松潘縣疊臺溝泥石流形成條件及其危險性分析

張 俊 陳廷方 丁明濤

0 引言

受“5?12”汶川地震影響,位于阿壩州松潘縣施家堡鄉新光村,涪江東岸的疊臺溝泥石流溝發生多處崩塌、滑坡,為再次發生泥石流提供了大量新的物源。

疊臺溝歷史上曾發生過3次泥石流,分別為 1953年,1976年和 1982年,其中 1976年為地震引起,規模較大;1953年與 1982年為洪水引起,前者規模大。本文通過分析疊臺溝泥石流的形成條件,并運用暴雨條件下降雨強度和滲透系數的比值法以及單溝泥石流危險性分析方法對其危險性進行評價,以期為今后的深入研究和防災減災實踐提供基礎。

1 疊臺溝流域概況

疊臺溝全溝長 6.9 km,流域面積 8.35 km2,主溝溝床平均縱比降 223.6‰;溝口海拔 1580m,流域最高點海拔 3123m,相對高差為 1543m。溝道形態呈 V形,流域形態為漏斗狀。該溝“5?12”地震前植被覆蓋率高,但震后較大面積的植被遭到破壞,加上主溝溝床縱比降較大、兩側岸坡較陡(平均 35°～60°),因此極有利于徑流侵蝕作用,使得兩側坡面殘坡積物失穩而崩滑。因此決定了在暴雨作用下該區域泥石流活動頻繁。

2 形成條件分析

2.1 氣象條件

松潘縣主要受高空西風氣流和印度洋西南季風影響,具有青藏高原季風氣候特征。據松潘縣氣象臺站統計,全縣年降雨量主要集中在 5月～10月,該 6個月的降雨量總和達到 654.2mm,占全年降雨量(796.4mm)的 82.1%,其中研究區所處的施家堡鄉又是整個松潘縣降雨最多的地區,2007年和 2008年,該鄉比全縣降雨最少的解放村分別多出 283mm和 403mm。降雨時間的集中和降雨量的偏大增強了徑流侵蝕作用的動力,使其對泥石流物源穩定性的破壞作用大大增強。

2.2 地形及物源條件

疊臺溝溝域由于地形陡峻,為崩塌、滑坡等不良地質現象的發育提供了有利條件。溝域內巖性主要是炭質千枚巖和少量灰巖,炭質千枚巖風化嚴重,形成厚約 3m～5m的風化殼,在植被裸露區暴露,在強降雨作用下,該風化層極易滑動形成泥石流物源。全溝崩滑類物源為 54.42×104m3,動儲量為 11.6×104m3;溝道堆積物源為 81×104m3,動儲量為 14.5×104m3,物源合計135.42×104m3,其中動儲量 26.1×104m3,占總量的 19.3%。物源以碎塊石土為主,以小于 20 mm區間的碎石最多,占總量的46.3%,主要分布在疊臺溝的形成區(占全溝物源的 82.6%)。形成區縱坡降大(255‰),全溝溝道常年有流水,因此溝道較光滑。綜上所述,疊臺溝的地形及物源條件有利于泥石流活動。

3 危險性分析

3.1 溝道兩側泥石流物源啟動分析

疊臺溝為一老泥石流溝,一般情況下溝道物質不會主動啟動,只有在強降雨作用下,由溝道兩側斜坡物質首先啟動,沖入主溝道,攜卷溝道物源的啟動。因此,溝道兩側物源的啟動條件對泥石流的危險性起著主要作用。運用魯賓(Rubin J,1966年)[1]、米恩(Mein G R)和拉森(Lerson C L,1973年)[2]的入滲過程理論對該泥石流物源啟動過程進行分析:

在均勻降雨條件下,入滲過程的變化決定于降雨強度(Ri)和滲透系數(Ks)。根據 Ri和 Ks比值,可將入滲過程劃分為兩種情況:1)無積水入滲。這時 Ri/Ks＜1,即 Ri＜Ks,全部降水均滲入土壤;2)積水入滲。這時 Ri/Ks＞1,即 Ri＞Ks。在降水剛開始的時候,滲透速度最大,積水全部滲入土壤表層,但隨著降水的持續,表層土壤達到飽和,地面產生積水并出現徑流,滲透速度逐漸減小,隨著降雨強度持續地超過土壤飽和導水率,滲透速度達到最小值。

由于當地降水量大,根據疊臺溝泥石流勘察報告,暴雨雨強可以達到 Ri=7.674×10-3m/s,當地碎石土的滲透系數為Ks=3.25×10-3m/s,則:

因此雨水入滲方式為積水入滲,該方式通過兩種途徑破壞土體強度:一方面由于滲透速度小于降雨強度,積水將在土體表面產生一定厚度的水層并在重力的作用下使其沿土體表面流動,這樣就會在土體一定厚度內產生超孔壓導致該厚度內的液態化,使得其正有效應力和強度喪失,從而導致土體流動形成泥石流;另一方面入滲的積水將產生孔隙水壓力,并使原來疏松的顆粒懸浮,兩者最終導致土體強度降低,尤其是抗剪強度的降低,當抗剪強度小于剪應力時,溝道兩側堆積體發生崩滑現象。

3.2 泥石流危險度分析

為了對疊臺溝泥石流整體危險性進行評估,這里采用《泥石流危險性評價》和《泥石流風險評價》中推薦的單溝泥石流危險性分析公式計算[3,4]對該溝泥石流的危險度做評價。該方法通過評價泥石流規模 M、發生頻率 F兩個主要因子和流域面積S1、主溝長度S2、流域相對高差 S3、流域切割密度 S4、不穩定溝床比例 S55個次要環境因子,數據M通過設計頻率下泥石流固體物質徑流量計算方法獲取,F為百年內的發生頻率,S1,S2,S3和S4的值在 1∶10000的地形圖上量算獲取,S5通過現場勘察結合地形圖獲得。然后通過表 1的轉換函數取得這 7項指標分別對應的轉換值 m,f,s1,s2,s3,s4,s5(見表 2)。

表1 單溝泥石流危險度評價因子的轉換函數

表2 各因子轉換值

再用公式:H=0.29m+0.29f+0.14s1+0.09s2+0.06s3+0.11s4+0.03s5對這 7個因子進行加權求和,可得該溝泥石流危險度 H值(見表 3)。

表3 各因子加權求和值與危險度值

危險度的分級標準見表4。

由此可見,疊臺溝泥石流溝危險度為 0.666,處于高度危險中,因此,對該泥石流溝的危險性應給予高度重視。

表4 危險度的分級標準

4 結語

疊臺溝泥石流溝基本特點如下:

1)溝域縱比降較大,兩側岸坡較陡,植被破壞面積大,溝域內物源水源豐富,有利于泥石流活動;2)雨水對溝道兩側物源入滲方式為積水入滲,該入滲方式通過產生孔隙水壓力破壞兩側物質的穩定性,促使其啟動;3)該泥石流溝危險度為 0.666,處于高度危險狀態。

[1]Rubin J.Theory of rain fall up take by soils Initially Duier than their field capacity and its applications[J].Water Resources,1966,2(4):17-22.

[2]Mein GR,Lerson C L.Modeling in filtration during a steady rain[J].Water Resources,1973,9(2):15-21.

[3]劉希林,唐 川.泥石流危險性評價[M].北京:北京科學出版社,1995:1-93.

[4]劉希林,莫多聞.泥石流風險評價[M].成都:四川科學技術出版社,2003:1-104.

[5]張 瑛.四川榮縣地質災害調查評價與危險性區劃研究[J].山西建筑,2009,35(2):96-97.