崔華麗，楊東旭，楊 棟，李元靈，賈 逸，吳 波*

（1.中國地質(zhì)科學(xué)院探礦工藝研究所，四川 成都 611734；2.成都華建地質(zhì)工程科技有限公司，四川 成都 611734）

0 引言

2008年汶川8.0級(jí)地震誘發(fā)了大量的崩塌、滑坡，據(jù)粗略估算區(qū)內(nèi)新增松散固體物源量達(dá)55.86×108t［1］，為泥石流的活動(dòng)提供了豐富的物源。受地震影響，大量溝道從山洪溝轉(zhuǎn)化為泥石流溝，針對(duì)重震區(qū)、（特）大規(guī)模的泥石流災(zāi)害，眾多學(xué)者從泥石流的暴發(fā)成因、泥石流特征、成災(zāi)（堵河）分析、防治經(jīng)驗(yàn)等方面均進(jìn)行了大量的研究［2-7］。其中一類“狹陡型泥石流”的特征指標(biāo)、防治對(duì)策以及動(dòng)力學(xué)特性與震前常規(guī)泥石流存在顯著差異，燒房溝、小崗劍、磨子溝、連山大橋溝、福堂溝、蔣家溝均屬于此類。屈永平等［8-9］、楊東旭等［10］在對(duì)汶川震區(qū)泥石流災(zāi)害的調(diào)查與分析中得出，狹（急）陡（窄）溝道泥石流流域面積＜5 km2，溝道縱比降＞300‰，溝道橫斷面以V形為主，流域內(nèi)單位面積物源量豐富，區(qū)域強(qiáng)降雨集中，活動(dòng)旺盛。韓玫等［11］以都汶高速沿線磨子溝為例，分析了汶川震區(qū)窄陡溝道型泥石流動(dòng)力學(xué)過程，并分析其危險(xiǎn)范圍、評(píng)價(jià)其危害性，為此類泥石流防治工程措施提供了依據(jù)。楊東旭等［12］以小崗劍泥石流災(zāi)害為例分析了強(qiáng)震-暴雨疊加區(qū)泥石流在形成、活動(dòng)及危害方面的典型特征，并提出了相應(yīng)的防治對(duì)策。陳明等［13］以汶川瓦窯溝為例，研究其動(dòng)力特性及啟動(dòng)、侵蝕、堆積演化過程，提出應(yīng)開展對(duì)震區(qū)急陡溝道型泥石流風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、監(jiān)測、早期預(yù)警等研究，治理方案也需有效組合運(yùn)用。

狹（急）陡（窄）型泥石流暴發(fā)時(shí)間短、沖出速度快、沖出距離遠(yuǎn)、成災(zāi)性強(qiáng)，危害大，因此有必要針對(duì)單條狹陡型泥石流溝道的特點(diǎn)，深入分析治理難點(diǎn)，提出針對(duì)性、適宜性的防治新技術(shù)。近年來高頻小流域、成災(zāi)性與危害性較弱的狹陡型泥石流受關(guān)注較少，在災(zāi)害防治方面未引起重視，在治理經(jīng)驗(yàn)方面還存在一些不足。本文以阿壩州金川縣劉家溝泥石流為例，分析該泥石流溝的成災(zāi)機(jī)理、堵江可能性并結(jié)合溝道情況提出適宜的治理措施，以期為同類型泥石流防治提供思路。

1 研究區(qū)概況

1.1 流域概況

劉家溝位于阿壩州金川縣卡撒鄉(xiāng)腳姆塘村，為卡撒溝的支溝。流域面積0.36 km2，主溝長1.43 km，溝域內(nèi)最高點(diǎn)高程2710 m，溝口高程2124 m，相對(duì)高差達(dá)566 m，溝道平均坡降409.8‰。劉家溝溝域內(nèi)無支溝發(fā)育，且無清水匯流區(qū)，遙感圖像顯示為白色條帶狀（見圖1）。溝域內(nèi)植被不發(fā)育，流域形態(tài)指數(shù)δ=A L2定量計(jì)算［14］為0.168。

圖1 劉家溝流域全貌Fig.1 Liujia gully drainage area

1.2 地貌環(huán)境

劉家溝溝道切割較深，跌水和陡坎較發(fā)育，溝道兩側(cè)地形坡度在50°左右，局部可達(dá)65°以上，整個(gè)溝域由形成流通區(qū)、堆積區(qū)組成。形成流通區(qū)在2161～2710 m，區(qū)縱坡432.28‰，溝道較窄，溝底寬約3～5 m（鄰脊寬度170～280 m），呈典型V字形深切溝谷，兩側(cè)斜坡在30°～50°，局部可達(dá)70°，此段滑坡堆積體和殘坡積體發(fā)育；2161 m至溝口段縱比降111.45‰，地形平緩，溝道較淺，為泥石流的堆積區(qū)。

1.3 地層巖性

研究區(qū)內(nèi)地層主要為中生界三疊系中統(tǒng)雜谷腦組（T2z），巖性為淺灰、灰、深灰色中層、厚層及塊狀變質(zhì)長石石英砂巖、石英砂巖、凝灰質(zhì)砂巖、粉砂巖夾灰色粉砂質(zhì)板巖、炭質(zhì)板巖。砂、板巖之比為5∶1～7∶1，砂巖以單層厚、分布集中為特征。

1.4 地質(zhì)構(gòu)造與地震

劉家溝流域位于滇藏歹字形構(gòu)造頭部外圍與金湯弧形構(gòu)造西半弧復(fù)合部位。其構(gòu)造的顯著特點(diǎn)是：一方面區(qū)內(nèi)褶皺構(gòu)造發(fā)育，斷裂不發(fā)育，以擠壓緊密、軸部尖棱為特征之褶皺為主，一個(gè)大的褶皺往往由數(shù)個(gè)至數(shù)十個(gè)次級(jí)褶皺組成，一個(gè)次級(jí)褶皺，又包含多個(gè)揉皺、撓曲，斷裂主要有向陽斷裂和燒日斷裂，皆為推測斷裂；另一方面，兩構(gòu)造體系之構(gòu)造形跡表現(xiàn)形式不一，并在平面上構(gòu)成明顯分區(qū)，其中歹字形構(gòu)造體系為區(qū)域性強(qiáng)大的壓應(yīng)力作用的產(chǎn)物，由一系列強(qiáng)烈擠壓之線性褶皺組成，構(gòu)造線呈北西線展布，而金湯弧形構(gòu)造體系為局部應(yīng)力場的產(chǎn)物，應(yīng)力相對(duì)較弱，主要由一系列強(qiáng)烈擠壓之緊密褶皺組成，由北向南褶皺緊密程度遞增，構(gòu)造軸線呈東西向、北西西向，地層多以塑性變形為主。

研究區(qū)新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)十分強(qiáng)烈，第四紀(jì)以來主要表現(xiàn)為強(qiáng)烈升降運(yùn)動(dòng)和斷裂活動(dòng)。川西北斷塊的3條邊界——托索湖-瑪沁-文縣斷裂帶、龍門山斷裂帶和鮮水河斷裂帶均為活動(dòng)斷裂。晚近期以來地震活動(dòng)十分強(qiáng)烈且頻繁，這些地震主要分布于川西北斷塊的邊界斷裂帶上。流域地處鮮水河地震帶和松潘地震帶之間，抗震設(shè)防烈度為7度，地震加速度值為0.10g。劉家溝溝道縱、橫斷面及物源如圖2、圖3所示。

圖2 劉家溝溝道縱斷面及物源Fig.2 Longitudinal-section and source of Liujia gully

圖3 劉家溝溝道典型橫斷面Fig.3 Cross-section of Liujia gully

1.5 氣象氣候

劉家溝流域?qū)倜黠@的大陸性高原季風(fēng)氣候，流域內(nèi)為高山峽谷區(qū)，地形復(fù)雜，相對(duì)高差大，氣候呈立體分布，隨海拔高度、地形不同而有差異。區(qū)內(nèi)大致可分為2種氣候類型區(qū)：（1）暖溫帶季風(fēng)氣候，在海拔2400 m以下，活動(dòng)積溫3400～4500℃，年降雨量606.8～654.4 mm；（2）在海拔2400～2800 m中溫帶季風(fēng)氣候，活動(dòng)積溫3400～1600℃，年降雨量654～745 mm。金川縣泥石流發(fā)育地區(qū)的特征為1 h降雨量≥10 mm，24 h降雨量≥30 mm時(shí)就有發(fā)生泥石流的可能。

2 泥石流發(fā)育特征及致災(zāi)機(jī)制

2.1 物源與勢能

泥石流發(fā)生的勢能條件與泥石流流域地形地貌關(guān)系密切，金川縣陡峻的地形為泥石流發(fā)生提供了良好的勢能和動(dòng)能條件，主要表現(xiàn)在溝谷流域高差一般較大，溝谷為典型的深V形谷，使得溝道內(nèi)或兩岸松散堆積物具有較大勢能，有利于向動(dòng)能轉(zhuǎn)化進(jìn)而引發(fā)泥石流。

劉家溝形成流通區(qū)溝道兩側(cè)發(fā)育有5處滑坡以及5處坡面傾蝕物源，上游泥石流啟動(dòng)區(qū)（海拔2710～2335 m），溝 道 長801 m，平 均 縱 坡 為468.16‰，此段溝道在泥石流側(cè)蝕作用影響下，概算大約有17.52×104m3物源儲(chǔ)量，動(dòng)儲(chǔ)量約6.03×104m3；中游啟動(dòng)區(qū)（海拔2335～2180 m），溝道長362 m，平均縱坡為375.23‰，概算大約有17.8×104m3物源儲(chǔ)量，動(dòng)儲(chǔ)量約5.97×104m3。形成流通區(qū)單位面積上的物源量達(dá)98.11×104m3，該段溝道在下蝕和側(cè)蝕作用下，大量殘坡積物以垮塌和滑坡的形式持續(xù)補(bǔ)給泥石流，增大了泥石流的規(guī)模和破壞力。

2.2 泥石流暴發(fā)歷史及危害

劉家溝泥石流威脅對(duì)象是沿溝兩岸農(nóng)田、溝口兩岸的居民以及道路。自1997年起，每年雨季均會(huì)暴發(fā)不同規(guī)模的泥石流，受泥石流災(zāi)害的影響，目前溝口鄉(xiāng)道已經(jīng)改道。在近兩年（2020年、2021年）發(fā)生的泥石流災(zāi)害中，泥石流漫出溝道，堵塞卡撒溝，形成2.0 m高的堰塞壩，造成上游淤積，回水淹沒了溝道堆積區(qū)左側(cè)平壩區(qū)。由于大顆粒物質(zhì)殘留在主河道內(nèi)，很難被主河攜帶走，卡撒溝在此處過流能力嚴(yán)重減弱，溝道被壓縮變形。參見圖4。

圖4 2021年6月泥石流淤積情況Fig.4 Debris flow event on June,2021

2.3 災(zāi)害鏈機(jī)制

根據(jù)劉家溝泥石流災(zāi)害暴發(fā)歷史分析，其暴發(fā)時(shí)間與連續(xù)降水或短時(shí)強(qiáng)降雨具有明顯一致性，表明降水是該泥石流發(fā)生的觸發(fā)因素。

降雨及其形成的徑流直接導(dǎo)致溝谷兩岸的滑坡和坡面傾蝕在流水側(cè)蝕作用下解體，松散土體被席卷進(jìn)入狹陡的溝道，形成堵塞體，在上游暴雨洪峰流量作用下，堵塞體潰決形成泥石流，這種堵潰并非單一的，而是沿溝道發(fā)育，多次堵潰作用下，對(duì)泥石流峰值流量產(chǎn)生極大的放大作用［15］。泥石流進(jìn)入主河，堵塞主河，形成堰塞壩，造成危害。在整個(gè)泥石流形成和發(fā)生過程中，呈現(xiàn)出的是一個(gè)降雨—侵蝕下切—崩滑—堵塞體—堵塞體潰決—席卷溝床物質(zhì)—進(jìn)一步侵蝕下切—進(jìn)一步崩滑—進(jìn)一步堵潰—增大的泥石流規(guī)?！呷呷麎螡Q—卡撒溝中、下游損害的成災(zāi)過程。

2.4 泥石流流量特征值計(jì)算

2.4.1 不同降雨頻率下泥石流的流量

據(jù)《四川省中小流域暴雨洪水計(jì)算手冊(cè)》所附暴雨量等值線圖，由變異系數(shù)查皮爾遜Ⅲ型曲線，求得P＝5%設(shè)防頻率下的1 h、6 h雨強(qiáng)值分別為33.4、47.1 mm，利用雨洪法計(jì)算泥石流的流量：

式中：Qc——頻率為P的泥石流峰值流量，m3/s；Qp——頻率為P的暴雨洪水流量，m3/s；Ф——泥石流泥沙修正系數(shù)，Ф＝（γc-γw）/（γH-γc）；γc——泥石流重度，kN/m3；γw——清水的重度，kN/m3；γH——泥石流中固體物質(zhì)重度，kN/m3；Dc——泥石流堵塞系數(shù)。下同。

泥石流重度是影響泥石流峰值流量的關(guān)鍵因素，從泥沙攜帶能力考慮，重現(xiàn)期越長，泥石流溝的水力條件越好，攜帶大塊石能力越強(qiáng)，泥石流重度越高［16］。泥石流的流量計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 不同頻率下泥石流峰值流量計(jì)算Table 1 Calculated peak volumes of debris flow at different frequencies

2.4.2 一次泥石流活動(dòng)總量預(yù)測

泥石流歷時(shí)T和泥石流流量Qc是決定泥石流一次活動(dòng)總量的關(guān)鍵，按泥石流暴漲暴落的特點(diǎn)，將其過程概化“三角形”狀［17］，通過斷面一次泥石流總量Wc由下式計(jì)算：

一次沖出固體物質(zhì)的總量Ws由下式計(jì)算：

據(jù)式（2）、（3），計(jì)算出該溝一次泥石流總量和相應(yīng)的固體物質(zhì)總量（見表2）。

表2 泥石流固體物質(zhì)總量Table 2 Total solids in debris flow at different frequencies

2.4.3 形態(tài)調(diào)查法

根據(jù)2021年6月20日泥石流泥位、過流面積，采用形態(tài)調(diào)查法（表3）計(jì)算泥石流的流量明顯大于根據(jù)雨洪法計(jì)算的泥石流峰值流量（表2），表明溝道內(nèi)堵潰作用造成了泥石流流量沿程放大。

表3 形態(tài)調(diào)查法計(jì)算劉家溝泥石流流量Table 3 Calculated volumes of debris flow in Liujia gully

2.4.4 泥石流沖擊力計(jì)算

劉家溝形成流通區(qū)平均縱坡為468.16‰，使得泥石流在運(yùn)動(dòng)過程中，沿程流速加大，沖擊力增強(qiáng)，本文選取擬設(shè)工程部位為計(jì)算斷面，對(duì)單塊塊石最大沖擊力進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算公式如下，計(jì)算結(jié)果見表4。

表4 單塊塊石最大沖擊力計(jì)算結(jié)果Table 4 Calculated maximum impact force of a single stone

式中：F——對(duì)墩的沖擊力，kN；γ——?jiǎng)幽苷蹨p系數(shù)，巨石沖擊時(shí)取0.3；α——受力面與泥石撞擊面接觸角，取90°；W——巨塊石重力，kN；C1、C2——巨石與建筑物的彈性變形系數(shù)，取C1+C2=0.0005；Vs——泥石流中塊石移運(yùn)速度，m/s。

3 泥石流堵河可能性判別

3.1 泥石流與主河交匯條件

劉家溝溝口于2021年修建了長50.0 m的排導(dǎo)槽，排導(dǎo)槽過流面積23.22 m2，根據(jù)雨洪法計(jì)算是可以滿足20年一遇泥石流過流能力的，但由于排導(dǎo)槽與主河卡撒溝交匯角為87°，近似直角交匯，泥沙沉降速度加快［18］，較易形成堆積體，增加堵塞卡撒溝的可能性。

3.2 堵河可能性計(jì)算

根據(jù)泥石流溝口的斷面寬度、流量及泥石流重度參數(shù)、主河在匯口處斷面寬度、流量及河水重度參數(shù)，泥石流溝與主河交匯的夾角等，將主河與泥石流不同設(shè)計(jì)洪水頻率以及兩者不同組合條件下的相關(guān)參數(shù)帶入泥石流堵河流量判別指標(biāo)［19］公式進(jìn)行計(jì)算：

式中：QM——主河單寬流量，m3/s；QB——支槽泥石流單寬流量，m3/s；θ——泥石流溝與主河交匯的夾角，（°）；γG——支槽泥石流重度，kN/m3；γM——主槽水流重度，kN/m3。

計(jì)算得CF＝-8.42，即會(huì)產(chǎn)生堵河。

徐永年等［20］通過分析堵河影響因素，選取主要因子，得到泥石流堵江的危險(xiǎn)程度表達(dá)式：

式 中：γm、γc——主 河 和 支 溝 重 度，kN/m3；Qm、Qc——主河和支溝流量，m3/s；Jc、Jm——主河和支溝比降，%；θ——入?yún)R角，（°）。

據(jù)金川縣河流統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，卡撒溝長度23.5 km，落差2250 m，坡降95.25‰，流域面積246.2 km2，多年平均流量4.31 m3/s，由于溝口修建的排導(dǎo)槽使泥石流歸流，目前可見主支溝夾角為87°，卡撒溝水流重度取10 kN/m3，劉家溝泥石流重度取18 kN/m3。計(jì)算K＝20.74，根據(jù)莊建琦等［19］將K=10作為泥石流堵江的臨界指標(biāo)，K大于或接近10后泥石流便會(huì)發(fā)生堵江。

3.3 堵河規(guī)模判別

根據(jù)正交入主河的三角形堰塞體堵河，所需最小泥石流總量，則堵溝所需堆積體的最大體積依以下經(jīng)驗(yàn)公式估算：

式中：B、h——河面寬度、水寬，m；b——滑坡堆積體順河頂寬，m；ɑ——溝口原堆積扇或岸坡的坡度，（°）。

卡撒溝在此段河寬15.0 m，按形成3.0 m高的堰塞壩，水深1.5 m，溝口堆積扇坡度65°計(jì)算堵河所需堆積體體積為2419.30 m3，大于20年一遇泥石流固體物質(zhì)含量。

4 泥石流防治的特殊性

（1）形成流通區(qū)溝道兩岸松散殘坡積物層較厚，岸坡垮塌發(fā)育，未見明顯基巖出露，中部縱坡達(dá)432.28‰，溝道橫向平均寬度約6.0 m，最窄處僅3.0 m，溝底跌水。若在此段修建攔擋工程，回淤庫容和反壓穩(wěn)固方量極為有限，壩肩、壩基穩(wěn)定性堪憂，且溝道狹窄、縱坡較陡，設(shè)備轉(zhuǎn)運(yùn)以及布置的施工難度大。

（2）劉家溝泥石流在形成過程中，沿程鏟刮溝床質(zhì)堆積物、席卷坡腳殘坡積或崩坡積等松散堆積物以及堵塞體潰決導(dǎo)致流速、流量在向下游運(yùn)動(dòng)的過程中都呈現(xiàn)出顯著的沿程放大效應(yīng)，用傳統(tǒng)的雨洪法推求泥石流流量，與現(xiàn)場泥痕調(diào)查法得出的流量指標(biāo)相比偏小，防治工程的設(shè)計(jì)參數(shù)不能滿足實(shí)際流量的要求。

（3）出山口距離主河入口處有600 m，此段縱坡達(dá)111.45‰，溝道僅有1.0 m深，溝型不明顯，泥石流暴發(fā)時(shí)極易漫出溝道，因此此段需修建歸流工程，避免漫流與堵河成災(zāi)。

5 防治思路與措施

5.1 泥石流形成流通區(qū)設(shè)置潛坎群

防沖潛坎可以起到穩(wěn)固岸坡，防治物源揭底啟動(dòng)，潛坎應(yīng)急防沖以格賓石籠為宜。格賓石籠具有施工快速，就地取材，搬運(yùn)輕便，少擾動(dòng)的施工工藝。主體聯(lián)結(jié)強(qiáng)，整體穩(wěn)定，耐沖刷，成本較低，因其柔性強(qiáng)，可抵抗高強(qiáng)度壓力，可承受大范圍的變形而不破裂，可以依地勢靈活布置，整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，可有效提高地基承載力和沖刷淘蝕，且具有很強(qiáng)的抵御自然破壞及耐磨蝕和抗惡劣氣候影響的能力，使用壽命長。

5.2 出山口設(shè)置攔擋壩

劉家溝泥石流為粘性泥石流，并含眾多大石塊，縱坡較陡，在出山口處流速較大的石塊將產(chǎn)生巨大的沖擊力，嚴(yán)重威脅下游建筑物及卡撒溝的行洪?；诖?，經(jīng)現(xiàn)場比選在出山口處岸坡覆蓋層較薄，且溝道變緩，具有較好的攔擋條件處修建一座攔砂壩，以攔擋溝道中的巨石及較大固體物質(zhì)，減小泥石流對(duì)下游的破壞［21-22］。

5.3 堆積區(qū)設(shè)置排導(dǎo)工程

針對(duì)堆積區(qū)溝道縱坡可以排泄泥石流，與出山口攔擋壩銜接做成八字堤導(dǎo)流，修建雙邊防護(hù)堤，對(duì)泥石流進(jìn)行歸流，在入主河處修建雙邊排導(dǎo)槽，與主河呈小角度交匯，最大限度利用主河的輸移能力，對(duì)泥石流進(jìn)行排導(dǎo)［22］。

5.4 建立監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)

降雨是劉家溝泥石流暴發(fā)的激發(fā)因素，流域內(nèi)局部降雨明顯，且流域附近無雨量站。當(dāng)監(jiān)測到可能發(fā)生泥石流的臨界雨量時(shí)，及時(shí)進(jìn)行預(yù)警預(yù)報(bào)，減少災(zāi)害發(fā)生的可能性。另由于溝道內(nèi)物源比較豐富，在降雨激發(fā)情況下，物源一旦啟動(dòng)，極易形成堵潰性泥石流，因此建議加強(qiáng)群測群防，在溝道上游、中游及下游建立雨量監(jiān)測系統(tǒng)，尤其在溝道中游安裝裂縫計(jì)，加強(qiáng)對(duì)滑坡物源的監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)滑坡物源大規(guī)模啟動(dòng)時(shí)，及時(shí)采用聲光報(bào)警器進(jìn)行預(yù)警［23］。

防治工程規(guī)劃示意見圖5。

圖5 防治工程規(guī)劃示意Fig.5 Mitigation planning for Liujia gully

6 結(jié)論與討論

通過現(xiàn)場調(diào)查、理論計(jì)算與分析，探討了劉家溝泥石流的成災(zāi)特征并提出可行的防治措施，得出結(jié)果如下：

（1）劉家溝泥石流屬于高頻泥石流，由于溝道狹陡，溝口流速、流量出現(xiàn)沿程放大，使用雨洪法計(jì)算數(shù)據(jù)難以滿足工程設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)理念、方法與設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)均應(yīng)有所調(diào)整。

（2）劉家溝泥石流流域面積僅0.36 km2，平均縱坡為409.8‰，流域完整性系數(shù)為0.168，溝道橫斷面以典型V形，單位面積上物源量達(dá)98.11×104m3。溝口已建排導(dǎo)槽與主河呈大角度相交，加重了堵河可能性，泥石流堵河定量分析以及堵河所需體積計(jì)算均表明在發(fā)生20年一遇泥石流災(zāi)害情況下均會(huì)發(fā)生堵河。

（3）受限于較窄的溝道以及極陡的縱坡降，施工設(shè)備及材料轉(zhuǎn)運(yùn)、基礎(chǔ)開挖難度較大，在施工階段，需地質(zhì)災(zāi)害專業(yè)人員全面科學(xué)評(píng)估泥石流災(zāi)害的鏈?zhǔn)叫?yīng)，科學(xué)有效組織施工，避免次生災(zāi)害發(fā)生。

（4）需加強(qiáng)對(duì)溝道物源、溝域內(nèi)降雨量及泥石流活動(dòng)的動(dòng)態(tài)監(jiān)測，尤其是對(duì)松散物源穩(wěn)定性和失穩(wěn)情況的監(jiān)測，建議安裝專業(yè)儀器在汛期實(shí)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。