蝶子沟泥石流对九绵高速公路的危害分析

罗 恒，沈军辉，李本松，宋欢欢

（1.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；2.中国公路工程咨询集团有限公司 北京中咨华路达工程技术有限公司，北京 100097）

1 研究背景

蝶子沟位于四川省平武县，是火溪河右岸一级支沟，曾多次发生泥石流。尽管蝶子沟近几十年未爆发大规模泥石流，但从沟口巨大的堆积扇和沟内丰富的物源条件来看，该沟仍有爆发大规模泥石流的可能，对沟口堆积扇体上在建九绵高速公路木座服务区安全构成巨大威胁。本文根据系统的野外调查，总结蝶子沟泥石流形成的地质地貌条件，分析泥石流动力学参数，结合多因子评价方法，对该沟泥石流进行危险性评价，建立基于关联度的泥石流危险范围预测模型，预测泥石流的危险范围，为泥石流防治工程设计提供依据。

2 泥石流形成条件分析

2.1 地形地貌条件蝶子沟属深切割构造高中山地形，呈EW向展布。流域呈现“Y”字状（图1）。流域面积14.74 km2，最高点高程3230 m，沟口（火溪河）高程1410 m。沟道在高程约1600 m处出现分叉，分左右两支。分叉点以下主沟长约2 km，纵比降约100‰，沟道相对宽缓，利于松散堆积物堆积。左侧主沟长约4.98 km，纵坡降约300‰，局部沟道相对狭窄，且子沟发育，呈树枝状。右侧主沟沟长约4.26 km，平均纵坡降为333.6‰，其中中部沟道沟床坡度较缓，且沟道宽度较大，可达100～120 m，利于松散堆积物堆积。蝶子沟沟床坡度的变化对泥石流的侵蚀作用有很大影响，侵蚀作用的加强，增加了泥石流爆发可能性和爆发规模。沟谷呈“V-U”型，沟谷深切，相对切割密度为0.736，沟谷两侧斜坡坡度较大，多在30°～60°之间，这样的坡度接近或超过松散固体物质的自然休止角，遇强降雨，松散物质坡体产生孔隙水压力，软化强度降低，易产生失稳［1］。

2.2 地质条件沟域内主要出露震旦系地层，岩性以中-厚层状变粒岩为主，夹少量板岩、千枚岩，岩层产状为165°∠35°。木座组（Zbm）：灰色厚块状含砾黑云母变粒岩，主要分布于左侧主沟及右侧主沟的中部。阴平组（Zay）：灰色薄-中厚层状变粒岩与绢云英千枚岩的不等厚互层，主要分布于右侧主沟区域。

图1 蝶子沟流域地质地貌

研究区位于龙门山断裂带西北侧，与北段青川-平武断裂相隔约40 km。受多级构造的影响，流域内构造裂隙发育，岩体破碎，在地震及风化作用下极易转化为泥石流物源。

2.3 水源条件蝶子沟所在区域属北亚热带山地湿润季风气候，气候温和，降雨丰沛。沟域内径流水源主要为降雨。蝶子沟泥石流多发生于夏季，强降雨为泥石流爆发的前提条件，沟域多年平均降雨量944.1 mm，降雨最大的为1955年，为1155.4 mm，降雨多集中在7-8月，占年降雨量的50%，据《四川省中小流域暴雨洪水计算手册》［2］中暴雨等值线图可知，研究区24、6和1 h多年最大暴雨量平均值分别为95、55和25 mm，短时降雨量强。

2.4 物源条件蝶子沟固体物源主要分布于沟口至沟道分叉段及右侧主沟段。特殊的岩性组合及地质构造造成沟域内岩体裂隙发育，岩体破碎。受构造控制，沟域斜坡呈左缓右陡，左岸顺向坡滑坡和崩滑体发育，右侧横向坡崩塌、落石发育，使得大量松散物质进入沟道参与泥石流活动。两侧较大的坡度、大密度深切的沟谷以及较大的汇水面积为蝶子沟提供良好的汇水和排泄条件，强降雨时，强大的水动力条件易使沟道遭揭底冲刷和侧蚀冲刷形成泥石流［3］。在主沟沟道变缓的沟段，流水的搬运能力下降，松散的固体物质可在这类沟道停留形成沟道堆积体。由于流域内大部分滑坡、崩塌堆积体还未完全解体破坏，且数公里长沟谷内固体碎屑物丰富，堆积物淤塞严重，在持续强暴雨条件下有发生大规模泥石流的极大可能［4］。以上物源为早期发生大规模泥石流提供条件，汶川地震后，沟道内已形成地震-崩塌、滑坡-降雨-泥石流灾害链效应［5］，沟域内松散物质有一定的增加，这些松散物质堆积于沟道内，在强降雨条件下易启动复活。同时，蝶子沟为一多期次泥石流沟［6］，沟口巨大堆积体也证实早期发生过大规模泥石流，丰富的物源也为下一次泥石流提供条件。通过野外调查，共发现滑坡点8处，崩塌（滑）点6处，坡面泥石流点2处，老泥石流堆积体4处及深厚的沟道松散物源，物源的总量达1530.5×104m3（表1）。

表1 蝶子沟物源统计 （单位：×104m3）

3 泥石流动力学特征

3.1 泥石流流速采用配浆法计算其重度，计算得到蝶子沟泥石流的重度为17.45 kN/m3，为稀性泥石流。流速VC按照规范［7］推荐的稀性泥石流的计算公式进行计算：

式中：VC为泥石流断面平均流速，m/s；为清水河床糙率系数，查水文手册；R为水力半径，m，一般可用平均水深H（m）代替；I为泥石流水力坡度，‰，一般可用沟床纵坡代替；γH为泥石流中固体物质重度，kN/m3；ΦC为泥石流泥沙修正系数，ΦC=(γc-γw)(γH-γc)，γc为泥石流重度，kN/m3；γw为清水的重度，kN/m3，本文取值1。

通过对沟口断面进行地质调查可给出计算参数（表2），根据式（2）计算得出蝶子沟沟口过流断面流速，如表2所示。

表2 蝶子沟泥石流流速计算结果

3.2 泥石流流量通过雨洪法计算泥石流峰值流量，利用雨洪法需要先计算不同频率下设计洪峰流量，然后再计算泥石流峰值流量。

洪峰设计流量计算公式：

泥石流峰值流量计算公式：

式中：QC为频率为P的泥石流洪峰值流量，m3/s；QP为暴雨洪水设计流量，m3/s；T为泥石流历时，h；ψ为泾流系数；s为暴雨雨强，mm/h；N为暴雨公式指数；F为流域面积，km2。

通过查找平武地区气象资料及水文手册资料，运用式（4）计算不同频率下的峰值流量，其结果见表3。

3.3 泥石流一次固体物质量蝶子沟泥石流一次泥石流总量按下式计算：

一次泥石流冲出的固体物质总量为：

根据访问村民进行调查，泥石流历时T取25min，按式（5）—式（6）计算不同频率下一次泥石流冲出固体物质量结果见表4。计算结果显示，当泥石流爆发频率为2%时，一次冲出固体物质量为10.84×104m3，因此蝶子沟有爆发大型泥石流的可能。

表3 蝶子沟泥石流峰值流量

表4 泥石流一次冲出固体物质量

4 泥石流危险性分析和工程处理

4.1 泥石流危险性评价本文采用单沟泥石流评价方法［8-9］，根据蝶子沟特定情况选择泥石流最大冲出量（v）、发生频率（f）、流域面积（s1）、主沟长度（s2）、主沟相对高差（s3）、流域切割密度（s6）、不稳定沟床比（s9）7个评价因子，将因子原始值进行转换，用因子转换值进行评价。计算公式为：

通过现场调绘，确定出蝶子沟泥石流危险度评价因子初始值，各评价因子的转换函数及转换值如表5所示。

表5 危险度评价因子和转换值

将转换因子转换值带入危险度计算公式（式（7）），可以得出H=0.65。按照分级标准［7］，0.6＜H＜0.8为高度危险，可知蝶子沟属于高度危险的泥石流沟。

4.2 泥石流危险范围预测泥石流危险范围是指一次泥石流堆积泛滥的最大范围［10］。李阔等［11］通过前人模型试验结果，建立泥石流危险性范围与泥石流一次补给量、容重、堆积区坡度的多元线性回归方程。本文采用多元线性回归方法，选出一次冲出固体量、流域面积、相对高差、沟床纵比降及主沟沟长5项作为初步因子，并结合实地调查、地形图量测及解译等方法得出火溪河某段内堆积保存完好的11条泥石流沟的数据。然而同一地域泥石流危险范围与各因子之间存在一定关联性，不同地域不同类型泥石流影响危险范围的因子不一致，因此，本文以5项初步因子作为基础，结合灰色关联度分析，分析不同因子与泥石流堆积最大长度和最大宽度之间的关联度。从而以此为基础，建立泥石流危险范围预测模型。

（1）基于关联度的泥石流危险范围模型。经均值化后的系统参数序列为：X0=(x0(1)，x0(2)，…，x0(n ) )，比较序列为Xi=(xi(1)，xi(2)，…，xi(n))，i=1，2，…，m。Xi与X0的相关系数为：

式中：γ0i为Xi与X0的相关系数，表示第i列中Xi与X0的绝对差值；M、m分别为比较序列与参考序列差的绝对值的最大、最小值；ξ为分辨系数，本文取0.5。

其关联度计算为：

灰色关联分析的思想是根据序列曲线几何形状的相似程度判断其联系是否紧密，曲线越接近，相应序列之间的关联度就越大，反之越小［12］。根据火溪河11条沟的各因子原始值及堆积范围值（表6），对最大堆积长度和最大堆积宽度分别与5个因子进行灰色关联度分析得出各因子关联度值（表7）。

通过关联度分析结果可知，泥石流危险范围的最大堆积长度和最大宽度与一次冲出固体量（V）、相对高差（H）及平均纵坡降（I）关联度较大，因此，选择此3组因子作为危险范围定量评价因子。

刘希林等［13］和李阔等［11］等人研究发现，泥石流危险范围与多因素之间可存在线性关系，本文根据对火溪河小流域内泥石流的调查，选取其11条一级支沟为样本，根据关联度分析得出的3组因子为变量因子，对泥石流危险范围的最大堆积长度LM和最大堆积宽度BM进行建模及预测，选择预测模型方程形式为：

表6 样本参数值

表7 关联度分析结果

式中：a0、a1、a2、a3、b0、b1、b2、b3为未知参数，其取值可通过表6原始值进行多元线性回归分析确定，利用SPSS软件对数据进行处理，并结合多元统计中建立多元线性回归分析模型的方法，得出参 数 取 值 分 别 为 287.0371、 -244.385、 -0.01326、 0.004396、 989.681、 -447.158、 -0.2713、0.00304，将参数带入式（10）、式（11），可得泥石流危险范围预测模型为：

（2）模型自验证。将表6原数据代入预测模型，得出其预测值，并将两者进行对比得出误差率（表8）。由表8可知，最大堆积长度的平均误差率为13.8%，最大堆积宽度的平均误差率为16.6%，11条沟中，沙场沟的误差最大，推测可能与堆积扇边缘采沙场导致数据采集不准有关。

最大长度和最大宽度的残差分布见图2、图3。从图2、图3可知，预测结果均衡分布在标准线两侧，说明该模型对研究区泥石流的预测是均衡的［14］。总的来说，式（12）和式（13）建立的模型虽因客观原因导致模型样本偏少，只能采集到11条堆积较完整的泥石流沟，但模型检验基本效果良好，可进行对蝶子沟泥石流的危险范围预测。

（3）蝶子沟泥石流危险范围预测。通过建立的泥石流危险范围预测模型，计算出泥石流不同频率下危险范围预测值（表9），结合蝶子沟沟口及堆积扇泥石流堆积特征，可得蝶子沟危险范围预测如图4。由图4可知，当泥石流爆发频率为20年一遇时，所爆发泥石流对九绵高速主线桥梁及木座服务区不会造成威胁；当泥石流爆发频率为50年一遇时，所爆发泥石流会产生较大威胁；当泥石流爆发频率为100年一遇时，所爆发泥石流可能导致泥石流堵河现象，危害性更大。

表8 危险范围预测模型预测误差

图2 泥石流最大长度残差分布

图3 泥石流最大宽度残差分布

4.3 蝶子沟泥石流处理措施为避免蝶子沟泥石流对沟口服务区造成危害，经现场调查及计算，综合考虑地形、地质条件，并考虑服务区的设置位置等因素，建议对蝶子沟泥石流采用“固坡、拦挡、防护、排导”的综合工程治理措施。

（1）固坡。在蝶子沟中下游堆积区沟床高程1488～1448 m之间的沟道两侧修建防护堤，防治泥石流对沟岸的冲刷，稳住两侧老泥石流堆积坡脚，减少松散固体物质参与洪水运动，防护堤净高2～3 m为宜。

图4 泥石流危险范围预测

表9 泥石流危险范围预测

（2）拦挡。在蝶子沟堆积区沟口处，沟床高程约1448 m处修建一座拦挡坝。坝型采用重力式实体坝，坝轴方向与沟道走向垂直，有效坝高8 m，迎水面坡比1∶0.5，背水面坡比1∶0.2，坝顶设溢流口过流，坝身设排水孔，主要作用是拦挡大块石及松散物质下泄，抬高沟床基准面，从而减少沟道两侧的冲刷，防治固体物质大量下泄对下游服务区造成危害。

（3）防护。拦挡坝下游，沟床高程1445～1428 m段之间的现沟道两侧设置防护堤，以防治泥石流直冲向下游，对高速桥梁构成危害，防护堤可以起到导流的作用，将泥石流引向左侧低洼沟槽流向下游，绕避高速主线及堆积体内建筑物。另外，在弯道处，需对防护堤进行加高，防治泥石流超高溢出。该段内老泥石流堆积体丰富，防护堤还可起到稳坡的作用，减少松散固体物质二次参与泥石流。

（4）排导。在防护堤下游接排导槽，排导槽沿右侧老沟槽修建，将下泄泥石流排导至下游，排导槽始端和末端均设置为八字形结构，在排导槽进口留一定容量，空时较大粒径固体物质进入排导槽，同时加大清淤，防治堵塞。

5 结论

蝶子沟的深切割地形、特殊的地层岩性及地质构造、丰沛的降水补给，加之沟域丰富的物源条件，使得蝶子沟有形成泥石流的较好的条件，经分析，蝶子沟有发生大型规模泥石流的可能。采用单沟泥石流危险度评价方法，对蝶子沟泥石流进行危险度评价，评价结果为蝶子沟属于高度危险的泥石流沟。利用关联度分析得出一次冲出固体量、相对高差及平均纵坡降3个因子与该流域内泥石流危险范围关联度较高，并以此为基础，建立了泥石流危险范围多元回归预测模型，通过模型的自检验后对蝶子沟进行危险范围预测，预测结果表明，当蝶子沟爆发50年和100年一遇泥石流时，将会对九绵高速公路桥梁及服务区产生威胁，甚至会堵塞火溪河。根据蝶子沟泥石流形成条件及地形等因素，建议对蝶子沟采取必要的固坡、拦挡、防护和排导措施，保证河道通畅，高速公路安全运行。