西藏拉萨市城关区格布沟泥石流特征及成灾机理研究

2021-07-05胡林肖进罗绍强徐琳

地质灾害与环境保护 2021年2期

胡林，肖进，罗绍强，徐琳

(四川省地质矿产勘查开发局川西北地质队，绵阳 621000)

泥石流是一种常见地质灾害，近年来，在强降雨、地震等自然因素和工程活动的人为因素作用下，泥石流地质灾害暴发愈发频繁，我国每年因泥石流灾害造成的损失均较为严重[1-3]。城关区生态环境脆弱，是拉萨市泥石流分布密集区之一，区内泥石流活跃且多正处于发展期，暴发频率高[4]，研究区具温差大、干湿交替、高寒、高海拔的典型特征[5-6]，由于泥石流暴发突然、历时短、成因复杂[7]，因此，系统研究区内泥石流成灾机理，根据成灾机理采取针对性的防治措施，对防灾减灾、保证人民生命财产具有重要意义。本文以城关区蔡公堂乡格布沟泥石流为例，采取资料收集、遥感解译、地面调查等手段，查明了格布沟泥石流形成条件及动力学特征，在此基础上开展格布沟泥石流成灾机理研究。

1 泥石流概况

格布沟泥石流位于拉萨市城关区蔡公堂乡者郎沟东岸格布沟内，沟口地理坐标：东经91°15′16.18″、北纬29°38′40.22″，沟口距离城区约10 km，流域面积2.8 km2，主沟长约2.4 km，纵坡降208.33 ‰，流向由南东向北西(图1)。沟域地形总体上属构造侵蚀大起伏高山地形，坡体上部出露侏罗系下-中统叶巴组(J1-2y)火山岩、灰岩；坡体中下部大部分被第四系残坡积碎石土所覆盖，厚0.4～2 m，土层结构极为松散，坡度大于30°；沟口堆积区地势相对平缓，原扇面形状变化不大，堆积区内堆积物由火山岩碎石、砾砂、中粗砂含少量细砂、粘土等混合堆积而成，平均堆积厚度约1.2 m。

1.全新统冲积物；2.全新统泥石流堆积物；3.全新统冲洪积物；4.全新统坡积物；5.全新统坡洪积物；6.更新统泥石流堆积物；7.更新统冲积物；8.侏罗系叶巴组；9.白垩世闪长岩；10.地质界线；11.泥石流威胁范围；12.泥石流流域范围；13.泥石流分区范围；14.坡面物源及编号；15.滑坡物源及编号；16.沟道物源编号图1 格布沟泥石流流域图

据调查了解，格布沟泥石流每年雨季均会爆发，最近一次较严重的泥石流发生在2016年7月，历时约10 min，损坏房屋3间，农田0.5 hm2，造成经济损失约53万元。如果该泥石流再次发生灾害，将直接威胁沟口白定村9户45人及过往车辆及行人的生命财产安全，潜在经济损失约280万元。

2 泥石流形成条件

2.1 地形条件

格布沟沟域面积2.8 km2，主沟道长2.4 km，最高点海拔4 230 m，沟口海拔3 730 m，相对高差500 m，主沟纵坡降208.33 ‰，沟谷呈“V”型，宽约15～40 m，谷坡自然坡度为30°～65°，主沟两岸斜坡坡脚陡坎、陡崖地形发育，为堆积体形成滑坡、坍塌等不良现象提供临空条件。

泥石流清水区沟道长约490 m，纵坡降286 ‰，两岸坡度较陡，约30°～50°，植被发育一般，主要以杂草为主，沟道相对较窄；形成区长约1 900 m，纵坡200 ‰，支沟沟谷切割较浅，主沟沟谷切割较深，坡面小型冲沟较为发育，沟道上游斜坡顶部多基岩裸露，局部裂隙发育、物理风化较严重，斜坡中下部土层整体较厚，植被较发育，结构松散-稍密；流通区长约400 m，纵坡约150 ‰，沟道相对顺直，无明显堵点；堆积区长400 m，宽约280 m，纵坡降100‰，总面积约0.12 km2，堆积区西部为古泥石流堆积扇，在北东部顺河沟为新堆积扇，河沟高约1.5 m，宽约5～10 m，扇前缘为公路、居民区，地势较平缓。

2.2 物源条件

格布沟泥石流属沟谷堆积特征明显的泥石流，其松散固体物源较丰富，且物源分布较为集中，主要集中于形成区、流通区。经调查发现物源类型主要包括滑坡堆积物源、沟道堆积物源、坡面侵蚀物源3类(图2)。其中滑坡堆积物源2处，坡面侵蚀物源4处，沟道物源3处，其物源堆积量见表1。

表1 格布沟泥石流物源估算统计表

图2 格布沟泥石流物源特征

2.3 动力条件

城关区属高原半湿润气候区，区内多年平均气温为9.48 ℃，年平均降水量495.70 mm，主要集中在6～9月，其降水量达到422.33 mm，占全年平均降雨量的85.20%，极端最大降水量637.80 mm(2014年)，极端最小降水量359.80 mm(2010年)；日最大降水量50.50 mm(2017年6月22日)[8]。根据表2、表3、表4计算可知，格布沟暴雨流量已具备泥石流可能发生的基本条件。

表2 格布沟设计雨量计算表

表3 格布沟暴雨清水流量计算表

表4 格布沟沟口各种频率下泥石流峰值流量计算成果表

3 泥石流动力学特征

由于格布沟流域无有效监测资料，只能通过配方法和查表法两种方法来确定，而这两种方法又各有其特点。配方法只能对已发生过，且有人目击的泥石流进行测定，且测定结果只能代表当时的一次泥石流发生的结果。由于暴发泥石流时降雨量大，水量丰富，导致现场试验的成果相对于实际情况有一定偏差。而查表法是在现状调查基础上带预测性的重度值结果，可作为泥石流设计的依据。故本次勘查泥石流重度取值采用查表法。

按照《泥石流灾害防治工程勘查规范》(DZ/T0220-2006)[9]附录H填写泥石流调查表并按附录G.1进行易发程度评分，按表G.2查表确定格布沟泥石流重度和泥沙修正系数，计算出格布沟泥石流容重取值为17.03 kN/m3(γC=1.703,γH=2.65,1+φ=1.765)。

3.1 泥石流流速

由于无泥石流发生时的实际观测数据，我们对泥石流沟的分析，主要根据查访资料，类比利用目前泥石流运动特征及动力特征研究的成果进行分析。

根据以上的分析，我们选用了《泥石流灾害防治工程勘查规范》(DZ/T0220-2006)[9]附录I.15通用公式计算格布沟粘性泥石流流速计算公式：

平均水深Hc=2.0 m，粘性泥石流河床糙率用内插法由表1.5查得nc=0.067，泥石流水力坡度(‰)，用沟床纵坡代替，由于格布沟上陡下缓坡降依次降低，沟口处沟床坡降用流通区平均纵坡降代替Ic=110 ‰，计算得出格布沟沟口泥石流流速Vc=7.86 m/s。

3.2 一次泥石流总量和冲出固体物质总量

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/T0220-2006)[9]附录1.6提供的计算公式进行计算：Q=0.264 TQc(Q：一次泥石流过程总量，T：泥石流历时(s)；Qc：泥石流最大流量(m3/s)；一次泥石流固体冲出物按照《泥石流灾害防治工程勘查规范》(DT/T0220-2006)[9]附录1.7提供的计算公式进行计算：

QH=Q(γc-γw)/(γH-γw)

式中，QH为一次泥石流冲出固体物质总量;Q为一次泥石流过程总量;γc为泥石流重度;γw为水的重度;γH为泥石流固体物质的重度。将已知参数带入上式进行计算，结果见表5。

表5 格布沟泥石流一次泥石流总量和冲出固体物质总量计算表

3.3 泥石流爬高和最大冲起高度

泥石流爬高和最大冲起高度按照《泥石流灾害防治工程勘查规范》(DT/T0220-2006)[9]附录I提供的计算公式进行计算：

式中，ΔH为泥石流最大冲起高度(m)；ΔHc为泥石流爬高(m)；Vc为泥石流平均流速(m/s)；b为泥石流迎面坡度的函数。

计算结果，泥石流最大冲起高度为3.09 m，泥石流爬高为4.94 m。

4 泥石流成灾机理研究

本文通过遥感解译、野外调查等手段，综合分析认为参与格布沟泥石流的物源主要为滑坡堆积物源、沟道堆积物源、坡面侵蚀物源，根据格布沟泥石流地形条件、物源分布特征等方面进行了分析，将格布沟泥石流成灾机理归纳为“沟岸冲洪积物-滑坡、崩塌-泥石流型”。早期，沟道中上游形成水石流、泥流、泥石流，由于水动力不足，固体物质主要堆积于支沟沟口、主沟中游及中下游处，顺沟堆积抬高沟床，洪水下切堆积体重新形成自然沟道，在侧蚀、揭底作用下，冲沟变深、变宽，两岸形成高1～4 m 的台坎(台地)，两岸台坎 (台地)在降雨入渗、洪水侧蚀等作用下坍塌，并参与到泥石流活动中。

根据研究分析，格布沟泥石流具有如下特点：

(1) 格布沟流域内，沟岸分布的冲洪积堆积物呈台坎(台地)地形，据钻探工程断面揭露，一般可分为2～5层，弱胶结，近临空面处裂缝发育，洪水侧蚀、掏空坡脚后易发生坍塌。

(2) 泥石流形成初期，沟岸松散堆积体上游多以洪水或水石流为主，洪水或水石流侧蚀滑坡及沟道物源、揭底沟岸物源，进而转化为泥石流。

(3) 格布沟泥石流主沟流通区及堆积区纵坡降较小，纵坡降在100 ‰～150 ‰之间，为冲洪积物顺沟堆积提供地形条件。

(4) 由于流通区、堆积区沟道纵坡降较小，水动力较小时，固体物质一般沿顺沟堆积；当水动力较大时，固体物质参与泥石流并冲出沟口。

(5) 格布沟近年暴发的泥石流，其物源主要由分布于沟道中上游两岸的老泥石流堆积物提供，物源启动方式主要为在降雨、洪水作用下老泥石流堆积体形成滑坡、坍塌从而参与到泥石流活动中。

5 泥石流发展趋势

根据泥石流发生频率和发展阶段的演化，以及堆积区泥石流堆积物的叠置关系和泥石流发生趋势分析，该泥石流发生强度有逐次增强的趋势。格布沟泥石流于2016年7月爆发一次较大规模泥石流，之后每年均有小规模泥石流发生。另外近年来天气变化，强降雨增多，加之沟道及坡面松散物源较多，泥石流沟道顺直，纵坡较大，两岸岸坡陡直，在强降雨时物源启动参加泥石流活动。虽然该流域面积较小，但山坡坡度较大，纵坡较陡，短时强降雨不能及时形成渗流，通过地表径流形式快速汇集，冲刷坡面及沟道，加之坡面块碎石结构松散，雨水冲刷后更不稳定，更容易被侵蚀，参与泥石流活动。因此根据以上分析格布沟泥石流发展趋势爆发泥石流的可能性会越来越频繁，规模逐次增大，直到活动物源大部分剥蚀，达到稳定状态。