云南大永高速八代村沖積扇溝谷泥石流危險度評價

張 斌，段現(xiàn)花，唐紅波，喬文號，尹小濤

(1. 云南大永高速公路有限公司， 云南 大理 671000；2.云南省交通投資建設集團有限公司， 云南 昆明 650200; 3.中國科學院 武漢巖土力學研究所巖土力學與工程國家重點試驗室， 湖北 武漢 430071；4.中國科學院大學， 北京 100000)

中國是多山之國，山地面積占國土面積的69% ，泥石流溝谷異常發(fā)育[1-2]。尤其是在我國西部地區(qū)，由于現(xiàn)代地殼活動強烈，活動斷裂十分發(fā)育，活動斷裂的強度和數(shù)量遠遠大于全國其他地區(qū)，公路工程的建設一方面面臨著嚴重的活動斷裂災害的威脅；另一方面，由于這一區(qū)域的季節(jié)性強降雨的氣候特征和強風化地質特點，導致滑坡、泥石流等地質災害的發(fā)生頻率和危害程度明顯高于其他地區(qū)[3-4]。

當前對于泥石流危險性評價多數(shù)是在地面調查的基礎上，形成定性評價；利用調查物性資料和歷史降雨資料，形成不同的量化評價[5-13]；在評價基礎上，形成不同針對性有限防控措施[14-15]。適用于本區(qū)域的主要為劉希林方法[12]和規(guī)范方法[13]。

為保障高速公路建設施工的安全和建成后公路的正常運行，以大永高速永勝縣程海鎮(zhèn)段線路的途徑區(qū)域為重點，展開了可能影響高速公路路基和橋梁結構安全的沖積扇地質調查。此次主要調查內容包括區(qū)域地形地貌、區(qū)域地質、物質組成及特點、氣候特點、水文條件、沖積扇形態(tài)等，并針對沖積扇地形條件下三處規(guī)模較大的沖溝采用兩種方式進行危險度計算與評價對比。

1 工程概況

大理至永勝高速公路，是G4216 (張掖至打洛)高速公路其中的一段。根據(jù)大永高速建設規(guī)劃，高速途經(jīng)永勝縣程海鎮(zhèn)區(qū)域。這一地區(qū)主要以沖積扇地形地貌特征為主，且高速臨近程海斷裂帶。由于這一區(qū)域沖積扇規(guī)模巨大，其發(fā)育程度、地層巖性及分布規(guī)律等尚未得知。初步調查顯示這一區(qū)域有三處較大沖溝群，分別位于楊家凹、栗山和八代村附近，其區(qū)域地形地貌如圖1所示。

圖1大永高速程海鎮(zhèn)沿線區(qū)域地形地貌

2 永勝縣程海鎮(zhèn)區(qū)域地質調查

2.1 永勝縣地質特點

2.1.1 地形地貌

永勝縣地處云貴高原和青藏高原的銜接部和滇西高原與橫斷山脈兩個地形單元的結合部，亦位于程海大斷裂帶北端。境內新構造運動強烈，以間隙性升降運動為主，繼承和復活老的斷裂構造而形成現(xiàn)代的地貌景觀。由于新構造運動影響，境內地震頻繁，歷史記載最大震級7.5級。

2.1.2 氣候條件

永勝縣地處低緯高海拔地區(qū)，氣候以北亞熱帶山地季風氣候為主，是典型的立體氣候。總的氣候特點時是：冬春干旱，夏秋多雨，南部熱旱，北部暖濕，年際溫度變化小，降水時空變化大。光質好，日照時數(shù)為2 403.6 h，光照充足，年均降雨量936.4 mm，但分布不均，82%的降水集中在6月—9月，干濕季分明，屬半潮潤氣候。

2.1.3 地質水文

永勝縣降水年際變化突出，當年11月至次年5月境內上空受干燥勁西風控制，不易形成降水過程而成為旱季，5月下旬至10月受暖濕氣流影響，因山阻和冷卻作用而形成雨季。永勝境內降水總特點是：海拔每增加100 m，降雨量增加30 mm～40 mm，迎風坡每升高100 m，降雨量增加50 mm～70 mm。

2.1.4 植被土壤

永勝海拔高程變化幅度大，因此，氣候、生物、土壤等高線呈帶譜狀分布比較明顯，其規(guī)律是：海拔3 200 m以上分布為亞高山草甸土，2 900 m～3 200 m之間為棕壤和黃棕壤為主，2 400 m～2 700 m之間以紅棕類棕紅壤為主，1 500 m～2 400 m之間分布紅壤、黃紅壤、褐紅壤、紫色土等；1 500 m以下溫度高、降雨少、濕度低，以燥紅土的褐紅土為主。自然植被主要呈現(xiàn)垂直差異，分為落葉闊葉林、針闊葉混交林、灌叢和草地類植物。

2.2 永勝縣程海鎮(zhèn)區(qū)域沖積扇地質調查

總體而言，大永高速程海鎮(zhèn)沿線基本以沖積扇地形地貌特征為主，局部沖溝較發(fā)育，易形成以泥石流為主的地表強沖侵蝕破壞，進而對這一區(qū)域的公路工程造成潛在威脅。為明確其可能造成的影響程度和范圍，針對此區(qū)域的典型地貌特征展開調查，具體情況如下。

2.2.1 大永二期K101+400楊家凹一號大沖溝

楊家凹沖積扇的整體情況見圖2。一號大沖溝占楊家凹沖積扇區(qū)匯水面積90%以上，匯水面積大于8.3 km2，并有多個山前沖溝匯集。該沖溝最大深度超30 m。山前出口部分沖溝沖侵蝕巖層明顯，切割深度幾米到幾十米。沖溝內最大塊石直徑超5 m，并且整個沖溝以大的塊石為主，其粒徑從0.2 m～3.0 m為主。從山前到路基段塊石直徑逐漸減小，路基處仍以0.2 m～2.0 m的塊石為主(見圖3)。

圖2楊家凹沖積扇整體示意圖

圖3蓋板涵不遠處較大塊石

2.2.2 大永二期K99+712栗山村沖溝

在1994年之前，由于栗山村大沖溝(老)在強降雨期間，水量較大，并且攜帶大量泥石沖到溝口，沖毀農田，對房屋也有一定影響(見圖4)。沖溝內有較多的大塊石；沖溝兩側出現(xiàn)多處小滑坡或坍塌現(xiàn)象，構成了沖溝新的物源。在村口之上，于1994年也設置多道攔石壩和擋水墻，多處擋水墻已經(jīng)出現(xiàn)垮塌，而攔石壩現(xiàn)已填平，減小了塊石的移動和沖侵蝕作用(見圖5)。為了減少泥石流對房屋的影響，當年在果園后也設置了攔石攔水壩，改變了水流流向。經(jīng)過20多年的沖侵蝕作用，從村口到路基部分，新沖溝深度超過3 m，并仍處于變化發(fā)展當中(見圖6)。該沖溝上部匯水面積約2.5 km2左右，匯水面山坡上樹木較為稀疏，以小灌木和草木為主，防沖侵能力較弱。

圖4栗山?jīng)_溝示意圖

圖5已倒塌的防水墻

圖6擬建路基處的沖侵蝕作用

2.2.3 永勝縣程海鎮(zhèn)八代村段沖積扇調查

(1) 沖積扇形態(tài)。大永高速途經(jīng)永勝縣八代村區(qū)域的整體地形地貌見圖7。

圖7八代村沖積扇全景

整體來看圖7中沿大永高速方向沖積扇均分布于靠山體一側，由于后方山體匯水面積較大，匯水出口較多，導致高速沿線沖積扇分布范圍較廣，圖中八代村段是沖積扇規(guī)模較大的一處，匯水面積約2.5 km2，坡體基本穩(wěn)定但尚在發(fā)育過程中。調查結果顯示，就全貌來看，這一區(qū)域的沖積扇的坡度約在9.6°～16.7°之間，一般后緣坡度較陡，前緣臨近程海斷裂帶坡度較緩，沖積扇坡表受雨水侵蝕形成的沖溝較多，局部沖溝受侵蝕嚴重形成較大斷面，一定條件下可能影響到高速路基及橋墩結構運行安全。就地質條件而言，影響這一區(qū)域的主要地質構造是谷底沿期納至程海方向的程海斷裂帶。

(2) 沖積扇物質組成。如圖8所示，一號二號沖溝之間：坡頂，海拔1 800 m，坡表可見大塊石，直徑大者2 m；海拔1 700 m，坡表可見較大塊石，直徑多在50 cm左右。沖積扇頂?shù)倪@一區(qū)域植被較少，大塊石和碎石較多，也是沖溝泥石流形成的主要物源區(qū)。從物質組成來看，沖積扇組成物質從扇頂向邊緣變細，主要由砂礫層和亞砂土層互層組成，向扇頂方向礫石層變多，向扇緣方向亞砂亞黏土增多。

總體而言，由于此沖積扇后部山體匯水面積較大，山坡局部受雨水沖刷侵蝕嚴重，加之坡表植被較少，易形成以大塊石夾雜碎石土的物源區(qū)，若雨水較大時將形成泥石流順沖溝而下，將對高速公路路基或橋墩造成潛在威脅。

圖8沖積扇坡面塊石

2.2.4 大永高速公路永勝縣區(qū)域地質調查小結

本次地質調查，針對沿線約6 km范圍內的沖積扇地形特征進行了實地考察，其中楊家凹沖溝、栗山?jīng)_溝較為發(fā)育，八代村沖積扇規(guī)模巨大。此次調查成果總結如下:

(1) 從已形成的沖溝上部及沖積扇頂?shù)匦蔚孛瞾砜?，這三處沖積扇物源區(qū)地表塊石較多，碎屑物充足，臨近沖溝附近局部陡坡約30°～70°，坡面局部有淺層滑坡。

(2) 從地表沖溝規(guī)模來看，楊家凹沖溝和栗山?jīng)_溝斷面較大，斜坡坡度約15°～30°，已成為泥石流通道；八代村沖積扇地表沖溝侵蝕嚴重，易形成新的泥石流通道。

(3) 從永勝縣區(qū)域氣候條件而言，6月—9月為雨季，由于降雨集中且雨量較大，將導致沖積扇坡面沖溝進一步發(fā)育，沖溝斷面擴大的同時，泥石流的威脅更甚。從雨水統(tǒng)計量來說，沖溝上水量超過152 mm，這說明強降雨大部分變成地表徑流。從已建成的沖溝構筑物來看，原有攔石壩已沖毀，新建攔石壩較快被填滿，且有局部沖毀，并越頂或沖毀沖溝兩側攔泥壩。這進一步證實了沖溝受雨水作用造成的地表侵蝕嚴重，沖溝泥石流作用強烈。

(4) 從沖溝內的物質組成來看，通道上大塊石多，且有運移，最大5 m直徑，普遍0.5 m～2.0 m，這說明沖溝上部物源豐富，且能量巨大。由于沖積扇頂物源充足，雨季降雨集中，地表局部形成滑坡及陡坡，總的來看這一區(qū)域沖積扇及地表沖溝仍處于發(fā)育過程中。

3 沖積扇地形條件下沖溝危險性評價

危險性評價是對泥石流的發(fā)展趨勢進行的預測評價，危險度則是它的定量表達。泥石流風險評價包括對泥石流危險性的評價和對承災體易損性的評價，它是這前兩者的綜合評價結果。對于泥石流風險評價的方法，大致分為兩大類，一類為對單溝泥石流進行風險評價，另一類為對一個區(qū)域的泥石流進行風險評價[ 1-2]。

單溝泥石流危險性評價有多種方法，目前還沒有統(tǒng)一的泥石流危險度評價標準。劉希林首次提出了多因子綜合判別的模型(即劉希林模型)，被廣泛運用于西南地區(qū)泥石流危險性評價工作中。

程海鎮(zhèn)區(qū)域以沖積扇地形地貌特征為主，加之區(qū)域氣候地質條件的誘導因素，使得目前這三處沖溝較為發(fā)育，且近二十年內已發(fā)生多次規(guī)模不等的泥石流。其中，楊家凹和栗山?jīng)_溝坡陡，斷面較大，集中降雨條件下易形成泥石流災害；八代村沖積扇規(guī)模巨大，坡體表面受雨水沖刷已形成四條較大沖溝。為合理評估這一區(qū)域三處沖溝的潛在泥石流風險，以調查結果和相關數(shù)據(jù)為基礎，采用兩種評價方法進行危險度對比評估。一是劉希林等提出的評價模型[12]，二是采用基于模糊理論的泥石泥危險程度評價方法[10-11]。

3.1 劉希林評價模型

該計算方法采用多因子綜合判定模式計算，修訂后的單溝泥石流危險度計算公式為：

H=0.2587M+0.2587F+0.1428S1+0.0857S2+

0.0571S3+0.1143S6+0.0286S9

(1)

式中:泥石流發(fā)生規(guī)模M、發(fā)生頻率F、流域面積S1、主溝長度S2、流域相對高差S3、流域切割密度S6和活動溝床比例S9七個因子， 均根據(jù)其不同的絕對數(shù)值轉換成相應的替代數(shù)值。上式中危險度H和各危險因子的替代數(shù)值均介于0～1， 其轉換函數(shù)見表1。

取值見表2，然后根據(jù)換算值H，依據(jù)泥石流的危險度劃分的五個等級，得到上述泥石流沖溝的危險度評價結果見表3。

表1 劉希林評價模型的轉換函數(shù)及取值

從表3可知，此次程海區(qū)域沖積扇調查結果表明楊家凹沖溝、八代村沖溝泥石流危險度為中度危險，栗山?jīng)_溝接近中度危險。

3.2 泥石泥危險程度D評價

本節(jié)泥石流危險程度的評價，多數(shù)依據(jù)《泥石流災害防治工程勘查規(guī)范》[13](DZT—0220—2006)的有關規(guī)定，限于篇幅規(guī)范表格不再一一羅列。根據(jù)規(guī)范[13]，關于泥石流規(guī)模劃分表、發(fā)生頻率判據(jù)和動力學特征，此三處泥石流規(guī)模基本屬于中大型泥石流；泥石流發(fā)生頻率均為中等頻率泥石流(中頻泥石流：1次/(5年～20年))。

根據(jù)規(guī)范[13]，關于泥石流堵塞程度劃分標準表，此次調查三處沖溝，溝槽較順直，溝段寬窄較均勻，局部有陡坎，但卡口不多。主支溝交角多小于60°，形成區(qū)較為分散。河床堵塞情況一般，因此均屬于表6中的中等堵塞程度，堵塞系數(shù)Dc取值1.5～2.5。

根據(jù)規(guī)范[13]，依據(jù)泥石流強度劃分表，結合溝谷現(xiàn)場調查估算情況來看，這三處沖溝堆積扇規(guī)模較大，山坡下方河道微彎，坡面和扇頂后方山區(qū)均有松散物，松散物儲量約(5～10)×104m3/km-2，雨季降雨集中，總體來看，活動強度屬于表中第二類，即強。

表2 單溝泥石流危險度評價因子實際值及其轉換值

表3 泥石流沖溝的危險度評價結果

根據(jù)上述調查的活動強度、活動規(guī)模、發(fā)生頻率和堵塞程度，依據(jù)致災體的綜合致災能力F分級量化表，將這三處沖溝的綜合致災能力F進行量化分級，分級結果見表4。然后，根據(jù)上述致災體的綜合致災能力F分級量化評分，形成致災體的綜合致災能力F評估結果，見表5。

表4 致災體的綜合致災能力F分級量化評分

表5 致災體的綜合致災能力F評估結果

另一方面，根據(jù)大永高速修建的公路等級及技術水準要求，根據(jù)規(guī)范受災體(建筑物)的綜合承(抗)災能力E四因素分級量化標準，大永高速八代村段受災體(建筑物)的綜合承(抗)災能力E評分結果統(tǒng)計列于表6，大永高速八代村段受災體(建筑物)的綜合承(抗)災能力E總分值判別結果統(tǒng)計列于表7。

表6 受災體(建筑物)的綜合承(抗)災能力E評分結果

表7 受災體(建筑物)的綜合承(抗)災能力E總分值判別

依據(jù)規(guī)范[13]建議的泥石流危險性D計算公式：

D=F/E

式中：D為泥石流危險程度或災害的發(fā)生幾率；F為泥石流的致災能力；E為受災體抵抗泥石流能力。該區(qū)泥石流危險程度或災害發(fā)生的幾率計算結果統(tǒng)計列于表8。

表8 泥石流危險程度或災害的發(fā)生幾率判斷結果

3.3 泥石流影響區(qū)估算

泥石流危害范圍的預測，對減輕泥石流災害的直接損失、制定避難具有重要的意義。泥石流暴發(fā)后，其攜帶的大量固體物質將在沖洪積扇前緣淤積下來，這種淤積短時間內可能不會產(chǎn)生較大影響，但長時間的淤積，不但會影響到居民財產(chǎn)生命安全，也將對在高速公路工程造成危害。大永高速通過此區(qū)域時基本位于沖洪積扇腰部或前緣，因此有必要大致計算出泥石流的危害范圍，從而判斷其對高速公路影響程度。簡化計算方法主要是根據(jù)不同的暴雨設計頻率下一次泥石流沖出固體物質總量，以各溝堆積扇最新一期堆積物厚度為預測堆積扇厚度(取近似平均值50 cm)，假設堆積扇呈橢圓形(長軸方向沿著主溝流向，短軸方向垂直主溝流向)，長軸長度為短軸長度2 倍，大致推算泥石流堆積長度和寬度如表9所示。

表9 爆發(fā)泥石流設計頻率5年條件下在溝口形成沖蝕、堆積影響范圍預測

4 結論與建議

針對大永高速程海鎮(zhèn)區(qū)域沖積扇的地質調查表明，這一區(qū)域沖溝較為發(fā)育，為合理評估其潛在地質風險。結合現(xiàn)場調查結果，采取兩種方式進行了泥石流風險的評價，形成主要結論如下：

(1) 工程區(qū)典型沖溝沖積扇頂物源充足，雨季降雨集中，地表局部形成滑坡及陡坡，總的來看這一區(qū)域沖積扇及地表沖溝仍處于發(fā)育過程中。從沖溝規(guī)模來看，楊家凹沖溝和栗山?jīng)_溝斷面較大，斜坡坡度約15°～30°，已成為泥石流通道；八代村沖積扇地表沖溝侵蝕嚴重，易形成新的泥石流通道。

(2) 從已建成的沖溝構筑物來看，原有攔石壩已沖毀，新建攔石壩較快被填滿，且有局部沖毀，并越頂或沖毀沖溝兩側攔泥壩。證明沖溝受雨水作用造成的地表侵蝕嚴重，沖溝泥石流作用強烈。

(3) 劉希林模型和泥石流危險度評價方法的計算結果顯示，楊家凹、栗山和八代村三處沖溝風險程度相當，均需警惕這一區(qū)域可能發(fā)生的泥石流地質風險。