨水冲入沟道中，从而产生新的物源进入沟道，一旦发生短时强降雨引发洪水，即可能激发暴雨类山洪。如降雨时间较长或暴雨强度变大，暴雨山洪冲出相格宗沟沟口后其行进会变动改道，或者在扇面上左右摇摆，洪水中固体物质置于前期洪积物上，到达沟口后，因堆积扇纵坡坡度减缓，山洪的挟砂能力减弱，使得泥砂大量沉积，粗颗粒先沉降，细颗粒如黏土和砂粒后沉降。

相格宗沟近年来发生过小规模稀性泥石流，从堆积体的规模演化分析，相格宗沟泥石流处于衰退期。相格宗沟两岸山坡表层松散碎屑物质较多，斜坡稳定性相对较差，近期相格宗沟仍具有发生中小型泥石流的可能性。

5.2 泥石流影响范围预测分析

相格宗沟泥石流主要物源是相格宗沟两侧松散堆积物和沟道附近松散堆积物以及沟道中残留的早期洪积物。沟上游固体物质物源较丰富，但大多处于基本稳定状态。沟下游地形坡度缓，因此固体物质主要堆积在相格宗沟下游。当泥石流峰值流量较大时，泥石流可能冲淤沟道附近的G318国道及县乡道路，并威胁沟道两侧民用建筑的安全。