四川松潘水沟墩沟泥石流成因和动力学特征及其对铁路工程的影响评价

齐 信

(1.中国地质调查局武汉地质调查中心，湖北武汉 430205;2.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)

0 引言

泥石流是发育在斜坡上或沟谷中，饱含大量泥、砂、石的固、液相颗粒流体，是山区最常见的地质灾害之一［1］。泥石流具有运动快速、暴发突然、能量巨大等特征，携带大量固体物质冲出到沟口平坦地区堆积，常常淤埋铁路、公路、桥梁、农田等，给人类生命财产造成严重的危害。仅2010年全国发生泥石流灾害高达上百起，包括2010年8月7日甘肃舟曲特大泥石流［2-3］，2010年8月13～14日映秀镇群发性泥石流［4-5］，2010 年 8 月 13 日龙池镇群发性泥石流［6］，2010年8月13日绵竹清平群发性泥石流［7］等。铁路工程属于重大生命线工程，一旦遭受泥石流灾害的袭击和破坏，后果极其严重，不幸的是类似灾害性事件时常发生，现在营运的铁路沿线已发现和确认的泥石流沟多达2000条，泥石流淤埋、冲毁车站和铁路线路的严重灾害事件已超过300起。成都-兰州铁路(简称成兰铁路)位于四川省和甘肃省境内，线路全长435.188km，运营总长700.071km，成兰线于2011年2月26日开工，预计2017年竣工［8］。成兰铁路线从隧道延伸经过水沟墩沟堆积扇，新塘关双线大桥正好建设在扇形地的建设带部位，过沟里程为DK223+258。水沟墩沟建设带表面拱度大，沟槽左右摆动，淤积度大，对新塘关双线大桥桥墩的危害大。扇形地即定带位于扇形地的前端，宽度大，该带越过G213国道直冲岷江对岸。野外调查表明水沟墩沟历史上暴发过大规模泥石流，有典型泥石流堆积扇体。该沟经过一段休整和物源累积后，具有再暴发泥石流的可能性，是一条隐蔽性极强的潜在泥石流沟。尤其是成兰铁路修建中及其运行后期，将长期受其泥石流灾害的威胁。因此，对水沟墩沟泥石流成因、动力学运动特征及对铁路工程影响评价研究，有利于深入掌握水沟墩沟泥石流的形成条件、运动规律、动力学特征、危害方式、危险范围，供铁路部门制定相应的泥石流防止对策，对成兰铁路线的长远安全运行和服务提供科学保障。

1 水沟墩沟流域特征

水沟墩沟位于松潘县安宏乡以南，岷江东侧，水沟墩沟流域面积1.98km2，平均坡度约25°，最高海拔高度为3505m，沟口海拔高度为2685m，相对高差920m，总流域长1985m，主沟长1894m，平均坡降为387‰。水沟墩沟是典型的沟谷型泥石流沟，水沟墩沟泥石流沟可以划分为3个区域，分别为形成区、流通区和堆积区，分区界限明显清晰(图1)，流域发育较为单一，沟道总体较为顺直，整体走向以NE向为主。各分区要素见表1。

表1 水沟墩沟泥石流流域要素Table 1 Elements of the valley of the Shuigoudun debris flow

图1 水沟墩沟流域图Fig.1 Drainage map of the Shuigoudun gully

2 水沟墩沟泥石流成因分析

2.1 丰富的松散固体物质

丰富的松散固体物质是泥石流暴发的物质基础，其储量大小决定了泥石流暴发规模和破坏程度大小。从地层岩性上看，水沟墩沟地层为三叠系新都桥组，岩性多是粉砂岩、千枚岩、变质砂岩，这些岩石易于风化破碎，极易形成崩坡积物等;从空间分布上看，水沟墩沟泥石流物源体主要为形成区和流通区段沟谷两侧分布的滑坡、崩塌体和沟谷内泥石流松散堆积物。本次物源统计采用室内遥感解译和野外调查相结合方法，水沟墩沟物源共计大约10处(图2)，结合沟道内泥石流堆积体，总物质体积约119.6×104m3。其中欠稳定物源体积21.3×104m3，占物源总量的17.8%;局部欠稳定物源体积46.8×104m3，占物源总量的39.2%;可参与近期泥石流活动量约36.9×104m3，占物源总量的30.9%。

图2 水沟墩沟流域内松散物源分布图Fig.2 Distribution map of loose solid material in the Shuigoudun gully

2.2 降雨

降雨是泥石流暴发的诱发因子和动力条件。一方面，降雨改变边坡土体的力学性能，导致其内聚力下降，基质吸力减小，抗剪强度降低，再加上水对滑动体的静、动水压力，都可以诱发滑坡、崩塌形成，为泥石流发生提供物质基础;另一方面，降雨在沟道汇流后，使沟道受到了强烈的地表径流或洪水冲刷侵蚀，沟道堆积物受“揭底作用”，演变为“滚雪球模式”，最终以“消防水管效应”机制暴发泥石流。尤其是有前期降雨条件下，如遇短历时强降雨，此沟暴发泥石流的可能性非常大。水沟墩沟流域地处四川盆地西北边缘，属于亚热带湿润季风区，降雨量丰富，多年平均降雨量838.2mm，历年24h最大降雨量125.9mm(1984年8月3日)，2h最大降雨量76mm(1990年8月7日)，6月～9月为雨季，降雨占全年总雨量的70%～90%。特别是短历时的强降雨对泥石流的激发起着决定性的作用，强降雨汇流入坡面冲沟，携带坡面松散物质形成坡面泥石流，坡面泥石流汇流过程中冲刷、剥蚀冲沟，继而扩大冲沟规模，如此滚动发展，沿途不断有物质加入，汇入主沟后行成较大规模泥石流。

2.3 陡峻地形

陡峻的地形条件有利于泥石流的暴发。首先，陡峻的地形给崩滑体物质提供强大势能，物质在运动过程中将势能转化为动能，对沟道和坡面产生强烈冲刷和切割，且具有较强的搬运能力和冲击动力，泥石流破坏强度增大;其次，陡峻的地形导致沟谷内崩滑体及坡面松散堆积体更加不稳定，有利于泥石流物质的累积，为泥石流的暴发提供充足的物源。水沟墩沟相对高差920m，平均坡降达到387‰。如此大的高差和纵坡降加速了雨水的汇流，携带松散固体物质，形成泥石流。

3 水沟墩沟泥石流静动力学特征

3.1 泥石流容重

泥石流的容重获取方法有直接测量法、现场搅拌法、经验公式法等。由于泥石流的暴发突发性、冲击力大等特点，难以直接测得天然泥石流容重［9］。采用现场搅拌法进行泥石流容重的测定，往往因人目睹不同而异，同时因选取不同代表性堆积物而结果差距很大。在无法取得代表性堆积物样品时，可根据泥石流沟易发程度数量化标准得到泥石流的容重，通过现场试验和综合判断，确定水沟墩沟泥石流的容重为1.69 t/m3。

3.2 泥石流流速

泥石流流速是泥石流动力学特征的重要参数之一，也是计算其它动力学相关参数的重要因子。目前泥石流流速的计算公式多为半经验公式或经验公式法，一般分为两类:①粘性泥石流流速计算;②稀性泥石流流速计算公式。根据泥石流容重计算结果和现场堆积扇沉积物沉积形态综合判断水沟墩沟泥石流为稀性泥石流，故采用稀性泥石流流速通用计算公式［10］，计算结果表明水沟墩沟泥石流具有较大的流速，这与水沟墩沟具有较大的沟道纵坡降有关。

式中:

VC——泥石流断面平均流速(m/s);

φ——泥石流泥砂修正系数;

γH——泥石流固体物质重度(t/m3);

γc——泥石流重度(t/m3);

R——水力半径(m);

I——泥石流水力坡度(‰)，用沟床平均纵坡降代替，本沟为0.387;

n——清水河床糙率系数。根据公式(1)和(2)计算，水沟墩沟泥石流的平均流速为7.17 m/s。

3.3 泥石流流量

常用的泥石流流量计算方法有雨洪法和泥痕法，泥痕法较为准确，然而泥痕法要求野外能采集到新近发生泥石流的新鲜断面，这样计算的数据才为准确。在水沟墩沟泥石流流域内不易找到发生泥石流的新鲜断面，因此本文采用雨洪法计算不同频率下的泥石流的流量。雨洪法是假设泥石流与暴雨同频率、且同步发生，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［9］，然后选用堵塞系数，按公式(3)计算泥石流流量［7］。

式中:

QC——频率为P的泥石流洪峰值流量(m3/s);

Qp——频率为P的暴雨洪水设计流量(m3/s);

φ——泥石流泥沙修正系数;

Dc——泥石流堵塞系数，本文取2.00。

表2 泥石流流量计算参数及结果Table 2 Calculation results for debris flow discharge parameters

3.4 一次泥石流总量和最大冲出量

一次泥石流总量和最大冲出量是泥石流设防中最重要的参数，是拦和排等工程措施必须考虑的指标。一般有实测法和公式法确定，本次按照公式法计算，一次泥石流总量和最大冲出量按下式计算［12］:

式中:

QH——一次泥石流固体物质最大冲出量(m3);

Q——次泥石流总量(m3);

γc——泥石流重度(t/m3);

γW——水的重度(t/m3);

γH——泥石流固体物质的重度(t/m3)。

其中，K值的变化随流域面积的大小而变化，流域面积F=1.97km2，则K=0.202。本次泥石流持续时间取60min。依据公式(4)和(5)，计算结果见表3，计算结果和现场调查具有较好的一致性。

表3 一次泥石流总量和最大冲出量计算结果Table 3 Calculation results for debris flow transport material volume in total and contained solid material volume

3.5 泥石流最大淤积厚度

泥石流具有大冲大淤特点，尤其是铁路工程，要考虑一次泥石流淤积厚度对工程的影响。通过不同频率条件下泥石流的容重、屈服应力及堆积区坡度等参数计算出水沟墩沟泥石流在不同频率条件下可能淤积厚度［13］。本次采用泥石流体泥沙体积浓度与屈服应力相结合而推倒的泥石流的最大淤积厚度公式进行计算［14］(略有改动)，得出水沟墩沟一次泥石流最大淤积厚度为3.70m。实际的泥石流淤积厚度可以小于最大淤积厚度，因此用最大淤积厚度作为泥石流的淤积厚度，结果会更为安全和可靠。

式中:

Hmax——一次泥石流最大淤积厚度;

γc——泥石流容重(t/m3);

θ——泥石流淤积坡度(°);

K、r——与泥石流的粘粒特性和粘粒含量有关的参数;

g——重力加速度(m/s2);

c——泥沙体积浓度。

4 水沟墩沟泥石流对铁路工程的影响评价

4.1 水沟墩沟泥石流危险性评价

4.1.1 泥石流危险度评价

泥石流的危险程度简称危险度，它是指遭到泥石流损害的可能性的大小［15］，危险度评价是对泥石流的发展趋势所进行的预测评价，是对泥石流沟自身危险性大小的定量划分。泥石流危险因子的赋值与其权重乘积和即为泥石流的危险度，采用刘希林等单沟泥石流危险度的计算方法［15］:

式中:

M——泥石流暴发规模;

F——泥石流暴发频率;

S1——泥石流流域面积;

S2——主沟长度;

S3——流域相对高差;

S6——流域切割密度;

S9——不稳定沟床比例。

通过将水沟墩沟的流域参数带入公式(7)，计算得到泥石流危险度为0.46，根据危险度的判断标准，水沟墩沟泥石流危险度为中度危险，可能造成重大灾害和危害。

4.1.2 泥石流最大危险范围预测

泥石流危险范围预测是对泥石流冲出最大距离进行估算方法的研究，是对泥石流灾害危险性评价的重要环节，用来计算泥石流最大危险范围。汶川地震后，强震区丰富的松散固体物质导致泥石流规模的放大效应，即使泥石流流域面积较小，其洪峰流量比通常的要大数倍［16］。本次采用强震区一次泥石流冲出范围危险预测模型［17］。经过计算，水沟墩沟一次泥石流最大冲出距离0.494km，一次泥石流最大堆积宽度为0.491km。

式中:

Lf——预测的一次泥石流最大冲出距离(km);

Bf——预测的一次泥石流最大堆积宽度(km);

W——松散固体物质储量(×104m3);

H——流域最大相对高差(km)。

圈定泥石流最大危险范围方法如下:①判断泥石流堆积扇起点位置，以该点为起点，按照泥石流可能流动方向，标一直线;②堆积扇起点为顶点，以该直线为顶点的平分线，绘出泥石流两侧边界;③在顶点平分线上取Lf为泥石流最大堆积长度，垂直于平分线(Lf)取Bf为泥石流最大堆积宽度;④以Lf线段末端点和Bf线段两个端点为基本点作圆弧，这样构成的圆弧与泥石流两侧边界围成范围即为泥石流最大危险范围(图3)。经过野外实地验证，泥石流危险范围略大于泥石流堆积扇范围，表明预测结果在研究者可控范围之内，预测结果是可靠的。

4.2 水沟墩沟泥石流对铁路工程影响评价

泥石流的危害方式可以简化为两种类型:一是冲，二是淤，泥石流的危害往往是既冲又淤，冲淤结合。水沟墩沟的纵坡降非常大，且沟道狭窄，泥石流

图3 水沟墩沟泥石流最大危险范围预测图Fig.3 Maximal risk range of the Shuigoudun debris flow

4.3 水沟墩沟泥石流减灾防灾建议

水沟墩沟泥石流对成兰铁路及新塘关双线大桥影响是潜在的，为使铁路线正常、安全运行，必须对水沟墩沟泥石流采用相关减灾防灾措施。水沟墩沟泥石流危险度大小为0.46，属于中度危险，水沟墩沟泥石流防治应以治为主防为辅，实施生物和土建工程综合治理即可防止泥石流的发生发展。

根据对水沟墩沟主沟堆积扇颗粒组成野外实地测试表明，沟床中碎石、块石，最大块径为0.5m×0.6m×1.0m。通过对扇体沟口积块碎石(粒径＞10cm)共进行了1000块颗粒的统计分析工作，而按块数统计表明:10～20cm占80.47%，可见堆积区颗粒以10～20cm的碎石为主，没有太大的石块冲到堆积扇。鉴于以上分析，水沟墩沟泥石流虽然大块石含量相对较少，但其冲击破坏力仍在一定程度上对铁路的建设构成威胁，同时泥石流对堆积区的铁路工程建设会造成潜在的泥沙淤积或侵蚀冲刷下切作用。因此，在设计和施工中，需要采取相应的手段以增大桥墩的抗冲击能力，同时还要在桥墩抗冲刷和下切能力加大的基础上考虑泥石流可能淤埋的高度，以增大桥涵的净空高度。其建议防治措施概括为三点:

(1)考虑提高线路标高，以增大大桥的排洪净空，同时尽可能使线路与主沟方向正交，不得己斜角角度不要大于10°～20°。

(2)需要采取相应的手段以增大桥墩的抗冲击力能力，尤其是桥墩迎水面要加强结构的整体性和建材的耐磨性，同时还要在桥墩处设防以提高沟道的抗冲刷能力，防止泥石流因下切、揭底拉槽冲刷导致桥墩处岩土被掏空而引起桥体的垮塌。

(3)布置排导槽和拦挡坝工程，用以控制组成泥石流固体物质的和雨洪径流，削弱泥石流流量、下泄总量和能量，减少泥石流对新塘关大桥的冲刷、撞击、淤积等危害。

5 结论

(1)水沟墩沟泥石流动静力学参数表明该沟是一条典型的暴雨类、沟谷型、稀性、中型、低频率泥石流沟。丰富的松散固体物质、陡峻的地形和丰富的降水控制了水沟墩沟具有再次暴发泥石流的可能性。同时，水沟墩沟泥石流较高的平均流速和较大淤积厚度，表明水沟墩沟泥石流的直进性强，泥石流流体冲於量大，具有较强的冲击力和侵蚀力，大冲大淤，冲淤结合。

(2)水沟墩沟泥石流危险度为0.46，属于中度危险;一次泥石流最大堆积长度为494m，最大堆积宽度为491m，最大危险范围为0.20 km2，成兰铁路新塘关双线大桥完全处在水沟墩沟泥石流危害的范围之内，泥石流对铁路工程及桥梁的危害模式为:先冲-又淤-再冲。

(3)成兰铁路及新塘关双线大桥在设计和施工中，必须采取相应的手段以增大桥墩的抗冲击能力和下切能力，同时考虑泥石流可能淤埋的高度，以增大桥涵的净空高度，减少泥石流对新塘关大桥桥墩的冲刷、撞击、淤积等危害。

［1］吴积善，田连权，康志成，等.泥石流及其综合治理［M］.北京:科学出版社，1993:40-48.WU Jishan，TIAN Liangui，KANG Zhicheng，et al.Debris flowand general prevention［M］.Beijing:Science Press，1993:40-48.

［2］Tang C，Rengers N.，van Asch Th.W.J.，et al.Triggering conditions and depositional characteristics of a disastrous debris flow event in Zhouqu city，Gansu Province，northwestern China［J］.Nat.Hazards Earth Syst.Sci，2011，11:2903-2912.

［3］胡向德，毕远宏，魏洁.甘肃舟曲三眼峪沟泥石流的形成条件与发展趋势［J］.中国地质灾害与防治学报，2011，22(2):55-60.HU Xiangde，BI Yuanhong，WEI Jie.Conditions leading to the destructive debris flow at the Sanyanyu gulley and its occurrence trend［J］.The Chinese Journalof Geological Hazard and Control，2011，22(2):55-60.

［4］许强.四川省8.13特大泥石流灾害特点、成因与启示［J］.工程地质学报，2010，18(5):596-608.XU Qiang.The 13 August 2010 catastrophic debris flows in Sichuan province:characteristics，genetic mechanism and suggestions ［J］.Journal of Engineering Geology，2010，18(5):596-608.

［5］唐川，李为乐，丁军，等.汶川映秀镇“8.14”特大泥石流灾害调查［J］.地球科学(中国地质大学学报)，2011，36(1):172-180.TANG Chuan，LIWeile， DING Jun， etal.Field investigation and research on giant debris flow on August 14，2010 in Yingxiu town ，epicenter of Wenchuan earthquake［J］.Earth Science(JournalofChina University of Geosciences)，2011，36(1):172-180.

［6］余斌，马煜，张建楠，等.汶川地震后四川省都江堰市龙池镇群发泥石流灾害［J］.山地学报，2011，29(6):738-746.YU Bin，MA Yu，ZHANG Jiannan，et al.The group debris flow hazards after the Wenchuan earthquake in Longchi，Dujiangyan，Sichuan province［J］.Journal of Mountain Science，2011，29(6):738-746.

［7］倪化勇，郑万模，唐业旗，等.绵竹清平8·13群发泥石流成因、特征与发展趋势［J］.水文地质工程地质，2011，38(3):129-138.NI Huayong，ZHENG Wanmo，TANG Yeqi，et al.Formation，characteristics and trend of the group debris flows occurred on August 13 in Qingping，Mianzhu county［J］.Hydrogeology＆ Engineering Geology，2011，38(3):129-138.

［8］http://baike.baidu.com/view/1410689.htm.

［9］铁永波，唐川，苏小琴.四川省九龙县石头沟泥石流泥石流动力学特征及危险性评价研究［J］.水土保持研究，2008，15(5):168-170.TIE Yongbo，TANG Chuan，SU Xiaoqin.Shitougou debris flow dynamic characters and its hazard risk assessment in Jiulong of Sichuan provience［J］.Researchof Soil and Water Conservation，2008，15(5):168-170.

［10］费祥俊，舒安平.泥石流运动机制与灾害防治［M］.北京:清华大学出版社，2003:80-95.FEI Xiangjun，SHU Anping.Movement mechanism and disaster control for debris flow［M］.Beijing:Tsinghua University Press，2003:80-95.

［11］四川省水利厅.四川省中小流域暴雨洪水计算手册［M］.成都，1984:10-52.Si Chuan provincial water resources department.Sichuan province smalland medium-sized basin storm flood calculation manual［M］.Chengdou，1984:10-52.

［12］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［S］.2006.The ministry of land and resources of the People’s Republic of China.Specification of Geological Investigation for Debris Flow Stabilization［S］.2006.

［13］中国科学院成都山地灾害与环境研究所，中国科学院东川泥石流观测研究站.云南蒋家沟泥石流观测研究［M］.北京:科学出版社，1990:53-196.IMDE(Institution of Mountain Disaster and Environment，CAS)，Research and observation of debris flow in Jiangjia Gully，Yunnan，China［M］.Beijing:Science Press，1990:53-196.

［14］余斌.不同容重的泥石流淤积厚度计算方法研究［J］.防灾减灾工程学报，2010，30(2):207-211.YU Bin.Study on the method for deposition depth calculation of debris flow with different densities［J］.Journal of Disaster Prevention and Mitigation Engineering，2010，30(2):207-211.

［15］刘希林，唐川.泥石流危险性评价［M］.北京:科学出版社，1995:17-30.LIU Xilin，TANG Chuan.Hazard assessment of debris flow［M］.Beijing:Science Press，1995:17-30.

［16］Tang C，Zhu J，Li w L.Rainfall triggered debris flows after Wenchuan earthquake.Bul1.Eng.Geo1.Environ.，2009，68:187-194.

［17］朱静，常鸣，丁军，等.汶川震区暴雨泥石流危险范围预测研究［J］.工程地质学报，2012，20(1):7-14.ZHU Jing，CHANG Ming，DING Jun，et al.Prediction for hazard zones of rainstorm induced debris flows in the WenChuan earthquake epicenters［J］.Journal of Engineering Geology，2012，20(1):7-14.