永定橋水庫庫區關溝泥石流地質災害分析

劉 超, 李良東, 郭小帥, 吳祖國

(1.中國地質大學(武漢) 公共管理學院,湖北 武漢 430074; 2.黃河勘測規劃設計有限公司,河南 鄭州 450003)

永定橋水庫庫區關溝泥石流地質災害分析

劉 超1, 李良東1, 郭小帥2, 吳祖國2

(1.中國地質大學(武漢) 公共管理學院,湖北 武漢 430074; 2.黃河勘測規劃設計有限公司,河南 鄭州 450003)

2016年7月26日18:00—21:00時段,四川省雅安市漢源縣永定橋水庫庫區關溝發生泥石流,通過對關溝泥石流的實地調查,研究關溝泥石流發生的原因,分析關溝泥石流如果再次活動可能產生的危害,劃定關溝泥石流危險區域等,對關溝泥石流治理的緊迫性進行評估,提出關溝泥石流治理措施建議,避免泥石流再次活動對永定橋水利工程各工程部位造成損毀。

泥石流;成因;危害性;危險性;治理

關溝位于四川省雅安市漢源縣宜東鎮以北約2.5 km,為流沙河左岸主要支流之一,常年流水,流域控制面積約18 km2,關溝溝尾段是永定橋水利工程大壩開挖、關頂料場、高粱坪堆積體處理等工程的棄渣場(見圖1,人為堆積土壩,以下簡稱土壩),為解決溝水徑流問題,在關溝右岸設計一條長758 m、比降7%的溝水處理引水隧洞(以下簡稱關溝隧洞,2011年汛前澆筑完成,正式通水),目前關溝渣場渣體堆積數十萬方。

圖1 關溝泥石流災害分布示意圖Fig.1 Distribution sketch map of Guangou debris flow

2016年7月26日18:00—21:00時段,該區域降雨量很大(據最近的水文監測站資料,雨量達到了139 mm,界定為大暴雨,達到或接近50年一遇的洪水標準),關溝產生泥石流,總方量在2萬余立方米,分別堆積于關溝隧洞進口、出口、生態堰這三個部位。其種類為由暴雨引發、物質來源混合型的水石型泥石流。

(1) 堆積1區:位于關溝隧洞進口部位,堆積的泥石流物質約3 000 m3。左側的關溝渣場上游面進水,水位最大高度約3 m,見有厚約0.5～1 m的淤泥、砂層堆積。

(2) 堆積2區:位于關溝隧洞出口—下游道路橋梁之間(僅距橋梁30 m),關溝出口消力池已經淤滿,泥石流物質總方量約1 000余立方米。

(3) 堆積3區:位于道路橋梁與流沙河上的生態堰之間,地形較為開闊平坦,是關溝出口與流沙河交匯部位,堆積物在流沙河上的生態堰受阻滯留于關溝溝口和生態堰之間,方量約2×104m3。

1 泥石流地質背景

區內地處青藏高原東南緣向四川盆地過渡之高中山峽谷區。河流水系發育,溝谷深切,嶺谷高差1 000～1 500 m,構造部位上處于由金坪斷裂、二郎山斷裂、保新廠—凰儀斷裂和漢源—昭覺斷裂所切割的宜東向斜內。區內50年超越概率10%的基巖水平地震動峰值加速度為201 cm/s2,地震基本烈度為Ⅷ度[1]。

流沙河流域屬北溫帶與亞熱帶之間的亞熱帶氣候區,1951—2004年資料統計,多年平均氣溫19.2 ℃,多年平均年降水量738.8 mm,平均年降水日數為143 d,歷年最大日降水量168.2 mm。關溝尾部布置有工程棄渣場,設計點暴雨20年一遇118.4 m3/d、50年一遇136.8 m3/d。

關溝是流沙河上游左岸的支流之一,溝口距永定橋下壩址壩軸線下游約400 m。流域面積18.58 km2,河長8.44 km,比降14%。溝兩側山高溝深,地形陡峻,植被發育一般,中下游多呈深“V”型,上游“U”型。兩岸基巖裸露,溝口為三疊系上統須家河組(T3xj)砂頁巖,其余部位多為奧陶系下統(O1)、震旦系上統燈影組(Zbd)的砂頁巖、白云巖,巖層產狀多為210°～230°∠15°～25°。

2 關溝泥石流形成的條件

泥石流的形成應具備幾個主要的基本條件[2-3],即地形條件、物質來源、水源條件三大要素。

2.1 地形地貌條件

關溝有山高坡陡、比降大的特點,在距溝口2.5 km發育一支流,主流與支流發育樹枝狀小溝谷,流域形狀便于水流匯集,具備產生泥石流的地形條件。在地貌上,產生本次泥石流的地貌可分為形成區、流通區和堆積區三部分。

(1) 形成區:本次泥石流形成區較為奇特,并不是在關溝主溝上游區域形成,而是在關溝支溝區域與主溝交匯部位之間形成,這是由于分片區點暴雨降雨,支溝區域降雨量大、主溝區域降雨量相對較小造成的。地形為三面環山,出口在兩溝交匯部位向流通區而去,形成區地形相對比較開闊(呈“U”型),周圍山高坡陡,山體破碎,植被發育一般,坡腳有工程棄渣、崩塌堆積碎塊石土,地形上有利于水和碎屑物質的集中。

(2) 中游流通區:地形多為狹窄陡深的峽谷,比降約14.0%,谷床縱坡降大,流通區溝床較為平直,泥石流能迅猛直瀉;兩岸坡腳有堆積的工程棄渣,上游形成的泥石流因水位陡漲,在沖擊的作用下帶動部分流通區渣體也向下游傾瀉。

(3) 下游堆積區:分為堆積1區、2區和3區(見圖1)。

① 堆積1區。在關溝進水口(底板高程1 499 m),由于關溝隧洞工程溝道突然縮窄,泥石流受到阻礙,部分泥石流滯留在洞口附近。洞口部位泥石流堆積物形成凹陷地形,也未造成洞口堵塞。主要由于洞口部位形成水流漩渦,帶動泥石流由洞內沖向下游,也由于本次泥石流動力及規模不大,2 m直徑以上的巨石未被泥石流推動,而洞徑>2 m(洞徑寬2.5 m)。左側的關溝渣場上游溝槽部位高程低于河水位,進水后,水位最大高度3 m,見有厚約0.5～1 m的淤泥層堆積。

② 堆積2區。在關溝隧洞出口(底板高程1 445 m)至公路之間,因隧洞出口未正對著橋孔部位,橋身有一定的阻擋作用,減弱了洞內泥石流的沖擊力和速度(存在洪水從橋面上翻過現象),造成部分泥石流在此堆積,其出口消力池已經淤滿,粒徑一般<1 m。

③ 堆積3區。位于道路橋梁外側與生態堰之間,地形為較開闊平坦的流沙河道,泥石流受阻于生態堰,在此堆積,其粒徑更小,在0.5 m以下。

綜上,地形地貌條件上有利于泥石流的產生。

2.2 松散物質來源

關溝松散堆積物主要有三種類型,即崩坡積堆積、溝內沖積堆積砂礫石和施工棄渣堆積。塊碎石巖性主要為灰巖、白云巖。

(1) 崩坡積堆積:這一類堆積物零星分布于溝谷兩側,由于地勢陡峻,在長期風化卸荷作用下產生崩塌,厚度不大,多在1～2 m之間,局部存在巨石。估計方量在2萬～3萬m3。

(2) 溝內沖洪積砂礫石堆積:溝內沖洪積物多為崩積堆積物經長期溝水沖刷、搬運形成,厚度一般3～6 m,寬度2～5 m,估計方量近10萬m3。

(3) 施工棄渣:因躍進堰(灌溉水渠)的修建,開挖產生的渣體,均堆積于關溝溝底,共有3處,總方量約1.5萬m3,本次沖刷掉約4 000 m3。

綜上,堆積松散物為泥石流的形成提供了豐富的固體物質來源,成為泥石流形成條件之一。

2.3 水源條件

水既是泥石流的重要組成部分,又是泥石流的激發條件和搬運介質(動力來源),前期長時間降雨,本次激發泥石流的水源為暴雨形式。據附近雨量統計,3 h內降雨達到了139 mm,洪水流量估算約122 m3/s,超過20年一遇的設計點暴雨值。

本次關溝在上述基本條件均具備情況下,發生了泥石流。對關溝隧洞造成一定的沖蝕災害,也對關溝溝口的橋梁有一定損害,并造成生態堰嚴重淤積。

3 關溝泥石流產生的危害

關溝泥石流的產生,造成了一定的危害,主要是進出口部位、洞內襯砌砼的損壞,另外生態堰完全被泥石流淤積。

3.1 進口部位的損壞

泥石流在洞口附近形成瓶頸(洞口較小),受到隧洞的阻礙,力量有所減弱,大號的漂塊石滯留到洞口附近,最大粒徑在1～2 m之間。洞口部位泥石流堆積物形成凹陷地形,未造成洞口堵塞。帶有砂石的泥石流沖擊洞口,造成襯砌的混凝土有損壞現象,部分鋼筋裸露。

3.2 洞內襯砌砼的損壞

洞內混凝土襯砌底板及側墻均有不同程度的損毀現象,從進口及出口上看,底板明顯凹陷,形成圓弧狀,出口凹陷深度達40余厘米,洞內的具體損毀情況待進一步查實。

3.3 道路橋梁的損壞

關溝溝口附近有一條橫穿關溝的道路橋梁(為石拱橋),該道路是原宜東鎮通往三交鄉的鄉村道路,后作為永定橋工程的右岸上壩道路。關溝產生的泥石流從隧洞出口泄出時,對橋身有沖擊破壞作用,沖擊淘刷后形成一個凹陷的坑,坑周圍見有沖刷磨損現象。沖刷坑長約1.2 m,寬約0.8 m,深約0.6 m。

3.4 生態堰完全被泥石流淤積

生態堰位于關溝出口流沙河的下游側約100 m,設計壩高1 435～1 437 m,目的是解決永定橋水庫壩后至關溝之間的斷流問題。本次泥石流堆積物把生態堰完全淤滿,少量泥石流翻壩,需進行清淤,方能使生態堰發揮正常作用。

4 關溝泥石流災害綜合分級

根據對關溝泥石流實地調查資料,依據有關規程規范,對關溝泥石流的規模、活動性、危害程度及危險性進行評價。

4.1 泥石流規模分級

根據表1,本次關溝泥石流總量在2萬余立方米,為中型泥石流。

表1 泥石流暴發規模分類Table 1 Classification of debris flow scale

4.2 泥石流活動性分級

2010年8月發生了一次小型規模的泥石流,造成了關溝隧洞底板沖蝕,隧洞進出口部位少量堆積泥石流物質。本次泥石流為中等規模,關溝泥石流活動性初步判定為中—高級(表2)。

4.3 關溝泥石流危害性分級

本次泥石流的危害性主要是①對關溝隧洞洞內襯砌底板邊墻沖擊淘刷;②對出口部位的公路橋梁的沖擊損壞;③生態堰淤堵。如對損毀部位進行修復、生態堰清淤等工程,投入資金預估100萬元以上,根據表3,本次泥石流危害性為中等。

4.4 關溝泥石流危險性分級

對關溝隧洞的危害,直接沖刷襯砌的底板邊墻,威脅隧洞穩定。一旦洞內產生垮塌后淤堵,將直接威脅關溝渣場堆積渣體穩定。

表2 單溝泥石流活動性分級表Table 2 Activity classification of single gully debris flow

表3 泥石流災害危害性等級劃分Table 3 Harmfulness classification of debris flow

注:*指災度的兩項指標不在一個級次時,按從高原則確定災度等級。

(1) 關溝出口段為永定橋水利工程棄渣場,目前堆積數十萬方渣體,形成一個堆積松散的“土壩”,上游側渣體高出溝床約13 m,下游高差達50余米,一旦關溝隧洞淤堵或堵塞,泥石流、溝水將沖蝕渣體前端,甚至翻過渣體(或稱為翻壩),可能導致渣體(壩)潰決,直接對下游群眾的生命及財產造成威脅。

(2) 關溝隧洞出口正對著公路橋梁的橋身,目前已造成損傷,存在一定的安全隱患,如再次發生泥石流,可能沖毀橋梁。

(3) 生態堰目前已經淤滿泥石流物質,其功能幾乎傷失。

(4) 關溝坡降大,即使不產生泥石流,在雨量較大時,仍然會有一定的推移物質對關溝隧洞造成一定的破壞作用。

綜上,關溝具備再次發生泥石流的條件,其強度主要取決于降雨量,如一旦再發生比原先大的強降雨,其危險性更大。如發生潰壩(土壩),直接威脅下游群眾,可能達到500人次以上,其危險性等級為大型(見表4)。

表4 泥石流潛在危害性分級表Table 4 Potential harmfulness classification of debris flow

注:*潛在威脅等級的兩項指標不在一個級次時,按從高原則確定災度等級。

5 關溝泥石流活動及危險性分析

通過實地調查,收集了該區域有關的水文氣象、地形地貌以及地質資料,了解到其人類活動主要是樹木砍伐以及修葺躍進堰產生的廢棄渣堆積于溝谷兩側,通過關溝泥石流的活動性、險情、災情調查,劃定危險性區域,對泥石流活動性、危險性及治理的緊迫性進行分析。

5.1 泥石流活動危險區域的劃分

危險區域的劃分分為極危險區、危險區、影響區、安全區(圖2)。

(1) 極危險區:是泥石流到達的主要部位,可能導致①洞口的堆積;②隧洞的底板破壞影響襯砌穩定,導致硐室垮塌堵塞;③出口部位道路橋梁沖毀;④生態堰嚴重淤積。

圖2 關溝泥石流危險區域劃分示意圖Fig.2 Risk zoning division sketch map of Guangou regional debris flow

(2) 危險區:主要分布于①泥石流流通區至關溝隧洞洞口之間,可能導致兩岸松散堆積體的滑塌;②對關溝渣場的浸濕、滲透破壞(可能導致渣體局部垮塌)、前緣泥沙堆積部位,以及渣場受威脅的下游區域也劃為危險區;③一旦土壩潰決,其下游由危險區演變為極危險區,人民的生命財產將遭受嚴重威脅。

(3) 影響區及安全區:沿溝谷及兩側無居民居住,范圍主要在關溝溝谷兩側邊坡及圖2所示以外區域。

5.2 泥石流活動性和危險性[1]分析

根據對關溝泥石流的調查,按《泥石流災害防治工程勘查規范》進行評判。

(1) 活動性判別。2010年8月6日暴雨,發生一次小型泥石流,含有泥沙、碎塊石等的大水對隧洞底板沖毀嚴重,當時降雨量也達到了大暴雨級別。根據評判要素,其級別為強活動性。

(2) 危險性評估。暴雨泥石流危害程度或災害發生幾率的判別式:危害程度或發生幾率(D)=泥石流的致災能力(F)/受災體的承災能力(E),致災能力得分10分,其致災能力強,受災體承災能力得分9分,承災能力差,得出D≈1。即:受災體處于災變臨界狀態,需要警惕泥石流對關溝隧洞、渣場、橋梁等建筑的破壞。

5.3 泥石流治理的緊迫性分析

(1) 關溝地形條件有利于發生泥石流災害。關溝堆積的松散體物質較為豐富,粗略估計仍有十余萬立方米,發生大暴雨情況下,關溝再次產生大—中型泥石流的可能性是存在的。

(2) 危險性大。①關溝流域積雨面積大,遇大暴雨,超過關溝隧洞設計的過流量時,將直接威脅土壩,洪水有翻壩可能;②關溝隧洞被泥石流淤堵或洞內沖蝕破壞產生垮塌造成的淤堵,將直接威脅土壩,使其存在潰決的可能。其下游的工程建筑及人民生命財產遭受巨大威脅,損失將無法估量。

鑒于上述,治理緊迫性綜合判別較為緊迫。需對關溝進行治理,防止(或減少)的泥石流災害對各個工程部位的損毀,避免潰壩給下游群眾的生命財產帶來危害。

6 結語及建議

本文通過實地調查,收集了該區域有關的水文氣象、地形地貌以及地質資料,通過分析認為,關溝泥石流活動性強、危害性大、危險性大,存在再次發生大型泥石流的可能,其致災能力強,需進行治理。

(1) 對關溝隧洞進出口、生態堰堆積的泥石流物質進行清除,關溝溝內疏浚。

(2) 關溝隧洞進口上游側選取適當位置設置2～3道攔砂(石)坎。

(3) 對關溝渣場上游側進行擋護,防止大水、泥石流對其沖蝕;擋護采用重力式擋墻以及相應的排水措施。

(4) 對關溝隧洞內襯砌損壞部位,雨季后即行修復,底板采用高標號防沖耐磨混凝土,防止洞內垮塌淤堵。

(5) 對道路橋梁損壞部位進行修復,必要時拆除老舊石拱橋,重新修建,如不新建,需對關溝出口至橋洞水流進行人工疏導。

[1] 黃河勘測規劃設計有限公司.永定橋水利工程工程地質勘察報告[R].鄭州:黃河勘測規劃設計有限公司,2006.

[2] 中華人民共和國國土資源部.泥石流災害防治工程勘查規范:DZ/T 0220—2006[S].北京:中國標準出版社,2006.

[3] 中華人民共和國水利部.水利水電工程邊坡設計規范:SL 386—2007[S].北京:中國水利水電出版社,2007.

(責任編輯：陳姣霞)

Geological Hazard Analysis of Guangou DebrisFlow in Yongdingqiao Reservoir Area

LIU Chao1, LI Liangdong1, GUO Xiaoshuai2, WU Zuguo2

(1.ChinaUniversityofGeosciences(Wuhan)SchoolofPublicAdministration,Wuhan,Hubei430074; 2.YellowRiverEngineeringConsultingCo.,Ltd.,Zhengzhou,Henan450003)

Through the field investigation on Guangou debris flow occurred in Yongdingqiao reservoir area from six to nine PM on July 26,2016,the reason of the debris flow occurrence and the possible hazards of it reoccurrence were analyzed,and the dangerous areas in reservoir area were evaluated. Based on the urgency assessment of Guangou debris flow governance,some measures about Guangou debris flow were put forward to avoiding great damage to Yongdingqiao reservoir project when the debris flow occurs again.

debris flow; causes; harmfulness; dangerousness; governance

2016-11-09;改回日期:2016-12-22

劉超(1980-),男,副教授,博士,環境工程專業,從事現代自然地理、地質與資源環境科研與教學工作。E-mail:chauger@163.com

P642.23

A

1671-1211(2017)03-0300-04

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2017.03.013

數字出版網址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20170516.1432.014.html 數字出版日期:2017-05-16 14:32