蔡园沟泥石流的特征研究

马新军

(广东金东建设工程公司,广州510080)

1 引言

蔡园沟位于阿坝州九寨沟县境内,蔡园沟流域内地貌主要以构造侵蚀中高山及构造侵蚀峡谷地貌为主,流域面积约 0.7km2,最高点海拔1 920m,位于沟谷后缘,最低点海拔1 620m,位于白马河左岸边,相对高差约300m,主沟长约1.32km,平均沟床纵比降为227‰,蔡园沟流域内没有支沟发育。其卫星航片图如图1所示。

图1 蔡园沟卫星航片

蔡园沟在1986年6月发生过泥石流,罗依乡突降特大暴雨,持续时间2～3h(根据历史降雨资料,1986年6月,本地区月降雨量达139mm),在高强度降雨的作用下,流域内山坡上松散固体物质启动流入到沟内形成泥石流;在下游一沟道拐弯出,泥石流冲出沟道,把沟边4座民房局部冲毁。5◦12地震后,流域内的松散物源有所增加,因此,有必要对蔡园沟的泥石流发育特征、形成条件、发展趋势及工程影响进行深入细致的研究,为蔡园沟泥石流防治工程的设计提供地质依据。

2 泥石流形成条件

2.1 物源条件

对泥石流的形成 、补给有重要意义的是松散固体物质的储量。主要包括基岩风化、卸荷的产物,基岩残积物及不稳定的滑坡、崩滑体及沟床堆积体 ,还有人类工程活动形成的松散堆积体,所有这些都为一定条件下泥石流的发生奠定了物质基础。

2.2 地形地貌条件

蔡园沟在新构造运动作用下,沟道切割强烈,上游沟道呈“U”字,谷底宽 5～10m,下游沟道呈“V”字型,谷底宽 2～ 10m,两侧谷坡坡度10～30°,谷坡临近沟谷的前缘形成陡坎,坡度达70～90°,蔡园沟中下游沟谷两侧植被不发育,主要为村民住房和庄稼地;蔡园沟后缘地形较陡,谷坡坡度约30～50°,且后缘的植被较为发育,植被覆盖率70%～85%。

2.3 地层岩性

区内出露地层主要为二叠系下统大关山组(P2-21)、第四系残坡积层(Qel+dl4 )、河流冲洪积层(Qal+pl4 )、崩坡积层(Qcol+dl4 )和泥石流堆积层(Qsef4),第四系各类不同成因的松散堆积层沿谷坡及河谷分布。

2.4 气象水文

九寨沟县属川西高原气候中的暖温带干温河谷气候。特点是温和偏冷,夏短冬长,垂直差异大,昼夜温差变化大,县城海拔 1 400m。年均气温12.7℃,一月平均气温1.7℃,七月均气温22.3℃。据九寨沟县气象站的记录,1975～2000年期间区域内6h最大降雨量为37.3mm,同时雨量随海拔高度升高而增加,平均降雨梯度约为4mm/100m;1h最大雨强和10min最大雨强分别为40mm和20mm。由此可见,少见的高强度暴雨,是导致此次泥石流暴发的主要原因之一。

3 泥石流沟的基本特征

3.1 物源区特征

蔡园沟泥石流物源主要来自流域内的沟床两侧堆积物及崩塌堆积体。蔡园沟物源分布范围较大,主要物源位于海拔1 725～1 920m。该区域构造发育,岩层破碎,新构造运动较为活跃,易形成崩塌,堆积于主沟床两侧,粗颗粒及泥石流堆积物呈长条状分布于沟床之上。

3.2 流通区特征

流通区分布高程1 720～1 950m,长约400km,沟床坡降230‰,沟谷宽窄不一,宽度一般5～15m,切割较深。沟谷两侧坡度一般在25～45°之间,谷坡前缘近直立;流通区两侧主要为崩坡积物,堆积物松散～稍密,局部近的近直立的不稳定堆积体,在暴雨条件及沟中水流的作用下,可能倒塌入沟中,直接成为泥石流物源。在沟谷两侧分布的崩坡积物厚度较大,谷坡上植被发育较差,主要是村民的住宅和庄稼地。沟床上堆积有呈次棱角状～次圆状的卵砾石,粒径几厘米至几十厘米。总之,流通区内沟谷较狭窄,切割较深,呈拓宽V字形或U字型,沟谷两侧有大量的固体物质可为泥石流提供物源。

3.3 堆积区特征

蔡园沟沟口位于白马河左岸,堆积区范围内主要为罗依乡顺和村、大寨村村民住宅地和庄稼地,是人类活动的场所。蔡园沟和白马河交汇处,由于白马河水流量较大,蔡园沟沟口处的泥石流堆积物被白马河水流带走,故沟口的泥石流堆积物佷少;沟前缘由于沟谷较深,泥石流物质沿沟堆积,在每年雨季水流的冲刷下,遗留下的泥石流物质也较少;在泥石流冲出沟谷部位,由于是村民的居住地,故泥石流堆积物基本被清理干净,没留下泥石流堆积物。

3.4 泥石流的动力学与运动学特征

3.4.1 泥石流流速计算

泥石流流速计算的方法较多,本文采用铁道科学研究院西南科学研究所研究东川泥石流后推荐的流速改进公式：

式中VC为泥石流流速(m/s);γC为泥石流容重(t/m3);γH为泥石流中固体颗粒容重(t/m3);mc为巴克诺夫糙率系数;R为水力半径,1.925m;I为泥石流水面坡度或沟床纵坡,‰;α为泥石流阻力系数;φ为泥石流修正系数。计算结果见表1。

表1 泥石流流速计算成果

式中Sp=H tp◦tn2-1;SP为某频率的雨强值(mm/h);F为流域汇水面积(km2);τ为汇流时间;n为暴雨参数;μ为产流参数(mm/h);H tp为设计频率的th最大降雨量(mm),计算结果见表2。

3.4.3 泥石流总量的计算

根据泥石流暴涨暴落的特点,将其过程概化为三角形,并认为洪水流量达到峰值流量时,泥石流流量亦达到峰值。根据对当地居民的访问以及对泥石流形成条件分析,给定在不同设计频率下的泥石流持续时间T。泥石流输砂量计算公式为：

3.4.2 泥石流流量计算

泥石流流量的计算,有雨洪修正法和泥痕调查法。对于雨洪修正法,采用我国学者对东川泥石流研究得出的流量公式(简称东川公式)：

式中QC为泥石流流量(m3/s);QB为泥石流沟的洪水流量(m3/s);φ为泥石流修正系数。DC为泥石流堵塞系数。

据《四川省中小流域暴雨洪水计算手册》：

式中QS为泥石流输砂量(m3/s);QC为泥石流峰值流量(m3/s);QB最大洪水流量(m3/s);t为泥石流持续时间,计算结果见表2。

表2 泥石流流量计算成果

3.5 泥石流的成因类型分析

蔡园沟沿沟分布有丰富的松散固体物源,在降雨的作用下,松散堆积体在沟中水流的淘蚀及雨水的作用下,堆积体前缘土体倒塌入沟中,另有坡体表面的固体物质不断被地表径流带入沟中,大量的固体物质在沟内聚集,在势能的作用下沿着沟道运动;在沟道狭窄处,如有较大直径的岩石在此处被卡住,将会形成沟道的堵塞,在堰塞坝后由于固体物质和水流的蓄积,势能将不断增大,势能达到一定程度时,会造成溃坝,沟中固体物质在这种较大蓄积势能的作用下,沿沟奔流而下,形成泥石流。

3.6 泥石流发展趋势评价

据调查访问,蔡园沟在1986年发生的这次泥石流是近年来最大的一次,该次发生的泥石流冲出沟谷,造成沟边四处房屋的局部损坏。该沟发生较大洪水的周期为15～20年,但多次洪水均未诱发泥石流,这说明泥石流的发生并非与洪水的周期直接相关。由于蔡园沟植被较发育,纵坡降较缓,主沟沟长较短,诱发大规模泥石流的可能性较小。

蔡园沟流域的降雨量、降雨类型、雨强和暴雨频率基本不变,因此诱发泥石流的外动力条件没有改变,泥石流爆发的基本规律不会发生改变。

根据访问和调查,蔡园沟泥石流的形成主要和其流域的地形地貌、气候有关。蔡园沟流域内的人类活动,主要是开垦沟两侧的荒地种庄稼,使得沟两侧的松散堆积体增多,这些人类活动将进一步促进泥石流的发生。目前,该泥石流沟危险性为较小,在人类活动继续加强和5◦12地震的影响下,泥石流危险性将向中等危险发展。

4 泥石流防治对策

蔡园沟泥石流治理工作以防灾减灾为出发点,综合治理为立足点。合理应用固坡、排水和生物措施,形成一个完整有效的泥石流灾害防治体系,从而根治泥石流灾害的危害。因此,根据蔡园沟泥石流的形成环境、基本性质、活动规律、发展趋势及危害程度等特征,兼顾客观需要和工程实施的可能性,从整体治理和恢复生态平衡的角度出发,确定蔡园沟泥石流的防治对策。

(1)土地整理与改良。由于泥石流沟坡表层种植土基本流失殆尽,应对坡面进行土地整理,并适当对种植土进行改良,以利于自然植物的生长恢复。

(2)生态拦挡,径流排导。对坡面进行地形整理,采用松木桩和生态植被袋、砌石以及地被植物拦挡措施,实现对坡面径流的缓冲、截流、排导,以分散径流、降低冲刷;同时塑造微地形、缓坡和平台,用以种植根系发达的水土保持植物;在面积集中区域加大沿线的灌草植被密度,提高抗冲刷能力和对雨水径流中泥沙的过滤净化功能。

(3)恢愎植被。采用播种和栽种相结合,栽种植物采用片植和沿坡面自然式配制模式,片植以根系发达的植物为主。

(4)对泥石流沟道内残留的堆积物和沟口堆积物,采取相应的清淤、排导和拦挡等措施,尽量削减泥石流灾害的规模。

5 结语

蔡园沟泥石流属于稀性泥石流,近年来在发生过较大规模的泥石流。近年来沟域内人类种庄稼及5◦12地震的影响下,使得沟谷两侧的松散物源增多,具备了爆发泥石流的松散物源条件,蔡园沟处于泥石流的发展期,在将来可能会爆发规模中等的泥石流,泥石流的爆发势必会对沟两侧居民和土地产生重要影响。直接影响体现在泥石流掏刷或冲出沟,直接损坏沟侧房屋,影响人民生命财产安全。

(1)针对蔡园沟泥石流的活动区域,采取有效的治坡、治沟和排水等工程措施,综合治理泥石流的形成环境,沟坡兼治,治沟为主,保证沟坡土体的稳定,达到防止发生泥石流灾害的目的。

(2)开展植树造林,恢复山体斜坡地面被毁坏的植被,改善生态环境,控制水土流失,保护坡脚泥石流沟口地带居民的房屋和人身安全。

[1]刘希林,唐 川.泥石流危险性评价[M].北京：科学出版社,1995.

[2]刘传正.地质灾害指南[M].北京：地质出版社,2000.

[3]李彦军,刘汉超,石豫川.四川某电站库区泥石流的特征研究[J].水土保持研究,2005,13(2)：194～197.