四川省涼山州美姑縣瓦扎乃曲泥石流特征值分析與防治措施

劉盛達，張光輝，李彥彬，李成志

（四川省煤田地質(zhì)局一三五隊 四川 瀘州 646000）

瓦扎乃曲溝泥石流位于四川省涼山州美姑縣巴古鄉(xiāng)境內(nèi)，屬于美姑河左岸一級支流，為暴雨溝谷型泥石流。目前，瓦扎乃曲溝域內(nèi)存在多處崩塌、滑塌以及人工采石棄渣堆現(xiàn)象，為瓦扎乃曲泥石流的暴發(fā)提供了較好的物源條件。在雨季期間容易誘發(fā)該泥石流的暴發(fā)，瓦扎乃曲泥石流一旦再次暴發(fā)將直接威脅溝口堆積區(qū)巴古鄉(xiāng)牛洛村三組23戶127人及牛洛小學(xué)師生120人的生命財產(chǎn)安全，以及區(qū)內(nèi)S103省道的正常運營。因此，研究瓦扎乃曲溝泥石流的基本特征、形成條件、動力學(xué)參數(shù)，預(yù)測暴發(fā)規(guī)模，提出相應(yīng)的防治方案十分必要。

1 瓦扎乃曲泥石流流域基本特征

瓦扎乃曲溝屬于美姑河左岸一級支流，流域面積約2.36km2，整體呈南-北向展布，縱向溝長約3.4km，平均縱向坡降約 259.35‰，流域最高點位于后緣山頂分水嶺，高程約 2600m，最低高程為瓦扎乃曲溝溝口與美姑河階地交匯處，高程約1670m，相對高程約930m。區(qū)內(nèi)山高坡陡，具有一條主溝和三條支溝，1#支溝長約800m，與瓦扎乃曲溝中游左岸交匯，溝道較狹窄，平均縱坡降約447.84‰，溝道平均寬約2.5m，水流量較小，支溝流域內(nèi)植被稀疏，物源豐富，頂部呈漏斗狀，匯水條件較好。2#支溝位于瓦扎乃曲溝上游右岸形成流通區(qū)與清水區(qū)交界，長約735m溝道平均寬約3.5m，平均縱坡降約417.16‰，頂部植被茂盛，匯水條件好。3#支溝位于瓦扎乃曲溝上游左岸形成流通區(qū)與清水區(qū)交界，長約985m溝道平均寬約4m，平均縱坡降約321.6‰，頂部植被茂盛，匯水條件好。

瓦扎乃曲溝整個流域形態(tài)分布較為對稱。兩側(cè)岸坡植被較茂盛，岸坡縱向坡度較陡一般 30°～50°，最大可達80°，這種地形條件有利于匯集雨水，能夠為泥石流提供較好的水源條件，且溝道內(nèi)具有常年的流水，水流流量約3～6L/s，匯水及水源條件均較好。

1.1 泥石流匯水區(qū)（清水區(qū)）條件

清水區(qū)位于高程2100～2600m左右，相對高差約500m，平均縱坡降約321.6‰，清水區(qū)內(nèi)山高坡陡，匯水面積2.26km2，區(qū)內(nèi)坡面植被覆蓋率較高，多以喬、灌木為主。區(qū)內(nèi)地形地貌條件能夠起到匯集大氣降水及阻止地表水快速下滲的作用，并能保證地表水迅速匯集至流域溝道中，為泥石流的形成提供良好的水源條件。

1.2 泥石流形成流通區(qū)（物源區(qū)）條件

形成流通區(qū)位于高程1700～2100m左右，平均縱坡降約255.35‰，為明顯的中山峽谷地貌，兩岸岸坡高度一般100～600m，坡度一般30°～50°，最大坡度約80°，區(qū)內(nèi)溝道彎曲、時寬時窄，溝道寬度一般在 3～6m左右，溝谷多呈“V”字型，存在多處跌水，形成流通區(qū)內(nèi)由于坡度較陡，地震后岸坡巖體松動，表層松散物質(zhì)大量存在，區(qū)內(nèi)存在2處人工棄渣和多處崩滑塌現(xiàn)象，加之豐富的溝道堆積物源，是瓦扎乃曲溝泥石流爆發(fā)形成的主要物源來源。

1.3 泥石流溝口堆積區(qū)條件

堆積區(qū)位于泥石流溝溝口，高程1670～1690m之間，相對高差約20m，縱坡比降122.88%，主要為牛洛村三組居民的耕地及居住地，S103省道瓦扎乃曲溝橋函橫跨溝道，堆積區(qū)長度約 230m，面積約0.07km2，堆積體厚度約 5～8m。堆積物巖性為塊碎石土，大小混雜堆積，固結(jié)度較高，顆粒成分以白云巖及含礫砂巖為主，粒徑以10～50cm為主、最大可達3.0m。

堆積區(qū)溝道相對較寬闊，溝道寬7～22m，侵蝕、切割較嚴(yán)重，溝道內(nèi)目前基本無水流通過，由于該區(qū)主要為牛洛村三組居民居住生活用地，故區(qū)內(nèi)受人類工程活動影響較大，一般表現(xiàn)為耕地和建房等，地形地貌受到較大破壞。

2 瓦扎乃曲泥石流形成條件

2.1 水源條件

2.1.1 降雨條件

根據(jù)《四川省中小流域暴雨洪水計算手冊》所附暴雨量等值圖，美姑縣巴古鄉(xiāng)地區(qū)的1/6h、1h、6h、24h多年最大暴雨量平均值分別為 12.5mm、35mm、60mm、70mm。變異系數(shù)分別為 0.35、0.40、0.40、0.35。通過暴雨手冊可以了解到瓦扎乃曲泥石流不同頻率下的雨強。從雨強信息可以看出美姑降雨量變化較大，其中1/6h可達12.55mm。暴雨為泥石流形成的基本影響因素。

2.1.2 流域匯流條件

1）水系和地形因素對匯水的影響。

瓦扎乃曲溝流域主要為深切割中山侵蝕地形，總體上地形陡峻，有利于降雨的匯聚。流域內(nèi)主支溝溝谷縱坡較大，且表現(xiàn)出上游陡，向下游逐漸縱坡變緩的特點，谷寬則表現(xiàn)為從上游至下游逐漸變大的特點，這種特點控制下，流域水動力條件強大，輸沙能力較強。

此外，流域內(nèi)具有三條泥石流支溝，各支溝長度、縱坡、溝道形態(tài)特征表現(xiàn)出一定的差異性，因而各支溝匯水形成洪峰達到溝口的時間也呈現(xiàn)錯峰到達的特點，這種匯水特征也決定了泥石流運動過程中主支溝峰值流量的疊加特點，當(dāng)各支溝群發(fā)泥石流時，可能出現(xiàn)多峰和陣流的現(xiàn)象。

2）地層巖性分布對匯水的影響

從瓦扎乃曲溝流域地層巖性的分布情況看，上游各支溝溝源部位以基巖為主，覆蓋層較薄，各支溝主要為崩坡積物分布，溝道局部平緩地段以及溝口牛洛村三組區(qū)主要為泥石流堆積物分布。

基巖出露區(qū)總體上有利于降雨形成地表徑流，而松散堆積層分布區(qū)則滯水作用較強，部分降水補充地下水，因而相對不利于形成地表徑流。

3）植被分布對匯水的影響

瓦扎乃曲流域內(nèi)植被分布特征表現(xiàn)為：上游地區(qū)植被覆蓋率較高，僅局部滑塌及坡面侵蝕對植被造成了一定程度的破壞；支溝一中下游地區(qū)植被覆蓋率較低，局部受人類農(nóng)業(yè)活動、放牧影響。

植被發(fā)育地區(qū)滯水作用較強烈，不利于降雨形成地表徑流，而植被覆蓋較差的地區(qū)則更加有利于地表徑流的形成。從泥石流松散固體物源的啟動情況和分布特征來看，森林植被發(fā)育的地區(qū)啟動物源量相對較少，而森林植被相對稀少的地區(qū)啟動和參與泥石流活動的物源量則較多，這種特征除與植被發(fā)育根固作用阻止起動外，也與植被發(fā)育區(qū)對降雨的滯水作用具有很大的關(guān)系。

2.2 物源條件

泥石流的形成與發(fā)生與充足的物源補給密切相關(guān)，瓦扎乃曲溝泥石流物源根據(jù)形成條件不同主要可分為：崩滑堆積物源（人工棄渣）、溝道堆積物源和坡面侵蝕物源三種。

根據(jù)勘查統(tǒng)計，瓦扎乃曲溝流域內(nèi)崩滑類物源主要分布有14處（包括人工棄渣2處），坡面侵蝕物源分布3處。崩滑總量20.66×104m3，可能參與泥石流活動的動儲量約3.25×104m3；溝道堆積固體物源總量為8.5×104m3，可能參與泥石流活動的動儲量為2.7×104m3；坡面侵蝕固體物源總量為2.86×104m3，可能參與泥石流活動的動儲量為 0.64×104m3。共計有松散固體物源量 32.02×104m3，可能參與泥石流活動的動儲量為6.59×104m3。

3 瓦扎乃曲泥石流特征值參數(shù)

3.1 泥石流流體重度

3.1.1 現(xiàn)場配方法

本次勘查共在現(xiàn)場做了 6組現(xiàn)場稱重試驗，在現(xiàn)場由目擊者配制和認(rèn)定泥石流樣品，最后算出泥石流容重。根據(jù)式：

表1 泥石流流體現(xiàn)場稱重表

γc—泥石流容重（t/m3）；P1—桶與泥石流體總重（g）；P2—空桶重量（g）；V—桶內(nèi)所盛泥石流體體積（cm3）；通過現(xiàn)場試驗各數(shù)據(jù)如表1。

1）查表法。根據(jù)《泥石流災(zāi)害防治工程勘查規(guī)范》（DZ/T0220-2006）附錄 G 泥石流溝易發(fā)程度數(shù)量化評分標(biāo)準(zhǔn)對瓦扎乃曲溝泥石流進行了評分，評分結(jié)果為115分，查表G.2得出泥石流流體重度為1.793t/m3，泥砂修正系數(shù)為1.932。

2）經(jīng)驗公式計算法。

根據(jù)蔣忠信教授《震后山地地質(zhì)災(zāi)害治理工程設(shè)計概要》對泥石流重度以及泥沙修正系數(shù)進行估算；對泥石流重度大于 1.5t/m3的泥石流可根據(jù)黏粒含量 P05(粒徑＜0.05mm，小數(shù)表示)和粗粒含量 P2（粒徑＞2mm，小數(shù)表示）按余斌公式估算：

據(jù)試驗數(shù)據(jù)分析，P05=0.053，P2=0.736，代入余斌公式得：

其中：γc—泥石流重度；γw—清水的重度；γH—泥石流中固體物質(zhì)重度，取 2.4t/m3；經(jīng)計算，泥石流泥沙修正系數(shù)：φc=1.69。

3）綜合取值。由于瓦扎乃曲溝泥石流沒有監(jiān)測資料，只能通過配方法、查表法和經(jīng)驗公式計算三種方法來確定，而這三種方法又各有其特點。配方法只能對已發(fā)生過，且有人目擊的泥石流進行測定，且測定結(jié)果只能代表當(dāng)時的一次泥石流發(fā)生的結(jié)果，如本次勘查測定的瓦扎乃曲溝泥石流重度是參照2013年泥石流的情況測定的，由于此次泥石流發(fā)生時水量較少，屬黏性泥石流，因而測定結(jié)果相對吻合。相對而言，查表法是在現(xiàn)狀調(diào)查基礎(chǔ)上帶預(yù)測性的重度值結(jié)果，但查表法取值相對保守，經(jīng)驗公式計算法相對前兩種方法有一定的可靠性，因經(jīng)驗公式是經(jīng)過成千上萬現(xiàn)場實驗推導(dǎo)而出，具有一定的可靠性，且三種方法結(jié)果基本相同，因此本次泥石流重度的綜合取值采用查表法、配方法和經(jīng)驗公式計算法取平均值作為本次泥石流流體重度的最終結(jié)果，即γc=1.88t/m ，φc=1.69

3.2 泥石流流量

3.2.1 雨洪法

1）清水流量計算。用該方法計算是選用《泥石流災(zāi)害防治工程勘查規(guī)范》（DZ/T0220-2006）中雨洪法計算泥石流流量，首先查《四川省中小流域暴雨洪水計算手冊》附圖2-1～2-8，附表6得到美姑縣巴古鄉(xiāng)地區(qū)10min、1h、6h、24h相應(yīng)暴雨計算參數(shù)，并按下列公式進行計算：

首先計算頻率為1%、2%、5%、10%的暴雨洪水設(shè)計流量Qp，按推理公式：

式中，Sp--某頻率的雨力，mm/h。其計算式為：Sp=Htp·tn-1

Htp--設(shè)計頻率最大t小時暴雨量；n--暴雨參數(shù)；τ--匯流時間,h。L --主溝長度，km；J --主溝底坡降，‰；F--流域面積，km2；μ--產(chǎn)流參數(shù),mm/h；

計算過程如下：

匯流參數(shù)；m=0.221θ0.204=0.296

通過計算得出的瓦扎乃曲溝各斷面部位暴雨洪峰流量值詳見表2。

2）泥石流峰值流量計算。

式中，Qc—泥石流斷面峰值流量（m3/s）；φ—泥沙修正系數(shù)，根據(jù)計算泥沙修正系數(shù)為1.69；Qp—暴雨洪峰流量（計算結(jié)果見表 2）；Dc—堵塞系數(shù)，按勘查規(guī)范表 I.1查表確定堵塞程度為中等，其值為1.8。

據(jù)此，采用雨洪法求得泥石流峰值流量如表3。

表2 瓦扎乃曲溝暴雨洪峰流量計算表

表3 瓦扎乃曲溝泥石流峰值流量計算表

3.2.2 形態(tài)調(diào)查法

對已發(fā)生的泥石流流量可采用形態(tài)調(diào)查法進行計算，根據(jù)調(diào)查得到的泥石流泥位及據(jù)此求得的泥石流流速，再乘上調(diào)查求得的過流斷面求取泥石流流量。

形態(tài)調(diào)查法計算公式為：Qc=WcVc

式中Qc—泥石流斷面峰值流量（m3/s）；Wc—泥石流過流斷面面積（m2）；Vc—泥石流斷面平均流速（m/s）。

由于泥石流重度為1.88t/m3，為黏性泥石流，因此其流速采用鐵二院黏性泥石流計算公式：

式中：Vc—泥石流流速（m/s）；Hc—平均泥深（m）；Ic—泥位縱坡率，以溝道縱坡率代替。

nc_——黏性泥石流河床糙率，根據(jù)《泥石流災(zāi)害防治工程勘查規(guī)范》（DZ/T0220-2006）表I.4。

并根據(jù)蔣忠信教授《震后山地地質(zhì)災(zāi)害治理工程設(shè)計概要》中采用彎道超高差對流速反算進行復(fù)核；V=｛Rg{[Δh/B-tanφ-c/(Hγc o s2θ)]｝據(jù)此求得各斷面位置泥石流流速特征值詳見表4，泥石流流量計算結(jié)果詳見下表5。

表4 瓦扎乃曲溝泥石流流速計算表

表5 瓦扎乃曲溝泥石流流量形態(tài)調(diào)查法計算表

3.2.3 綜合取值

通過表3和5的計算結(jié)果，采用形態(tài)調(diào)查法求得的泥石流峰值流量計算結(jié)果P=5%的雨洪法求得的結(jié)果相差不大，但采用形態(tài)調(diào)查法計算結(jié)果沒有暴雨頻率的概念[1]，僅能代表當(dāng)次泥石流的特征值，并且由于年代久遠(yuǎn)當(dāng)次泥石流痕跡調(diào)查誤差很可能較大，而雨洪法則根據(jù)現(xiàn)有溝域面積、溝域植被發(fā)育分布情況和徑流系數(shù)進行計算，具有預(yù)測性質(zhì)，因此，泥石流峰值流量采用表3雨洪法計算求得的結(jié)果。

3.3 一次泥石流過流總量

一次泥石流過流總量按照《泥石流災(zāi)害防治工程勘查規(guī)范》（DT/T0220-2006）附錄I提供的計算公式進行計算：

式中，Q—一次泥石流過程總量（m3）；T—泥石流歷時（s）；Qc—泥石流最大流量（m3/s）；

據(jù)上節(jié)計算結(jié)果，2006年瓦扎乃曲溝泥石流為近期發(fā)生的規(guī)模相對較大的一次泥石流，對比斷面法計算結(jié)果，其流量相當(dāng)于P=5%的雨洪法計算的峰值流量，綜合確定泥石流峰值流量為86.38m3/s；據(jù)訪問，泥石流集中歷時約15分鐘，即T900s；按上式計算的本次泥石流沖出量為Q=2.05×104m3。

3.4 一次泥石流固體沖出物

一次泥石流固體沖出物按照《泥石流災(zāi)害防治工程勘查規(guī)范》（DT/T0220-2006）附錄I提供的計算公式進行計算：

式中QH—一次泥石流沖出固體物質(zhì)總量（m3）；Q—一次泥石流過程總量（m3）γc—泥石流重度（t/m3）；γw—水的重度（t/m3）；γH—泥石流固體物質(zhì)的重度（t/m3）。

據(jù)前面的計算結(jié)果和分析測試結(jié)果，瓦扎乃曲溝 2006年泥石流暴發(fā)時泥石流沖出量為 Q=2.05×104m3，泥石流重度γC=1.88t/m3，水的重度γW=1t/m3，泥石流固體物質(zhì)重度γH=2.4 t/m3，據(jù)此計算出一次性固體物質(zhì)沖出總量為QH=1.29×104m3。

4 瓦扎乃曲泥石流防治措施

瓦扎乃曲溝泥石流治理思路主要以攔排結(jié)合，通過攔擋壩穩(wěn)固溝內(nèi)堆積物源，并有一定庫容量攔截泥石流固體物源，并調(diào)節(jié)下游洪峰流量，同時在溝口段修建排導(dǎo)槽，確保洪峰安全通過，不至對溝口民房再次造成危害。

治理方案：攔砂壩+排導(dǎo)槽+單邊防護堤。

因瓦扎乃曲溝流域內(nèi)物源儲量豐富，其主要來源為溝道兩側(cè)松散崩、滑塌物源及溝道堆積物源，針對這一特征可在形成流通區(qū)下游地形寬緩地段設(shè)置 1～2級，攔蓄泥石流固體沖出物，通過回淤壓腳降低溝道坡降及固體沖出物；以及針對堆積區(qū)溝道沖刷、切割嚴(yán)重，可修建排導(dǎo)槽（鋪底），為保護右側(cè)居民在堆積區(qū)右岸修建單邊防護堤與排導(dǎo)槽相連，將攔擋后剩余泥石流流體直接引向美姑河排泄。

5 結(jié)論與建議

1）瓦扎乃曲溝泥石流為黏性泥石流，屬暴雨型泥石流，暴發(fā)頻率為中頻，暴發(fā)規(guī)模多為小型。

2）根據(jù)瓦扎乃曲溝泥石流形成條件、運動和堆積特征結(jié)合泥石流危害對象的分布，本次瓦扎乃曲溝泥石流防治工程采用攔排結(jié)合的治理思路，采用“排導(dǎo)槽+單邊防護堤+攔砂壩”治理方式。

3）建議地方政府制定專門的規(guī)劃，加強溝域植被保護和和水土保持，通過長期的生物防治方案，減少泥石流活動物源，加強溝域地質(zhì)生態(tài)環(huán)境保護，避免因不合理人類工程活動加劇不良地質(zhì)現(xiàn)象，增加泥石流物源。

4）建議治理工程完成前進一步加強地質(zhì)災(zāi)害群測群防工作，加強泥石流活動的監(jiān)測預(yù)警，避免因泥石流災(zāi)害造成人員傷亡和大的經(jīng)濟財產(chǎn)損失。

[1]劉德兵.茂縣瓦窯溝泥石流動力學(xué)特征分析與防治對策研究.川煤地勘,21（2013）1-0096-06

[2]黃潤秋,李為樂.“5·12”汶川大地震觸發(fā)地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)育分布規(guī)律研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報,2008,27(12)： 2585-2592.

[3]黃潤秋.“5·12”汶川大地震地質(zhì)災(zāi)害的基本特征及其對災(zāi)害后重建影響的建議[J].中國地質(zhì)教育,2008, (2)：21-24.

[4]蔣忠信.震后山地地質(zhì)災(zāi)害治理工程設(shè)計綱要.西南交大出版社,2013.7.

[5]四川省一三五勘察設(shè)計有限公司.涼山州美姑縣巴古鄉(xiāng)瓦扎乃曲泥石流勘查報告.2014.05