丹巴县半扇门乡“6.17”梅龙沟泥石流特征与成因研究

2022-01-05李睿祺胡桂胜陈宁生杨志全刘恩龙

地质灾害与环境保护 2021年4期

李睿祺，胡桂胜，陈宁生，杨志全，刘恩龙

(1. 昆明理工大学公共安全与应急管理学院，昆明 650093；2.云南省高校高烈度地震山区交通走廊工程地质病害早期快速判识与防控重点实验室，昆明 650093；3. 中国科学院山地灾害与地表过程重点实验室, 中国科学院水利部成都山地灾害与环境研究所, 成都 610041；4. 高原科学与可持续发展研究院,西宁 810016；5.四川大学水利水电学院，成都 610065)

2020年6月17日3点20分许，丹巴县半扇门乡发生泥石流灾害，造成2人死亡，关州村大量房屋被淹没，阻断小金川河，形成堰塞湖，河水回流后使得上游部分村庄被淹，人员围困，并使小金河河道抬升8～12 m。6月17日凌晨5点左右，泥石流堰塞体溃决，下游约3.92 km范围内受灾严重。据统计，此次泥石流灾害摧毁G350线路路基7.7 km，约47.9 hm2耕地受损，农作物受灾约180 hm2。林业损毁约66 hm2，梅龙电站装机2 000 kW被毁，阿娘沟电站装机3 200 kW受到威胁，直接经济损失约2 000万元。此次灾害起源于流域面积为63.28 km2的梅龙沟，历史上该流域仅发生过小型泥石流灾害，此次突然暴发大规模泥石流灾害且接连引发严重的次生灾害引人深思。

目前，国内许多学者在泥石流灾害的研究上都取得了许多成果，但对于引起大型灾害链的泥石流的研究较为缺乏。例如，王高峰等通过对泥石流泥位和流速实测资料的整理和分析，构建了非均质泥石流运动特征值预测模型，为泥石流的防灾减灾和监测预警提供了参考[1]。张勇等在实地调查的基础上，对芦蓭坑沟泥石流的形成条件进行了分析，并结合模型计算剖析了灾害的特征和演化过程，为类似的低频泥石流灾害的研究提供了一定的理论和技术支持[2]。贺拿等通过现场调查和遥感解译获取了九锥沟流域的基础资料和流域内物源信息，采用不同的方法分别计算了流域内各类物源的体积，结合地貌特征、区域背景、地震活动等条件对九锥沟泥石流的发育特征进行了分析，并对泥石流运动特征进行推算和计算，为该区域防治工程的设计提供了参考[3]。常鸣在实地调查的基础上，利用高精度遥感影像对地质灾害体进行解译，并结合数值模拟和非线性回归的方法对强震区龙溪河流域重点泥石流进行定量风险评价和土地易损性分析，建立了研究区泥石流风险评价标准，并得到了研究区重点12条泥石流最终的风险分布图，为震后强震区受到泥石流威胁场镇的灾后重建、风险规避提供直接的依据[4]。王应科等在现场调查的基础上，深入分析了云南省新平县他拉河泥石流的特征和危害，并在此基础上提出了科学的防治建议，为该区域泥石流的防灾减灾提供了参考[5]。

基于以上问题和不足，笔者在实地考察的基础上，结合室内试验、理论计算等方法对灾害的特征和形成演化等进行了分析研究，初步揭示了“6.17”梅龙沟泥石流的成因和演化过程，在此基础上力图寻找防灾减灾的方法，为今后减轻人员伤亡提供经验参照，也期望能为梅龙沟泥石流治理及灾后恢复重建提供科技支撑。

1 研究区背景

丹巴县半扇门乡梅龙沟，地处甘孜藏族自治州东部，大渡河上游，沟口坐标为东经102°01′30.11″、北纬30°58′53.57″，正对小金川河，S303公路从沟口对岸穿过，交通较为便利(图1)。流域两侧山体发育，其内最高海拔达4 760 m，高差2 650 m。梅龙沟位于小金川河右侧，小金川河属长江上游岷江水系，为大渡河左岸一级支流，总长151 km，平均比降6.15‰，流域面积5 323 km2，总体流向向北，水资源丰富，水流湍急，年径流深500～750 mm。梅龙沟流域地处青藏高原东部边缘，多高山峡谷，地质条件极其复杂，含有大量堆积松散物源为暴发泥石流提供基础。主要出露地层为三叠系中统杂谷脑组下段(T2Z1)、三叠系中统杂谷脑组(T2Z)、泥盆系危关群第四岩组(Dwg4)、中上泥盆统(D2+3)、泥盆系下统硗碛组(D1q)。

图1 梅龙沟地理位置

1.1 沟道特征

梅龙沟流域地形总体上属深切割构造侵蚀中山地形，流域内总体上地形陡峻，地形临空条件发育，为泥石流松散固体物源的汇集提供了有利条件。流域形态呈宽扇形，沟长约10.7 km，面积约63.28 km2，平均纵坡降约250 ‰。流域内水系呈树枝状分布，最高点位于流域北西侧山脊部位。沟口堆积区坡度较缓，平均纵比降约100‰。流域呈上窄下宽的地貌特征，上游沟谷形态呈深切“V”字型，沟道宽度3～8 m，坡度较陡，一般在25°～40°；中游形态和上游一致，沟道宽度5～20 m，坡度较小于上游和下游，一般在20°～40°；下游沟谷形态呈“V”字型，坡度较陡，一般在20°～45°，局部地段可达80°。沟道总体上较直，局部有弯曲。

1.2 物源特征

梅龙沟泥石流松散固体物源十分丰富，沟内物源类型主要有滑坡物源、沟道堆积物源、坡面物源、冻融物源，主要沿沟道及支沟沟道两侧分布。梅龙沟在灾前两侧斜坡植被发育较好，水土流失轻微两侧斜坡基本无变形破坏现象，崩滑类物源分布相对较少。灾后沟内泥石流物源大大增加，根据调查，沟谷两侧第四系松散堆积物丰富，在“6.17”强降雨影响下滑坡堆积物增加明显，且原覆盖于斜坡上的松散堆积体有开裂松散的迹象，大大增加了区内的泥石流物源量。

1.3 水源特征

梅龙沟位于大陆性半干旱季风气候区，多年平均降雨量在512～651 mm之间，集中于夏季且多暴雨，昼夜温差大。流域内没有水库、湖泊等集中的地表水体，因此梅龙沟水源主要来源于大气降水和流域顶部的冰雪融水。流域呈窄扇形，地形陡峻，上游和各支沟纵坡度较大，利于地表径流的汇集，其水源条件较好。

2 泥石流运动参数与灾害特征

2.1 泥石流运动参数

泥石流运动参数是研究泥石流以及泥石流防治设计中必须确定的力学参数[6]。通过对“6.17”梅龙沟泥石流土样的筛分和马尔文试验分析，得到梅龙沟泥石流样品的黏土占比为2.55%。依据黏土占比和容重的拟合关系对泥石流容重进行计算得出此次泥石流容重为1.83 g/cm3，属粘性泥石流。计算公式如下[7]：

γc=1.32×103x7-5.13×102x6+8.91×102x5-55x4+34.6x3-67x2+12.5x+1.55

(1)

式中，γc为泥石流容重(g/cm3);x为黏土颗粒占比。

依据现场调查得到的断面泥深、沟床比降、糙率、流体弯道冲起高度等数据(图2)，分别采用经验公式法和跃高法对泥石流断面流速进行计算(式2、式3)。并根据计算结果，首先结合断面面积和调访资料采用形态调查法(式5)求取断面峰值流量，然后根据《四川省水文手册》、《四川省中小流域暴雨洪水计算手册》以及灾前梅龙沟背侧巴旺乡靠山体区域24 h降雨量等调查数据，设计计算不同暴雨频率下的清水流量，接着采用雨洪法(式4)对泥石流峰值流量进行计算。通过两种不同方法求取的泥石流峰值流量表明此次泥石流为100 a一遇。对比雨洪法和形态调查法结果并结合现场调查的实际情况，综合考虑确定此次泥石流的一次固体冲出物采用形态调查法结果和五边形法(式6)进行计算(详见表1)。计算公式如下[3, 6, 8-14]：

图2 梅龙沟挤压、堆积区与泥石流断面

(2)

(3)

式中，v为断面泥石流流速(m/s)；n为粘性泥石流沟床糙率，通过手册查询；H为泥石流平均泥深；I为断面沟床比降;g为重力加速度；h为泥流弯道冲起高度。

Q=(1+Φ)QpDc

(4)

式中,Q为泥石流峰值流量(m3/s)；Φ为泥沙修正系数;Qp为暴雨洪峰流量(m3/s);Dc为堵塞系数(查表取)；L为流域长度(m)。

Qx=sv

(5)

式中，Qx为形态调查法泥石流断面峰值流量(m3/s)；s为断面面积(m2)；v为泥石流断面流速(m/s)。

W=0.246tQ

(6)

表1 泥石流运动学参数计算表

式中，W为一次泥石流总量(m3);t为泥石流历时(s)。

2.2 泥石流灾害特征

根据现场调查结果，“6.17”梅龙沟泥石流起源于海拔4 317 m左右的大石包支沟(参见图1)，形成后流经覆盖大量腐殖土的森林，在大量松散物源的补给下，最终以类似混泥土的形态快速冲刷覆盖下游居民区，这与上文计算的泥石流运动特征参数结果吻合。

泥石流灾害共造成两人死亡，半扇门乡关洲村受灾最为严重，沟道右侧房屋几乎完全被泥石流掩埋或冲毁，沟道左侧房屋农作物等也受到了严重破坏，在泥石流冲淤完关州村后便冲出沟口，接着堵断小金川河，形成堰塞湖，引发一系列次生灾害。

3 泥石流形成演化与成灾过程分析

通过实地调查，“6.17”梅龙沟泥石流灾害主要诱发因素为流域强降雨，其次还与前期降雨充足、地貌条件复杂、冰雪消融等密切相关。

3.1 泥石流形成演化过程

(1) 高温融雪和前期降雨破坏土体结构

查询中国气象网资料(图3)，今年5月1日到6月19日丹巴县日最高温最高为35.4 ℃，小金县日最高温最高为30.9 ℃。相比往年，丹巴县极少出现高于29 ℃的情况，灾前一个多月气温上升明显，高温下梅龙沟顶部积雪覆盖层消融加快，常流水流量增加。

图3 研究区气温降雨图

在日累积降雨量柱状图中可以看到两县在5月中旬后雨量富足，5月中旬前仅有少许雨量(丹巴县几乎无降雨)。显然灾前区内处于一种长时间持续降雨状态，这种状态会严重破坏土体结构的稳定性，对于在山体上的土壤覆盖层的影响更为严重，一方面降水入渗土壤内部改变其内部结构，另一方面增加山体坡向上土体的重力分力，长时间持续的浸泡、侵蚀和“负重”状态会严重削减土体的强度[15-18]。

(2) 强降雨激发泥石流

在图3中6月17日丹巴县日累积降雨量仅为16.2 mm，而查询丹巴县降雨资料显示，6月17日凌晨2点梅龙沟背侧巴旺乡靠山体区域24小时降雨量达59.9 mm，按降雨标准已属暴雨强度。由此可推测，在凌晨左右梅龙沟流域存在短时强降雨，并由此激发了泥石流，这与大邑村村民在凌晨2点左右发现泥石流迹象相符。

(3) 复杂的地貌环境扩大泥石流规模

梅龙沟流域面积为63.28 km2，主沟比降为188 ‰，利于泥石流的形成暴发，其内植被覆盖率在70%以上，含有大量的腐殖土，松散物源较多。在图1中可以看到梅龙沟流域内支沟发育，较大的扇形流域和陡峭的地势极易促进降雨和上方融雪的汇流。

充足的前期降雨状态下流域土壤层已经处于脆弱状态，当遇强降雨激发泥石流，在水源充足的情况下顺沟而下，沿途不断的侵蚀、掏蚀腐殖土层、沟道堆积物、坡面堆积物等，流体物源得到大量的补给，最终使得泥石流以类似混泥土的形态冲击、淤埋下游。

3.2 泥石流成灾过程

泥石流暴发于凌晨3点5分左右，流速快、规模大，高容重流体形态极易搬运大型固体物质，成灾期间伴有很浓的雾障，无准备状态下很难逃生。在图2中可以看到1号断面与2号断面间发育有一段挤压区，泥石流奔流到此处后，因规模巨大，沿沟道由挤压状态扩大范围向沟壁两侧漫延，而此次成灾严重的关州村恰好紧挨沟壁坐落，正好处于泥石流的正面溢散冲击范围。

泥石流冲出沟口后流入横切梅龙沟的小金川河道，由于携带大量的泥沙、大型块石等物质，严重破坏S303和小金川河，固体物质的填堵致使河流水位上涨，影响沟口正对岸阿娘寨古滑坡。在S303完全被破坏后，垮塌的路基进一步对小金川河进行阻断，加剧河水的回流和冲刷滑坡坡脚，最终导致河流水位上抬、上游村庄被淹没、阿娘寨古滑坡失稳、堰塞湖溃决淹没下游村庄等衍生灾害(图4)。