四川九寨沟县双龙沟泥石流发育特征及其防治对策研究

2013-12-06杨晴雯裴向军

长春工程学院学报（自然科学版） 2013年4期

杨晴雯，裴向军

（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）

0 引言

九寨沟县永安镇双龙村双龙沟泥石流曾于1967年、1984年发生过较大规模的泥石流，所幸未造成重大人员伤亡。主要的威胁区有两块，中游的双龙村及下游的新城区，流域内几千居民、公路、建筑可能直接或间接遭遇泥石流的影响。许多地质学家曾对九寨沟老县城和风景区的多条泥石流沟做过研究，提出了有效的治理办法。游勇等（2003）［1］就对四川九寨沟县关庙沟泥石流的特征进行了研究，优化对比多种防治方案，具有很大的参考价值。唐邦兴等（1994）［2］对九寨沟风景区泥石流总体特征做了分析，也提出综合的防治措施。但是对于新县城周边泥石流的特征、发生发展情况的研究不多，许多泥石流沟缺少防治措施，存在极大的安全隐患。本文以新城区双龙沟泥石流为研究对象，从泥石流成因、特征等方面进行分析，提出简便合理的防治对策。

1 双龙沟泥石流成因分析

1.1 流域概述

双龙沟位于四川九寨沟县新城区，系嘉陵江上游支流白水江左岸的一级支沟。地处四川盆地与青藏高原东北缘的过渡地带，属岷山山脉的东部、龙门山山脉的西北部。

双龙沟流域“口细肚宽”，上游沟域宽阔，往下逐渐缩紧，形态近似扇形，流域面积为23.41km2，主沟由大水沟源头至白水江边长8.2km。

1.2 地貌环境条件

双龙沟流域为深切割高山峡谷地貌，由于新构造运动间歇性抬升，该沟产生强烈侵蚀下切，流域内最高点海拔3 643m，主沟最高点海拔2 450m，最低白水江边海拔1 402m，高差近2 200m，沟床坡降陡，主沟最大比降131%，平均比降为81%，支沟（洞子口沟）最大比降350%。陡急的纵比降为泥石流形成提供了有利的势能条件（见图1）。

通过野外调查双龙沟地形地貌，将主沟分为物源区、流通区和堆积区（见图2）。物源区位于海拔1 800m以上泥石流形成区域，该区侵蚀切割作用和冰川刨蚀作用最明显，地形多为三面环山，周围山高坡陡，山体破碎，有利于水源和碎屑物质的集中。沟谷两岸发育多处大型岩质崩塌体，体积较大，中小型崩塌体，数量较多，为泥石流形成提供了丰富的物源。该区面积为14.26km2，占流域面积的60.91%。流通区自双龙村至上寨，海拔1 500～1 800m之间，地形呈U型沟槽，坡度减缓（该段主沟纵比降78‰）。面积为8.74km2，占流域面积的37.33%。堆积区自上寨至白水江区域，海拔1 402～1 500m，泥石流进入此区后，底床坡度变小（主沟床纵比降52‰），地形渐宽，泥石流开始停积，该区面积为0.41km2，占流域面积的1.75%。

图1 双龙沟泥石流地貌分区

图2 双龙沟主沟沟床纵剖面图

1.3 地质环境条件

本区在大地构造上处于秦岭东西向构造带南缘，松潘—甘孜褶皱系东侧，南与龙门山北东向构造带相邻［1］。三级不同方向构造线形成向南凸出的弧形弯曲，九寨沟县位于构造线形弯曲的顶端，并主要受近南北向构造断裂控制。由于地处断裂带附近，属Ⅸ度烈度区，地震活动较频繁。从区域性看，总的为一向北倾斜、形态较为复杂的复向斜。区内岩层褶曲强烈，岩层破碎，构造裂隙发育。出露地层主要是钙质板岩、钙质砂岩和块状灰岩。该区岩石软硬结合，软硬岩风化程度不一，破碎程度高。

综述，双龙沟流域由于地质构造条件复杂，地震活动比较强烈，岩石破碎，为泥石流提供了丰富的物源。

1.4 气象条件

九寨沟县地处我国北亚热带秦巴湿润区与青藏高原波密—川西湿润区的过渡地带，属暖温带干温河谷气候，气候垂直差异大，气候受地形影响显著。

图3 九寨沟全年降雨分布图

县城年均降雨量552.3mm，降雨分布呈拱形（图3），集中在5月—9月，约占全年降水量的75%。据县气象站25a的观测资料，该区日降水量大于30mm的暴雨每4a有3次，其中日降水量大于50mm的暴雨25a来出现过3次，观测到的最大日降水量为51.3mm。年降水量和暴雨在四川境内属偏少的地区，但由于山区地形复杂，会形成区域性的强降雨天气过程，日降雨量达到20mm就可能产生山洪和泥石流，是山区泥石流发生的主导因素。

1.5 人类工程活动

20世纪五六十年代，随着经济发展，人类活动加剧，双龙沟流域森林遭砍伐殆尽，造成沟谷堵塞和严重水土流失，发生多次泥石流。

近30年来植被基本得到了恢复，但随着人口增加，沟谷两岸缓坡地带甚至部分堤坝库容空间（图4）开垦为耕地，水土流失仍然严峻。尢其是页岩、片岩分布的缓坡地带，残坡土开垦为耕地，下部基岩透水性弱，一遇中—大雨，松动土层饱水往往发生溜滑和坡面泥石流。

图4 开垦的耕地

2 泥石流特征

2.1 泥石流规模大，危害性大

据调查，该沟是一条老泥石流沟，同时也是一条现代泥石流活跃的沟。双龙沟每10～20a发生一次大型泥石流，属中频率的泥石流，中小规模泥石流暴发频率较高。自20世纪50年代以来双龙沟流域内多次发生规模不等的泥石流灾害。

1967年8月上游泥石流形成区在强降雨条件下，洪水堵塞在堆放有大量树枝树干和筑路弃土的沟谷中，形成堰塞湖，溃堤后发生大规模泥石流。泥石流持续时间约30min，运动具有明显的阵流，龙头高约3m，响声隆隆，泥浆飞溅到永安桥上和居民住宅围墙之上，块石将老核桃树皮冲掉。2004年5月双龙沟上游大水沟左岸斜坡耕地融雪下雨时发生坡面泥石流，稀稠状泥沙堵塞大水沟，造成村民两死一伤，死亡9匹马，冲毁耕地和经济作物20余万m2。每年雨季还会发生水石流，沟道中现残留有大量泥石流松散堆积物。

根据初步估算（见表1），双龙沟主沟50a、20a、10a一遇泥石流规模分别为3.03×104m3、2.74×104m3、2.34×104m3、1.99×104m3，峰值流量都大于200m3／s，为大型泥石流。

综上所述，双龙沟大型泥石流具有活动频率中等、中小规模泥石流活动频率高、危害严重的活动特征。

2.2 支沟众多，冲淤强烈

表1 双龙沟泥石流特征值

双龙沟支沟众多，上游有大水沟、小水沟、翻山道沟、洞子口沟，下游有魏家沟，纵多支沟形成一个扇状区域（见图1）。由于众多支沟同时与主沟交汇，泥石流发生时部分固体物质会在支沟口堆积，形成了长1 210m，宽850m的不规则堆积扇，淤积厚度达3～5m，体积约4.114×106m3，成为双龙村村民的生产生活场所。

主沟沟道狭窄而陡峻，泥石流运动过程中强烈掏蚀、冲刷沟床，使沟道加宽加深，弯道增多，弧度增大。大量泥石流固体物质出沟口后停留下来，堆积厚度大于8m，堆积扇体积超过6.48×106m3。

2.3 容重大，固体物质粒径粗

据现场观测，双龙沟沟床中块石含量较多，最大的有2.2m。采集沟口堆积扇中部的样品，进行颗粒分析试验得到结果见表2，堆积物中角砾含量（＞2mm）占总量的55.3%，黏粒（＜0.005mm）约占总量的5.31%，黏粒含量较高，泥石流固体物质以粗颗粒为主。

堆积扇部测得的固体物质比重（γv）为2.68t／m3，采用通用公式（1）及式（2）：

式中：Vc为泥石流断面流速；Hc为计算断面平均泥深；I为泥石流沟床坡降；n为泥石流沟床粗糙率。

式中：Vm为最大块石运动速度；a为全面考虑的摩擦系数；d为最大块石粒径。

计算得到泥石流容重为1.63t／m3，泥石流流速分别是5.93m／s和5.95m／s。

表2 双龙沟泥石流堆积物颗粒重量百分比

以上分析和计算结果表明，双龙沟泥石流流速快，容重大，冲击力大，具有明显阵流，表明双龙沟泥石流为高速黏性泥石流。

2.4 泥石流发展趋势

双龙沟上游发育有10多处滑坡、崩塌（图5为一典型崩塌体），加之人类松土活动较强，沟床中松散堆积物质丰富，可提供泥石流动储量达3.0×105m3；在陡峭深狭的地形条件下，双龙沟再次暴发大规模泥石流的可能性大。泥石流发生的规模最终取决于降雨量及降雨强度。

据以往资料和现有计算结果判断，双龙沟泥石流易发，活动性强，一旦泥石流暴发直接威胁双龙村及永丰上寨、中寨、下寨、永安小学及新城区几千人的安全，危害严重，危险性大。若不将泥石流控制在双龙沟主沟范围以内，一旦泥石流冲出双龙沟，将形成重大危害。

图5 崩塌体物源

3 泥石流的防治对策

从双龙沟的特殊地形地貌和危险区分布特征出发，提出了一套以拦、排、稳为主，辅以预警预报的综合治理方案（图6）。其中双龙沟上游和支沟沟道以拦挡、固床护坡为主，中下游以排导为主。

参照有关规范与规定，综合考虑该沟泥石流的特征、危害状况、危害对象的重要性，以及目前治理泥石流的经济能力，确定防灾土木工程设计标准为：按50a一遇设计，100a一遇校核［3－6］。

3.1 工程措施拟建

工程措施主要由拦挡、排导、谷坊等工程组成，其目的是稳定主沟两侧山坡、拦挡部分泥石流固体物质，并将洪水顺利排到白水江。

3.1.1 排导工程

目前沿支沟沟口堆积扇及主沟沟道两侧修建的排导槽，宽度狭窄，弯道较多，泥石流中的大石块易阻塞排导槽，导致排泄不畅。参照泥石流设计规范［6］计算该沟50a一遇的暴雨泥石流洪峰流量为84.7m3／s，5%的暴雨泥石流峰值流量为72.39 m3／s，而主沟排导槽现宽2～3m，高1～2m，仅能保证一般流水通过。泥石流运动至弯道处超高0.754m，大于安全超高深度0.5m，现有排导措施无法满足泥石流的过流需求。需对现有措施加固，补建新的排导措施。

已建排导槽底部采取铺垫处理，淤塞严重的地段定期进行清淤，两侧的围墙围干砌块石用浆砌块石重新加固。

在主沟流通区从下寨至白水江段铺设排导槽（图6），作为洪水泥石流排泄通道。参考有关类似工程设计，结合现场情况，铺设总长度约1 500m，槽底宽4m，侧墙高2m，侧墙边坡系数采用1∶0.5，排导槽均采用M10浆砌块石衬砌，排导槽伸缩缝按15m间距布置，缝内采用沥青木板填塞。

3.1.2 拦挡工程

主沟段大水沟和小水沟海拔2 000～2 200m范围沟床有宽窄渐变区，可以选取几处位置（见图6），各修建2座拦挡缝隙坝。拦挡坝能让一般洪水和高含沙洪水通过，保留一定的拦蓄库容，一旦发生泥石流，缝隙坝能够拦挡泥石流中的大块石，削减泥石流的洪峰流量，减小泥石流冲击力，同时能够稳固沟床和两侧山坡，减少泥石流固体物质来源。设计拦挡坝轴线长度150～200m，坝体基础埋深2～3m，有效高度5～6m，迎水面边坡系数1︰0.6，背水面边坡系数1︰0.1，缝隙宽度由上游的3m变化至2m。

3.1.3 固床工程

根据具体情况，在主沟布置5座固床坝，支沟内布置12道谷坊坝（图6），防止沟岸下切，稳定岸坡。