佘 濤， 李金洋， 陳 歡， 孫金輝， 李 波

(1.中國地質科學院探礦工藝研究所，四川 成都 611734； 2.中國地質調查局地質災害防治技術中心，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災害點都分布在20°～50°的范圍內，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]。強震區(qū)震級高、釋放能量大、破壞力強、波及面廣，震后強震區(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一同堆積暫時停留在坡體中上部，形成表面接近自然休止角的高陡斜坡堆積體。堆積體由于形成時間短，結構松散，空隙度大，表面坡度大，非常不穩(wěn)定，如遇強降雨極易失穩(wěn)。由于堆積體遠離下方居民點沒有成災，當?shù)卣途用翊嬖趦e幸心理，防范意識薄弱，一旦后期在強降雨誘發(fā)下形成坡面泥石流，形成新的次生地質災害，將造成嚴重損失，威脅下方附近居民的生命財產安全。

高陡斜坡崩塌堆積體啟動形成潛在泥石流由于其突發(fā)性、快速致災性，成為預報和防治的難點。尤其是以前堆積體下方沒有成形溝道的潛在泥石流。其規(guī)模不會很大，但先兆較少，流速快，“來去匆匆”，威脅較大，防不勝防。

因此，通過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坡面泥石流條件，對其進行防治。在根源上減少災害鏈的暴發(fā)。完善并建立一套行之有效的高陡斜坡崩塌堆積體啟動坡面泥石流的判別方法及防治技術方法，具有重大而深遠的意義。

1 災害點概況

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

圖1 平石板溝全貌照片

流域屬后龍門山區(qū)，區(qū)內構造形跡走向以北東-南西向為主，構造上為開坪村倒轉向斜SE翼。受擠壓變形作用明顯，產狀扭曲，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)過泥石流，也無明顯溝道。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，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(見圖3)，拉槽過程不斷補給物質而增大規(guī)模，隨著物質和能量不斷積累，最后形成具有較大破壞能力的泥石流[3]。沖出固體物質約1600 m3，導致場鎮(zhèn)橋涵堵塞，泥石流漫入醫(yī)院、居民房屋和道路，造成經濟損失900余萬元。“8.13”泥石流后政府于2011年開始在下游修筑攔排結合防治工程， 2013年“7.9”在當日降雨量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，基礎懸空，排導槽右側邊墻基本被沖毀，公路涵洞淤積，泥石流再次溢出溝道。所幸暴發(fā)前當?shù)鼐用褚咽枭⑥D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，其中動儲量為14203.1 m3；崩塌堆積體物源總量47926.3 m3，可動方量11585.3 m3。其中物源、動儲量，崩塌堆積體占到88.61%、81.56%，物源統(tǒng)計如表1所示。

表1 坡面泥石流沖溝物源統(tǒng)計

平石板溝運動力學參數(shù)見表2[4]，根據(jù)泥石流推理計算結果的情況，2010年泥石流暴發(fā)規(guī)模一次固體物質沖出量為1600 m3，按照降雨頻率應為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動力學參數(shù)統(tǒng)計

2 崩塌堆積體啟動條件分析

陡坡坡面物源破壞特點，初始浸潤階段-整體失穩(wěn)-產流沖蝕效應產生及細顆粒遷移侵蝕階段-土體溜滑-坡面物源轉化為泥石流體并陣性暴發(fā)[5]。崩塌堆積體啟動受粒徑組成、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)上粗下細的倒石堆結構。松散堆積體失穩(wěn)啟動并泥石流化是流域降雨作用下堆積體內潛水位不斷抬升、水力環(huán)境不斷劣化的結果[6]。形成坡面流前提是降雨量大于雨水在堆積體入滲量，且隨著時間增長[7]。若堆積體內部縫隙較大，整體結構性很差，在強降雨作用下，雨水可以很快順縫隙進入堆積體內，短時間內達到飽水后便會使堆積體失穩(wěn)形成坡面泥石流。反之，堆積體中細顆粒所占比例很大，粗顆粒間的縫隙被細顆粒所填充，使得整個堆積體的結構性很好，滲透性較差，在強降雨條件下，雨水只是在表面形成沖刷，沒有破壞整體的結構性，不易形成坡面泥石流。

通過泥沙不均勻系數(shù)K[8]

K=D60/D10

(1)

式中：D60——堆積體中百分含量累計達到60%的顆粒粒徑；D10——堆積體中百分含量累計達到10%的顆粒粒徑。

當K<5時，粒度均勻；當510時，粒度不均勻。

高陡斜坡堆積體穩(wěn)定性評價公式[9]

K0=18.487lnP-33.389

(2)

K0=20.622lnP-48.476

(3)

式中：K0——不含細顆粒的不均勻系數(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，強降雨時失穩(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，整體結構性很差，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)定性評價公式滑動條件。在強降雨作用下，雨水可快速進入堆積體內，飽水后便會使堆積體失穩(wěn)啟動。

2.2 崩塌堆積體啟動泥石流判別指標

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

A.M.I=w/wL>1，容易產生流動化。

0.45

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

石川芳治認為崩塌堆積體啟動泥石流流動的判別標準[12]:

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

平石板崩塌堆積體流動化指數(shù)(A.M.I)為1.12，容易產生流動化，啟動坡面泥石流；而松散崩塌土流動化過程的流高比l/h為8.1，達到啟動條件(見表3)。

表3 平石板溝崩塌堆積體啟動泥石流判別標準

2.3 坡前縱坡P

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

對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，勢能極易轉換為動能。蘆田和男認為崩塌堆積體在流動時的縱向傾角為12°，坡前縱坡>12°就能產生流動化；而高橋保認為水石流形成的臨界坡度為15°[14]，石川芳治認為坡前縱坡>9°就能出現(xiàn)流動化。達到臨界縱坡以后，泥石流沖出量會隨著坡度增加而增加[15]。

通過對涪江上游禹里鄉(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崩塌堆積體進行實地調查，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°；而沒有啟動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后在緩坡上快速停止，不會形成坡面泥石流。而開坪鄉(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能，勢能轉換為高動能同時造成下游溝道拉槽現(xiàn)象嚴重。

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來反應堆積體啟動的匯水條件。比值t越大，表明單位面積堆積體的匯水面積越大，啟動泥石流的可能性也相應增高。從涪江上游12個點統(tǒng)計數(shù)據(jù)表3來看，t>0.6就啟動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泥石流判別標準

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離威脅對象，而且堆積體下方在暴發(fā)泥石流前并沒有溝道，基本采取成災后進行治理的思路，針對性較差。

這類災害防治具備以下特點：(1)啟動點位置較高，坡度較大，上大型工程難度大，大型工程施工勢必對坡體中下部坡體造成擾動破壞，形成新的物源；(2)由于坡面泥石流首次啟動前，中下游沒有明顯溝道，災前不能清楚判別泥石流流向，在中游進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)攔擋工程壩庫容小，坡面泥石流一旦啟動，拉槽現(xiàn)象較為嚴重，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形成坡面泥石流情況下，防治宜針對中上游，采取固源崩塌堆積體，防止堆積體啟動的思路。由于地形及運輸條件限制，應減少在上游大開大挖，宜采取預制、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、預制谷坊壩(攔渣墻)、預制可伸縮截水溝等在上游進行防治。

平石板坡面泥石流2011年工程中未有效采取對崩塌堆積體進行固源措施，導致工程在2013年泥石流中局部失效，谷坊壩基礎受掏蝕、排導槽部分損壞，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。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年內堆積體結構緊密，堆積體部分膠結，生長植被，再未暴發(fā)泥石流。