四川省江油市四里沟泥石流基本特征及危险性评价

张建新,闫晋龙,杨家林

(河南省有色金属地质矿产局第六地质大队,河南 洛阳 471002)

1 自然环境概况

1.1 流域概况

四沟里总体上为深切割“V”型谷,总体上具有岸坡陡峻,切割深度较大的特点。主沟纵长1 270 m,主沟沟头最高点大口山高程为1 702.6 m,沟口与清江支流交汇处高程为723.7 m,相对高差 978.9 m,主沟平均纵坡降 500‰ ～600‰,其中形成区以上沟段纵坡陡峻,而以下沟段总体上纵坡略缓,且呈现陡缓相间的空间变化特征。沟谷平面上谷宽总体上上游窄,下游较宽,且也呈现出时宽时窄的变化特点。四沟里下游流量 0.2 m3/s左右,丰水期流量可达 2.0～5.0 m3/s,主要接受大气降水和泉水补给,流量受降水量影响较大,总体上地震后流量有所增大。

图1 四沟里沟域全貌图

1.2 气候条件

江油市属于亚热带湿润季风气候区,具有气候温和,四季分明,雨量充沛,夏热冬暖等特点。根据江油市气象局1957年至 2005年观测资料统计,多年平均气温 15.9℃,多年平均降雨量为1 050mm,每年降雨集中在 6～9月,其降雨量达到 788.2mm,占全年降雨量的 72.8%。

特别指出的是近两年来出现两次特大日降雨量分别为351mm(2008年 9月 24日 )和 278mm(2009年 7月 14日 )。这两次江油全区普降大到暴雨,楠木园村周围沟渠暴满,其中 2008年 9月 24日暴雨引发泥石流,泥石流淤满了楠木园村在四沟里修建的一座小水库,毁坏了下游的部分梯田,损坏了下游的一条乡村道路的部分路段,给当地居民造成较大的经济损失。

1.3 地质环境条件

勘查区处于前龙门山地层分区,主要为中生界三叠系上统须家河组 (T3x)、第四系松散堆积层(Q4)。现分述如下:

1)中生界三叠系上统须家河组 (T3x)

浅灰、深灰色灰岩及黄灰、灰绿色页岩。在四沟里泥石流沟的形成区、流通区出露,该岩组分布广泛。岩层产状120°∠65°,岩层构造裂隙较发育,该层厚度大于 50m。

2)第四系崩坡积物(Q4col)、洪积物 (Q4pl)、残破积物()

为块碎石土,呈稍密 ～中密状,由粉质粘土、角砾、碎石、块石组成,灰色,棱角状,结构呈松散 -稍密状,块径一般 50～80 cm不等,大的有 150 cm以上,母岩岩性为强风化灰岩、泥岩等,局部耕作段表层1 m左右为粉质粘土夹碎石,土石比为 5∶5至 3∶7,该层厚 0～20m。稍湿、可塑状,底部含风化岩屑。主要分布于沟谷及坡脚缓坡地带。

2 泥石流基本特征

2.1 泥石流灾害史及灾情、危害性分析

2.1.1 泥石流灾害史及灾情

四沟里沟为老泥石流沟,曾于 2008年发生大规模的泥石流灾害。2008年 9月 24日 9时,楠木园村遭遇 50年一遇的特大暴雨,日降雨量 351 mm,四沟里沟发生泥石流,一次性冲出松散物质方量约3 500 m3,该堆石坝阻挡了泥石流中主要物质的流通,致使大量泥石流携带的松散物质堆满小水库。少量粒径较小的松散物质随泥石流冲过堆石坝流走,破坏了下游的部分农田。据统计,本次泥石流活动已造成直接经济损失 15余万元。

2.1.2 泥石流危险区范围及险情

四沟里沟泥石流危险区范围主要为沿沟两岸预测最高泥位线以下区域、四沟里沟中段因弯道超高可能淹没的区域及支沟泥石流威胁的区域。据此确定的泥石流危险区泥石流危险区面积为 0.015 km2。

根据确定的泥石流危险区范围,四沟里沟威胁对象主要为楠木园村三、四组居民点 9户 30人的生命和财产安全,并对沟口两岸的农田、1条乡村公路及 2座桥涵造成威胁,直接威胁财产 300万元以上。四沟里沟泥石流目前危害程度属小型。

2.2 泥石流各区段冲淤特征

2.2.1 形成区冲淤特征

四沟里主沟及支沟上游坡度较大(多在 30°～80°左右),沟谷纵坡较陡(在 400‰以上),且区域性地壳运动表现为强烈抬升为主的运动特征决定,形成区的冲淤特征视不同沟段和主、支沟条件的差异而表现出不同的特点,另外,因降雨量及其分布的不同、沟道内洪水(或泥石流)流量的差异,其冲淤现象也会出现一定的差异,总体上看,主沟上段冲淤特征表现为以冲为主的特点,主沟下段冲淤特征表现为以淤为主的特点,而支沟表现为以冲为主的特点。

2.2.2 流通区冲淤特征

流通区的冲淤特征视不同沟段和主、支沟条件的差异而表现出不同的特点,另外,因降雨量及其分布的不同、沟道内洪水(或泥石流)流量的差异,其冲淤现象也会出现一定的差异,总体上看,主沟上段冲淤特征表现为以冲为主的特点,主沟下段冲淤特征表现为以淤为主的特点,而支沟表现为以冲为主的特点。

2.2.3 堆积区冲淤特征

堆积区分布于四沟里沟中段以下,因其沟道经堆积扇区中部通过,该段沟道坡度 5°～10°,这种条件决定该沟段冲淤特征仍为以淤为主的特点,在但大规模暴雨洪水或稀性泥石流作用下,其冲刷作用将加剧,如 2008年泥石流即对沟床产生了一定的冲刷侵蚀,据访问和调查,其最大侵蚀深度达 1m左右,平均侵蚀深度 0.5m左右。

2.3 泥石流发生频率和规模

根据以往四沟里沟泥石流的灾害史,该泥石流为低频泥石流,但随着地震后物源量的增多,引发泥石流的激发雨量可能减小,因此,其发生频率可能加密。泥石流发展阶段为发展期。

5.12 地震后至今,四沟里主沟发生过一次泥石流灾害,沟内崩塌、滑坡等不良地质现象和泥石流松散固体物质增多,泥石流暴发的危险性增大,一旦遇到暴雨等不利情况,其发生较大规模泥石流的可能性较大,只要雨量足够,再次暴发泥石流的规模可能达到甚至超过 2008年 9月泥石流规模,如不及时治理,可能对沟口楠木园村居民生命财产安全形成严重威胁。

2.4 泥石流的成因机制和引发因素

四沟里主沟泥石流在暴雨作用下,大量汇集于沟道,汇流过程中将坡面松散泥沙及坡面的各类松散堆积物源携带进入沟道,并顺沟而下,通过沟道揭底冲刷卷动沟道内的松散堆积物源,并将两侧沟岸松散固体物质带走,以滚雪球的方式下向游运动,从而暴发泥石流灾害。

在暴雨作用下,支沟的汇流大部分进入主沟,因而,主沟的水流量远大于支沟,而支沟泥石流的固体物质则部分部分停积于沟口平缓开阔地段,部分汇入主沟,因而支沟泥石流往往在汇入主沟后被大大稀释,其重度降低,而流量则从上游向下游逐步增大,冲刷能力增强,并将主沟两岸及沟底的松散固体物质带向下游,因此,主沟主要为稀性泥石流或高夹沙洪水。

在泥石流形成过程中,沟域内地形陡峻,沟谷纵坡大为水源和泥沙的汇聚提供了有利的地形地貌条件,四沟里沟中上段两岸及支沟中上游地段强烈的崩滑现象和震后水土流失的强剧,以及沟道内大量的沟道堆积物为泥石流的发生提供了丰富的松散固体物源,而暴雨则是泥石流形成的主要引发因素。由于沟谷地形陡峻,易于汇水,水源丰富,泥石流类型主要为稀性泥石流。

泥石流规模主要与沟域内松散固体物源的累计和动态变化情况及与引发泥石流的暴雨情况相关,当沟域内松散固体物源累积较多,且遇到集中暴雨时,往往就会发生较大规模的泥石流灾害。2008年泥石流后,沟域内大部分可参与泥石流的固体物源被泥石流带走,5.12地震后,四沟里沟域内崩塌、滑坡等不良地质现象增多,可参与泥石流活动的松散固体物源量也大大增加,据访问调查,目前累积的松散固体物源量已超出 2008年泥石流爆发前的物源量,一旦遭到较大暴雨的作用,势必引发大规模的泥石流灾害。

2.5 泥石流起动条件及发展趋势

2.5.1 泥石流起动条件

物源启动(失稳)一般受两大因素制约,一是内在条件,具体包括:①物源本身的胶结和密实状况,②物源现状稳定性,③物源所在边坡地形坡度。二是诱发条件,具体包括:①水流冲刷,②降雨条件。

汇水 ～物源区堆积体结构松散,无胶结,堆积坡角30°～50°,多数物源处于不稳定或潜在不稳定状态,是形成泥石流的主要物质来源。流通区和堆积区中的松散堆积物较多,植被发育较差,堆积坡角 25°～45°,处于潜在不稳定状态,是泥石流爆发的主要物源。

水流冲刷,实际上是指松散物源与水流冲沟之间的位置关系。具体而言,松散物源距水流冲沟越近,水流冲刷对其影响越大,越不利于其稳定。故汇水 ～物源区松散物源可直接补给泥石流。

通过对楠木园村四沟里发育特征分析可知,楠木园村四沟里泥石流爆发与雨季降雨密切相关,因此降雨是诱发泥石流的首要因素,而水流冲刷一般情况下是随着降雨作用相伴生的。

2.5.2 泥石流发展趋势特征

如前所述,楠木园村四沟里泥石流形成—流通区不稳定物源较丰富,并且植被发育一般,是形成泥石流的主要物质来源区,并且形成—流通区沟道弯道较少,因此可以使洪水快速聚集。流通区沟谷以瘦“V”形为主,两侧陡崖发育,由于纵坡降较大,沟谷畅通,对泥石流可以起到很好的加速作用;沟谷两侧物源松散,稳定性差,容易被泥石流携带,并且谷坡裸露基岩为易风化且裂隙发育的石英闪长岩,在特大暴雨条件下很可能导致局部崩塌,直接成为泥石流物源,并且可能会堵塞沟道,使泥石流产生阵流,能量集聚爆发,最终形成较大规模的泥石流。堆积区平缓、宽阔,有利于泥石流携带的固体物质沉积。

综合分析目前楠木园村四沟里的地形条件、固体松散物质发育状况、水力条件等方面的因素,并结合工程地质类比分析,楠木园村四沟里潜在泥石流的类型为低频稀性泥石流,但因“5.12”地震的影响,大量山体崩塌、滑塌,在沟中堆积了大量的松散物质,且植被大面积破坏,岩体破碎,为泥石流的发生提供了充足的物质来源,在大暴雨或特大暴雨条件下有发生泥石流的可能

3 泥石流危险性评价

3.1 泥石流危险性指数

为了分析泥石流现状及对当地居民形成危害的潜在危险性,我们采用了地质灾害危险性分析的方法,分析研究区泥石流危险性指数构成,

以整个楠木园村四沟里流域范围做为分析单元,分析影响泥石流潜在活动强度的各种控制条件,在此基础上建立泥石流危险性指数计算模型,从而确定泥石流灾害的发育特征。参考前人的分析经验,采用下式计算泥石流危险性指数(ZW):

式中:Zl、Zq为泥石流的历史强度和潜在强度;Al、Aq为历史强度和潜在强度的权重,分别为 0.3和 0.7;α为修正系数,泥石流取 0.46(据张业成等)。历史灾害强度按下式计算:

G、P为历史活动规模和活动频率的评判等级分值,根据泥石流的堆积体积和活动性各取 0～5之间的数值。该值是依据我们的工作经验按两类因素分别取值后叠加形成的。

潜在泥石流危险强度按下式计算:

式中:D、X、Q、R分别为控制泥石流形成与发展的地质条件、地形地貌条件、气候植被条件、人为条件充分程度的标度分值,评分标准采用张业成等人的研究成果,Ad、Ax、Aq、Ar为四类泥石流形成条件的权重。K为修正系数,这里取 0.7。以上分析中所使用的权重是张业成先生等采用专家问卷调查的方法并对调查结果采用层次分析后获得的,依据充分,结果是可信的。

根据以上标准和楠木园村四沟里的实际情况,危险性指数计算参数 D、X、Q、R值分别为 :14、16、3、2;G、P值分别为2、5;经计算潜在危险性 Zq为 6.419,历史危险性为 10,楠木园村四沟里泥石流危险性指数 ZW为 3.447。按照危险性指数判别标准:楠木园村四沟里泥石流为危险性中等。

3.2 泥石流危害性等级评价

泥石流灾害一次造成的死亡人数或直接经济损失可分为特大型、大型、中型 4个灾害等级。

表1 泥石流灾害危害性等级划分表

根据泥石流危害性评价标准,结合楠木园村四沟里泥石流灾害造成的直接经济损失,泥石流危害性等级为大型。

综上评价结果可知,楠木园村四沟里泥石流易发程度评价为中等易发,危险性指数评价为中等,危险性等级评价为大型。因此:楠木园村四沟里是一条典型的泥石流沟,中等易发,危险性为中等,进行治理是势在必行。

4 防治工程建议

泥石流治理的目标是减灾、防灾以确保城市规划建设的安全为目标。根据四沟里泥石流现有的形态、规模以及威胁对象情况,建议采用一级拦砂坝 +防护堤进行治理。

(1)一级拦砂坝:结合泥石流现有的地形地貌、威胁对象以及物源分布情况,在楠木园村四沟里设置 1道拦砂坝:作用在于拦截泥沙等固体物质,调节下泄水量和输沙量,利用回淤效应稳定斜坡和沟谷,降低河床纵坡。具体位置参照工程布置平面图。

(2)防护堤:针对具体居民区的防护对象,修建防护堤工程,防止泥石流乱流、漫流冲击、於埋居民区的房屋、田地,保护当地村民生命安全。

5 结论

(1)楠木园村四沟里泥石流为易发泥石流沟,危害性大、危险性大,需要进行工程治理。

(2)楠木园村四沟里泥石流防治工程方案采用拦、排、稳相结合的综合治理措施。经四川省绵阳市国土局组织有关专家评审,一级拦砂坝 +防护堤治理方案可行。

[1]四川省江油市石元乡楠木园村四沟里泥石流应急勘查、可行性研究、初步设计报告.化工部郑州地质工程勘察院,2009.

[2](DZ/T0220-2006)泥石流灾害防治工程勘查规范.国土资源部,2006.

[3](DZ/T0239-2004)泥石流灾害防治工程设计规范.国土资源部,2006;

[4]廖兴发等.地质勘察与地质灾害监测评估防治技术实用手册,地质出版社,2002.

[5]何平等.泥石流危险性评价.地质出版社,2006.