5·12地震后旋地泥石流形成条件及运动特征

蔡 磊,邓英尔,肖冰峰,童 憬

(1.成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室,四川成都 610059;2.河北冀东建设工程有限公司,河北 唐山 063020)

5·12地震后旋地泥石流形成条件及运动特征

蔡 磊1,邓英尔1,肖冰峰2,童 憬1

(1.成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室,四川成都 610059;2.河北冀东建设工程有限公司,河北 唐山 063020)

对四川省平武县旋地泥石流沟流域进行了现场调查,分析了 5·12地震后旋地泥石流沟形成泥石流的基本条件(物源和水源条件)。根据野外实地考察,确定旋地泥石流为稀性泥石流,重度为 1.724 t/m3。对泥石流沟动储量和易发条件进行评价,得出在暴雨、震动等不利工况下易暴发泥石流。在此基础上,提出了修建拦挡坝和排导槽等措施,以保护沟口居民生命财产安全。

5·12地震;旋地泥石流;形成条件;运动特征;防治措施

1 引言

泥石流是指在山区或沟谷深壑、地形险峻的地区,因暴雨暴雪或其他自然灾害引发的携带有大量泥沙以及石块的特殊洪流[1]。它是山区常见的一种地质灾害,具有突然暴发、破坏性大等特点。在 5·12地震后,四川省部分地区泥石流频发,造成部分河道堵塞,农田淹没,民房、公路、铁路等公共设施被破坏,给当地居民生产和生活带来了严重的威胁。我国的泥石流研究起步较晚,在 20世纪 30年代我国开始将泥石流作为水土保持工作的一部分初步进行研究,建国后经过不断发展,到现在已经逐步达到了成果系统化、规范化和实用化。随着我国西部大开发的进展,泥石流灾害隐患将会增加,灾害造成的损失也将大量增加,因此加强泥石流的综合研究意义重大[2]。

2 旋地泥石流形成的基本条件

旋地泥石流沟位于四川省绵阳市平武县南坝镇洪溪村境内,该泥石流沟由一条主沟和其西侧的支沟组成。依据主沟沟谷形态、地形地貌特征等特点,可以将主沟划分为三个主要区段,自上而下,分别是形成区、流通区和潜在堆积区(图 1)。在 5·12地震后,旋地主沟两侧山体发生崩塌、滑坡等不良地质现象增多,在沟道内形成大量的固体松散物质,为发生泥石流提供大量的物源。根据现场调查,当地降水较为丰富,且主沟整体坡降较陡,在暴雨等不利情况下,发生较大规模泥石流的可能性较大。而一旦发生泥石流将直接严重威胁主沟沟口处的灾后居民安置点共 32户 150人的生命财产安全①。因此,深入研究旋地泥石流形成条件及运动特征,并据此提出有效的防治对策,对 5·12地震后灾区重建工作意义重大。

图1 旋地主沟分区图

图2 旋地泥石流沟全景

2.1 地形地貌条件

旋地主沟沟域呈条形,主沟西侧发育有一条支沟。旋地主沟全貌图如图 2,主沟和其西侧的支沟剖面图分别如图 3、图 4。主沟沟域纵向长度约 1 650 m,流域面积为 0.76 km2,主沟形成区流向由东南向北西,流通区流向为由南向北,沟头最高点高程为 1 673m,沟口河床交汇处高程约 880m,相对高差 700多米,沟谷纵坡降 400‰左右。主沟平均宽度为20～30 m。支沟纵向长度较短,长约 550m,主沟与支沟交汇处高程为 1 356m,支沟流通方向为由南西向北东①。

图3 旋地主沟剖面图

图4 西侧支沟剖面图

沟域内山体地形切割极为强烈,山体上部坡度较陡,中部有一平台,为旋地社居民居住。从山顶到山脚山体坡度逐渐变缓。山体平均坡度 20～48°,大于 30°的急陡坡地占总面积的 70%,沟谷上游断面形态大部分呈“V”型,下游沟道断面呈拓宽“U”型。山前有涪江水系支流石坎河流过,河谷呈“U”型。

2.2 物源条件

研究区覆盖层主要由第四系松散的崩塌、滑塌堆积物(Q4col)和残坡积物(Q4el+dl)组成①。第四系崩塌、滑塌堆积物以碎块石为主,主要岩石成分为灰岩,其为“5·12地震”形成的次生地质灾害堆积物,分布于陡坎下部斜坡一带,层厚 0.2～3 m左右。第四系残坡积物主要由腐殖土、粘土和少量砂岩、粉砂岩碎块组成,主要分布于斜坡山脊上及坡度稍缓的山坡上。

出露基岩主要为震旦系上统水晶组地层(Zs2),岩性为薄层状结晶灰岩、千枚岩。地层产状较缓,岩层产状变化较大,在斜坡底部总体产状 225°～ 230°∠20°～ 25°,斜坡上部基岩产状变化为 307°∠26°。岩石风化弱 ～中等风化,局部节理裂隙发育。斜坡中部出露寒武系邱家河组地层(∈q),岩性主要为硅炭质板岩夹硅质岩,地层产状较缓,总体产状为 280°∠34°。表部岩石风化较严重,节理裂隙较发育。

旋地主沟沟内松散固体物质来源较为丰富,且物源分布较为集中,主要为坡面侵蚀物源和沟床堆积物源两类。

⑴坡面侵蚀物源

坡面侵蚀物源主要来自主沟上部 2#不稳定斜坡及小规模的滑坡,均为松散的坡积物。2-2区不稳定斜坡坡顶高程为 1 576m,前缘高程 1 380 m,相对高差 196m,整体坡型呈“三角形”,宽 520 m,长 240m,估算方量 6～9万方(见图5)。该不稳定斜坡第四系覆盖层较厚且较为松散,主要为亚粘土及碎块石土,未见基岩出露。不稳定斜坡整体滑动方向北西西向,正对下部主沟。

受 5·12地震影响,2#坡体变形迹象明显,不稳定斜坡表层产生数十条拉张裂缝,呈上宽下窄,走向为近南北向(见图 6),与下部冲沟方向大致平行,其延伸长度数米 ～数十米,宽度多在 5～10 cm,可见拉裂深度 20～50 cm。另外斜坡内形成多处下错台坎,下错距离 20～100 cm。在降雨条件下,更易形成地表水入渗,降低岩土体强度参数,导致坡体进一步变形,随着裂缝的扩展、地表雨水的下渗、滑动面抗剪强度的进一步下降以及临空面处位移的扩大,从而导致整个坡体失稳下滑,成为泥石流的重要物源 。

图5 2#不稳定斜坡全景

图6 不稳定斜坡表层拉裂缝

(2)沟床堆积物源

沟床堆积物源主要来自主沟和支沟内散落的堆积物(见图 7～8),堆积物由地震后两岸山体崩塌和滑坡形成的碎石和碎屑物质组成。

在 5·12地震后,主沟两岸山体次生了较多的崩塌和滑坡不良地质现象,岸坡滑塌提供松散固体物源大大增加,大量的块石、碎屑等物质崩落于主沟沟床底部,碎石块径大小不等,平均为 30～100 cm,最大块径达到 1～2 m。堆积物方量约在 5～8万方左右。这些碎石堆积于沟谷内,将成为泥石流的重要物源之一。此外,在主冲沟西侧支沟内,地震之后堆积了大量的崩积物,堆积方量在 10万方左右,也成为泥石流发生的重要物源。

图7 主沟内堆积物

图8 支沟内堆积物

2.3 水源条件

旋地主沟发生泥石流的水源主要来自大气降水。主沟顶部有一定的汇水条件,汇水面积超过 5万 m2。主沟内中上部未见水流出,冲沟下部发现有流水出露,水量中等。不构成引发泥石流的主要水源,沟域内没有水库、湖泊等集中的地表水体,因此暴雨形成的地表径流是引发泥石流的主要水源,暴雨是泥石流的主要激发因素。

平武县属亚热带季风气候区,主要特点是:夏无酷暑,冬无严寒,雨量充沛、四季分明,多年平均降水量为 807.6mm。降水最多的是 1955年为 1 155.4 mm,最少的是 1986年为480.8mm,极差 683.6mm;有自南向北由多变少之趋势。

主沟沟内虽然水流量较小,但沟谷纵坡较大,地形陡峻,客观上有利于地下水的汇集。平武县境内降雨量较为充沛,如果有持续的前期降雨,加上短历时高强度暴雨,则可在很短的时间内形成强大径流,冲刷沟床,搬运沟中下游的崩滑堆积物,形成较大规模的灾害性泥石流。

3 泥石流运动特征

3.1 泥石流流态

经过现场勘查,根据泥石流易发程度(N)查(N—γc— 1+φ)对照表获得[3],查表可得旋地主沟泥石流重度 =1.724 t/m3,可以预测旋地主沟泥石流为稀性泥石流[4]。

3.2 泥石流流速

泥石流流速是决定泥石流运动特征的重要参数之一,选取沟道顺直、断面变化不大、无阻塞、无回流、上下沟槽无冲淤变化沟段作为特征断面,运用泥石流流速计算公式[5]计算各特征断面流速。

其中:γw为清水重度,取 1 t/m3;为泥石流中固体物质比重,取 2.67 t/m3。

计算得旋地主沟泥石流平均流速为 5.17m/s。

3.3 泥石流流量

(1)旋地主沟清水流量

旋地主沟流域内无水文和降雨观测资料,因此根据《四川省水文手册》提供的暴雨资料进行流量计算。假定暴雨和洪水同频率出现,采用其推荐的推理公式[6]由设计暴雨推求设计洪峰流量。

式中:QP为雨洪峰流量(m3/s);i为产流系数,取 0.4;r为小时平均雨强(mm/h);F为流域面积(km2),取0.76 km2。

(2)旋地主沟泥石流流量

采用雨洪法来计算旋地主沟泥石流的流量。假设泥石流与暴雨同频率、且同步发生,先按水文方法计算出断面不同频率下的小流域暴雨洪峰流量,选用堵塞系数,按照公式[3]计算泥石流流量。

计算结果见表 1。

表1 泥石流流量计算结果一览表

3.4 一次泥石流过流总量及固体冲出物

(1)一次泥石流过流总量

对于一次泥石流过流总量 Q的计算,可根据泥石流历时T(s)和最大流量QC(m3/s),按泥石流暴涨暴落的特点,按下式计算[5]。

其中,T取 1 800s,K取 0.202。

(2)一次泥石流固体冲出物

一次泥石流固体冲出物按照规范提供的计算公式进行计算[5]:

式中:QH为一次泥石流冲出固体物质总量(m3);Q为一次泥石流过程总量(m3)。

计算结果见表 2。

表2 泥石流一次过程总量和冲出固体总量计算结果一览表

式中:Vs为泥石流中大石块的移动速度(m/s);dmax为泥石流堆积物中最大石块的粒径(m),取 1.8;α为全面考虑的摩擦系数,取 4。

根据以上公式,计算得石块运动速度为 5.37m/s。

3.5 泥石流中石块运动速度

根据以下经验公式近似计算石块运动速度[5]:

4 旋地泥石流发展趋势分析及防治措施

4.1 泥石流发展趋势分析

旋地社主沟虽然未发生过泥石流,但是 5·12地震后崩塌、滑坡等不良地质现象发育,又由于主沟内松散物总储量丰富,沟谷纵坡降较大,所以在暴雨等不利工况下易于发生泥石流灾害。

按照泥石流沟的数量化综合评判及易发程度等级标准[3],对标准中 15个因素进行评分,旋地社主沟泥石流易发程度综合评分为 105分,易发生泥石流[7]。

根据前述对泥石流易发程度的分析,旋地社主沟泥石流属于沟谷型泥石流。旋地主沟内松散物质为发生泥石流的重要物源,此外,主沟上部存在 2#不稳定斜坡也是发生泥石流的潜在物源。5·12地震后 2#不稳定斜坡表层产生了张拉裂缝和下错台坎,在强降雨或山洪暴发的情况下可能会使 2#斜坡体产生失稳,滑进主沟成为泥石流的重要物源之一。由于旋地主沟沟道较陡,高差较大,且物源和水源条件都具备,在暴雨等不利工况下易于发生泥石流,泥石流正处于发展期。

4.2 泥石流防治措施

根据旋地主沟和支沟内泥石流形成的条件、形成机制、基本特征、发展趋势分析和危害对象,在旋地主沟与支沟交汇下方沟内设置格栅坝,起到拦石排水的效果,用以拦挡形成区内大颗粒块石,减少泥石流的物源。在主沟流通区中下游处布设谷坊坝以稳定物源,抬高沟床,降低流速。在沟口采用排导措施,将泥石流引到沟口石坎河,保证沟口灾后居民安置点的安全。

5 结论

通过对旋地泥石流沟域的详细调查,确定泥石流主沟纵向长度约1 650m,相对高差约 700m,沟域面积为 0.76 km2,沟道平均纵坡为 254‰,重度为 1.724 t/m3,为稀性泥石流。通过公式计算得出主沟泥石流平均流速为5.17m/s,20年一遇的泥石流峰值流量为 27.89 m3/s,一次泥石流过流总量为8715.492m3,一次泥石流固体冲出物为 3782.52m3,泥石流中石块运动速度为 5.37m/s。

5·12 地震后沟道内物源较丰富,主沟动储量约 9万方,加之较为丰富的降水条件,使其具备泥石流发生的条件。该沟一旦暴发泥石流,将会直接威胁沟口灾后居民安置点人民的生命和财产安全。

通过对泥石流沟的数量化综合评判及易发程度等级标准评价表明,该泥石流沟在暴雨、震动等不利工况下有可能会发生泥石流。

[1]刘亚柯.浅谈泥石流危害的治理措施[J].能源与环境,2010,13:157.

[2]曾思伟,王得楷.泥石流研究与展望[J].甘肃科学学报,2003,15:10-14.

[3]国土资源部.中华人民共和国地质矿产行业标准 DZ/T0220-2006,泥石流灾害防治工程勘查规范[S].2006.

[4]张自光,张志明等.都江堰八一沟泥石流形成条件与动力学特征分析[J].中国地质灾害与防治学报,2010,21(1):34-38.

[5]中国地质调查局.中华人民共和国地质矿产行业标准 DZ/T0239-2004,泥石流灾害防治工程设计规范[S].2004.

[6]四川省水利电力厅.四川省中小流域暴雨洪水计算手册[M].成都:四川水利电力厅,1984.

[7]余火明,鲁华侨.浙江省仙居小流域泥石流成因分析及其易发度评价[J].中国地质灾害与防治学报,2009,20(1):21-26.

Form ation conditions and dynam ics characteristics of the Xuandi debris flow a fter the 5·12 Earthquake

CAI Lei1,DENG Ying-er1,XIAO Bing-feng2,TONG Jing1
(1.State Key Laboratory of Geohazard Prevention and Geoenvironment Protection,Chengdu University of Technology,Chengdu 610059,China;2.Hebei Jidong Construction Engineering Com pany Limited,Hebei,Tangshan 063020,China)

According to the on-site investigation of the valley and the Xuandi in Pingwu Country of Sichuan Province,we analyzed the basic conditions of the Xuandi debris flow gu lly after the W enchuan May 12th Earthquak.Based on the field investigation,the property of the gully is determ ined as diluted debris flow,and the density is 1.724 t/m3.Trough the evaluation of the dynamic reserves and the conditions of the debris flow,we get the resu lt that in the heavy rain,vibration and other adverse conditions such as debris flows would broke outeasily.On this basis,we put forward the engineeringmeasures adopted including has obstruc t and the platoon leads.So as to protect the lives and p roperty security of the debris flow gu lly of residents.

the 5·12 Earthquake;Xuandi debris flow;formation conditions;movement characteristics;p revention methods

P375

B

1004-1184(2011)01-0138-04

2010-09-01

四川省教育厅重点科技项目(07ZA009);教育部博士点基金项目(20095122110006);国家自然科学基金项目(40572163)

蔡磊(1985-),男,江苏徐州人,硕士研究生,主要从事环境地质研究。