大渡河流域野牛沟泥石流堵河危险性预测

王东辉，李明辉，高延超

（中国地质调查局 成都地质调查中心，四川 成都610081）

堵河性泥石流灾害除具有泥石流本身的突发性、强破坏性以外，由于堵塞主河而产生的上游淹没灾害、下游洪水灾害等常常造成更大的破坏。有关泥石流堵河的理论研究主要针对堵河影响因素、堵河判别公式及泥石流入汇对主河河道的影响等方面。郭志学等［1］通过室内试验分析了泥石流各因素与堵江之间的关系；吴积善等［2］通过对西藏东南部4条泥石流进行研究提出了泥石流堰塞坝形成的主要控制因素；张金山等［3］通过对岷江上游泥石流的研究，提出与泥石流堵河关系较为密切的因素；党超等［4］通过室内试验分析了泥石流堵河的主要影响因素；朱平一等［5］通过对川藏公路培龙沟泥石流的研究提出了影响泥石流堵江的主要因素。在分析泥石流堵河主要影响因素的基础上，部分学者［5－12］通过室内试验及野外调查提出了泥石流堵河的判别公式。近年来，大渡河流域中段泥石流堵河（或部分堵河）事件频发，如2001年，柳杨沟泥石流堵塞瓦斯沟，2003年丹巴邛山沟泥石流堵塞大金川，2005年磨西河泥石流堵塞大渡河，2005年野牛沟泥石流堵塞金汤河，2009年响水沟泥石流部分堵塞大渡河。通过大渡河流域中段具代表性的野牛沟泥石流的深入研究，对野牛沟泥石流在不同频率降雨条件下堵塞主河的可能性进行了探讨，以期为该地区泥石流研究及防治提供依据。

1 泥石流形成条件

1.1 自然地理条件

野牛沟位于康定县捧塔乡解放一村，金汤河右岸，属大渡河流域中段。地理位置在东经102°16′08″，北纬30°29′20″。流域面积38.8km2，主沟长9 449.3m，沟口标高2 340.0m，最高海拔5 102.0m，主沟平均纵坡达233.8‰。属典型的高山峡谷地貌，沟床上游陡、下游较缓。

沟源区均被中、高山地形所环抱，呈“漏斗状”，山坡坡度多在30°～50°，构成良好的地表汇水条件。上游发育两条大的支沟，其中左侧支沟鸡索子沟流域内多为岩质沟岸，山坡坡度多大于35°，部分地段可达60°，为主要清水动力区。右侧支沟偏岩窝沟以土质沟岸为主，山坡坡度多大于25°。流通区为中游望牛坪至高家河坝处，全长1.5km，主沟纵坡186.3‰，河谷呈V形，沟道狭窄，宽度多5～15m，最窄处仅3.0m，沟床相对平缓且总体较顺直。堆积区主要指金汤河左岸至高家河坝区段，总体呈不规则扇状，长440.0m，前缘宽近240.0m，纵坡83.0‰。最大块石长9.0m，宽2.5m，高2.0m。沟内植被较差，以灌木为主，主要分布于中游，3 500.0m以上主要为裸露的基岩或松散的碎块石。

表1 野牛沟主沟流域特征值

1.2 气象水文条件

野牛沟主要受东南季风影响，气候温暖、湿润、多雨、雨量集中，年均温度8.9℃，7月均温19～23℃，多年平均降水量753.1mm，年最大降水量1 005.7mm，日最大降水量60.1mm，日平均降水量2.29mm，10 min最大降水量8.3mm。降水集中在5—9月，以6—7月为最，无霜期192d。区内气候垂直分带明显，降水主要集中于海拔3 000～4 000m范围内。

1.3 地质环境条件

位于金汤弧形滑脱—推覆带核心部位，色古—三道水—锅巴岩断层从流域左侧穿过，区内岩石节理裂隙发育，岩石破碎、强劈理化、透镜化，发育折射劈理，晚期方解石脉切割劈理。出露地层有奥陶系中上统宝塔组（O2－3b）、志留系茂县群（SM）、泥盆系中下统捧塔组（D1－2pd）及中上统河心组（D2－3h），宝塔组主要分布于流域西南部，面积较小，岩性主要为灰色中薄层状灰岩；志留系地层主要分布于流域右侧，偏岩窝沟上游，岩性以绢云母千枚岩为主，偶夹变质石英砂岩及泥灰岩，分布海拔较高，多裸露破碎；泥盆系为流域内最发育的地层，岩性主要为变质灰岩，偶有千枚岩夹层。第四纪堆积物十分发育，分布于沟道两岸及岸坡上，主要为崩坡积及残坡积物，崩坡积堆积物主要为松散的碎块石土，多分布于流域上游。残坡积物主要分布于中游沟谷两岸，以碎石土为主，其上植被发育，结构松散（图1）。

1.4 主要物源特征

野牛沟内物源主要分布于偏岩窝沟内及主沟中下游地段。以松散的残坡积及崩坡积成因的碎块石土为主，碎块石含量以30%～40%为主，一般粒径10～30cm，偶见大于2.0m，主要为变质灰岩及砂质板岩，多呈次棱角状，结构比较松散，厚度一般6～20 m。据调查，流域内发育5处滑坡，2处不稳定斜坡，其中H1滑坡位于偏岩窝沟口附近，为一大型滑坡，处于整体蠕滑阶段，前缘临空10～16m，局部挤压沟道，滑体主要为崩坡积碎块石土，碎块石含量约30%，直径多介于30～50cm间，最大者近10.0m，块石间充填粘土及小碎石，结构松散，其上植被较发育，覆盖率约50%，以灌木为主。其余4处滑坡及2处不稳定斜坡集中于流通区（望牛坪至沟口段），整体均较稳定，但是前缘受沟水掏蚀均发生局部的破坏。流域内松散固体物质总量约1.33×107m3，不稳定物源量约2.44×106m3（表2）。

图1 野牛沟流域地质环境特征

2 泥石流堵河危险性预测

2005年7月7日，野牛沟发生大型泥石流，泥石流完全摧毁了扇上面积达54 511.0m2范围内的农田、房屋。同时，泥石流摧毁了桥梁，导致金汤河（大渡河—级支流）堵塞，极大地影响了下游陇须电站及金汤电站的正常运营，造成直接经济损失532.0万元。

据调查，2005年以前野牛沟与金汤河呈近90°直交，泥石流发生后，野牛沟与金汤河夹角约55°。

表2 野牛沟主要物源特征

2.1 泥石流流量计算

不同频率泥石流流量Qc计算采用雨洪法［13］，计算公式为：

式中：Qp——频率为 P 的洪水流量（m3／s）；Dc——泥石流堵塞系数，取2.1；φ——泥石流泥沙修正系数，取2.23；ψ——洪峰径流系数；F——汇水面积（km2）；S——暴雨雨力（mm／h）；τ——流域汇流时间（h）；n——暴雨公式指数；γc——泥石流重度（t／m3）；γw——清水重度（t／m3）；γH——泥石流中固体物质比重（t／m3），现场实测为2.52。

2.2 一次泥石流固体物质总量计算

一次泥石流固体物质总量Vs计算公式［14］为：

式中：Vc——一次泥石流总量；t——泥石流历时。

根据现场调查，2005年泥石流容重为2.05t／m3。依据公式（1）—（5）对野牛沟泥石流不同频率下的流量Qc及一次性冲出固体物质方量Vs进行计算，结果详见表3。

2.3 泥石流可能参与堵河的方量

通过对2005年泥石流进行调查，其一次冲出固体物质方量约2.2×105m3，其中扇面停淤方量约1.6×105m3，实际堵河方量约3.0×104m3，约占总冲出方量的14%。由于目前野牛沟与金汤河呈锐角相交，导致被主河带走的泥石流固体物质量增大，参与堵河固体物质所占总方量的比例进一步减少，实际参与堵河的物质应小于一次性冲出固体物质总量的14%，按此比例计算，则在3种不同频率下，真正能参与堵河的最大泥石流固体物质方量分别为4.7×104m3，2.7×104m3，2.0×104m3。

2.4 堵河所需参数计算

目前，有关泥石流堵河判别公式［5－10］的研究很多，但是多限定条件或限定区域，均不适用于野牛沟泥石流的判别。本研究参考周必凡等［14］提出的有关经验公式，结合野牛沟具体情况进行部分修正。从一次泥石流规模、流量和扇形地的沟床条件3个方面对野牛沟泥石流堵河的可能性进行分析（图2）。

图2 泥石流堵塞主河示意

2.4.1 最小土体方量 泥石流堵河时，可以假设堵塞体为三棱柱体，视主河底坡为水平，堵塞体上游坡度较陡，应满足泥石流冲出固体物质在饱和状态下的内摩擦角。堵塞体下游坡度可采用河床物质发生水石流的起始坡度，取14°。则堵塞主河所需土体方量为：

式中：V——堵河所需固体物质方量；b——野牛沟宽度；Hw——金汤河水深；Bw——金汤河宽度；φ——堵塞体上游坡度，取25°。

2.4.2 最小泥石流流量 泥石流发生堵河时，输入主河的泥石流土体的剪切阻力应大于主河水体的剪切分力，泥石流流量应满足公式（7）：

式中：Qw——主河汇流断面的清水流量（m3／s），据现场考察，金汤河洪水期径流量介于80～146.3m3／s；tgθb1——主河纵坡，为0.046；Cv——变差系数，取0.6；γy——泥石流中土体的容重参数，取2.1t／m3；φm——泥石流中土体的动摩擦角，取25°。

2.4.3 最小扇形地沟床坡度 扇形地的泥石流沟床坡度应大于泥石流的运动坡度，使泥石流能够有较大的速度进入主河，则泥石流沟床坡度应满足公式（8）：

通过现场实测及室内分析，依据公式（6）—（8）进行计算，确定野牛沟泥石流在3种频率下堵河所需的参数值详见表3。

表3 野牛沟泥石流堵河所需参数值

2.5 堵河可能性分析

（1）目前野牛沟扇形地沟床纵坡为83‰，满足堵河所需最小扇形地沟床坡度。

（2）3种频率下泥石流流量均满足堵河所需最小泥石流流量范围。

（3）频率为5%时，其发生的泥石流规模远无法满足堵河所需最小土体方量，即发生20年一遇泥石流时不可能堵河。

（4）由于野牛沟沟床条件的改变，其与金汤河呈锐角相交后，其再次发生50年一遇泥石流时可以参与堵河的方量大幅度降低，最大为2.7×104m3，其规模虽不能满足堵河所需方量，但相差无几，在此我们应该考虑到2005年泥石流已经造成金汤河河道变窄，河床抬高，流速降低，这些因素都有利于堵河的发生，且野牛沟泥石流具有流速快，流量大，冲击力强等特点，泥石流出沟口后极易改变扇形地沟道走向，因此认为野牛沟发生频率为2%的泥石流时发生堵河的可能性仍较大，至少会造成部分堵河。

（5）频率为1%时，其一次泥石流固体物质总量远大于堵河所需最小土体方量，会造成完全堵河。

3 结论

（1）野牛沟具备发生泥石流的地形地貌、物源及降雨条件。

（2）P＝1%时，野牛沟泥石流会造成完全堵河。

（3）野牛沟与金汤河交汇夹角的改变，较大的弱化了泥石流堵塞主河的可能性，P＝2%时，泥石流可能会堵河或部分堵河，P＝5%时则不可能堵河。

（4）由于野牛沟位于金汤河中游，一旦发生泥石流堵河溃决将严重的威胁金汤河下游的乡镇及数个水电站的安全，建议对野牛沟进行工程治理，汛期应派专人进行职守。

（5）对传统的堵河公式进行了修正，使其适用于大渡河中游泥石流沟堵河可能性判别，为区域内泥石流早期识别和预防提供了可靠的方法。

［1］郭志学，曹叔尤，刘兴年，等.泥石流堵江影响因素试验研究［J］.水利学报，2004（11）：39－45.

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