四川省安縣魏家灣泥石流災害形成條件及發展趨勢分析

胡元君

(河南省地質礦產勘查開發局第一地質工程院,河南 駐馬店 463000)

“5.12”汶川大地震給災區人民造成了巨大的災難,地震造成的地質災害活動還將在較長一段時間內處于活躍期。“5.12”汶川大地震后,流域內的王爺廟溝和王家溝 2條支溝多次發生較大規模泥石流(見圖 1),魏家灣泥石流溝的主溝雖未發生泥石流,但具備有利于發生泥石流的地形、物源和水源條件,泥石流暴發的規模和頻率將顯著增加,威脅當地居民的生命財產安全,同時也威脅到溝口曉茶公路等基礎工程設施。

圖1 魏家灣泥石流流域略圖

1 泥石流形成條件分析

1.1 地形條件

1.1.1 區域地形條件

魏家灣地處龍門山脈茶坪山東側的中山地區,地勢北高南低,流域內上游寬、中下游窄,形成不規則的漏斗狀,因受構造侵蝕和溶蝕等地質作用的影響,地形切割較深,一般切割深度為 500～1 000 m,谷坡陡峻,坡度達 45°～60°。相對高差大,地形陡峻,溝床縱坡大,為泥石流形成提供了有利的地形條件。

1.1.2 主溝地形條件

魏家灣泥石流溝的主溝長度 11.94 km,相對高差1 285m,平均每公里水平距離升高 107.6 m,其中上游(溝頭到柿子園處)溝道縱坡降為 145‰,下游(三岔河處到茶坪河河灘)溝道縱坡降為 41‰,溝道平均縱坡降為 108‰。地形坡度多在 35°以上,存在巨大的相對高度,山坡上分布的松散巖土體對溝口而言,均存在有巨大的位能,在條件適宜時就會轉化為啟動和搬運巖土體的巨大的動力來源。

1.1.3 支溝地形條件

流域內支溝王爺廟溝溝道長度 2.75 km,相對高差1 182m,平均每公里水平距離升高 429.8m,平均縱坡降為430‰,并有多級跌坎;支溝王家溝溝道長度約 2.10 km,相對高差達1 144 m,平均每公里水平距離升高 544.7m,王家溝溝平均縱坡降為 545‰,也有多級跌坎;支溝地形坡度多在45°以上,通常松散土石體的休止角為 35°,支溝山坡上的松散固體物質處于不穩定狀態。在雨水或其他外力作用下,這些物質一旦失去平衡,便會啟動,在陡峻的山坡上,位能將迅速轉化為動能,為泥石流形成物質的啟動和聚積提供強大的動力。同時這些地形特征十分有利于坡面的固體物質以面蝕、崩塌、滑坡和坡面泥石流方式向溝內聚積,支溝物質以支溝泥石流或高含沙水流的方式向主溝聚積。

1.2 物源條件

1.2.1 松散固體物質的來源

魏家灣流域主要出露古生界(S2-3、D1pn、D2gn、D3tn、C、P)和中生界(T1f+t)地層,巖性主要為灰白色石灰巖(90%以上)和少量的紫紅色泥巖、粉砂巖,巖體質地堅硬、致密,抗風化能力強。該區域為龍門山褶斷帶與四川盆地結合部位,溝域內斷層發育,共發育四條北東 -西南向斷裂,這些斷裂的活動使一定范圍內的巖體遭到強烈破壞。5.12汶川特大地震該流域地震烈度達Ⅷ～Ⅸ度,直接導致流域內新發生崩塌、滑坡災害點 48處。震后多條支溝發生泥石流,沖出物堆積于溝道內。這些因素的綜合作用,為泥石流提供了豐富的松散碎屑物質。

1.2.2 松散固體物質儲量估算

物源類型主要包括崩滑塌堆積物、滑坡堆積物和溝床堆積物三大類,松散碎屑物質物源點主要分布于魏家灣從柿子園向南一直到溝口的溝道及其兩側河床向上到山脊線之間的部分。經勘查統計計算魏家灣主溝物源總量為1 148×104m3,物源動儲量為 230×104m3,各支溝物源量詳見表 1。

表1 魏家灣主溝及支溝泥石流物源統計表 104 m3

1)崩塌堆積物

魏家灣溝道內崩塌堆積體一般是自分水嶺向溝床邊緣逐漸變厚,其剖面為一近三角形,求坡地上崩塌松散固體物源量時,采用三棱柱體法計算;魏家灣溝道內崩塌堆積體共計 26個(中型 4個,小型 22個),為泥石流提供松散固體物源總量 94×104m3,可直接參與泥石流活動的動儲量為32 ×104m3。

2)滑坡堆積物

滑坡滑動面大致可看成是一個近似的弧形滑動面,用求滑坡平均厚度的弓形均高法計算滑坡體積;魏家灣溝道內滑坡共計 22個(中型 5個,小型 17個),為泥石流提供松散固體物源總量 228×104m3,可參與泥石流活動的動儲量為41×104m3。

3)溝床堆積物

溝床上、中、下游松散固體物質的斷面具有不同的形狀(V型、U型、梯形等)和可沖深度(坡度越陡,可沖深度越深),分別乘以溝段長度來估算溝床松散固體物源量。溝道堆積物源總量約為 825×104m3,可直接參與泥石流活動的動儲量為 157×104m3。

崩滑堆積物源為 5.12地震后新增主要物源量;溝道堆積物源中,因支溝泥石流沖入主溝道而形成的部分也屬 5.12地震新增儲量。因此,震后新增物源總量 865×104m3,占物源總量的 75%;新增物源動儲量 204×104m3,占物源動儲量的 89%。流域內震后新增物源量,特別是動儲量所占比例大,為泥石流提供了豐富的物源。

2.3 水源條件

工作區屬中亞熱帶濕潤季風氣候區,雨量充沛,年降水量在 1500～1700mm之間。區內干濕季分明,降水高度集中于雨季,主要集中在 5～10月份,占年降雨量 87%(見圖 2),大部分以暴雨、大暴雨,甚至特大暴雨形式降落,日最大降雨量達 470mm/d(P=1%),同時流域內植被覆蓋率較高,多雨帶海拔高,氣溫低,蒸發量小,雨季流域內的土壤總處于飽和狀態。當暴雨襲臨時,由于山坡和溝床都十分陡峭,加之土壤處于飽和狀態,因此幾乎全部降水轉化為坡面徑流和溝谷洪流,山坡和溝床物質在強大的坡面徑流和溝谷洪流的作用下啟動形成泥石流。

圖2 四川安縣降水量月份分配圖

3 泥石流發展趨勢分析

3.1 泥石流易發程度分析與評價

3.1.1 數量化評分法

根據泥石流流域基本特征和參數,按照《泥石流災害防治工程勘查規范》(DT/T0220—2006)附錄 G“泥石流溝的數量化綜合評判及易發程度等級標準”見表 2,對魏家灣泥石流易發程度進行評分,評分結果見表 3,魏家灣泥石流易發程度評分為 100分,其易發程度屬中等易發,震后魏家灣泥石流已由低頻泥石流演化為中頻泥石流,危險性增大。

3.1.2 經驗公式法

采用暴雨泥石流發生與否的綜合判別式經驗公式。暴雨泥石流發生與否的綜合判別式為:

式中:Y為泥石流發生的綜合判別指標;當 Y＞35時,發生泥石流的機率約為 85%;當 Y＜25時,不發生泥石流的機率約為 83%;當 Y=25～35時,即介于泥石流可能發生與不發生之間,而發生的機率約為 64%。R為降雨條件函數;M為流域環境動態函數。降雨條件函數:

式中:H24為 24小時或日降雨量(mm);H1為最大小時降雨量(mm);H1/6為最大十分鐘降雨量(mm);K為有前期降雨的修正系數:K取 1.1;H24(D)為可能發生泥石流的 24小時降雨量限界值;H1(D)為可能發生泥石流的 1小時降雨量限界值;H1/6(D)為可能發生泥石流的十分鐘降雨量限界值。

H24(D)、H1(D)、H1/6(D)、按各地區限雨量值分別取值為 60、20、10。根據收集的資料,H24、H1、H1/6取值分別為 :150、55、15,計算 R=7.43。

流域環境動態函數:

式中:Ki為易發因素動態統計權重;Ni為易發因素數量化評分值;M為泥石流流域環境動態函數,單因素量化值見表 4。

根據上述公式計算的 R和 M值,代入(1)式,得 Y=71.35,計算結果表明,當降雨量 H24、H1、H1/6值分別大于或等于 150mm、55mm、15 mm時,魏家灣泥石流溝發生泥石流的機率約為 85%。

表2 泥石流溝易發程度綜合評分表

表3 魏家灣泥石流易發程度數量化評分表

3.2 泥石流發展階段

泥石流溝的發展階段可以通過泥石流溝的發育特征進行判斷。魏家灣主溝侵蝕速度大于支溝侵蝕速度,溝口扇形堆積地形較發育,溝坡陡峻,兩側不良地質現象發育,松散堆積物呈高邊坡堆積等。通過與《泥石流災害防治工程勘查規范》(DT/T0220—2006)附錄 C對比判斷,魏家灣目前正處于壯年期,泥石流暴發的可能性較大。

表4 流域環境動態因素量化表

3.3 泥石流發展趨勢預測

根據對泥石流成因機制和引發因素的分析,魏家灣屬暴雨溝谷型泥石流,泥石流規模主要與流域內松散固體物源的累計和動態變化情況及與引發泥石流的暴雨情況相關,當流域內松散固體物源累計較多,且遇到集中暴雨時,往往就會發生較大規模的泥石流災害。5.12地震后,魏家灣流域內崩塌、滑坡等不良地質現象廣泛發育,可參與泥石流活動的松散固體物源量大大增加,引發泥石流的臨限雨量大大降低,一旦遭到大暴雨作用,勢必引發大規模泥石流災害。

4 結論

(1)魏家灣流域內具備泥石流發育的有利條件。地形陡峻,縱坡大,有利于泥石流物質的匯集和成災;松散固體物源豐富,固體物源總量達1 148×104m3,可參與泥石流活動的動儲量為 230×104m3;降雨充沛、集中且多強降雨,水源條件豐富,具備發生泥石流的基本條件。

(2)通過泥石流易發程度打分,魏家灣主溝泥石流易發綜合得分值為 100,屬中等易發;王家溝及王爺廟支溝泥石流易發綜合分值 116,屬極度易發。因此,一旦發生集中暴雨,其形成大規模泥石流的可能性較大。

(3)由于泥石流易發程度高,特別是 5.12地震后,溝內不良地質現象增多,可參與泥石流活動的松散固體物源量增多,泥石流危險性增大,且危害嚴重,應對其實施應急防治工程為宜。

[1](DT/T0220—2006)泥石流災害防治工程勘查規范[S].北京:中國標準出版社,2006.

[2]譚炳炎,泥石流活動評估與防治[R].北京:國土資源部地質環境司,2004.

[3]柳金峰,歐國強.泥石流危險性評價的新思路[J].地質災害與環境保護,2004,15(1):5-8.

[4]四川省安縣魏家灣泥石流治理工程應急勘查報告 河南省地礦局第一地質工程勘察院 2010.

[5](GB 50021—2001).巖土工程勘查規范.

[6]地質災害防治工程勘察規范 (重慶市地方標準),2004.