(四川省地質(zhì)工程勘察院, 四川 成都 610000)

跨過溝地屬四川阿壩州理縣箭山村，位于岷江水系一級支流雜谷腦河的右岸。溝口是G213國道和部分箭山村農(nóng)戶居住區(qū)，泥石流災(zāi)害對溝口居民及國道存在著重大安全威脅?？邕^溝在20世紀70～80年代曾暴發(fā)過間歇性小規(guī)模泥石流，2008年汶川地震產(chǎn)生的大量松散物源，致使該溝在震后的雨季時常暴發(fā)山洪災(zāi)害[1-2]。其中2011年7月6日該地區(qū)突降暴雨，隨即引發(fā)了山洪，洪水高出護堤頂面約0.5 m左右，致使部分漿砌塊石護堤被沖毀，并淹沒了箭山村居民區(qū)道路和部分居民房等。

國內(nèi)外學者對泥石流的致災(zāi)機理及發(fā)展趨勢預(yù)測開展了大量的研究工作。Hollingsworth 等使用計分法疊加評價因子，得到了危險評價結(jié)果[3]。劉希林等建立了基于物理模擬試驗的泥石流危險范圍預(yù)測模型[4]。唐川等通過遙感解譯、野外調(diào)查及現(xiàn)場訪問等手段，分析了于2010年8月14日暴發(fā)的映秀鎮(zhèn)紅椿溝泥石流的形成及運動堆積過程，有助于進一步認識強震區(qū)泥石流的致災(zāi)機理及發(fā)育條件[5]。羅健等從降雨、物源量等方面分析了龍王溝泥石流的動力學特征[6]。田樹峰等[7]通過遙感解譯和現(xiàn)場調(diào)查，計算了綿九高速-平武段泥石流的運動參數(shù)特征，并分析了其危害模式，提出了相應(yīng)的治理措施。

筆者在前人研究的基礎(chǔ)上，通過野外調(diào)查、物理實驗及理論研究等方法，分析了薛城鎮(zhèn)箭山村的跨過溝泥石流的發(fā)育特征、致災(zāi)機理、發(fā)展趨勢等，旨在對跨過溝泥石流的監(jiān)測預(yù)警及防治工作提供參考。

1 形成條件

跨過溝位于阿壩州理縣薛城鎮(zhèn)箭山村岷江一級支流雜谷腦河右岸，西距理縣縣城23 km(見圖1)，溝口處為G213國道及部分箭山村農(nóng)戶居住區(qū)。泥石流流域的地形起伏和溝道縱坡降較大，為泥石流提供了有利的匯水條件；流域揭露的地層主要為炭質(zhì)千枚巖和石英巖，汶川地震產(chǎn)生的大量殘崩坡積物淤積于溝道及其兩側(cè)斜坡處，形成了豐富的物源條件。

1.1 地形條件

跨過溝地屬剝蝕侵蝕高山地貌，流域形態(tài)呈“柳葉形”，無明顯支溝發(fā)育，整體地形上陡下緩，底部發(fā)育深切溝谷，多為“V”型，局部呈“U”型。最高海拔位于溝頂，約3 500 m，最低海拔位于溝口處，約為1 540 m，相對高差達1 920 m，平均縱坡降較大，約為472‰，如圖2所示。

圖2 跨過溝泥石流縱斷面Fig.2 Profile map of Kuaguogou gully debris flow

圖1 跨過溝泥石流流域概況Fig.1 Watershed overview map of Kuaguogou gully debris flow

(1) 清水-形成區(qū)。該區(qū)域為溝床高程2 610 m至溝床最高點，面積約為1.72 km2，溝長1.75 km，地形陡峻，兩岸斜坡坡度約為30°～65°，局部近乎垂直，平均縱坡降達到509‰，多為巖質(zhì)斜坡，覆蓋層較薄(0.2～0.5 m)，植被發(fā)育稀疏，只有零星不穩(wěn)定斜坡發(fā)育?？傊?，該區(qū)良好的匯水條件可以為泥石流提供有利的水動力條件。

(2) 形成-流通區(qū)。該區(qū)域為高程2 610～1540 m段溝道，該段匯流面積2.25 km2，溝長2.4 km，溝床縱比降446‰，地貌主要為峽谷地貌，局部段較寬緩。該區(qū)發(fā)育大量溝道堆積物、岸坡崩滑堆積物、坡面侵蝕堆積物，這些潛在物源極易在泥石流體的侵蝕作用下被裹挾，從而大大增加了泥石流體體量及其流量?？傊?，該區(qū)充足的物源條件將對泥石流的規(guī)模產(chǎn)生放大效應(yīng)，進而增加泥石流的危害。

1.2 水源條件

研究區(qū)多年平均降雨量為483.6 mm，多集中在5～9月份，占全年的將近69%。通過查閱《四川省中小流域暴雨洪水計算手冊》[8]可知，該地區(qū)日最大降水量為55.9 mm ，1 h最大降水量為22.3 mm ，10 min 最大降水量為18.1 mm (見圖3)。雨季較為豐富的降雨條件為跨過溝泥石流提供了有利的水動力條件。

圖3 研究區(qū)各月平均降雨量Fig.3 Monthly average rainfall in the study area

1.3 物源條件

調(diào)查發(fā)現(xiàn)，跨過溝泥石流物源主要集中分布在形成流通區(qū)中上游區(qū)域，可分為崩滑物源、溝床侵蝕物源及坡面侵蝕物源(見圖1)。其中共計7處崩滑物源，總量約45.25萬m3，動儲量為6.85萬m3；溝床侵蝕物源有3處，共計約3.59萬m3，動儲量約為1.64萬m3；坡面物源1處，約為1.17萬m3，動儲量約為0.58萬m3；物源總量約為50.0萬m3，約有9.07萬m3的物源可能參與泥石流活動。

2 泥石流活動特征

2.1 泥石流沖淤特征

跨過溝形成流通區(qū)的沖淤現(xiàn)

象最為顯著，中上游下切側(cè)蝕段、中游淤積段、下游下切側(cè)蝕段分別體現(xiàn)出不同的沖淤特征。

(1) 中上游段(見圖4)。該段常年流水，溝谷形態(tài)主要表現(xiàn)為“V”型，侵蝕類型主要表現(xiàn)為側(cè)蝕和下切，最少下切深度約為0.5 m，最大約為2.0 m。溝道兩側(cè)堆積崩滑體，溝底寬一般3～5 m，匯流集中，溝道平均坡降400‰左右，沖刷特征明顯，近年平均沖刷深0.2～1.0 m。

(2) 中游段(見圖5)。該段主要位于跌坎上部箭山村農(nóng)戶聚集區(qū)，地勢寬緩，溝道形狀主要呈U型，溝寬約3～10 m，平均縱坡約232‰。因為地勢平緩，所以泥石流在該段的運動形式主要表現(xiàn)為淤積，歷次泥石流在該區(qū)堆積，堆積厚度已達3～14 m。

圖4 中上游溝谷沖刷情況Fig.4 Erosion situation at upstream gully

圖5 中游溝谷泥石流淤積Fig.5 Deposition at midstream gully

(3) 中下游段(見圖6)。該段溝谷寬4～10 m，局部寬約15 m，平均坡降355‰左右。由于與中游段高差較大，存在高陡跌水現(xiàn)象，導致該段泥石流體流速較大，沖刷特征明顯，主要表現(xiàn)為下切與部分側(cè)蝕，溝床切割較深，溝道一般呈長條槽狀、部分區(qū)段為較寬緩溝谷，近年平均沖刷深度約為0.4～2 m，造成了大量溝床堆積物起動。

2.2 泥石流堆積特征

調(diào)查發(fā)現(xiàn)，由于跨過溝泥石流整體縱坡降較大，下游平均坡降達到355‰左右，溝道以沖刷切割為主，主河道雜谷腦河水流湍急河面寬闊，即使有泥石流沖出也被河水攜帶走，故跨過溝潛在泥石流沒有明顯的溝口堆積區(qū)，僅在形成流通區(qū)溝道中游箭山村段的較緩溝道內(nèi)堆積，其余溝段僅有零星堆積。其中，2011年7月6日暴雨后暴發(fā)的泥石流，使溝口公路和部分民居、基礎(chǔ)設(shè)施被淤埋，淤埋厚一般20 cm左右。

現(xiàn)場調(diào)查及鉆探數(shù)據(jù)顯示，泥石流堆積物質(zhì)成分主要為次棱角碎石、塊石及其間充填的細顆粒物質(zhì)，呈松散-中密狀，通過室內(nèi)篩分試驗，得到其顆粒級配曲線如圖7所示。實驗結(jié)果顯示，堆積物中的碎塊石含量占60%～70%，其中塊石占10%～20%，碎石粒徑3～8 cm，塊石一般20～30 cm，大者可達30～50 cm，粉質(zhì)黏土及角礫充填，具有黏性泥石流堆積的性質(zhì)。從分布來講，下游堆積物含有大量泥沙，且顆粒較小；而上游堆積物含泥沙較少，顆粒較大。 目前跨過溝內(nèi)仍存在大量物源，且還將隨著降雨等外力作用而增加，因此只要降雨量充足，其仍有可能再次爆發(fā)泥石流。

圖6 中下游沖刷情況Fig.6 Flushing situation in the middle and lower reaches

圖7 跨過溝堆積物級配曲線Fig.7 Gradation curve of Kuaguogou debris flow

3 跨過溝泥石流動力特征分析

3.1 泥石流體重度

本次采取現(xiàn)場調(diào)查試驗法確定泥石流重度。在跨過溝2011年的堆積區(qū)選取3組樣品，通過配漿法配制泥石流體，測取相關(guān)參數(shù)，并按式(1)計算重度。

(1)

式中,γc為漿體重度，t/m3；Gc為樣品重量t；V為樣品體積，m3。

計算結(jié)果如表1所示，跨過溝潛在泥石流重度平均值為1.80 t/m3，重度較大，屬于黏性泥石流。

表1 現(xiàn)場配漿法計算泥石流體重度Tab.1 Calculation of debris flow weight scale by on-site slurry blending method

3.2 泥石流流速及峰值流量

根據(jù)跨過溝泥石流的特點，選取6條不同位置的斷面(見圖1)，采用2011年泥石流爆發(fā)時的暴雨量和適用于黏性泥石流流速計算的曼寧公式[9]計算斷面處的泥石流流速，見表2，采用雨洪法計算各斷面處的泥石流流量，見表3。計算結(jié)果顯示，斷面1處的流速及流量最大，流速達6.58 m/s，位于溝口處，而斷面6處最小，流速為4.24 m/s，位于形成區(qū)上游部位，可見本次跨過溝泥石流流速較大。

表2 跨過溝泥石流流速計算結(jié)果Tab.2 Calculation result of Kuaguogou gully debris flow velocity

3.3 一次泥石流過程總量

由于泥石流具有集中暴發(fā)、過程短促的特點，其從形成起動到堆積停止的一次全過程時間均比較短，其過程線可以概化如圖8所示的三段線[10]，并按式(2)進行計算。

Q=0.264TQC=KTQC

(2)

式中，Q為泥石流總量，m3；T為歷時，s；Qc為泥石流峰值流量，m3/s；K為常數(shù)，當F<5 km2，K=0.202。

按照式(2)計算10%，5%，2%，1%不同頻率下泥石流一次泥石流總量分別為1.419萬，1.734萬，2.150萬，2.467萬m3。

3.4 泥石流整體沖壓力計算

結(jié)合跨過溝泥石流的實際情況，按照(DZ/T 0220-2006)《泥石流災(zāi)害防治工程勘查規(guī)范》[11]規(guī)范選取公式：

(3)

式中,δ為泥石流體整體沖壓力，Pa；g為重力加速度，m/s2，取9.8 m/s2；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)，圓形建筑物λ=1.0，矩形建筑物λ=1.33，方形建筑物λ=1.47。計算結(jié)果如表4所示。

圖8 概化泥石流流量過程線Fig.8 Generalized flow rate process line of debris flow

計算位置剖面編號清水流量/(m3·s-1)P=1%P=2%P=5%P=10%泥石流峰值流量/(m3·s-1)P=1%P=2%P=5%P=10%跨過溝溝口125.3422.0917.8214.5867.8459.1447.7039.03形成流通區(qū)下游217.9415.6212.5710.2655.4748.2838.8631.77形成流通區(qū)中游317.6015.3212.3210.0651.5744.8135.9129.17417.3915.1412.209.9750.6244.0435.3928.85形成流通區(qū)上游516.5814.4311.619.4949.2742.8634.4728.13615.0313.0810.538.6046.9840.8832.8926.87

表4 泥石流沖擊壓力計算表Tab.4 Calculation table of impact pressure of debris flow

4 泥石流發(fā)展趨勢預(yù)測

4.1 發(fā)育階段識別

泥石流的發(fā)育階段是指其溝谷地貌的發(fā)育階段，根據(jù)溝道侵蝕強度及活動頻率的不同，一般可以分為幼年期、壯年期和老年期，是減災(zāi)規(guī)劃決策的重要依據(jù)[12～13]。泥石流發(fā)育階段主要由地形因素控制，可用A-E(面積-高程)分析法判斷[14]，其中對A-E曲線的面積積分如公式(4)所示。

(4)

式中，a為流域內(nèi)每一高程線以上的總面積；h為該高程與流域最低高程的高差；H為最大相對高差；S為A-E曲線面積積分，<0.35為老年期； [0.35-0.6]為壯年期；>0.6為老年期。將跨過溝相應(yīng)數(shù)據(jù)進行計算，得到其S=0.46，即屬于壯年期。同時，對跨過溝的實地調(diào)查結(jié)果也證明了這一判斷結(jié)果的準確性。

實地調(diào)查顯示，跨過溝泥石流崩塌滑坡發(fā)育，共計有9.07萬m3動儲量，同時整體地形陡峻，土體很容易在降雨等外動力條件下失穩(wěn)；另外，匯水面積達到1.72 km2，且匯水條件良好，可以為泥石流的形成提供充足的水動力條件。尤其是2011年7月4～6日，48 h雨量超過100 mm，導致跨過溝暴發(fā)高含砂洪水，致使溝道兩側(cè)松散堆積物更加不穩(wěn)定，有可能在下一次強降雨時滑動，進而形成堵塞，發(fā)生潰決型泥石流，因此，跨過溝潛在泥石流所處發(fā)展階段為發(fā)展期，即壯年期。

4.2 發(fā)展趨勢預(yù)測

有利的形成條件使得跨過溝每年雨季都會有短時洪水發(fā)生。通過調(diào)查和計算分析，跨過溝潛在泥石流溝在10 a一遇暴雨條件下泥石流沖出物總量為0.783萬m3，規(guī)模為小型，預(yù)計將會在平緩處(箭山村段)產(chǎn)生淤積；而在20，50，100 a一遇的暴雨條件下泥石流沖出總量分別為0.957萬，1.186萬，1.361萬m3，其規(guī)模為小～中型，危害范圍繼續(xù)延伸擴大，將會淤積、沖毀溝道兩側(cè)50～100 m以內(nèi)的房屋，掩埋村道，甚至沖毀G317國道。

5 防治措施建議

基于對跨過溝泥石流動力特性的分析，參考相關(guān)設(shè)計標準及研究成果[8]，其總體防治思路是通過排導和固源措施進行綜合整治。

(1) 對主要危害對象分布區(qū)——中上游箭山村居民區(qū)的已建護提進行整修，提高泥石流排導能力，降低或消除危害。

(2) 在中上游滑坡區(qū)溝床強侵蝕段修建幾座谷坊壩對溝側(cè)滑坡回淤壓腳和固床。

(3) 在X1不穩(wěn)定斜坡前緣設(shè)置一排抗滑樁支擋，防止淺層滑坡失穩(wěn)危害其坡腳居民。

6 結(jié) 論

(1) 跨過溝是爆發(fā)在岷江支流雜谷腦河的一次災(zāi)害性泥石流，給溝口處的居民和省道等基礎(chǔ)設(shè)施造成了極大的經(jīng)濟損失。有利的地形條件、豐富的物源儲備、短時強降雨過程是跨過溝泥石流形成的條件。

(2) 通過野外調(diào)查和室內(nèi)試驗，分析了跨過溝泥石流堆積物的顆粒組成，詳細闡述了泥石流的沖淤及堆積特征，有利于進一步認識泥石流活動過程。

(3) 通過野外調(diào)查和理論分析，對泥石流流體流速、流量、一次泥石流過程總量、泥石流體集體沖壓力等動力學參數(shù)進行了計算，進而可以為后續(xù)的防治設(shè)計和危險性評價等工作提供理論支撐。

(4) 跨過溝潛在泥石流所處發(fā)展階段為發(fā)展期，有利的形成條件使其在強降雨條件或強震作用下有可能發(fā)生更大規(guī)模的泥石流，淤積、沖毀溝道兩側(cè)房屋，甚至沖毀G213國道。

(5) 根據(jù)跨過溝泥石流潛在泥石流的特點，建議采取排導槽加固源措施的方式進行綜合整治，并在X1不穩(wěn)定斜坡前緣設(shè)置一排抗滑樁支擋，防止淺層滑坡失穩(wěn)危害坡腳居民。