雅砻江中游老里沟坡面型泥石流成因机制及危险度评价

杨栓成，梁瑞锋，陈 明，杨 敏

（成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，四川成都 610059）

雅砻江中游老里沟坡面型泥石流成因机制及危险度评价

杨栓成，梁瑞锋，陈 明，杨 敏

（成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，四川成都 610059）

坡面泥石流是山地分布最广，出现频率最高的灾害现象。基于野外现场调查及室内实验分析，阐述了老里沟坡面型泥石流的基本特征及形成机制，并结合泥石流动力特征参数进行了危险度评价。研究结果表明：滑坡体上坡面侵蚀沟道发育，为坡面型泥石流的形成提供了强有力的条件；降雨是诱发老里沟坡面流的主要因素；老里沟泥石流类型为高中频、小规模、粘性、暴雨型泥石流，属于中度危险泥石流沟。

坡面型泥石流；形成机制；危险度评价；雅砻江中游

0 引言

坡面型泥石流一般指发育在尚未形成明显沟谷的山体上的小型或微型泥石流［1］。虽然该类型泥石流规模小，但由于其具有分布广、突发性强、冲击力大等特点，造成的危害和经济损失比一般滑坡危害大得多［2］。本文通过野外实地调查、现场取样、室内测试分析等方法，结合雅砻江中游老里沟的地形地貌特征，分析了该坡面型泥石流的形成机理，并对其进行了危险度评价，为该类型泥石流预测预警提供一定的理论参考。

1 研究区自然地理条件

研究区位于四川省凉山州卡拉乡北西向雅砻江中游段，属于四川盆地与青藏高原过渡地带。该区气候多变，温差较大；降雨多集中在6～9月，月平均降雨量在120～230mm，占全年降雨量的75%以上，且雨季多暴雨，集中性和突发性十分明显［3］。在地质构造上，该区属九龙地背斜西翼次级向斜之羊奶向斜的西翼，整体为一岩层向东倾的单斜构造，区内大规模断层主要为前波断层及高牛场断层组。岩性出露主要为杂谷脑组（T3z）深灰色厚层变岩屑杂砂岩。区内植被覆盖率较低，滑坡体主要为松散碎块石堆积物且坡体内冲沟侵蚀严重（图1）。

据现场调查，在老里沟沟口堆积物的巨石中发现历史泥石流堆积物（图2），其堆积物较松散，说明在近期该沟就发生过泥石流。此外，通过对沟口居住老乡（朱白，55岁，卡拉乡麻撒村）的调查访问，该沟每逢雨季经常暴发小规模泥石

流。最近一次泥石流灾害发生于2015年8月5日，冲毁沟口处卡拉乡道及沟口民房，且对下游卡拉水电站构成了一定的威胁。

2 老里沟坡面泥石流特征

2.1 老里沟概况

老里沟位于雅砻江中游左岸一级支流，为坡面侵蚀沟道，是八通1＃滑坡与2＃滑坡的分界。沟长1.1km，流域总面积约1.02km2，海拔1950～3211m，相对高差 1260m，主沟道纵坡比降为502.86‰，形态上呈“V”型谷，沟宽4～20m。流域内物源储量较大，为泥石流暴发提供了物源条件。老里沟泥石流的发生，除了丰富的物源条件外，局部强降雨也是主要诱发因素。参考前人对小流域暴雨强度随高程变化的研究成果［3－5］，该地区小时雨强随高程变化梯度为3.5 mm／100m，可推算出老里沟小流域小时雨强平均为64.25 mm。

2.2 泥石流分区特征

根据老里沟地形地貌及泥石流发育特征，将其划分为两个区：形成流通区和堆积区。

形成流通区位于老里沟沟口0.2km以上流域，面积约1km2，沟道长度约1.1km，沟道宽度4～20m，最窄的沟段宽度仅4m，沟道堵塞较为严重，跌坎发育；沟底高程介于1925～2480m，沟道纵比降平均为622.2‰，两岸为滑坡堆积碎石土，岸坡较为陡峻，坡度30°～70°。该区植被覆盖率较差，低于10%。

老里沟发育于八通滑坡体，主要为滑坡堆积碎块石土，局部沟段沟底出露基岩。出露地层岩性：杂谷脑组（T3z）深灰色厚层变岩屑杂砂岩。该区内松散固体物质的主要为沟道内冲积物和岸坡崩塌堆积物。据调查计算，该区段沟床堆积物、崩坡积物等松散固体物质共计约29万m3，其中可供补给的物质达到5万m3。

位于沟口至0.2km的下游区段，属泥石流堆积区。该段沟道坡度陡缓交替，沟内多巨石，崩塌堵沟易形成跌水。水量在该段沟道随季节降雨变化较大，冬春季几乎无地表径流，卡拉公路通过该段沟道。沟道展宽，宽度一般为5～20m，沟床纵坡平均355‰，局部20.5‰；距沟口约50m处，由于侵蚀作用，形成陡崖岸坡，岸坡消失后堆积物冲入雅砻江后河谷展宽，呈现出明显的扇状堆积（图3）。据测泥石流堆积扇面积500m2以上，堆积体主要为漂卵砾石土，磨圆中等，呈次棱角～次圆状。

3 老里沟泥石流成因机制分析

国内外众多学者先后对降雨诱发的坡面型泥石流形成机理开展了大量的研究工作［1－2］。1984年Brand E W通过试验解释了斜坡松散带的液化而形成液化型滑坡的现象［6］。1993年Fredlund等认为土体强度降低由于降水入渗导致土体中孔隙水压力升高，从而引起滑坡型泥石流的发生［7］。1998年崔鹏［8］研究了坡面型泥石流的形成条件。2001年胡卸文［9］较详细地揭示了蒋家沟流域松散物类型及其与滑坡泥石流转化机理。根据野外实地调查和室内试验分析，老里沟泥石流的成因机制分析如下：

（1）老里沟坡面流的形成不仅受其地形地貌、地质条件影响，而且与斜坡岩土体工程特性、降水及降水后岩土体的力学强度弱化有很大联系。坡面泥石流的发生除了与斜坡体上残坡积物厚度有关以外，还与其物质组成密切相关。在泥石流沟口堆积区对堆积物中粒径＞60mm的卵砾石等固体颗粒进行了粒径统计分析（表1）。

表1 老里沟沟口堆积扇粒径测量总表Tab.1 The debris flow fan diameter measurement table

野外现场调查发现老里沟沟口巨石上残留历史泥石流堆积物，故选取历史泥石流残留物＜60mm的砾石土作为室内筛分试验样品。按照水利部标准《土工试验规程》（SL237－1999）［10］进行颗粒分析试验，得到＜60mm的泥石流颗粒组成特征。试验土样材料颗粒分布曲线（图4）。

从图4可知，该土样的不均匀系数 Cu为140，曲率系数为1.6，表明其级配良好，细小的颗粒比较容易填充土颗粒间的孔隙，说明此种土的透水性较差。通过实验结果可知，老里沟泥石流的残坡积土的渗透性差且膨胀性较低，这是导致坡面流发生的重要原因。其次，泥石流堆积物中土石成分较高，一方面可能是颗粒组分与调查时位置选定差异有关；另一方面说明该沟泥石流启动时的固体物质以块碎石土为主。另外，泥石流固体颗粒磨圆较差，说明泥石流运移距离较近。

（2）坡体表面松散物质在水力作用下，其土体力学强度降低是导致斜坡失稳的主要原因。持续降水或者暴雨入渗会导致岩土体中孔隙水压力增加，随着孔隙水压力的不断增加，有效应力逐渐降低，抗剪强度也随之减少，土体间内摩擦可迅速折减，当土体含水量达到饱和、超饱和状态时，内摩擦角达到最低限，且孔隙水压力升高形成超孔隙水压力，土体的力学性质发生突变，在土体中形成剪切破坏区并最终贯通成剪切面，降水沿着剪切面发生渗流，致使土体强度进一步减弱。在大量降水作用下，岩土体迅速稀释软化、混合坍塌滑动物质失稳并在向下运动过程中转化为坡面型泥石流。

4 泥石流动力特征及危险性评价

4.1 泥石流容重

根据《泥石流灾害防治工程勘查规范》［11］中的附表G.1和G.2对老里沟泥石流进行易发程度数量化评分，可得老里沟评分117分，易发程度为极易发，相对应的容重为1.843t／m3。

4.2 泥石流流速

根据老里沟泥石流性质为粘性泥石流（容重大于1.8t／m3），流速采用规范粘性泥石流计算公式：

式中，nc粘性泥石流糙率数，可查规范粘性泥石流糙率系数表，取值0.445；Hc泥石流平均泥深（m）；Ic泥位纵坡率，这里用计算断面处的沟床纵坡代替，取值0.35；计算结果见表2。

4.3 泥石流峰值流量

采用《四川省水文手册》［12］和《四川省中小

流域暴雨洪水计算手册》［13］中暴雨洪水推理公式计算得到洪水流量Qw，按照泥石流中水与固体物质的比例，泥石流流量可用一定比例下可能出现的洪水量加上按比例所需的固体物质体积配合而成的，计算公式：

式中，Qc为泥石流断面峰值流量，m3／s；Dc为泥石流堵塞系数，可查泥石流堵塞系数Dc值规范经验取值表；Qw为暴雨洪峰流量，m3／s；见表2。

4.4 过流总量及固体物冲出量

依据《泥石流灾害防治工程勘查规范》（DT／T 0220—2006）［11］附录I提供的泥石流过流总量计算公式：

式中，K值的变化随流域面积F的大小而变化；T为泥石流历时（s）；Qc为泥石流断面峰值流量，m3／s；Q为一次泥石流过流总量，m3。

泥石流固体冲出物量计算公式：

式中，Q为一次泥石流过程总量（m3）；QH一次泥石流冲出固体物质总量（m3）；γc为泥石流容重（t／m3），取值1.843；γh为固体物容重（t／m3），取值2.65；γw为水容重（t／m3），取值1.0；见表2。

4.5 泥石流冲击力

根据《泥石流灾害防治工程设计规范》［14］（DZ／T0239—2004）提供的泥石流整体冲击力计算公式：

式中，F为泥石流整体冲压力（kN）；g为重力加速度（m／s2），取值9.8m／s2；V为泥石流流速（m／s）；γc为泥石流容重（t／m3））α为受力面与泥石流冲压力方向所夹的角度（°）；λ为受力体形状系数方形为1.47，矩形为1.33，圆形、尖端、圆端形为1.00。

单块块石的最大撞击力按下式计算：

式中，Fs为单块巨石的撞击力（tf），其中1tf＝9.8×103N；γ为动能折减系数，正面撞击时取0.3；α为受力面与泥石流撞击面撞击角（°）；W为巨石重量（tf）；C1、C2为巨石与建筑物的弹性变形系数，采用船筏与桥墩台的撞击系数。

根据上述计算公式及参数取值，可得到老里沟泥石流在不同暴雨频率下的动力特征参数（表2）。

表2 老里沟泥石流动力特征参数Tab.2 Dynamic characteristic parameter of debris flow

4.6 泥石流危险度评价

根据刘希林［15］的单沟泥石流危险度评价模型：

式中，H为单沟泥石流危险度（0～1或0% ～ 100%）；M，F，S1，S2，S3，S6，S9分别为m，f，s1，s2，s3，s6，s9的转换值（表3），按照危险度分级标准：极低危险（0～0.2）、低度危险（0.2～0.4）、中度危险（0.4～0.6）、高度危险（0.6～0.8）、极高危险（0.8～1）。根据计算得到H为0.482，可知老里沟泥石流属中度危险。

表3 危险度评价因子和转换函数及其转换值Tab.3 Risk evaluation factor and conversion function and its conversion value

5 结论

老里沟是一个新泥石流沟，沟口堆积扇为多次泥石流堆积形成。研究表明，该流域具备坡面型泥石流形成的基本条件。地形地貌上，老里沟多处沟道堵塞，沟谷纵坡比降大，有利于泥石流的汇集和成灾；物源条件上，沟内物源丰富，松散堆积物源总量约29×104m3，可参与泥石流活动的动储量约5×104m3；水源条件上，降雨是诱发老里沟坡面流的主要因素。

老里沟泥石流类型为高中频、小规模、粘性、暴雨型泥石流。易发程度为极易发，威胁对象主要为将建设的卡拉水电站库区以及目前位于沟口的卡拉乡道及沟口两户居民，危险度为中度。

［1］ 王士革.山坡型泥石流的危害与防治［J］.中国地质灾害与防治学报，1999，10（3）：45－50.

［2］ 杨为民，吴树仁，张永双，等.降雨诱发坡面型泥石流形成机理［J］.地学前缘，2007，14（6）：197－204.

［3］ 曹水合，武运泊，刘哲，等.雅砻江中游甲尔沟溃决型泥石流形成机理及危险度评价［J］.人民珠江，2015，36（5）：21－24.

［4］ 宋志，陈泽硕.西南山区泥石流堵河分布规律与形成特征［J］.防灾科技学院学报，2015，17（4）：1－8.

［5］ 梁瑞锋，曹水合，王森.稀性泥石流沟道侵蚀研究［J］.科学技术与工程，2015，15（23）：208－212.

［6］ Brand EW. Relationship between rainfalland landslides［C］／／Proc.4th International symposiumon landslides Toronto，vol.1.Vancouver， Canada：Biotech Publishers，1984：377－384.

［7］ Fredlund D G ，Rahardjo. Soilmechanicsfor unsaturated soils［M］.New York：John Wiley Sons，Inc，1993.

［8］ 崔鹏.坡面泥石流形成条件分析［C］.海峡两岸山地灾害与环境保育学术讨论会第一卷.1998：180－184.

［9］ 胡卸文.蒋家沟流域松散物源类型及其与泥石流的转化机理［J］.成都理工大学学报（自然科学版），2001，28（增刊1）：166－169.

［10］ 中华人民共和国水利部.SL237－1999土工试验规程［S］.南京：中国水利水电出版社，1999.

［11］ 中华人民共和国国土资源部.DT／T 0220—2006，泥石流灾害防治工程勘查规范［S］.北京：中国标准出版社，2006.

［12］ 四川省水文手册［S］.四川省水利电力局水文总站，1979.

［13］ 沈跃明，徐兆成，胥怀均.四川省中小流域暴雨洪水计算手册［R］.四川省水利电力厅，1984.

［14］ 中国地质调查局.DZ／T0239—2004，泥石流灾害防治工程设计规范［S］.北京：中国标准出版社，2004.

［15］ 刘希林，唐川.泥石流危险性评价［M］.北京：科学出版社，2004.

Formation Mechanism and Risk Assessment of the Laoli⁃Gully⁃Debris Flow on Slope，the Middle Reaches of the Yalong River

Yang Shuancheng，Liang Ruifeng，Chen Ming，Yang Min
（State Key Laboratory of Geo⁃Hazard Prevention and Geo⁃Environment Protection，Chengdu University of Technology，Chengdu 610059，China）

Debris flow on slope is the most widely distributed and most frequent disaster in the mountains.Based on field investigation and lab analysis，this paper elaborates the basic characteristics and formation mechanism of Laoli debris flow，and evaluates the debris flow risk in combination with the dynamic characteristic parameters.Research results show that the slope erosion gully on landslide is developed，which provides powerful conditions for the formation of debris flow on slope；Rainfall is the main triggering factor of Laoli debris flow；The type of Laoli debris flow is high⁃frequent，small⁃scale，viscous，rainstorm debris flow，which belongs to the moderate dangerous of debris flow gully.

debris flow on slope；formation mechanism；risk assessment；middle reaches of the Yalong River

P642.23

A

1673－8047（2016）03－0024－06

2016－07－13

国家自然科学基金资助项目（41072231）；中国地质调查局项目资助项目（12120113010100）

杨栓成（1989—），男，硕士研究生，主要从事地质工程专业研究。