四川省安縣千佛山景區(qū)王爺廟溝泥石流特征分析

鄢松，姚亨林

(1．中冶成都勘察研究總院有限公司，四川成都610023;2．四川省交通廳交通勘察設(shè)計研究院，四川成都610017)

2008年8月，位于四川省綿陽市安縣千佛山景區(qū)的王爺廟溝發(fā)生了一起泥石流，造成金溪河堵河危害。本文根據(jù)現(xiàn)場考察，對王爺廟溝流域特征、分區(qū)特征、動力特征及其危險度進(jìn)行了分析，其防災(zāi)減災(zāi)措施主要是植樹造林，攔擋排導(dǎo)，提高下游的排導(dǎo)能力。

1 流域特征

區(qū)內(nèi)地層主要為古生界寒武系下統(tǒng)的清平組(ε1c)，還包括少量的古生界震旦系上統(tǒng)邱家河組(Zbq)和古生界奧陶系中統(tǒng)的寶塔組(O2b)，巖性主要為粉砂巖、砂巖等。由于地震原因，溝道兩側(cè)植被基本破壞，崩塌、滑坡地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育。

該溝流域的匯水面積約0.53 km2，主溝長約1 537 m，溝道主溝溝谷呈“V”字型，流域內(nèi)最高海拔約1 680 m，溝口海拔約1 010 m，主溝流域相對高差約570 m，主溝溝床平均縱坡降34.4%，主溝道兩側(cè)平均坡降約43.6%。流域內(nèi)共發(fā)育有一條支溝，主溝及支溝兩側(cè)比降大，流向基本與主溝道順向，非常有利于泥石流的形成、流通。流域簡圖見圖1。

圖1 王爺廟溝流域簡圖

2 分區(qū)特征

王爺廟溝泥石流可以分為4個區(qū)域，即清水區(qū)、形成區(qū)、流通區(qū)和堆積區(qū);其分區(qū)縱坡比及特征見圖2、表1，簡述

圖2 王爺廟溝縱坡比

如下。

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2.1 清水區(qū)

清水區(qū)是泥石流形成的動力源區(qū)，其對泥石流形成的影響主要表現(xiàn)為匯流作用。當(dāng)降水發(fā)生時，清水區(qū)將分散的地表徑流匯集，增大流域的清水流量，并迅速進(jìn)入主溝，沖刷溝道底床及兩岸不穩(wěn)定邊坡的松散物質(zhì)，從而導(dǎo)致泥石流的發(fā)生。王爺廟溝的清水區(qū)主要位于海拔1 460 m以上區(qū)域，集水面積約0.13 km2，占總流域面積的四分之一多。據(jù)調(diào)查，由于地震原因，清水區(qū)內(nèi)多見基巖裸露，區(qū)內(nèi)有明顯的滑坡、崩塌等不良地質(zhì)現(xiàn)象，基巖節(jié)理、裂隙較為發(fā)育，并有一定程度的風(fēng)化。對王爺廟溝泥石流的水源、物源補給貢獻(xiàn)較大。

2.2 形成區(qū)

形成區(qū)是泥石流物質(zhì)補給的主要源區(qū)，對泥石流的影響主要表現(xiàn)在為泥石流的發(fā)生提供足夠的松散固體物源，在水動力的作用下匯入溝道，形成泥石流。王爺廟溝的形成區(qū)位于高程1 170～1 460 m之間，形成區(qū)面積為0.28 km2，該段主溝長約795 m，溝道坡降350‰，溝寬5～10m不等，呈“V”字形溝谷。該區(qū)內(nèi)基巖風(fēng)化較為強烈，表層巖石較為破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育程度相對較高，溝道內(nèi)隨處可見崩塌、滑坡，堆積的石塊粒徑小至5 cm，大至50 cm。崩積體是形成區(qū)主要的松散固體物質(zhì)補給源。

2.3 流通區(qū)

流通區(qū)對泥石流的影響主要表現(xiàn)為改變泥石流的動力學(xué)參數(shù)特征，如加速或減速、堵塞等。當(dāng)流通區(qū)溝道比降較大的情況下，泥石流在此便會得到加速，泥石流的流速、沖擊力、破壞力等便會增大，反之則減小。王爺廟溝的流通區(qū)主要位于高程1 060～1 170 m之間，面積約為0.10 km2，溝長約370 m，坡降297‰，溝道呈“V”字形，寬約5～10 m，溝道內(nèi)石塊粒徑以5～20 cm為主，最大至80 cm。由于地震原因，流通區(qū)內(nèi)遍布大量滑坡、崩塌，給泥石流的爆發(fā)又提供了豐富的物源。

2.4 堆積區(qū)

堆積區(qū)是泥石流的主要堆積場所，也是泥石流危害最大的區(qū)域，一般情況下，堆積區(qū)坡度較緩，泥石流到此后所受的阻力便會增大，流速減小，并開始沿途堆積。王爺廟溝泥石流的堆積區(qū)位于高程1 060～1 010 m之間，泥石流堆積物已延伸至金溪河邊，堆積區(qū)呈明顯的扇狀結(jié)構(gòu)，扇頂角約為100°，堆積區(qū)面積為0.16×104m2，堆積區(qū)粒徑以5～10 cm為主，最大至30 cm。其堆積厚度1.5～2m，估算該堆積扇的堆積體積為0.32×104m3。堆積區(qū)內(nèi)可見粒徑分布范圍主要在10～30 cm之間。

3 泥石流成因分析

3.1 地形地貌條件

王爺廟溝道兩側(cè)地形陡峻，為典型的峽谷地貌。溝口高程大約1 010 m，最高高程1 680 m，相對高差達(dá)570 m。平均溝床縱比降34.4%，山坡平均坡度60°，陡坡和溝床利于松散固體物質(zhì)的能量釋放和轉(zhuǎn)化;王爺廟溝相對高差較大，流域面積較小、坡陡、溝道短且總比降較大，這些特征均有利于泥石流的形成與運動。

3.2 固體物源條件

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，王爺廟溝出露巖性以粉砂巖、砂巖為主，溝道內(nèi)兩岸基巖表層風(fēng)化強烈且節(jié)理裂隙發(fā)育程度相對較高，滑坡、崩塌發(fā)育，風(fēng)化堆積物與溝道內(nèi)松散堆積體是王爺廟溝泥石流固體物質(zhì)的主要來源之一。據(jù)調(diào)查估算，能夠參與泥石流活動的松散固體物質(zhì)儲量為12.16×104m3。

3.3 水源條件

降水是深家溝泥石流發(fā)生的主要誘發(fā)因素，雨水既是激發(fā)泥石流形成的動力條件，又是組成泥石流的水體成分。該地區(qū)氣象參考資料知，區(qū)內(nèi)多年平均年降雨量為1 200 mm，歷年最大一日降雨量64.3 mm，因此可以判斷，短時強降雨是引發(fā)該溝泥石流的主要原因。

4 泥石流動力特征

4.1 泥石流容重計算

由于沒有條件取得泥石流現(xiàn)場樣品計算重度值，因此按照國土資源部《泥石流災(zāi)害防治工程勘查規(guī)范》(DZ/T 0220－2006)，采用經(jīng)驗法:通過現(xiàn)場調(diào)查得出王爺廟溝泥石流水土比例為6∶5，按下式計算泥石流容重［1］:

式中:γc為泥石流重度(t/m3);γH為固體物質(zhì)密度(取2.5t/m3);P為泥石流體中固體物質(zhì)體積與水的體積之比。計算得γc為1.81t/m3，屬粘性泥石流。

4.2 山洪流量計算

王爺廟溝流域內(nèi)無水文觀測資料和降雨觀測資料，本次計算工作根據(jù)《四川省中小流域暴雨洪水計算手冊》提供的暴雨資料，假定暴雨和山洪同頻率出現(xiàn)，采用其推薦的推理公式由設(shè)計暴雨推求設(shè)計洪峰流量［1］。

式中:Q為設(shè)計洪峰流量(m3/s);ψ為洪峰徑流系數(shù);τ為匯流時間(h);n為暴雨衰減指數(shù);s為暴雨雨力(mm/h);F為流域面積(km2)。

計算結(jié)果見表2。

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4.3 泥石流洪峰設(shè)計流量

泥石流洪峰流量的計算采用配方法，即假定泥石流與暴雨洪水同頻率并同時發(fā)生，計算斷面的暴雨洪水設(shè)計流量全部變成泥石流流量。在計算過程中，還適當(dāng)考慮溝道的堵塞，乘以堵塞系數(shù)D。

假定泥石流與暴雨洪水同頻率發(fā)生，采用配方法將暴雨洪水流量全部換算為泥石流流量，計算公式如下:

式中:Qc為設(shè)計泥石流峰值流量(m3/s);φ為泥石流修正系數(shù)，φ=(rc－rw)/(rs－rc);rc為泥石流容重(t/m3);rw為水容重(t/m3);rs為泥沙比重(t/m3);D為泥石流堵塞系數(shù)。

計算結(jié)果見表3。

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4.4 泥石流流速的計算

流速U按照《泥石流防治指南》中推薦的粘性泥石流的計算公式進(jìn)行計算［2］:

其中:U為平均速度(m/s);R為水力半徑(m);S為底坡坡度。

在溝口處測量2個斷面參數(shù)，計算結(jié)果見表4。

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結(jié)合表3、表4、表5可知該泥石流規(guī)模為小型泥石流。

4.5 泥石流沖擊力的計算

泥石流在進(jìn)入堆積扇后開始大量淤積，淤積厚度及方量可由以下公式計算，泥石流的潛在危險區(qū)也可以根據(jù)相應(yīng)的淤埋范圍確定［4］，其計算公式為:

式中:τB為泥石流體屈服應(yīng)力(N/m2);γ'=(γs－γ0)，泥石流相對容重(kg/m3)，γs為泥石流容重(kg/m3)，γ0為水容重，γ0=1 000(kg/m3);g為重力加速度(m/s2);θ為堆積區(qū)坡度(°)，通過調(diào)查得到王爺廟溝堆積區(qū)坡度為5°;h為泥石流的最大堆積厚度(m)。

計算不同頻率下的泥石流可能淤積厚度見表6。

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4.6 泥石流沖擊力的計算

泥石流沖擊力可以分成泥石流流動壓力和個別石塊沖擊力兩個部分，實踐和計算結(jié)果告訴我們，個別石塊的沖擊力對工程建筑物的威脅要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于流體動壓力，并往往是導(dǎo)致工程失事的原因。根據(jù)陳光曦［5］高級工程師的計算方法為:

式中:δ為泥石流體整體沖擊力(t/m2);g為重力加速度(m/s2)，取g=9.8 m/s2;Vc為泥石流流速(m/s);α為建筑物受力面與泥石流沖壓力方向的夾角(°)，按最危險力取90°;λ為建筑物形狀系數(shù)，λ=1.0。

計算結(jié)果為泥石流沖擊力δ=11.12 t/m2。

4.7 泥石流的危險范圍

通過計算，王爺廟溝泥石流一次松散固體物質(zhì)最大補給量V為4 680 m3;堆積區(qū)坡度I為5°;泥石流重度為1.81 t/m3(按50年一遇計算)，將以上參數(shù)代入一次泥石流危險范圍預(yù)測模型［6］:a=0.4935L2;L=2.5748(VIrc/ln rc)1/3;d=0.254［Vrc(I2ln rc)］1/3;得出王爺廟溝泥石流危險范圍a為5 863 m2，泥石流最大堆積長度L為109 m，泥石流最大堆積厚度d為2.69 m。

5 防治建議

由于王爺廟溝泥石流對金溪河及對面村莊存在直接危害，應(yīng)采取一些必要防護措施。

5.1 生物防治

生物治理方案主要布置于泥石流流域以及坡度大于25°的陡坡，通過增加植被覆蓋率來固穩(wěn)斜坡，減少泥石流的固體物源，消減泥石流的下泄流量，起到降低泥石流規(guī)模和發(fā)生頻率的作用。在一些嚴(yán)重災(zāi)害點僅僅依靠生物措施尚不能完全解決問題，還須與工程措施相結(jié)合才能產(chǎn)生明顯的防治效益。

5.2 工程防治

對上游形成區(qū)以固坡為主，減少泥石流松散物質(zhì)的補給量，主要采取的生物措施是種草植樹。中游流通區(qū)以攔擋工程措施為主，主要措施為修建谷坊、攔砂壩等。下游堆積區(qū)以排導(dǎo)工程措施為主，對淤積嚴(yán)重的河床清淤疏通，主要措施為排導(dǎo)槽、停淤場。

5.3 行政防治措施

各級政府部門應(yīng)重視地質(zhì)災(zāi)害的防治，加強地質(zhì)災(zāi)害知識宣傳，做好防災(zāi)避災(zāi)工作。加強群防群設(shè)網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)，在地質(zhì)災(zāi)害的防治工程實施中，加強工程質(zhì)量管理等措施保證地質(zhì)災(zāi)害的防治趨向科學(xué)化、程序化、規(guī)范化。

6 結(jié)束語

王爺廟溝泥石流為粘性、小型規(guī)模泥石流，該溝流域山高坡陡，相對高差較大，地震后崩塌、滑坡等不良地質(zhì)體發(fā)育，溝道內(nèi)覆蓋大量松散固體物質(zhì)，兩岸坡面堆積物豐富，為泥石流形成發(fā)育提供了大量的固體物質(zhì)。連續(xù)的前期降雨使王爺廟主溝及支溝兩岸土體逐漸飽和，降雨誘發(fā)泥石流災(zāi)害。文中對泥石流流域特征、動力特征等分析得出的結(jié)果可作為開展下一步工作的基礎(chǔ)性資料。

［1］交通部第一鐵路設(shè)計院．鐵路工程地質(zhì)手冊［M］．北京:人民交通出版社，1975

［2］周必凡，李德基，羅德富，等．泥石流防治指南［M］．北京:科學(xué)出版社，1991

［3］DZ－T－0220－2006泥石流防治工程勘察規(guī)范［S］

［4］吳積善，康志成，田連權(quán)，等．云南蔣家溝泥石流觀測研究［M］．北京:科學(xué)出版社，1990:110－112

［5］陳光曦，王繼康，王林海．泥石流防治［M］．北京:中國鐵道出版社，1983:71－80

［6］劉希林，唐川．泥石流危險性評價［M］．北京:科學(xué)出版社，1995