徐如閣，鐵永波，巴仁基

(中國地質(zhì)調(diào)查局成都地質(zhì)調(diào)查中心，四川成都610081)

按照泥石流形成的動(dòng)力條件，可以將泥石流劃分為土力類泥石流和水力類泥石流［1－2］，前者是土體液化后靠自身重力沿較陡的坡面運(yùn)動(dòng)，后者是水體提供動(dòng)力發(fā)生和維持運(yùn)動(dòng)［3］。干溝泥石流是典型的水力類泥石流，一般來說水力類泥石流的物源多分布在溝谷的上游和中游，而干溝泥石流的物源卻集中在溝谷下游，溝道右岸，溝口向上約400 m范圍內(nèi)，其啟動(dòng)、流通和堆積在700 m范圍內(nèi)完成。干溝位于四川省瀘定縣杵坭鄉(xiāng)金華村，大渡河右岸，流域面積2.0 km2，主溝長3.7 km，無支溝發(fā)育。溝道兩岸多基巖出露，下游可見冰磧物臺(tái)地，并發(fā)育一處大滑坡，為泥石流提供物源。2005年6月30日干溝爆發(fā)中等規(guī)模的泥石流，泥石流直接沖入大渡河，擠壓河道并抬升河床，使得該處河水深不足1.5 m，沖毀溝口公路橋梁并掩埋大量農(nóng)田，與附近其他溝谷形成群發(fā)性泥石流共造成2 000余萬元的直接經(jīng)濟(jì)損失;而后每年均有小規(guī)模泥石流爆發(fā)。目前，溝谷下游的崩滑體物源約6.0×104m3，溝道內(nèi)殘存物源量約2.0×104m3，該溝具備再發(fā)大規(guī)模泥石流的物源條件。目前，干溝發(fā)育成為一條典型的下游集中補(bǔ)給型高頻泥石流溝，有必要對(duì)其進(jìn)行監(jiān)測(cè)預(yù)警以獲取泥石流動(dòng)力學(xué)特征與物源啟動(dòng)方式為研究該類型泥石流的形成機(jī)理提供科學(xué)依據(jù)。

1 地質(zhì)環(huán)境背景概述

干溝流域最高點(diǎn)海拔3 460 m，溝口海拔1 260 m，相對(duì)高差2 200 m，溝道平均縱坡515‰。流域呈上陡下緩的地形特征，上段(海拔1 500～3 460 m)溝道總體較陡，流域源頭地形陡峻，坡降大，岸坡坡度50°以上;下段(海拔1 500 m以下)略緩，可見冰磧臺(tái)地，坡降小，岸坡30°～50°，由于冰磧物膠結(jié)程度較好，局部岸坡坡度達(dá)到90°。

干溝流域內(nèi)地貌格局受構(gòu)造、地表侵蝕和巖性的制約，地殼的強(qiáng)烈上升形成了深切的溝道，中下游呈“U”型，上游呈“V”型格式。下游溝道右岸分布有大量的冰磧物，這些冰磧物為泥石流的發(fā)生提供了固體物源。

氣候上，干溝具有瀘定縣城區(qū)域上典型氣候特征，年平均降水量642.9 mm，年最大降水量795.4 mm(1964年)，且雨量多集中在6、7、8月三個(gè)月內(nèi)，占全年降水量的60%左右［4］。

干溝流域處于中部隆起區(qū)，三大斷裂帶在流域附近交匯，SN向的大渡河斷裂帶(屬川滇南北向構(gòu)造帶)的南段即得妥斷裂通過該溝的上游，NW向的金坪斷裂(屬北西向構(gòu)造帶)從該溝的溝口通過，龍門山斷裂帶的尾部收斂于該溝沿大渡河向下約2 km的冷磧鎮(zhèn)。

2 泥石流基本特征

2.1 溝谷基本特征

干溝泥石流流通區(qū)不明顯，故可將其流域劃分為清水區(qū)、物源區(qū)和堆積區(qū)三個(gè)區(qū)域。

清水區(qū)面積約1.1 km2，溝道高程范圍約為1 410～3 460 m，該區(qū)植被覆蓋較好，溝道兩岸均為基巖出露，母巖以石英閃長巖和鉀長花崗巖為主，可見少量巖質(zhì)崩塌。清水區(qū)溝道總長約2 850 m，溝道平均比降為688‰，溝道內(nèi)均為基巖出露，且溝道兩岸山坡陡峻，有利于降水迅速匯流。

物源區(qū)主要分布在主溝的下游段，區(qū)域面積約0.82 km2，高程范圍為1 295～1 410 m，物源區(qū)溝道長約400 m，溝道比降為288‰。形成區(qū)右岸為冰磧臺(tái)地，主要為含碎塊石砂土，土質(zhì)較松散，并發(fā)育有一個(gè)大滑坡和多處規(guī)模不等的崩滑體，總規(guī)模約6.0×104m3。該段溝道寬度7～12 m不等，由上游至下游逐漸變寬，泥石流殘存于溝道內(nèi)的松散物較豐富，根據(jù)野外調(diào)查和統(tǒng)計(jì)，干溝物源區(qū)溝道內(nèi)松散固體物質(zhì)儲(chǔ)量約為2.0×104m3。

泥石流堆積區(qū)主要介于干溝溝口公路和大渡河之間，海拔范圍1 260～1 295 m，高差35 m，縱坡降為167‰。堆積區(qū)呈扇狀分布，扇頂角為35°，扇體主軸方向長285 m，扇體表面縱坡9.8°，靠近大渡河的扇緣寬280 m，面積約0.04 km2。

2.2 物源補(bǔ)給特征

受地形地貌條件的控制，干溝流域地形地貌呈上陡下緩的特征。上游區(qū)域多為基巖出露，且坡表植被覆蓋較好，坡面侵蝕程度偏弱，可為泥石流發(fā)生所提供的物源量少。干溝泥石流物源主要來源于分布在溝道下游段右岸的冰磧物和2005年泥石流殘留于溝道內(nèi)的松散物堆積物。從圖1可以看出，干溝右岸的冰磧物形成了三個(gè)明顯的臺(tái)地，由于第二級(jí)冰磧臺(tái)地離溝道較遠(yuǎn)，故其對(duì)干溝泥石流物源的貢獻(xiàn)不產(chǎn)生影響，而第一級(jí)冰磧階地和第三級(jí)冰磧階地的臨空面則位于溝溝道內(nèi)，故這兩個(gè)階地在溝道內(nèi)發(fā)育有多處滑坡和崩塌體，為該溝泥石流的形成提供了主要物源。

圖1 干溝泥石流物源補(bǔ)給特征

目前，溝道右岸冰磧體滑坡仍在活動(dòng)，每年表層土體以局部失穩(wěn)的形式進(jìn)入溝道，而同時(shí)溝道內(nèi)仍有殘余較厚的泥石流堆積物，在地表徑流作用下極易啟動(dòng)，因此2005年以后的每年雨季，干溝均會(huì)發(fā)生小規(guī)模的泥石流和高含沙水流。

2005年干溝泥石流補(bǔ)給方式為第一級(jí)冰磧臺(tái)地發(fā)生滑坡進(jìn)入溝道形成物源和水流沖蝕第三級(jí)冰磧臺(tái)地造成溝岸坍塌形成物源;并以滑坡補(bǔ)給為主。

2005年以后的泥石流物源補(bǔ)給方式為第一級(jí)冰磧臺(tái)地發(fā)生滑坡、第三級(jí)冰磧臺(tái)地溝岸坍塌，以及溝道內(nèi)松散堆積體在徑流的沖刷作用下穩(wěn)定性遭到破壞后產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng);并以溝道物源啟動(dòng)為主，滑坡補(bǔ)給次之。

因此，干溝泥石流的物源補(bǔ)給方式具有復(fù)合式和多樣性的特點(diǎn)。

2.3 降雨特征

通過野外調(diào)查，在2005年之前，干溝除了在雨季發(fā)生過小規(guī)模洪水外，無泥石流發(fā)生;2005年瀘定縣遭遇強(qiáng)降雨過程，導(dǎo)致全縣境內(nèi)多條溝谷群發(fā)泥石流，干溝就是其中一條。

據(jù)瀘定縣氣象站觀測(cè)，在泥石流暴發(fā)前1 d和當(dāng)日的降雨量都不是很大，分別為19.4 mm和17.1 mm;但是泥石流爆發(fā)前30 d，流域內(nèi)17 d有降雨，累計(jì)雨量達(dá)到126.5 mm，其中前3 d和前5 d累計(jì)雨量分別達(dá)到19.7 mm和44.3 mm(圖2)［5］。前期充沛的降雨使溝道右岸的冰磧體含水量增大，土體粘滯力和內(nèi)摩擦角減小，穩(wěn)定性降低，再加上當(dāng)日中等強(qiáng)度的降雨從而誘發(fā)滑坡，滑體堵塞溝道成為堰塞體，而后潰決形成泥石流。

圖2 2005年6月30日泥石流發(fā)生前期降雨量［5］

3 泥石流動(dòng)力學(xué)特征

泥石流的動(dòng)力學(xué)特征主要表現(xiàn)以下4個(gè)主要的參數(shù)，分別為流速、流量、撞擊力、輸沙量。該動(dòng)力學(xué)參數(shù)值直接反映了泥石流發(fā)育規(guī)模、破壞強(qiáng)度、災(zāi)害規(guī)模與范圍［6］。

3.1 流速

通過對(duì)干溝泥石流的堆積體特征調(diào)查和當(dāng)?shù)鼐用駥?duì)泥石流發(fā)生時(shí)的描述進(jìn)行判別，干溝泥石流爆發(fā)時(shí)，呈整體運(yùn)動(dòng)，無垂直交換，漿體濃稠，浮托力大，具備粘性泥石流的特征。

粘性泥石流流速的計(jì)算公式主要有三種［7］:

東川泥石流改進(jìn)公式:

根據(jù)干溝下游溝道的實(shí)測(cè)泥石流過流斷面，取泥位Hc為3 m，主溝坡度為11.7°，則水力坡度Ic為0.21。粘性泥石流流速系數(shù)K為9.0，Vc=13.7 m/s;泥石流溝床糙率系數(shù)Mc為9.0，Vc=8.5 m/s，粘性泥石流的河床糙率1/nc為8.5，Vc=8.0 m/s。

K，Mc，1/nc皆為查規(guī)范［7］中相關(guān)圖表所得，三種公式計(jì)算結(jié)果略有不同，但差別不大，因此取其平均值，即 Vc=10 m/s［8］。

3.2 流量

泥石流流量計(jì)算，目前主要有兩種方法。

(1)雨洪法

假設(shè)泥石流與暴雨同頻率，且同步發(fā)生，先按水文方法計(jì)算出斷面不同頻率下的小流域暴雨洪峰流量Qp，然后選用堵塞系數(shù)和泥砂修正系數(shù)，按下式計(jì)算泥石流流量Qc:

首先，計(jì)算干溝流域內(nèi)泥石流溝洪水流量Qp。取暴雨時(shí)的最大洪峰流量，按推理公式:

計(jì)算所得的泥石流最大流量如表1所示。

表1 雨洪法計(jì)算泥石流流量

(2)形態(tài)調(diào)查法

在泥石流溝道中選擇測(cè)流斷面，查找泥位、測(cè)量泥石流的流面比降Ic、泥位高度Hc，計(jì)算出泥石流流速Vc，再與泥石流過流斷面結(jié)合，按下式求泥石流斷面峰值流量Qc:

用上式計(jì)算的泥石流斷面峰值流量Qc=169 m3/s。通過對(duì)雨洪法計(jì)算出泥石流流量做比較，2005年干溝泥石流暴發(fā)的頻率應(yīng)大于100年一遇。

根據(jù)氣象資料，當(dāng)日降雨量?jī)H為中等強(qiáng)度降雨，據(jù)巴仁基等人［9］計(jì)算，降雨強(qiáng)度不到30年一遇，而該溝爆發(fā)泥石流規(guī)模卻超過百年一遇，分析其主要原為冰磧物滑坡堵塞溝道形成堰塞體，而后潰決產(chǎn)生了潰決效應(yīng)，從而加大了泥石流的規(guī)模［10－11］。

3.3 撞擊力

泥石流撞擊力是泥石流防治工程設(shè)計(jì)的重要參數(shù)。

(1)泥石流整體沖壓力

泥石流體整體沖壓力計(jì)算公式:

通過計(jì)算，干溝泥石流的整體沖壓力δ約為16.0 ×104Pa。

(2)泥石流中石塊沖擊力

泥石流中石塊的沖擊力的計(jì)算參照以下公式:

根據(jù)公式計(jì)算，干溝泥石流中石塊的沖擊力Pd為21.1 kN。

3.4 一次泥石流總量及輸砂量

一次泥石流總量Q可通過計(jì)算法和實(shí)測(cè)法確定。實(shí)測(cè)法精度高，但因往往不具備測(cè)量條件，只是一個(gè)粗略的概算［12］。計(jì)算法根據(jù)泥石流歷時(shí)T(s)和最大流量Qc(m3/s)，按泥石流暴漲暴落的特點(diǎn)，將其過程線概化成五角形計(jì)算。按下式計(jì)算一次泥石流總量Q(m3)。

當(dāng) F ＜ 5 km2，K=0.202。

一次泥石流沖出的固體物質(zhì)總量QH(m3):

干溝泥石流流域面積F為2.0 km2，取K=0.202。根據(jù)計(jì)算，得到形態(tài)調(diào)查與不同頻率下的一次泥石流過程總量與沖出固體物質(zhì)總量(表2)。

表2 一次泥石流過程與固體物質(zhì)總量表

由表2可知，2005干溝泥石流一次泥石流總量及輸砂量皆與該溝百年一遇泥石流規(guī)模相當(dāng)，而泥石流流量卻遠(yuǎn)大于該溝百年一遇泥石流流速，十分符合潰決型泥石流的特征，從而再次證明了2005年干溝泥石流發(fā)生堵塞而后潰決的推斷。

4 泥石流防治對(duì)策

通過實(shí)地調(diào)查，干溝泥石流危險(xiǎn)區(qū)內(nèi)無居民居住，泥石流僅對(duì)公路有威脅，在爆發(fā)泥石流后及時(shí)清淤便可保證交通暢通，因此可以不進(jìn)行工程治理或者修建涵洞以保證交通。由于干溝是典型的下游集中補(bǔ)給型泥石流溝谷，在該區(qū)域具有代表性，而且近年泥石流頻發(fā)，因此，2011年在中國地質(zhì)調(diào)查局項(xiàng)目的依托下對(duì)該溝進(jìn)行監(jiān)測(cè)預(yù)警并研究其形成機(jī)理，為該類型泥石流的防災(zāi)減災(zāi)提供科學(xué)依據(jù)。

通過對(duì)干溝泥石流動(dòng)力學(xué)特征和物源補(bǔ)給特征的研究，該溝具有物源集中，補(bǔ)給方式明確，溝道狹窄，泥石流流速大和易堵潰等特征。在開展干溝泥石流預(yù)報(bào)的同時(shí)，結(jié)合其形成機(jī)理開展研究。因此，干溝泥石流的監(jiān)測(cè)方案為雨量監(jiān)測(cè)、泥位監(jiān)測(cè)、滑坡土體含水率監(jiān)測(cè)和視頻監(jiān)測(cè)相結(jié)合的綜合監(jiān)測(cè)方案(圖3)，并于2011年底完成設(shè)備安裝(圖4)。

圖3 干溝泥石流監(jiān)測(cè)方案布置圖

圖4 監(jiān)測(cè)儀器安裝后照片

雨量監(jiān)測(cè)主要是為干溝發(fā)生泥石流進(jìn)行預(yù)報(bào)，用確定的降雨臨界值指標(biāo)(閾值雨量)，預(yù)報(bào)特定降雨強(qiáng)度下可能會(huì)發(fā)生泥石流災(zāi)害［13］。雨量計(jì)安置干溝溝口附近的建筑物頂部，與物源區(qū)處于同一暴雨帶，其降雨數(shù)據(jù)可對(duì)干溝泥石流活動(dòng)進(jìn)行預(yù)報(bào)并且可以為冰磧物的變形失穩(wěn)與降雨之間關(guān)系提供研究數(shù)據(jù)。

泥位監(jiān)測(cè)主要通過架于溝道上方的監(jiān)測(cè)探頭對(duì)溝道的水位變化情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，若溝道的水位上漲到設(shè)定的閾值，則會(huì)發(fā)出警報(bào)。另外，可利用泥位與監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置的溝道斷面得出泥石流的流量［14］。

視頻監(jiān)測(cè)主要是通過在泥石流發(fā)生時(shí)獲取泥石流的運(yùn)動(dòng)視頻，了解泥石流在發(fā)生過程中的運(yùn)動(dòng)特征，并用以分析泥石流形成的動(dòng)力學(xué)特征，為泥石流的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)及防災(zāi)減災(zāi)提供科學(xué)依據(jù)。

泥石流物源區(qū)土體含水率監(jiān)測(cè)主要獲取泥石流物源啟動(dòng)前的含水量變化情況，通過分析含水量與降雨強(qiáng)度或降雨歷時(shí)之間的關(guān)系，探索泥石流形成的機(jī)理和物源起動(dòng)的臨界值。干溝土體含水量監(jiān)測(cè)儀安置于第一級(jí)冰磧臺(tái)地形成的滑坡處。

經(jīng)監(jiān)測(cè)，2012年7月3日0時(shí)至8時(shí)有較大的連續(xù)降雨，累計(jì)降雨量24.5 mm，最大小時(shí)雨強(qiáng)(7時(shí))為6.5 mm，地表以下0.7 m處土體含水率19.44%，比平時(shí)增加約3%，1.1 m處含水率增加不足1%，1.5 m處含水率無明顯變化，干溝發(fā)生小規(guī)模泥石流，視頻顯示，僅溝道物源發(fā)生啟動(dòng)，泥位計(jì)檢測(cè)泥位約0.5 m。監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，此次泥石流前期降雨量不大，前3 d降雨量為9 mm，前5 d降雨量為17.5 mm，主要為短時(shí)強(qiáng)降雨;由此可見前期降雨對(duì)干溝泥石流冰磧物源的啟動(dòng)影響較大。

5 結(jié)論

(1)干溝泥石流是典型的下游集中補(bǔ)給型泥石流，物源集中分布在溝道下游至溝口400 m范圍內(nèi)，研究其物源啟動(dòng)條件、動(dòng)力學(xué)參數(shù)等對(duì)該類泥石流形成機(jī)理研究和防災(zāi)減災(zāi)均具有重要的科學(xué)意義。

(2)2005年干溝泥石流具有明顯的堵潰效應(yīng)。在不足30年一遇的降雨下爆發(fā)了百年一遇規(guī)模的泥石流，且泥石流流速快，沖擊力大，沖出距離遠(yuǎn)。2005年以后爆發(fā)的干溝泥石流規(guī)模均不大，物源補(bǔ)給主要為溝道殘留泥石流松散物在水流作用下產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)，同時(shí)冰磧臺(tái)地臨溝岸坡仍有局部失穩(wěn)。

(3)2005年干溝泥石流的形成主要是前期降雨和當(dāng)日降雨綜合的結(jié)果，前期累計(jì)降雨量較大，使冰磧坡體飽水變形，在當(dāng)日降雨的誘發(fā)下失穩(wěn)并堵塞溝道，從而形成泥石流。

(4)由于干溝泥石流僅威脅公路，因此可以不進(jìn)行工程治理而在泥石流爆發(fā)后及時(shí)清淤，或者修建涵洞以保護(hù)公路。

(5)目前，在干溝開展雨量和泥位監(jiān)測(cè)預(yù)警手段，對(duì)干溝泥石流的物源區(qū)開展土體含水率監(jiān)測(cè)和泥石流視頻監(jiān)測(cè)，擬獲取該溝泥石流形成時(shí)的土力學(xué)關(guān)鍵參數(shù)，并結(jié)合視頻獲取的數(shù)據(jù)分析泥石流的運(yùn)動(dòng)特征，為開展干溝泥石流形成機(jī)理的研究提供科學(xué)依據(jù)。

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