九寨沟县干沟泥石流形成机制及防治工程评价

苏远东 袁凤凯

（1.核工业西藏地质调查院，西藏 拉萨 850000；2.四川省核工业辐射测试防护院，四川 成都 610000）

0 引言

2009年8月24日，九寨沟县郭元乡突降特大暴雨，高强降雨持续时间2-3 小时，降雨量累计达52mm，在高强度降雨的作用下，流域内大量松散固体物质启动流入沟内形成泥石流，最后堆积在干沟沟口，堆积长度约0.6km，平均堆积厚度约1.5m，泥石流总量达4.0×104m3。泥石流最终导致下游金字河堵塞、河床抬升、河水改道，所幸这次泥石流并未造成人员伤亡，但冲毁了乡村公路、桥涵、大量耕地和部分民房，造成直接经济损失达500 万元。

图1 泥石流冲毁乡村道路

图2 沟口堆积大量泥石流物质

干沟泥石流在地震作用的影响下演变为一条高频泥石流沟，虽然在2009年8月24日暴发了历史上最大规模的泥石流，但流域内仍然存在大量的松散物质，在将来还极有可能暴发大规模的泥石流灾害。在对干沟泥石流进行现场调查的基础上，本文分析了泥石流的基本特征、物源分布特征、泥石流形成机制、形成过程及泥石流的各重要特征参数，预测了泥石流的发展趋势并对泥石流的防治工程进行评价，为泥石流的防灾减灾提供依据。

1 区域地质环境条件

九寨沟县属川西高原气候的暖温带干温河谷气候，特点是温和偏冷，夏短冬长，垂直差异大，冬暖夏凉，昼夜温差变化大，年均气温12.7°。九寨沟县位于川气候受地形影响显著，降雨集中，主要集中在7～9月，常出现局地性暴雨和冰雹；据县气象站25年的观测资料，年最大降水量为750.2mm，七月份降水量最多，为100.5mm，1975～2000年期间区域内6 个小时最大降雨量为37.3mm，同时雨量随海拔高度升高而增加，平均降雨梯度约为4mm/100m；1 小时最大雨强和10 分钟最大雨强分别为40mm 和20mm。降雨具有波动变幅大、降水集中、雨强大和暴雨频率高的特点，这些特点有利于洪水灾害和泥石流等灾害的发育。

九寨沟县境及邻区地质构造复杂，区内新构造活动强烈，地震活动频繁而剧烈，区域断裂有扎如—则查洼断裂、宝镜岩—日则剑峰—九寨沟断裂等，均为张扭性断裂。受东西向断裂带和南北向岷江断裂影响，松潘、漳腊和黄龙一带地震活动频繁。第四纪以来，区内新构造运动强烈，由于新构造运动间歇性抬升而形成三级夷平面，由于新构造运动强烈抬升，沟谷下蚀作用强烈，形成纵比降较大的“V”型沟谷，沟床纵比降陡，陡急的纵比降为泥石流的形成提供了有利的位能条件，易于发生较大规模的泥石流。区内主要出露地层为第四系松散崩坡积、残坡积和泥石流堆积层，下覆基岩为三叠系千枚岩、板岩，岩体风化强烈，裂隙较发育，岩体较破碎。这些松散对基层和破碎岩体为泥石流灾害的形成提供了很好的物源条件。

2 泥石流流域基本特征

干沟位于四川省九寨沟县郭元乡金子村，属白水江支流金字河沟左岸一级阶地和中高山区沟谷地带，沟口位置地理坐标北纬33°05′，东经104°18′，海拔1535 m。干沟流域内地貌以构造侵蚀中高山及构造侵蚀峡谷地貌为主，流域平面形态呈叶脉状，总体呈南北向伸展，由北向南倾斜；在新构造运动作用下，沟道切割强烈，沟道主要呈“V～U”型。

干沟流域面积6.1km2，主沟全长3.2km，最高点海拔3100m，位于流域东北侧，最低点海拔约1550m，位于水江支流金字河沟左岸边，相对高差约1550m，沟床平均纵坡降为293.2‰。干沟流域内主要发育两条支沟，其中1 号支沟位于干沟下游，沟道较顺直，流域面积0.35km2，沟道长650m，沟口高程1690m，沟床平均纵坡降约534.7‰；2 号支沟位于流域中上游，沟道顺直，流域面积0.98km2，沟道长1.1km，沟口高程2065m，沟床平均纵坡降约612.2‰。

3 泥石流暴发过程及成因

据现场调查，干沟历史上曾发生过两次较大规模的泥石流：

（1）1964年7月13日，干沟暴发过一次较大规模的泥石流灾害，泥石流总量为2.5×104 m3，为泥石型泥石流，固体物质以粘性土为主，夹有粒径较小的角砾和砂砾，粒径多为2～10cm。大量泥石流物质堆积于沟口，冲毁大量房屋、耕地，人员伤亡及财产损失情况不详。

“7.13”泥石流暴发的主要原因是：20 世纪60、70年代当地居民的乱砍滥伐、开荒种地，大量树木被砍伐，植被覆盖率降低，山体大面积裸露，导致水土流失现象异常显著；地表径流作用强烈，流域山体表层大量松散岩土体在强降雨的冲刷掏蚀作用下顺坡而下，汇流至沟道内，最终暴发较大规模泥石流；而后因国家实施退耕还林的政策，当地政府组织封山育林之后，流域内山体植被覆盖率增加，水土保持效果良好，能够参与泥石流活动的物源减少，再未暴发过泥石流灾害。

图3 2009年泥石流暴发过程推演

（2）2009年8月24日，干沟再次暴发较大规模的泥石流灾害，泥石流持续时间约1 小时，泥石流总量为4.0×104m3，为水石型泥石流，固体物质以碎块石、角砾为主，粒径多为5～30cm，个别大块石粒径可达1.5m，充填少量中、粗砂砾和粘性土。大量泥石流物质堆积于沟口，泥石流最终导致下游金字河堵塞、河床抬升、河水改道，泥石流冲毁了乡村公路、桥涵、大量耕地和部分民房，造成直接经济损失达500 万。

“8.24”泥石流暴发后，干沟泥石流形成流通区沟床下切严重，岸坡侧蚀作用强烈，沟壁残留有大量泥浆，最大可见泥痕为3.1m，未见超越2009年泥石流的泥痕，推断2009年发生的泥石流规模为最大一次，为50年一遇的泥石流。

从图3 可看出，2009年泥石流产流和汇流过程分为三个阶段。泥石流活动①阶段：泥石流上游细颗粒的角砾受地表水的冲刷汇流至沟道内，伴随着地表水向下运动，初步形成泥石流；泥石流活动②阶段：当泥石流运动至主要形成流通区，参与泥石流的固体物质不断卷入，流速、流量不断增大，规模不断壮大，侵蚀能力亦不断增强，沟道内的大粒径碎块石逐渐被启动，成为参与泥石流的主要成分，随着这个阶段的不断发展泥石流最终达到洪峰期；泥石流活动③阶段：当泥石流运动至堆积区，由于沟床纵坡降变缓，沟道变宽阔，泥石流流速减小，固体物质逐步堆积。由于泥石流的流变特性和搬运能力与固体物质的粒径有关，大粒径的碎块石在重力作用下以滚动和跃移的形式先堆积，而中小粒径的角砾及粘性土则在重力和水力的综合作用下以悬移、跃移和滚动的形式而后缓慢堆积，最终形成扇形泥石流堆积体。

“8.24”泥石流暴发的主要原因是：沟道两侧老崩塌堆积体受“5.12”地震影响，土体结构受震动变松散，稳定状态大幅降低，在雨水或泥石流的冲刷掏蚀作用下，沟床不断下切，使得崩塌堆积体前缘临空，坡体应力不断向坡脚释放，土体进一步松弛，地表水容易入渗，增大坡体自重，降低土体物理力学性质，增加动水压力，最终导致老崩塌堆积体失稳破坏，为泥石流形成提供了物源条件；沟道岸坡裸露基岩性质较差，在长期风化和地表水的冲刷作用下，岩体表层破碎，受“5.12”地震影响，岩体结构进一步破碎，卸荷作用不断向坡体内部延展，最终导致破碎岩体崩落至沟道形成碎屑流堆积体，再次为泥石流形成提供了物源条件。

图4 老崩塌堆积体失稳

图5 破碎岩体崩落形成碎屑流

4 泥石流发展趋势

干沟在2009年暴发较大规模泥石流的主要原因是在沟道内有大量老崩塌堆积体和在“5.12”地震过程中形成的新碎屑流堆积体。在经历“5.12”地震和8.24 泥石流后，能为干沟泥石流活动提供物源的新老崩塌堆积体多达14 处，固体物方量为31.2×104m3。能参与泥石流活动的动储量约17.6×104m3。2009年8.24 泥石流消耗的固体物质为4.0×104m3，仅占动储量的20%。受地震影响，干沟泥石流已经由低频泥石流沟演变成为高频泥石流沟，因此在强降雨作用下，干沟极易再次暴发规模更大、危害程度更高的突发性泥石流。

5 泥石流防治工程评价

根据干沟泥石流发育特点、物源特征、泥石流规模及危害等级等因素，综合确定干沟泥石流防治等级为二级，主体工程设计频率为20年一遇（5%），校核频率为50年一遇（2%）。防治工程以“稳拦排”为指导思想，采用“谷坊坝+防护堤”对干沟泥石流进行治理。谷坊坝不仅能对泥石流提供一定的库容量以拦挡冲出的固体物质，亦能起到消能的作用，一定程度上减小泥石流的活动规模，并能利用其回淤压脚稳固沟岸崩塌堆积体和防止沟床进一步下切。经上游拦挡工程控制后，泥石流下泄流量显著减小，沟口处的自然沟道已能满足过流要求，因此在沟口设置防护堤对泥石流起到导流的作用，使其有规律、有秩序的排导至金字沟。

6 结论

（1）干沟历史上曾暴发过两次较大规模的泥石流，两次泥石流的规模、固体堆积物特征、泥石流类型和形成机制各不相同。

（2）1964年7月13日暴发的泥石流类型为泥石型，泥石流总量为2.5×104 m3，固体物质以粘性土为主，泥石流受乱砍滥伐、开荒种地等人类工程活动影响而暴发。

（3）“5.12”地震后，干沟泥石流由低频泥石流演变成高频泥石流，沟道内堆积大量的松散固体物源，改变了泥石流的物质类型，2009年8月24日，干沟再次暴发较大规模的泥石流灾害，该次泥石流类型为水石型，泥石流总量为4.0×104m3，固体物质以碎块石、角砾为主。

（4）干沟泥石流防治工程以“稳拦排”为指导思想，采用“谷坊坝+防护堤”对干沟泥石流进行治理，防治效果良好。

［1］王影,陈国辉.黄家沟泥石流的基本特征及成因分析[J].四川地质学报，2009，09（03）.

［2］黄星高,杨少武,钱丽华.泥石流基本知识及防治措施[J].四川建筑，2009，04（02）.