四川省安县魏家湾泥石流灾害形成条件及发展趋势分析

胡元君

(河南省地质矿产勘查开发局第一地质工程院,河南 驻马店 463000)

“5.12”汶川大地震给灾区人民造成了巨大的灾难,地震造成的地质灾害活动还将在较长一段时间内处于活跃期。“5.12”汶川大地震后,流域内的王爷庙沟和王家沟 2条支沟多次发生较大规模泥石流(见图 1),魏家湾泥石流沟的主沟虽未发生泥石流,但具备有利于发生泥石流的地形、物源和水源条件,泥石流暴发的规模和频率将显著增加,威胁当地居民的生命财产安全,同时也威胁到沟口晓茶公路等基础工程设施。

图1 魏家湾泥石流流域略图

1 泥石流形成条件分析

1.1 地形条件

1.1.1 区域地形条件

魏家湾地处龙门山脉茶坪山东侧的中山地区,地势北高南低,流域内上游宽、中下游窄,形成不规则的漏斗状,因受构造侵蚀和溶蚀等地质作用的影响,地形切割较深,一般切割深度为 500～1 000 m,谷坡陡峻,坡度达 45°～60°。相对高差大,地形陡峻,沟床纵坡大,为泥石流形成提供了有利的地形条件。

1.1.2 主沟地形条件

魏家湾泥石流沟的主沟长度 11.94 km,相对高差1 285m,平均每公里水平距离升高 107.6 m,其中上游(沟头到柿子园处)沟道纵坡降为 145‰,下游(三岔河处到茶坪河河滩)沟道纵坡降为 41‰,沟道平均纵坡降为 108‰。地形坡度多在 35°以上,存在巨大的相对高度,山坡上分布的松散岩土体对沟口而言,均存在有巨大的位能,在条件适宜时就会转化为启动和搬运岩土体的巨大的动力来源。

1.1.3 支沟地形条件

流域内支沟王爷庙沟沟道长度 2.75 km,相对高差1 182m,平均每公里水平距离升高 429.8m,平均纵坡降为430‰,并有多级跌坎;支沟王家沟沟道长度约 2.10 km,相对高差达1 144 m,平均每公里水平距离升高 544.7m,王家沟沟平均纵坡降为 545‰,也有多级跌坎;支沟地形坡度多在45°以上,通常松散土石体的休止角为 35°,支沟山坡上的松散固体物质处于不稳定状态。在雨水或其他外力作用下,这些物质一旦失去平衡,便会启动,在陡峻的山坡上,位能将迅速转化为动能,为泥石流形成物质的启动和聚积提供强大的动力。同时这些地形特征十分有利于坡面的固体物质以面蚀、崩塌、滑坡和坡面泥石流方式向沟内聚积,支沟物质以支沟泥石流或高含沙水流的方式向主沟聚积。

1.2 物源条件

1.2.1 松散固体物质的来源

魏家湾流域主要出露古生界(S2-3、D1pn、D2gn、D3tn、C、P)和中生界(T1f+t)地层,岩性主要为灰白色石灰岩(90%以上)和少量的紫红色泥岩、粉砂岩,岩体质地坚硬、致密,抗风化能力强。该区域为龙门山褶断带与四川盆地结合部位,沟域内断层发育,共发育四条北东 -西南向断裂,这些断裂的活动使一定范围内的岩体遭到强烈破坏。5.12汶川特大地震该流域地震烈度达Ⅷ～Ⅸ度,直接导致流域内新发生崩塌、滑坡灾害点 48处。震后多条支沟发生泥石流,冲出物堆积于沟道内。这些因素的综合作用,为泥石流提供了丰富的松散碎屑物质。

1.2.2 松散固体物质储量估算

物源类型主要包括崩滑塌堆积物、滑坡堆积物和沟床堆积物三大类,松散碎屑物质物源点主要分布于魏家湾从柿子园向南一直到沟口的沟道及其两侧河床向上到山脊线之间的部分。经勘查统计计算魏家湾主沟物源总量为1 148×104m3,物源动储量为 230×104m3,各支沟物源量详见表 1。

表1 魏家湾主沟及支沟泥石流物源统计表 104 m3

1)崩塌堆积物

魏家湾沟道内崩塌堆积体一般是自分水岭向沟床边缘逐渐变厚,其剖面为一近三角形,求坡地上崩塌松散固体物源量时,采用三棱柱体法计算;魏家湾沟道内崩塌堆积体共计 26个(中型 4个,小型 22个),为泥石流提供松散固体物源总量 94×104m3,可直接参与泥石流活动的动储量为32 ×104m3。

2)滑坡堆积物

滑坡滑动面大致可看成是一个近似的弧形滑动面,用求滑坡平均厚度的弓形均高法计算滑坡体积;魏家湾沟道内滑坡共计 22个(中型 5个,小型 17个),为泥石流提供松散固体物源总量 228×104m3,可参与泥石流活动的动储量为41×104m3。

3)沟床堆积物

沟床上、中、下游松散固体物质的断面具有不同的形状(V型、U型、梯形等)和可冲深度(坡度越陡,可冲深度越深),分别乘以沟段长度来估算沟床松散固体物源量。沟道堆积物源总量约为 825×104m3,可直接参与泥石流活动的动储量为 157×104m3。

崩滑堆积物源为 5.12地震后新增主要物源量;沟道堆积物源中,因支沟泥石流冲入主沟道而形成的部分也属 5.12地震新增储量。因此,震后新增物源总量 865×104m3,占物源总量的 75%;新增物源动储量 204×104m3,占物源动储量的 89%。流域内震后新增物源量,特别是动储量所占比例大,为泥石流提供了丰富的物源。

2.3 水源条件

工作区属中亚热带湿润季风气候区,雨量充沛,年降水量在 1500～1700mm之间。区内干湿季分明,降水高度集中于雨季,主要集中在 5～10月份,占年降雨量 87%(见图 2),大部分以暴雨、大暴雨,甚至特大暴雨形式降落,日最大降雨量达 470mm/d(P=1%),同时流域内植被覆盖率较高,多雨带海拔高,气温低,蒸发量小,雨季流域内的土壤总处于饱和状态。当暴雨袭临时,由于山坡和沟床都十分陡峭,加之土壤处于饱和状态,因此几乎全部降水转化为坡面径流和沟谷洪流,山坡和沟床物质在强大的坡面径流和沟谷洪流的作用下启动形成泥石流。

图2 四川安县降水量月份分配图

3 泥石流发展趋势分析

3.1 泥石流易发程度分析与评价

3.1.1 数量化评分法

根据泥石流流域基本特征和参数,按照《泥石流灾害防治工程勘查规范》(DT/T0220—2006)附录 G“泥石流沟的数量化综合评判及易发程度等级标准”见表 2,对魏家湾泥石流易发程度进行评分,评分结果见表 3,魏家湾泥石流易发程度评分为 100分,其易发程度属中等易发,震后魏家湾泥石流已由低频泥石流演化为中频泥石流,危险性增大。

3.1.2 经验公式法

采用暴雨泥石流发生与否的综合判别式经验公式。暴雨泥石流发生与否的综合判别式为:

式中:Y为泥石流发生的综合判别指标;当 Y＞35时,发生泥石流的机率约为 85%;当 Y＜25时,不发生泥石流的机率约为 83%;当 Y=25～35时,即介于泥石流可能发生与不发生之间,而发生的机率约为 64%。R为降雨条件函数;M为流域环境动态函数。降雨条件函数:

式中:H24为 24小时或日降雨量(mm);H1为最大小时降雨量(mm);H1/6为最大十分钟降雨量(mm);K为有前期降雨的修正系数:K取 1.1;H24(D)为可能发生泥石流的 24小时降雨量限界值;H1(D)为可能发生泥石流的 1小时降雨量限界值;H1/6(D)为可能发生泥石流的十分钟降雨量限界值。

H24(D)、H1(D)、H1/6(D)、按各地区限雨量值分别取值为 60、20、10。根据收集的资料,H24、H1、H1/6取值分别为 :150、55、15,计算 R=7.43。

流域环境动态函数:

式中:Ki为易发因素动态统计权重;Ni为易发因素数量化评分值;M为泥石流流域环境动态函数,单因素量化值见表 4。

根据上述公式计算的 R和 M值,代入(1)式,得 Y=71.35,计算结果表明,当降雨量 H24、H1、H1/6值分别大于或等于 150mm、55mm、15 mm时,魏家湾泥石流沟发生泥石流的机率约为 85%。

表2 泥石流沟易发程度综合评分表

表3 魏家湾泥石流易发程度数量化评分表

3.2 泥石流发展阶段

泥石流沟的发展阶段可以通过泥石流沟的发育特征进行判断。魏家湾主沟侵蚀速度大于支沟侵蚀速度,沟口扇形堆积地形较发育,沟坡陡峻,两侧不良地质现象发育,松散堆积物呈高边坡堆积等。通过与《泥石流灾害防治工程勘查规范》(DT/T0220—2006)附录 C对比判断,魏家湾目前正处于壮年期,泥石流暴发的可能性较大。

表4 流域环境动态因素量化表

3.3 泥石流发展趋势预测

根据对泥石流成因机制和引发因素的分析,魏家湾属暴雨沟谷型泥石流,泥石流规模主要与流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,当流域内松散固体物源累计较多,且遇到集中暴雨时,往往就会发生较大规模的泥石流灾害。5.12地震后,魏家湾流域内崩塌、滑坡等不良地质现象广泛发育,可参与泥石流活动的松散固体物源量大大增加,引发泥石流的临限雨量大大降低,一旦遭到大暴雨作用,势必引发大规模泥石流灾害。

4 结论

(1)魏家湾流域内具备泥石流发育的有利条件。地形陡峻,纵坡大,有利于泥石流物质的汇集和成灾;松散固体物源丰富,固体物源总量达1 148×104m3,可参与泥石流活动的动储量为 230×104m3;降雨充沛、集中且多强降雨,水源条件丰富,具备发生泥石流的基本条件。

(2)通过泥石流易发程度打分,魏家湾主沟泥石流易发综合得分值为 100,属中等易发;王家沟及王爷庙支沟泥石流易发综合分值 116,属极度易发。因此,一旦发生集中暴雨,其形成大规模泥石流的可能性较大。

(3)由于泥石流易发程度高,特别是 5.12地震后,沟内不良地质现象增多,可参与泥石流活动的松散固体物源量增多,泥石流危险性增大,且危害严重,应对其实施应急防治工程为宜。

[1](DT/T0220—2006)泥石流灾害防治工程勘查规范[S].北京:中国标准出版社,2006.

[2]谭炳炎,泥石流活动评估与防治[R].北京:国土资源部地质环境司,2004.

[3]柳金峰,欧国强.泥石流危险性评价的新思路[J].地质灾害与环境保护,2004,15(1):5-8.

[4]四川省安县魏家湾泥石流治理工程应急勘查报告 河南省地矿局第一地质工程勘察院 2010.

[5](GB 50021—2001).岩土工程勘查规范.

[6]地质灾害防治工程勘察规范 (重庆市地方标准),2004.