茂县南新镇白水寨沟泥石流特征研究

2018-01-19舒中潘

长春工程学院学报（自然科学版） 2017年4期

张军，杨关，舒中潘

(1.四川省地质工程勘察院，成都 610021；2.四川省地矿局成都水文地质工程地质队，成都 610072； 3.西南电力设计院，成都 610021)

2013年7月9日—11日，茂县境内普降暴雨，最大24 h降雨量达170 mm，10日5：00许，南新镇白水寨沟暴发大型泥石流，泥石流冲毁、淹没了沟道中下游原有的3道拦挡坝，沟道出口段居民区范围内的防护堤大部分被冲毁或掏蚀，冲毁出口段居民房屋3户5间，淤埋了白水一级电站，淹没沟道两侧大片农田、果树等，造成重大财产损失。

白水寨沟为一条老泥石流沟，据调查，该沟早在1995年8月10日曾发生过一次稀性泥石流，泥石流冲毁沟道下游段乡间道路，并危及沟道两侧10多户居民。汶川地震后沟内发生多处崩塌、滑坡等，松散物质较多，在雨季也多次发生小规模的泥石流和山洪流，同时具备进一步发生规模更大的泥石流的物源条件。汶川地震之后按20 a一遇防治标准对

该沟进行了工程治理。

1 白水寨沟自然环境概况

1.1 流域特征

白水寨沟位于茂县南新镇白水村，岷江左岸，沟口距离南新镇约500 m，距离茂县县城约15 km。白水寨沟泥石流沟域形态呈扇形，流域主沟纵向长度13.4 km，平均宽度5.08 km，流域面积68.2 km2，主沟平均纵坡降85‰～390‰。流域内水系呈树枝状分布，沟道总体曲折，共发育6条规模较大的支沟，其中大水沟支沟沟谷狭窄，纵坡陡峻，沟道狭窄，水动力条件良好，“5.12”汶川特大地震后沟内不良地质现象发育，松散固体物源丰富，泥石流易发程度较高，是“7.10”白水寨沟泥石流暴发的主要物源补给之一。

表1 白水寨沟各沟域基本特征表

1.2 地形地貌

白水寨沟流域地势整体走向东高西低，山脉走向大体呈北东—南西向，最高点位于流域东侧山脊部位，高程4 200 m，最低点位于白水寨沟汇入岷江入口，高程1 480 m，相对高差2 720 m。沟两侧的岸坡以陡坡地貌为主，一般坡度为35°～45°，局部呈陡崖状，沟谷纵坡较大，主沟上游段及支沟纵坡多在300‰以上，有利于降雨的汇集，根据不同地段坡度、植被情况、斜坡结构特征等的差异，为泥石流水源的汇流集中提供了基础。

1.3 地质条件

研究区属龙门山特大型推覆断褶带后山推覆构造带，推覆带内部的褶皱多为相似褶皱、同斜褶皱和无根钩状褶皱，其轴面倾向NW，多种组构均显示出构造运动自WN向SE的挤压作用，结果造成危关群和茂县群的大范围折曲破碎。白水寨沟流域位于马尔康地层分区带，区内主要出露地层有志留系茂县群(Smx)、泥盆系月里赛群(Dyl)和第四系地层(Q)。

1.4 物源特征

白水寨沟泥石流松散固体物源较丰富，沟内物源类型主要有崩滑型物源、沟道堆积型物源，其次为坡面型物源，主要沿沟道及支沟沟道两侧分布，据统计松散固体物源量473.83×104m3，可能参与泥石流活动的物源量为176.10×104m3。

表2 白水寨沟物源统计总表

1.5 气候

研究区属高原型季风气候，气候温和、冬无严寒、夏无酷暑。茂县多年平均降水量484.1 mm，单月最大降雨量为168.1 mm，单日最大降雨量为75.2 mm，降雨分配不均，降水量集中在4月—10月，占全年降水量的91.8%，同时降雨量随海拔的增加而增大。根据茂县气象局提供的资料，2013年7月8日—11日，茂县境内普降大雨，其中7月9日最大日降雨量达170.9 mm，7月10日清晨白水寨沟即暴发了大型泥石流，根据《四川省中小流域暴雨洪水计算手册》计算白水寨沟百年一遇降雨量为146.84 mm，所以本次“7.10”白水寨沟泥石流达到100 a一遇。

表3 “7.10”降雨统计表

2 “7.10”前后泥石流物源特征及原有防治工程情况

2.1 “7.10”前后白物源对比情况

白水寨沟“7.10”泥石流在沟道内新增了大量沟道堆积物，同时由于持续的强降雨诱发了沟道两侧斜坡，新增了大量崩塌、滑坡等。通过对“7.10”泥石流前后物源调查统计的对比分析，可知“7.10”泥石流致使该流域内新增崩滑物源量为82.85×104m3，主要以新增的滑坡物源量为主；主沟沟道新增堆积物源量为36.78×104m3，支沟沟道物源量减少7.63×104m3，说明原有的部分崩滑物源和支沟沟道物源在本次泥石流中被冲入主沟并堆积。

白水寨沟“7.10”泥石流后新增物源35处，其中滑坡物源新增4处，崩塌物源(含堆积体)新增5处，沟道物源增加10处，坡面侵蚀物源全为新增，共计5处。本次调查统计的总物源量比原有调查的物源总量(“7.10”泥石流前)增加约214.5万m3，其中增加最大的坡面侵蚀物源，共计114.1万m3，占总增加量的53.1%。

表4 “7.10”前后泥石流物源统计对比表

2.2 原有防治工程布置及损毁情况

原有治理工程主要包括拦挡坝和防护堤2个部分，在白水寨沟中下游共布设了3道拦挡坝，其中1#拦挡坝为格栅坝，布置在白水一级水电站上游1 800 m高程位置，1#拦砂坝坝址距离沟口5 262 m。在1#格栅坝下游约320 m位置处设置有2#拦砂坝，坝址距沟口4 938 m；3#拦砂坝布设在沟道下游1 660 m高程部位，距离沟口约3 461 m；在沟道出口危险区段共布设有5段防护堤，防护堤总长522.32 m，治理工程布置详如图1。

图1 “7.10”前泥石流防治工程布设

白水寨沟“7.10”泥石流，对原有已建防治工程损毁严重，绝大部分防护工程已基本失效。现场调查原有1#拦砂坝已完全被冲毁，现场只能看到一个冲毁后残留的混凝土墩；2号拦砂坝已全部被泥石流堆积物掩埋，现场看不到任何痕迹；3#拦砂坝坝体右半部分已全部冲毁，左半部分坝体结构多处出现裂缝，而且有明显的倾倒迹象，不能继续发挥拦挡功能(如图2～3)。沟道下游防护堤在“7.10”泥石流中绝大部分被冲毁，原有治理工程防护堤总长度为413.5 m，现场调查仅4#还保存有1段、5#防护堤还保存有3段未被冲毁，未被冲毁总长约130 m，残留段防护堤基础掏蚀严重。

图2 1#格栅坝冲毁后残留砼墩

图3 3#拦砂坝被冲毁

3 “7.10”泥石流特征及成因分析

3.1 泥石流冲出量

白水寨沟在7月10日5：00许由于持续的强降雨引发的山洪携带大量碎块石及泥沙形成泥石流，泥石流沿白水寨沟流向岷江，并在沟道中下游平缓地段淤积，下游沟道淤积高度达4～5 m。泥石流持续时间约40 min，泥石流在白水寨主沟中下游平缓段及沟道出口部位产生大量堆积，本次泥石流冲出物质总量为19.29万m3，沟道中下游段堆积15.30万m3，占冲出总量的79%，沟道出口堆积3.99万m3。

3.2 泥石流容重

白水寨沟泥石流属于一个低—中频沟谷型泥石流，泥石流流体重度的确定采用现场配浆法和查表法综合确定。

表5 泥石流容重计算值

3.3 泥石流运动特征

泥石流基本特征值的计算主要依据野外调查获取的泥位、沟道断面特征等为依据，按照黏性泥石流公式进行计算。

QC=(1+φ)QPDC，

WC=19·T·QC/72，

式中：VC为泥石流流速，m/s；QC为频率为P的泥石流洪峰值流量(m3/s)；WC为次泥石流的总量；WS为一次冲出固体物质的总量；nC为黏性泥石流流速沟床粗糙率；R为水力半径(m)；I为泥石流水面坡度或沟床纵坡，‰；QP为频率为P的暴雨洪水设计流量(m3/s)；DC为泥石流堵塞系数；φ为泥石流泥沙修正系数；γH为泥石流中固体颗粒容重(kN/m3)；γC为泥石流容重(kN/m3)；γW为水容重(kN/m3)。

P=5%时泥石流运动特征参数见表6，泥石流运动特征参数值比较符合实际。

表6 泥石流特征值计算表

3.4 泥石流成因分析

在详细调查“7.10”泥石流情况的基础上，并对前后沟内松散物源及泥石流基本特征进行了综合对比分析，认为引发此次大型泥石流主要的因素有以下几方面。

1)白水寨沟所处的地质构造复杂，该沟域褶皱发育，受“5.12”汶川特大地震影响，沟内滑坡、崩塌等松散固体物质激增，可能参与泥石流活动的松散固体物质储量达167.9×104m3，为泥石流的发生提供了充足的物源。

2)勘查区为高山—河谷地貌，地势较开阔，流域面积达68.2 km2，最高点高程约4 200 m，最低点高程约1 480 m，山坡整体地形较陡，该泥石流沟沟谷切割较深，最大相对高差约2 720 m，沟谷多呈“V”型谷，主沟长约13.4 km，中上游段纵坡降达390‰，较陡的沟道为泥石流的形成提供了较好的势能条件。

3)该区属高原型季风气候区，多年平均降雨485.1 mm，最大年降水量为560.6 mm，据《四川省中小流域暴雨洪水计算手册》所附暴雨量等值线图(2009版)，勘查区的1/6h、1h、6h、24h多年最大暴雨量平均值分别为7.6 mm、20 mm、33 mm、55 mm，变异系数分别为0.55、0.51、0.52、0.485。在P=2%的条件下，1/6 h、1 h、6 h、24 h雨强可分别达到19.68 mm、49.0 mm、81.99 mm、130.06 mm，具备引发泥石流灾害的降雨条件。根据茂县气象局提供的降雨资料，县境内在2013年7月9日、10日降雨量最大达到170.9 mm，大量的强降雨为泥石流暴发提供了较充足的水源条件。

4 白水寨沟泥石流发展趋势

白水寨沟泥石流地处汶川地震极震区，地震对区内滑坡、崩塌等松散物源影响巨大，且持续时间较长。根据对泥石流基本特征、成因机制和引发因素以及动力特征的分析，白水寨沟泥石流为暴雨沟谷型低—中频泥石流，为一个黏性泥石流。该沟1995年8月10日曾发生过一次稀性泥石流，泥石流冲毁乡间道路，并危及沟道两侧10多户居民，直至2013年7月10日暴发了一次大型泥石流，造成较大危害。

据分析，现存的473.83×104m3松散物源中可能参与泥石流活动的动储量为176.10×104m3，伴随全球气候环境的不断恶化，出现极端气候的强度和频率逐渐增大，区内今后仍存在出现更大强度降雨的可能。因此，白水寨沟仍具备再次爆发泥石流灾害的物源、地形的内在条件，在适当降雨条件下，极可能再次发生泥石流灾害，泥石流规模可能随降水量增大而增大。