佘 濤， 李金洋， 陳 歡， 孫金輝， 李 波

(1.中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院探礦工藝研究所，四川 成都 611734； 2.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局地質(zhì)災(zāi)害防治技術(shù)中心，四川 成都 611734)

汶川地震誘發(fā)崩塌2383處，絕大部分的地震地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)都分布在20°～50°的范圍內(nèi)，其數(shù)量占總數(shù)的86.8%，其中以40°～50°范圍分布密度最大[1]。強(qiáng)震區(qū)震級(jí)高、釋放能量大、破壞力強(qiáng)、波及面廣，震后強(qiáng)震區(qū)在山區(qū)高陡斜坡中上部形成大量崩塌堆積體，巖石破碎后形成大量粗大的塊石，這些塊石連同山體表層碎屑物質(zhì)一同堆積暫時(shí)停留在坡體中上部，形成表面接近自然休止角的高陡斜坡堆積體。堆積體由于形成時(shí)間短，結(jié)構(gòu)松散，空隙度大，表面坡度大，非常不穩(wěn)定，如遇強(qiáng)降雨極易失穩(wěn)。由于堆積體遠(yuǎn)離下方居民點(diǎn)沒(méi)有成災(zāi)，當(dāng)?shù)卣途用翊嬖趦e幸心理，防范意識(shí)薄弱，一旦后期在強(qiáng)降雨誘發(fā)下形成坡面泥石流，形成新的次生地質(zhì)災(zāi)害，將造成嚴(yán)重?fù)p失，威脅下方附近居民的生命財(cái)產(chǎn)安全。

高陡斜坡崩塌堆積體啟動(dòng)形成潛在泥石流由于其突發(fā)性、快速致災(zāi)性，成為預(yù)報(bào)和防治的難點(diǎn)。尤其是以前堆積體下方?jīng)]有成形溝道的潛在泥石流。其規(guī)模不會(huì)很大，但先兆較少，流速快，“來(lái)去匆匆”，威脅較大，防不勝防。

因此，通過(guò)典型案例平石板坡面泥石流，提前判別高陡斜坡崩塌堆積體啟動(dòng)坡面泥石流條件，對(duì)其進(jìn)行防治。在根源上減少災(zāi)害鏈的暴發(fā)。完善并建立一套行之有效的高陡斜坡崩塌堆積體啟動(dòng)坡面泥石流的判別方法及防治技術(shù)方法，具有重大而深遠(yuǎn)的意義。

1 災(zāi)害點(diǎn)概況

平石板坡面泥石流(圖1)位于綿陽(yáng)市北川縣開(kāi)坪鄉(xiāng)場(chǎng)鎮(zhèn),白草河左岸,溝口為北川縣開(kāi)坪鄉(xiāng)場(chǎng)鎮(zhèn)東南側(cè)，正對(duì)開(kāi)坪鄉(xiāng)衛(wèi)生院,溝口地理坐標(biāo)東經(jīng)104°15′37.24″，北緯31°57′33.87″。溝域形態(tài)為長(zhǎng)條狀，溝域縱向長(zhǎng)度610 m，平均寬度90 m，溝域面積0.61 km2。溝域最高點(diǎn)高程1277 m，溝口與主河交匯處高程805 m，相對(duì)高差472 m。主溝長(zhǎng)720 km，溝谷平均縱坡降645.3‰。

圖1 平石板溝全貌照片

流域?qū)俸簖堥T山區(qū)，區(qū)內(nèi)構(gòu)造形跡走向以北東-南西向?yàn)橹鳎瑯?gòu)造上為開(kāi)坪村倒轉(zhuǎn)向斜SE翼。受擠壓變形作用明顯，產(chǎn)狀扭曲，巖體破碎[2]。出露地層為志留系上中統(tǒng)茂縣群SM5絹云英千枚巖，巖性較為軟弱，在斷層作用下，節(jié)理面發(fā)育，巖體破碎，斜坡上主要覆蓋殘坡積層、崩坡積層。

平石板溝“5.12”地震前從未暴發(fā)過(guò)泥石流，也無(wú)明顯溝道。斜坡上部“5.12”地震中坡頂高程1075～1277 m發(fā)生崩落，崩塌堆積體厚度在1～6 m，縱向長(zhǎng)度290 m，寬88 m，平均縱坡534‰，崩塌堆積體面積21784.67 m2，體積47926.3 m3(見(jiàn)圖2)。崩塌堆積體下緣距離衛(wèi)生院直線距離230 m，并未引起充分重視。

圖2 平石板溝崩塌堆積體全貌

在2010年“8.13”特大山洪暴雨引發(fā)下，崩塌堆積體下部表層啟動(dòng)，在平坦剖面上拉出一條截面3 m×2 m的溝道形成坡面泥石流(見(jiàn)圖3)，拉槽過(guò)程不斷補(bǔ)給物質(zhì)而增大規(guī)模，隨著物質(zhì)和能量不斷積累，最后形成具有較大破壞能力的泥石流[3]。沖出固體物質(zhì)約1600 m3，導(dǎo)致場(chǎng)鎮(zhèn)橋涵堵塞，泥石流漫入醫(yī)院、居民房屋和道路，造成經(jīng)濟(jì)損失900余萬(wàn)元?！?.13”泥石流后政府于2011年開(kāi)始在下游修筑攔排結(jié)合防治工程， 2013年“7.9”在當(dāng)日降雨量241 mm下(50年一遇暴雨)，平石板溝再次暴發(fā)泥石流，防治工程局部失效，谷坊壩掏蝕壩底，基礎(chǔ)懸空，排導(dǎo)槽右側(cè)邊墻基本被沖毀，公路涵洞淤積，泥石流再次溢出溝道。所幸暴發(fā)前當(dāng)?shù)鼐用褚咽枭⑥D(zhuǎn)移，并未造成人員的傷亡。

圖3 2010年平石板溝泥石流拉槽

平石板溝崩滑物源總量54087.5 m3，其中動(dòng)儲(chǔ)量為14203.1 m3；崩塌堆積體物源總量47926.3 m3，可動(dòng)方量11585.3 m3。其中物源、動(dòng)儲(chǔ)量，崩塌堆積體占到88.61%、81.56%，物源統(tǒng)計(jì)如表1所示。

表1 坡面泥石流沖溝物源統(tǒng)計(jì)

平石板溝運(yùn)動(dòng)力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表2[4]，根據(jù)泥石流推理計(jì)算結(jié)果的情況，2010年泥石流暴發(fā)規(guī)模一次固體物質(zhì)沖出量為1600 m3，按照降雨頻率應(yīng)為P=2%～5%。而2013年泥石流大致為50年一遇。

表2 平石板坡面泥石流主要運(yùn)動(dòng)力學(xué)參數(shù)統(tǒng)計(jì)

2 崩塌堆積體啟動(dòng)條件分析

陡坡坡面物源破壞特點(diǎn)，初始浸潤(rùn)階段-整體失穩(wěn)-產(chǎn)流沖蝕效應(yīng)產(chǎn)生及細(xì)顆粒遷移侵蝕階段-土體溜滑-坡面物源轉(zhuǎn)化為泥石流體并陣性暴發(fā)[5]。崩塌堆積體啟動(dòng)受粒徑組成、流高比、堆積體坡前縱坡、匯水面積等因素影響。

2.1 粒徑不均勻系數(shù)K分析

崩塌堆積體呈現(xiàn)上粗下細(xì)的倒石堆結(jié)構(gòu)。松散堆積體失穩(wěn)啟動(dòng)并泥石流化是流域降雨作用下堆積體內(nèi)潛水位不斷抬升、水力環(huán)境不斷劣化的結(jié)果[6]。形成坡面流前提是降雨量大于雨水在堆積體入滲量，且隨著時(shí)間增長(zhǎng)[7]。若堆積體內(nèi)部縫隙較大，整體結(jié)構(gòu)性很差，在強(qiáng)降雨作用下，雨水可以很快順縫隙進(jìn)入堆積體內(nèi)，短時(shí)間內(nèi)達(dá)到飽水后便會(huì)使堆積體失穩(wěn)形成坡面泥石流。反之，堆積體中細(xì)顆粒所占比例很大，粗顆粒間的縫隙被細(xì)顆粒所填充，使得整個(gè)堆積體的結(jié)構(gòu)性很好，滲透性較差，在強(qiáng)降雨條件下，雨水只是在表面形成沖刷，沒(méi)有破壞整體的結(jié)構(gòu)性，不易形成坡面泥石流。

通過(guò)泥沙不均勻系數(shù)K[8]

K=D60/D10

(1)

式中：D60——堆積體中百分含量累計(jì)達(dá)到60%的顆粒粒徑；D10——堆積體中百分含量累計(jì)達(dá)到10%的顆粒粒徑。

當(dāng)K<5時(shí)，粒度均勻；當(dāng)510時(shí)，粒度不均勻。

高陡斜坡堆積體穩(wěn)定性評(píng)價(jià)公式[9]

K0=18.487lnP-33.389

(2)

K0=20.622lnP-48.476

(3)

式中：K0——不含細(xì)顆粒的不均勻系數(shù)，范圍為5～40；P——高嶺土含量，范圍為0%～55%。

K大于式(2)中K0，堆積體不穩(wěn)定，強(qiáng)降雨時(shí)失穩(wěn)發(fā)生坡面泥石流的可能性較大；K小于式(3)中K0，堆積體穩(wěn)定性較好；式(3)中K0

平石板崩塌堆積體大小混雜，整體結(jié)構(gòu)性很差，粒徑一般為20～70 cm,巨石含量約15%，巨石大小為1～2 m，其余為碎石土，該層厚度為1～5 m，成分為千枚巖。平石板堆積體不均勻系數(shù)K為12.4，為粒度不均勻。而且K大于式(2)中K0，滿足高陡斜坡堆積體穩(wěn)定性評(píng)價(jià)公式滑動(dòng)條件。在強(qiáng)降雨作用下，雨水可快速進(jìn)入堆積體內(nèi)，飽水后便會(huì)使堆積體失穩(wěn)啟動(dòng)。

2.2 崩塌堆積體啟動(dòng)泥石流判別指標(biāo)

松散崩塌土的流動(dòng)化過(guò)程中流高比超過(guò)崩塌土流高比的1+w/wL倍時(shí)形成泥石流[10]。Ellen等人于1987年提出了判別崩塌堆積體啟動(dòng)泥石流的指標(biāo),把崩塌土飽和時(shí)的含水量與崩塌土的液限的比值稱為流動(dòng)化指數(shù)(A.M.I)。并提出了崩塌土流動(dòng)化的判別標(biāo)準(zhǔn)[11]。

A.M.I=w/wL>1，容易產(chǎn)生流動(dòng)化。

0.45

A.M.I=w/wL<0.45, 不能形成泥石流。其中w/wL為崩塌土飽和時(shí)的含水量與崩塌土的液限的比值。

石川芳治認(rèn)為崩塌堆積體啟動(dòng)泥石流流動(dòng)的判別標(biāo)準(zhǔn)[12]:

l/h<4.0不容易產(chǎn)生流動(dòng)；l/h>7.5容易產(chǎn)生流動(dòng)。l為崩塌前緣滑出位置開(kāi)始的水平距離；h為崩塌高度；l/h為松散崩塌土流動(dòng)化過(guò)程的流高比。

平石板崩塌堆積體流動(dòng)化指數(shù)(A.M.I)為1.12，容易產(chǎn)生流動(dòng)化，啟動(dòng)坡面泥石流；而松散崩塌土流動(dòng)化過(guò)程的流高比l/h為8.1，達(dá)到啟動(dòng)條件(見(jiàn)表3)。

表3 平石板溝崩塌堆積體啟動(dòng)泥石流判別標(biāo)準(zhǔn)

2.3 坡前縱坡P

松散崩塌土能否流動(dòng)化取決于土體含水狀態(tài)、坡前縱坡, 以及運(yùn)動(dòng)中與水流摻混程度。崩塌土要達(dá)到與水流充分摻混,必須有足夠摻混距離, 就是說(shuō)崩塌土只有具有相當(dāng)長(zhǎng)的運(yùn)動(dòng)距離, 才能有時(shí)間與水流充分摻混, 崩塌土要一定運(yùn)動(dòng)距離, 坡前傾角要大于某一臨界值[13]。

對(duì)于松散崩塌堆積體要形成坡面泥石流的條件需要一定的摻混距離及勢(shì)能，崩塌堆積體的坡前傾角必須大于某一臨界縱坡，堆積體坡前縱坡大，勢(shì)能極易轉(zhuǎn)換為動(dòng)能。蘆田和男認(rèn)為崩塌堆積體在流動(dòng)時(shí)的縱向傾角為12°，坡前縱坡>12°就能產(chǎn)生流動(dòng)化；而高橋保認(rèn)為水石流形成的臨界坡度為15°[14]，石川芳治認(rèn)為坡前縱坡>9°就能出現(xiàn)流動(dòng)化。達(dá)到臨界縱坡以后，泥石流沖出量會(huì)隨著坡度增加而增加[15]。

通過(guò)對(duì)涪江上游禹里鄉(xiāng)倒座廟泥石流、回頭漩坡面泥石流、王家?guī)r崩塌等12處>2000 m3崩塌堆積體進(jìn)行實(shí)地調(diào)查，發(fā)現(xiàn)大致以坡前縱坡12°為界，7處誘發(fā)泥石流的崩塌堆積體坡前縱坡均>12°，平均縱坡18.7°；而沒(méi)有啟動(dòng)形成泥石流的堆積體，平均縱坡7.6°，僅老鷹巖崩塌堆積體縱坡為13°。從以上數(shù)據(jù)可以初步判斷，坡前縱坡>12°產(chǎn)生坡面泥石流可能性大，坡前縱坡>12°堆積體穩(wěn)定性較好或者崩塌堆積體在短暫流動(dòng)后在緩坡上快速停止，不會(huì)形成坡面泥石流。而開(kāi)坪鄉(xiāng)平石板坡面泥石流坡前縱坡為29°，為2010年和2013年2次暴發(fā)坡面泥石流提供了良好的勢(shì)能，勢(shì)能轉(zhuǎn)換為高動(dòng)能同時(shí)造成下游溝道拉槽現(xiàn)象嚴(yán)重。

2.4 崩塌堆積體上游匯水面積S匯與崩塌堆積體面積S0比值t

采用崩塌堆積體上游匯水面積的平面投影面積S匯與崩塌堆積體平面面積S0比值t來(lái)反應(yīng)堆積體啟動(dòng)的匯水條件。比值t越大，表明單位面積堆積體的匯水面積越大，啟動(dòng)泥石流的可能性也相應(yīng)增高。從涪江上游12個(gè)點(diǎn)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表3來(lái)看，t>0.6就啟動(dòng)形成泥石流可行性大，t<0.5誘發(fā)泥石流可能性較小。0.5

圖4 平石板溝崩塌堆積體啟動(dòng)泥石流判別標(biāo)準(zhǔn)

平石板溝崩塌堆積體上游匯水面積S匯為16.46×104m2，崩塌堆積體面積S0為21.78×104m2，兩者比值t為0.76，t>0.6，易啟動(dòng)堆積體形成泥石流。

3 防治建議

目前高陡斜坡中上部崩塌堆積體由于未形成坡面泥石流前遠(yuǎn)離威脅對(duì)象，而且堆積體下方在暴發(fā)泥石流前并沒(méi)有溝道，基本采取成災(zāi)后進(jìn)行治理的思路，針對(duì)性較差。

這類災(zāi)害防治具備以下特點(diǎn)：(1)啟動(dòng)點(diǎn)位置較高，坡度較大，上大型工程難度大，大型工程施工勢(shì)必對(duì)坡體中下部坡體造成擾動(dòng)破壞，形成新的物源；(2)由于坡面泥石流首次啟動(dòng)前，中下游沒(méi)有明顯溝道，災(zāi)前不能清楚判別泥石流流向，在中游進(jìn)行攔擋的可能性較小，下游防治存在一定的難度[16]；(3)縱坡較大，修筑傳統(tǒng)攔擋工程壩庫(kù)容小，坡面泥石流一旦啟動(dòng)，拉槽現(xiàn)象較為嚴(yán)重，泥石流存在“裹雪球”現(xiàn)象。

根據(jù)以上特征，高陡斜坡崩塌堆積體在判別可啟動(dòng)形成坡面泥石流情況下，防治宜針對(duì)中上游，采取固源崩塌堆積體，防止堆積體啟動(dòng)的思路。由于地形及運(yùn)輸條件限制，應(yīng)減少在上游大開(kāi)大挖，宜采取預(yù)制、輕便、就地取材等防治工程。可采用便攜式施工小口徑樁樁林壩、就地取材鋼筋石籠谷坊壩、預(yù)制谷坊壩(攔渣墻)、預(yù)制可伸縮截水溝等在上游進(jìn)行防治。

平石板坡面泥石流2011年工程中未有效采取對(duì)崩塌堆積體進(jìn)行固源措施，導(dǎo)致工程在2013年泥石流中局部失效，谷坊壩基礎(chǔ)受掏蝕、排導(dǎo)槽部分損壞，路面涵洞堵塞。新的防治工程采用固源崩塌堆積體的思路，在源頭阻止堆積體啟動(dòng)。在崩塌堆積體前緣修建一排樁板墻(抗滑樁+擋土板)，抗滑樁共布置9根，樁長(zhǎng)為13.0 m，樁身截面尺寸1.5 m×2.0 m，樁間距5 m,樁心采用C30砼澆筑，嵌固段為5.0 m。工程施工后，5年內(nèi)堆積體結(jié)構(gòu)緊密，堆積體部分膠結(jié)，生長(zhǎng)植被，再未暴發(fā)泥石流。