小金县夹巴沟泥石流形成条件及运动特征

蒋欢欢，邓英尔，袁 婷

(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)

泥石流是山区特有的一种自然现象。它是由于降水而形成的一种带大量泥沙、石块等固体物质的特殊洪流［1］。泥石流具有爆发突然，历时短暂，来势凶猛，破坏力极强等特点［2］。我国山区面积占国土总面积的三分之一，是个多山的国家，泥石流分布广泛，危害严重［3］。“5·12”汶川大地震不但造成了大量的人员伤亡和财产损失，而且还引发了大量的次生地质灾害，如泥石流等，给当地的人民生命财产构成了极大威胁，严重影响了地震灾区抗震和灾后恢复重建工作进度。夹巴沟泥石流位于小金县结斯乡小尔普村一组，距离小金县城中心约32 km处。夹巴沟一旦发生泥石流，将对大湾村一组22人及小尔普村86人的生命安全造成严重威胁。因此，研究夹巴沟泥石流形成条件及运动特征，提出防治泥石流的有效措施具有重大意义。

1 夹巴沟泥石流形成基本条件

夹巴沟主要由主沟夹巴沟和支沟大湾沟及多出小型支沟组成。依据泥石流的汇水条件、山坡坡度、岩层性质，灾害发育情况及可能形成泥石流固体物质的分布范围等，由上游至下游，将夹巴沟泥石流划分为三个区:形成区、流通区、堆积区，见图1。

受5·12地震影响，沟谷斜坡崩塌发育，植被破坏，生态环境遭受严重破坏，水土流失严重，大量固体物质和枯木滑落到沟道内造成堵塞，为泥石流的发育提供了大量松散固体物源。根据现场调查，该地山高谷深坡陡且降雨丰富，曾经发生过泥石流，地震后随着物源的增加，在暴雨等不利情况下，发生较大泥石流的可能性较大。

2.1 气象水文

研究区地处青藏高原东南边缘的高山峡谷地带，区内具有高原型季风气候特征，境内气候随地势增高呈较为明显的暖温、温、寒温、亚寒、寒和永冻带分布。

该区全年降水季节分配为:夏季(6月～8月)降水量为占全年总量的47.43%，冬季(12月～2月)降水量占全年总量的1.41%;春秋分别占年总量的 25.52%，25.64%。5月～10月多年平均降水量占全年的86.3%，其中6月占全年的20.6%，其余月份占全年的13.7%。月平均最小值出现在12月，仅1.5 mm。区内年平均降水量617.6 mm，50年一遇降水量805.2 mm(2004年)，年日最大降水量37.1 mm(1984年6月8日)，日最大平均降水量30.1 mm，具备引发泥石流灾害的降雨条件，且支沟发育，呈树枝状排列，沟内地形陡峻，沟谷上游及各支沟纵坡很大，有利于地表降水的径流和汇集，这些因素为夹巴沟泥石流的形成提供了有利的水源条件。

图1 夹巴沟分区图

1.2 地形地貌条件及沟道条件

夹巴沟泥石流位于小金县的东北部，属于高山区及山间沟谷地带，区内高山林立，河流深切，地表为西高、东低，地貌以高山峡谷地带为主，工作区内最高海拔4 900，最低海拔3 140 m。相对高差约1 760 m。泥石流流域面积为47.3 km2。坡面形态呈扇形，上宽下窄。区内树枝状水系密布，主要发育两条季节性冲沟，断面形态呈下游呈“U”型，上游呈“V”型。切割深度一般500～800 m，沟谷较为狭窄，沟床宽5～20 m，局部较宽。沟域范围及地形特征如图2。

夹巴沟支沟较发育，沟域呈树枝状展布，主沟为夹巴沟，较大的支沟有6条。其西侧沟口附近支沟为大湾沟，在主沟沟源附近发育较大支沟有3条，其中包括牛场沟、背失沟和九匹岗沟，主要支沟大湾沟内发育次级支沟，其中较大的支沟包括半节沟、大湾牛场沟。主沟夹巴沟沟长约10.9 km，沟域面积31.3 km2，相对高差1 686 m，平均纵坡168‰;大湾沟沟谷长约6.6 km，沟域面积16 km2，相对高差1 630 m，平均纵坡187‰。

图2 夹巴沟泥石流沟域范围及特征三维图

1.3 物源条件

夹巴沟泥石流松散固体物源较丰富，其物源类型主要分为崩滑体堆积物源、沟床堆积物源和坡面侵蚀物源。

1.3.1 崩滑堆积物源

崩滑堆积物源主要分布于支沟沟岸及沟源部位，分布较为广泛。其中主沟夹巴沟及支沟大湾沟坡积物相对较多，其它支沟崩滑堆积物较少发育。

崩塌类物源根据其崩塌源的不同主要可分为两种类型。

一类发育于三叠系上统侏倭组板岩中，这类崩塌堆积物源主要分布于主沟中上游游，其特点主要为表岩性破碎，崩塌堆积物块度相对较小，且规模也往往较小，崩塌数量较少。如夹巴沟上段(见图3)和大湾沟中段(见图4)等崩塌堆积体。

第二类主要发育于三叠系中统杂谷脑组砂岩中，主要分布于夹巴沟中下游沟谷两侧和大湾沟沟谷两侧，如夹巴沟下段崩塌(见图5)、大湾沟下段(见图6)，崩塌规模往往较大，且数量众多。

图3 夹巴沟上段崩塌堆积物

图4 大湾沟中段崩塌堆积物

图5 夹巴沟下段崩塌堆积物

图6 大湾沟下段崩塌堆积物

1.3.2 沟床堆积物源

沟床堆积物源参与泥石流活动的方式主要为沟床的揭底冲刷，其可参与泥石流活动的物源量主要为沟底拉槽下切可能掏蚀的部分及拉槽下切后，两侧岸坡可能失稳进而参与泥石流活动的物源两部分组成。

夹巴沟沟床堆积的松散固体物源主要分布在大湾沟与夹巴沟交汇以上的沟段，沟床宽5～15 m，平均宽约8 m，沟段长约7.4 km，堆积物平均厚度约2 m，物源总储量约11.84×104m3，如图7所示。

图7 夹巴沟上游沟道堆积物

大湾沟沟床堆积的松散固体物源主要分布在大湾沟与夹巴沟交汇以上的沟段，沟床宽5～10 m，平均宽约7 m，沟段长约3.1 km，堆积物平均厚度约2.5 m，物源总储量约5.43×104m3，如图8所示。

1.3.3 坡面侵蚀物源

夹巴沟沟域内高处植被覆盖率较高，森林覆盖率达40%～60%，生态环境较好。因此区内水土流失轻微，可提供泥石流活动的面状物源较少，但沟道中上游地区主要由于过度砍伐树木，植被覆盖率很低，且斜坡表部强风化岩体碎裂松散，据现场初步调查，侵蚀物源主要由于林场大量砍伐树木，形成秃山，造成植被破坏，水土流失严重，如图9所示。

泥石流沟流域内水土流失面状物源区面积共约0.24 km2，平均厚度约1 m，可提供松散固体物源总量约24×104m3，按特大暴雨条件下侵蚀厚度0.05 m，可参与泥石流活动的动储量约 1.2 ×104m3。

图8 大湾沟上游沟道堆积物

图9 夹巴沟下游坡面侵蚀物源区

2 泥石流运动特征

由于缺乏泥石流监测资料，因此，夹巴沟泥石流基本特征值的计算主要参照和利用野外调查和访问获取的泥位、沟道断面特征等进行。

2.1 泥石流容重

由于夹巴沟泥石流以往没有监测资料，只能通过配方法和查表法来确定，通过两种方法对比并结合实际情况，本次泥石流重度的综合取值采用泥石流易发程度(N)查(N－γc－1+ φ)对照表［4］，得主沟夹巴沟泥石流重度为 1.703 t/m3，支沟大湾沟泥石流重度为1.752 t/m3，九匹岗沟泥石流重度为 1.565 t/m3。

2.2 泥石流流速

对夹巴沟沟段及其支沟，泥石流重度为1.565～1.752 t/m3，为稀性泥石流，考虑主沟暴发大规模泥石流需较大降雨量和强大的水动力条件，而雨量大的条件也使流体性质将偏于稀性，因此其流速采用稀性泥石流流速计算公式［5］:

式中，VC为泥石流断面平均流速(m/s);1/a=1/(γ H·Φ+1)1/2为泥石流中由含沙量变化而引起的流速修正系数;R为水力半径(m)，一般可用平均水深H(m)代替;IC为泥石流水力坡度(‰)，用沟床纵坡代替;1/n为清水河床糙率系数，查文献［6］。求得各断面位置泥石流流速值，见表1。

2.3 泥石流流量

2.3.1 清水流量计算

按经验公式［7］计算地表水汇水流量。

当汇水面积F≥3 km2时计算公式为:

当汇水面积F＜3km2时计算公式为:

式中:Qp为暴雨洪峰流量(m3/s);ψ为暴雨径流系数;F为汇水面积(km2);s为小时雨强(mm/h)。

求得各断面部位暴雨洪峰流量值详见表2。

2.3.2 泥石流峰值流量按公式［4］计算

式中:Qc为泥石流断面峰值流量(m3/s);φ为泥沙修正系数，采用查表法得到的结果见表1;Qp为暴雨洪峰流量(计算结果见表2);Dc为堵塞系数。据此，采用雨洪法求得泥石流峰值流量如表3。

2.4 一次泥石流过流总量

一次泥石流总量Q可通过计算法和实测法确定。实测法精度高，但因往往不具备测量条件，只是一个粗略的概算。计算法根据泥石流历时T(s)和最大流量Qc(m3/s)，按泥石流暴涨暴落的特点，将其过程线概化成五角形，按下式［5］计算。

式中:K值随流域面积 (F)大小而变化，据规范有

当 F ＜5km2， K=0.202

F=5 ～10 km2， K=0.113

F=10 ～100 km2， K=0.0378

F ＞100 km2， K ＜0.0252

T为泥石流持续时间，s。

夹巴沟泥石流为近期发生的规模最大的一次泥石流，对比断面法计算结果，其流量相当于P=5%的雨洪法计算的峰值流量，因 F=47.3 km2，则 K=0.037 8，综合确定泥石流峰值流量为147.47 m3/s。据访问，泥石流历时约1小时，按上式计算本次泥石流冲出量为2.01×104m3。

对九匹岗沟泥石流也按20年一遇暴雨洪水条件下泥石流冲出量进行了复核计算，因F=1.3 km2，则K=0.202，按 P=5%的雨洪法计算的九匹岗沟泥石流峰值流量为14.84m3/s;泥石流大小按1995年泥石流规模，此次泥石流历时15 min，即=900 s;求得设计泥石流冲出量约为 =0.27×104m3。

表1 夹巴沟泥石流流速计算表

2.5 一次泥石流固体冲出物

一次泥石流固体冲出物按文献［5］公式计算:

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);γc为泥石流重度(t/m3);γw为水的重度(t/m3);γH为泥石流固体物质的重度(t/m3)。

根据前面计算结果，夹巴沟泥石流暴发时泥石流冲出量为Q=2.01 ×104m3，泥石流重度 γc=1.703 t/m3，水的重度 γw=1 t/m3，泥石流固体物质重度γH=2.65 t/m3，固体物质冲出总量约为 QH=1.49 ×104m3;九匹岗沟 QH=0.14 ×104m3。

表2 夹巴沟及主要支沟洪峰流量计算表

表3 夹巴沟及其主要支沟泥石流峰值流量计算表

3 夹巴沟泥石流发展趋势及防治措施

3.1 泥石流发展趋势分析

根据前述对泥石流灾害史的调查，夹巴沟在每年均会暴发一定程度的泥石流，而支沟牛场沟泥石流爆发亦十分频繁，均属高频泥石流;大湾沟在1995年8月、2002年7月暴发过较大泥石流，间隔7年，属中低频泥石流。

5·12地震后，沟内崩塌、滑坡等不良地质现象大大增加，坡面侵蚀加剧，可能参与泥石流活动的松散固体物源量大增，现沟内可参与泥石流活动的固体物源动储量达55.68×104m3，激发泥石流的临界雨强可能降低，因此，泥石流的爆发频率可能提高，中低频泥石流将转变为高频泥石流，震后5～10年预计其发生频率可能达1～2年一次，以后随着植被的恢复和部分物源趋于稳定，其发生频率可能逐渐降低为低频，据此估算，20年内可能发生5次左右泥石流灾害，固体物质冲出量计7.4×104m3。目前夹巴沟泥石流所处阶段为发展期。

分析泥石流成因机制和引发因素，夹巴沟属暴雨沟谷型泥石流，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及与引发泥石流的暴雨相关，当沟域内松散固体物源累计较多，且遇到集中暴雨时，往往发生较大规模泥石流灾害。5·12地震后，局部水土流失加剧，可参与泥石流活动的松散固体物源量也大大增加，一旦遭到大暴雨的作用，势必引发大规模的泥石流灾害。

3.2 泥石流防治措施

根据夹巴沟泥石流的形成条件、运动特征、发展趋势分析及危害对象，在夹巴沟上游九匹岗沟沟口处布置一停淤场，以淤积九匹岗沟泥石流冲出物，减少主沟的物源，并在夹巴沟大湾村1组南东方向的沟道内设置1#拦渣坝，以稳拦物源和削峰减流，减少到达夹巴沟下段的固体物质，降低泥石流容重，并调节下游泥石流洪峰流量，减轻下游沟槽的排导压力;在大湾沟距沟口约65 m处修筑2#拦渣坝，以稳拦大湾沟物源，减少到达夹巴沟的固体物质，降低泥石流容重，并调节下游泥石流洪峰流量，减轻下游沟槽的排导压力;在夹巴沟沟口拟设方案为:清理河道+裁弯取直+修筑单边防冲堤，这样能规整沟槽断面，减小弯道曲率，将拦渣坝下游的泥石流物质顺畅地导入主河结斯河，保护流通堆积区结斯乡场镇规划区的安全。

4 结论

通过对夹巴沟泥石流的现场调查，基本查明了泥石流物源分布和特征，可能参与泥石流活动的物源数量和条件，查明了泥石流形成的地形地貌和水源条件，计算了泥石流的运动特征，分析了泥石流成因机制和发展趋势及危害性，得到以下结论:

(1)夹巴沟泥石流属暴雨沟谷型泥石流，主沟容重为1.703 t/m3，流速为 5.01 m/s，50年一遇的泥石流峰值流量为147.47，一次性泥石流过流总量为2.01×104m3，一次泥石流固体冲出物为1.49×104m3，泥石流规模为中型。

(2)物源较为丰富，总物源量为55.68×104m3，其中可参与泥石流活动的动储量为11.236×104m3。崩滑堆积物源大部分为5·12地震后新增物源，沟床堆积物源则主要为原有沟床内的堆积物，且降雨较充沛，水源条件丰富，一旦遭受大的暴雨作用，可能发生大规模的泥石流灾害，将直接危害大湾村一组及小尔普村村民的生命及财产安全。

(3)防治夹巴沟泥石流的措施为:在夹巴沟上游九匹岗沟沟口处布置一停淤场，并在夹巴沟大湾村1组南东方向的沟道内设置1#拦渣坝;在大湾沟距沟口约65 m处修筑2#拦渣坝;在夹巴沟沟口拟设方案为清理河道+裁弯取直+修筑单边防冲堤。

［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］康志成，李焯芬，马蔼乃，等.中国泥石流研究［M］.北京:科学出版社.2004.

［3］陈继华，王秋军，张彦林.泥石流防治研究［J］.科技广场.2011.2:20 －22.

［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］中华人民共和国国土资源部.泥石流灾害防治工程勘查规范(DT/T0220 －2006)［s］.2006.

［6］铁道部第三勘测设计院.铁路工程勘测设计规范(TB10017－99).1999.

［7］中华人民共和国地质矿产行业标准 DZ 0240—2004.滑坡防治工程设计与施工技术规范［s］.2004.