雅鲁藏布江街需水电站坝址区九锥沟泥石流发育特征

贺 拿，陈宁生，谢万银，李 俊

(1.河南理工大学土木工程学院，河南焦作 454003;2.中国科学院水利部成都山地灾害与环境研究所山地灾害与地表过程重点实验室，四川成都 610041)

0 引言

近年来由于山区河谷大型水电工程的建设，泥石流对在建工程区造成的影响越来越引起人们的重视［1］。泥石流暴发突然、历时短且成因复杂，目前准确的预测预报仍然是世界性的难题［2］，每年因泥石流灾害造成的损失都较为严重［3］。对在建工程而言，泥石流灾害不仅会影响工程的施工进度，增加工程的投资，也会在很大程度上威胁工程的安全性，因此对在建工程区泥石流沟的发育特征的研究是防灾减灾的前提及重要依据。

1 九锥沟流域概况

九锥沟位于拟建街需水电站上坝址下游0.72 km，下坝址上游0.54 km处，沟口与雅鲁藏布江交汇点位于东经92°26'53″，北纬29°15'11″。九锥沟流域面积12.13 km2，流域最高海拔5766 m，于高程3316 m汇入雅鲁藏布江(图1)，高差约2450 m，主沟长约6.10 km，主沟总体纵坡降346.48‰。

图1 九锥沟流域水系图Fig．1 Water system diagram of jiuzhui-gully

1.1 九锥沟地形地貌及地层岩性

九锥沟流域地势南高北低，主沟沟道呈南北向窄长型展布，在海拔3316 m处汇入雅鲁藏布江。从地貌上看，九锥沟沟谷总体比较狭长，沟道深切，纵坡降较小。高程4752 m以上地势开阔，岸坡坡度大多在20°～30°，多数坡面基岩裸露，植被覆盖率为20%，沟道及后缘分布由冻融作用形成的块碎石;高程介于4100～4752 m，沟道顺直，沟床上分布较多的块石和巨石，两岸边坡坡度多在30°～40°，流域内低海拔区处植被茂密，高海拔区处基岩裸露，该段沟谷整体上呈宽“V”字型;高程4100 m以下沟道深切狭窄，沟谷弯曲，沟道内跌水坎发育，沟道两侧发育有老泥石流堆积物及崩塌堆积物，两岸边坡高陡，局部发育有“一线天”地貌，该段沟谷整体上呈痩“U”字型。

流域的相对高差达3000 m以上，较大的地形高差使处于流域中上部的风化岩体具有较大势能，为坡面和沟床松散堆积物能量的释放和势能转化为动能提供了有利条件，为流域内洪水强烈冲刷坡面和沟床松散堆积物形成高速泥石流汇流形成了巨大的动能条件［4］。

九锥沟出露基岩岩性为喜山期(E2R)黑云母花岗闪长岩，局部穿插有黑云母角闪石英闪长岩脉，主要为雅鲁藏布江左岸冈底斯-念青唐古拉地层区南部岩浆岩，并主要发育于九锥沟山坡中高程处，脉体与围岩多呈裂隙接触，黑云母角闪石英闪长岩总体产状为N10°～20°E SE∠25°～35°，一般宽度0.1 ～0.3 m，深灰色，地表出露的脉体基本上呈弱风化。

1.2 地质构造及地震活动

九锥沟流域内发育断层为f12，断层走向近EW～NE，倾角55°～84°，宽度2 ～5 m，性质为逆冲，通过钻孔资料可见带内充填碎粉岩、岩屑，呈全强风化状。

研究区内岩体总体较完整，结构面发育特征如下:节理①:N70°W/NE∠32°，延伸长度0.5 ～0.8 m，间距1～3 mm，面粗糙，闭合无充填，弱风化;节理②:N35°E/NW∠72°，延伸长度1～3 m，间距10～30 cm，面粗糙，张开1～3 mm，无充填，弱风化。

九锥沟流域受地震的影响较为强烈，据资料记载，最早的地震是公元642年拉萨南43/4级地震，到2010年12月共记录到M≥4.7(43/4)级地震74次，其中M≥6级地震14次，最大地震是1411年当雄8级地震。九锥沟流域位于喜马拉雅地震带和藏中地震带交汇地区。喜马拉雅地震带地震活动水平高，对比20世纪地震活动水平，估计未来百年仍有发生7级及8级地震的可能。

历史上对九锥沟流域影响烈度达到Ⅴ度的地震有14次。1915年桑日7级地震对该流域的影响烈度最大为Ⅷ度。1947年西藏朗县东南7.7级地震，对流域的影响烈度为Ⅶ度，另外，有4次地震对流域的影响烈度为VI度，其余地震对坝址的影响烈度为Ⅴ度。由地震活动直接或间接诱发泥石流灾害被国内外的诸多研究所证实［5-6］，地震活动与泥石流产生之间存在较为密切的关系［7］。

地震活动影响流域的地貌格局，影响流域内坡面土体的内部结构，导致不稳定土体的厚度增加，为泥石流的发生提供了丰富的物质基础［8-9］。此外，由于土体的结构遭到扰动或破坏，土体的强度大幅降低，在自身重力的作用下局部土体已接近甚至达到极限平衡状态，在外部触发因素的作用下可能失稳下滑。

1.3 九锥沟流域物源条件

流域内的松散固体物质是泥石流形成的必备条件之一［8，10］。物源总量不仅决定着泥石流运动的性质，也在一定程度上决定着泥石流的规模及成灾能力。因此在泥石流的形成及运动过程中起着至关重要的作用。九锥沟物源主要分布于主沟流通区沟道两岸(其中左岸松散固体物质较多)。通过对九锥沟沟道堆积物取样(颗粒 ＜60 mm)分析发现，堆积物中小于0.005 mm的粘粒含量0.22%;0.005～0.075 mm的粉粒含量占1.55%;0.075～2 mm的砂粒含量占35.77%;大于2 mm的砾石含量占62.46%，土样的颗粒组成见图2。通过现场调查发现九锥沟的物源主要包括沟道堆积物、滑坡堆积体、崩坡积物及冰碛物。沟道堆积物依据现场勘查及坑探确定其面积及厚度(表1)，经计算沟道堆积物的总量为10.37×104m3，各沟段的编号见图3，计算结果见表1。

图2 九锥沟沟道堆积颗分曲线图(测量断面处土样2)Fig．2 Gradation curves of channel deposits in Jiuzhui gully

图3 九锥沟沟道纵断面图Fig．3 Profile diagram of Jiuzhui gully

表1 九锥沟沟道堆积物方量统计表Table 1 Statistical table of channel deposits in Jiuzhui gully

1.3.1 滑坡堆积体

通过现场调查，九锥沟流域内共有滑坡堆积体4处。经大量的野外调查发现坡地上的滑坡其底部大多数是一个比较规则的弧形滑动面，为了较为准确的计算滑坡堆积体的量，本文借助弧形均高法计算滑坡体的体积。如图4所示，A为坡脚滑动面剪出口，B为滑坡后壁顶点，C为B在地形图上的投影并与A点等高，H为滑坡的最大高差(m)，LP为滑坡前缘与后壁间的水平距离(m)，θs为坡度角(°)，h1为滑坡的平均厚度(m):

现场调查4处滑坡堆积体长度LP分别为56 m、34 m、44 m 及36 m，相应的坡度分别为20°、22°、17°及18°，经计算滑坡体相应体积分别为11.6×104m3、4.89 ×104m3、5.82 ×104m3、3.44 ×104m3。

1.3.2 崩坡积物

Fausto Guzzetti［11］通过对分布在世界各地的较为典型的677个崩塌、滑坡进行统计分析，发现崩塌滑坡体的体积与其面积之间存在着较为密切的关系，通过线性拟合，得到崩塌滑坡体体积与其面积之间的关系式:

我国学者范建容［12］通过对震后灾区的107个崩塌滑坡样本，利用遥感影像获取崩塌滑坡面积，通过对数据拟合发现崩塌滑坡体积与投影面积之间存在幂函数关系，其关系式为:

图4 求滑坡平均厚度的弧形均高法Fig．4 Calculation method of landslide deposits

本文以公式(3)、(4)为基础分别计算崩坡积物的量，并结合现场调查情况确定出合理的值，通过计算，九锥沟流域内崩坡积物的总量为15.0×104m3。

1.3.3 冰碛物

九锥沟流域上游分布有一定量的冰碛物，冰碛物是第四纪冰川活动残留的松散堆积体。九锥沟冰碛物集中分布于海拔4500～5400m范围内，特别集中于流域中部坡度相对较小的区域。冰碛物的厚度变化较大，厚度可达上百米，如海螺沟热水塘支沟冰碛物最厚达120 m［13］。依据雅鲁藏布江中游冰碛物厚度的研究，其平均厚度大多变化于8～30 m，由于该流域的最高海拔仅5766 m，结合街需电站所在区域的气象条件，取10 m作为九锥沟流域冰碛物的平均厚度，依据遥感解译获取九锥沟流域内冰碛物的面积，经计算冰碛物的总量为441.8×104m3。

综上可知，九锥沟流域内的物源总量为492.92×104m3，单位面积的松散固体物质的量为0.41 m3/m2，满足发生稀性泥石流的物源条件［14］。

1.4 九锥沟流域气象及水源条件

九锥沟所在流域属高原温带季风半湿润气候区。坝址下游约30 km的加查县(测站高程3260.0 m)有1978年以来的气象观测资料，据1978～2009年观测资料，该区域多年平均降水量527.4 mm，历年最大日降水量为51.3 mm。

九锥沟常年流水，主要接受大气降雨和冰雪融水补给，枯水季节主要靠冰雪融水补给，由于沟谷较长，后缘海拔较高，坡面分布有较多的积雪，据现场估测，枯水季节水流量约0.5～1 m3/s;沟谷岸坡较陡，基岩裸露，加之汇水面积较大，有利于地表降水的径流和汇集，雨季时，沟内水量急剧增大，为泥石流暴发提供丰富的水源。

2 九锥沟泥石流发育特征

九锥沟流域内单位面积松散固体物质的量为0.41 m3/m2，满足稀性泥石流发生的物源条件0.1 m3/m2;沟道平均坡降为346.48‰远大于泥石流启动的临界坡降26%，流域内相对高差较大，为泥石流的发生提供了较好的能量条件;九锥沟流域属高原温带季风半湿润气候区，其降雨可以满足泥石流启动所需的临界雨量。此外，九锥沟长期受地震活动的影响。九锥沟为一条老泥石流沟，历史上曾发生过泥石流。从能量、物源及降水条件分析九锥沟依然有发生稀性泥石流的可能，但由于该流域人迹罕至，几乎不受人类活动的影响，而且植被覆盖较好(图5)，发生泥石流的频率较低。但是在地震活动及强降雨的耦合作用下，泥石流发生的频率及规模均会增加。

图5 流域内植被覆盖情况Fig．5 Vegetation coverage of Jiuzhui gully

3 泥石流运动特征分析

3.1 泥石流容重

泥石流容重是确定泥石流性质的重要指标。由于泥石流暴发突然且历时较短，绝大部分泥石流均无法观测，九锥沟也是如此，所以其泥石流容重的确定需要一定方法。参照《泥石流灾害防治工程勘查规范》(DZ/T0220—2006)，泥石流易发程度数量化评分与泥石流容重的关系见表2，按照《泥石流灾害防治工程勘查规范》(DZ/T0220—2006)附录G进行泥石流易发程度评分，九锥沟泥石流易发程度数量化评分得分为72分，按照表2中的对应关系，九锥沟泥石流容重值为1.49g/cm3，以此数值作为该沟百年一遇泥石流容重。

表2 数量化评分与容重的关系(单位:g·cm－3)Table 2 The relationship between quantification score and bulk density

3.2 不同频率泥石流容重推算

泥石流的容重通常随着其规模的变化而变化。泥石流容重与暴发频率的关系，目前研究较少，也没有相应的规范。查阅有关资料发现:据不完全统计，100年一遇以内的泥石流的容重与频率有一定的关系，即:

公式(4)适用于计算百年一遇以内不同频率的泥石流容重，对于大于百年一遇的泥石流，其容重参照百年一遇泥石流容重值。因此，九锥沟百年一遇泥石流容重值即为最大容重值，将其带入公式(4)即可计算出九锥沟不同频率泥石流的容重值，计算结果见表3。由表3可知，该沟20年一遇以上的暴雨径流易引发一定规模的泥石流，而20年一遇以下的暴雨径流则多引发山洪。这与实际调查结果吻合，即近几十年来未发现泥石流暴发，但沟口堆积物为历史上堆积的泥石流体。

表3 九锥沟不同频率泥石流容重值(g·cm－3)Table 3 Debris flow density under different frequencies(g·cm －3)

通过分析泥石流堆积物样本发现，不同粘粒含量的泥石流具有不同的容重，以144个不同地区的样品统计为基础，发现泥石流的容重和粘粒含量的关系用6次以上的多项式方程进行模拟，得到的关系式具有较好的相关性，并给出粘粒含量与容重的多项式关系:

式中:γc—泥石流的容重(g·cm-3);

x—泥石流中粘粒的含量。

通过马尔文激光粒度仪分析九锥沟泥石流堆积物的粘粒含量，测定后发现，九锥沟泥石流堆积物中的粘粒含量为0.22%，带入公式计算得到泥石流的容重为1.577 g/cm3，由此公式计算的值比打分法计算的结果偏高，主要是泥石流发生的时间较久，堆积物中的粘粒除泥石流堆积物自身细颗粒含量外，还有沟道堆积物中被常年流水冲刷以及岩石风化形成的细小颗粒，因此，通过此方法计算的容重值偏高。考虑当地的物源及气候条件，流域中上游岩石完整性较好，长时间的风化后形成的细颗粒较少，据此断定九锥沟百年一遇的泥石流容重为1.49 g/cm3，九锥沟泥石流为稀性泥石流。

3.3 九锥沟泥石流流速

泥石流的流速是针对某一次具体的泥石流而言的，其在不同的比降和不同的糙率沟段是不同的，有时变化很大，对于非观测的泥石流只有采用一定的模式进行模拟计算。由于九锥沟泥石流属于稀性泥石流，参照《中国泥石流》［15］和《泥石流勘查技术》［16］，结合我国西南山区稀性泥石流的特征，采用下面泥石流流速计算公式计算泥石流流速:

式中:Mc——稀性泥石流沟床的糙率系数;

γc——泥石流流体容重;

γw——水的容重;

γs——泥石流固体物质的容重。

由于九锥沟近年来未发生过较大的泥石流，泥石流洪痕断面较难确认，仅在沟道下游找到一处泥石流洪痕断面，根据沟道情况，取泥石流糙率值为4.8，经计算，泥石流流速为2.77 m/s(表4)。

表4 九锥沟泥石流流速Table 4 Debris flow velocity in Jiuzhui gully

3.4 泥石流流量

泥石流流量对泥石流防治工程的规划设计和灾害评估都有重要的意义。本文将形态调查法和配方法相结合计算九锥沟泥石流的流量。

3.4.1 形态调查法

根据泥石流暴发时留下的痕迹(泥痕)确定该次泥石流的最高泥位、断面变化的情况，以调查时的断面为基础，恢复过流时的断面，获得断面面积，以计算其流量，其公式为:

式中:Asc——断面的过流面积/m2;

Vc——断面的流速/(m·s-1)。

根据现场测量的断面，结合上节计算的流速，通过形态调查法计算九锥沟泥石流的流量为70.34 m3/s。

3.4.2 配方法

配方法是在清水流量的基础上进行配方，清水流量用推理公式法计算，见公式(10)。

式中:ψ =f(μ，τn);τn=f(m，s，J，L);

Q——最大流量/(m3·s-1);

ψ——洪峰径流系数;

s——暴雨雨力/(mm·h-1);

n——暴雨指数;

F——流域面积/km2;

L——沟道长度/km;

τ——流域汇流时间/h;

μ——入渗强度;

m——汇流参数，公式中参数ψ、τ均为函数关系，《四川省中小流域暴雨洪水计算手册》中提供试算法确定。

依照中华人民共和国国土资源部的行业标准《泥石流灾害防治工程勘查规范》［17］，泥石流流量的雨洪计算法的公式为:

Qb——清水流量;

Du——堵塞系数，堵塞系数根据沟底堆积物情况，查表获得，泥石流流量计算结果见表5。

表5 九锥沟配方法计算泥石流流量结果表Table 5 Debris flow discharge results(method of completing the square)

根据计算可知，采用形态调查法计算的泥石流流量为70.34 m3/s，接近于配方法计算的50年一遇的泥石流流量(75.40 m3/s)，故可判断通过形态调查法计算的断面其泥石流频率接近50年一遇。

4 结语

九锥沟是一条老泥石流沟，历史上曾发生过泥石流;九锥沟流域物源丰富、流域坡降大，降雨充足，且经常受地震活动的影响，具备发生稀性泥石流的条件。但由于流域受人类活动的影响较弱，且流域内植被覆盖较好，发生泥石流的频率较低。但在地震及强降雨的耦合作用下依然可能发生大规模的泥石流，为了防止泥石流对坝址工程区的影响应加强相应的预警措施。

根据流域自身的条件，推算泥石流的运动特征参数，经计算可知:九锥沟百年一遇的泥石流容重为1.49 g/cm3，泥石流的流速为2.77 m/s，五十年一遇的泥石流流量为75.40 m3/s，这些运动参数为九锥沟泥石流防治工程的设计提供了有价值的参考。

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