甘孜縣四通達溝泥石流的形成特性

白永健，鐵永波，高 政，李明輝

（1.成都地質礦產研究所，四川 成都610081；2.成都理工大學 地質災害防治與地質環境保護國家重點實驗室，四川 成都610059；3.四川省地質工程勘察院，四川 成都610072）

川西高原位于青藏高原與四川盆地之間，由第一臺階向第二臺階的過渡地帶，其獨特的地形地貌、地質構造、地層巖性、氣候條件形成了典型的川西高原季節性凍融區。受雨水侵蝕、凍融風化作用的影響，崩塌、溜滑、泥流、石漠化等地質災害頻發，進一步形成泥石流［1－3］。威脅溝口寺廟、學校、村莊、交通設施、水利樞紐等的安全。因此，對川西高原高寒地區泥石流的形成機理、運動過程、動力特性的調查與研究，不僅為該類型泥石流災害減災防災提供理論依據，而且還能夠為川西高原典型凍融區典型地質背景條件下的泥石流發育特征、成災規律、防治設計提供參考［4－6］。

四通達溝泥石流位于川西高原甘孜縣四通達鄉，為南水北調工程西線水源地達曲左岸支溝。地理坐標為 31°45′6.88″N，100°12′52.09″E。主 溝 長12.27km，面積50.64km2，溝口海拔3 214m，最高海拔4 672m。全流域發育于高寒凍融區內，凍融主導作用形成的地質災害發育，溝道上游清水匯集區以凍融崩塌、泥流為主；中游流通區溝道狹窄，堵塞現象嚴重，以支溝泥石流堆積為主；下游堆積區以淺表層崩滑為主。流域內松散物源豐富，植被覆蓋率差。同時無任何防治措施，一旦發生泥石流將對溝口古寺東谷寺、小學、塔坨村居民房屋、公路、橋梁、農田造成嚴重的生命財產損失，破壞民族地區安定繁榮［7］。

1 地質環境背景條件

地形地貌屬深切割中高山區，山勢險峻，河谷深切，高差懸殊大。溝道兩側斜坡陡峭，巖石風化卸荷作用強烈。泥石流溝從北向南流經，屬雅礱江水系，支溝發育。

流域位于青藏高原東緣，處于甘孜—理塘構造結合部，鮮水河斷裂影響帶內，新構造運動作用強烈，自上而下依次發育德瑪弄斷裂、格底村斷層、德勒弄斷層。受多期構造運動影響，區內巖體風化卸荷強烈，巖體破碎、結構松散。

氣候屬大陸性高原季風氣候，多年平均氣溫5.6℃，最高氣溫極值31.7℃，最低氣溫極值－28.8℃，年均氣溫相差達17℃以上，氣候垂直分帶顯著，海拔每升高100m，氣溫下降0.6℃。海拔3 400～3 600m區域屬寒溫帶；海拔3 600～4 200m區域為亞寒帶；海拔4 200～5 200m區域為寒帶，海拔5 200m以上為永凍帶。日溫差變化較大，凍融作用強烈。

降雨量空間分布上差異明顯，分水嶺或丘狀高原降雨量較大，河谷地帶較少，隨著海拔高度的遞升，降雨量逐漸增大。10min，3h，24h最大降雨量分別為13.2，36.6，49.7mm。5—10月降雨量可達563.3mm，11月至翌年4月降雨量約71.2mm，分別占年降雨量的89%，11%（圖1）。

2 泥石流發育特征

2.1 泥石流流域特征

四通達溝發源于牟尼芒啟山西南山麓，流域面積50.64km2，流域海拔3 241～4 672m，相對高差約1 431m，主溝長12.27km，主溝床彎曲系數1.152（主溝床實際長度與其直線長度之比），平均溝床縱比降148‰。溝道上游、下游切割較深呈“V”型，兩側谷坡坡度40°～60°，溝谷底寬3～8m不等；中游呈拓寬“U”型，兩側谷坡坡度20°～40°，溝谷底寬10～30m。按照流域溝段的縱坡特征及泥石流在形成運動堆積過程中的侵蝕與堆積作用，將整個流域分為清水匯流區、物源區、堆積區。

圖1 甘孜縣歷年各月份平均降水量

清水匯流區分布于不穩定斜坡以上的區域，面積12.84km2，溝道高程范圍約為4 300～4 672m，該區山頂常年被冰雪覆蓋，其余大部分為季節性凍融區，植被覆蓋率約20%，以灌木叢、草地為主。溝道兩岸坡度較陡，基巖出露，巖體凍融破壞作用強烈。物源區主要分布在主溝的中下游，面積37.63km2，高程范圍為4 300～3 283m，物源區溝道長為9.67km，溝道比降為162‰，區內溝道狹窄，平均寬8m，最窄處溝道寬僅2m，區內溝岸植被覆蓋率低，以草地為主，覆蓋率約20%～30%。堆積區主要介于溝口和達曲之間，面積0.17km2，海拔范圍3 241～3 283m，高差42m，縱坡128‰。堆積區呈扇狀分布，扇頂角為42°，扇體主軸方向長482m，扇體表面縱坡6.7°，靠近達曲的扇緣寬318m。扇形地擠壓達曲主河道，溝口與達曲呈正交匯流，正對方向為四通達鄉政府和居民房屋。

2.2 泥石流物源特征

研究區內新構造、凍融風化作用強烈，順溝修建的甘孜至壤塘公路開挖形成大量的未支護或簡支護的陡峭斜坡，致使崩塌、滑坡、泥流等地質災害發育（圖2—3），為四通達泥石流的形成提供了豐富的物源。

圖2 凍融作用下四通達溝斜坡失穩形成的泥石流物源

圖3 四通達溝支溝泥石流形成的松散物源

流域內出露地層復雜，自溝口至最高高程處依次為三疊系上統侏倭組（T3zw）、雜谷腦組（T3z2）、如年各組（T3r）、兩河口組（T3lh2），與流域直交呈帶狀分布，石英砂巖、粉砂巖、灰巖、板巖形成的崩坡積物塊石、碎石。以及第四系冰水堆積、崩坡積、沖洪積、泥石流堆積形成的松散物源，主要分布于斜坡、斜坡坡腳、溝道兩側呈帶狀、三角形錐狀展布（表1）。

據調查，流域內共發育不穩定斜坡6處、泥石流9處、崩塌2處，除中型泥石流2處外，其余規模均為小型。集中分布在流域中下游溝谷兩岸斜坡地帶。總的固體物源靜儲量約5.01×105m3，動儲量約2.40×105m3（表2）

表1 四通達溝流域內地層發育特征及分布

2.3 泥石流水源特征

流域內支溝發育呈樹枝狀分布，多為季節性流水溝。主溝為常年流水性河流，水源主要由高原融雪補給。冬季水流較小，現場實測資料表明，一般流量為2.84～3.75m3／s，平均為3.22m3／s，冬季水流較小。根據甘孜縣氣象資料，該地區近40a來24h最大降雨量，1h最大降雨量，10min最大降雨量。通過對該流域近幾十年降雨數據進行分析，獲得該流域降雨特征和發生泥石流所需的臨界降雨條件。

流域的暴雨強度指標R采用下面公式計算：

式中：K——前期降雨修正系數，無前期降雨時：K＝1；有前期降雨時：K＞1；但目前尚無可行的成果可供應用；現階段可暫時假定：K＝1.1～1.2。H24——24h最大降雨量 （mm）；H1——1h 最大降雨量（mm）；H1／6——10min最大降雨量（mm）；四通達鄉暴雨十分集中，一日最大降雨量49.7mm；1h最大雨強和 10min 最大雨強分別為 36.6，11.5mm。H24（D）——該地區可能發生泥石流的24h界限，取值30；H1（D）——該地區可能發生泥石流1h界限，取值15；H1／6（D）——該地區可能發生泥石流10min界限，取值6。

由于流域無前期降雨記錄，故K按平均值1.0計算，代入式（1）計算流域的暴雨強度指標：

根據同地區類比統計綜合分析取值，R＜3.1安全雨情；R≥3.1可能發生泥石流的雨情；R＝3.1～4.2發生幾率小于0.2；R＝4.2～10發生幾率0.2～0.8；R＞10發生幾率＞0.8。

計算結果表明，四通達溝發生泥石流幾率為0.2～0.8，在中等頻率范圍。四通達溝流域降雨滿足泥石流形成的臨界降雨強度，并且超出區域的臨界降雨值。

表2 四通達溝流域內主要物源統計

3 泥石流形成機理分析

3.1 泥石流形成因素分析

四通達溝每年雨季5—10月降雨量可達563.3mm，占全年降雨量的89%，特別是6，7月的降雨量249mm，占全年降雨量的39%。集中降雨達到泥石流的啟動激發雨量值。

流域內溝谷縱坡降大，為泥石流的形成提供較大的能量，促使上游清水匯流區過境水流能迅速攜帶物源區溝道大量固體物質，將其轉化為泥石流中的固體物質成分，為泥石流的形成創造了較好的集雨、匯流條件，有利于泥石流的形成。

流域內地層發育呈帶狀，并與主溝流向近直交。砂巖、板巖、絹云母片巖的層理、節理傾坡內與坡面呈大角度相交，難以形成大規模的崩滑體；支溝為與巖層走向近于平行的縱谷，巖體內層面、節理等結構面傾坡外發育，與坡面呈小角度相交。溝谷中容易形成巖層傾向與坡面傾向一致的順向坡，各類結構面的相互切割，造成坡體結構的破壞而形成崩、滑體，從而產生大量的固體物源。

流域上游新構造運動活躍，地質構造走向與溝谷兩岸斜坡呈小角度斜交，切割巖體形成大量的潛在失穩塊體。穩定性差，形成大量的塊石、碎塊石，為泥石流形成提供固體物源。

整個流域發育于3 000m以上高寒地區，強日照，大溫差的氣候條件使得巖石差異風化、凍融作用強烈、巖體破碎及土體結構松散。特別是在植被較少，基巖祼露的溝床和山崖，這種物理風化作用更為明顯［8－10］。

流域內植被發育差，尤其溝源區過渡放牧、順溝道岸坡修建公路，導致草場退化，產生沙化、石漠化，水土流失加劇。

3.2 泥石流形成機理分析

根據四通達泥石流發生歷史及現狀條件分析結果表明，四通達泥石流屬于暴雨激發性型，一般發生在6—7月雨季，即豐富的松散固體物質在暴雨水動力作用下沿著低洼區域形成徑流，大量固體物質和水流匯集到主溝中，快速運動的塊石、碎石流不斷侵蝕溝道兩側的松散物質，被侵蝕的固體物質不斷補給到溝道內，流量不斷增加，在勢能的作用下沿著溝道向下游運移，雨水及固體物質在運動過程中不斷碰撞及攪拌并形成一定稠狀的泥石流流體。

4 泥石流動力力學特性

4.1 泥石流流量

泥石流流量的計算采用雨洪法，假設泥石流與暴雨同頻率、同步發生，計算斷面的暴雨洪水設計流量全部轉變為泥石流的流量［11－13］，計算公式如下：

式中：Qc——頻率為p的泥石流洪峰值流量（m3／s）；φc——泥石流泥沙修正系數；Qp——頻率為p下的洪水流量（m3／s）；Dc——泥石流堵塞系數。下同。

式中：Sp——頻率為 P 時的雨力（mm／h）；n——暴雨參數；τ——匯流時間 （h）；μ——損失參數（mm／h）；f——匯水面積（km2）。

式中：γc——泥石流重度（N／m3）；γw——清水重度（N／m3）；γH——泥石流中固體物質重度（N／m3）。

式中：K2——頻率為2%暴雨損失參數；β2——頻率為2%暴雨損失系數；λ1——暴雨損失系數。

式中：K4——匯流時間分區；L——主溝長度（km）；Iz——主溝縱坡降（‰）；S2——頻率為2%時的雨力（mm／h）；λ2——暴雨損失系數；β4——暴雨損失指數。

綜合四通達溝泥石流發生頻率和研究區降雨資料，按50a（p＝2%）一遇計算。四通達溝流域面積f＝50.64km2，查 損 失 參 數 和 系 數 表 得：S2%＝16.8mm，K2＝14.3，β2＝0.3，λ1＝0.33，帶入式（6）得：μ＝8.019mm／h，主溝長L＝13.37km，主溝縱坡降；Iz＝148‰，查表匯流時間分區和系數指數表得K4＝3.29，β4＝0.35，λ2＝0.239，帶入式（7）得τ＝0.86h。由于計算出τ小于1h，取n＝n1（1h暴雨參數取值0.73）；f＝50.64km2，再將μ，τ等參數帶入式（4）得：Q2%＝37.46m3／s。

通過堆積區實驗得出：γH＝2.68×104N／m3，γc＝1.63×104N／m3，取γw＝1×104N／m3，可得出：φc＝0.6。四通達溝谷堵塞程度一般，查堵塞系數表，取Dc＝2.0，最終帶入式（3）可得Qc＝122.16m3／s。

通過以上計算可以看出四通達溝泥石流頻率為2%的洪峰流量為122.16m3／s，而堆積區的通道狹窄，很難在極短的時內排出此洪峰流量下的泥石流，必然會造成較大的損失。

4.2 泥石流流速

經過對四通達溝泥石流堆積區、物源區松散物質的分析，認為該泥石流為過渡性泥石流，因此流速計算采用式（8）計算：

式中：Vc——泥石流匯流速度（m／s）；nc——泥石流溝床的糙率系數；Hc——平均泥深；Ic——泥石流水力坡度。

取計算斷面的平均泥深Hc＝1.85；泥石流水力坡度Ic＝0.148；泥石流溝床的糙率系數nc＝0.08。將各參數代入式（8），得Vc＝6.41m／s。

4.3 泥石流沖擊力

泥石流沖擊力計算包括泥石流體沖擊應力和單塊最大沖擊力計算。泥石流體沖擊應力按下式計算：

式中：δ——作用在與流速方向呈α角度的單位面積；g——重力加速度（9.8m／s2）；α——受力面與泥石流撞擊面撞擊角；λ——受力體形狀系數，方形為1.47，矩形為1.33，圓形、尖端、圓端形為1.00；Vc——泥石流匯流速度（m／s）。

對該溝按較不利情況取值，受力面與泥石流沖壓力方向的夾角取α＝85°，λ＝1.33。按式（9）計算得δ＝9.54×104Pa。

4.4 一次泥石流沖出總量及固體物質總量

一次泥石流總量按下式計算：

式中：Q——一次泥石流總量；T——泥石流持續時間；Qc——頻率為p的泥石流洪峰值流量（m3／s）。

一次泥石流沖出的固體物質總量計算公式：

式中：QH——一次泥石流沖出的固體物質總量；Q——一次泥石流總量；γc——泥石流重度（N／m3）；γω——清水重度（N／m3）；γH——泥石流中固體物質重度（N／m3）。

由于不具備測量條件，將泥石流過程概化為五角形，并認為洪水流量達到峰值時，泥石流流量亦達到峰值。假定泥石流持續時間為40min，從上面計算可以看出四通達溝發生一次泥石流總量在約為7.72×104m3，一次泥石流沖出的固體物質總量為2.89×104m3，說明規模應以中小型為主。

5 結論

（1）四通達溝泥石流地質背景條件具備川西高原高寒地區典型特點，高寒多帶性的氣候，陡峭的地形地貌、豐富的活動性物源、流域特征、形成機理及運動過程都具有代表性。

（2）流域地層復雜，多種巖型自溝口至最高高程處依次呈帶狀分布，與主溝流向近直交，巖體內層理、節理傾坡內呈大角度相交，難以形成大規模的崩滑體。但與支溝流向呈小角度相交，容易形成順向坡。各類結構面相互切割，而形成大量的崩塌、滑坡、坡面泥流等地質災害，從而產生大量的固體物源。

（3）流域發育于高寒高海拔地區，處于寒溫帶、亞寒帶、寒帶等氣候變化帶內，立體變化顯著。強日照、大溫差的氣候條件使得巖石差異風化、凍融作用強烈、巖體節理裂隙發育、巖體破碎及土體結構松散。

（4）通過綜合分析計算后認為四通達溝流域內可提供的動物源儲量2.40×105m3；泥石流頻率為2%情況下，流速約6.41m／s峰值流量為122.16m3／s；泥石流體沖擊應力高達9.54×104Pa；一次泥石流總量約為7.73×104m3，一次泥石流沖出的固體物質總量為2.89×104m3。

（5）綜合考慮四通達溝泥石流高海拔地質背景、流域特征、動力特性和泥石流的危險性和被保護對象的重要程度，建議采用攔沙壩配合截流排水溝，并輔以生物防治的綜合防治方案。除了應在泥石流物源區修建谷坊壩以控制物源、穩定溝床以外，還應在溝口采用排導措施，以規范泥石流流向，減小泥石流溝與主溝的入匯角，避免堵塞達曲河。

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