西藏芒康县楚梯岗沟泥石流成灾特征与防治

2022-09-08柳金峰

中国水土保持科学 2022年4期

芦明，柳金峰

(1.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，610041，成都； 2.中国科学院大学，100049，北京)

金沙江芒康段沿岸分布着许多泥石流沟。这里气候干燥、降雨集中、植被稀疏、水土流失严重，十分利于泥石流的形成[1-3]。楚梯岗沟是其中一条活跃的泥石流沟，泥石流灾害已经导致沟口外的桥梁被损毁，同时大量的泥石流冲出物堆积于河岸，形成一个规模较大的泥石流堆积扇，当泥石流完全堵塞河流时会形成堰塞湖，对沿岸居民的生命和财产安全构成严重威胁。2020年6月17日，四川省丹巴县半扇门镇梅龙沟发生了一起泥石流堵断主河形成堰塞湖的灾害，所形成的堰塞湖湖面面积1.03 km2，受洪水淹没威胁2万余人被迫转移，造成巨大经济损失[4]。许多学者对泥石流堵江问题作了大量研究，唐川等[5]通过对岷江上游和云南小江流域堵河型泥石流沟进行调查和分析，认为影响泥石流堵河的主要因素有堆积区主河宽度、泥石流密度及流量、主河流量，并推导出泥石流堵河判别的经验公式。张金山等[6]通过对堵河型泥石流基本特征进行分析总结，并与堵塞型、不堵河型泥石流沟进行比较，得出计算泥石流堵河的经验公式。现场调查发现楚梯岗沟泥石流堆积扇严重挤压金沙江河床，并且其规模仍在不断发展中，使泥石流堵河风险日益增加。为了更加清晰地认识泥石流灾害对堵河的影响，通过利用前人的泥石流堵河判别公式，计算得到不同泥石流暴发频率下堵河的发生概率，并且分析了未来发展趋势。

笔者基于对楚梯岗沟泥石流灾害的现场调查和泥石流运动参数的计算，揭示泥石流的活动特征，并提出“稳固+拦挡”的工程治理方案，以治理楚梯岗沟的泥石流灾害和水土流失，该方案也为该地区的泥石流灾害治理提供参考。

1 自然环境概况

1.1 流域概况

楚梯岗沟位于金沙江中游，紧邻江水右岸。在行政区划上属于西藏自治区昌都地区芒康县朱巴龙乡楚梯岗村。沟口地理位置E 98°59′36.02″，N 29°42′2.62″。沟口位置距离芒康县城直线距离38.77 km，距离巴塘县城32 km，距离上游朱巴龙乡政府所在地8 km。主、支沟沟道特征参数见表1。

1.2 地形地貌

楚梯岗沟处于西藏高原东南边缘，横断山脉北部，地貌属于青藏东南川西高原大区(图1)。楚梯岗沟地貌类型复杂多样，域内山高谷深，山坡陡峭。沟谷坡度大部分在30°～60°，局部区域为陡崖地貌。流域内坡体表面光秃破碎，植被覆盖稀松疏少，崩塌、滑塌时有发生，大量松散固体物质堆积于坡脚，在沟道内部形成多处天然土石坝，极易发生堵溃现象。

表1 主、支沟沟道特征Tab.1 Watershed characteristics of main channels and branch channels

图1 楚梯岗沟流域示意图Fig.1 Schematic diagram of Chutigang gully watershed

1.3 地质条件

楚梯岗流域位于青藏高原东缘弧形构造带的转折部位，属三江构造区，横跨金沙江结合带和德格- 中甸陆块2个二级构造单元，该区域内地质构造十分复杂，主要构造形迹为断裂和褶皱。对区内影响最大为将茶树山- 竹巴笼背斜和金沙江断裂，呈北北西向和南北向展布。流域内地层岩性复杂，自前寒武系到第四系地层均有出露，总体上以强风化灰岩和砂岩、页岩为主，基岩岩性为结晶灰岩、粉砂质页岩及砂岩、板岩与火山岩。

1.4 气候条件

楚梯岗沟流域处于寒温带，气候类型属于温带半湿润高原大陆性季风气候。气候特点是冬春干燥寒冷，年平均气温12.73 ℃，雨量集中，蒸发量大，相对湿度小，气候干燥，日照充足且太阳辐射强烈，灾害性天气较为频繁。

2 泥石流形成条件

2.1 地形条件

楚梯岗沟流域山高谷深，沟岸陡峻，地势西北高东南低。该流域内清水汇流区的面积为4.30 km2，物源区的面积为1.19 km2。通过对流域山坡坡度进行分级统计，陡坡和极陡坡绝大部分分布于流域的中下游，这样的地形十分便于雨水的快速流动和汇集。而流域的中下游也是坡面侵蚀物源和崩滑堆积物源的集中分布区，极易发生堵塞沟道的情况，进而扩大泥石流的活动规模。具体统计结果如表2所示。

表2 楚梯岗沟流域山坡坡度分级统计Tab.2 Slope classification statistics of Chutigang gully watershed

2.2 物源条件

根据遥感影像图判读和野外实地踏勘可知，楚梯岗沟流域松散固体物质储量丰富，且主要分布于流域的中下游区域(图2)。流域内的物源类型主要包括沟道堆积物源、坡面侵蚀物源和崩滑堆积物源。沟道堆积物源(图3)沿主沟和支沟的中游至沟口处分布，主要以砾石、漂石和砂砾为主，总计分布长度3.5 km，宽度3～25 m，堆积厚度为1～10 m，堆积总量约15.8万m3，其中动储量为3.2万m3。长期的崩塌、滑坡活动所形成的崩滑堆积物在流域内呈点状分布于沟道两侧的坡岸上，其储量为32.5万m3，其中可能参与泥石流活动的动储量为12.8万m3。坡面侵蚀物源(图4)主要分布于流域的中下游沟道两侧坡面，其中绝大部分位于主沟的下游区域。坡面侵蚀的主要诱因是坡脚失稳的溯源式垮塌和坡面冲沟刻蚀，根据遥感解译流域内坡面侵蚀物源储量约576.8万m3，其中可能参与泥石流活动的动储量为195.6万m3。流域内规模较大的坡面侵蚀物源点约22 处，其中坡面侵蚀点(H1)规模较大最具代表性。H1前后缘高程分别为2 867和3 441 m，相对高度374 m，物质组成主要为碎石，坡度30°～45°。此处坡面细沟发育，冲沟刻蚀严重，坡面上的松散固体物质处于随时可能向沟内输移的临界状态。通过现场调查和遥感解译等工作方法确定，H1的面积约为15.3万m2，平均厚度约为1.3 m，方量可达19.8万m3，动储量约为6.71万m3，在暴雨的冲刷下可能起动并向沟内输移。

图2 楚梯岗沟物源分布图Fig.2 Solid sources distribution of Chutigang gully

图3 沟道堆积物源Fig.3 Solid sources of trench deposits

图4 坡面侵蚀物源Fig.4 Solid sources of slope erosion

2.3 暴雨

楚梯岗沟流域全年降水主要集中在5—9月，同时也是泥石流、滑坡等山地灾害的高发期。楚梯岗沟所处位置与巴塘县隔江相望，该区域气候类型与巴塘县差异不大，故可通过查阅《四川省暴雨统计参数图集》来计算该区域的设计暴雨量。中国地质调查局成都地质调查中心的调查资料[7]显示：巴塘多年平均降雨量503.69 mm，年平均降水时间100.9 d，年最大降水量828.8 mm，最小降水量291.5 mm，日最大降水量40.6 mm。其中5—9月的降水量占全年总降水总量的 90%。

3 泥石流运动参数计算和堵河分析

3.1 泥石流流量的计算

由于楚梯岗沟流域内无实测泥石流洪峰流量数据，笔者采用雨洪法进行泥石流峰值流量的计算。假定泥石流和暴雨同频率、同步发生且计算断面的设计暴雨洪水流量全部转变成泥石流流量。首先计算不同频率下的设计暴雨量，然后由设计暴雨量推算设计洪峰流量，最后用配方法计算设计泥石流流量及其相关的运动参数。其计算公式如下：

Qc=(1+ΦC)QBDC。

(1)

式中：Qc为泥石流洪峰流量，m3/s；QB为设计洪峰流量，m3/s；DC为堵塞系数；ΦC为泥石流洪峰流量增加系数。ΦC=(γc-γw)/(γs-γc)，式中：γc为泥石流密度，t/m3；γw为清水密度，t/m3；γs为固体物质实体密度，t/m3。

1次泥石流冲出物总量，由泥石流峰值流量和泥石流历时决定，而泥石流历时多根据走访调查确定，其计算公式如下：

Wc=0.264tQc。

(2)

式中：Wc为1次泥石流的总量，m3；t为泥石流历时，s。

通过计算在不同频率暴雨条件下楚梯岗沟泥石流流量参数(表3)，当泥石流暴发频率为“50年一遇”规模时，泥石流洪峰流量为125.19 m3/s，相对于楚梯岗沟这样的小流域泥石流沟，其相对活动规模和危害性值得警惕。

3.2 泥石流冲击力的计算

泥石流密度大、流速快会对桥墩、桥梁等结构造成冲击破坏。关于泥石流流体整体冲压力的计算，笔者采用铁二院(成昆、东川两线)公式[8]：

(3)

式中：δ为泥石流冲击力，Pa；λ为建筑物形状系数，该处取1.47；g为重力加速度，g=9.8 m/s2；Vc为泥石流的流速，m/s，按照式(4)计算；α为受力面与冲压力方向的夹角，α=90°。

表3 不同频率暴雨作用下泥石流峰值流量Tab.3 Debris peak flow under different frequency rainfall

泥石流的流速计算公式如下：

(4)

式中：nc为黏性泥石流的河床糙率，nc=10[9]，量纲为1；Rc为水力半径，m；Ic为河床坡降，量纲为1。

选取受损桥梁上游附近的某一沟道断面，测量泥深为1.5 m，根据形态调查法，当泥石流流速为5.65 m/s，推算出泥石流流量为122.92 m3/s，其活动规模与“50年一遇”规模相当。计算泥石流流速5～7 m/s范围内的冲压力大小，结果如表4所示。此处桥梁受泥石流冲击破坏形式较为特殊，具体破坏过程为，当泥石流运动至此，沟道受到桥墩挤占影响发生束窄，导致泥石流流体在此处逐渐壅高直至漫过桥梁，冲击破坏桥下横梁(图5)。在跨泥石流沟道修建桥梁时，应避免桥墩挤占沟道影响泥石流的正常流动。

表4 不同流速作用下泥石流冲击力Tab.4 Impact force of debris flow under different flow velocity

图5 桥梁破坏示意图Fig.5 Schematic diagram of a damaged bridge

3.3 泥石流堵河分析

楚梯岗沟泥石流堆积扇严重挤压金沙江河道，将水流挤向对岸，该堆积扇扇径长400 m，扩散角107°，纵比降218‰，并且仍然在不断扩展中。影响泥石流堵河的因素有泥石流的密度和流量、支槽的沟床比降、主河流量、主河河床比降和泥石流沟汇入主河的角度等[5-6]。唐川等[5]提出关于泥石流堵河的判别式如下：

(5)

式中：Z为泥石流堵河判别值[5]；B为堆积区主河宽度，m；Qm为主河流量，m3/s；β为支沟与主河顺流方向的夹角,°；K为修正系数，与泥石流沟道堵塞系数有关，K取1.0～1.5。

张金山等[6]提出关于泥石流堵河的判别式如下：

(6)

式中：R为泥石流堵河判别值[6]；P为泥石流发频率；Jc为支槽比降；Jm为主河比降。

在计算泥石流堵河过程中取金沙江流量为1 700 m3/s[10]，主河宽度B=80 m，主河比降和支槽比降分别取1.78‰和157‰。根据唐川的泥石流堵河经验判别公式，当判别值Z≥1.0时，泥石流可能造成完全堵河；当判别值Z介于1.0～0.5之间，则泥石流造成部分堵河；当判别值Z≤0.5时，泥石流不会造成堵塞或堵断主河[5]。根据张金山等[6]的泥石流堵河经验判别公式，R值越大泥石流堵塞主河的程度就越高，当R≥10时为易于堵河，当5≤R<10时会对主河造成严重堵塞，当R<5时堵河的可能性很小，多表现为轻微堵塞。

根据计算结果(表5)的比对分析，公式5和6计算的结果较为吻合。即当遭遇“百年一遇”规模以上的泥石流时可能会造成主河的严重堵塞，当遭遇“50年一遇”规模泥石流时可能会造成主河的轻微堵塞。根据实地调查发现在泥石流汇江处，泥石流堆积体挤压河床、向对岸扩延的趋势明显，使泥石流堵河风险日益增加。同时在流域内应当考虑布置工程治理措施来调配减少流入金沙江内的泥石流冲出物方量。

表5 不同频率暴雨下泥石流堵河判别值计算Tab.5 Calculation of the discriminant value of debris flow blocking the river under different frequency of rainfall

4 防治对策讨论

楚梯岗沟泥石流会造成金沙江堵塞形成堰塞湖，威胁沿江分布的村寨和农田。

楚梯岗流域的主沟和1号支沟的纵坡降较大，绝大部分都在450‰以上，局部区域可达550‰；而自主沟和支沟交汇处向下，沟道纵坡降逐渐变缓，其中距离沟口上游300 m处的纵坡降约为204‰。上游的沟道呈“V”字形严重下切，使两岸溯源侵蚀严重，导致坡面严重的水土流失。所以当务之急是在关键区域布置稳固工程，以达到“固床稳坡”的效果，在缓解水土流失的同时又可以避免过多的坡面侵蚀物向沟道运移。基于该流域的泥石流孕灾环境，楚梯岗沟的防治工程体系采用“稳固+拦挡”方案。在主沟和1号支沟的关键物源区布置谷坊群等稳固工程，在下游流通段坡降较缓处布置拦沙坝。

因为主沟和1号支沟部分沟段两岸坡面侵蚀严重，故拟在此区域布置3个谷坊群，用以缓解此处的坡面侵蚀和水土流失现象(图6)。根据各个位置的坡面侵蚀发育程度，4个谷坊群内的谷坊数量和每个谷坊之间的间距大小不等。谷坊坝体高度拟设计2.0～3.5 m左右，坝体宽度依据沟道宽度而定。水流对坝趾的冲刷掏蚀会破坏坝体的稳定性，可以通过在坝体下游修建潜槛来改善。拟在主沟海拔3 000～3 250 m和2 790～2 990 m的区域内修建1号谷坊群和2号谷坊群，分别包含谷坊坝5座和10座；在1号支沟海拔3 160～3 500 m和2 710～2 970 m的区域内分别修建3号谷坊群和4号谷坊群，分别包含谷坊坝5座和3座。拟在下游沟道海拔2 598～2 613 m的位置修建拦沙坝1座，用来削减泥石流峰值流量以及缓解泥石流对沟床的下切。该防治工程体系可以有效缓解流域内的水土流失现状，避免更多的松散固体物质汇入泥石流之中，在降低泥石流活动规模的同时还可以削减洪峰，压缩汇入主河的土石方量，降低堵塞主河的概率，有效保护下游村寨和乡镇的安全。