坝底乡小河沟泥石流危险性评价及治理

陈全根

(广东省清远市地质环境监测站，广东 清远 511500)

“5·12”汶川大地震引发了大量的次生地质灾害，给国家和人民生命财产造成了特大危害，四川省北川县小河沟泥石流自记载以来主要发生了三次较大规模的泥石流，已造成直接经济损失10余万元，灾情属小型泥石流;目前小河沟泥石流威胁沟口1所小学(坝底小学)870人，及沟口左右岸17户62人居民的生命和财产安全。可能造成的直接经济损失600余万元，险情等级属于中型。急需提出合理的工程治理方案，保障沟口居民和坝底小学的生命安全。

1 泥石流区工程地质条件

1.1 地形地貌

该地区位于后龙门山中山地貌，地势由东向西倾斜，地形复杂，在花岩山为最高，海拔高程2 254 m，在小河沟河口为最低，海拔高程914 m，相对高差达1 340 m。

形成区内主沟长度为2.2 km，呈树枝状分布，为“V”型谷，沟内左右侧边坡坡度为:35°～50°，沟床宽10～30 m，沟纵坡为280‰ ～350‰。

流通区内主沟长度为0.5 km，沟呈“V”型谷，沟内左右侧边坡形成陡崖，坡度30°～35°，局部达40°以上，沟谷宽20～30 m，纵坡较缓，为 120‰ ～150‰。

堆积区长度为0.5 km，地形平缓、开阔，主沟坡度为5°～8°，纵坡较缓，为50‰ ～100‰。泥石流堆积形成扇体，扇体堆积宽250～300 m。

1.2 地层岩性

区内出露地层主要为志留系和第四系松散堆积层(Q4)，其中志留系上中统茂县群组岩性为千枚岩、板岩、石千枚岩、砂页岩等;第四系松散堆积层(Q4)主要为残坡积()、洪积物)、泥石流堆积物(Qsef4)。

1.3 地质构造与地震

(1)地质构造。该区位于后龙门山褶皱带，组成物质为脆性的碳酸盐岩，在同一应力场作用下，形成与后龙门山相似的单式和复式褶皱[4]，褶皱主要受大鱼口倒转复向斜和复地铺倒转复背斜影响，无断裂发育。

(2)地震。“5·12”大地震余震绝大部分围绕后龙门山褶皱带分布，北川县坝底乡受地震影响较小。根据《建筑抗震设计规范》(GB50011－2001，2008年版)，工作区抗震设防烈度为Ⅷ度，设计基本地震加速度值为0.20 g。

1.4 水文地质

依据区内地下水的含水介质组合、赋存条件、水动力条件等情况划分为松散类孔隙水、变质岩裂隙水。

1.5 工程地质

根据岩土体建造为基础将区内岩土体划分为松散岩、变质岩二种岩类;按岩石结构、力学强度将岩体划分为较软千枚岩变质岩组、松散岩类工程地质岩组。

2 泥石流主要特征

2.1 泥石流沟概况

小河沟在空间形态上分为:形成区(清水区和物源区)、流通区和堆积区[1－2]，清水区主要由大水沟等三条支沟组成，物源区、流通区与堆积区均为一条主沟组成，汇入青片河，以主小河沟命名(见图1)。

图1 北川县小河沟泥石流空间形态特征图

2.2 泥石流各区主要特征

泥石流形成区、流通区、堆积区的特征对比见表1。

3 泥石流危险性分析

3.1 泥石流危险预测及分区

该沟泥石流潜在危险性等级为中型泥石流[3]，根据泥石流活动危险区域划分表的判别特征，将其该泥石流活动划分为极危险区、危险区和安全区。

(1)极危险区:分布在括扇体上泥石流可能冲出现有沟槽直接到达的地区。

(2)危险区:主要是指小河沟堵塞后的壅高水位以下的淹没区。

(3)安全区:除极危险区和危险区以外的地区均为安全区。

表1 泥石流各区主要特征一览表

3.2 泥石流危险性评估

根据泥石流灾害防治工程勘查规范(DZ/T0220－2006)，确定了小河沟泥石流的综合致灾能力:为较强(F=8);受灾体(建筑物)的综合承(抗)灾能力:为极危险区受灾体(建筑物)的综合承(抗)灾能力为差(E=8)[5];暴雨泥石流活动危险程度或灾害发生机率:小河沟泥石流发生机率D≈1，受灾体处于灾变的临界工作状态，成灾与否的机率各占50%，要警惕可能成灾的那部份。

3.3 泥石流特征值的确定方法和计算结果

3.3.1 泥石流粒径及泥痕调查

(1)根据现场调查和筛分试验[3]，泥石流堆积物颗粒分析:小河沟泥石流堆积扇粒径一般 0.075～60 mm，最大 0.8～2.2 m，实地取样测试求出主沟堆积扇泥石流容重 γc=15.88 KN/m3(1.62 g/cm3)。

(2)泥石流泥痕调查结果:在泥石流的流通区、堆积区内实测泥痕，通过断面测绘，依据形态调查法计算泥石流峰值流量为 48.94 m3/s，平均流速为 3.62 m/s。

3.3.2 泥石流流量及流速

(1)采用形态调查法计算泥石流峰值流量见表2。

表2 各泥痕断面的流速及流量计算结果

备注:泥石流断面面积 13 m2，水力半径0.65，纵坡为5°，平均流速为 3.62 m/s，平均流量 45.43 m3/s。

(2)采用雨洪法计算泥石流的峰值流量

泥石流峰值流量采用“雨洪法”来进行计算。其计算结果见表3。

表3 频率为P的泥石流峰值流量Qc计算成果表

将以上计算结果与当地曾经目睹过小河沟泥石流爆发的人对泥石流情况的描述相对比佐证，认为，该计算结果应该是较为可靠的，20年、50年一遇流量分别为41.01 m3/s，51.4 m3/s，与泥痕计算得出 45.43 m3/s较为接近，基本反映了小河沟泥石流的流量特征。

3.3.3 泥石流整体冲压力计算

根据铁二院(成昆、东川两线)公式:

式中:δ为泥石流体整体冲击压力(Pa);γc为泥石流容重 =15.88 KN/m3;Vc为泥石流断面平均流速 =3.62 m/s;g为重力加速度取g=9.8m/s2;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，圆形建筑物 λ=1.0，矩形建筑物 λ =1.33，方形建筑物:λ =1.47。

按该公式计算 λ=1.47，α=90°，计算可得泥石流整体冲压力为 31.21 kpa。

表4 拦挡坝库容量计算

4 泥石流防治工程

治理泥石流的目标主要是:控制泥石流向着自然地质现象发展，保证泥石流排泄畅通，不威胁扇体上居民及坝底小学安全;在50年一遇的特大暴雨时，泥石流不产生灾害，建议坝底乡小河沟泥石流治理宜采用排导槽+一级拦挡坝[6－7]。

根据拦挡坝所具有的功能，在拦挡坝淤满后，回淤坡度根据下式计算:

I0=0.5I

式中:I0为泥石流拦挡坝回淤坡度，‰;I为泥石流沟原沟床天然坡度，‰。

拦挡坝拦蓄泥沙量采用如下公式计算:

Vbr=nBh2

式中:Vbr为拦挡坝库容量，m3;n为河床粗糙系数;h为拦挡坝净高，m。

根据上述公式，结合沟床地形情况，各拦挡坝的库容量计算见表4所示:

用回淤坡度计算库容可以得出:当坝净高为6 m，可以拦截2.56万 m3。

依据“雨洪法”计算泥石流的峰值流量，20年一遇最大泥石流冲出量为 0.85万 m3，50年一遇最大泥石流冲出量为1.03万 m3，故设计值满足20年和50年一遇最大泥石流冲出量要求。

5 结语

(1)小河沟主沟长度为 3.2 km，流域面积 8.6 km2，主沟平均纵坡180‰，堆积区内沟宽 250～300 m，沟侧山坡坡度30°～50°。

(2)该泥石流沟可划分为形成区、流通区和堆积区，形成区面积 7.38 km2，流通区面积 0.81 km2，堆积区面积 0.51 km2;物源区内不稳定体总方量为164.49万 m3，动储量(沟道新、老堆积松散体方量)为3.83万 m3，一次泥石流可以提供最大物源量为0.26万 m3。

(3)该泥石流为稀性泥石流，根据泥痕断面法，采用雨洪法等计算结果，主沟堆积扇泥石流容重 γc=15.88 KN/m3(1.62 g/cm3)。平均流速为 3.62 m/s，平均流量 45.43 m3/s。20 年、50 年一遇流量分别为 41.01 m3/s，51.4 m3/s，泥石流流体整体冲压力为31.21 kpa。

(4)根据沟内的工程地质条件本泥石流沟的治理可采用排导槽+一级拦砂坝。

[1]谢洪.西部开发中的泥石流问题[N].自然灾害学报.2001，10(3):44－50.

[2]田连权，吴积善.论泥石流学[J].山地研究.1996，14(2):89 －95.

[3]DZ/T0220－2006.泥石流灾害防治工程勘查规范[S].

[4]唐兴邦.中国泥石流[M].北京:商务印书馆.2000:192－212，246－295.

[5]彭平花.绵竹市泥石流灾害危险性评价[D].成都理工大学硕士学位论文.2012:20－41.

[6]方海燕，蔡强国，李秋艳，等.甘肃舟曲“8.7”特大山洪泥石流灾害原因及防治对策[J].中国科学院地理科学与资源研究所.2010，8(6):14 －18.

[7]杨建辉.秋日河泥石流成因机制及防治对策[J].四川省冶金地质勘查局水文工程大队.四川成都.2013，39(8):43－45.