四川熊家沟泥石流灾害研究

钟 声

（成都理工大学环境与土木工程学院，成都610059）

0 引言

熊家沟位于阿坝州茂县石大关乡，属“5·12”特大地震的重灾区。特大地震不仅造成了一定的人员伤亡和严重的经济财产损失，同时还诱发了为数众多的崩塌、滑坡、泥石流等次生地质灾害。这些重大地质灾害隐患点险情紧迫、危害巨大、危险程度高，不仅严重危及泥石流沟口和流通区66户约266多位居民生命、财产安全，同时位于沟口前方通过的213国道也将受到严重威胁，更严重影响了灾后恢复重建工作的顺利开展。通过在现场调查的基础上，分析了熊家沟泥石流的形成条件及若干特征值参数，并提出预测趋势，这对熊家沟泥石流灾害的防治具有重要意义。

1 熊家沟泥石流形成条件分析

1.1 降水条件

熊家沟位于茂县县城西北约30km处，流域中下游与茂县县城海拔相近，并同属岷江干旱河谷区，所以茂县的气象条件与熊家沟所处的区域相似。通过对茂县多年的降雨资料统计分析，该区降雨主要有以下特点：（1）降雨适中。茂县多年平均降水量484.1mm，年最大降雨量为560.6mm，年最小降雨量为335.5mm。（2）降雨集中。在时间上，冬春季节降水量严重偏少，常发生冬干连春旱，而夏秋季降水偏多，各月分配不均（如图1、图2），降水量集中在下半年（4月—10月）为444.4mm，占全年降水量的91.8%，而冬半年（10月—次年3月）降雨量仅39.7mm，占全年降水量的8.2%。（3）降雨地区分布不均。茂县降雨量在地区分布上极不平衡，具有中部较少，向周边延伸逐渐增多的特点，多年平均降水量等值线参见图3所示。熊家沟流域所处的石大关乡与茂县县城所在的凤仪镇同处在年降水量500mm的降雨适中处（如图3所示）。

图1 茂县多年降雨量变化曲线图

图2 茂县多年月平均降水分布图

图3 茂县多年平均降水量等值线图

虽然降雨不多，不太强，但根据吴积善等著《泥石流及其综合治理》，四川大部分地区的泥石流激发雨量都是比较小的［1］，况且汶川地震后，熊家沟内地质条件更加不好，堆积的松散物质又多，激发泥石流的雨强很小都能产生比较有影响的规模泥石流。所以说暴雨是该泥石流的主要引发因素。

1.2 新构造运动与地震

茂县县境及邻区地质构造复杂，区内新构造运动表现为区域性地壳急剧上升并伴随断裂活动，在上升中有短暂间歇，区内新构造运动强烈。而且，区域内地震活动与新构造活动密切相关，强震多发生在活动构造带内（图4）。目前有记载的大于6级，并且对本区影响较大的地震共有14次。2008年5月12日，地处龙门山断裂带上的汶川县映秀镇发生里氏8.0级地震，而石大关乡的建筑物破坏较为严重。根据GB 18306—2001《中国地震动参数区划图》第1号修改单，调查工作区的地震动峰值加速度由原来的0.10g提高为0.20g（图5），地震动反应谱特征周期为0.35s（图6），由此可知调查区地震基本烈度为Ⅷ度［2］。

图4 茂汶M≥4.7的地震分布图

图5 地震动峰值加速度区划图

图6 地震动反应谱特征周期区划图

1.3 人类工程活动

目前，熊家沟流域内的人类工程活动主要为修路。由于修路对熊家沟右侧的边坡进行开挖，引发了边坡的局部失稳。同时，在开挖边坡的过程中产生的大量弃渣都堆积在路边，局部地段弃渣堆放到河道内，并使河道变窄，这种现象在河道中下游比较严重。在开挖边坡过程中产生的弃渣一方面为泥石流的爆发提供了大量物源，另一方面弃渣堵塞河道，将淤高上游水位，在水位到达一定高度时，由松散的弃渣构成的坝体可能溃坝，将导致大量水体下泻，这就将冲击滞留在河道内和河道两侧的松散堆积体向下游运动（图7）。

图7 熊家沟流通区内的修路建设

1.4 地形地貌及沟道条件

熊家沟沟域形态近似倒“梨”形，支沟发育一般，并且支沟绝大部分位于清水区。沟域纵向长度8.7km，平均宽度3.7km，沟域面积32.1km2，沟域最高点高程4 450m，最低点位于熊家沟汇入岷江沟口处，高程1 726m，相对高差2 724m，沟谷平均纵坡降313‰。沟域内山高坡陡，平均坡度在35°以上，沟谷纵坡较大，特别是主沟上游段纵坡多在491‰左右，有利于降雨的集中，从而为泥石流水源的汇流集中提供了条件。

2 熊家沟泥石流各区段冲淤特点

2.1 形成区（清水区）冲淤特征

由于沟段普遍松散层较薄，有的为基岩裸露，沟床抗冲刷能力较强。从而使熊家沟上游清水区沟床大多具有冲淤平衡的特点。

2.2 形成区（物源区）冲淤特征

形成区（物源区）的冲淤特征视不同沟段表现出不同的特点，另外，因降雨量及其分布的不同、沟道内洪水（或泥石流）流量的差异，其冲淤现象也会出现一定的差异，总体上看，主沟上段冲淤特征表现为以冲为主的特点，主沟下段冲淤特征表现为以淤为主的特点。

该段中上段由于沟谷纵比降相对较大（平均138.5‰），沟床相对狭窄（一般为15～30m左右，局部地段沟道宽度仅5～10m左右）且该沟段区域性抬升剧烈，因此沟道下切较为强烈，沟道两侧泥石流堆积台地常形成基座阶地，局部地段可见基岩沟床，这些特点决定在具备较强的水动力条件时，泥石流下蚀作用通常大于堆积作用，其冲淤特征表现为以冲为主。但在较小的洪水或泥石流条件下，局部地段也可能出现小规模的淤积。

该段中下段由于沟谷纵比降较缓（一般80‰～100‰），且沟床宽度较大（一般50～80m左右，局部可达120m左右），这种特征决定其泥石流冲刷能力相对较弱，冲刷深度较小，在小规模暴雨洪水或泥石流条件下，其淤积的速度大于侵蚀的速度，其冲淤特征表现为以淤为主的特点，但在发生大规模暴雨洪水或泥石流的条件下，则可能转化为冲刷侵蚀，但其冲刷深度相对较小。

2.3 流通堆积区冲淤特征

流通堆积区分布于熊家沟沟底高程为1 880m至沟口段，该段沟道平均纵坡仅100‰左右，而沟道宽度则更大，这种条件决定该沟段冲淤特征仍为以淤为主的特点，但在大规模暴雨洪水或稀性泥石流作用下，其冲刷作用将加剧，据访问调查，此次最大侵蚀深度达1m左右，平均侵蚀深度0.5m左右。

3 泥石流常规特征值的计算

3.1 泥石流流量

根据熊家沟流通沟道的研究，在熊家沟沟道处选择有代表性的3个断面（表1），确定泥石流的断面面积，采用形态调查法算出路过断面的泥石流峰值流量。

表1 断面特征参数

形态调查法计算公式为：

式中：Qc为泥石流断面峰值流量（m3／s）；Wc为泥石流过流断面面积（m2）Vc为泥石流断面平均流速（m／s）。

对主沟中下游沟段，熊家沟泥石流的重度是1.783t／m3，是处在稀性与稀性黏性泥石流二者中的流体，而前面有说到，熊家沟沟域内的降雨量是比较大的，使得熊家沟泥石流处于稀性状态，从而采用下面公式算泥石流断面平均流速。

式中：Vc为泥石流流速（m／s）；Hc为多年发生的平均泥石流深度（m），一般可用平均水深来代替；φ为泥石流泥沙修正系数；Ic为泥位纵坡率，以沟道纵坡率代替；n为泥石流沟床的粗糙系数；γH为泥石流固体物质重度（t／m3）。

在以上变量中Wc和Hc常常是以前发生过的多次泥石流沟取的相应均值。泥沙修正系数和沟床粗糙系数常常通过实际分别由查表法和相应的规范决定。泥石流流速和流量的计算结果见表2。

表2 泥石流流速和流量的计算结果

所选择的3个流通断面的泥石流流量值相差不是很明显，从而采用这几个断面的流量平均值来计算泥石流总量，平均流量为79.56m3／s。

3.2 单次泥石流过程总量

采用下面算法式子：

式中：Q为单次泥石流过程总量（m3）；T为泥石流历时（s）；Qc为泥石流最大流量（m／s）。

其中，K值的变化随流域面积（F）的大小而变化［3］，当F＜5km2时，K ＝0.202；当5km2＜F＜10km2时，K＝0.113；当10km2＜F＜100km2时，K ＝0.037 8；熊家沟流域面积32.1km2，所以K＝0.037 8，通过调查发现熊家沟在有历史记载以来发生的最具影响力的泥石流时间是1987年，据调查访问，这次泥石流的发生经过了差不多1.0～1.5h，本次计算取T＝1.5h＝5 400s，采用断面法分析成果，权衡各方面因素得到熊家沟泥石流最大流量Qc＝126.35m3／s，按以上式子得到熊家沟单次泥石流过程总量为Q＝2.58×104m3，见表3。

表3 单次泥石流过程总量参数及结果一览表

4 熊家沟泥石流发生频率和发展阶段预测

根据对熊家沟泥石流灾害史的调查，熊家沟泥石流以往属低频泥石流，从近期泥石流灾害史看，自20世纪50年代中期发生泥石流到1987年发生的泥石流，其时间间隔为22a。然而不好的结果是汶川地震过后，许多的固体物质可能会参与泥石流的发生，据公式算，得其体积量达3.078×105m3，相当于1987年熊家沟泥石流固体物质冲出量1.143×104m3的26.9倍，造成这种原因是地震过后，许多不好的地质现象在熊家沟内发育得比较好，例如滑坡、崩塌等。从而使不大的降雨量就足以造成一次泥石流的产生，因此，熊家沟爆发泥石流的时间间隔可能缩短的概率比较大。震后5～10a预计其发生频率可能达到1～2次，以后，随着植被的恢复和部分物源趋于稳定，其发生频率可能逐渐降低为低频，目前熊家沟泥石流所处发展阶段为发展期。

5 结语

流域内具有泥石流发育的良好条件。从地形地貌上看，熊家沟流域内相对高差大，地形陡峻，沟谷纵坡较大，有利于泥石流物质的汇集和成灾，又由于汶川地震作用使雄家沟内产生了大量的堆积物质，此外熊家沟那里降雨量大，降雨集中，这更加使熊家沟易于发生泥石流。由于泥石流危险性增大，且危害非常严重，对其实施应急防治工程显得十分必要而迫切。

［1］吴积善.泥石流及其综合治理［M］.北京：科学出版社，1993.

［2］GB 18306－2001中国地震动参数区划图［S］.

［3］DZ／T 0220—2006泥石流灾害防治工程勘察规范［S］.