西藏仁布县帮久沟泥石流特征分析

王丽梅

(甘肃工程地质研究院,甘肃 兰州 730000)

泥石流爆发迅猛,危害严重,对影响区人民生命财产安全构成了巨大威胁[1-2],在其形成的三要素中,物源条件往往显著影响到泥石流的多个基础参数,比如暴发频率、规模、容重等[3],因此,泥石流物源量是评价泥石流易发性的重要指标。地震通常起到了放大泥石流灾害的作用。相关研究表明,汶川地震后,其地震影响范围内的泥石流活动较震前大大增强,主要表现在爆发频率和爆发威力[4]。2017 年震后在九寨沟地区产生大量的地质灾害,泥石流灾害愈加严重[5]。高海拔地区泥石流灾害形成有其独特的成因,陈龙等对西藏天摩沟进行现场调查,认为雪崩的“汇集快融”和“集聚物源”效应,有利于泥石流发生[6]。普布次仁等对巴曲沟泥石流发育特征和防治开展了研究,查明了泥石流基本特征[7]。

尼泊尔“4·25”地震对与其接壤的西藏自治区部分地区也影响深远,加重了地质灾害的危害,其中就包括仁布县查巴乡曲参村帮久沟泥石流。据现场调查,帮久沟泥石流每年雨季均发生不同规模的泥石流,对沟口堆积扇区仁布县查巴乡曲参村的40 户居民305 人、60 亩耕地及公路上的行人和车辆造成较大威胁,潜在经济损失达2000 万元[8]。

1 自然条件

仁布县位于我国西藏南部,帮久沟泥石流研究区位于仁布县查巴乡曲参村,距离仁布县县城约35km,距离拉萨约130km,全程已修建有柏油路,交通较为便利。

1.1 气象水文

研究区日照充足,年平均气温6.8℃,年日照2300 小时,年无霜期135 天左右,区域气候较干燥,年平均降雨量介于400-430mm。沟口河流主要通过雨水补给。

1.2 地形地貌

帮久沟泥石流最高点位于沟源,高程为5275m。最低点位于沟道与门曲河交汇处,高程为4050m,高差达到1224m,泥石流主要位于高山地貌区,出山口后为台地缓斜坡地貌。

1.3 地层岩性

研究区出露地层主要有：第四系和三叠系地层,具体描述如下：

1.3.1 三叠系上统修康组(T3x)

在研究区山脊部位及沟道中上游部分沟道及其两侧出露,岩性为硅质板岩,颜色呈褐黄色、灰黑色和其他多种颜色,产状多变,但倾角较大,多在70°以上,受构造影响较大,层间小褶皱发育,岩体较破碎,部分地段岩体脱离母体成为泥石流固体物源。

1.3.2 第四系(Q)

研究区第四系岩层广泛出露,按其形成原因可分为全新统冲洪积物(Q4al+pl),主要分布在沟口门曲河两侧,碎石土,碎石含量占35%-55%,块径2-15cm,个别大于1m。残坡积层(Q4el+dl),分布于斜坡上,碎石土,碎石含量占比20%-35%,块径多介于0.5-15cm。泥石流堆积层(Q4sef),主要分布在泥石流流域内沟道处及沟口,岩性主要为碎石土。

1.4 新构造运动与地震

调查区处于喜玛拉雅隆起带和雅鲁藏布江缝合带之间,地震基本烈度为Ⅶ、Ⅷ度,地震动峰值加速度为0.15-0.2g。

1.5 水文地质

区内地下水主要为基岩裂隙水和松散岩类孔隙水。

1.6 工程地质条件

根据勘查,研究区内岩土体分为两类：

1.6.1 松散岩土组

冲洪积物(Q4al+pl),碎石土,结构呈现松散状,部分稍密,分布厚度约1.0m-2.5m 不等。坡积物(Q4el+dl),碎石土,分布于流域沟谷两侧坡体较缓处,厚度0.2-15m,力学性质差异性大。泥石流堆积物(Q4sef),碎石土,沟口厚度大于1m。

1.6.2 坚硬类岩组

三叠系上统修康组(T3x),在研究区山脊部位及沟道中上游部分沟道及其两侧出露,岩性为硅质板岩,受构造影响较大,层间小褶皱发育,岩体较破碎。

1.7 人类工程活动

研究区人类工程活动较强烈,包括道路修建、开挖建房和开垦农田,其中沟域内修建公路较多,因此开挖量较大,开挖后的余方堆积在沟道左右两岸,且开挖不久,因此对泥石流的形成影响最大,沟域内有大量的居民耕地、及草场,主要耕种青稞等。

2 泥石流形成条件分析

2.1 地形条件

帮久沟流域面积3.4km2,主沟长约2.3km,高差1225,平均纵坡295.2‰,整个流域支沟不发育。沟域总体上地形陡峻,降水汇集时间短。流域内水流冲刷,冲沟较发育,冲沟切割深度一般为1～3m,宽2～4m。沟岸岩体裸露,且较破碎,植被不发育。

根据现场调查,可将帮久沟泥石流流域分为清水区、形成区、流通区和堆积区四个区域。

帮久沟泥石流清水区位于沟源至高程4485m 段,该段沟道人迹罕至,基岩裸露,多为基岩沟床,沟道两侧还发育冰斗等冰川地貌,峰顶高程约为5930m。该段沟道长约2km,高差接近1.4km,沟道平均纵比降为全流域最大,达到近420‰。该区分布面积最大,为2.4km2。

形成区位于清水区下方沟段,高程介于4210-4485m之间,该段已经开始分布泥石流物源,物源主要为坡面侵蚀物源和沟道堆积物源,该段长度仅次于清水区,约1.5km,平均纵坡208.2‰。物源启动方式分为两种,即沟底揭底冲刷和沟岸侧蚀,且相互影响促进。

流通区为高程4102-4210m 沟段,沟道内为泥石流堆积物,物源丰富,物源启动方式与形成区相同,该段长约450m,平均纵坡202.2‰。

堆积区位于沟道下游沟口附近,沟道左右两岸分布曲参村居民区,沟口有县道穿过。该区段沟床高程介于4050m 和4053.6m 之间,地形较平坦开阔。

2.2 物源条件

通过前期遥感解译,物源主要分布在海拔4500m 以下,可分为坡面物源和沟道物源,经过现场调查,确定了物源主要分布在泥石流形成区和流通区内,并对物源进行了更加详细的测量和计算,物源总量为26.3×104m3,可能参与泥石流活动的动储量为3.18×104m3,具体如表1 所示。

表1 帮久沟物源统计表

2.3 水源条件

通过调查,泥石流爆发期主要为夏季,短时强降雨是泥石流的主要水源条件。

研究区降水量集中在6～8 月,日最大降雨量达到44.3mm,通过计算,该降雨强度相当于50 年一遇降雨,1h 最大降雨量达到12mm。6-8 月平均降水量达110～140mm,三个月总降雨量占全年降雨量的降水量占全年的94.6%。通过公式计算其暴雨强度指标值R=4.338,因此暴雨是该泥石流的主要引发因素[9]。

3 泥石流基本特征

3.1 泥石流流体重度

采用现场配浆法初步确定泥石流状态,按公式(1)求出泥石流容重：

式中：γc- 泥石流流体状态容重(kN/m3)；

W- 模拟试验配制流态样品重量(kN)；

V- 模拟试验配制流态样品体积(m3)。

通过多组配浆法确定帮久沟泥石流重度介于16.32～16.77kN/m3之间,其平均值为16.03kN/m3。

采用查表法确定泥石流重度,通过现场调查和查表,帮久沟泥石流的易发程度评分最终为90 分,其易发程度属中易发,确定泥石流重度为16.11kN/m3[9]。

根据不同方法计算的泥石流重度,综合确定帮久沟泥石流流体重度为16.1kN/m3。

3.2 泥石流流速计算

通过该泥石流重度,可确定流体性质为粘性泥石流,采用公式(2)进行帮久沟泥石流流速计算[9]。

计算公式为：

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

计算工况参数取值及详细计算结果如表2 所示。

表2 沟口泥石流流速计算表

3.3 泥石流峰值流量

采用雨洪法进行帮久沟泥石流峰值流量计算。

参数通过查表和搜集相近工程区的实例确定,不同设计频率的暴雨洪峰计算结果见表3。

表3 暴雨洪水流量计算结果表

经计算,在泥石流沟口,清水20 年一遇流量达到8.27m3/s,50 年一遇流量达到9.74m3/s。

3.3.2 泥石流峰值流量计算

在清水流量计算的基础上,采用下式开展泥石流峰值流量的计算：

泥石流峰值流量计算结果详见表4。

表4 泥石流峰值流量结果表

经计算,该沟域沟口断面20 年一遇(P=5%)泥石流峰值流量Qc=21.92m3/s。50 年一遇(P=2%)泥石流峰值流量Qc=25.82m3/s。

3.4 一次泥石流过流总量

一次泥石流过流总量计算公式[9]：

计算结果见表5。

表5 一次泥石流过程总量计算结果表

根据计算结果,沟口位置,帮久沟20 年一遇一次泥石流冲出量为0.63 万m3,50 年一遇一次泥石流冲出量为0.69 万m3。

3.5 一次泥石流固体物质冲出量

计算结果见表6。

表6 一次泥石流固体物质冲出量计算表

根据表6 计算结果,帮久沟泥石流沟口位置,一次泥石流固体物质20 年一遇为0.19 万m3,50 年一遇为0.23 万m3。

4 结论

4.1 根据遥感解译和现场勘查,帮久沟泥石流流域内松散固体物源分布范围较广泛,主要位于形成区和流通区,总量达到26.3 万m3,其中估算可能参与泥石流活动的动储量达到3.18 万m3。帮久沟沟物源以坡面侵蚀类物源为主,总计24.9 万m3,占总物源量94.7%,动储量2.42 万m3,占总动储量63.3%。沟道物源次之,总物源量1.4m3,占总量5.3%,动储量1.4 万m3,占总动储量36.7%。

4.2 根据帮久沟泥石流沟域特征,其流域分为清水区、形成区、流通区和堆积区四个区。帮久沟泥石流堆积物特征是土石比较小,且由沟口向上呈现逐步减小的规律,说明帮久沟沟域内总体上水动力条件较大,造成了大部分细小颗粒被洪水带走,粗颗粒及块体因质量和体积原因滞留在沟道内,其表达的沟道内水动力条件差异变化与野外勘查结论相似。

4.3 帮久沟泥石流类型为属暴雨沟谷型泥石流,其规模为小型,易发程度为中易发。泥石流流体重度经最终确定为16.1kN/m3,50 年一遇(P=2%)泥石流沟口流速3.66m/s,峰值流量Qc=25.82m3/s, 一次泥石流冲出量为0.69 万m3,其中一次泥石流固体物质为0.23 万m3。