李文博，魏菲，倪師軍，2，施澤明，2，石建凡，廖超

（1.成都理工大學(xué)地球化學(xué)系，成都 610059；2.地學(xué)核技術(shù)四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610059）

長(zhǎng)坡溝位于四川省安縣，其地處川西北龍門山斷裂帶東側(cè)，這里是地震及次生地質(zhì)災(zāi)害高易發(fā)地區(qū)［1]。自2008年汶川特大地震發(fā)生以來，由于構(gòu)造活化和山體松動(dòng)，該區(qū)域幾乎每年都有泥石流、滑坡、崩塌等次生地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生。2009、2011及2012年的七八月間該區(qū)域都爆發(fā)了泥石流，對(duì)下游工業(yè)廠房及當(dāng)?shù)鼐用裨斐闪藝?yán)重威脅和一定程度的破壞。在本次泥石流爆發(fā)前，2013年7月初，本地區(qū)降雨量和降雨強(qiáng)度巨大，7月8日的單日降雨量達(dá)到百年一遇的450 mm，激發(fā)了本次泥石流的發(fā)生，主要發(fā)生區(qū)域就是長(zhǎng)坡溝，通過走訪當(dāng)?shù)鼐用竦弥?，此次泥石流?月9日凌晨3點(diǎn)發(fā)生至上午7點(diǎn)結(jié)束，歷時(shí)4 h泥石流傾瀉而下，造成下游公路淤泥深達(dá)2 m，部分房屋被淤泥沖入，河段部分淤塞。通過調(diào)查分析該區(qū)域發(fā)生泥石流災(zāi)害的可能性依然很大。

1 泥石流形成的條件

1.1 自然地理?xiàng)l件

本次泥石流爆發(fā)的區(qū)域位于青藏高原與四川盆地過渡的中低山區(qū)。河流以下蝕作用為主，山高溝深、切割嚴(yán)重。在地形上是三面高山環(huán)抱著一個(gè)開口規(guī)則的半漏斗狀洼地，谷底時(shí)寬時(shí)窄，上游彎曲，下游近南北向，較平直。長(zhǎng)坡溝發(fā)源于該區(qū)域的北西側(cè)分水嶺，呈NW展布，溝寬15～70 m，溝口標(biāo)高1 020 m，相對(duì)分水嶺高差600余m，匯水面積3.7 k m2。長(zhǎng)坡溝縱坡降達(dá)432‰，平均坡度為32°，接近分水嶺處切溝的溝床坡度42°～45°。由此可見長(zhǎng)坡溝屬于陡峭而強(qiáng)烈切割的地形，并有較大的溝床縱坡比降。所以，長(zhǎng)坡溝具有泥石流發(fā)育的首要條件——有利的地形。

1.2 地質(zhì)背景條件

區(qū)域內(nèi)出露地層包括震旦系、寒武系、奧陶系、志留系、泥盆系、石炭系和第四系。在長(zhǎng)坡溝內(nèi)出露的主要是：震旦系水晶組主要出露于研究區(qū)西側(cè)，受斷層影響未見底，以黑色炭質(zhì)板巖為主，夾白云質(zhì)灰?guī)r、變質(zhì)砂巖和千枚巖；寒武系邱家河組主要出露于東側(cè)，其下與震旦系水晶組整合接觸，以黑色炭質(zhì)、硅質(zhì)板巖和變質(zhì)砂巖為主，夾炭質(zhì)泥巖、頁巖和灰?guī)r；第四系分布甚廣，主要是坡洪積層（Qspl）由灰、灰褐、紫紅色含碎（礫、卵）石的砂紙粘土、粘質(zhì)砂土混合組成，殘坡積層（Qesl）零星分布于緩坡及坡腳地帶，為深灰、灰黑色碎塊及砂質(zhì)粘土雜亂堆積而成。

長(zhǎng)坡溝上游地層為水晶組三段，黑色炭質(zhì)砂巖、白云巖，產(chǎn)狀100°∠60°～70°，傾向與坡向接近，傾角略小于坡度角。沿巖層面和軟弱層易于發(fā)生滑動(dòng)。同時(shí)巖石中發(fā)育一組卸荷裂隙，產(chǎn)狀95°∠54°，傾向基本與坡向一致，傾角小于坡角，巖體更易沿此滑動(dòng)崩落，巖體穩(wěn)定性很差。

長(zhǎng)坡溝中游右岸巖體坡向55°，坡度角55°～60°，地層為水晶組三段中厚層黑色灰質(zhì)白云巖，炭質(zhì)砂巖，產(chǎn)狀20°～30°∠50°，傾向與坡向一致，傾角小于坡度角。巖體中發(fā)育兩組裂隙。

長(zhǎng)坡溝下游右岸坡向60°左右，總體坡角達(dá)75°左右，多處直立呈陡坎，地層為水晶組三段，巖性以黑色?。泻駥影自茙r，炭質(zhì)砂巖為主夾薄層黑色炭質(zhì)泥巖（軟弱層），巖層傾向與坡向一致，且傾角小于坡角，巖體極易沿軟弱層滑動(dòng)崩落。另右岸巖石中發(fā)育兩組裂隙，其產(chǎn)狀分別為328°∠45°和35°∠54°，兩組裂隙傾向與右岸坡向相反，造成巖體穩(wěn)定降低。長(zhǎng)坡溝下游左岸坡向240°左右，坡度角總體70°～74°，地層為邱家河組一段，巖性以黑色薄層炭質(zhì)變砂巖，炭質(zhì)硅質(zhì)板巖為主，夾黑色薄層炭質(zhì)泥巖，產(chǎn)狀100°∠55°。巖層傾向與坡向相反，不易沿巖層面滑動(dòng)，但由于坡度較陡，且多見直立陡坎，巖石極易崩塌。

長(zhǎng)坡溝正處于龍門山前陸推覆體上，構(gòu)造比較復(fù)雜，斷層比較發(fā)育，結(jié)合以上分析推測(cè)：長(zhǎng)坡溝下游兩岸巖體均有滑動(dòng)的可能，右岸滑動(dòng)的可能性較大。

巖土類型和性質(zhì)是影響區(qū)內(nèi)斜坡穩(wěn)定的根本因素。區(qū)內(nèi)震旦系和寒武系以含泥很高的炭質(zhì)板巖、炭質(zhì)泥巖、頁巖為主，巖石軟化系數(shù)較?。ㄉ皫r0.65～0.97、頁巖0.24～0.74、泥灰?guī)r0.44～0.54、千枚巖0.67～0.96、泥質(zhì)板巖0.39～0.52），吸水后易液化，為“易滑地層”，抵抗斜坡變形破壞的能力極低，易發(fā)生滑坡崩塌。同時(shí)，軟弱層易發(fā)生風(fēng)化，而形成陡坎，甚至懸空坳陷，造成巖體在重力作用下崩塌。

1.3 物源條件

長(zhǎng)坡溝上游溝坡和溝底都存在較多的松散堆積物大多由大塊石、碎石組成，期間充填泥砂，長(zhǎng)期被流水浸泡，易風(fēng)化崩解。根據(jù)泥石流前勘查數(shù)據(jù)，利用5個(gè)橫剖面和1個(gè)縱剖面分段計(jì)算；總方量C＝C1＋C2＋C3＋C4＋C5＝49.088 8×104m3；C1＝長(zhǎng)（100 m）×寬（13 m）×深（20 m），該段為滑坡舌，其中該段鉆孔表明堆積物厚度為17 m；C2＝長(zhǎng)（92 m）×寬（38 m）×深（25 m），該段鉆孔表明堆積物厚度為25.4 m；C3＝長(zhǎng)（79.3 m）×寬（50 m）×深（25 m）；C4＝長(zhǎng)（37.4 m）×寬（46 m）×深（25 m）；C5＝長(zhǎng)（261.5 m）×寬（36 m）×深（25 m）。加上長(zhǎng)坡中游和下游部分小滑坡體和堆積物，總共物源約有66×104m3。

1.4 降水條件

氣候－氣象條件是誘發(fā)泥石流的重要因素，它決定和影響著泥石流發(fā)生的時(shí)間、空間分布規(guī)律，對(duì)其活動(dòng)性質(zhì)亦產(chǎn)生作用。氣候－氣象條件主要體現(xiàn)在降水上，前人研究［2－4]顯示，年降水量大于800 mm的亞熱帶和暖溫帶河谷地區(qū)泥石流較發(fā)育。泥石流發(fā)生的可能性、數(shù)量、規(guī)模等在很大程度上取決于降雨量強(qiáng)度大小，它是一個(gè)十分關(guān)鍵的激發(fā)因素。長(zhǎng)坡溝所在區(qū)域?qū)僦衼啛釒駶?rùn)季風(fēng)氣候，干濕分明，年平均降雨量1 371～1 700 mm，降雨量分配不均，一年中降雨峰值出現(xiàn)在7、8月，占全年的47%，冬春降雨稀少，僅占13%，個(gè)別年份出現(xiàn)日降雨量在400 mm以上的特大暴雨。

降雨對(duì)斜坡上不連續(xù)結(jié)構(gòu)面進(jìn)行侵蝕、軟化，加快滑移面形成；同時(shí)對(duì)增加滑體的重量和動(dòng)水壓力起著誘發(fā)作用。在長(zhǎng)坡溝泥石流發(fā)生前期持續(xù)數(shù)日的大雨讓大量雨水滲透進(jìn)入長(zhǎng)坡溝上游物源內(nèi)，增重物源重力勢(shì)能的同時(shí)起到了潤(rùn)滑滑動(dòng)面的作用，而泥石流發(fā)生當(dāng)天和前夜的大暴雨則是觸發(fā)泥石流最終發(fā)生的導(dǎo)火索。

2 泥石流特征值

2.1 泥石流流速

泥石流流速是決定泥石流運(yùn)動(dòng)性質(zhì)的最重要參數(shù)之一。目前泥石流流速計(jì)算仍為經(jīng)驗(yàn)公式和半經(jīng)驗(yàn)公式。由于長(zhǎng)坡溝泥石流屬于稀性泥石流，應(yīng)該采用西南地區(qū)（鐵二院）稀性泥石流流速計(jì)算公式［5]：

泥石流斷面面積是訪問當(dāng)?shù)乩相l(xiāng)，根據(jù)了解當(dāng)時(shí)泥石流厚約3 m，經(jīng)計(jì)算得到的。根據(jù)泥石流數(shù)量化評(píng)分確定長(zhǎng)坡溝總得分120，查《泥石流災(zāi)害防治工程勘察規(guī)范》［6]中附錄G2的泥沙修正系數(shù)將長(zhǎng)坡溝φ定為0.998，長(zhǎng)坡溝糙率系數(shù)取7。計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 泥石流斷面測(cè)速結(jié)果表

2.2 泥石流流量計(jì)算

本文采用雨洪法［7]計(jì)算泥石流的流量即在泥石流與暴雨同頻率、且同步發(fā)生、計(jì)算斷面的暴雨洪水設(shè)計(jì)流量全部轉(zhuǎn)變成泥石流流量的假設(shè)下建立的計(jì)算方法。其計(jì)算步驟是先按水文方法計(jì)算斷面不同頻率下的小流域暴雨洪峰流量（計(jì)算方法查閱水文手冊(cè)），公式如下：

（1）清水流量計(jì)算

按中國(guó)水利科學(xué)院水文研究所提出的小匯水面積設(shè)計(jì)流量公式計(jì)算如下：

式中，Qp為暴雨洪峰流量（m3／s）；i為暴雨徑流系數(shù)，取 0.6；F為匯水面積（k m2）；r 為小時(shí)雨強(qiáng)（mm／h）。

根據(jù)可查的氣象資料顯示，2013年雨季暴雨小時(shí)雨強(qiáng)（P＝1%）為100 mm／h。計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 暴雨洪峰流量計(jì)算表

（2）泥石流峰值流量計(jì)算

式中，Qc為泥石流斷面峰值流量（m3／s）；φ為泥砂修正系數(shù)；Qp為暴雨洪峰流量；Dc為堵塞系數(shù)。

泥石流阻塞系數(shù)取值的選擇是根據(jù)《泥石流災(zāi)害防治工程勘查規(guī)范》［7]和《工程地質(zhì)手冊(cè)》［8]第六篇第三章（泥石流）推薦的云南東川7年中40個(gè)觀測(cè)資料驗(yàn)證的值，再經(jīng)綜合分析而選取的。長(zhǎng)坡溝溝槽寬窄變化明顯，中游有巖脈窄口，所以長(zhǎng)坡溝是屬于中度阻塞，取Dc為2.0；據(jù)此，采用雨洪法求得泥石流峰值流量（表3）。

表3 泥石流峰值流量計(jì)算表

2.3 一次泥石流過程總量及固體物質(zhì)總量

（1）一次泥石流過程總量

一次泥石流過程總量Q可以通過計(jì)算法和實(shí)測(cè)法確定。實(shí)測(cè)法精度高，但往往不具備測(cè)量條件，只是一個(gè)粗略的概算，所以按照《泥石流災(zāi)害防治工程勘查規(guī)范》（DZ／T0220－2006）附錄I提供的公式進(jìn)行計(jì)算：

式中，Q為一次泥石流過程總量（m3）；T為泥石流歷時(shí)（s）；Qc為泥石流最大流量（m3／s）。

根據(jù)當(dāng)?shù)鼐用窕貞浻∽C，該次泥石流發(fā)生歷時(shí)4個(gè)小時(shí)，即T＝14 400 s。而長(zhǎng)坡溝流域匯水面積小于5 k m2，故取K＝0.202。計(jì)算得到長(zhǎng)坡溝泥石流一次過程總量如表4所示。

表4 泥石流一次過程總量計(jì)算表

（2）一次泥石流固體物質(zhì)沖出量

一次泥石流固體物質(zhì)沖出量《泥石流災(zāi)害防治工程勘查規(guī)范》（DZ／T0220－2006）附錄I提供的公式進(jìn)行計(jì)算：

式中，QH為一次泥石流沖出固體物質(zhì)總量（m3）；Q為一次泥石流過程總量（m3）；γc為泥石流重度（t／m3）；γW為水的重度（t／m3）；γH為泥石流固體物質(zhì)的重度（t／m3）。

利用上面計(jì)算的一次泥石流過程總量，據(jù)此計(jì)算得泥石流一次沖出固體物質(zhì)的沖出量如表5。

表5 泥石流一次過程固體物質(zhì)沖出量計(jì)算表

長(zhǎng)坡溝泥石流流體的組成特征：漿體是由不含或含少量的粘性物質(zhì)組成，粘度值＜0.3 pa·s，只形成網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，不會(huì)產(chǎn)生曲張應(yīng)力，為牛頓體。非漿體部分的粗顆粒由大小石塊、碎石、粗砂及少量粉砂、粘土組成，流動(dòng)狀態(tài)為紊流，固、液兩相不等速運(yùn)動(dòng)，有垂直交換和散流現(xiàn)象，泥石流中固體物質(zhì)易出，表現(xiàn)為沖淤變化大，堆積物有一定的分選性，沉積物以粗粒物質(zhì)為主。據(jù)以上特征，可以判斷該泥石流屬于稀性泥石流。

2.4 泥石流沖擊力計(jì)算

泥石流沖擊力是泥石流防治工程設(shè)計(jì)的重要參數(shù)。分為流體整體沖壓力與個(gè)別石塊的沖擊力兩種。按照《泥石流災(zāi)害防治工程勘查規(guī)范》（DZ／T0220－2006）附錄I提供的公式選擇并進(jìn)行計(jì)算：

（1）泥石流整體沖擊壓力計(jì)算公式：

式中，δ為泥石流整體沖擊壓力（Pa）；g為重力加速度（m／s2），取g＝9.8 m／s2；γc為泥石流重度（t／m3）；Vc為泥石流流速（m／s），計(jì)算得到3.11 m／s；α為建筑物受力面與泥石流沖壓力方向的夾角（°）；λ為建筑物形狀系數(shù)，圓形＝1.0，矩形＝1.33，方形＝1.47。

本區(qū)域內(nèi)的大多數(shù)廠房和民房墻受力面與泥石流流向垂直，所以?。?0；而這些房子都近似矩形。據(jù)此，計(jì)算得到泥石流整體沖壓力δ＝2.35 Pa。

（2）泥石流體中大石塊對(duì)公路的沖擊力F

式中，γ為動(dòng)能折減系數(shù)，對(duì)圓形端γ＝.3；Vc為據(jù)前面計(jì)算查得為3.11 m／s；α為公路受力面與泥石流沖壓力方向的夾角（°）；W 為石塊重量（t）。

由于大石塊對(duì)公路的危害影響較大，而長(zhǎng)坡溝中大石塊的重量一般為62 t左右，C1、C2分別為巨石、公路的彈性變形系數(shù)，C1＋C2＝0.005。

據(jù)此，計(jì)算出重量為62 t的大石塊對(duì)公路的沖擊力為11 569.2 N。

3 防治建議

為避免和減少泥石流再次發(fā)生所帶來的威脅，應(yīng)在長(zhǎng)坡溝的上游修建攔砂壩，在在泥石流勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能之前給予攔截；對(duì)于上游泥石流形成區(qū)和流通區(qū)的拐彎處和薄弱處的邊坡進(jìn)行混凝土固化，在下游已筑的人工欄壩下可修筑副壩增加主壩基礎(chǔ)的強(qiáng)度，防止主壩垮塌；使用防水布將滑坡堆積物尤其是后緣覆蓋，或在表面修筑導(dǎo)流槽和明渠將雨水快速?gòu)膬蓚?cè)導(dǎo)入下游，防治雨水持續(xù)下滲?；潞缶壚芽p以及地裂縫，全部回填并夯實(shí)，防止裂縫滲水和進(jìn)一步擴(kuò)大造成土體失穩(wěn)。將下游流通區(qū)和堆積區(qū)溝內(nèi)已經(jīng)存在泥石流堆積物應(yīng)清理干凈，避免再次發(fā)生的泥石流堆積物累積外溢至廠區(qū)和公路；長(zhǎng)坡溝兩岸植被大大破壞，覆蓋率較低，應(yīng)植樹造林，種植草皮，以穩(wěn)固土壤不受沖刷不致流失。

4 結(jié)語

（1）長(zhǎng)坡溝平均坡度為32°，最大可達(dá)42°～45°，縱坡降為432‰，屬于陡峭而強(qiáng)烈切割的地形，并有較大的溝床縱坡比降。下伏地層巖性為炭、硅質(zhì)板巖，泥頁巖，變質(zhì)砂巖，夾千枚巖等，汶川地震后巖體裂隙構(gòu)造發(fā)育，根據(jù)長(zhǎng)坡溝兩岸巖體穩(wěn)定性分析顯示長(zhǎng)坡溝下游兩岸巖體均有滑動(dòng)的可能，右岸滑動(dòng)的可能性較大。

（2）泥石流發(fā)生前長(zhǎng)坡溝上游物源據(jù)測(cè)算大約有66×104m3。該地區(qū)雨量豐富，年降雨為1 371～1 700 mm，且47%降雨量集中在7～8月份，泥石流發(fā)生前持續(xù)降雨充分滲入物源，增加重力勢(shì)能并潤(rùn)滑了下滑面，最終導(dǎo)致了長(zhǎng)坡溝泥石流的發(fā)生。

（3）該泥石流屬稀性泥石流，通過對(duì)泥石流特征值的計(jì)算可得，該次泥石流流速為2.95 m／s，泥石流峰值流量為7.59 m3／s，一次泥石流物源總量為11.64×104m3，其中固體物質(zhì)總量為5.57×104m3，泥石流整體沖壓力為2.35 Pa，大石塊對(duì)公路的沖擊力為11 569.2 N。本次泥石流發(fā)生后長(zhǎng)坡溝上游依然存在大量物源。在適當(dāng)?shù)慕涤陾l件下仍有較大的可能性再次發(fā)生。

（4）防治方式主要有：在上游修筑攔砂壩，對(duì)于上游泥石流形成區(qū)和流通區(qū)的拐彎處和薄弱處的邊坡進(jìn)行混凝土固化，使用防水布將滑坡堆積物尤其是后緣覆蓋，或在表面修筑導(dǎo)流槽和明渠將雨水快速?gòu)膬蓚?cè)導(dǎo)入下游，防治雨水持續(xù)下滲。回填滑坡后緣拉裂縫以及地裂縫并夯實(shí)，將下游泥石流堆積物轉(zhuǎn)移，種植草皮樹木，以穩(wěn)固土壤不受沖刷不致流失。

［1]李勇，黃潤(rùn)秋，周榮軍，等.龍門山地震帶的地質(zhì)背景與汶川地震的地表破裂［J].工程地質(zhì)學(xué)報(bào)，2009，17（1）：6－14.

［2]張養(yǎng)才，譚凱炎.中國(guó)亞熱帶北界及其過渡帶.［J]地理研究，1991，10（2）：85－91.

［3]胡桂勝，陳寧生，楊成林.成都市災(zāi)害性山洪泥石流臨界降雨量特征［J].重慶交通大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2011，30（1）：95－101.

［4]李中平，畢宏偉，張明波.我國(guó)山洪災(zāi)害高易發(fā)降雨區(qū)分布研究［J].人民長(zhǎng)江.2008，39（17）：61－63.

［5]洪正修.泥石流流速公式探討［J].中國(guó)地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報(bào)，1996，1（7）：26－34.

［6]中華人民共和國(guó)國(guó)土資源部.泥石流災(zāi)害防治工程勘查規(guī)范［S].2006：2.

［7]劉傳正.地質(zhì)災(zāi)害勘查指南［M].北京：地質(zhì)出版社，2000：158.

［8]《工程地質(zhì)手冊(cè)》編寫委員會(huì).工程地質(zhì)手冊(cè)（第4版）［M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2006：563.