西昌学院2#潜在泥石流形成机制及诱发因素研究

2020-10-31万利晏刘康林

四川建材 2020年10期

万利晏,刘康林

(四川华地建设工程有限责任公司,四川成都 610081)

0 前言

2020年3月30日四川省西昌市泸山发生森林火灾，根据调查，西昌学院后山2#潜在泥石流沟域火烧烈度中度及以上过火面积占比93.3%，燃烧区总面积350 014 m2。本文根据泥石流区域工程地质条件和沟道条件，对泥石流形成机制和诱发因素进行分析，为后续类似工程提供参考。胡卸文等[1-2]对四川省雅江县八角楼火烧迹地为研究对象，研究了火后泥石流的诱发机理；铁永波等[3]以西昌市响水沟左岸3#支沟为例对火后泥石流特征与成因机制进行研究。本文对火后西昌学院后山2#潜在泥石流的形成机制及诱发因素进行分析，以期为类似工程提供参考。

1 泥石流沟区域概况

西昌学院后山2#潜在泥石流位于西昌学院后缘，沟口坐标E102°15′47.24″，N27°50′47.46″。根据调查，西昌学院后山2#潜在泥石流沟域火烧烈度中度及以上过火面积占比93.3%，燃烧区总面积350 014 m2，其中高度燃烧区面积132 73 m2，中高度燃烧区面积131 543 m2，中度燃烧区面积181 633 m2，低度燃烧区面积235 65 m2。图1为泥石流形成区、流通区和堆积区分布特征。

图1 泥石流分布特征

1)地形地貌。西昌学院后山2#泥石流属于中山“V”型谷地形，沟流域面积0.35 km2，流域属构造侵蚀中山强烈切割区。勘查区内最高点为西南端分水岭，海拔高程1 948 m，沟口最低点为于108国道内侧，高程1 494 m，相对高差约456 m。地势特点西南高东北低，沟谷深切，地形起伏大。其中主沟长约1.4 km，起点高程1 800 m。

形成区(物源区)高程1 668～1 948 m，为西昌学院后山2#泥石流的主要物源区，该段长约562.2 m，平均纵比降约为516.5‰。沟道断面形态为典型的“V”字形，沟底宽2～5 m不等，沟底纵坡降516.5‰，受经久乡森林火灾影响，沟道左右两岸岸坡发育大量坡面侵蚀物源，沟床揭底冲刷，构成发生泥石流的主要固体物源。流通区主要分布于1 557～1 668 m，沟道长403.7 m，沟谷形态呈“V”形槽谷，沟谷宽3～8 m，高差118.2 m，平均纵坡降292.8‰。堆积区地处1 494～1 557高程，属于洪积与堆积扇地貌，堆积层厚度一般5～8 m，地面坡度在10°左右，呈扇形，扇角约55°，面积约0.15 km2，纵坡降约99.6‰。现阶段推测泥石流堆积扇前缘及两侧目前为西昌学院，威胁在校师生200余人的生命财产安全，师生和房屋建筑极其集中，均处于泥石流危险区内。

2)地质构造。西昌市区内新构造运动是以断块的差异性抬升运动、拱拗运动、断块的走滑运动为主，运动明显。

4)地震。根据《中国地震动峰值加速度区划图》(GB18306-2001)，区内地震动峰值加速度为0.2～0.40 g，地震动反应谱特征周期为0.40 s，地震基本烈度为Ⅷ～Ⅸ度。

5)水文气象条件。地下水主要有两种类型：松散堆积层孔隙水和碎隙岩类孔隙、裂隙水。经野外调查发现西昌学院后山2#泥石流流域目前未见地表径流。

西昌市多年平均降雨1 013.5 mm，降雨集中于6～9月，占全年的76%，雨型多为暴雨。

6)人类活动。勘查区内人类工程活动主要表现为人类工程活动主要以种植树木、农耕等，总体来看，勘查区人类工程活动较为频繁，对地质环境的影响较为强烈。

2 火后泥石流特征

2.1 泥石流堆积特征及容重

采用配浆法、公式法和查表法综合确定泥石流容重。受经久乡森林火灾影响，目前沟域内植被损毁严重，中度～重度过火区植被基本完全损毁，沟域内坡面侵蚀松散固体物源大增，且以细颗粒物质为主，故泥石流流体重度综合取值为18.0 kN/m3。

2.2 泥石流动力学参数特征

根据泥石流重度计算及《泥石流灾害防治工程勘查规范》(DT/T0220-2018)附录A“表A.4 泥石流按流体性质分类表”，西昌学院2#泥石流流体性质均以黏性泥石流为主，对黏性泥石流(重度大于1.6 t/m3)采用通用公式进行计算。计算公式为：

(1)

式中，Vc为泥石流断面平均流速，m/s；Hc为泥石流平均泥深m；Ic为泥位纵坡率，以沟道纵坡率代替；nc为黏性泥石流沟床糙率，根据泥石流流体特征和沟道特征按规范查表确定。

泥石流流速计算结果见表1。

表1 泥石流计算参数表

2.3 洪水峰值流量

泥石流流量计算方法主要有雨洪法、形态调查法等。本次采用雨洪法计算泥石流流量，首先要计算出暴雨洪峰流量。取暴雨时的最大洪峰流量，根据《泥石流灾害防治工程勘查规范》(DZ/T0220-2018)中附录I，采用《四川省水文水册》(1979年版)和《四川省中小流域暴雨洪水计算手册》(2018年版)公式计算地表水汇水流量，计算公式为：

(2)

(3)

当部分汇流条件下τ=t0

(4)

(6)

(7)

(8)

m=0.318θ0.204

(9)

μ=3.6F-0.19

(10)

式中，QP为最大洪水流量，m3/s；ψ为洪峰径流系数；SP为暴雨雨力，即最大1小时暴雨量mm/h；n为暴雨公式指数；F为集水面积，km2；L为自出口断面沿主河道至分水岭的河流长度，km；J为沿L的河道平均坡度，‰；τ为流域汇流时间，h；τ0为当ψ=1的流域汇流时间，h；t0为产流历时，h；θ为流域特征系数；μ为产流参数，即产流历时内流域平均入渗强度，mm/h；m为汇流参数。

根据上述计算公式，流域特征参数F、L、J，最大1、6 h暴雨量均值H1、H6，及对应的Cv1、Cv6，选择适当的μ和m，并进行n2试算。根据试算的成果判断是否符合n2的范围，不符合则增加最大1/6 h或24 h的暴雨量均值及相应的Cv值，再用n1或n3试算。其中，n1范围：1/6～1 h；n2范围：1～6 h；n3范围：6～24 h。

计算参数中，暴雨雨量参数的确定主要根据《四川省中小流域暴雨洪水计算手册》，区内年最大24 h暴雨量平均值为68 mm，变差系数为0.42；年最大6 h暴雨量平均值为52 mm，变差系数为0.44；年最大1 h暴雨量平均值为33 mm，变差系数为0.38；年最大10 min暴雨量平均值为14 mm，变差系数为0.35。其他流域特征参数主要从平面和纵横断面图上量算。设计频率为p的暴雨洪峰计算结果见表1。经计算，沟口20年一遇暴雨洪峰流量Qp=3.15 m3/s，50年一遇暴雨清水流量Qp=3.68 m3/s。

表2 暴雨洪水流量计算结果表

2.4 总冲出量

一次泥石流过流总量按照《泥石流灾害防治工程勘查规范》(DT/T0220-2018)中附录J提供的计算公式进行计算：

Q=KTQc

(11)

式中，Q为泥石流一次过流总量，m3；T泥石流历时，s，根据西昌学院2#泥石流沟的特征及西昌降雨特征，一次泥石流时间大约为20 min；Qc泥石流最大流量,m/s。K值的变化随流域面积(F)的大小而变化。K为当F<5 km2时，K=0.202；当F>5 km2时，K=0.264。

根据计算结果，西昌学院后山2#潜在泥石流沟口20年一遇一次泥石流冲出量为3 394.85 m3,50年一遇一次泥石流冲出量为3 963.93 m3。

3 火后泥石流形成机制与诱发因素

3.1 山火为泥石流爆发提供大量物源

根据调查，目前沟域内发生过多次洪水灾害，但未爆发过泥石流。受经久乡森林火灾影响，中度～重度过火区植被基本完全损毁，火灾不仅在火烧迹地区地表形成厚度2～5 cm的松散灰烬层，还造成原始地表土层被松动，厚度约5～10 cm，局部根系部位达到10～20 cm厚。形成的灰烬层和地表松散的土体成为泥石流的新增坡面物源，雨季地表汇水后，通过坡面径流将携带松散物源进入沟道，转化为沟道物源。

3.2 流域陡峻的地形为泥石流形成的必要条件

西昌学院后山2#泥石流位于西昌学院后缘。该沟发源于斜坡顶部分水岭处，由西南向北东流入汇入市政管网，流域形态呈漏斗状，沟床整体比降较大，达325.7‰，沟道内发育多处跌坎。沟域内总体上地形陡峻，地形临空条件发育，为沟域内崩塌、滑坡等不良地质现象的发育、为泥石流松散固体物源的汇集提供了有利条件。

3.3 前期累计降雨与短时强降雨是触发泥石流的动力因素

西昌市属亚热带西南季风气候，全年干湿季分明，夏季多雨，秋季短，冬春多风，日照强烈，素有“四季无寒暑”之称。多年平均降雨1 013.5 mm，降雨集中于6～9月，占全年的76%，雨型多为暴雨。由于西昌学院后山2#泥石流内受经久乡森林火灾影响，目前沟域内植被损毁严重，中度～重度过火区植被基本完全损毁，松散坡面侵蚀物源大增，其激发雨量还可能更低，故雨强完全可以满足激发泥石流的条件。