枇杷沟泥石流基本特征分析与评价

高 东

（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

“5·12汶川地震”不仅导致地震灾区大量人员伤亡和财产损失，而且造成灾区岩土体的损伤甚至形成一系列的崩塌、滑坡等地质灾害［1－2］。这些受损的岩土体和地震形成的崩滑堆积物都为地震灾区泥石流的发生提供了丰富的物源［3－4］。与此同时，地震灾区地形地貌和降雨量等因素也是引发泥石流的重要原因。对于地震灾区泥石流沟特别是极震区泥石流沟，由于“刮铲效应”使泥石流过水断面面积和泥石流平均流速发生显著变化，所以在确定新的参数并得到新的流量值后有必要使用行之有效的计算方法对计算结果进行验证［5－7］。因此，对地震灾区泥石流特征值的研究更有利于灾区泥石流形成机制的探析，并为灾区泥石流的防治提供依据。

1 研究区地质环境概况

枇杷沟位于汶川地震极震区——安县县城以西的高川乡，睢水河右岸，沟口即为高川乡新桥村二、三组居民点。沟口处有雎水至高川的公路通过，距安县县城主城区约55km。枇杷沟为一老泥石流沟：1995年该沟曾发生过泥石流，将沟口的食品站冲毁；2009年7月17日因强降雨发生泥石流灾害，冲出物质淤积沟谷内，没有造成人员伤亡和财产损失；2012年8月17日，该沟因强降雨发生泥石流灾害，冲毁2户房屋，威胁11户房屋的安全，所幸的是没有造成人员伤亡。

1.1 地形地貌

枇杷沟沟域地形总体上属中等切割构造侵蚀中山地形，上游由邱家沟、龙家沟2条支沟组成（图1）。该沟平均纵向长度1 470m，平均宽度450m，沟域面积0.49km2。沟域最高点高程1 503m，最低点位于沟口与雎水河交汇处，高程898m，相对高差605m。沟域岸坡以陡坡地貌为主，5·12地震沟内新出现了大量崩滑不良的地质现象，为泥石流的发育提供了大量松散固体物源。枇杷沟总体上为中等切割“V”型谷，总体上具有岸坡陡峻、切割深度较大的特点。主沟平均纵坡降389‰，其中龙家沟与邱家沟交汇处以上沟段纵坡陡峻，而以下沟段总体上纵坡略缓，且呈现陡缓相间的空间变化特征。沟谷平面上弯道发育，谷宽总体上上游窄、下游较宽，且也呈现出时宽时窄的变化特点。枇杷沟主要接受大气降水与泉水补给，流量受降水量影响大。据访问，在4月—7月丰水期沟内有水，但地震后流量骤减，枇杷沟较大的支沟为龙家沟与邱家沟。

1.2 地层岩性

沟域内主要出露泥盆系、二叠系、三叠系和第四系地层。枇杷沟上段为泥盆系上统唐王寨群，上部浅灰色薄—厚层状白云岩夹白色较纯灰岩，局部具鲕状或假鲕状结构，下部白云岩夹白云质灰岩中上部为二叠系白、乳白色厚—块状石灰岩为主，含生物碎屑及燧石结核石灰岩。下部为三叠系下统飞仙关组紫红色页岩、砂质页岩及粉砂岩，表层强风化，裂隙较发育。第四系松散堆积层中：泥石流堆积物和冲洪积物主要分布于枇杷沟下沟段沟中和沟口地区，厚0.2～3.3m。坡残积物、滑坡堆积物主要分布在斜坡中下部及坡脚地带及坡体上的坡折段，厚度0.5～8m。沟下部岩层倾角约68°、沟上部岩层倾角约43°，有自下而上逐渐变缓的趋势。

图1 枇杷沟泥石流地形图

1.3 地质构造与地震

枇杷沟位于四川龙门山褶断带与四川盆地结合部，地质构造复杂，区内构造以断裂、褶皱为主。该泥石流沟域受构造活动影响，岩体挤压破碎，表层结构松散，为崩塌、滑坡和泥石流等地质灾害的发育提供了丰富的物质来源。区内新构造运动表现为区域性地壳急剧上升并伴随断裂活动，在上升中有短暂间歇。区地震活动较为频繁，地震基本烈度为Ⅷ度。枇杷沟距汶川大地震的发震断裂——映秀—北川断裂直线距离较近［2］。泥石流区地处汶川地震发震断层的上盘，由于上盘效应，使该地区形成滑坡和岩土体内部损伤，形成较多泥石流物源，这也是该处泥石流易发的重要原因。地震过程中岩土体受损程度与该区域构造发育程度有关，且在暴雨情况下容易导致泥石流。

1.4 降雨及水文地质条件

枇杷沟平均年降雨量1 261mm左右，区内50a一遇年最大年降雨量为1 521.1mm（1990年），最大日降雨量为470mm／d（1992年）。从高川水文站收集的资料，2009年7月17日枇杷沟泥石流的降雨量为24小时157mm。2012年8月17日21时至18日凌晨，1小时降雨量达99.3mm，短时期强降雨量达200余mm。而四川山区泥石流激发雨量一般为一次雨量48～50mm左右，或10min雨量8～12.2mm，1min雨量0.8～1.2mm左右。安县典型泥石流隐患点均分布于年均降雨量大于1 400mm的地区，结合地形、构造图（图2）不难看出枇杷沟泥石流的发生除受地形地貌等因素的影响外，主控因素为降雨量及降雨强度，泥石流暴发的水源主要为暴雨洪水。

图2 研究区构造剖面图［1］

2 泥石流特征值的计算与确定

通过地形图测绘、实测断面图测量、野外调查和访问获取到：汇水面积、主沟长度、主沟平均纵坡降泥位、沟道断面特征等资料，并对枇杷沟泥石流基本特征值进行计算。最终依据计算结果的可信度对不同方法进行计算后得出的结果进行选取。

2.1 泥石流体重度

地震的发生，使得地震灾区岩体由风化作用为主的破坏形式瞬时向内动力地质作用的破坏形式转变，所形成的崩滑物质在粒度和分选上有别于外动力地质作用所形成的崩滑物质。例如枇杷沟附近的老鹰岩地区，地震所形成的滑体粒径达7m、平均粒径约2m，占60%～70%。据泥石流级配与容重之间的关系［8－10］和能量守恒定律，地震产生的崩滑物质在增大泥石流重度的同时还使得泥石流在出口处具有更大的动能，即有更大的破坏力。

2.1.1 现场配浆法

在枇杷沟不同位置分3处取泥石流堆积物，考虑到级配成分对测定泥石流容重误差的影响［8－10］，结合实际操作情况，在取泥石流堆积物时考虑最大粒径达200mm。分别对3处泥石流堆积物颗粒级配进行分析。经过询问曾见过泥石流发生性状的村民，取沟水将浆体搅拌成当时泥石流浆体质量浓度，并进行称重，量测浆体体积，计算其重度作为泥石流流体的重度，其计算公式为

式中：γc为泥石流重度（t／m3）；Gc为配制泥浆重量（t）；V 为配制泥浆体积（m3）。

测得枇杷沟泥石流重度为1.798～1.944t／m3，平均值为1.848t／m3。

2.1.2 查表法

按照DZ／T 0220—2006《泥石流灾害防治工程勘查规范》［11］（以下简称《规范》）附录 H 填写泥石流调查表并按附录G进行易发程度评分为108，按表G.2查表确定枇杷沟泥石流重度为1.745t／m3，为黏性泥石流，泥沙修正系数1＋φ（γh＝2.65）为1.842。

综合取值：由于枇杷沟泥石流以往没有监测资料，只能通过配方法和查表法2种方法来确定，而这2种方法又各有其特点。配方法只能对已发生过，且有人目击的泥石流进行测定，且测定结果只能代表当时的一次泥石流发生的结果。相对而言，查表法是在现状调查基础上带预测性的重度值结果，更宜作为泥石流设计的依据，本次泥石流重度的综合取值采用查表法的结果。

2.2 泥石流流速计算

由于地震力对沟道两侧岩土体的破坏以及泥石流刮铲效应增加了冲出物在水平面的运移停积能力［7］，使黏性泥石流在阵发性初期处于低流速状态。而后期由于沟道的加宽和阻力的减小，使得泥石流流速加大、一次性冲出物增多。同时可见震后灾区泥石流对泥石流沟道有着明显的拓宽效应。这些都与现场调查所了解到的情况相一致。枇杷沟泥石流重度为1.745t／m3，根据《规范》为黏性泥石流，流速按下式计算：

计算位置：2－2’剖面断面流速为6.60m／s，10－10’剖面（图3）断面流速为5.85m／s，12－12’剖面断面流速为5.76m／s。

2.3 泥石流流量

泥石流流量是描述泥石流基本特征的重要参数，也是泥石流设计工作的基础，本次工作采用雨洪法和形态调查法，综合分析确定泥石流的流量。

图3 枇杷沟剖面图

2.3.1 雨洪法

1）清水流量计算。以目前公认用于小流域设计洪水的推理公式为主，进行设计清水流量的计算。依据四川省水利电力厅编《四川省中小流域暴雨洪水计算手册》［12］中小流域暴雨洪水流量的推理公式为

式中：QP为频率为P的暴雨洪水设计流量（m3／s）；ψP为频率为P的暴雨洪峰径流系数；SP为某频率的暴雨雨力（mm／h）；nP为短历时（24h以内）设计的暴雨公式指数；F为流域集水面积（km2）；L为自出口断面沿主河道至分水岭的河流长度（km）；τP为流域汇流时间（h）；μ为产流参数（mm／h）；m 为汇流参数。

首先确定出设计暴雨频率，并计算出暴雨参数n。主要断面暴雨洪峰流量计算表见表1所示。

表1 主要断面暴雨洪峰流量计算表

2）频率为P的泥石流峰值流量计算公式：

式中：Qc为频率为P时的泥石流洪峰值流量（m3／s）；QP为频率为P时的暴雨洪峰值流量（m3／s）；（1＋φ）为泥石流泥砂修正系数，根据量化评分N＝108，查表得1＋φ＝1.842；Dc为泥石流堵塞系数值。

根据枇杷沟特征，并参考有关经验数据，确定枇杷沟堵塞系数Dc为3。

2.3.2 形态调查法

对已发生的泥石流流量可采用形态调查法进行计算，根据调查得到的泥石流泥位及据此求得的泥石流流速，再乘上调查求得的过流断面求取泥石流流量。

形态调查法计算公式为

式中：Qc为泥石流断面峰值流量（m3／s）；Wc为泥石流过流断面面积（m2）；Vc为泥石流断面平均流速（m／s）。

计算位置：流速计算断面选择2－2、10－10’剖面和12－12’剖面共3个断面。

根据各断面流速和断面面积可计算得各断面流量：2－2’剖面断面流量为39.60m3／s，10－10’剖面断面流量为61.78m3／s，12－12’剖面断面流量为64.05m3／s。

2.3.3 综合取值

对比2个计算结果，采用形态调查法求得的泥石流峰值流量计算结果普遍略小于雨洪法求得的结果，总体上形态调查法求得的流量值介于雨洪法P＝2%和P＝5%流量计算之间，另采用形态调查法计算结果没有暴雨频率的概念，仅能代表当次泥石流的特征值，而雨洪法则根据现有沟域面积、沟域植被发育分布情况和径流系数进行计算，具有预测性质，因此，泥石流峰值流量采用雨洪法计算求得的结果。

2.3.4 结果验证

地震灾区泥石流沟特别是枇杷沟这种老泥石流沟，由于地震力对岩土体的破坏及后期暴雨、泥石流对沟道两侧的“刮铲效应”使得沟段宽窄、卡口、稠度高、沟槽堵塞程度、阵流间隔时间等发生变化。从而使泥石流过水断面面积和泥石流平均流速发生显著变化，所以针对地震灾区泥石流有必要对计算结果的准确性进行验证。据高桥堡经验公式

式中：Q0为泥石流断面峰值流量（m3／s）；B 为沟床宽度（m）；d为砾石粒径（m）。

依据：Q0＝Qc＝（1＋φ）·Qp·Dc，结合枇杷沟沟床宽度、砾石粒径等计算所得泥石流峰值流量与验证值相差不大，说明综合取值所得结果符合实际情况。

2.4 一次泥石流过流总量

一次泥石流过流总量按照DT／T 0220—2006《规范》附录I提供的计算公式进行计算

式中：T为泥石流持续时间；Q为泥石流流量。

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

据访问，2012年8月17日发生泥石流（晚上11点到12点之间，持续了约35min），吞并沟口的两间房屋，幸未造成人员伤亡。因此本次只计算2012年8月17日一次泥石流过流总量，即泥石流历时约35min，T＝2 100s。据此计算出2012年一次泥石流过程总量在10－10’剖面处为26 207.08m3／s，而在12－12’剖面处为27 170.01m3／s。

2.5 一次泥石流固体冲出物

一次泥石流固体冲出物按照DT／T 0220—2006《规范》附录I提供的计算公式进行计算

据前面的计算和分析结果，泥石流重度γc＝1.745t／m3，水的重度γw＝1t／m3，泥石流固体物质重度γH＝2.63t／m3，据此计算出2012年泥石流固体物质冲出总量在10－10’剖面为11 978.08m3，而在12－12’剖面为12 418.19m3。

3 结语

1）地震的发生，使得地震灾区岩体由风化作用为主的破坏形式瞬时向内动力地质作用的破坏形式转变，所形成的崩滑物质在粒度和分选上有别于外动力地质作用所形成的崩滑物质。据泥石流级配与容重之间关系和能量守恒定律，地震产生的崩滑物质增大了泥石流容重的同时使得泥石流在出口处具有更大的动能，即有更大的破坏力。

2）在计算泥石流重度时，考虑到级配成分对测定泥石流容重误差的影响并结合实际操作情况，在取泥石流堆积物时尽量使颗粒最大粒径达到最大。且应采取多点取样计算取其平均值的方法，增强结果的可信度。

3）由于地震力对沟道两侧岩土体的破坏以及泥石流刮铲效应增加了冲出物在水平面的运移停积能力，使黏性泥石流在阵发性初期处于低流速状态。而后期由于沟道的加宽和阻力的减小，使得泥石流流速加大、一次性冲出物增多。同时可见震后灾区泥石流对泥石流沟道有着明显的拓宽效应。这些都与现场调查所了解到的情况相一致。

4）地震灾区泥石流沟特别是枇杷沟这种老泥石流沟，由于地震力对岩土体的破坏及后期暴雨、泥石流对沟道两侧的“刮铲效应”作用使得沟段宽窄、卡口、稠度、沟槽堵塞程度、阵流间隔时间等发生变化，从而使泥石流过水断面面积和泥石流平均流速发生显著变化。所以针对地震灾区泥石流沟：在确定新的参数并得到新的流量值后有必要使用行之有效的计算方法对计算结果的准确性加以验证。本文采用高桥堡经验公式，并结合实际说明综合取值，所得结果符合实际情况。

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