四川安县长坡沟泥石流形成机理及防治措施

李文博，魏菲，倪师军，2，施泽明，2，石建凡，廖超

（1.成都理工大学地球化学系，成都 610059；2.地学核技术四川省重点实验室，成都 610059）

长坡沟位于四川省安县，其地处川西北龙门山断裂带东侧，这里是地震及次生地质灾害高易发地区［1]。自2008年汶川特大地震发生以来，由于构造活化和山体松动，该区域几乎每年都有泥石流、滑坡、崩塌等次生地质灾害的发生。2009、2011及2012年的七八月间该区域都爆发了泥石流，对下游工业厂房及当地居民造成了严重威胁和一定程度的破坏。在本次泥石流爆发前，2013年7月初，本地区降雨量和降雨强度巨大，7月8日的单日降雨量达到百年一遇的450 mm，激发了本次泥石流的发生，主要发生区域就是长坡沟，通过走访当地居民得知，此次泥石流从7月9日凌晨3点发生至上午7点结束，历时4 h泥石流倾泻而下，造成下游公路淤泥深达2 m，部分房屋被淤泥冲入，河段部分淤塞。通过调查分析该区域发生泥石流灾害的可能性依然很大。

1 泥石流形成的条件

1.1 自然地理条件

本次泥石流爆发的区域位于青藏高原与四川盆地过渡的中低山区。河流以下蚀作用为主，山高沟深、切割严重。在地形上是三面高山环抱着一个开口规则的半漏斗状洼地，谷底时宽时窄，上游弯曲，下游近南北向，较平直。长坡沟发源于该区域的北西侧分水岭，呈NW展布，沟宽15～70 m，沟口标高1 020 m，相对分水岭高差600余m，汇水面积3.7 k m2。长坡沟纵坡降达432‰，平均坡度为32°，接近分水岭处切沟的沟床坡度42°～45°。由此可见长坡沟属于陡峭而强烈切割的地形，并有较大的沟床纵坡比降。所以，长坡沟具有泥石流发育的首要条件——有利的地形。

1.2 地质背景条件

区域内出露地层包括震旦系、寒武系、奥陶系、志留系、泥盆系、石炭系和第四系。在长坡沟内出露的主要是：震旦系水晶组主要出露于研究区西侧，受断层影响未见底，以黑色炭质板岩为主，夹白云质灰岩、变质砂岩和千枚岩；寒武系邱家河组主要出露于东侧，其下与震旦系水晶组整合接触，以黑色炭质、硅质板岩和变质砂岩为主，夹炭质泥岩、页岩和灰岩；第四系分布甚广，主要是坡洪积层（Qspl）由灰、灰褐、紫红色含碎（砾、卵）石的砂纸粘土、粘质砂土混合组成，残坡积层（Qesl）零星分布于缓坡及坡脚地带，为深灰、灰黑色碎块及砂质粘土杂乱堆积而成。

长坡沟上游地层为水晶组三段，黑色炭质砂岩、白云岩，产状100°∠60°～70°，倾向与坡向接近，倾角略小于坡度角。沿岩层面和软弱层易于发生滑动。同时岩石中发育一组卸荷裂隙，产状95°∠54°，倾向基本与坡向一致，倾角小于坡角，岩体更易沿此滑动崩落，岩体稳定性很差。

长坡沟中游右岸岩体坡向55°，坡度角55°～60°，地层为水晶组三段中厚层黑色灰质白云岩，炭质砂岩，产状20°～30°∠50°，倾向与坡向一致，倾角小于坡度角。岩体中发育两组裂隙。

长坡沟下游右岸坡向60°左右，总体坡角达75°左右，多处直立呈陡坎，地层为水晶组三段，岩性以黑色薄－中厚层白云岩，炭质砂岩为主夹薄层黑色炭质泥岩（软弱层），岩层倾向与坡向一致，且倾角小于坡角，岩体极易沿软弱层滑动崩落。另右岸岩石中发育两组裂隙，其产状分别为328°∠45°和35°∠54°，两组裂隙倾向与右岸坡向相反，造成岩体稳定降低。长坡沟下游左岸坡向240°左右，坡度角总体70°～74°，地层为邱家河组一段，岩性以黑色薄层炭质变砂岩，炭质硅质板岩为主，夹黑色薄层炭质泥岩，产状100°∠55°。岩层倾向与坡向相反，不易沿岩层面滑动，但由于坡度较陡，且多见直立陡坎，岩石极易崩塌。

长坡沟正处于龙门山前陆推覆体上，构造比较复杂，断层比较发育，结合以上分析推测：长坡沟下游两岸岩体均有滑动的可能，右岸滑动的可能性较大。

岩土类型和性质是影响区内斜坡稳定的根本因素。区内震旦系和寒武系以含泥很高的炭质板岩、炭质泥岩、页岩为主，岩石软化系数较小（砂岩0.65～0.97、页岩0.24～0.74、泥灰岩0.44～0.54、千枚岩0.67～0.96、泥质板岩0.39～0.52），吸水后易液化，为“易滑地层”，抵抗斜坡变形破坏的能力极低，易发生滑坡崩塌。同时，软弱层易发生风化，而形成陡坎，甚至悬空坳陷，造成岩体在重力作用下崩塌。

1.3 物源条件

长坡沟上游沟坡和沟底都存在较多的松散堆积物大多由大块石、碎石组成，期间充填泥砂，长期被流水浸泡，易风化崩解。根据泥石流前勘查数据，利用5个横剖面和1个纵剖面分段计算；总方量C＝C1＋C2＋C3＋C4＋C5＝49.088 8×104m3；C1＝长（100 m）×宽（13 m）×深（20 m），该段为滑坡舌，其中该段钻孔表明堆积物厚度为17 m；C2＝长（92 m）×宽（38 m）×深（25 m），该段钻孔表明堆积物厚度为25.4 m；C3＝长（79.3 m）×宽（50 m）×深（25 m）；C4＝长（37.4 m）×宽（46 m）×深（25 m）；C5＝长（261.5 m）×宽（36 m）×深（25 m）。加上长坡中游和下游部分小滑坡体和堆积物，总共物源约有66×104m3。

1.4 降水条件

气候－气象条件是诱发泥石流的重要因素，它决定和影响着泥石流发生的时间、空间分布规律，对其活动性质亦产生作用。气候－气象条件主要体现在降水上，前人研究［2－4]显示，年降水量大于800 mm的亚热带和暖温带河谷地区泥石流较发育。泥石流发生的可能性、数量、规模等在很大程度上取决于降雨量强度大小，它是一个十分关键的激发因素。长坡沟所在区域属中亚热带湿润季风气候，干湿分明，年平均降雨量1 371～1 700 mm，降雨量分配不均，一年中降雨峰值出现在7、8月，占全年的47%，冬春降雨稀少，仅占13%，个别年份出现日降雨量在400 mm以上的特大暴雨。

降雨对斜坡上不连续结构面进行侵蚀、软化，加快滑移面形成；同时对增加滑体的重量和动水压力起着诱发作用。在长坡沟泥石流发生前期持续数日的大雨让大量雨水渗透进入长坡沟上游物源内，增重物源重力势能的同时起到了润滑滑动面的作用，而泥石流发生当天和前夜的大暴雨则是触发泥石流最终发生的导火索。

2 泥石流特征值

2.1 泥石流流速

泥石流流速是决定泥石流运动性质的最重要参数之一。目前泥石流流速计算仍为经验公式和半经验公式。由于长坡沟泥石流属于稀性泥石流，应该采用西南地区（铁二院）稀性泥石流流速计算公式［5]：

泥石流断面面积是访问当地老乡，根据了解当时泥石流厚约3 m，经计算得到的。根据泥石流数量化评分确定长坡沟总得分120，查《泥石流灾害防治工程勘察规范》［6]中附录G2的泥沙修正系数将长坡沟φ定为0.998，长坡沟糙率系数取7。计算结果见表1。

表1 泥石流断面测速结果表

2.2 泥石流流量计算

本文采用雨洪法［7]计算泥石流的流量即在泥石流与暴雨同频率、且同步发生、计算断面的暴雨洪水设计流量全部转变成泥石流流量的假设下建立的计算方法。其计算步骤是先按水文方法计算断面不同频率下的小流域暴雨洪峰流量（计算方法查阅水文手册），公式如下：

（1）清水流量计算

按中国水利科学院水文研究所提出的小汇水面积设计流量公式计算如下：

式中，Qp为暴雨洪峰流量（m3／s）；i为暴雨径流系数，取 0.6；F为汇水面积（k m2）；r 为小时雨强（mm／h）。

根据可查的气象资料显示，2013年雨季暴雨小时雨强（P＝1%）为100 mm／h。计算结果见表2。

表2 暴雨洪峰流量计算表

（2）泥石流峰值流量计算

式中，Qc为泥石流断面峰值流量（m3／s）；φ为泥砂修正系数；Qp为暴雨洪峰流量；Dc为堵塞系数。

泥石流阻塞系数取值的选择是根据《泥石流灾害防治工程勘查规范》［7]和《工程地质手册》［8]第六篇第三章（泥石流）推荐的云南东川7年中40个观测资料验证的值，再经综合分析而选取的。长坡沟沟槽宽窄变化明显，中游有岩脉窄口，所以长坡沟是属于中度阻塞，取Dc为2.0；据此，采用雨洪法求得泥石流峰值流量（表3）。

表3 泥石流峰值流量计算表

2.3 一次泥石流过程总量及固体物质总量

（1）一次泥石流过程总量

一次泥石流过程总量Q可以通过计算法和实测法确定。实测法精度高，但往往不具备测量条件，只是一个粗略的概算，所以按照《泥石流灾害防治工程勘查规范》（DZ／T0220－2006）附录I提供的公式进行计算：

式中，Q为一次泥石流过程总量（m3）；T为泥石流历时（s）；Qc为泥石流最大流量（m3／s）。

根据当地居民回忆印证，该次泥石流发生历时4个小时，即T＝14 400 s。而长坡沟流域汇水面积小于5 k m2，故取K＝0.202。计算得到长坡沟泥石流一次过程总量如表4所示。

表4 泥石流一次过程总量计算表

（2）一次泥石流固体物质冲出量

一次泥石流固体物质冲出量《泥石流灾害防治工程勘查规范》（DZ／T0220－2006）附录I提供的公式进行计算：

式中，QH为一次泥石流冲出固体物质总量（m3）；Q为一次泥石流过程总量（m3）；γc为泥石流重度（t／m3）；γW为水的重度（t／m3）；γH为泥石流固体物质的重度（t／m3）。

利用上面计算的一次泥石流过程总量，据此计算得泥石流一次冲出固体物质的冲出量如表5。

表5 泥石流一次过程固体物质冲出量计算表

长坡沟泥石流流体的组成特征：浆体是由不含或含少量的粘性物质组成，粘度值＜0.3 pa·s，只形成网格结构，不会产生曲张应力，为牛顿体。非浆体部分的粗颗粒由大小石块、碎石、粗砂及少量粉砂、粘土组成，流动状态为紊流，固、液两相不等速运动，有垂直交换和散流现象，泥石流中固体物质易出，表现为冲淤变化大，堆积物有一定的分选性，沉积物以粗粒物质为主。据以上特征，可以判断该泥石流属于稀性泥石流。

2.4 泥石流冲击力计算

泥石流冲击力是泥石流防治工程设计的重要参数。分为流体整体冲压力与个别石块的冲击力两种。按照《泥石流灾害防治工程勘查规范》（DZ／T0220－2006）附录I提供的公式选择并进行计算：

（1）泥石流整体冲击压力计算公式：

式中，δ为泥石流整体冲击压力（Pa）；g为重力加速度（m／s2），取g＝9.8 m／s2；γc为泥石流重度（t／m3）；Vc为泥石流流速（m／s），计算得到3.11 m／s；α为建筑物受力面与泥石流冲压力方向的夹角（°）；λ为建筑物形状系数，圆形＝1.0，矩形＝1.33，方形＝1.47。

本区域内的大多数厂房和民房墙受力面与泥石流流向垂直，所以取＝90；而这些房子都近似矩形。据此，计算得到泥石流整体冲压力δ＝2.35 Pa。

（2）泥石流体中大石块对公路的冲击力F

式中，γ为动能折减系数，对圆形端γ＝.3；Vc为据前面计算查得为3.11 m／s；α为公路受力面与泥石流冲压力方向的夹角（°）；W 为石块重量（t）。

由于大石块对公路的危害影响较大，而长坡沟中大石块的重量一般为62 t左右，C1、C2分别为巨石、公路的弹性变形系数，C1＋C2＝0.005。

据此，计算出重量为62 t的大石块对公路的冲击力为11 569.2 N。

3 防治建议

为避免和减少泥石流再次发生所带来的威胁，应在长坡沟的上游修建拦砂坝，在在泥石流势能转化为动能之前给予拦截；对于上游泥石流形成区和流通区的拐弯处和薄弱处的边坡进行混凝土固化，在下游已筑的人工栏坝下可修筑副坝增加主坝基础的强度，防止主坝垮塌；使用防水布将滑坡堆积物尤其是后缘覆盖，或在表面修筑导流槽和明渠将雨水快速从两侧导入下游，防治雨水持续下渗。滑坡后缘拉裂缝以及地裂缝，全部回填并夯实，防止裂缝渗水和进一步扩大造成土体失稳。将下游流通区和堆积区沟内已经存在泥石流堆积物应清理干净，避免再次发生的泥石流堆积物累积外溢至厂区和公路；长坡沟两岸植被大大破坏，覆盖率较低，应植树造林，种植草皮，以稳固土壤不受冲刷不致流失。

4 结语

（1）长坡沟平均坡度为32°，最大可达42°～45°，纵坡降为432‰，属于陡峭而强烈切割的地形，并有较大的沟床纵坡比降。下伏地层岩性为炭、硅质板岩，泥页岩，变质砂岩，夹千枚岩等，汶川地震后岩体裂隙构造发育，根据长坡沟两岸岩体稳定性分析显示长坡沟下游两岸岩体均有滑动的可能，右岸滑动的可能性较大。

（2）泥石流发生前长坡沟上游物源据测算大约有66×104m3。该地区雨量丰富，年降雨为1 371～1 700 mm，且47%降雨量集中在7～8月份，泥石流发生前持续降雨充分渗入物源，增加重力势能并润滑了下滑面，最终导致了长坡沟泥石流的发生。

（3）该泥石流属稀性泥石流，通过对泥石流特征值的计算可得，该次泥石流流速为2.95 m／s，泥石流峰值流量为7.59 m3／s，一次泥石流物源总量为11.64×104m3，其中固体物质总量为5.57×104m3，泥石流整体冲压力为2.35 Pa，大石块对公路的冲击力为11 569.2 N。本次泥石流发生后长坡沟上游依然存在大量物源。在适当的降雨条件下仍有较大的可能性再次发生。

（4）防治方式主要有：在上游修筑拦砂坝，对于上游泥石流形成区和流通区的拐弯处和薄弱处的边坡进行混凝土固化，使用防水布将滑坡堆积物尤其是后缘覆盖，或在表面修筑导流槽和明渠将雨水快速从两侧导入下游，防治雨水持续下渗。回填滑坡后缘拉裂缝以及地裂缝并夯实，将下游泥石流堆积物转移，种植草皮树木，以稳固土壤不受冲刷不致流失。

［1]李勇，黄润秋，周荣军，等.龙门山地震带的地质背景与汶川地震的地表破裂［J].工程地质学报，2009，17（1）：6－14.

［2]张养才，谭凯炎.中国亚热带北界及其过渡带.［J]地理研究，1991，10（2）：85－91.

［3]胡桂胜，陈宁生，杨成林.成都市灾害性山洪泥石流临界降雨量特征［J].重庆交通大学学报：自然科学版，2011，30（1）：95－101.

［4]李中平，毕宏伟，张明波.我国山洪灾害高易发降雨区分布研究［J].人民长江.2008，39（17）：61－63.

［5]洪正修.泥石流流速公式探讨［J].中国地质灾害与防治学报，1996，1（7）：26－34.

［6]中华人民共和国国土资源部.泥石流灾害防治工程勘查规范［S].2006：2.

［7]刘传正.地质灾害勘查指南［M].北京：地质出版社，2000：158.

［8]《工程地质手册》编写委员会.工程地质手册（第4版）［M].北京：中国建筑工业出版社，2006：563.