乐西高速五彝湾泥石流动力学特征及危险性分析

肖学沛， 蒋 锐， 李 博

(四川省公路规划勘察设计研究院有限公司， 成都 610041)

西南山区构造活动强烈，岩体破碎，降雨丰沛，地形复杂，为泥石流的形成与发育提供了有利条件[1-3]，常威胁山区公路、铁路等交通工程安全施工与运营。据统计，国道318线西藏段沿线威胁公路安全通行的泥石流主要有88条，其中大型泥石流有23条之多，如迫龙沟、古乡沟、米堆沟、培龙沟等泥石流[4-5]；都(江堰)汶(川)高速同样也饱受泥石流灾害的威胁，如2010年8月14日银杏坪沟暴发特大型泥石流，淹没了正在建设中的都汶高速连山村特大桥部分桥梁桩基及施工设备；次年，该沟再次爆发泥石流，致使施工设备及当地饮水管线被冲毁或掩埋，2019年汶川“8·20”强降雨诱发的泥石流灾害等又导致都汶高速多段线路被破坏[6]。据不完全统计，我国西部山区的公路沿线泥石流高达5 000～6 000条，对公路施工及正常运行构成极大威胁，如正在建设的川藏铁路拉萨至加查段(长212.8 km)有83条对铁路产生威胁的泥石流[7-8]，加查—朗县段(长约156 km)则有45条威胁铁路安全的泥石流[9]。

五彝湾流域中上游山高坡陡，构造活动强烈，崩塌滑坡现象严重，大量的松散堆积体在暴雨及水流的冲刷下进入主河，水土流失严重。人类工程活动，如道路建设、房屋建设及农业生产导致堆积区植被破坏，高陡临空面增多，泥石流沟道变窄，势必会加剧水土流失、崩滑等不良地质灾害的发生，从而为泥石流的形成提供较为一定的物源，增大了泥石流爆发风险。此外，乐西高速公路途经的大凉山地区几乎没有类似工程的泥石流防治经验。为此，本文以乐西高速五彝湾泥石流为例，分析评价该泥石流沟的动力特征及危险性对乐西高速沿线泥石流防治措施的影响，这对确保乐西高速施工及运行具有重要意义。

1 五彝湾沟地质环境条件

五彝湾流域位于四川省马边县袁家溪乡额落村境内，为典型的构造剥蚀中山峡谷地貌，流域面积约7.53 km2，流域内最高海拔为1 820 m，最低海拔为850 m，相对高差为980 m，沟道平均纵比降为187‰。流域沟道侵蚀下切严重，多为“V”形谷，两侧山高坡陡，平均坡度约40°，局部直立。该流域属中亚热带季风气候带，年平均降雨量976.0 mm。马边县河流属岷江水系，五彝湾流域降雨汇入沙坝河，沙坝河向北汇入马边河，如图1所示。

图1 五彝湾泥石流地理位置及流域示意

马边县处于四川台坳川中台拱西南缘的观音—马边向斜和凉山褶皱带的结合部上，主要表现为南北向构造体系、旋转构造体系。五彝湾流域内出露地层由新到老分别为第四系全新统崩坡积层(Q4dl+pl)、残坡积层(Q4dl+el)、滑坡堆积层(Q4del)、冲洪积层(Q4al+pl)等；侏罗系自流井组(J1z)；三叠系雷口坡组(T2l)、嘉陵江组(T1j)、飞仙关组(T1f)、铜街子组(T1t)。岩性主要为泥岩、砂岩、粉砂岩、白云岩、灰岩、白云质灰岩、泥灰岩等。

流域内的地下水类型主要为松散堆积层孔隙水和基岩裂隙水2类。松散堆积孔隙水零星分布于河床及其沿岸或谷坡地带的冲洪积或崩坡积堆积层内；基岩裂隙水主要赋存于砂岩、粉砂岩等岩体风化裂隙和构造裂隙中。

2 五彝湾泥石流沟基本特征

五彝湾流域内新生界第四系全新统崩坡积(Q4dl+pl)、残坡积(Q4dl+el)、滑坡堆积(Q4del)、冲洪积(Q4al+pl)等松散堆积物分布广泛，如图2所示。物源主要类型可分为崩滑物源、坡面物源、沟道物源和人工物源4类。根据现场调查、结合遥感解译，采用相关计算方法[10-12]，估算得出五彝湾流域松散固体物质总量约337.2万m3，其中能直接参与泥石流活动的动储量为76.4万m3，占物源总量的22.6%，各类泥石流物源量及其占比见表1。

图2 五彝湾泥石流物源分布

表1 五彝湾泥石流各类物源总量及动储量×104 m3

根据五彝湾泥石流沟物源及堆积物的运动、分布特征，将五彝湾流域大致分为清水区、形成流通区和堆积区，其中清水区分布于沟底高程1 050 m以上区域，形成流通区位于主沟沟底高程1 050 m～860 m，堆积区(泥石流堆积扇)位于沟底高程960 m以下区域，分别占整个流域面积(约7.53 km2)的40.51%、58.96%、0.53%，如图3所示。

图3 五彝湾流域沟道纵断面

根据《四川省中小流域暴雨洪水计算手册》(1984年)计算得出该流域设计点暴雨量，见表2。五彝湾流域年均降雨量为800 mm～1 200 mm，根据T/CAGHP 006—2018《泥石流灾害防治工程勘查规范(试行)》，其爆发泥石流的24 h、1 h、10 min临界雨强值分别为10 mm、20 mm和60 mm。

表2 五彝湾流域设计点暴雨成果 mm

从表2可知，五彝湾流域仅在2年一遇(P=50%)频率下，每个时段的设计点暴雨均大于区域泥石流暴发的临界降雨量，表明五彝湾流域降雨十分丰富，泥石流水源条件十分充足。

3 五彝湾泥石流运动特征研究

五彝湾泥石流沟为老泥石流沟，物质组成多为块碎石，岩性以砂岩为主，直径多为20 cm～80 cm，含少量白云岩、白云质灰岩、泥灰岩，石块磨圆度差，呈网状分布，空隙被泥沙填充，胶结程度高。

3.1 泥石流容重的确定

泥石流粘土颗粒(<0.005 mm)含量与泥石流容重存在以下关系[13]：

γc=-1.32×103x7-5.13×102x6+8.91×102x5-55x4+34.6x3-67x2+12.5x+1.55

(1)

式中：γc为泥石流容重，g/cm3；x为泥石流堆积物中粒径小于60 mm粘粒含量占比。

根据颗分、水分试验数据，五彝湾泥石流堆积物中粘粒含量为0.59%，见表3，由式(1)计算出五彝湾泥石流容重为1.551 g/cm3。

表3 不同粒径含量占比

3.2 泥石流流速与流量

五彝湾泥石流属于稀性泥石流，参照T/CAGHP 006—2018《泥石流灾害防治工程勘查规范(试行)》中稀性泥石流流速计算公式：

(2)

根据现场调查获得断面面积Asc，可通过式(3)计算泥石流峰值流量Qc，结果见表4。

Qc=Asc×Vc

(3)

式中：Qc为泥石流峰值流量,m3/s;Asc为调查断面的过流面积，m2；Vc为通过调查断面的泥石流平均流速，m/s。

表4 五彝湾不同断面泥石流流速及流量

3.3 一次泥石流总量

一次泥石流总量Q，可根据泥石流历时T和泥石流峰值流量Qc按下式计算：

Q=0.264TQc

(4)

式中：Q为一次泥石流总量，m3；T为泥石流持续时间，s，本次研究泥石流持续时间T取30 min。

一次泥石流冲出的固体物质总量QH按下式计算：

QH=Q(γc-γw)/(γH-γw)

(5)

式中：QH为一次泥石流固体物质总量，m3。

五彝湾流域不同暴雨频率下，一次泥石流总量Q及一次泥石流固体物质总量QH结果见表5。

从表5可知，在各设计暴雨频率下，从泥石流的上游至下游(断面3-3′至1-1′)，固体物质约占泥石流总量32%～33%，属稀性泥石流；从1-1′断面可知，泥石流规模主要为中小型泥石流。

4 五彝湾泥石流危险性研究

4.1 泥石流危险性评价因子及权重

根据五彝湾泥石流的发育及活动特征，采用单沟泥石流危险度评价方法[14]，以泥石流危险度14个二级指标因子为依据，同时根据该沟的实际调查情况及资料分析，对该沟进行危险度评价，评价因子的权重见表6。

表5 五彝湾泥石流一次泥石流总量计算

表6 泥石流危险度评价因子的权重

从表6中14个评价因子可知，Wc10的权重最大，Wc5的权重次之，其余危险因子的权重较小。

4.2 泥石流危险性评价

泥石流的危险度计算：1) 通过权重用层次分析法对14个评价因子进行赋值；2) 根据实地访问及实测数值对每一个因子打分；3) 将各个因子的得分(X)与相应的权重(Wci)相乘即可求出泥石流危险度值(R)，见表7。

计算结果的危险度分级标准为：R<30，泥石流危险度低；30≤R<65，泥石流危险度中等；65≤R<130，泥石流危险度高；R≥130，泥石流危险度极高。

泥石流危险度评价公式为：

R=Wci×Xi

(6)

式中：R为泥石流危险度值；Wci为各评价因子的权重；Xi为各评价因子的得分。

结合现场访问及实测值，由式(8)计算得出五彝湾泥石流的危险度R为45.23，按照危险度分级标准可知，五彝湾泥石流属于中等危险度的泥石流沟，此结果与实地调查的定性结果一致。

表7 泥石流危险度评价因子及赋值

5 结论

五彝湾泥石流是乐西高速公路沿线典型的泥石流灾害之一，本文通过对五彝湾泥石流发育、运动特征的分析研究，得出以下结论：

1) 五彝湾泥石流沟为一老泥石流沟，地质历史上曾发生过泥石流。目前，五彝湾泥石流类型为沟谷+降雨+混合+低频+(中～大)型+稀性泥石流，一般情况下以水石流或洪水为主。

2) 采用单沟泥石流危险度评价方法得知五彝湾泥石流危险度R为45.23，属于中等危险度，此结果与实地调查的定性结果一致，在未来较长一段时间内仍将十分活跃，再次发生大规模灾害性泥石流的可能性较大，特别是遭遇地震、极端气候等强大外力情况时，泥石流暴发的频率和规模都将大大增加。

5) 拟建高速公路位于五彝湾流域上游，属于泥石流弱发育区，高速公路遭遇灾害性泥石流的可能性较小。但为了保证拟建高速公路工程建设和运行的安全，建议高速公路桥梁设计时应充分考虑桥梁的净宽跨、净高等设计参数，建议采用大跨度结构通过泥石流区，建成后加强对五彝湾泥石流长期活动进行监测。