玄郎溝泥石流特征及其危險性評價

田少沖

(寧夏回族自治區 核工業地質勘查院,寧夏 銀川 750021)

玄郎溝泥石流特征及其危險性評價

田少沖

(寧夏回族自治區 核工業地質勘查院,寧夏 銀川 750021)

汶川地震后盆周山區泥石流活動進入活躍期,玄郎溝位于綿竹市西北山區,地質環境復雜,滑坡、崩塌強烈發育,大量邊坡處于失穩或極限平衡狀態,地震誘發的大量滑坡、崩塌堆積物淤積在溝谷河道內,加之溝內礦山開采、大量人類工程活動及強降雨作用,極易誘發泥石流災害。通過實地調查,查明泥石流形成條件及特征;應用雨洪法對其在設計頻率下的泥石流流量進行計算,并依據單溝泥石流危險度計算結果對玄郎溝泥石流危險度進行評價分析。研究結果表明,玄郎溝泥石流危險度屬于中度危險,50年一遇的泥石流峰值流量為173.943 m3/s,百年一遇的泥石流峰值流量達到194.517 m3/s,在強降雨作用下,易發生較大規模地質災害,這一結果為玄郎溝泥石流災害防治提供了地質依據。

泥石流;危險度;特征分析; 玄郎溝

玄郎溝位于四川省綿竹市西北山區,遵道鎮與金花鎮鄰接處,距遵道鎮約1.1 km,金遵公路通過此處。溝谷整體形狀表現為斜Г形,局部表現為凹凸形,總體特征呈“U”型谷,地勢起伏大,地貌復雜,溝口以下是龍蟒河,屬沱江水系。此處為金花—曉壩斷裂貫通區,屬于四川省泥石流危險度區劃中的重度危險區[1],在“5·12”特大地震災害影響下,地質環境急劇惡化,加劇了玄郎溝山體巖體的破碎,滑坡和泥石流都進入一個較長的活躍期[2],對下游溝口的居民和道路橋梁基礎設施造成直接威脅。因此,對玄郎溝泥石流的形成條件及特征進行分析,評價其危險度,對該區地質災害防治具有重要意義。

1 自然環境概況

1.1 地形地貌

玄郎溝地處侵蝕中—低切割中低山區,海拔高程720～1 600 m,相對高差880 m。流域內地勢高低起伏不平,山體坡度較陡且變化較大,坡度在45°～55°之間。玄郎溝兩側地貌差別較大,左側坡度較緩,切割深度較小;右側巖溶地貌發育,基巖主要為礫巖,鈣質膠結,巖質堅硬,多呈高陡邊坡,局部表現為陡坎陡崖。溝道總體縱坡降較大,有利于固體物質和水源的匯集,為泥石流的暴發提供了地形地貌條件。

1.2 地質構造及地層巖性

該區為四川盆地西北部的龍門山推覆構造帶前緣,金花—曉壩斷裂貫通玄郎溝,斷層走向同玄郎溝延伸方向基本一致,走向NE,傾向NW,傾角約為60°。在構造作用下巖層發生倒轉且方向多變,裂隙發育,巖體破碎。綿竹山區新構造活動多沿主干斷裂發生,1933—1983年有記載的6級以上地震共有4次,弱震時有發生。山區地震基本烈度為Ⅶ度,區域穩定較差。

玄郎溝內主要出露地層有中生界三疊系石英砂巖、頁巖、白云巖及灰巖,侏羅系蓮花口組巨厚層狀礫巖和新生界第四系地層。總體上,三疊系巖層完整性較好,斜坡表面巖體在風化、降水、地震等作用下節理裂隙較為發育,強度較低。侏羅系礫巖層,裂隙發育,多發育高陡邊坡,易形成崩塌災害。第四系松散堆積物廣泛分布于溝道兩側斜坡地帶及溝口,主要包括煤礦礦渣、崩滑積物和殘坡積物等。

1.3 氣象水文條件

玄郎溝地表水主要為玄郎溝河流,溝口以下是龍蟒河,河谷落差較大,最大流量100 m3/s,多年平均流量0.56 m3/s,水量變化較大,夏秋多雨時期常山洪暴發,水量增大,往往造成災害,最大流量一般出現在7—9月。

該區屬于亞熱帶季風氣候,年均氣溫14.4 ℃,年降雨量1 500～1 700 mm,其多年平均降水量為1 086.4 mm,降雨量的月季分布極不均勻,降雨強度和持續時間的差異也較大,6—9月均可出現100 mm以上的一日最大降水量。綿竹山區12 h最大降雨量為598 mm,出現在1995年8月11日,1 h最大降雨量為96.1 mm,出現在2010年8月19日。據譚萬沛的研究,其提出區域泥石流發生的單因子臨界雨量閾值[3](表1),按此標準,玄郎溝的單日或小時降雨量都已經超出泥石流發生的閾值。

表1 四川地區泥石流發生臨界雨量閾值(mm)Table 1 Critical rainfall of debris flow occurrence in Sichuan region(mm)

1.4 植被及人類活動

植被的分布受地形切割、人類活動等的影響較大。整個區域植被覆蓋率達55%。震后由于斜坡坡體變形劇烈,崩滑現象嚴重,坡體植被遭受不同程度的破壞。

玄郎溝內礦產資源主要為煤炭,分布于熙佳山莊一帶,礦山開采的大量礦渣棄土,大多就近堆積于溝谷斜坡,甚至直接傾倒于溝谷內,嚴重淤積堵塞河道,在“5·12”特大地震及近幾年暴雨作用下,局部邊坡失穩。隨著玄郎溝內旅游資源的開發利用,公路及其他基礎設施的修建,較大規模地開挖坡腳和破壞植被覆蓋,嚴重影響了山體結構和斜坡穩定,誘發了大量的滑坡、崩塌災害,也為泥石流提供了豐富的碎屑物質。

2 玄郎溝泥石流特征

2.1 泥石流現狀及暴發條件

據調查,玄郎溝在汶川地震之前并未發生過泥石流,歷經汶川地震以后,該區地質環境變化較大,對斜坡穩定性影響是長遠的,巖體節理裂隙進一步發展,物質結構松散、變形加大,溝谷兩側滑坡、崩塌等不良地質現象發育,這些不良地質現象不僅本身造成災害,也給玄郎溝泥石流提供了大量物源,據統計,玄郎溝內松散堆積物體積約達125萬m3。玄郎溝為常年性河流,主溝長5.4 km,流域面積約13.5 km2,為泥石流的形成提供了水源條件;玄郎溝溝口—溝尾高差達380 m,溝床縱坡降70‰,河道狹窄,局部溝床地勢變化較大,地形地貌為泥石流的形成提供了動力條件;在汶川地震影響下,泥石流暴發所需的臨界降雨條件降低明顯[4],因此在強震后10—15年內,地震高烈度區的滑坡、泥石流活動處于高峰期[5]。震后,于2008年8月21日綿竹突降暴雨時發生小規模泥石流,形成區位于玄郎溝中上游,堆積區位于龍家店橋以下,目前遺留堆積扇長100 m,寬40 m,堆積物厚2～5 m,現存堆積量約4 000 m3。

2.2 泥石流力學特征

2.2.1 泥石流流體重度

由于玄郎溝暴發泥石流無實測記錄,因此,按照國土資源部發布的《泥石流災害防治工程勘查規范》(DZ/T 0220—2006)[6]中的泥石流溝的數量化綜合評判及易發程度等級標準,來確定玄郎溝泥石流易發程度,進而依據綜合評判等級標準及數量化評分與重度、(1+Φ)關系對照表,確定泥石流重度。

依據泥石流溝易發程度數量化評分表,對玄郎溝可能誘發泥石流的各種因素進行評分(表2),玄郎溝泥石流易發程度數量化評分標準綜合判定的評分值為95分。依據綜合評判等級標準表及數量化評分與重度、(1+Φ)關系對照表,判定為中等易發泥石流溝,泥石流重度γc為1.655 t/m3,屬粘性泥石流。

2.2.2 泥石流流量計算

確定泥石流流量最可靠的方法是直接測量自然界里奔流的泥石流或者泥石流遺留的痕跡,在計算泥石流流量時,首先確定泥石流溝的性質和類型,然后選取合理的計算公式[7]。玄郎溝泥石流流域面積較大,受暴雨影響較大,且屬粘性泥石流溝谷。因此,考慮泥石流流量計算參考雨洪法,按式(1)計算泥石流流量。

QC=(1+Φ)QP·DC

(1)

式中:QC為頻率為P的泥石流洪峰值流量(m3/s);QP為頻率為P的暴雨洪水設計流量(m3/s);1+Φ由數量化評分與重度、(1+Φ)關系對照表可得,泥石流堵塞系數DC查表可得,因此只需要計算暴雨時最大的洪峰流量。

依據《四川省水文手冊》[8]采用水科院推理公式法計算最大洪峰流量:

(2)

(3)

(4)

表2 玄郎溝泥石流易發程度評判Table 2 Susceptibility degree evaluation of debris flow in Xuanlang Gully

(5)

(6)

(7)

m=0.318θ0.204

(8)

μ=3.6F-0.19

(9)

式中:Qp為最大流量(m3/s);Ψ為洪峰徑流系數;i為最大平均暴雨強度(mm/h);S為暴雨雨力,即最大一小時暴雨量(mm/h);n為暴雨公式指數;F為集水面積(km2);L為自出口斷面沿主河道—分水嶺的河流長度(km);J為沿L的河道平均坡度(‰);τ為流域匯流時間(h);τ0為當Ψ=1的流域匯流時間(h);μ為產流參數,即產流歷時內流域平均入滲強度(mm/h);m為匯流參數;θ為流域特征系數;H24為設計頻率P的最大24 h雨量(mm)。

之后,依據公式QC=(1+Φ)QP·DC,根據泥石流堵塞系數DC值表,取DC=1.5,查數量化評分與重度、(1+Φ)關系對照表得到1+Φ=1.676,得到結果見表4。

表3 玄郎溝暴雨流量計算表Table 3 Calculation results of Qp in Xuanlang Gully

綜上,在發生50年一遇泥石流(設計頻率為2%)時,玄郎溝溝口處泥石流峰值流量為173.943 m3/s;在發生百年一遇泥石流(設計頻率為1%)時,玄郎溝溝口處泥石流峰值流量為194.517 m3/s。

表4 玄郎溝泥石流峰值流量計算表Table 4 Calculation results of debris peak flow in Xuanlang Gully

2.3 泥石流活動特征

2.3.1 溝谷特征

玄郎溝河谷寬度在40～60 m,河道寬度在15～20 m,局部河谷縱坡降可達230‰,溝谷兩側不良地質現象嚴重。據現場調查,玄郎溝溝谷兩側發育有多處滑坡,如龍家店滑坡,滑坡體體積約65×104m3,滑體前緣已擠占河道;玄郎溝上游還發育有崩塌群,如翠湖山莊崩塌危巖體,規模約12×104m3,崩塌體堆積于河道;流域山體上分布有數處小規模泥石流,局部形成沖洪積平壩,使主河道變窄。

2.3.2 易形成堰塞湖

在調查過程中,玄郎溝內已經有小規模堰塞湖形成,是由玄郎溝內翠湖山莊一帶小型崩滑體堵河形成,已在流水掏蝕下潰決排泄,堆積物在流水沖刷下堆積于翠湖山莊外墻處,未對下游兩岸造成危害。但溝谷內存在崩塌群及多處滑坡體,崩滑物已擠占河道,在強降雨或地震影響下,極有可能發生較大變形,屆時將可能堵塞玄郎溝,形成較大規模堰塞湖。

2.3.3 誘發泥石流條件敏感

該處屬于地震高烈度區,山高坡陡,短時強降雨次數多,為玄郎溝內諸多不良地質體提供了豐富的物源,強震作用使溝谷內的地質環境更加脆弱,斜坡巖體破碎,致使此處滑坡、泥石流、崩塌處于高易發性狀態,經過長時間蓄積,災害隱蔽性強,若在條件成熟時激發泥石流,將造成嚴重后果。

3 玄郎溝泥石流危險度評價及防治對策

危險性的定量表達即危險度,是由泥石流危險因子綜合判定的。影響泥石流危險度的因子眾多,包羅萬象、一一概全將使危險度判定非常復雜[9]。因此,采用最新的改進型單溝泥石流危險度評價方法,該法由劉希林于1996年發表在德國召開的“國際防災大會論文集”上,共采用7個評價因子,評價因子的選取方法是:從與單溝泥石流危險度有關的候選因子中,采用灰色系統理論中的關聯度分析方法,篩選出用于危險度評價的因子,內在因子包括泥石流規模M和發生頻率F,環境因子包括流域面積S1、主溝長度S2、流域相對高差S3、流域切割密度S6和不穩定溝床比例S9[10]。

3.1 危險度計算

最新的溝谷泥石流危險度計算公式[11]為:

H=0.285 7M+0.275 7F+0.142 9S1+0.085 7S2+0.057 1S3+0.114 3S6+0.028 6S9

式中:H為單溝泥石流危險度(0

表5 各評價因子權重系數及轉換函數Table 5 Weight coefficient and diversion function of evaluation factors

結合現場考察和室內地形圖計算,獲取玄郎溝危險度評價的7個因子的原始值[12],由于玄郎溝歷史上沒有發生過泥石流,因此m值的選取依據泥石流規模經驗公式[13]計算而得:

式中:s8為流域內松散固體物質儲量,s14為流域內人口密度。據了解溝谷內居民常住人口總數約310人。

采用表5對原始值進行賦值,然后將轉換賦值代入單溝泥石流危險度計算公式中,得出玄郎溝泥石流危險度為0.48,依據單溝泥石流危險度分級標準(表6),評價其屬于中度危險(表7)。

表6 單溝泥石流危險度分級標準Table 6 Hazard severity grading standards of single gully debris flow

表7 玄郎溝泥石流危險度評價結果Table 7 Debris flow hazard assessment result of Xuanlang Gully

3.2 危害性分析

玄郎溝為重要的生態旅游區,眾多農家樂山莊分布于河谷兩岸,依山傍水而建,而玄郎溝為潛在泥石流溝,溝內滑坡、崩塌體規模較大,這些不良地質體給玄郎溝提供了大量物源,屬中度危險。在暴雨或強震作用下,其失穩滑塌將會堵塞玄郎溝,造成上游雍水,對溝內的山莊造成嚴重危害,潰決成泥石流將會直接威脅下游溝口居民500余人生命財產安全,依據泥石流潛在危險性分級表(表8),可知玄郎溝泥石流潛在危險等級為大型。

表8 泥石流潛在危險性分級表Table 8 Potential risk classification of debris flow

注:*表示潛在危險性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。

3.3 防治對策建議

根據玄郎溝潛在泥石流暴發帶來的危害性,具體設防措施應以保護對象為目標進行設置,雖然玄郎溝內因基礎設施建設而修建了部分排導、攔擋工程,但大部分排導渠道為單側設堤且長度較短,不能滿足泥石流的排導要求,崩滑物堆積于河道內造成河道部分堵塞,局部形成堰塞湖,說明河道狹窄、疏通能力不足。為確保下游居民的安全,必須對玄郎溝進行綜合治理。

(1) 在玄郎溝內熙佳山莊礦渣堆放處進行護坡工程,在形成堰塞湖處以上設置谷坊壩,谷坊壩以下修剪排導渠,對河道進行疏通,在溝內修建攔擋壩,削減泥石流流量及危害。

(2) 對于玄郎溝內規模較大的滑坡考慮采用抗滑樁+樁間擋土板的治理措施,清理擠占河道的前緣堆積物,對溝內不穩定斜坡及崩塌群可在坡腳修建重力式擋墻、碎落臺等進行處理。

(3) 通過生物措施改善玄郎溝流域的匯流條件,禁止森林砍伐行為,保護生態環境,采用人工措施恢復局部被破壞的植被,穩定山體,控制泥石流發展[14]。

(4) 在玄郎溝下游及溝口做泥石流排導槽和防護堤,保障下游居民生命財產安全。

(5) 加強對玄郎溝內崩塌、滑坡和泥石流的監測,做好災前預警預報,提高山區防洪標準,增強農家樂山莊游客及下游居民的防范意識,做好防范措施。

4 結論

玄郎溝泥石流溝,屬中等易發粘性泥石流,溝內地形起伏大,松散堆積物多,短時降雨豐富,且溝谷內不良地質現象嚴重,為泥石流形成提供了良好條件。根據其流域特點、自然條件以及動力學參數計算分析,得出該泥石流溝危險度屬中等,潛在危險等級為大型,在玄郎溝泥石流設計頻率P=1%、2%時,泥石流峰值流量分別為194.517 m3/s、173.943 m3/s,表明玄郎溝內有暴發大規模泥石流的可能性。因此,在玄郎溝做好泥石流防治工作十分必要。

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(責任編輯：陳姣霞)

Characteristics of Xuanlang Gully Debris Flow andIts Hazard Severity Assessment

TIAN Shaochong

(NingxiaNuclearIndustryGeologicalExplorationInstitute,Yinchuan,Ningxia750021)

After Wenchuan earthquake,the debris flow disaster entered into active period in mountain areas around Sichuan Basin. Xuanlang Gully is located in the mountainous area of northwest Mianzhu City with complex geological environment. The debris flow and collapse are strongly grown,a large number of slopes are in instability or limit equilibrium state. Large amounts of landslide and collapse deposits induced by earthquake deposit in gully channel,along with mining,human engineering activities and heavy rain,which trigger debris flow easily.Through field investigation,the characteristics and formation conditions of debris flow has been found out.The mudflow of the debris flow has been calculated using the rain-flood method under its set frequency.The hazard severity of Xuanlang Gully debris flow has been assessed by the single gully risk calculation.The research shows that the hazard severity of Xuanlang Gully is of medium level,with 173.943 m3/s perk flow in 50-year return period and 194.517 m3/s in 100-year return period. Under the short-term heavy rainfall,it’s easy to cause a large-scale geological disaster.Thses results provide geological basis for the prevention and controlling of debris flow in Xuanlang Gully.

Xuanlang Gully; debris flow; hazard severity; characteristics analysis

2016-12-02;改回日期:2017-01-17

田少沖(1988-),男,助理工程師,碩士,地質工程專業,從事地質災害防治與評估相關工作。E-mail:tsc0371@sina.com

P642.23

A

1671-1211(2017)03-0304-06

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2017.03.014

數字出版網址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20170516.1433.018.html 數字出版日期:2017-05-16 14:33