洪槽沟泥石流危险性评价及堵河分析

韦 璐，裴向军，崔晓光，杨华阳

（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，成都610059）

0 引言

泥石流是各种自然因素和人为因素综合作用的结果，其发生可以看作是地质灾害从量变到质变的一个过程，而其量变到质变的一个拐点就是泥石流发生的激发因子。因此在泥石流危险性评价模型中应体现出泥石流激发因子在其发生过程中的作用［1］。迄今，国内外学者多从泥石流风险性研究或堵河预测等方面来进行泥石流评价，但很少将危险性评价与堵河分析预测进行综合考虑，更加全面地去考虑泥石流的易损度与危险性。

洪槽沟，位于马尔康镇阿坝州人民医院旁，该沟曾于1982年暴发过大型泥石流，造成沟道两旁茅屋被毁，直接经济损失约20万元。

随着近年来全球气温变化趋势，极端气候频繁出现，加之地震等不确定因素，洪槽沟随时都可能暴发泥石流，而其危害对象又直接牵涉到县城，人口众多，潜在经济损失巨大，为了保障区域人们的生命财产安全，有效控制泥石流规模及暴发频率，消除或减轻泥石流危害，研究洪槽沟发育特征，预测其暴发规模，并提出相应的工程措施非常必要。

1 洪槽沟泥石流流域特征

洪槽沟属川西高原季风气候区，总体气候特征是冬寒、夏凉，日温差大，多年平均气温为16.4℃。洪槽沟是梭磨河右岸一条小型支沟，径流主要补给方式为降雨和高山融雪，降雨补给主要集中在每年5月—9月，年降雨量可达1 057.7mm。

图1 洪槽沟遥感图

洪槽沟属四川西部地槽区，位居北西向鲜水河大断裂与北东向龙门山华夏系构造带之间的金汤弧形构造带之北侧，流域内地形条件较复杂，上游地势陡峻，下游较缓，属构造侵蚀高山区。洪槽沟流域内出露三叠系及第四系地层。岩性为灰色—灰褐色薄—中厚层状变质砂岩与砂质板岩互层，风化作用下岩体较破碎，节理裂隙发育，滑坡、崩塌等不良现象广布，第四纪松散物质分布在沟床与岸坡上，区域构造稳定性较差。

2 泥石流发育条件分析

2.1 沟谷特征

洪槽沟泥石流属于沟谷型泥石流，沟域形态呈不规则扇形，主沟长度5.6km，沟域面积12.02km2，沟域整体呈上、中游最宽，向下游逐渐变窄的特征。沟头最大高程为4 100m，沟口与梭磨河交汇处高程为2 540m，相对高差1 520m，沟谷平均纵坡降为264‰。沟谷形态以“V”字为主，沟宽20～60m，两岸山坡较陡，坡度一般为40°～70°，沟谷以侵蚀、搬运为主。由于人类工程活动，泥石流堆积扇已被改造，完整性差。该河谷区植被覆盖较好。根据地形地貌等条件，可将该流域分为清水区、物源流通区及堆积区（如图2）。

图2 洪槽沟流域示意图

2.2 物源条件

根据现场调查，洪槽沟泥石流沟域内植被覆盖良好，松散物源主要分布在中下游，沟域内地质构造复杂，致使岩层破碎，节理裂隙发育，坡面风化堆积物与沟道内松散堆积体是洪槽沟泥石流固体物质的主要来源之一。坡面松散物源参与泥石流活动的方式主要为水土流失，包括面蚀和沟蚀情况，侵蚀强烈的可能形成坡面泥石流或坡面冲沟泥石流，总体上这些坡面侵蚀物源区坡度均较大，沟口段植被破坏也较为严重，其沟侧垮塌段可参与泥石流活动的物源量约8×104m3。物源流通区与堆积区沟道中均有松散物质堆积，厚度4～7m，泥石流通过对沟床的侵蚀阶地获取固体物质，可参与泥石流活动的固体物质为3×104m3。除此之外，洪槽沟沟域内有5处泥石流、2处崩塌以及1处由于人工开挖堆积的隧道弃渣，提供固体物质量为3×104m3。松散物质总量为1.22×106m3，而不稳定物源1.4×105m3，占物源总量的11.5%。从目前来看，一旦发生连续强降雨，就有可能形成中—大型泥石流，造成严重的危害。

3 泥石流危险性评价

泥石流灾害的危险性评价是灾害预测预报的基础性工作，对减灾救灾具有重要的指导意义。本文采用泥石流的定性评价和定量评价两种方法对洪槽沟泥石流危险性进行评价。

3.1 洪槽沟泥石流危险性的定性评价

3.1.1 发展阶段识别

根据《泥石流灾害防治工程勘查规范》以及现场调查，洪槽沟泥石流主沟侵蚀速度大于支沟，其主河河形基本稳定，松散物质储量大于1.0×104m3，不良地质现象发育，沟槽以纵向切蚀为主，横向切蚀也较发育，其沟槽平均切蚀速率5.22mm／a，大于支沟侵蚀速率。沟形顺直束窄，触发雨量较大。由此可知，洪槽沟泥石流处在发展壮年期。

3.1.2 泥石流危险性分级

按照《泥石流灾害防治工程勘查规范》，根据泥石流一次性暴发规模，可分为4个等级；根据泥石流灾害一次造成的死亡人数或直接经济损失可分为4个灾害等级；对于潜在可能发生的泥石流受威胁人数或可能造成的直接经济损失，可将泥石流的潜在危险性分为4级。洪槽沟泥石流的主要危害对象包括110多户340多村民、镇道路500m、公路涵洞1处、医院1 500m2等，可能造成的损失约1 300万元，人员340多人，洪槽沟百年一遇洪峰流量为111.35m3／s，一次泥石流总量达2.2万m3。由此推断，洪槽沟泥石流规模为中—大型，危险性为特大型，其潜在危险性为中型。

3.1.3 易发程度分级

洪槽沟泥石流流域内不良地质现象发育，泥石流固体物源量较多，泥砂的补给充分，活动强度较大，利于泥石流的发育。参照DZ／T 0220—2006《泥石流灾害防治工程勘查规范》附录G，对洪槽沟泥石流进行易发程度评分（见表1），判定洪槽沟泥石流属于中等易发型。

3.2 洪槽沟泥石流危险性的定量评价

泥石流危险性的定量评价一般指泥石流的危险度评价，为了能达到更好的预测和防止泥石流的目的，国内外对于泥石流潜在危险程度的研究越来越多。由于泥石流灾害成因和评价因子的复杂性，其危险度评价存在一定的困难，目前尚无统一的泥石流危险度评价标准。近年来，研究者将数学模型运用到了泥石流的危险性评价中，包括层次分析法、灰色关联分析法、模糊综合评判法等，对泥石流灾害的危险性系统有一定的分析与辨识能力，其中以综合评分法最为常用。

为了能合理地评价洪槽沟泥石流，结合现有资料和实际情况，本文采用刘希林［2］提出的单沟泥石流危险度评价方法。该方法经过10多年的完善和改进，已初步成型，并获得较广泛的认同和引用。最新改进的单沟泥石流危险度评价方法共采用7个评价因子（见表2），除主要内在因子泥石流规模M和发生频率F外，其他次要环境因子减少至5个，它们是：流域面积S1、主沟长度S2、流域相对高差S3、流域切割密度S6和不稳定沟床比例S9。这5个次要因子可从流域地形图上比较准确地获取。次要因子选取的方法是：从与单沟泥石流危险度有关的14个候选因子中，采用双系列关联度分析方法，分别将14个候选因子与泥石流规模和发生频率进行关联度分析，再根据每个候选因子与泥石流规模和发生频率得出的2个关联度的平均值来确定是否与主要因子关系密切，从而决定其取舍［2］。洪槽沟泥石流其主要影响因素为泥石流暴发规模及暴发频率，因此可用此方法进行评价。此方法通过将以上因子的取值进行数值转换［3］带入模型：

得：洪槽沟危险度H单＝0.471，按危险度5级分级标准（极低危险0＜H单＜0.2，低度危险0.2＜H单＜0.4，中度危险0.4＜H单＜0.6，高度危险0.6＜H单＜0.8，极高度危险0.8＜H单＜1），洪槽沟属于中度危险的泥石流沟。

表1 洪槽沟泥石流易发程度评判表

表2 泥石流危险度评价因子取值及其转换值

4 泥石流特征值及堵塞主河分析

4.1 泥石流特征值

假设泥石流与暴雨同频率、同步发生，计算断面的暴雨洪水设计流量全部转变为泥石流流量。根据水文手册［4］中公式计算出断面不同频率下的暴雨洪峰流量：

式中：S为暴雨雨力（mm／h），计算公式S＝H×tn－1（H 为历时为t、设计频率为P的暴雨量）；n为暴雨指数；F为流域面积（km2）；τ为流域汇流时间；μ为产流系数（mm／h），按μ＝3.6F－0.19计算。

在确定堵塞系数Dc后，计算泥石流峰值流量：

式中：Qc为频率为P 的泥石流峰值流量（m3／s）；Qp为频率为P的暴雨洪峰流量；φ为泥石流泥砂修正系数；Dc为泥石流堵塞系数。

根据泥石流的历时和最大流量，按泥石流暴涨暴落的特点，将其过程线概化为一个理想的五边形，计算一次泥石流总量：

式中当F＜5km2，K＝0.202；F＝5～10km2，K ＝0.113；F＝10～100km2，K＝0.037 8；F＞100km2，K ＜0.025 2。

洪槽沟河道较顺直，堵塞系数取1.5，取1982年泥石流暴发时间30min为泥石流历时，计算得到洪槽沟不同频率下的泥石流特征值见表3。

表3 洪槽沟不同频率下的泥石流特征值

4.2 洪槽沟堵塞主河分析

由于洪槽沟泥石流位置特殊，一旦泥石流堵塞主河梭磨河，将对G317及马尔康县城造成严重的损失。

泥石流是否堵塞主河，主要根据一次泥石流规模、主河流量和扇形地的泥石流沟床条件进行分析［5］。本文选用一次泥石流规模进行分析。

根据现场调查，洪槽沟与主河梭磨河正交（如图3）。主河宽度为Bw，主河水深为Hw，由于主河底坡较小，视为水平。堵塞体上游坡度满足泥石流堵塞体在饱和状态下的内摩擦角φ。堵塞体下游坡度采用河床物质发生水石流的起始坡度，取14°，则堵塞主河需要土体方量Vc为：

洪槽沟泥石流为低容重的稀性泥石流，其容重为1.625t／m3，其堵塞体仅为砂粒以上的粗颗粒，取折算系数0.7，则一次泥石流在汇口断面堵塞主河的规模为：

图3 洪槽沟泥石流堵河示意图

根据梭磨河实测典型断面测得梭磨河Bw为30m，内摩擦角φ取41°，CV为0.3，CVPV为0.255。根据不同主河洪水频率洪水高度计算得到梭磨河泥石流一次堵塞规模见表4。

表4 洪槽沟泥石流一次堵塞规模统计表

对比洪槽沟不同频率下的一次过流总量，主河10a一遇以下，泥石流20a一遇以上均可能堵河。主河10～20a一遇，泥石流20～50a一遇可能堵河。

5 结论

（1）洪槽沟泥石流属于沟谷型泥石流，沟域形态为不规则扇形，流域分为清水区、物源流通区和堆积区。

（2）洪槽沟纵坡降较大、固体松散物质储量非常丰富、降雨集中并且雨量非常大，物源、地形地貌、降雨等各方面均为泥石流的形成提供了充足的条件。

（3）洪槽沟泥石流处于发展壮年期，为中—大型地质灾害，其灾害危险性属于特大型，危险程度严重，潜在的危险性属于中型，危险度为0.471，为中度危险泥石流。

（4）运用雨洪法确定洪槽沟不同频率下的一次过流总量，对比主河泥石流一次堵塞规模，反推出当梭磨河10a一遇的洪水遭遇洪槽沟20a一遇以上频率的泥石流或梭磨河20a一遇洪水遭遇洪槽沟50a一遇泥石流时发生堵河的可能性较大。一旦泥石流堵塞主河梭磨河，将对G317及马尔康县城造成严重的损失。

（5）综合其危险性评价及堵河分析，建议在泥石流灾害防治时以防为主，采用拦粗排细的方案，将易造成堵河的砾石拦挡住，同时排走细小颗粒，增加拦挡坝库容。

（6）由于洪槽沟泥石流暴发时间久远，泥石流持续时间是通过老乡访问及地区泥石流沟资料类比的形式确定的，存在一定的误差。

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