茂縣瓦窯溝泥石流動力學特征分析與防治對策研究

劉德兵

摘 要：“5·12”地震引發了大量的次生地質災害，對災區人民的生命財產安全形成了嚴重威脅，為災后重建工作遺留重大的安全隱患。本文通過對瓦窯溝形成泥石流的地形、水源、物源三個基本條件進行了深入論述，計算了泥石流的重度、流速、流量、沖出量等動力學參數，并分析了泥石流的發展趨勢，最后根據泥石流危險性和被保護對象的重要性，提出了相應的防治對策。

關鍵詞：瓦窯溝泥石流；動力學參數；防治措施；茂縣

Analysis of the Maoxian Wayaogou kinetic characteristics of debris flow and some countermeasures

Liu De-bing

Abstract： 5·12 earthquake triggered a large number of secondary geological disasters form a serious threat to the safety of the lives and property of the people in the disaster areas， left behind a significant security risk for the reconstruction work. In this paper， the formation of debris flow Wayaogou terrain， water sources， provenance three basic conditions in-depth exposition， calculated mudslides severe， flow rate， flow， out of the amount of kinetic parameters， and analysis of the debris flow trends， Finally， according to the risk of debris and the importance of the protected object， the corresponding countermeasures.

Key words： Wayaogou mudslides； kinetic parameters； prevention measures； Maoxian

引言

“5·12”地震引發了大量的滑坡、崩塌、泥石流等次生地質災害。截至2008年7月20日，42個重災縣（市）震后新增可統計地質災害隱患多達8627處，其中泥石流837處[1]。這些次生地質災害對災區人民的生命財產安全形成嚴重威脅，對災后重建工作有較大影響[2]。

瓦窯溝泥石流位于茂縣富順鄉境內，屬一條低頻老泥石流溝。“5.12”地震后，溝域內發生了多處滑坡、崩塌現象，災后重建筑路產生大量棄渣，形成了新的物源。目前，瓦窯溝泥石流所處發展階段為小周期內的發展期（壯年期），在持續降雨或短時高強度暴雨的誘發下極易復活，暴發中頻中～小型粘性棄渣泥石流[3]。瓦窯溝泥石流一旦再次暴發，將直接威脅到堆積區上富順鄉場鎮21戶居民約170人的生命財產安全，以及區內的S302省道的正常運營。因此，研究瓦窯溝泥石流的基本特征、形成條件、動力學參數，預測其暴發規模，提出切實可行的防治方案十分必要。

1.瓦窯溝泥石流流域發育特征

瓦窯溝溝域平面形態呈不規則的樹葉狀，縱向長約4.80km，主溝長4.62km，平均寬度0.68km，溝域面積3.23km2，其中匯水面積約3.05km2，約占溝域面積的94.1%。溝域內，地形最高標高約2182m，最低標高1198m，相對高差984m，溝谷平均坡降為178.1‰。

根據其溝谷變化特點，可將其分為四段，即溝源段、上游段、中游及下游段。其中，溝源段呈三面環山的漏斗狀地形，植被茂密，利于匯水，主溝溝床縱坡溝谷縱坡大，平均362.6‰；上游流段溝谷寬緩，兩側羽狀沖溝發育，主要的支溝僅一條，為位于主溝左岸的無名小溝，主溝溝道淺坦，溝床縱坡平均127.5‰；中游流段溝谷陡立，沿途分布有崩塌巖堆及棄土等，主溝溝道蜿蜒，溝床縱坡平均130.8‰；下游為泥石流堆積扇，下游至溝口呈堆積扇地貌，扇上人口密集，扇緣突出擠壓土門河河道，主溝溝道在居民聚居區內淺坦，入河口處溝道深切。

1.1 泥石流清水區

該區為瓦窯溝溝源段，其分水嶺最高標高約2182m，此段流域呈三面環山的陡坡地貌，區內斜坡坡度在40°以上，匯水面積約0.55km2，占流域總匯水面積的18.0%。主溝溝道寬1～3m，平均流向167°，溝谷坡降362.6‰；其溝水不僅來源于大氣降水，還接受上游基巖裂隙水的補給，其中地下水排泄形成了該溝的常年性流量，本次實測流量為1.82L/s，另據訪問，暴雨時水位一般上漲0.5～1.0m左右，漲落迅速。區段內植被茂密，水土保持較好，未見有集中物源。

1.2 泥石流形成—流通區

該區主溝溝床標高1680～1250m，高差430m，流段長度3.19km，匯水面積約2.50 km2。主溝蜿蜒呈反S形，流向150→180→135°，溝谷平均降129.0‰，溝道被公路棄渣堵塞嚴重。兩岸谷坡變化大，其中上游溝谷寬緩，溝道淺坦，兩側岸坡坡度一般為25°左右，主要為耕地，喬木僅零星分布，局部存在水土流失現象，植被覆蓋率僅為30～40%；中游急劇縮攏成V形峽谷，溝道深切，普遍生長有喬木及灌木（除公路棄渣毀壞溝段外），兩側谷坡坡度一般為40～50°，局部地段岸坡陡立，為茂密的喬木、灌木混合林地，植被覆蓋率達80%以上。

按照泥石流物源的成因類型、補給途徑等，可將瓦窯溝泥石流流域內的物源劃分為人工棄渣、坡面坡殘積物、崩塌巖堆及溝道坡洪積物等4類。

（1）人工棄渣 共18處，棄渣堆儲量一般為0.05～0.15×104m3，最大約0.3×104 m3；大多堆積松散，堆積坡角一般40～50°，尚未達到天然休止角，在公路下邊坡的棄渣在雨后時有溜滑現象發生。所有棄渣堆的靜儲量約2.3×104 m3，可參與泥石流活動的動儲量約1.3×104 m3。

（2）坡面物源 廣泛分布在瓦窯溝上游地區的斜坡地帶，一般由碎石土組成，堆積厚度一般2～5m，局部達10m以上，分布面積約2.8×104m2，總儲量不小于19.8×104 m3。

（3）崩塌巖堆 主要有5處，分布在中游的西岸陡坡上，堆積松散，但未引起堵溝。各堆積方量一般約0.05～0.10×104 m3，總方量約0.60×104 m3，采用坡率法估算其動儲量約0.20×104 m3。

（4）溝道物源 主要由碎石土組成，表部松散堆積層普遍厚約0.5～2m，分布面積約4.2×104 m2，物質儲量約6.3×104 m3；根據溝道的縱坡變化情況、訪問到的歷史洪水漲落情況分析，按溝道表層松散堆積物1/4可啟動考慮，推斷溝道堆積物的動儲量約1.6×104 m3。

瓦窯溝泥石流的物源總量約28.95×104 m3，可啟動的動儲量總計約4.12×104 m3。

1.3 泥石流堆積區

堆積區地形相對低緩，扇面坡度約5～10°，總體扇長390m，扇緣寬約620m，扇體面積為0.191km2，扇體上為富順鄉場鎮區，人口密集。瓦窯溝由扇體中部切割而過，溝道曲折，形成了兩級溝岸。現溝床寬度5～10m，縱坡上緩下陡，一般67.8～202.4‰，平均119.8‰，溝道切割深度2～15m不等，局部侵蝕切割至基巖，部分溝段溝岸可見漂、卵石層出露；入河口見小堆積扇，嚴重擠壓河道，扇體長80m，寬120m，由次棱角狀的塊、碎石土組成，已生長有茂密喬木，充分說明距前期泥石流的暴發時間久遠，其后泥石流活動性減弱、規模變小，故地貌演變以侵蝕、切割為主。

2.泥石流形成條件

2.1 地形條件

瓦窯溝溝源段三面環山，地形陡峭，匯水面積約為0.55 km2，利于匯水，為泥石流的形成提供大量的水源；上游面積1.86 km2，兩岸山體坡度25～40°左右，松散堆積層廣泛分布，存在水土流失現象，對給泥石流提供固體物源較為有利；瓦窯溝中游兩岸山體在40～60°，該范圍面積約為0.64 km2，該區域主要為泥石流的形成提供固體物源和部分水源。因此，當遇到強降水的條件，分布于瓦窯溝兩側岸坡的松散固體物質容易被沖蝕進入溝道內，成為泥石流活動的物源。從地形上看，土門河下切高度達20～30m；顯然主河的下切速度大于支溝，利于泥石流的發展[4]。

2.2 水源條件

只有在快速、強烈的水源補給條件下才能形成泥石流。在足夠的水體條件下，松散碎屑物質才有可能沿河床產生運移和移動，如果缺少相當數量的水，產生的則是例如崩塌、滑坡之類的斜坡重力現象，而不是形成泥石流。因此，水動力條件在泥石流的產生起著相當重要的作用。瓦窯溝流域內，多年平均降水量490.7mm，年最大降水量598.7mm，24h最大降水量約90mm；6h最大降雨量約65mm，1h最大降雨量約28mm，10min最大降雨量9mm；而本地區1h泥石流觸發雨量的臨界值為20mm。可見，該區激發泥石流形成的暴雨條件是充分的。

2.3 物源條件

瓦窯溝泥石流的可啟動物源主要是公路棄渣，次為溝床堆積物及溝道兩側的殘坡積物，崩塌巖堆溝床堆積物儲量最少。其中，棄渣堆和崩塌巖堆主要分布在中游峽谷地帶，大多已侵占溝床、部分堵塞溝道，由于堆積物顆粒粒徑普遍較小（D50=32～50mm）， 加之該段溝道縱坡大，因此最易參與洪水而形成泥石流；溝道坡洪積物及兩側坡殘積物總儲量雖大，但由于其分布區溝槽寬緩，溝道縱坡小，水動力條件較差，故其補給量不大（主要為細顆粒物質）且能否啟動則與水動力條件相關。

進而可判斷，近期內瓦窯溝爆發泥石流的機率較大，但由于主要可啟動物源（棄渣）的儲量有限，因此在長期內屬于極低頻泥石流。

3.泥石流運動和動力學參數分析

瓦窯溝在至少60年內未發生過泥石流，其爆發頻率屬極低頻（大于1次/50年）。由于無泥石流發生時的實際觀測數據，不具備進行模擬試驗的條件，對該泥石流溝的分析，主要是依據現場調查訪問資料，類比利用目前泥石流運動特征及動力特征研究的成果進行的。

3.1 泥石流流體重度

泥石流流體重度主要根據泥石流易發程度數量化評分，查《泥石流災害防治工程勘查規范》（DZ/T 0220-2006）附錄表G.2，并結合模擬試驗綜合確定。

（1）查表法 瓦窯溝主溝（全域）泥石流易發程度量化得分91分。根據數量化評分（N）與重度、（1+φ）關系對照，瓦窯溝主溝泥石流重度γc為1.628t/m3，對應1+φ為1.624。

（2）工程類比 通常物源的數量越多，泥石流的規模越大、頻率也越高，而且容重也大。歷史上爆發的泥石流的容重和性質已經不能代表將來泥石流的容重和性質了。本次研究根據西南山區具有土源數據和泥石流性質特征的28條泥石流溝的統計，用流域單位面積所擁有的松散固體物質方量為標準，統計分析獲得已經發生過泥石流的容重與土源數量的關系，見表1。

對上述泥石流流域單位面積物源量與泥石流容重之間的關系進行分析，可表示如下：

式中：x——單位面積物源量（m3/m2）；

y——容重（g/cm3）

瓦窯溝流域面積3.23km2，計算流域內單位面積的松散物質約為1.267m3，帶入擬合方程（公式1）可類比得瓦窯溝泥石流容重為1.759g/cm3。

（3）綜合取值

上述兩種方法計算的泥石流容重值均大于1.6t/m3，故可判定瓦窯溝泥石流流體性質屬粘性。考慮到查表法取值結果受工程經驗影響，而類比法則受類比條件如地域性差異、區域降雨條件等的制約，故采用兩者平均取值確定，即：1.721g/cm3。

3.2 泥石流流速

泥石流流速與泥石流流量、泥石流體容重、泥石流物質的礦物組成和級配成分以及溝道內其他要素都有很密切的關系，是一個決定著泥石流動力學性質的最為重要的參數之一，目前泥石流流速計算公式多為半經驗或經驗公式。

因距前一次泥石流時間較久（70a以前），泥位高度已無法確定，本次采取以下方法進行流速計算：首先，根據最近一次泥石流堆積物中最大粒徑推求沖出時的流速；然后選用具有多次沖刷痕跡的典型斷面進行試算；由于前期泥石流均為粘性泥石流，因此在泥石流的運動過程中，流體中的大石塊運動速度是略小于流體速度，故可大致確定該次泥石流的泥位高度，從而可綜合確定泥石流的流速。

根據泥石流重度判定，瓦窯溝主溝泥石流屬粘性泥石流，按規范采用粘性泥石流通用公式進行流速計算[5]，公式如下：

式中：Vc—泥石流斷面平均流速（m/s）；

Mc—泥石流溝床糙率，按規范表I.3內插；

Hc—計算斷面平均泥深（m），本文取1.12m；

Ic—泥石流水力坡度（‰），取流域形成區至流通區加權平均坡降，本文取176.3‰。

經計算，瓦窯溝主溝泥石流流速為6.58m/s。

3.3 泥石流流量

目前，進行泥石流流量計算的方法主要有雨洪法和形態調查法兩種。經筆者計算分析發現，采用形態調查法求得的泥石流峰值流量計算結果普遍略小于雨洪法求得的結果。分析其原因，采用形態調查法計算結果沒有暴雨頻率的概念，僅能代表當次泥石流的特征值，而雨洪法則根據現有溝域面積、溝域植被發育分布情況和徑流系數進行計算，具有預測性質。因此，本文僅列舉了采用雨洪法的計算結果及綜合取值。

（1）設計洪水流量計算

采用《四川省中小流域暴雨洪水計算手冊》推薦的推理公式計算設計頻率條件下的洪水洪峰流量，計算公式如下：

式中：QB—設計洪峰流量（m3/s）；

ψ—洪峰徑流系數，=1- 1.1μ×τ0n/Sp；

SP—暴雨雨力（mm/h），SP =H24p ×24n-1；

F—流域匯水面積（km2），取3.05 km2；

μ—匯流參數，μ=（1-n）nn/（1-n）（Sp/hRn）1/（1-n）；

τ—流域匯流時間（h），τ=τ0 ψ-1/（4-n）；

n—暴雨公式指數，取n=n2p=1+1.661lg（H6p/H24p）；

τ0—產流歷時（h），τ0=0.2783/（4-n）/[（mJ1/3/L）（SF） 1/（4-n） ]；

m—產流參數，m=0.221θ0.204（θ=1～30時），反算得m′=0.320；

θ—流域特征系數，θ=L /（ J1/3F1/4）；

L—主溝長度（km），取4.62km；

J—主溝溝床坡降（‰），取加權平均值，取176.3‰；

hR—地面徑流深（mm），hR=αH24p；

α—降雨歷時24h的徑流系數，查表取0.5；

D—大流域面積修正系數，D=1/（1+0.016·F0.6）。

瓦窯溝泥石流流域設計洪峰流量計算參數及結果見表2。

（2）泥石流峰值流量計算

以瓦窯溝流域可能產生的最大清水流量為依據，按照雨洪修正法原理[5]，泥石流流量按下式進行計算。

式中：Qc—泥石流峰值流量（m3/s）；

QB—頻率為P的暴雨洪峰設計流量（m3/s）；

φ —泥砂修正系數，φ=（γc-γw）/（γH-γc），計算得φ=0.670。

Dc—泥石流溝堵塞系數，本文取1.3。

瓦窯溝流域設計泥石流峰值流量計算參數及結果見表3。

3.4 一次泥石流過流總量

一次泥石流總量Q的計算，可根據泥石流歷時和最大流量，按照泥石流的發生具有暴漲暴落的特點，將其過程線概化成五邊形[5]，計算公式如下：

根據調查訪問情況綜合分析，瓦窯溝泥石流物源豐富，泥石流一次經歷時間較長。因此T按持續時間15min考慮。

3.5 一次泥石流固體沖出物

一次泥石流過程中沖出的固體物質總量不僅與泥石流規模有關，而且與泥石流性質、固體物物理特征等有關。一次泥石流沖出固體物質體總量按下式計算[5]：

式中：QH—一次沖出固體物質體總量（104m3）；

Q—一次泥石流過程總量（104m3）；

γC—泥石流流體重度，1.721t/m3；

γW—水的重度，1t/m3。

不同設計暴雨頻率下，瓦窯溝一次泥石流過程總量（Q）、一次泥石流沖出固體物質體總量（QH）計算結果見表4。

4.泥石流防治對策

泥石流的防治要堅持防治結合、生物措施與工程措施結合、民辦與公助相結合，對易發生泥石流地區采取：穩、攔、排、停、封等相結合的防治措施。常見的工程措施有：跨越工程、穿過工程、防護工程、排導工程、攔擋工程。通過控制泥石流的固體物質和暴雨、洪水徑流，削弱泥石流的流量、下泄量和能量，減少對下游建筑物的沖刷、撞擊和淤埋等危害，主要有攔渣壩、儲淤場、支擋工程、截洪工程等[4]。

針對瓦窯溝泥石流的發育特征及其可能造成的危害，提出如下工程措施。

4.1 方案1 攔排結合

主要措施：多級攔擋壩+修整排導槽。通過在形成區設置三級攔擋壩，防治溝底下切，溝頭上延長。同時通過回淤物質對溝道兩側不穩定和潛在不穩定的邊坡進行壓腳加固，減弱集中水流對邊坡的淘蝕，減少松散物源的來源。攔擋壩可以攔蓄大量泥沙，使溝底坡度平緩，河床固定，達到減少泥石流流速和峰值流量，保護溝道。原始溝道進行簡單的清理修整，以滿足排洪需要為主。

4.2 方案2 以排為主

由于原始溝道較為曲折，且大部分溝道被移民建房所侵占，排導條件較差。該方案通過適當的截彎取直新建排導槽，使泥石流順利排導出居民區。新建排導槽截面形式采用復式“V”形斷面，縱坡降為8.1%，排導槽通過公路段設過小型鋼筋混凝土涵洞。

通過對兩種方案在技術可行性、施工難易程度、安全可行性和工程投資等方面的比選，推薦方案二即“新建排導槽”為優選方案。

5.結論與建議

1） 瓦窯溝泥石流屬中等易發。按水源分類為暴雨型泥石流，按集水區地貌特征分類為溝谷型泥石流，按流體性質分類為粘性泥石流，按暴發頻率分類為低頻泥石流，按災害等級劃分該泥石流災害危險性等級為中型。

2） 建議加強對該泥石流的群測群防，并由相關部門設立降雨氣象觀測站，以便及時預告流域降雨狀況，進行泥石流的預測預報工作[5]。

3）建議在地震災區恢復重建工作中，房屋選址應盡量遠離排導槽，嚴禁侵占泥石流溝道。

4） 瓦窯溝泥石流的綜合治理工程竣工后，經歷了兩個水文年的運行檢驗，從最新監測資料來看，治理工程已經起到了明顯的效果，防治方案的可行性已得到了初步的驗證。

參考文獻

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