“5.12 ”地震后阿坝州茂县上门沟泥石流特征及防治措施

姚 巍，郭素芳，张书琴

（四川省蜀通岩土工程公司，成都610081）

“5.12”汶川大地震引发的崩滑地质灾害数量之多、规模之大举世罕见，除此之外，地震产生的近源移动层也为泥石流的发生提供了丰富的物质条件，由于震后各类潜在物源量急剧增加，使得震后泥石流爆发的临界降雨量大大降低，造成震后泥石流发生的频率和规模均显著增加，这就意味着在今后数年，震区泥石流灾害将成为灾区的最大地质灾害隐患之一[1－2]。

上门沟泥石流沟为老泥石流沟，但在震后，其活跃度明显上升，说明泥石流的发育受构造地质作用的影响很大。

1 区域地质条件

1.1 地形地貌

上门沟沟域地形总体上属深切割构造侵蚀高中山地形。沟域内总体上地形陡峻，形态近似漏斗形，沟域平均纵向长度3.16km，平均宽度1.7km，沟域面积2.4km2。沟域最高点位于北东侧大将军，高程3 230m，最低点位于上门沟汇入岷江口，高程1 560m，相对高差1 670m。沟域范围及地形特征如沟域遥感影像图所示（图1）。

沟域岸坡以陡坡地貌为主，山体呈上陡下缓状，平均坡度35°～55°，岸坡植被发育，地震前地质灾害较少。但由于斜坡较陡，地形临空条件发育，“5.12”地震后，沟内新发育了崩滑等大量不良地质灾害，为泥石流发育提供了大量松散固体物源。

图1 上门沟沟域全貌图（地震前）

1.2 地层岩性

研究区及附近出露的地层主要为寒武系基岩，岩性以灰色薄—厚层变质砂岩夹千枚岩等变质岩为主。受区域构造影响，岩体较破碎。沟道内还分布有崩塌堆积层、冲洪积层和泥石流堆积体。

1.3 地质构造及地震

研究区位于九顶山华夏系构造体系，区内构造主要受茂—汶断层控制，该断层是龙门山构造带主要发生地震的断裂之一。

本区挽近期断裂活动与地震活动性均较强，区域稳定性一般—较差，是中国地震活跃地区之一。区域地震动峰值加速度为0.2g，地震动反应谱特征周期为0.3s，地震基本烈度为Ⅷ度。

2 泥石流的形成条件

2.1 地形条件

上门沟沟域形态为漏斗形，无支沟发育，沟域面积2.4km2。沟域最高点高程3 230m，沟口与岷江交汇处高程为1 560m，相对高差1 679m，沟长度3.16km，沟谷纵坡陡，平均纵坡降526‰。

上门沟泥石流沟没有典型的流通区。根据泥石流形成条件和运动机制及泥石流松散固体物源的分布，将沟域划分为3片：（1）形成区：分布于上门沟上游，面积1.15km2，地形陡峻，坡度多为50°以上，沟谷纵坡大，达830‰，森林植被发育，主要为基岩斜坡，为泥石流的形成汇集水源和提供水动力条件。（2）泥石流的形成、流通区（物源区）（图2～3）分布于上门沟中下游段，该沟道长度计1.55km，面积1.03km2，沟床纵比降一般为355‰，陡缓相间分布。该区沟谷切割强烈，岸坡陡峻，褶皱断层发育。震后大量崩塌和滑坡等不良地质现象发育，沟床堆积物较丰富，为泥石流的形成提供了丰富的物源。（3）流通堆积区沟道纵坡降为129‰。两岸岸坡较缓，坡度一般约20°～30°，地貌上表现为古泥石流堆积地貌，扇区堆积厚度15～25m，扇区泥石流堆积物方量约1.26×104m3，堆积扇曾挤压岷江使其此段成为凹岸。

图3 形成区中下游丰富物源

由此可见上门沟具有山高、坡陡、沟床比降大、沟域面积较小、沟道较短的特征。巨大的地形高差，使处于坡面和沟床高度的松散堆积物拥有较大势能，同时高陡的山坡为松散堆积物的启动提供了有力条件，较短的沟道、较小的流域面积有利于降雨的快速汇集[3]。

2.2 物源条件

上门沟泥石流松散固体物源较丰富，且物源分布较为集中，主要分布于上门沟形成区流通区，包括崩滑堆积物源24处、沟道堆积物源3处和坡面侵蚀物源6处，这些物源成以砂岩夹千枚岩碎块石为主，松散、破碎，粒径以2～20cm为主，最大块度0.6m。其总储量及可能参与泥石流的动储量见表1。

表1 上门沟泥石流物源统计表

2.3 降雨条件

根据气象资料，茂县多年平均降水量484.1mm，年最大降雨量为560.6mm，单日最大降雨量为75.2mm。4月—10月为降雨集中期，为444.4mm，占全年降水量的91.8%。据溪沟测流，上门沟下游枯期流量为0.03m3／s左右，而雨季则可达到1.0～4.0m3／s，为上门沟泥石流的形成提供了有利的水源条件。

3 泥石流的基本特征

3.1 泥石流各区段冲淤特征

形成区主要位于沟谷上游地区，纵坡比降较大，沟道大多松散层较薄或基岩裸露，植被发育，抗冲刷能力较强，因此该区沟床表现为冲淤特征不明显。

形成、流通区则表现为有冲有淤，其冲淤特征与不同沟段坡降及沟谷弯道方向、沟床宽度的变化等有关。上部冲刷特征主要表现为沟谷侧蚀和下蚀，于松散物临沟侧形成新鲜的陡坎。下部沟床宽度较大，冲刷能力相对较弱，在小规模暴雨洪水或泥石流条件下，以淤为主，在发生大规模暴雨洪水或泥石流时，则以冲为主。

流通堆积区分布于上门沟下游至与岷江交汇处，此段平均纵坡在129‰，且沟道宽度有限，这种条件决定了该沟段以淤为主的冲淤特征。

3.2 泥石流的堆积物特征

勘查中对泥石流沟道堆积物进行了沿途采样，并对样品进行了分析，绘制了颗粒级配曲线图（图4～5）[4]。

图4 各级颗粒分布级配曲线图

图5 累积颗粒级配曲线图

由图4～5可见：堆积扇地区细粒含量较多，顺沟道向上粗颗粒物质含量逐渐增大。出山口以上的流通区内物质以碎块石为主，且粒径＜20mm的物质普遍较低，表明此段沟道的冲淤特征以冲为主，通常水动力条件强大，而堆积扇区则反之，常表现为淤的特点。各剖面与泥石流的关系图如图6所示。

图6 各剖面与泥石流关系示意图

这种颗粒级配反映的沟床冲淤特征是沟床经过地质历史时期长期积累的平均效应，其冲淤变化是相对的，如沟下游段总体上体现出以淤为主的特点，但如果发生大规模泥石流时，沟道的冲淤变化也可能转变成以冲刷为主的特点。

从上门沟泥石流堆积扇体的形态及挤压主河的特征分析，上门沟为一老泥石流沟。扇区范围总长度约350m，前缘宽度达360m，平均堆积厚度达15～25m，方量达1.26×104m3，而目前沟道主要由堆积扇体中央通过。堆积物质为碎石土，碎块石平均粒径为0.3～0.5m，最大可见1.5m块石。该碎石土无明显的分层特征，分选差，粉黏粒充填，胶结程度好，可见堆积时间久远，为一次性大规模冲出。堆积体表层有一期近期形成的泥石流堆积物堆叠其上，物质结构松散、含碎块石粒径0.1～0.3m，可见厚度0.5～1.0m。

3.3 泥石流的静力学和动力学特征

3.3.1 泥石流重度计算

在上门沟下游沟口采取泥石流堆积物配合沟水搅拌泥石流浆体，经询问曾见过泥石流发生性状的村民，将浆体搅拌成当时泥石流浆体质量浓度（主要参照2008年地震后发生泥石流的性状）并进行称重，量测浆体体积，计算其重度作为泥石流流体的重度，计算公式参见DZ／T0220—2006《泥石流灾害防治工程勘查规范》[5]（以下简称勘查规范）。计算结果如表2，上门沟泥石流重度为1.639～1.816t／m3。

表2 上门沟泥石流流体重度配方法计算表

按照勘查规范附录H填写泥石流调查表并按附录G进行易发程度评分，按表G.2量化评分（N）与重度、（1＋φ）关系对照，确定上门沟泥石流重度见表3。

表3 上门沟评分（N）与重度、（1＋φ）关系对照表

由以上可知，该泥石流介于黏性泥石流和稀性泥石流之间，根据调查泥石流流体性质偏于黏性泥石流。由物源结构及泥石流启动条件，推测今后爆发较大规模泥石流时，流体重度应偏小。因此，本次泥石流重度的综合取值1.724t／m3。

3.3.2 泥石流的流量、流速

为满足勘查及设计的需要，在上门沟不同沟段选择5个剖面分别用雨洪法、形态调查法对泥石流流量进行计算，并采用黏性泥石流公式对其流速进行计算。经比较，采用形态调查法求得的泥石流峰值流量计算结果普遍略小于雨洪法求得的结果，总体上形态调查法求得的流量值与雨洪法10a一遇的流量计算结果相当，另采用形态调查法计算结果没有暴雨频率的概念，仅能代表当次泥石流的特征值，而雨洪法则根据现有沟域面积、沟域植被发育分布情况和径流系数进行计算，具有预测性质，因此，泥石流峰值流量采用雨洪法计算求得的结果。计算结果见表4～5。

表4 上门沟泥石流流速计算表

表5 上门沟泥石流峰值流量计算表

3.3.3 一次过程总量及冲出固体物质总量

泥石流的发生具有暴涨暴落的特点，一次过程总量不仅与泥石流的最大流量及经历时长有关，且与汇水面积有关。据访问，泥石流历时约半个多小时，取T＝2 400s，按勘查规范公式计算P＝5%时泥石流的一次冲出总量为Q＝2.6×104m3，一次泥石流冲出的固体物质总量QH＝1.14×104m3。

3.4 泥石流的性质、发生频率及规模

泥石流的性质主要由泥石流体的黏度决定，而泥石流体黏度的大小，又取决于松散碎屑物质中黏粒含量的多少[6]。根据现场调查的泥痕情况及实验所得物源黏粒含量、查DZ／T 0220－2006《泥石流灾害防治工程勘查规范》表F.1所得的泥石流重度1.724t／m3及泥石流沟爆发泥石流时的洪水情况（现场走访）判断，上门沟泥石流为黏性泥石流。

地震前，上门沟泥石流为低频泥石流，由于震后物源增多，泥石流爆发的临界降雨量大大降低，上门沟泥石流变为高频泥石流。

根据其洪峰流量计算资料，上门沟泥石流属中型泥石流。

4 泥石流的危害及发展趋势

4.1 泥石流的危害

2008年震后3个月内，上门沟发生了2次泥石流，出口至公路段，大量树木被“揭皮”，泥位达到1.5～2.0m；2009年6月，上门沟再次发生洪水或泥石流，弯道泥痕高度约3.0～4.0m，漫过了已经修建的排导槽。2008年8月泥石流造成堵塞G213国道涵洞，后越过路面堆积，冲毁房屋2间，淤埋田地1 333.33m2左右，导致大量苹果果树死亡，威胁两岸村民安全。

4.2 泥石流的发展趋势

根据前述对泥石流灾害史的调查，约100年前曾经爆发过一次较大规模泥石流，另外20世纪80年代发生中等规模泥石流，其时间间隔约80a。“5.12”地震后，沟内崩塌、滑坡等不良地质现象增加，坡面侵蚀加剧，可能参与泥石流活动的松散固体物源量大增，泥石流爆发的规模和频率显著增高，仅2008年—2010年就接连发生泥石流3次，规模较小。现沟内可参与泥石流活动的固体物源动储量＞1.0×104m3，一旦遭到大暴雨的作用，势必引发大规模的泥石流灾害。因此对其进行治理是非常必要的。

5 治理措施

本次泥石流治理工程的主要措施为“稳、拦、排”。在形成区（中上游）主要以稳土为主，以稳固上游边坡、提高沟床上游基准侵蚀面，控制和减少泥石流固体物源；在流通区（中游）主要以拦砂为主，把泥石流固体物质拦在流通区内，控制泥石流规模，改变泥石流流体性质，减少进入排导槽的固体物质，从而有利于下游的排导效果；在淤积区（下游）主要以排导和清淤为主，以利于泥石流顺畅排入岷江。

5.1 原有工程

自沟口沿上游方向350m范围内，主沟内修建了5座小型谷坊，谷坊的高度普遍为2.0～3.0m，宽度一般为3.0～5.0m，顶部厚度一般0.5m左右，由浆砌片石建成。自沟口至G213国道交汇部位，修建排导槽，以涵洞形式通过G213，涵洞淤堵后断面0.7m×2.0m。排导槽沿原来自然沟道进行坡面护砌，混凝土护面，槽底作简单的铺砌。整个排导槽的长度大约350m，宽一般大于1m，最宽处约2.5m。槽深1.5m。

5.2 新建工程

对现有谷坊坝采用MU30浆砌块石进行加固，清除堵塞G213国道涵洞的堆积物，同时在公路外侧的沟道两侧修建防护堤，保护两侧民房。

另设2道M10浆砌块石重力式拦砂坝，从上游往下，分别是1＃、2＃拦砂坝。1＃拦砂坝顶宽2m，长32.33m；2＃拦砂坝顶宽2.5m，长43.93m，两道坝有效高度均为5.5m，基础埋深2.5m。为了防止泥石流过坝后冲刷坝基，在拦砂坝下游11m处分别设置副坝，采用M10浆砌块石砌筑，1＃拦砂坝副坝高4.5m，埋入地下1.5m，顶宽1.5m，长14.47m；2＃拦砂坝副坝坝高5.5m，埋入地下1.5m，顶宽1.5m，长22.08m。在坝顶中部设置溢流口，溢流口宽度为20、28m，深度1.5m，排水孔布设在溢流口坝段，坝体中部设置两排排水孔，孔高0.8m，宽0.5m，排水孔之间横向净距2m，纵向间距1.5m。

1＃拦砂坝的库容约7 600m3，II＃坝的库容约为5 025.5m3，总库容量约12 625.5m3。

新旧工程的结合，达到了对泥石流灾害治理的目的，较为全面地治理了泥石流危害。

6 结语

通过对上门沟泥石流的形成条件和特征的研究表明，该沟为一条老泥石流沟，震后沟内物源增多，启动泥石流的降雨临界值降低，泥石流转变为高频泥石流。该泥石流规模中等，易发程度高，危险性增大，且危害严重。针对这些特点提出了“3道拦砂坝＋原有谷坊坝＋公路涵洞清淤＋防护堤”的综合治理方案，达到了稳固上游物源、拦挡中游物源和下游排导的治理目的[7]。

[1]许强.汶川大地震诱发地质灾害主要类型与特征研究[J].地质灾害与环境保护，2009，20（2）：86－93.

[2]许强.四川省8＃13特大泥石流灾害特点、成因与启示[J].工程地质学报，2010，18（5）：596－608.

[3]游勇，刘金峰，陈兴长.“5.12”汶川地震后北川苏保河流域泥石流危害及特征[J].山地学报，2010，28（3）：358－366

[4]郭晓军，苏鹏程，崔鹏，等.7月3日茂县棉簇沟特大泥石流成因和特征分析[J].水利学报，2012，43（增刊2）：140－146.

[5]DZ／T 0220—2006中华人民共和国国土泥石流灾害防治工程勘查规范[S].北京：中国标准出版社，2006.

[6]费祥俊，舒安平.泥石流运动机理与灾害防治[M].北京：清华大学出版社，2004：262－267.

[7]李德华，许向宁，吉峰，等.汶川县映秀镇红椿沟特大泥石流工程防治及初步效果分析[J].工程地质学报，2013，21（2）：260－268.