雅安市石棉县西冲沟泥石流的特征分析、危险性评估及防治措施

王卫星, 汪发文, 周安保

(1.湖北省地质局 第八地质大队,湖北 襄阳 441003; 2.湖北省城市地质工程院,湖北 武汉 430074)

西冲沟泥石流位于四川省雅安市石棉县擦罗乡南桠河左岸,直接威胁南桠村七组25户70人的生命财产安全,同时威胁生命线雅泸高速(在建)及国道108交通安全,直接经济损失约350万元。西冲沟泥石流的治理工程是四川“5·12”特大地震灾后重建项目。

本文分析了西冲沟泥石流流域的地质环境条件、泥石流的基本特征、发育条件和危害情况,泥石流的形成机制,并对泥石流进行了水文参数计算和危险性判别,提出了治理设计方案建议。

1 西冲沟流域自然地理条件及地质环境条件

1.1 自然地理条件

雅安市石棉县位于川西南山地区,为中高山宽谷地貌。石棉县南桠河为大渡河支流,由南向北汇入大渡河。西冲沟发源于南桠河中游左岸的西冲山,故名为西冲沟,西冲沟起点高程为1 725 m,流入南桠河处高程约1 354 m。相对高差约371 m。西冲沟平面形态呈多级转折近左右摆动的“之”字型,总体流向东偏北。西冲沟全长约1.2 km,流域面积2 km2,由上自下主要由3条支流组成(见图1),水源主要来自大气降雨及中高山雪水,2号支沟有几处泉水补充,常年不断,流量0.10～1.0 L/s。沟谷植被较发育。

1.2 水文地质特征

区内水文地质条件较简单,地下水类型主要为第四系松散堆积层孔隙水及下伏晋宁期花岗岩基岩裂隙水。第四系松散堆积层孔隙水以沟道内冲洪积、泥石流堆积层中赋存的潜水及缓坡平台残坡积层中局部赋存的上层滞水为主,赋水性较差;晋宁期花岗岩基岩裂隙水埋深大,赋水性弱。地下水主要接受大气降水补给,沿下伏基岩向低洼处——西冲沟排泄,地下水水位不稳定,动态变化大。

图1 泥石流分区图Fig.1 Zoning map of debris flow1.流域范围;2.泥石流特征分区界线。

1.3 地层岩性

第四系填土(Qml)主要为高速公路及国道、村民修筑切坡堆积碎块石;其余第四系堆积层(Qel+dl、Qsef、Qal+pl)主要由块石、卵砾石及砂质粘土等组成。

图2 工程地质纵剖面图Fig.2 Longitudinal profile of engineering geology1.碎石砾石夹粘土;2.隧道弃渣;3.晋宁期花岗岩;4.泥石流堆积;5.沟道冲洪积物;6.崩坡积物。

2 西冲沟泥石流的物源特征

2.1 西冲沟泥石流纵向分区

西冲沟流域沿主沟在纵向上可分为四个特征区:清水区、形成区、流通区和堆积区。

(1) 清水区。为主沟上游区,面积约1.5 km2,该区植被覆盖较好,山坡见岩石出露,地形坡度在30°～45°之间。该区地势特点是东南方向高、西北方向低,呈三面环抱,一处出口,是西冲沟流域的主要汇水区,雨季为该沟泥石流的发生提供水源。

(2) 形成区。从西冲山崖脚1 750～1 445 m高程段属形成区,该沟段长约720 m,固体物源较多。该区地势特点是东南方向高、西北方向低,呈三面环抱,一处出口；冲沟发育,一条大主沟,两条支沟,各沟在西冲沟中段汇聚后,西冲沟形成输流“树干”。区域来水只能沿西冲沟排泄,沟谷多呈“V”型,沟谷宽约15 m左右,一般深约20 m,纵坡比降345‰左右。有两处跌水坎(过水路面)易于形成水和泥石的堆积。一旦堆积物影响交通,村委会将及时组织清运造地。

形成区分布有XP1-XP4共4处不稳定斜坡,总体积22 057 m3。另外,坡面松散固体物质分布的面积约0.15 km2，松散堆积物的平均厚度约1.5 m,总储量约22.5×104m3。

(3) 流通区。从1 450 m高程往下至1 402 m高程属流通区,该区山势高陡,沟谷切割深,呈“U”型,沟床纵坡坡形陡,纵坡比降348‰左右,两岸山坡陡峻，松散层不易堆积。崩坡积物多积存于沟谷地带,从形成区下来的泥石流在此段既有加速,亦有携带,泥石流经过此段后冲击能量和规模急剧放大,破坏力陡增。

(4) 堆积区。泥石流经过流通区,冲出西冲沟山脚一豁口后进入堆积区,主要在南桠河左岸堆积。泥石流堆积区原沟口堆积扇扩散角约60°,受地形限制呈“铃铛”状,扇前宽度约350 m,堆积扇厚10～19 m,平均厚11 m,2006年最大一次冲出固体物源总量约1.4万m3。堆积物由块石、卵砾石及砂质粘土等组成。

2.2 物源特征[1]

对西冲沟泥石流形成区、流通区5处不稳定斜坡体[2](XP1-XP5)和主沟堆积体(DJ)进行了详细调查,对流域内可提供泥石流的物源堆积体进行了统计,得到沟道两岸可直接参与泥石流的松散固体物质的储量约7.6×104m3(详见表1)。

综合以上分析和统计,西冲沟全流域内松散固体物质总储量约27.9×104m3，其中可直接参与泥石流运动的松散固体物质储量7.6×104m3。

3 西冲沟泥石流基本特征分析

3.1 泥石流类型的划分[3]

依据《泥石流灾害防治工程勘查规范》(DZ/T0220—2006),对泥石流规模、暴发频率、流体性质、成因、地貌特征进行综合评价和划分。

(1) 按泥石流的规模。经估算，50年一遇西冲沟一次泥石流最大冲出量约2.11×104m3,根据规范的分级,西冲沟泥石流暴发的规模属于中型(1×104～10×104m3)。

表1 西冲沟流域可提供泥石流的物源统计表Table 1 Source statistics of debris flow provided in Xichonggou Basin

(2) 按泥石流的暴发频率。根据对该沟流域特征、物源条件的分析及对当地群众的调访结果进行综合分析,确定西冲沟泥石流的发生频率属于中频泥石流。

(3) 按泥石流的流体性质。根据泥石流沟易发程度数量化评分标准进行评分,N=82分(见表2);查表可以得到西冲沟泥石流的容重为1.565 t/m3,根据规范表A.4确定西冲沟泥石流属于稀性泥石流。

表2 泥石流易发程度数量化评分表Table 2 Quantitative scoring table of debris flow susceptibility in Xichonggou

(4) 按泥石流的成因。通过调查和分析,西冲沟泥石流是由暴雨激发的,为暴雨型泥石流。

(5) 按汇水区地貌特征。该沟以流域为周界,受一定的沟谷制约。主要是暴雨对松散物源的冲蚀作用和汇流水体的冲蚀作用，其总量较大,重现期短,有后续性,能重复发生。构造作用明显,同一地区多呈带状,列入流域防灾整治范围。有一定的可知性,可防范性。根据以上判断西冲沟属于沟谷型。

综上所述,西冲沟泥石流是稀性—中型—中频—暴雨—沟谷型泥石流。

3.2 西冲沟泥石流形成过程机制分析

按泥石流形成动力条件分类,西冲沟泥石流属水力类泥石流,其基本特点是暴发频率中等。这类泥石流所在的流域一般缺少大规模活动型滑坡、崩塌,沟头和沟岸的局部崩滑体亦不活跃,但是由于流域内表层松散物质在水力和重力作用下不断向沟道迁移,在沟谷内的松散固体物质得到长期累积,为泥石流形成准备了丰富的固体物质,这种过程在西冲沟内表现较为典型。在强降雨作用下,地表径流形成,随着流域沟道水量不断增加,便形成山洪,沟道受到强烈的地表径流或洪水冲刷侵蚀,使沟槽内的松散堆积物被掀动并遭受揭底,使之在极短的时间内将沟谷中的堆积物一扫而光,形成规模较大的以掀揭沟床物质为主要固体物质来源的水力类泥石流过程,这种水动力学过程可能酿成灾难性损失。从诱发因素来看,西冲沟泥石流主要为降雨型泥石流[4]。由上可知,西冲沟具有按一定坡度堆积的固体松散物质、一定的汇水面积等泥石流形成的基本条件,其泥石流的发生是前期实效降雨量和短历时强降雨共同作用而诱发的结果。根据当地气象部门资料,在泥石流发生的前期降雨持续时间达5 h以上,日降雨量近80 mm。

依据非饱和土强度理论,西冲沟降雨型泥石流形成可分为两个阶段:第一阶段,由于降雨入渗,处于非饱和状态的固体松散物质的含水量不断增加,非饱和固体松散物质由于含水量持续增加,基质吸力不断下降,使得基质吸力引起的抗剪强度不断降低,降雨具有一定历时后,非饱和固体松散物质含水量增加,并达到饱和后,含水量继续增加,将在固体松散物质中产生孔隙水压力,固体松散物质中的水量越多,孔隙水压力越大,其抗剪强度也就越低。当固体松散物质达到饱和状态后,就进入了降雨型泥石流形成的第二阶段;第二阶段,短历时的具有一定强度的降雨使得固体松散物质中渗入的水量来不及排出,加上周围降雨汇流的作用,饱和的固体松散物质由于含水量持续增加,水压力增大,有效应力减小,导致固体松散物质启动而发生泥石流,在该阶段短历时具有一定强度的降雨起着主导诱发作用。

3.3 泥石流的动力学特征

根据规范查表等方法,对西冲沟泥石流动力学参数进行计算,结果见表3。

表3 西冲沟泥石流动力学参数计算结果Table 3 Calculations results of debris flow dynamic parameters in Xichonggou

4 西冲沟泥石流易发程度和危险性评价

在调查基础上根据《泥石流灾害防治工程勘查规范》(DZ/T0220—2006)相应的要求，对泥石流易发程度和危险性做出评价。

4.1 泥石流易发程度评价[5]

据调查,历史上曾发生过两次典型的泥石流。1979年7月西冲沟曾发生过一次较大泥石流,当时暴雨连续下了4 h,泥石流突然暴发,持续时间1 h,堆积物漫溢超出108国道,堆积高度约6 m左右,估算一次冲出量0.95×104m3。泥石流毁田10.67 hm2,毁房十间,原养路段一栋两层楼被淤埋,致使108国道交通中断2 d。

2006年7月,暴雨断续7 h,发生泥石流,泥石流持续时间超过1 h,估算一次性冲出量约0.55×104m3,半毁房屋30间,农田8.67 hm2,冲毁国道100 m,直接经济损失360万元,因专职防汛员预警及时,人员迅速撤离避险,幸无人员伤亡。两次典型的泥石流固体冲出物质总量与泥石流力学特征理论计算值对比,基本相符。

根据规范附表3-2,取15项评判因子[6]得分之和,量化评判得分为82分,判断西冲沟泥石流易发程度等级为轻度易发。

4.2 泥石流沟发展阶段的识别

泥石流沟的发展阶段可以通过泥石流沟的发育特征进行判断。通过对西冲沟流域的调查表明,西冲沟主沟侵蚀速度大于支沟,沟道以纵向侵蚀为主,横向侵蚀亦发育。对照规范判断,西冲沟处于发展期(壮年期),泥石流还有暴发的可能性。

4.3 泥石流活动特征及活动强度判别

(1) 西冲沟泥石流的活动规模特征。根据调查和计算,在50年一遇的频率下一次泥石流冲出固体物质总量6 857 m3,根据规范,西冲沟泥石流的暴发规模为小型。

(2) 西冲沟泥石流的活动强度判别。通过对西冲沟调查表明,该沟内松散固体物质的堆积量>10×104m3,堆积扇规模较大,主河河型微弯,泥沙补给长度比10%～30%,松散体变形量较大,暴雨强度指标R在4.2～10。综合以上实际情况,根据规范,西冲沟泥石流的活动强度属于较强类型。

4.4 西冲沟泥石流的危害与分级

西冲沟沟道内至今仍有大量的松散堆积物,还有可能再次发生泥石流。而泥石流一旦暴发,将直接威胁南桠村七组25户70人的生命财产安全,及雅泸高速(在建)及国道108交通安全,可能造成350万元的经济损失。根据泥石流灾害等级划分,该泥石流的危害属于小型。

综上所述,西冲沟泥石流一次性暴发规模分类属中型,危害性等级属小型,潜在威胁性等级属小型。

4.5 西冲沟泥石流危险性评估[7]

(1) 泥石流综合致灾能力F量化分析。按规范,对西冲沟泥石流进行致灾能力F量化分析,结果如表4。

(2) 受灾体(建筑物)的综合承灾能力E量化分析。按规范,具体量化见表5,根据量化分析结果,受灾体(建筑物)的综合承(抗)灾能力很差。

根据以上判断,西冲沟泥石流的综合致灾能力F=7,泥石流的综合承灾能力较差E=4,泥石流发生机率D=F/E=7/4=1.75,受灾体处于灾变的危险工作状态,成灾可能性大。

表4 西冲沟泥石流综合致灾能力分级量化表Table 4 Classification and quantification table of comprehensive disaster-causing ability of debris flow in Xichonggou

表5 受灾体(建筑物)的综合承灾能力量化表Table 5 Quantitative table of comprehensive disaster-bearing capacity of the affected body (buildings)

5 西冲沟泥石流防治工程措施

5.1 泥石流防治工程等级确定

根据《泥石流灾害防治工程设计规范》(DZ/T0239—2004),确定西冲沟泥石流防治工程安全等级为四级,防治工程主体设计标准为三级;防治标准按20年一遇设计,50年一遇校核。

石棉县位于抗震设防烈度8度区,地震分组为第二组;设计基本地震加速度为0.20g,工程按照8度烈度设防。

5.2 泥石流防治工程的总体原则

经过对本项目泥石流特征和地形地貌条件的分析,对已有箱涵和自然沟的排导条件的深入研究,西冲沟物源区及流通区地势陡峻、库容量小,不适合建坝拦挡。本沟泥石流治理工程方案坚持以人为本,以保护南桠村七组居民为目标,主要采取下游排导的总体防治思路,在堆积区雅泸高速公路及108国道之间修筑排导槽,直接将泥石流及洪涝泄入南桠河,平常汛期前以疏沟预防为主。

5.3 泥石流治理工程方案[8]

采用急流槽+消能池+板涵+排导槽的方式综合排导。

排导工程总长72.16 m,其中排导槽宽一般4.0 m,平均深2.0 m;消能池宽6.5 m,平均深2.5 m。导流工程通过原108国道段设板涵(详见图3、图4)。

图3 治理工程平面布置图Fig.3 Layout of governance engineering plane

实施降雨量监测、物源区斜坡稳定性监测、泥石流动态要素监测,在流通区及堆积区选4个段面监测泥石流动态要素。

6 结语

(1) 雅安市石棉县西冲沟泥石流是川南中高山峡谷区典型的暴雨条件下暴发的沟谷型泥石流。该类型泥石流的勘查重点在详细调查和对照相关规范对泥石流规模、暴发频率、流体性质、成因、地貌特征进行综合评价和划分。

(2) 对于中低频泥石流,根据走访群众进行判定非常重要。由于历次西冲沟泥石流发生后,沟道内的泥浆石渣被洪水冲刷,难以找到适合实验计算容重的原生堆积样,对泥石流的流体性质难以做出判断,后来通过不断扩大调查范围,走访群众,最终找到当地一位目睹泥石流的老居民,从而为将西冲沟泥石流最终定性为稀性泥石流提供了充分的事实佐证。

图4 治理工程纵剖面图Fig.4 Longitudinal profile of governance project

(3) 对泥石流危险性评估,一定要采取多种定性定量的方法手段,才能做出正确的判断。

(4) 泥石流治理应坚持以人为本的理念,始终把危害对象作为防治目标,多方案比选和优化,采取切合实际的综合治理工程方案。西冲沟物源区及流通区地势陡峻、库容量小,不适合建坝拦挡,根据对现场空间分布情况的分析和多种方案的综合比选,采用了“上游稳土+高速公路下游修筑急流槽+消能池+盖板涵+下游排导槽”综合治理工程方案,达到了泥石流防治的良好效果。