某水電站庫區徐家溝泥石流發育特征及形成機制分析

付調金，張卜仁，葉圣生

(長江三峽勘測研究院有限公司，湖北 武漢 430074)

某水電站位于金沙江中游攀枝花河段末端，雅礱江口上游約3.6km。徐家溝位于該水電站水庫區金沙江左岸，上游段被稱為硫磺溝，下游至溝口段被稱為徐家溝，出口注入金沙江。沖溝下游段分布徐家溝礦區，沿溝堆積大量棄渣。下游至溝口段的跨溝設施有麗攀高速路橋、成昆鐵路攀枝花至格里坪支線鐵路橋、S310省道公路橋等。

2016年9月19日早上7點，受連日強降雨影響，上游硫磺溝段暴發泥石流，響聲如雷，地面顫動。泥石流沖出物下泄至徐家溝礦區排土場，受排土場堆土阻塞而形成堰塞體，隨后排土場潰決，形成二次泥石流災害，致使徐家溝礦場部分被淹沒。本次泥石流活動造成3人失聯，沖毀民房，毀壞礦場機械，造成S310省道跨溝橋梁受損，并沖走兩頭水牛至金沙江內。

1 泥石流發育條件

1.1 地形地貌條件

地形條件制約著泥石流形成、運動、規模等特征，主要包括泥石流的溝谷形態、集水面積、溝坡坡度與坡向、溝床縱坡降等。

徐家溝流域平面上呈兩頭小中間大的不規則葉片狀(圖1)，由1條主溝及3條支溝組成，流域匯水面積8.94km2，總體地勢呈北高南低，出口至金沙江邊最低高程為985m，流域內最大相對高差為1515m。主溝溝床比降為17.9%，支溝平均溝床比降為20%～30%。

圖1 徐家溝泥石流地貌形態

徐家溝排土場以上地貌形態呈漏斗狀，地形切割較強烈，均以“V”形為主，兩側斜坡坡度一般為35°～40°，溝上游往北至分水嶺間地形坡度一般在45°以上，局部為陡崖地形。

徐家溝排土場以下溝道為較狹窄的“V”形，兩側斜坡一般為40°。溝道受人工改造影響，排土場上下游均設置地下排水洞，溝道水流經地下繞排。至下游段徐家溝礦區及溝口金沙江階地地形較平緩，有利于碎屑物的堆積。

1.2 物源條件

主要物源有兩個方面：一方面是斜坡面及溝道內的松散堆積物，另一方面是徐家溝礦區沿溝分布的棄渣。根據送審物源的分布特征，將松散物源劃分為清水區松散物源、形成區松散物源、流通區松散物源、堆積區松散物源。各分區松散物儲量計算見表1。

表1 易參與泥石流的物源動儲量統計表

1.2.1物源及儲量分析

(1)清水區松散物源

清水區面積為6.98km2，約占流域總面積的78%，大面積分布的清水區為泥石流的形成提供良好的匯水條件，同時也為泥石流的形成提供極少量的松散物源。

(2)形成區松散物源

分為主要物源區及次要物源區。

① 主要物源區

包括兩類：一類是溝后緣山體斜坡表面的全風化物及殘坡積物，由于地形坡度較陡，在暴雨季節，堆積物穩定性較差，易向沖溝一側產生滑移。同時，也可能在強降雨作用下形成坡面泥石流而向下運移，極易啟動大規模泥石流活動。

另一類是沿溝大規模人工堆積的棄渣。徐家溝礦區的排土場則是主要棄渣堆積區，總方量近300萬m3。后續采礦過程中可能將在此處繼續堆放棄渣，松散物源量可能會進一步增加。

②次要物源區

次要活動物源區是指在泥石流活動過程中，松散堆積體發生局部變形破壞現象，并為泥石流活動提供一定量物質來源的區域，如斜坡地排作區域、高陡邊坡松動危巖體等。

該區主要分布于正長巖地層分布區段內，表層巖體風化物呈松散狀，在地形坡度較陡的情況下，受雨水沖刷易成為泥石流的補充物源。

(3)流通區松散物源

泥石流在活動過程中，隨著高能沖出物快速向下游徑流排泄，沿流經溝道產生揭底沖刷，大量溝內物質隨泥石流沖出物一起向下游運移，成為泥石流沿途不斷的補給物源。

徐家溝流通區主溝長約6.3km，支溝長約2.4km，泥石流流經的大部分溝道內基巖裸露，溝道及兩側壁侵蝕強烈，送審物大部分隨泥石流向下游運移。

(4)堆積區松散物源

堆積區松散物一般不再次成為泥石流的補充物源，但徐家溝泥石流特殊的地形條件使現有部分堆積區的堆積物可能再次成為泥石流的補充物源，其主要原因是徐家溝礦區修建了引水洞，人為改變沖溝的排泄通道，并在引水洞入口附近大規模開挖形成寬闊的平緩地，使得泥石流沖出物在流通的過程中因引水洞斷面小受阻而漫向平緩地堆積，該處堆積物在遇極端條件時仍有可能再次成為泥石流補充物源。

1.2.2易參與泥石流的動儲量

受地形地貌特征及堆積物自身的穩定性影響，一次泥石流過程中，所有的松散物源不可能全部參與泥石流活動，需將總靜儲量轉換成能直接參與泥石流的動儲量。綜合各區松散物源的穩定性及進入溝道的難易程度，以一定的百分比換算徐家溝泥石流易參與泥石流活動的動儲量，見表1。

1.3 降雨及植被條件

(1)降雨條件

水是泥石流的組成部分，又是泥石流的搬運介質。松散固體物質在大量充水達到飽和狀態后，結構破壞，摩阻力降低，滑動力增大，從而產生流動。泥石流的形成與短時間內突發性的大量降水是密切相關的。

徐家溝泥石流所在的四川攀枝花市屬南亞熱帶亞濕潤氣候，降雨少而集中，年降水量在760～1200mm之間，90%左右的降雨量高度集中在雨季(6—10月)，一般7月達到峰值(1981—2010年統計7月份平均降水量為218.4mm)。集中而又持續的強降雨為泥石流的形成提供必要的水源條件。

根據氣象資料，“9·19”泥石流暴發前夕，攀枝花市東區18日、19日逐日雨量累計112.4mm，位于流域內北端的務本鄉更是達到247.3mm，持續的強降雨為泥石流的暴發提供了強勁的水動力條件。

(2)植被條件

流域內地勢高差懸殊，形成以干熱河谷為基礎的立體氣候，植被具有明顯的垂直分帶特征。地面高程1600m以下流域內植被覆蓋較少，多生長雜草、灌木叢；高程1600m以上至分水嶺之間的主溝兩側及溝尾多為常綠闊葉林及針闊混交林，高大喬木間多生長低矮灌木，整體植被覆蓋率約為60%，各支溝范圍內植被覆蓋較少。

1.4 工程活動影響

徐家溝流域中部硫磺溝一帶零散分布少量居民住宅、少量礦場及企業設施，下游段徐家溝礦區采礦、棄渣活動強烈。

徐家溝礦區總面積為1.2km2。采礦活動已將溝下游徐家溝段兩側挖掘成平緩地段，溝道寬度增大至300m左右，一旦徐家溝在礦區的地下引水隧洞排水排渣受限，沖溝內徑流將在徐家溝礦區一帶形成漫流，形成較大范圍淤積。

棄渣堆積于礦區北側的徐家溝排土場，沿溝內及兩側堆積，堆積范圍約為23.5萬m2，占據主溝長度約1.02km，最大堆積厚度約為100m，總堆積方量約為300萬m3。大量的棄渣堆積于溝內，影響溝道正常排泄，同時可能引發棄渣泥石流。

2 泥石流形成機制

從徐家溝泥石流發育條件分析看，徐家溝流域內具備暴發泥石流的三大必要條件：①陡峻的便于集水、集物的地形；②流域內有豐富的松散固體物質；③短時間內有大量水的來源。

“9.19”泥石流以持續、集中的暴雨作為激發條件，在支溝匯流和主溝侵蝕兩種主要模式相輔相成的作用下，暴發泥石流活動。在遇持續強降雨時，殘坡積物土體達到飽和狀態后突然啟動，形成坡面泥石流，坡面泥石流強烈沖刷坡面的同時向坡下溝谷匯聚，巨大的動能對溝道產生揭底沖刷，泥石流沖出物在沿溝道向下運移的過程中不斷揭底，接受溝道內松散堆積物的補充，最終轉化為溝谷型泥石流，向硫磺溝及下游徐家溝快速運移，造成了泥石流災害。泥石流形成機圖如圖2所示。

圖2 泥石流形成機制框圖

3 運動學特征研究

3.1 泥石流重度

泥石流的容重是反映泥石流流體特征的一個重要參數指標。根據DZ/T 0220—2006《泥石流災害防治工程勘查規范》，采用了體積比法、基于黏土顆粒含量的容重計算法、數量化評分法三種方法對比確定徐家溝泥石流的容重指標(表2)。其中，最大值1.662 t/m3是比較接近實際情況的，屬黏性泥石流。

表2 泥石流容重計算

3.2 泥石流流速

泥石流流速與流量是泥石流動力學性質中最為重要參數之一，也是泥石流防治工程設計中不可缺少的參數。

徐家溝泥石流屬黏性泥石流，流速計算采用DZ/T 0220—2006附錄I中綜合西藏古鄉溝、東川蔣家溝、武都火燒溝的通用公式：

(1)

計算結果見表3。

表3 泥石流流速計算

徐家溝泥石流的形成及流通過程中，因分別在徐家溝排土場和礦區3號引水洞一帶形成兩次堵塞、淤積后沖開堵塞體而潰決，改變了泥石流的平均流速及洪峰流量特征。綜合泥石流活動情況及現場典型溝道斷面測算的流速，認為斷面8、斷面9測算出的流速作為泥石流防治設計依據較符合實際，即為Vc=7.07～7.62m/s，平均值為7.35m/s。

3.3 泥石流流量

分別采用形態調查法和雨洪法對比計算泥石流流量。

(1) 形態調查法

經對12條典型過流斷面進行實測斷面形態(圖3)，根據實測過流斷面面積及以上計算得出的泥石流流速，按規范推薦的流量公式計算斷面洪峰流量：

圖3 典型過流斷面圖

Qc=Wc·Vc

(2)

計算結果見表4。

表4 泥石流流量計算表

(2) 雨洪法

根據《四川省中小流域暴雨洪水計算手冊》中的推理公式推求出最大洪水流量Qm，計算公式如下：

(3)

然后采用DZ/T 0220—2006中的公式計算泥石流洪峰流量Qc。計算結果見表5、表6。

表5 設計暴雨值計算

表6 不同頻率泥石流洪峰流量計算成果表

對比形態調查法與雨洪法計算結果，雨洪法的計算結果明顯偏小，洪峰流量與實際出入較大，而形態調查法得出的洪峰流量與走訪百姓調查結果較為相符。因此，對于泥石流沖出物流通過程中多次受阻形成堰塞體的情形，雨洪法計算得出的結果可能與實際情況相差甚遠，不宜將雨洪法計算結果作為泥石流防治設計依據。

4 泥石流發展趨勢及危害性

4.1 泥石流規模及頻率

流域內從未對泥石流做過系統的觀察記錄，綜合調查訪問結果及沿溝堆積物分布情況，得出徐家溝泥石流暴發頻率一般是50年以上發生一次，屬于低頻或極低頻泥石流。

依據DZ/T 0220—2006中的泥石流規模分類，徐家溝泥石流溝1%頻率一次泥石流活動堆積總量為38.48萬～39.8萬m3，洪峰流量為1793.08m3/s，屬特大型泥石流溝。

4.2 一次泥石流(可能)最大沖出量

徐家溝泥石流活動過程中多次受阻塞淤積，整個過程時間明顯延長，采用DZ/T 0220—2006中的公式計算一次泥石流沖出總量誤差較大，可采用調查法確定一次泥石流沖出總量。

泥石流在3號引水洞部位淤塞后，大部分在徐家溝礦區平緩堆積，另外一部分在再次沖開引水洞后向下游溝口金沙江排泄。經對堆積物及入江部分沖出物測算，一次泥石流沖出總量約為95.9萬m3，沖出固體總量為38.48萬m3。

4.3 泥石流易發性及危險度

依據DZ/T 0220—2006附錄G進行易發性評價，其易發程度評分結果為96分，易發程度屬易發。

根據劉希林、唐川的《泥石流危險性評價》，泥石流的危險程度是指遭到泥石流損害的可能性大小，是一個概率概念，最小概率為0%，最大概率為100%，則危險度取值范圍為[0，1]。泥石流的危險度由危險因子綜合判定，各泥石流危險因子的賦值與其權重的乘積之和即為泥石流的危險度Rd。

Rd=0.2353GL1+0.2353GL2+0.1176GS1+

0.0882GS2+0.0735GS3+0.1029GS6+

0.0147GS7+0.0588GS9+0.0441GS10+

0.0294GS14

(4)

經對以上算式進行賦值計算得出徐家溝泥石流危險度Rd=0.49，屬中度危險，較少造成較大災難及嚴重危害。

4.4 危險范圍預測

泥石流危險區包括泥石流形成區、流通區和堆積區，其中堆積區是危害成災的主要部位。可通過對歷史泥石流的回訪和調查確定危險區，也可按以下經驗公式預測泥石流堆積區的最大危險范圍：

s=0.6667L×B-0.0833B2sinR/(1-cosR)

(5)

式中，L—泥石流最大堆積長度，km，L=0.8061+0.0015A+0.000033W;B—泥石流最大堆積寬度，km，B=0.5452+0.0034D+0.000031W;R—泥石流堆積幅角，°，R=47.8296-1.3085D+8.8876H；A—流域面積，km2;W—松散固體物質儲量，萬m3；D—主溝長度，km；H—流域最大高差，km。

計算成果見表7。

表7 泥石流堆積區最大危險范圍預測計算

5 結語

(1)徐家溝泥石流屬溝谷型泥石流。流域內松散物源總儲量為692.2萬m3，易參與泥石流活動的動儲量約129.14萬m3。

(2)徐家溝是屬于間歇性發生大規模泥石流、綜合致災能力很強的黏性泥石流溝。按頻率為1%的暴雨條件計算，泥石流最大洪峰流量為1793.08m3/s，一次泥石流沖出總量約為95.9萬m3。泥石流易發程度數量化評分為96分，故徐家溝為一條特大型泥石流溝，單溝活動強，易發，中度危險，潛在危險性大。

(3)鑒于泥石流溝從徐家溝-密地防護區防護工程上游段穿過，且防護區位于泥石流的堆積區范圍內，一旦暴發泥石流，對防護區場地的穩定性有不利影響，同時可能帶來生命財產的損失及社會危害。徐家溝-密地防護區受泥石流影響較大，需采取避讓措施或進行工程防治。