某水电站库区徐家沟泥石流发育特征及形成机制分析

付调金，张卜仁，叶圣生

(长江三峡勘测研究院有限公司，湖北 武汉 430074)

某水电站位于金沙江中游攀枝花河段末端，雅砻江口上游约3.6km。徐家沟位于该水电站水库区金沙江左岸，上游段被称为硫磺沟，下游至沟口段被称为徐家沟，出口注入金沙江。冲沟下游段分布徐家沟矿区，沿沟堆积大量弃渣。下游至沟口段的跨沟设施有丽攀高速路桥、成昆铁路攀枝花至格里坪支线铁路桥、S310省道公路桥等。

2016年9月19日早上7点，受连日强降雨影响，上游硫磺沟段暴发泥石流，响声如雷，地面颤动。泥石流冲出物下泄至徐家沟矿区排土场，受排土场堆土阻塞而形成堰塞体，随后排土场溃决，形成二次泥石流灾害，致使徐家沟矿场部分被淹没。本次泥石流活动造成3人失联，冲毁民房，毁坏矿场机械，造成S310省道跨沟桥梁受损，并冲走两头水牛至金沙江内。

1 泥石流发育条件

1.1 地形地貌条件

地形条件制约着泥石流形成、运动、规模等特征，主要包括泥石流的沟谷形态、集水面积、沟坡坡度与坡向、沟床纵坡降等。

徐家沟流域平面上呈两头小中间大的不规则叶片状(图1)，由1条主沟及3条支沟组成，流域汇水面积8.94km2，总体地势呈北高南低，出口至金沙江边最低高程为985m，流域内最大相对高差为1515m。主沟沟床比降为17.9%，支沟平均沟床比降为20%～30%。

图1 徐家沟泥石流地貌形态

徐家沟排土场以上地貌形态呈漏斗状，地形切割较强烈，均以“V”形为主，两侧斜坡坡度一般为35°～40°，沟上游往北至分水岭间地形坡度一般在45°以上，局部为陡崖地形。

徐家沟排土场以下沟道为较狭窄的“V”形，两侧斜坡一般为40°。沟道受人工改造影响，排土场上下游均设置地下排水洞，沟道水流经地下绕排。至下游段徐家沟矿区及沟口金沙江阶地地形较平缓，有利于碎屑物的堆积。

1.2 物源条件

主要物源有两个方面：一方面是斜坡面及沟道内的松散堆积物，另一方面是徐家沟矿区沿沟分布的弃渣。根据送审物源的分布特征，将松散物源划分为清水区松散物源、形成区松散物源、流通区松散物源、堆积区松散物源。各分区松散物储量计算见表1。

表1 易参与泥石流的物源动储量统计表

1.2.1物源及储量分析

(1)清水区松散物源

清水区面积为6.98km2，约占流域总面积的78%，大面积分布的清水区为泥石流的形成提供良好的汇水条件，同时也为泥石流的形成提供极少量的松散物源。

(2)形成区松散物源

分为主要物源区及次要物源区。

① 主要物源区

包括两类：一类是沟后缘山体斜坡表面的全风化物及残坡积物，由于地形坡度较陡，在暴雨季节，堆积物稳定性较差，易向冲沟一侧产生滑移。同时，也可能在强降雨作用下形成坡面泥石流而向下运移，极易启动大规模泥石流活动。

另一类是沿沟大规模人工堆积的弃渣。徐家沟矿区的排土场则是主要弃渣堆积区，总方量近300万m3。后续采矿过程中可能将在此处继续堆放弃渣，松散物源量可能会进一步增加。

②次要物源区

次要活动物源区是指在泥石流活动过程中，松散堆积体发生局部变形破坏现象，并为泥石流活动提供一定量物质来源的区域，如斜坡地排作区域、高陡边坡松动危岩体等。

该区主要分布于正长岩地层分布区段内，表层岩体风化物呈松散状，在地形坡度较陡的情况下，受雨水冲刷易成为泥石流的补充物源。

(3)流通区松散物源

泥石流在活动过程中，随着高能冲出物快速向下游径流排泄，沿流经沟道产生揭底冲刷，大量沟内物质随泥石流冲出物一起向下游运移，成为泥石流沿途不断的补给物源。

徐家沟流通区主沟长约6.3km，支沟长约2.4km，泥石流流经的大部分沟道内基岩裸露，沟道及两侧壁侵蚀强烈，送审物大部分随泥石流向下游运移。

(4)堆积区松散物源

堆积区松散物一般不再次成为泥石流的补充物源，但徐家沟泥石流特殊的地形条件使现有部分堆积区的堆积物可能再次成为泥石流的补充物源，其主要原因是徐家沟矿区修建了引水洞，人为改变冲沟的排泄通道，并在引水洞入口附近大规模开挖形成宽阔的平缓地，使得泥石流冲出物在流通的过程中因引水洞断面小受阻而漫向平缓地堆积，该处堆积物在遇极端条件时仍有可能再次成为泥石流补充物源。

1.2.2易参与泥石流的动储量

受地形地貌特征及堆积物自身的稳定性影响，一次泥石流过程中，所有的松散物源不可能全部参与泥石流活动，需将总静储量转换成能直接参与泥石流的动储量。综合各区松散物源的稳定性及进入沟道的难易程度，以一定的百分比换算徐家沟泥石流易参与泥石流活动的动储量，见表1。

1.3 降雨及植被条件

(1)降雨条件

水是泥石流的组成部分，又是泥石流的搬运介质。松散固体物质在大量充水达到饱和状态后，结构破坏，摩阻力降低，滑动力增大，从而产生流动。泥石流的形成与短时间内突发性的大量降水是密切相关的。

徐家沟泥石流所在的四川攀枝花市属南亚热带亚湿润气候，降雨少而集中，年降水量在760～1200mm之间，90%左右的降雨量高度集中在雨季(6—10月)，一般7月达到峰值(1981—2010年统计7月份平均降水量为218.4mm)。集中而又持续的强降雨为泥石流的形成提供必要的水源条件。

根据气象资料，“9·19”泥石流暴发前夕，攀枝花市东区18日、19日逐日雨量累计112.4mm，位于流域内北端的务本乡更是达到247.3mm，持续的强降雨为泥石流的暴发提供了强劲的水动力条件。

(2)植被条件

流域内地势高差悬殊，形成以干热河谷为基础的立体气候，植被具有明显的垂直分带特征。地面高程1600m以下流域内植被覆盖较少，多生长杂草、灌木丛；高程1600m以上至分水岭之间的主沟两侧及沟尾多为常绿阔叶林及针阔混交林，高大乔木间多生长低矮灌木，整体植被覆盖率约为60%，各支沟范围内植被覆盖较少。

1.4 工程活动影响

徐家沟流域中部硫磺沟一带零散分布少量居民住宅、少量矿场及企业设施，下游段徐家沟矿区采矿、弃渣活动强烈。

徐家沟矿区总面积为1.2km2。采矿活动已将沟下游徐家沟段两侧挖掘成平缓地段，沟道宽度增大至300m左右，一旦徐家沟在矿区的地下引水隧洞排水排渣受限，冲沟内径流将在徐家沟矿区一带形成漫流，形成较大范围淤积。

弃渣堆积于矿区北侧的徐家沟排土场，沿沟内及两侧堆积，堆积范围约为23.5万m2，占据主沟长度约1.02km，最大堆积厚度约为100m，总堆积方量约为300万m3。大量的弃渣堆积于沟内，影响沟道正常排泄，同时可能引发弃渣泥石流。

2 泥石流形成机制

从徐家沟泥石流发育条件分析看，徐家沟流域内具备暴发泥石流的三大必要条件：①陡峻的便于集水、集物的地形；②流域内有丰富的松散固体物质；③短时间内有大量水的来源。

“9.19”泥石流以持续、集中的暴雨作为激发条件，在支沟汇流和主沟侵蚀两种主要模式相辅相成的作用下，暴发泥石流活动。在遇持续强降雨时，残坡积物土体达到饱和状态后突然启动，形成坡面泥石流，坡面泥石流强烈冲刷坡面的同时向坡下沟谷汇聚，巨大的动能对沟道产生揭底冲刷，泥石流冲出物在沿沟道向下运移的过程中不断揭底，接受沟道内松散堆积物的补充，最终转化为沟谷型泥石流，向硫磺沟及下游徐家沟快速运移，造成了泥石流灾害。泥石流形成机图如图2所示。

图2 泥石流形成机制框图

3 运动学特征研究

3.1 泥石流重度

泥石流的容重是反映泥石流流体特征的一个重要参数指标。根据DZ/T 0220—2006《泥石流灾害防治工程勘查规范》，采用了体积比法、基于黏土颗粒含量的容重计算法、数量化评分法三种方法对比确定徐家沟泥石流的容重指标(表2)。其中，最大值1.662 t/m3是比较接近实际情况的，属黏性泥石流。

表2 泥石流容重计算

3.2 泥石流流速

泥石流流速与流量是泥石流动力学性质中最为重要参数之一，也是泥石流防治工程设计中不可缺少的参数。

徐家沟泥石流属黏性泥石流，流速计算采用DZ/T 0220—2006附录I中综合西藏古乡沟、东川蒋家沟、武都火烧沟的通用公式：

(1)

计算结果见表3。

表3 泥石流流速计算

徐家沟泥石流的形成及流通过程中，因分别在徐家沟排土场和矿区3号引水洞一带形成两次堵塞、淤积后冲开堵塞体而溃决，改变了泥石流的平均流速及洪峰流量特征。综合泥石流活动情况及现场典型沟道断面测算的流速，认为断面8、断面9测算出的流速作为泥石流防治设计依据较符合实际，即为Vc=7.07～7.62m/s，平均值为7.35m/s。

3.3 泥石流流量

分别采用形态调查法和雨洪法对比计算泥石流流量。

(1) 形态调查法

经对12条典型过流断面进行实测断面形态(图3)，根据实测过流断面面积及以上计算得出的泥石流流速，按规范推荐的流量公式计算断面洪峰流量：

图3 典型过流断面图

Qc=Wc·Vc

(2)

计算结果见表4。

表4 泥石流流量计算表

(2) 雨洪法

根据《四川省中小流域暴雨洪水计算手册》中的推理公式推求出最大洪水流量Qm，计算公式如下：

(3)

然后采用DZ/T 0220—2006中的公式计算泥石流洪峰流量Qc。计算结果见表5、表6。

表5 设计暴雨值计算

表6 不同频率泥石流洪峰流量计算成果表

对比形态调查法与雨洪法计算结果，雨洪法的计算结果明显偏小，洪峰流量与实际出入较大，而形态调查法得出的洪峰流量与走访百姓调查结果较为相符。因此，对于泥石流冲出物流通过程中多次受阻形成堰塞体的情形，雨洪法计算得出的结果可能与实际情况相差甚远，不宜将雨洪法计算结果作为泥石流防治设计依据。

4 泥石流发展趋势及危害性

4.1 泥石流规模及频率

流域内从未对泥石流做过系统的观察记录，综合调查访问结果及沿沟堆积物分布情况，得出徐家沟泥石流暴发频率一般是50年以上发生一次，属于低频或极低频泥石流。

依据DZ/T 0220—2006中的泥石流规模分类，徐家沟泥石流沟1%频率一次泥石流活动堆积总量为38.48万～39.8万m3，洪峰流量为1793.08m3/s，属特大型泥石流沟。

4.2 一次泥石流(可能)最大冲出量

徐家沟泥石流活动过程中多次受阻塞淤积，整个过程时间明显延长，采用DZ/T 0220—2006中的公式计算一次泥石流冲出总量误差较大，可采用调查法确定一次泥石流冲出总量。

泥石流在3号引水洞部位淤塞后，大部分在徐家沟矿区平缓堆积，另外一部分在再次冲开引水洞后向下游沟口金沙江排泄。经对堆积物及入江部分冲出物测算，一次泥石流冲出总量约为95.9万m3，冲出固体总量为38.48万m3。

4.3 泥石流易发性及危险度

依据DZ/T 0220—2006附录G进行易发性评价，其易发程度评分结果为96分，易发程度属易发。

根据刘希林、唐川的《泥石流危险性评价》，泥石流的危险程度是指遭到泥石流损害的可能性大小，是一个概率概念，最小概率为0%，最大概率为100%，则危险度取值范围为[0，1]。泥石流的危险度由危险因子综合判定，各泥石流危险因子的赋值与其权重的乘积之和即为泥石流的危险度Rd。

Rd=0.2353GL1+0.2353GL2+0.1176GS1+

0.0882GS2+0.0735GS3+0.1029GS6+

0.0147GS7+0.0588GS9+0.0441GS10+

0.0294GS14

(4)

经对以上算式进行赋值计算得出徐家沟泥石流危险度Rd=0.49，属中度危险，较少造成较大灾难及严重危害。

4.4 危险范围预测

泥石流危险区包括泥石流形成区、流通区和堆积区，其中堆积区是危害成灾的主要部位。可通过对历史泥石流的回访和调查确定危险区，也可按以下经验公式预测泥石流堆积区的最大危险范围：

s=0.6667L×B-0.0833B2sinR/(1-cosR)

(5)

式中，L—泥石流最大堆积长度，km，L=0.8061+0.0015A+0.000033W;B—泥石流最大堆积宽度，km，B=0.5452+0.0034D+0.000031W;R—泥石流堆积幅角，°，R=47.8296-1.3085D+8.8876H；A—流域面积，km2;W—松散固体物质储量，万m3；D—主沟长度，km；H—流域最大高差，km。

计算成果见表7。

表7 泥石流堆积区最大危险范围预测计算

5 结语

(1)徐家沟泥石流属沟谷型泥石流。流域内松散物源总储量为692.2万m3，易参与泥石流活动的动储量约129.14万m3。

(2)徐家沟是属于间歇性发生大规模泥石流、综合致灾能力很强的黏性泥石流沟。按频率为1%的暴雨条件计算，泥石流最大洪峰流量为1793.08m3/s，一次泥石流冲出总量约为95.9万m3。泥石流易发程度数量化评分为96分，故徐家沟为一条特大型泥石流沟，单沟活动强，易发，中度危险，潜在危险性大。

(3)鉴于泥石流沟从徐家沟-密地防护区防护工程上游段穿过，且防护区位于泥石流的堆积区范围内，一旦暴发泥石流，对防护区场地的稳定性有不利影响，同时可能带来生命财产的损失及社会危害。徐家沟-密地防护区受泥石流影响较大，需采取避让措施或进行工程防治。