宝兴县出居沟泥石流形成条件及堵河堆积形态研究

史继帅， 张莲花， 田金华

(1.成都理工大学 环境与土木工程学院， 四川 成都　610059； 2.四川省地质工程勘察院， 四川 成都　610072)



宝兴县出居沟泥石流形成条件及堵河堆积形态研究

史继帅1， 张莲花1， 田金华2

(1.成都理工大学 环境与土木工程学院， 四川 成都610059； 2.四川省地质工程勘察院， 四川 成都610072)

摘要：2013年8月24日，宝兴县永富乡遭遇强降雨，导致辖区内出居沟暴发大规模泥石流灾害，此次泥石流堵塞河道造成西河河床抬高，并在上游形成长约260～300 m的堰塞湖.通过野外详细调查，探讨出居沟泥石流基本特征和形成条件，进行堵河堆积形态分析.研究结果表明，出居沟沟域内具有泥石流发育的良好自然条件，本研究根据出居沟泥石流堵河堆积形态划定堆积范围，并提出了相应的减灾措施.

关键词：出居沟泥石流；基本特征；形成条件；堵河堆积形态

0引言

出居沟位于雅安市宝兴县永富乡，受芦山“4·20”地震影响，沟域内新增了大量的崩塌、滑坡、不稳定斜坡等次生地质灾害，导致松散固体物源增多.2013年8月24日18点左右在出居沟上游发生强降雨，并于晚上22点左右暴发泥石流，一直持续到次日凌晨2点结束，泥石流呈阵性流，冲出沟口后堵塞西河，并沿主河堆积.此次泥石流造成西河河床抬高，泥石流堵塞河道导致在西河上游形成长约260～300 m的堰塞湖，严重威胁了中岗村居民及西河下游居民的生命财产安全.目前，该沟内物源较为丰富，在强降雨条件下，再次暴发泥石流的可能性较大.本研究根据对出居沟“8·24”特大泥石流灾害后的调查[1]，分析了出居沟泥石流的形成条件及启动机理，并反算该泥石流的运动特征参数，对出居沟泥石流在不同暴雨频率下的堵河堆积形态进行研究.

1环境地质概况

出居沟位于雅安市宝兴县永富乡中岗村，地处四川盆地与青藏高东南缘的过渡地带，为龙门山断褶强烈侵蚀斜坡式中高山地貌，流域面积10.11 km2，主沟长5.74 km，主沟源海拔约4 020 m, 沟口处海拔约1 738 m，相对高差2 264 m，总平均纵坡降236‰.流域主要呈“V”字型沟谷，平面形态呈柳叶状.沟内物源受风化卸荷和地震作用，形成沟床内松散堆积体和沟谷两侧的崩滑堆积物.

出居沟流域属龙门山构造带西南段和金汤弧形构造弧顶一带，挽近构造活动性较强，为松潘、龙门山地震带的一部分.该流域处于地质构造发育强烈的地区，区内斜坡陡峭，岩体破碎，发生崩塌、滑坡、不稳定斜坡及泥石流的可能性比其他地方要高.主要出露地层为第四系全新统泥石流堆积层、第四系全新统坡洪积层、第四系全新统崩坡积层、第四系全新统滑坡堆积层、二叠系基岩及三叠系下统波茨沟组等.

2008年5月12日汶川发生的8.0级特大地震及2013年4月20日芦山发生的7.0级地震，均发生于龙门山断裂带上.宝兴县位于芦山县西侧，受地震影响相对较严重，出居沟流域震感强烈，受地震影响破坏较严重，场地区域地壳稳定性较不稳定.

2泥石流形成条件分析

出居沟属构造剥蚀侵蚀高中山地貌和侵蚀深切河谷地貌，如图1所示.山坡陡峭，坡度一般为25 °～55 °，沟道坡降上陡下缓，底部深切沟谷发育，多为“V”型谷.谷底沟道狭窄，沟底宽度3～15 m，局部地段受坡体松散堆积物堵塞，沟道宽度不足1 m.由于沟谷两岸斜坡坡度较大，受地震影响，坡体稳定性差，易产生崩塌、滑坡等地质现象，导致堵塞沟道，排水不畅.陡峭的地形及较大的沟床比降，利于地表水汇流及排泄，降雨时水流速度较大，冲刷、 侵蚀能力增强，易揭底冲刷沟道而形成泥石流.较大的相对高差及陡峻的沟床比降为水源和泥石流物源的汇集提供了有利的地形地貌条件，为泥石流的形成提供了充足的势能条件.

图1出居沟地貌分区图

2.1地形地貌条件与沟道条件

根据出居沟沟域地形地貌、物源状况、水源条件、植被发育状况、分布特征及沟道泄流能力等将沟域划分为清水区、形成流通区和堆积区.清水区流域面积较大，且沟域纵坡降较大，暴雨时沟内流量、流速较快，对下游沟道的冲刷、侵蚀能力较强，为泥石流的形成汇集水源和提供水动力条件.形成流通区分布于流域中下游，该区段主要由岸坡崩滑体堆积、沟道泥石流堆积、坡面侵蚀堆积及基岩等地层组成.由于风化卸荷和地震的影响，两岸崩塌、滑坡较发育，松散物质较丰富，为泥石流主要松散固体物源分布区.堆积区主要位于沟口西河河床及岸坡居民区，平面形态呈不规则扇型，主沟长度约0.6 km，主沟呈宽“U”形，平均沟床纵比降98‰.

出居沟在地形地貌上主要表现为3方面的特征：沟谷总体较狭窄，两岸斜坡陡竣，局部沟段宽缓，沟床总体纵坡降大，具体特征参数如表1所示.两岸斜坡陡竣流通区植被覆盖较差，便于水流汇集.同时，陡峭斜坡稳定性相对较差，易形成崩塌、滑坡，可以为泥石流提供物源条件；局部段宽缓可以为泥石流提供局部减缓、停淤作用；纵坡降大的沟段决定泥石流的动能发展，泥石流容易迅猛直泻，有利于泥石流的加速和实现重力势能向动能的转变.

表1　出居沟流域特征参数统计

2.2物源条件

出居沟泥石流为固液两相流体，内含大量的泥沙、碎块石及漂砾等固体物质.松散固体物质的形成与地质背景条件和地质营力有关，泥石流固体物源累积过程多与不良地质现象和人类工程活动联系在一起.其物源类型主要分为崩滑物源(崩塌、滑坡)、沟道物源(沟床侵蚀物源、沟床堆积物源)及坡面侵蚀物源.

2013年“4·20”芦山地震后，出居沟泥石流两岸的滑坡发生局部下挫，变形明显，整体处于基本稳定状态.随着出居沟总的松散固体物源增加，在强降雨条件下，易发生崩塌、滑坡并进入沟道为泥石流提供物源.本研究通过野外调查和遥感解析共确定了崩滑堆积物源共13处，沟域内崩滑物源、沟床侵蚀物源和坡面侵蚀物源总量为301.18×104m3，可能参与泥石流活动的动储量为70.21×104m3，具体如表2所示.

表2　出居沟物源特征统计

2.3水动力条件

出居沟泥石流的水源主要来源于大气降水，该区属亚热带季风性气候区.据宝兴气象站资料，出居沟所在流域多年平均降雨量1 101.5 mm，最大年降雨量为1 279.0 mm，最大日降雨量达123.5 mm，最大3 h降雨量80.0 mm以上.降雨量主要集中于5～9月，两季降雨量占全年的85%.宝兴县水文站实测最大年降雨量1 526.0 mm，实测最大1 d降雨量125.6 mm，实测最大3 h降雨量100.0 mm以上；灵关雨量站实测最大年降雨量1 726.9 mm，实测最大1 d降雨量158.1 mm.降水分配很不均匀，由此可见，丰富而集中的降水、较多的局地性暴雨及较大的暴雨强度，均为山洪泥石流、滑坡的形成提供了充足的水源条件.

2013年8月24日宝兴县城及永富乡降雨站收集的雨量资料均在20 mm/d以下，而四川泥石流统计资料表明泥石流发生的1 h雨强最低在15 mm左右，绝大部分在20～60 mm之间，因此出居沟“8·24”特大泥石流暴发时雨量应主要是受永富乡局地强降雨的影响，其中出居沟上游的强降雨过程历时4 h，据调查访问及估算1 h最大降雨量高达40 mm以上，达到100年一遇的规模.

2.4启动机理分析

出居沟“8.24”大型泥石流的暴发过程与该沟特殊的地形条件密不可分，暴发过程可归纳为，水源汇集—水石混合—跌水段加速—汇集主要松散物源—再加速—拉槽侧蚀—淤积沟口.在泥石流形成过程中，沟域地形陡峻、沟谷纵坡降大等为水源和泥沙的汇聚提供了有利的地形地貌条件，出居沟中段两岸强烈的崩滑现象和震后水土流失的加剧以及沟道内大量的沟道堆积物为泥石流的发生提供了丰富的松散固体物源，而暴雨则是泥石流形成的主要诱发因素.

3泥石流堵河堆积形态分析

泥石流携带的大量固体物质在冲出沟谷以后失去地形的约束，在地形平缓开阔的沟口处堆积下来，形成扇状堆积体并堵塞西河.

3.1泥石流运动特征

根据现场调查实验法和查表法综合判断，出居沟泥石流的平均容重为1.68 t/m3，属于粘性泥石流.依据出居沟泥石流性质和特点计算该泥石流的流速时，采用西南地区泥石流流速公式[3]进行计算.

(1)

式中，nc为泥石流沟床糙率;Hc为计算断面泥深，m;Ic为泥石流水力坡降，可用沟床坡降代替.

根据现场调查资料，以及利用文献[6]求得的西河在不同暴雨频率下的洪峰流量，采用雨洪法[2]，假定泥石流与暴雨同频率、同步发生及计算断面的暴雨洪水设计流量全部转变成泥石流流量，

Qc=(1+φ)Qp×Dc

(2)

式中，Qc为频率为P的泥石流洪峰值流量，m3·s-1；QP为频率为P的暴雨洪水设计流量，m3·s-1；φ为泥石流泥沙修正系数；Dc为泥石流堵塞系数.由于泥石流比一般洪水更具有暴涨暴落的特点，一次泥石流过程一般均比较短.泥石流过程线可以概化成五角形[5]，并按式(3)进行计算.

Q=0.264TQc=KTQc

(3)

一次泥石流冲出的固体物质总量按式(4)计算，

QH=(γc-γw)Wc/(γH-γw)

(4)

最后，统计得出居沟泥石流堵河主要影响参数的特征值，如表3所示.

表3　出居沟泥石流堵河主要影响参数特征值

3.2不同暴雨频率下泥石流堵河堆积形态分析

出居沟堵塞西河的可能性主要取决于沟口离西河的距离、两沟交汇处的走向关系、主河的河形及侵蚀强度.参照陈德明等[3]提出的堵河判别式(式(5))，向灵芝等[4]提出的经验计算方法(式(6)～(8))，对出居沟在不同暴雨频率下暴发泥石流引起堵河的可能性及堆积形态进行分析.计算结果见表4.

(5)

Hd=0.141V1/3+4.21

(6)

L=2.446V1/3+0.7487

(7)

Hd=2.748V1/3+0.3483

(8)

式中，γc为泥石流流体容重，t·m-3；γw为主河河水容重，t·m-3；Qw为泥石流发生时主河河水流量，取西河汛期的多年平均流量，46.52 m3·s-1；Vc为泥石流入汇时的流速，m·s-1；Vw为泥石流入汇处主河河水流速,取3.8 m·s-1；α为泥石流沟入汇角，取80°；V为泥石流堆积量，m3；L为泥石流堆积长度，m；B为泥石流堆积宽度，m.

表4　出居沟堵河判别结果及堆积形态特征值

表4中，阈值按正常条件取值为1.44，大于1.44时为堵河.从计算结果可知，出居沟在暴雨频率大于10%的情况下暴发泥石流便可造成堵河事件，甚至可以将河流全部堵塞.根据堆积体形态参数、出居沟沟口地形地貌条件以及“8·24”出居沟泥石流堆积特征，可以划定不同暴雨频率下出居沟发生泥石流灾害后的堆积范围，如图2所示.可见，由于“8·24”泥石流发生后，出居沟沟口段西河河床大幅抬高，当再次暴发相等规模泥石流时将直接威胁堆积范围内居民的生命财产安全及交通运输的安全.

图2不同暴雨频率下泥石流堆积范围

4结论

通过对出居沟泥石流形成条件与堵河堆积形态分析，得出以下几点结论：

1)出居沟流域处于地质构造发育且强烈的地区，受“4·20” 芦山地震影响，在2013年8月24日暴雨条件下，出居沟沟内松散物源被洪水揭底冲刷，沟岸被淘蚀，大量松散固体物源被洪水携带，从而形成大规模的泥石流.

2)出居沟沟域内具有泥石流发育的良好条件，流域地形地貌为暴雨洪水的汇集、松散固体物质的搬运和泥石流的形成提供了极为有利的地形条件.固体松散物质动储量巨大，为泥石流的形成提供了丰富的物源条件.丰富而集中的降水，大强度局地性暴雨提供了强大的水动力条件.

3)出居沟在暴雨频率10 %的情况下发生泥石流灾害就会发生堵河事件，甚至可将河流全部堵塞，形成堰塞湖，严重威胁了中岗村居民及西河下游居民的生命财产安全.

4)建议对出居沟泥石流采用“固+拦+护”的治理措施，控制和减轻泥石流灾害.通过修建拦砂坝拦挡固源、沟道侵蚀段护岸堤、针对保护对象修建单边防护堤等措施确保沟口人民的生命财产安全.

参考文献:

[1]四川省地质工程集团公司.雅安市宝兴县永富乡中岗村出居沟(中岗沟)泥石流勘察报告[R].成都：四川省地质工程集团公司，2014.

[2]周必凡，李德基，罗德富，等.泥石流防治指南[M].北京：科学出版社，1991.

[3]陈德明，王兆印，何耘.泥石流入汇对河流影响的实验研究[J].泥沙研究，2002，47(3):22-28.

[4]向灵芝，崔鹏，钟郭伦，等.汶川地震区泥石流危害道路的定量分析——以汶川县肖家沟为例[J].西南交通大学学报，2012，59(3)：387-393.

[5]张自光，张志明，张顺斌．都江堰市八一沟泥石流形成条件与动力学特征分析[J]．中国地质灾害与防治学报，2010，21(1):34-38．

[6]四川省水利电力厅．四川省中小流域暴雨洪水计算手册[M].成都:四川省水利电力厅，1984．

Formation Conditions of Debris Flow and Accumulation Form of Blocking River in Chujugou Valley in Baoxing County

SHIJishuai1,ZHANGLianhua1,TIANJinhua2

(1.College of Environment and Civil Engineering, Chengdu University of Technology, Chengdu 610059, China;2.Sichuan Institute of Geological Engineering, Chengdu 610072, China)

Abstract:On the 24th of August,2013,a heavy rainfall in Yongfu Township,Baoxing County,caused an outbreak of large-scale debris flow in Chujugou valley.The debris flow caused the elevation of Xihe riverbed and meanwhile,the mudslides blocked rivers,forming a barrier lake in the upper reaches which was as long as 260 to 300 meters.Through field investigation,the basic characteristics and formation conditions of the debris flow in Chujugou Valley are discussed,and the analysis of the formation form of the blocking river is also done.The research shows that the geological conditions in the Chujugou valley are apt to cause debris flow.Finally,according to the accumulation form of blocking river,the accumulation area is designated and some countermeasures to reduce disasters are also put forward.

Key words:debris flow in Chujugou valley;basic characteristics;formation conditions;accumulation form of blocking river

中图分类号：P642.23

文献标志码：A

作者简介：史继帅(1990 — )， 男， 硕士研究生， 从事地质灾害防治与治理研究.

收稿日期：2015-12-15.

文章编号：1004-5422(2016)01-0099-04