黑水縣俄瓜熱十多溝泥石流運動特征及堵潰分析

熊平華， 韓麗麗， 張 繼， 楊 軍(.四川省地質工程勘察院集團有限公司， 四川 成都 6007； .成都大學 建筑與土木工程學院， 四川 成都 6006)

0 引 言

堵潰泥石流由于成災快和規模大等特征，其造成的災害損失比一般的暴雨型泥石流要嚴重得多[1-2].科研人員針對堵潰型泥石流的形成過程及機理等方面做了大量的研究，取得了一系列成果[3-5].但目前針對震后堵潰型泥石流運動特征研究的報道相對較少，對此，本研究以黑水縣俄瓜熱十多溝為例，通過野外調查、訪問及實驗測量等方法，分析了震后堵潰堵潰泥石流的形成過程、流量計算及防治措施，擬為該區域堵潰泥石流的相關研究及治理提供一定的參考依據.

1 工程地質概況

1.1 研究區泥石流概況

黑水縣從2012年5月初進入暴雨季節以來，連續多日強降雨，特別是6月20至7月10日，連續降雨量達120.1 mm，是往年同期平均降雨量的1.196倍.7月9日下午2～4點，在熱十多溝上游源頭匯水面積約20 km2范圍，突降暴雨，從7月9日下午5點半開始，該溝溝內上游岸坡物源發生堵塞并潰決，大量松散物源被揭底沖刷，溝岸被淘蝕，從而形成較大規模的泥石流.在溝口黑水河內泥石流堆積寬度約40～50 m，沿黑水河分布長度約420 m，堆積平均厚度約2.66 m，泥石流一次沖出固體物質方量約10.28×104m3.此次泥石流堵塞黑水河，形成堰塞湖，淹沒上游部分安置區房屋，沖毀對岸及下游部分房屋，造成省道S302線公路及兩側民房不同程度被淹等重大財產損失.

1.2 研究區工程地質概況

作為分析對象的黑水縣俄瓜熱十多溝地貌屬構造剝蝕侵蝕高中山區.該區地形切割劇烈，山勢陡峻，多為陡坡，河(溝)谷狹窄呈“V"型，谷寬一般10～50 m，縱坡降陡，谷坡坡度一般25°～55°，局部達75°～85°甚至直立.溝岸斜坡中下部、局部見崩塌、滑坡分布，溝床松散堆積豐富.泥石流平面形態呈“心"型，流域面積為29.10 km2，主溝長為8.299 km.溝域最高點高程為4 170 m，溝口最低點高程為1 994 m，相對高差為2 176 m，全溝域平均縱坡降約262.2‰.該區最大年降雨量為790.1 mm(1992年)，最大日降雨量為55.9 mm(1982年8月12日)，最大60 min降雨量為22.3 mm，最大10 min降雨量為18.1 mm.

整個流域由2條主要的溝道構成，主溝熱十多溝和支溝俄瓜溝，2012年7月9日泥石流主要為主溝爆發， 支溝并未爆發泥石流(見圖1).區內出露的地層主要為中生界三疊系上統侏倭組(T3zh)粉砂質板巖、三疊系上統雜谷腦組(T2-3z)變質砂巖及新生界第四系松散堆積.

圖1 俄瓜熱十多溝泥石流影像圖

2 泥石流運動參數及計算分析

2.1 容 重

本研究的泥石流容重計算采取實驗與調查訪問相結合的方法確定，其計算公式為，

(1)

式中，γc為泥石流流體密度，t/m3；Gc為樣品的總質量，t；V為樣品的總體積，m3.

由式(1)可計算出，主溝熱十多溝泥石流容重為1.9 t/m3，支溝俄瓜溝泥石流容重為1.8 t/m3，匯合后容重為1.86 t/m3.

2.2 流 速

本研究的泥石流流速采用《泥石流災害防治工程勘查規范》(DZ/T 0220-2006)附錄I中所推薦公式進行計算，計算式為，

(2)

式中，VC為泥石流斷面平均流速，m/s；nC為泥石流溝床粗糙率，查水文手冊取得；RC為計算斷面水力半徑，可用平均泥深代替，m；IC為泥石流水力坡降，可用溝床坡降代替.計算結果詳見表1.

2.3 流 量

2.3.1 形態調查法.

根據泥石流爆發時溝道兩岸留下的泥痕可確定該次泥石流的最高泥位，并通過調查訪問確定泥石流過后斷面變化情況.據此計算出俄瓜熱十多溝“7·9”泥石流爆發時的泥石流流量.計算結果見表1.

表1 泥石流流速及流量計算結果統計表

2.3.2 雨洪法.

對于暴雨泥石流，可采用配方法計算出泥石流的峰值流量，其計算公式為，

QC=(1+ΦC)QBDu

(3)

式中，QC為泥石流洪峰流量，m3/s；QB為清水洪峰流量，m3/s；ΦC為泥沙修正系數，Du為堵塞系數.

考慮泥石流各溝段堵塞系數，得出各頻率下泥石流洪峰流量.計算結果見表2.

表2 泥石流流量統計表

2.3.3 流量差異分析.

泥石流流量的統計結果如圖2所示.通過對形態調查法與雨洪法兩種方法得出流量的對比可以發現：堵潰之前(啟動前剖面22-22')形態調查法流量低于雨洪法10年一遇泥石流流量；堵潰之后泥石流流量急劇增加，下游爆發規模與50年一遇相當，與現場調查及訪問的情況基本吻合.

2.4 一次總量與固體物質總量

圖2 泥石流流量統計圖

本研究的一次泥石流總量Q計算方法根據泥石流歷時T(s)和最大流量Qc(m3/s)，按泥石流暴漲暴落的特點，將其過程線概化成五角形，并按下式進行計算.

Q=KTQC

(4)

式中，T為泥石流歷時,s；QC為泥石流的洪峰流量,m3/s；K=0.264.

由此，一次泥石流沖出的固體物質總量QH(m3)按下式計算，

QH=Q(γC-γW)/(γH-γW)

(5)

式中，γc為泥石流容重，t/m3；γw為清水容重，t/m3；γH為固體物質實體容重，kN/m3(25.5 kN/m3).

據現場調查訪問，本次泥石流爆發整個過程歷時約50 min，據此可計算得各斷面不同概率條件下泥石流的一次沖出量，同時，根據以上兩式可分別計算出不同設計頻率的一次泥石流總量及固體物質總量.計算結果如表3所示.

表3 泥石流一次總量(統計表)

3 泥石流堵潰分析

黑水縣俄瓜熱十多溝泥石流為暴雨溝谷型泥石流.根據現場調查及計算分析，本研究認為，其形成原因是由于熱十多溝上游斷面22-22’處發育H11崩滑堆積體堆積于溝道內，堵塞河道，在暴雨作用下，溝域迅速集水，并在熱十多溝3 070～3 110 m高程段匯聚成深約1.2～5 m，長約200 m的堰塞湖，在高程3 070處(H11處)堰塞壩高5 m，壩內物源豐富，且地形開闊，匯水庫容大，發育跌水4級，最高5.5 m，堰塞壩內跌坎上下溝床較為平緩，堰塞湖最終潰壩，泥石流在流通過程中沖刷揭底、侵蝕溝床松散堆積及側蝕溝岸岸坡松散堆積，其規模迅速擴大從而形成“7.9"泥石流.

4 治理措施

由于俄瓜熱十多溝溝口黑水河攜帶能力有限，且溝內H11滑坡點地處溝內深處，無法直接進行工程施工，而治理思路則需將大量物源攔蓄于溝內.對此，本研究認為應采用以攔為主，輔以排導及攔排結合的治理方案.具體措施為，設置5座攔砂壩+1座谷坊壩+2段防護堤，即：在熱十多溝形成區修建3座攔砂壩進行攔蓄、固床、回淤壓腳；在俄瓜溝修建1座谷坊壩進行攔蓄、固床、回淤壓腳；在兩溝交匯后流通區修建2座攔砂壩進行攔蓄、固床；溝口堆積區黑水河兩岸修建2段防護堤.

該防治工程竣工后已通過多次泥石流災害檢驗，對溝口居民未造成危害，亦未造成黑水河堵塞，工程整體運行效果良好.

5 結 論

黑水縣俄瓜熱十多溝歷史上未發生過大型泥石流，“5·12"汶川地震后，流域內松散固體物質豐富，尤其溝道兩岸滑坡體較多，區域降雨充沛，縱坡較陡，再次發生堵潰性泥石流的可能性大，甚至可能發生百年一遇特大型泥石流.通過對該溝泥石流運動特征計算，泥石流爆發在堵潰之前流量低于10年一遇泥石流流量，堵潰之后泥石流流量急劇增加，規模與50年一遇相當，具有迅速擴大效應.同時，根據現場條件及泥石流運動特征，提出了“以攔為主，輔以排導，攔排結合”的治理思路，工程達到了預期治理效果.