西昌學院2#潛在泥石流形成機制及誘發(fā)因素研究

萬利晏,劉康林

(四川華地建設(shè)工程有限責任公司,四川 成都 610081)

0 前 言

2020年3月30日四川省西昌市瀘山發(fā)生森林火災(zāi)，根據(jù)調(diào)查，西昌學院后山2#潛在泥石流溝域火燒烈度中度及以上過火面積占比93.3%，燃燒區(qū)總面積350 014 m2。本文根據(jù)泥石流區(qū)域工程地質(zhì)條件和溝道條件，對泥石流形成機制和誘發(fā)因素進行分析，為后續(xù)類似工程提供參考。胡卸文等[1-2]對四川省雅江縣八角樓火燒跡地為研究對象，研究了火后泥石流的誘發(fā)機理；鐵永波等[3]以西昌市響水溝左岸3#支溝為例對火后泥石流特征與成因機制進行研究。本文對火后西昌學院后山2#潛在泥石流的形成機制及誘發(fā)因素進行分析，以期為類似工程提供參考。

1 泥石流溝區(qū)域概況

西昌學院后山2#潛在泥石流位于西昌學院后緣，溝口坐標E102°15′47.24″，N27°50′47.46″。根據(jù)調(diào)查，西昌學院后山2#潛在泥石流溝域火燒烈度中度及以上過火面積占比93.3%，燃燒區(qū)總面積350 014 m2，其中高度燃燒區(qū)面積132 73 m2，中高度燃燒區(qū)面積131 543 m2，中度燃燒區(qū)面積181 633 m2，低度燃燒區(qū)面積235 65 m2。圖1為泥石流形成區(qū)、流通區(qū)和堆積區(qū)分布特征。

圖1 泥石流分布特征

1)地形地貌。西昌學院后山2#泥石流屬于中山“V”型谷地形，溝流域面積0.35 km2，流域?qū)贅?gòu)造侵蝕中山強烈切割區(qū)?？辈閰^(qū)內(nèi)最高點為西南端分水嶺，海拔高程1 948 m，溝口最低點為于108國道內(nèi)側(cè)，高程1 494 m，相對高差約456 m。地勢特點西南高東北低，溝谷深切，地形起伏大。其中主溝長約1.4 km，起點高程1 800 m。

形成區(qū)(物源區(qū))高程1 668～1 948 m，為西昌學院后山2#泥石流的主要物源區(qū)，該段長約562.2 m，平均縱比降約為516.5‰。溝道斷面形態(tài)為典型的“V”字形，溝底寬2～5 m不等，溝底縱坡降516.5‰，受經(jīng)久鄉(xiāng)森林火災(zāi)影響，溝道左右兩岸岸坡發(fā)育大量坡面侵蝕物源，溝床揭底沖刷，構(gòu)成發(fā)生泥石流的主要固體物源。流通區(qū)主要分布于1 557～1 668 m，溝道長403.7 m，溝谷形態(tài)呈“V”形槽谷，溝谷寬3～8 m，高差118.2 m，平均縱坡降292.8‰。堆積區(qū)地處1 494～1 557高程，屬于洪積與堆積扇地貌，堆積層厚度一般5～8 m，地面坡度在10°左右，呈扇形，扇角約55°，面積約0.15 km2，縱坡降約99.6‰?，F(xiàn)階段推測泥石流堆積扇前緣及兩側(cè)目前為西昌學院，威脅在校師生200余人的生命財產(chǎn)安全，師生和房屋建筑極其集中，均處于泥石流危險區(qū)內(nèi)。

2)地質(zhì)構(gòu)造。西昌市區(qū)內(nèi)新構(gòu)造運動是以斷塊的差異性抬升運動、拱拗運動、斷塊的走滑運動為主，運動明顯。

4)地震。根據(jù)《中國地震動峰值加速度區(qū)劃圖》(GB18306-2001)，區(qū)內(nèi)地震動峰值加速度為0.2～0.40 g，地震動反應(yīng)譜特征周期為0.40 s，地震基本烈度為Ⅷ～Ⅸ度。

5)水文氣象條件。地下水主要有兩種類型：松散堆積層孔隙水和碎隙巖類孔隙、裂隙水。經(jīng)野外調(diào)查發(fā)現(xiàn)西昌學院后山2#泥石流流域目前未見地表徑流。

西昌市多年平均降雨1 013.5 mm，降雨集中于6～9月，占全年的76%，雨型多為暴雨。

6)人類活動?？辈閰^(qū)內(nèi)人類工程活動主要表現(xiàn)為人類工程活動主要以種植樹木、農(nóng)耕等，總體來看，勘查區(qū)人類工程活動較為頻繁，對地質(zhì)環(huán)境的影響較為強烈。

2 火后泥石流特征

2.1 泥石流堆積特征及容重

采用配漿法、公式法和查表法綜合確定泥石流容重。受經(jīng)久鄉(xiāng)森林火災(zāi)影響，目前溝域內(nèi)植被損毀嚴重，中度～重度過火區(qū)植被基本完全損毀，溝域內(nèi)坡面侵蝕松散固體物源大增，且以細顆粒物質(zhì)為主，故泥石流流體重度綜合取值為18.0 kN/m3。

2.2 泥石流動力學參數(shù)特征

根據(jù)泥石流重度計算及《泥石流災(zāi)害防治工程勘查規(guī)范》(DT/T0220-2018)附錄A“表A.4 泥石流按流體性質(zhì)分類表”，西昌學院2#泥石流流體性質(zhì)均以黏性泥石流為主，對黏性泥石流(重度大于1.6 t/m3)采用通用公式進行計算。計算公式為：

(1)

式中，Vc為泥石流斷面平均流速，m/s；Hc為泥石流平均泥深m；Ic為泥位縱坡率，以溝道縱坡率代替；nc為黏性泥石流溝床糙率，根據(jù)泥石流流體特征和溝道特征按規(guī)范查表確定。

泥石流流速計算結(jié)果見表1。

表1 泥石流計算參數(shù)表

2.3 洪水峰值流量

泥石流流量計算方法主要有雨洪法、形態(tài)調(diào)查法等。本次采用雨洪法計算泥石流流量，首先要計算出暴雨洪峰流量。取暴雨時的最大洪峰流量，根據(jù)《泥石流災(zāi)害防治工程勘查規(guī)范》(DZ/T0220-2018)中附錄I，采用《四川省水文水冊》(1979年版)和《四川省中小流域暴雨洪水計算手冊》(2018年版)公式計算地表水匯水流量，計算公式為：

(2)

(3)

當部分匯流條件下τ=t0

(4)

(4)

(6)

(7)

(8)

m=0.318θ0.204

(9)

μ=3.6F-0.19

(10)

式中，QP為最大洪水流量，m3/s；ψ為洪峰徑流系數(shù)；SP為暴雨雨力，即最大1小時暴雨量mm/h；n為暴雨公式指數(shù)；F為集水面積，km2；L為自出口斷面沿主河道至分水嶺的河流長度，km；J為沿L的河道平均坡度，‰；τ為流域匯流時間，h；τ0為當ψ=1的流域匯流時間，h；t0為產(chǎn)流歷時，h；θ為流域特征系數(shù)；μ為產(chǎn)流參數(shù)，即產(chǎn)流歷時內(nèi)流域平均入滲強度，mm/h；m為匯流參數(shù)。

根據(jù)上述計算公式，流域特征參數(shù)F、L、J，最大1、6 h暴雨量均值H1、H6，及對應(yīng)的Cv1、Cv6，選擇適當?shù)摩毯蚼，并進行n2試算。根據(jù)試算的成果判斷是否符合n2的范圍，不符合則增加最大1/6 h或24 h的暴雨量均值及相應(yīng)的Cv值，再用n1或n3試算。其中，n1范圍：1/6～1 h；n2范圍：1～6 h；n3范圍：6～24 h。

計算參數(shù)中，暴雨雨量參數(shù)的確定主要根據(jù)《四川省中小流域暴雨洪水計算手冊》，區(qū)內(nèi)年最大24 h暴雨量平均值為68 mm，變差系數(shù)為0.42；年最大6 h暴雨量平均值為52 mm，變差系數(shù)為0.44；年最大1 h暴雨量平均值為33 mm，變差系數(shù)為0.38；年最大10 min暴雨量平均值為14 mm，變差系數(shù)為0.35。其他流域特征參數(shù)主要從平面和縱橫斷面圖上量算。設(shè)計頻率為p的暴雨洪峰計算結(jié)果見表1。經(jīng)計算，溝口20年一遇暴雨洪峰流量Qp=3.15 m3/s，50年一遇暴雨清水流量Qp=3.68 m3/s。

表2 暴雨洪水流量計算結(jié)果表

2.4 總沖出量

一次泥石流過流總量按照《泥石流災(zāi)害防治工程勘查規(guī)范》(DT/T0220-2018)中附錄J提供的計算公式進行計算：

Q=KTQc

(11)

式中，Q為泥石流一次過流總量，m3；T泥石流歷時，s，根據(jù)西昌學院2#泥石流溝的特征及西昌降雨特征，一次泥石流時間大約為20 min；Qc泥石流最大流量,m/s。K值的變化隨流域面積(F)的大小而變化。K為當F<5 km2時，K=0.202；當F>5 km2時，K=0.264。

根據(jù)計算結(jié)果，西昌學院后山2#潛在泥石流溝口20年一遇一次泥石流沖出量為3 394.85 m3,50年一遇一次泥石流沖出量為3 963.93 m3。

3 火后泥石流形成機制與誘發(fā)因素

3.1 山火為泥石流爆發(fā)提供大量物源

根據(jù)調(diào)查，目前溝域內(nèi)發(fā)生過多次洪水災(zāi)害，但未爆發(fā)過泥石流。受經(jīng)久鄉(xiāng)森林火災(zāi)影響，中度～重度過火區(qū)植被基本完全損毀，火災(zāi)不僅在火燒跡地區(qū)地表形成厚度2～5 cm的松散灰燼層，還造成原始地表土層被松動，厚度約5～10 cm，局部根系部位達到10～20 cm厚。形成的灰燼層和地表松散的土體成為泥石流的新增坡面物源，雨季地表匯水后，通過坡面徑流將攜帶松散物源進入溝道，轉(zhuǎn)化為溝道物源。

3.2 流域陡峻的地形為泥石流形成的必要條件

西昌學院后山2#泥石流位于西昌學院后緣。該溝發(fā)源于斜坡頂部分水嶺處，由西南向北東流入?yún)R入市政管網(wǎng)，流域形態(tài)呈漏斗狀，溝床整體比降較大，達325.7‰，溝道內(nèi)發(fā)育多處跌坎。溝域內(nèi)總體上地形陡峻，地形臨空條件發(fā)育，為溝域內(nèi)崩塌、滑坡等不良地質(zhì)現(xiàn)象的發(fā)育、為泥石流松散固體物源的匯集提供了有利條件。

3.3 前期累計降雨與短時強降雨是觸發(fā)泥石流的動力因素

西昌市屬亞熱帶西南季風氣候，全年干濕季分明，夏季多雨，秋季短，冬春多風，日照強烈，素有“四季無寒暑”之稱。多年平均降雨1 013.5 mm，降雨集中于6～9月，占全年的76%，雨型多為暴雨。由于西昌學院后山2#泥石流內(nèi)受經(jīng)久鄉(xiāng)森林火災(zāi)影響，目前溝域內(nèi)植被損毀嚴重，中度～重度過火區(qū)植被基本完全損毀，松散坡面侵蝕物源大增，其激發(fā)雨量還可能更低，故雨強完全可以滿足激發(fā)泥石流的條件。

3.4 特殊的水文沖刷條件

西昌學院后山2#泥石流具有特殊的水文沖刷條件，溝道平時為旱溝，坡體沖刷作用微弱，溝谷堆積物形成長期富集；當遇強降雨等條件下，迅速滲入洪水，形成泥石流。

綜上所述，西昌學院后山2#泥石流形成的固體物質(zhì)、水源條件和地形條件，都有利于泥石流的發(fā)生和活動。在遇到集中暴雨時就可能發(fā)生大規(guī)模的泥石流。

4 結(jié) 語

1)西昌學院2#泥石流是西昌瀘山山火地區(qū)火后泥石流較典型案例之一，泥石流為暴雨溝谷型泥石流，暴發(fā)頻率為高頻，屬黏性泥石流，泥石流發(fā)展階段為發(fā)展期。

2)山火極大增加了泥石流爆發(fā)的可能性。據(jù)調(diào)查，西昌學院后山2#泥石流近些年未爆發(fā)過泥石流，受經(jīng)久鄉(xiāng)森林火災(zāi)影響，域內(nèi)植被損毀嚴重，中度～重度過火區(qū)植被基本完全損毀，流域內(nèi)過火跡線以上坡面侵蝕松散物源大增，由低頻向高頻泥石流轉(zhuǎn)變。

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