高寒高海拔山区南门关沟泥石流成因机制分析

2015-12-21徐腾辉冯文凯魏昌利何元宵李浩宾

水利与建筑工程学报 2015年5期

徐腾辉，冯文凯，魏昌利，何元宵，李浩宾

(1.成都理工大学地质灾害防治与地质灾害保护国家重点实验室，四川成都610059;2.四川省地质调查院，四川成都610059)

受地形地貌的影响，在我国西南部广泛分布着泥石流灾害。南门关泥石流沟位于四川省泸定县境内，由于发育海拔较高，其爆发泥石流具有突发性和隐蔽性。该沟穿越高海拔寒区，冰川积雪出露面积较大，同时降雨量具有垂直差异，间接影响泥石流的形成，因而研究南门关沟泥石流的成因机制具有重要意义。倪华勇通过对高寒高海拔区的汇水条件及冻融循环作用分析了气候对泥石流的形成具有重要作用[1];马清文通过对西藏夹中4#沟泥石流形成条件、性质类型、运动规律及防治措施的研究，揭示了高寒高海拔条件与泥石流的形成有重要的关系[2]。

由于南门关沟位于磨西台地上游，泥石流的爆发往往是速度快、规模大，其危险性将是灾难性的。为了保障磨康公路及下游群众的生命财产安全，对地质灾害的治理是非常必要的。目前陈晓清通过对海螺沟“050811”特大泥石流灾害调查，并结合当地社会条件及自然条件提出了防灾、减灾对策[3]。但前述研究很少从高海拔寒区和非高海拔寒区物源堆积特征角度分析泥石流的成因机制。本文通过现场调查南门关沟物源堆积特征，结合该沟降雨及冰川作用特点揭示了南门关沟泥石流的形成机制，并通过计算泥石流的动力学特征参数提出相应的防治建议，为防灾减灾提供参考。

1 泥石流形成条件

1.1 气象条件

研究区地处贡嘎山东坡磨西地区，年均降雨量为1 080 mm。南门关沟形成区海拔较高，气候垂直差异明显，海拔3 300 m位置年降雨量最大，3 300 m以下雨量随海拔高度增加而增加，3 300 m以上地段，降雨量随海拔高度的增加而递减。据陈晓清研究[3]，研究区随海拔升高降雨量显著增加，见图1，12日新兴乡站监测到降雨量较磨西站高20%，据此推算，海拔3 000 m以上地带降雨量高达88 mm，降雨为地质灾害的发生提供了水力条件。

图1 降雨量对比观测值

1.2 地形地貌

研究区地处四川省西部、甘孜藏族自治州东南部，地形陡峻，为典型的高山峡谷地貌。南门关泥石流沟总体由西北向东南方向展布[4]，发源于贡嘎山北坡冰川雪窖出山口，终止于雅家埂河。南门关沟由主沟与6条支沟组成。主沟沟源高程约5 800 m，沟口高程约2 100 m，沟域内高程差达3 700 m。沟长约18.8 km，主沟纵坡降约196‰。沟谷流域总面积达94 km2。沟谷流域范围内植被发育较好，沟上游发育有原始森林，利于沟谷水流的汇聚。沿主沟分布有7条支沟，支沟沟道狭窄，呈深“V”型，沟道两侧斜坡陡峭，利于汇水。支沟流域相对高差2 480 m～4 600 m，沟床纵坡降约194‰ ～600‰，为泥石流的发生提供了一定的势能和动力条件。根据现场调查与1∶50000地形图判读，研究区6条支沟流域的地貌要素如表1所示。

根据泥石流区域划分标准将南门关沟泥石流分为汇水物源区、流通区、堆积区。汇水物源区分布高程约3 260 m～5 800 m，高差约2 540 m，沟谷长度约9.1 km，纵坡降约279‰，坡降较大。沟上游发育原始森林，坡体植被覆盖较好，汇水量大;流通区分布高程约2 440 m～3 260 m，高差约820 m，沟长约5.7 km，纵坡降约144‰。沟道呈狭窄“V”型谷，跌坎较发育，呈顺直状态。沟道两侧斜坡陡峻，坡度约25°～35°;堆积区分布高程约 2 100 m ～2 440 m，沟长约4.6 km，纵坡降约74‰。沟床坡度较缓。沟道呈“U”型谷，往沟口方向沟谷横断面不断加宽，在沟口形成扇形地。扇形地完整性约85%，冲淤变幅约5 m。目前扇形地处于淤高状态。堆积区块石具有一定的分选性，平面形态呈双峰型。

表1 南门关沟支沟泥石流地貌因素一览表

南门关泥石流沟平面图见图2，主沟纵剖面图见图3。

1.3 地层岩性

南门关沟出露的地层主要由第四系覆盖层和元古代花岗岩组成。第四系覆盖层包括更新统冰川堆积(Q3fgl)、第四系全新统崩塌堆积和崩坡积(Q4col+dl、Qcol)、滑坡堆积(Q4dp)、泥石流堆积(Q4df)和残坡积层(Q4el+dl)。第四系全新统覆盖层主要为泥石流的形成提供物源，粒径变化较大，颗粒级配较差。更新统冰川堆积物较松散，主要由漂卵石混砂土及少量粉黏粒组成，含水性和透水性好。沟道两侧及沟床主要由元古代的花岗岩组成，岩层倾向240°，倾角约60°。受构造的影响，岩体节理裂隙较发育。岩石呈块状结构，力学性质较差，抗剪强度一般，在暴雨及冰川作用下，易发生垮塌为泥石流沟提供物源。

1.4 地质构造与地震

泸定县南门关沟，地理坐标为 N102°03'02.0″，E29°43'55.6″。调查区属于鲜水河断裂带南延部分[5]，断裂北端与康定—色拉哈断裂呈左行侧列，向南经磨西，终止于石棉公益海，全长达150 km，主体呈NNW—SSE向延伸。断裂两侧常见与之平行的次级小断裂并发。该断裂具强烈挤压特征，且现代仍有活动。受断裂的影响，河谷两侧花岗岩岩体节理裂隙发育。南门关沟发育过沟断层，位于断层附近，岩体较破碎，岩层倾角变化较大，在降雨及地下水作用下容易发生滑坡或者崩塌，堵塞河道。

图2 南门关泥石流沟平面图

图3 主沟纵剖面图

1.5 物源堆积特征

1.5.1 高寒高海拔山区物源堆积特征

由于南门关沟发源于贡嘎山北坡冰川雪窖出山口，受气候的影响，位于沟的源头，发育大量的冰川、积雪。冰川、积雪发育高程约3 500 m～5 800 m，相对高差 2 300 m，覆盖面积约 17 km2，周长约 332 km。基于高海拔地区的定义[6]和寒区的界定[7]，提出在海拔3 500 m以上，存在冻土、冰川和积雪的高原地区为高海拔寒区[8]。高海拔寒区南门关沟，相对高差 2 300 m，主沟长度 7 500 m，纵坡降约307‰，浅表层营力改造作用主要为冻融侵蚀。

(1)冰川侵蚀。受冰川、积雪冻融影响，在沟道两侧斜坡坡体多发布一层力学性质较差的岩层。由于冰川溶蚀程度的差异性，导致冰川出现不同程度的溜滑。冰川分布高程较高，下行坡度较陡，坡度约30°～45°。在冰川自重作用下易对坡体及沟床造成磨蚀作用，形成冰碛物，堆积于沟床。南门关沟3、4月份是采虫草的季节，据当地人介绍，虫草多半处于冻结状态。(2)融雪径流侵蚀。受春夏季高海拔寒区地表热量变化，冰川出现消融差生坡面水流，土体出现解冻，结构遭到破坏。土体呈较松散状态，孔隙率增大。在解冻临界深度处，土体产生了一个不透水层。由于融水无法继续径流，导致上层解冻土体呈饱和状态。在小股流水作用下，土体遭到侵蚀，堆积于沟床。(3)冻融泄留。由于南门关沟位于高海拔地区沟段发育极高山，山高坡陡，基岩较裸露。岩石是热的不良导体。高海拔寒区白天日照较强，岩石表层温度较高，内部温度较低。由于内外温差较大，造成岩石出现脱落及开裂。在重力作用下，块体滑落堆积于沟床。据当地人介绍，沟道狭窄，两侧斜坡危岩耸立，沟床块石密布，分选型较差，块径0.5 m～10 m。经估算，动储量约38×104m3。

1.5.2 非高寒高海拔山区物源堆积特征

近年来，西南山区降雨侵蚀力呈逐步增高趋势[9]。根据刘斌涛研究，降雨侵蚀力变化趋势系数随海拔高度升高而不断增加，说明由降雨侵蚀力引起的土壤侵蚀风险在增加。在2 500 m以上地区尤为明显[10]，西南山区西北部的高海拔地区海拔高度对降雨侵蚀力增加具有放大效应。

南门关沟分布高程范围较大，降雨量随高程升高而变化较明显，在海拔3 300 m处降雨量达到峰值，2 500 m～3 300 m处降雨量呈上升趋势，3 300 m以上雨量呈下降趋势。降雨量与降雨侵蚀力在一定程度上呈正比例关系，降雨侵蚀力对南门关沟的改造作用主要体现在南门关沟泥石流提供物源。物源主要分为崩滑堆积物源和沟道侵蚀物源[11]。

(1)崩滑堆积物源

受岩层产状的影响，主沟左侧斜坡多发育顺向坡，右侧多发育切层坡。同时受构造断裂带的影响，位于沟道右侧发育的元古代混合质花岗岩岩体节理裂隙极发育，节理裂隙发育多与岩层倾向成斜交或垂直状态。裂隙张开度较大，贯通性较好，主要为碎石土充填。在短时强降雨冲刷作用下，碎石土出现垮塌，导致花岗岩岩体出现的垮塌体，尤其在海拔3 200 m～3 300 m左右，崩滑堆积体方量较大，在沟床呈线状分布，见图4。崩滑堆积物以碎石土为主，碎石成分主要为块状花岗岩，棱角分明，粒径约0.3 m～5 m，均分布于河床，局部以危岩体形式分布于沟床两侧。因河道较窄，堆积体的大量存在减小了过水断面积，为水石流形成提供了潜在动能趋势。在沟道两侧同时分布着大量的小型崩滑堆积体，见图5。由于沟道两侧斜坡体植被较发育，在斜坡表层均分布着一层薄厚不均的碎石土。受连续降雨影响，松散碎石土易出现失稳形成坡面流，堆积于沟道中。据统计，此类物源量约20×104m3。其中动储量约7×104m3。约占此次泥石流物源总量的25%。

图4 花岗岩堆积体

图5 松散层堆积体

(2)沟道侵蚀堆积物源

南门关沟发育有多条小型支沟，这些支沟多呈“V”型。由于这是一条老泥石流沟，在连年降雨的作用下，沟道中广泛分布着块石及角砾。块石及角砾分选型较差，磨圆度较差。在强降雨及冰川的作用下，沟道中的堆积物被淘蚀，同时，受流水的下切及侧蚀作用，沟道两侧斜坡出现失稳，进一步在沟道中堆积物源。沟道崩滑产生的碎块石粒径较大，且沟道存在弯折处，在一定程度上削弱泥石流的搬运能力。泸定县磨西地区年降雨量达到1 080 mm，且降雨集中出现在5月～8月，年降雨量日最大降雨量值达75.3 mm。据谭炳炎研究，四川省24 h、1 h、10 min可能发生泥石流的雨量临界值分别为60 mm、20 mm、10 mm。按照此数据，该沟已具备发生泥石流的形成条件。同时，加之5月～8月是气温最高的月份，是冰川消融最多的季节冰川内部含有丰富的水量，也为泥石流的发生提供了良好的水动力条件。据沟床堆积厚度推算，此类物源量约8×104m3。其中动储量约5×104m3。

1.5.3 两个海拔区域物源区遥感解译

图6 2003年物源堆积遥感解译图

图7 2014年物源堆积遥感解译图

针对两个区域在“050811”特大泥石流发生前后，物源堆积特征具有明显差异。通过遥感对该沟物源进行解译，见图6和图7。通过解译2003年物源与2014年物源区域划分对比发现，在泥石流发生后，图中区域明显减少。位于高寒高海拔山区，2和5号物源区消失，主要为冻融侵蚀物源;位于非高寒高海拔山区，8号区基本消失，为崩滑堆积物源。1、3、4号物源区主要由冰水堆积物组成，受冰川及积雪影响较大，性质变化较大，处于不稳定状态。6号区主要为高寒高海拔区崩滑堆积物源，堆积体方量有一定的减少。7和9号区为沟道侵蚀物源，物源量受降雨因素影响较大。

2 泥石流成因机制

南门关沟发育于冰川雪窖山出口，处于长年不干涸状态。受冰川长年不间断流水的影响，沟道中的不同粒径的颗粒逐步被搬运，颗粒具有一定的分选型、磨圆性，沟道中出现了少量的物源。由于冰川流水对河川径流年内分布的不均匀性增大，导致夏季气温升高时，冰川强烈消融，7月～8月集中消融了全年冰川融水的80%，形成夏季水量过剩。加之5月～8月是降雨多发的季节，为泥石流的发生提供了水源条件。在两种水流作用下，沟道中迅速聚集了一定流量的水，携带沟道中堆积的物源冲向沟的堆积区。受连续强降雨的影响，形成区内沟道两侧覆盖层处于饱水状态，在沟水的淘蚀[12]下，覆盖层前缘出现垮塌。由于位于流通区内河道狭窄，呈虎口状，过水断面较小，且淤积的块石、漂石，一定程度上堵塞了河道，局部形成堰塞湖。沟水在搬运物源的过程中遇见块石或者堆积体会产生溯源侵蚀。当沟道中块石堆积体较多时，水流蓄积至动能足以推动堆积体时，将裹挟堆积物，形成泥石流。由于流通区内沟道较顺直，跌坎较发育，且坡降较大，泥石流流速迅速加大，动能进一步增加。进入形成区后，随着过水断面的加宽，泥深降低。沟道顺直，泥石流在短时间内冲出南门关沟，涌入雅家埂河。

3 泥石流特征参数

3.1 泥石流重度

南门关泥石流沟道及沟口均分布大量堆积体，堆积体物质主要以块石、砂土为主，块石主要成分为组成沟道两侧斜坡的强－中风化灰岩。基于现场调查的基础上，推断泥石流规模为大型。按照《泥石流防治工程勘察规范》[13](DZ/T0220 －2006)，该沟泥石流易发程度野外调查评分为91.82分，按照规定，判断为易发泥石流，根据规范查其重度为1.63 t/m3。由于泥石流物质中含约25%的块石，即为稀性泥石流。

3.2 泥石流流速

选取流通区与堆积区分界处断面计算流速，根据上述规范[13]，结合铁道科学研究院研究泥石流后推导的流速改进公式:

式中:Vc为泥石流流速，m/s;γH为泥石流固体颗粒重度，t/m3，按经验值取2.65 t/m3;φ为泥沙修正数;mc为巴克诺夫糙率系数;R为水力半径，m，一般选用平均泥深H，m;I为水力梯度，‰，一般选用沟床纵坡降代替。结果见表2。

表2 泥石流流速计算结果

3.3 泥石流中块石的运动速度

由于调查的过程中没有取得详细的实验数据，主要是通过最大粒径(dmax)块石计算Vs的经验公式

式中:摩擦系数a与块石比重和块石形状系数等因素有关，3.5＜a＜4.5，平均a取4.0。

泥石流流速和块石的运动速度的相关参数值见表3。

表3 泥石流块石运动速度Vs计算结果

3.4 泥石流流量

由于现场缺乏相应的流量监测措施，泥石流量计算主要采用修正的雨洪法。雨洪法主要是建立在泥石流与暴雨同步发生，且暴雨完全转变成泥石流流量情况下，与洪峰值流量(Qc)、洪峰频率(P)、暴雨洪水设计流量(QB)、堵塞系数(Dc)及修正系数(φ)有关[14]。以下为关系式

表4 泥石流峰值流量计算结果

3.5 一次泥石流固体冲出物

一次泥石流总量(Q)与泥石流洪峰流量(Qc)、泥石流历时(T)有对应的关系。由于泥石流比一般洪水更具暴涨暴落的特点，根据上述规范[13]中附录Ⅰ的Ⅰ.1.3条提供的公式:

式中:K为修正系数，依规范得0.264。

泥石流冲出固体物质总量(QH)与一次泥石流总量(Q)、泥石流重度(γc)、水的重度(γw)及泥石流固体物质的重度(γH)结合上述规范[13]附录 I，上述参量有以下关系式存在:

3.6 泥石流冲击力

3.6.1 泥石流整体冲压力

泥石流冲击力主要包括整体冲压力和个别石块的冲击力。泥石流整体冲压力(p)与重力加速度(g)、建筑物受力夹角(α)、泥石流重度(γc)、流速(Vc)及建筑物形状系数(λ)有关。根据现场调查，建筑物多呈矩形，形状系数取1.33。基于上述规范[13]附录I，查得整体冲压力与上述影响因素存在以下关系式成立:

3.6.2 泥石流大石块对桥墩的冲击力参照上述规范[13]的相关公式，对大石块冲击力进行计算:

式中:r为动能折减系数，对圆形端，r=0.3;C1、C2分别为巨石、桥墩的弹性变形系数，C1+C2=0.005;W为石块重量，t。计算结果见表6、表7。

表6 整体冲击力计算结果

表7 石块冲击力计算结果

3.7 泥石流爬高和最大冲起高度

参照上述规范[13]的相关公式，泥石流爬高和冲高计算结果见表8。

表8 爬高(ΔH)和冲高(ΔHc)计算结果

3.8 泥石流弯道超高

按照《泥石流灾害防治工程设计规范》[15](DZ/T0239－2004)(4.1－4)式进行计算，泥石流弯道超高计算结果见表9。

表9 弯道超高计算结果

综上所述，南门关泥石流力学特征参数见汇总表10。

表10 泥石流特征参数

根据以上特征参数分析，评估南门关沟泥石流属于易发型暴雨泥石流。

4 防治方案建议

通过对南门关沟泥石流的动力学特征计算，考虑到该沟泥石流的爆发对当地产生的影响较大，提出了三点防治建议:

(1)封山育林。由于形成区内多发育原始森林，植被主要以灌木为主，覆盖层较厚。覆盖层主要以砂土为主，易松散，在降雨作用下，沟道中易堆积枯木。考虑到减小物源的参与量，需禁止人类滥砍滥伐，同时种植具有稳固砂土的植被;

(2)主沟疏通。南门关泥石流沟流通区沟道狭窄，易堆积块石及砂土。要拓宽河道宽度，清理河道常年淤积的块石及砂土，减少流通区形成堰塞的可能性;

(3)修建拦石坝。在清理堆积区河道的块石、砂土的基础上，选取合适位置修建拦石坝，拦石坝高应大于5 m。

5 结论

通过对南门关泥石流的流域特征、物源堆积特征及动力学参数分析，可得出以下几条结论:

(1)南门关主沟流域相对高差3 700 m，流域面积约94 km2，纵坡降约196‰。海拔3 500 m～5 800 m发育冰川、积雪，冰川面积约17 km2，周长约332 km。降雨量随高程升高而变化较明显，在海拔3 300 m处降雨量达到峰值，2 500 m～3 300 m处降雨量呈上升趋势，3 300 m以上雨量呈下降趋势;

(2)南门关泥石流沟穿越高海拔寒区和非高海拔寒区，物源堆积特征具有明显不同。高海拔寒区物源堆积作用主要体现在冰川侵蚀、融雪径流侵蚀、冻融泄留等;非高海拔寒区物源堆积作用主要体现在崩滑堆积、沟道侵蚀等;

(3)南门关沟位于西南高山峡谷区，降雨侵蚀力的变化差异对崩滑物源沟段具有重要意义。南门关沟3 300 m位于形成区与流通区交界处，降雨量在垂直分布上最大。由于流通区沟道狭窄，降雨引起的崩滑堆积体极易堵塞沟道，极易触发泥石流的发生。

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