香樟树沟泥石流形成条件与动力学特征分析

王 华，陈国辉，李 虎

（1.四川省地质矿产勘查开发局川西北地质队，四川 绵阳 621000；2.四川省地质工程勘察院，成都 610072；3.成都市地质环境监测站，成都 610042）

香樟树沟泥石流形成条件与动力学特征分析

王 华1，陈国辉2，李 虎3

（1.四川省地质矿产勘查开发局川西北地质队，四川 绵阳 621000；2.四川省地质工程勘察院，成都 610072；3.成都市地质环境监测站，成都 610042）

汶川 “5·12” 大地震引发了大量的次生地质灾害，彭州市香樟树沟泥石流是其中之一。通过深入分析该泥石流的基本特征、形成条件基本上，计算评价了该泥石流的重度、流速、流量、冲出量等动力学参数，预测该泥石流的发展趋势，最后根据泥石流危险性和被保护对象的重要性，提出了相应的综合治理措施。

泥石流；形成条件；防治措施；香樟树沟

汶川 “5·12” 大地震造成山体震伤严重，地震裂缝异常发育，岩土体结构松动，诱发形成的滑坡、崩塌和泥石流地质灾害数量众多，隐患异常严重。香樟树沟位于彭州市龙门山镇九峰村，2008年5月和7月先后爆发泥石流灾害，其中，2008年5月的泥石流固体物质冲出量约为1 850m3，冲毁村民林地约30亩，并将沟口平安山庄一楼淤埋，冲毁村民自建水池2座，自修公路270m，牲口棚2个，此外还堵塞了沟口过水涵洞，并掩埋了沟口近30m的银白公路，公路上堆积厚度约1.0m；2008年7月的泥石流固体物质冲出量约为1 650m3，此次泥石流在第一次泥石流的基础上，将平安山庄二楼近1/2淤埋；该泥石流沟目前威胁香樟树沟流域内6户，共29人群众生命财产安全，潜在可能造成的经济损失609.8万元[2]。因此，研究香樟树沟泥石流的基本特征、形成条件、动力学参数，预测其暴发规模，提出切实可行的防治方案，并立即开展治理工作十分必要。

1 香樟树沟流域概况及基本特征

香樟树沟位于彭州市北部，地貌整体上属侵蚀构造中山地貌，呈北西高南东低展布。沟谷呈“V”型，谷坡30°～79°，谷宽5～15m。形态近似漏斗形，沟域面积0.83km2(图1)，最高海拔高程2 033m，最低海拔位于下游主河湔江河道内，高程为1 251m，相对高差782m。主沟整体长1.95km，全流域主沟平均纵坡降402.5‰。

泥石流形成区面积0.36km2，占流域面积的43.4%。沟道植被覆盖良好，沟谷切割较深，沟谷长度1.21km，相对高差约578m，沟谷纵坡降477.6‰，区内地形起伏大，沟谷断面主要以“V”字形为主，纵向上沟谷呈弧线形，局部较陡，形成跌坎。沟道一般宽6～10m，谷坡坡度一般30°～45°，局部接近60°，地震引发沟头山体及岸坡发生大规模崩塌，为2008年的泥石流堤供大量物源。沟头谷坡中前缘形成高数米至几十米的陡壁，崩坡积物难保留，中后部坡度较缓，崩坡积物较厚，在降雨的作用下，部分固体物质顺边坡进入沟道。

流通区分布于泥石流沟中下游段，面积0.24km2，占流域面积的28.9%，沟长0.45km，相对高差151m，平均纵坡335.8‰，沟底部分地段为基岩出露，岩性为二叠系下统灰岩，地层倾向295°～310°，倾角55°～65°。部分沟底可见少量大块石、漂石，沟岸两侧大部分覆盖薄层的泥石流堆积层，残坡积层，部分可见基岩出露。沟谷断面主要以“V”字形为主，纵向上沟谷形态呈弧线型，沟道一般宽4～9m，谷坡坡度一般45°～60°，局部接近80°，呈陡崖状，总体地貌形态呈“V”型峡谷。流通区内主沟道沟岸受地震及前两次泥石流的冲刷作用下，两岸滑坡发育，为泥石流补给了部分泥沙。

沟堆积区位于银白路内侧至湔江的扇形区域内，长约535m，宽约420m，平均沟床纵坡降201.9‰，面积约0.23km2，泥石流堆积物厚度在1～4m，堆积总方量约有3 500m3，主要为碎石土，夹块石和巨型漂石，块石母岩一般为灰岩。

2 泥石流形成条件分析

2.1 地形地貌条件

香樟树沟地貌整体上属侵蚀构造中山地貌，北西高南东低。沟谷呈“V”型，谷坡30°～79°，谷宽5～15m。沟域形态近似漏斗形，沟域面积0.83km2，沟域最高海拔高程2 033m，位于沟头，最低海拔1 251m，位于下游主河湔江河道内，相对高差782m。主沟整体长1.95km，全流域主沟平均纵坡降402.5‰，泥石流形成区主沟平均纵坡降477.6‰，流通区主沟平均纵坡降332.9‰，堆积区主沟平均纵坡降201.9‰。堆积区沟谷开阔，纵坡较缓，流通区沟谷狭窄且比较长，形成区汇水面积较大，物源的动储量大。较大的高差和较大的汇水面积使得大量地表水快速汇集，并侵蚀地表和带动松散固体物质运动，从而极易引发泥石流的产生[3]。

2.2 水源条件

香樟树沟汇入湔江，年平均降雨量1 350mm，日最大降水量为167mm，6小时最大降水量为120mm，1小时最大降水量为69.7mm，10分钟最大降水量为15mm，最长连续降雨时段10天。谭万沛等(1992)对四川省泥石流发生的临界雨量进行的研究表明，龙门山地区泥石流发生的临界雨量为80～100mm，小时雨强为30～50mm[4]。根据降雨量分析，激发香樟树沟泥石流的原因有两方面，一是由于前期降雨历时长、雨量大，导致流域内崩滑堆积体及沟道堆积的松散物源处于饱水状态，不利条件下极易启动；二是由于前期降雨过程较长，流域地面包气带饱和，随着后期雨强增大，更易汇流形成地表径流，启动泥石流灾害。

2.3 物源条件

香樟树沟基岩主要为灰岩、白云质灰岩、黑云母花岗岩，岩层陡倾、岩体节理裂隙发育。且区域内构造运动活动性强，因此，在长期风化剥蚀、流水侵蚀、临空卸荷，特别是地震活动等内、外营力作用下，区内重力地质灾害现象发育。基岩出露区，主要的不良地质类型为崩塌及危岩；而沿沟的土质岸坡段，由于香樟树沟水流对坡脚的掏蚀，普遍存在有滑塌现象[5]。据调查，该泥石流沟谷流域总松散物源量2.16×104m3，可能参与泥石流活动的不稳定物源主要有5.12地震形成崩塌堆积物、滑坡堆积物及少量沟床堆积物，松散物储量约0.97 ×104m3，其中包括形成区内易移动松散岩土体方量0.90×104m3；流通区易移动松散岩土体方量0.07×104m3（表1）；此外，坡面松散侵蚀产生的物质、洪水冲刷沟床及其两岸携带的物质，也为泥石流提供了一定的物源。

3 泥石流动力学参数分析

由于无泥石流发生时的实际观测数据，对该泥石流沟的分析，主要是依据现场调查访问资料，类比利用目前泥石流运动特征及动力特征研究的成果进行的。计算主要选择调查到的泥石流过流特征和泥痕，采用配浆法确定流体重度，采用形态调查法对流速、流量进行计算。

3.1 泥石流流体重度

泥石流流体重度主要根据泥石流易发程度数量化评分，查《泥石流灾害防治工程勘查规范》(DZ/T0220-2006)[6]附录表G．2，并结合模拟试验综合确定。

图1 香樟树沟泥石流平面示意图

表1 香樟树沟泥石流物源类型及方量表

3.1.1 现场配浆法

在堆积区内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2008年泥石流发生性状的村民，将浆体搅拌成当时泥石流浆体浓度并进行称重，量测浆体体积，计算其重度作为泥石流流体的重度，其计算公式为：式中γc—泥石流重度（g/cm3）；Gc—配制泥浆重量（g）；V—配制泥浆体积（cm3）。计算结果表明，香樟树沟泥石流重度为1.660g/cm3。

3.1.2 查表法

香樟树沟泥石流易发程度量化得分93分，查表2确定泥石流重度γc=1.641t/m3，对应1+φ为1.624。

表2 泥石流流量计算参数及结果一览表

3.1.3 综合取值

香樟树沟泥石流以往没有监测资料，只能通过配方法和查表法两种方法来确定，而这两种方法又各有其特点。配方法只能对已发生过，且有人目击的泥石流进行测定，且测定结果只能代表当时的一次泥石流发生的结果。相对而言，查表法是在现状调查基础上带预测性的重度值结果，更宜作为泥石流设计的依据，因此，本次按查表法取值，即香樟树主沟泥石流重度γc为1.641t/m3。

3.2 泥石流流速

泥石流流速是泥石流动力学的重要特征值之一，它与泥石流流量、泥石流体容重、泥石流物质的矿物组成和级配成分以及沟道内其他要素都有很密切的关系。同时，泥石流流速本身又是一个决定着泥石流动力学性质的最为重要的参数之一，目前泥石流流速计算公式多为半经验或经验公式。

根据现场调查，地震后松散堆积体主要为碎块石等物质，从堆积物的颗粒级配分析也可以看出，物质来源在结构特征上也以碎石为主，砂粘土充填，鉴于上述物源特征，以稀性泥石流为主，采用西南地区（铁二院）计算公式确定泥石流流速。

式中： Vc：泥石流断面平均流速（m/s）；R：水力半径（m），一般可用平均水深H（m）；Ic：泥石流水力坡降，一般可用沟床坡降代替（‰）；Hγ：固体物质容重（t/m3）；φ：泥石流泥沙修正系数，清水河床糙率系数，取14。计算结果详见表2。

3.3 泥石流流量

目前，泥石流流量计算的方法主要有雨洪法和形态调查法两种。经笔者计算分析发现，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。分析其原因，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，本文仅列举了采用雨洪法的计算结果及综合取值。

3.3.1 设计洪水流量计算

采用《四川省中小流域暴雨洪水计算手册》推荐的推理公式计算设计频率条件下的洪水洪峰流量，计算公式如下：

式中：ψ：洪峰径流系数，ψ=f (μ，τn)；τn=f( m，s，J，L)，其中，s：暴雨雨力，mm/h；m：汇流参数；J：沟床平均纵比降，‰；L：沟道长度，km；n：暴雨指数，取0.7；F：流域面积，km2；τ：流域汇流时间，h；μ：入渗强度，单位为mm/h。

设计洪峰流量计算参数及结果见表2。

3.3.2 泥石流峰值流量计算

以香樟树沟流域可能产生的最大清水流量为依据，按照雨洪修正法原理[5]，泥石流流量按下式进行计算。

式中，Qc：频率为P的泥石流洪峰值流量（m3/s）；Qp：频率为P的暴雨洪峰值流量（m3/s）；φ：泥石流泥砂修正系数，取0.650；Dc：泥石流堵塞系数值，取1.2；

设计泥石流峰值流量计算参数及结果见表2。

3.4 一次泥石流过流总量

一次泥石流总量Q可通过计算法和实测法确定。实测法精度高，但因往往不具备测量条件，只是一个粗略的概算。计算法根据泥石流历时T（s）和最大流量Qc（m3/s），按泥石流暴涨暴落的特点，将其过程线概化成五角形，按下式计算Q（m3）。

当F<5km2，K=0.202；F=5～10 km2，K=0.113；F=10～100 km2，K=0.0378；F>100 km2，K<0.0252。经计算，香樟树沟遭遇20年一遇泥石流一次冲出泥石流总量（Q）为 0.45×104m3。

3.5 一次泥石流固体冲出物

一次泥石流过程中冲出的固体物质总量不仅与泥石流规模有关，而且与泥石流性质、固体物物理特征等有关。一次泥石流冲出固体物质体总量按下式计算：

式中：Hγ：泥石流固体颗粒容重（t/m3），2.65；Cγ：泥石流容重(t/m3)，1.641；Wγ：水容重（t/m3），1.0；经计算，遭遇20年一遇的香樟树沟泥石流一次冲出固体物质总量（HQ）为0.175×104m3。

4 结论与建议

1）香樟树沟泥石流流域地形地貌、地质构造复杂，地震基本烈度为Ⅷ度，区域稳定性差，不良地质现象发育。该泥石流属老泥石流沟，在汶川“5·12”地震前已进入衰退期。“5·12” 地震不但在沟域内形成了大量松散物源，且降低了泥石流暴发需要的激发降雨量，使得香樟树沟泥石流的活动频率和规模都将大大增强。目前，香樟树泥石流处于小周期内的发展期。

2）根据泥石流易发程度量化打分，东龙沟泥石流综合得分为93分，属泥石流易发沟，其发生机率为 85% 以上；预测其暴发类型属中小型暴雨型稀性沟谷泥石流。

3）香樟树沟泥石流潜在威胁对象为6户29人，潜在可能造成的经济损失609.8万元，潜在危险性属小型，采取泥石流防治措施是必要。

4）针对香樟树沟泥石流类型、活动特征及危害对象，建议采取以中、上游谷坊坝固源、格栅坝拦挡+下游防护堤局部防护+下游沟道整理的综合治理措施；

5）建议加强对该泥石流的群测群防，并由相关部门设立降雨气象观测站，以便及时预告流域降雨状况，进行泥石流的预测预报工作。

[1] 李德华，等．四川汶川县映秀镇红椿沟“8. 14”特大泥石流形成条件与运动特征分析[J]，中国地质灾害与防治学报．2012，3(23)．

[2] 河北省地矿局第四水文工程地质大队．四川省彭州市龙门山镇香樟树沟泥石流应急勘查报告[R]．2010．

[3] 张自光，张志明，张顺斌．都江堰市八一沟泥石流形成条件与动力学特征分析[J]．中国地质灾害与防治学报，2010，21（1）：34～38.

[4] 谭万沛，韩庆玉．四川省泥石流预报的区域临界雨量指标研究[J]．灾害学，1992，7(2)：37～42．

[5] 刘德兵，李毅，等．松潘县东龙沟泥石流形成条件与动力学特征分析[J]．工程勘察，2011，（6）．

[6] 泥石流灾害防治工程勘查规范[S]．中华人民共和国国土资源部．2006．

Forming Conditions and Dynamics of the Debris Flow in the Xiangzhangshu Gully

WANG Hua1CHEN Guo-hui2LI Hu3
(1-Northwest Sichuan Geological Team, BGEEMRSP, Mianyang, Sichuan 621000; 2-Sichuan Institute of Geological Engineering Investigation, Chengdu 610072; 3-Chengdu Institute of Geo-Envirorment Monitoring Station, Chengdu 610042)

Debris flow in the Xiangzhangshu Gully, Pengzhou is one of geohazards induced by the Wenchuan Ms 8.0 earthquake. This paper calculates dynamic parameters such as discharge velocity, discharge, bulk density, sediment flush out of the debris flow on the basis of its basic characteristics and forming condition and has a discussion on developmental trend and puts forward some control measures.

debris flow; Xiangzhangshu Gully; forming condition; dynamic parameter; control measure

P642.23

A

1006-0995（2014）04-0581-04

10.3969/j.issn.1006-0995.2014.04.025

2014-02-24

王华（1982-），女，四川宜宾人，工程师，主要从事地质灾害勘查工作