四川省甘孜州雅江县下渡沟泥石流成因及运动特征研究

柏 山，沈习文

（中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川 成都 610072）

简讯

四川省甘孜州雅江县下渡沟泥石流成因及运动特征研究

柏 山，沈习文

（中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川 成都 610072）

本文在现场地质勘察的基础上，分析了雅江县下渡沟泥石流的成因，描述了泥石流沟的特征，运用工程地质分析原理的方法对该泥石流沟形成条件进行了定性分析，计算了不同概率下泥石流的峰值流量及总量，对下渡沟泥石流发展趋势及影响范围进行了预测分析，并在此基础上提出了相应的治理措施。

下渡沟；泥石流；运动特征；工程地质分析原理

0 前 言

下渡沟为雅砻江右岸一级支流，沟口位于甘孜州雅江县下渡村附近。该沟流域面积82.122 km2，主沟长度14.38 km，流域内最高点海拔4 573 m，沟口海拔2 550 m，相对高差2 023 m，沟床平均比降140.68‰（见图1）。该沟近年来发生过小规模稀性泥石流。

图1 下渡沟流域地形示意

1 下渡沟泥石流形成条件

泥石流的形成受区域自然环境条件的制约和影响，根据对泥石流研究结果，泥石流形成的基本条件可归纳为：

（1）充沛的各类水源，足够大的降雨强度；

（2）丰富、松散且容易失稳入沟的固体物质；

（3）有利于形成阵发性尖型洪峰的流域地形地貌形态等。根据泥石流形成的基本条件，对比地形、水源和物源情况，分析下渡沟的基本特征及泥石流运动特征，进而预测泥石流的发展趋势及影响范围，为下渡沟泥石流防治提供依据。

1.1 地形地貌条件

下渡沟在平面图上呈不规则卵形，流域最宽处宽度约10.9 km，流域四周被高山及山岭所环绕，沟谷两岸支沟发育，左侧发育3条支沟，右侧发育3条支沟，呈树枝状分布。

下渡沟总体流向南西至北东，呈构造侵蚀深切割曲流峡谷地貌。沟谷两岸山体雄厚，沟谷峡窄、谷坡陡峻，沿河岭谷高差悬殊，相对高差1 000～2 000 m，属典型的侵蚀峡谷地貌；在坡度相对较缓的斜坡、坡脚广泛分布滑坡堆积、崩坡积、坡残积或冲洪积堆积物。陡峻的地形条件为泥石流的形成提供了有利条件。

1.2 物源条件

下渡沟流域位处松潘—甘孜造山带，在大地构造部位上，流域位于“雅江—理塘”菱形断块内部偏南弧顶向南的雅江弧形褶皱构造带。流域受构造影响较强烈，主要发育小断层、挤压破碎带等。

下渡沟两侧斜坡局部基岩裸露，基岩岩性为三叠系雅江组中段钙质粉砂质板岩夹岩屑石英砂岩，产状为210°∠46°，表层松动卸荷强烈，岩体裂隙发育。沟口左右两侧斜坡均发育二级冲积洪积坡积阶地，左侧二级阶地与一级阶地之间分布弯曲变形岩体，右侧为冲洪坡积二级阶地，沟谷分布厚约2～8 m的冲洪积块碎石土，结构松散。两侧斜坡地形均较为陡峻，左岸斜坡坡度约45°～55°，右岸斜坡坡度约40°～45°，斜坡浅层松动卸荷松弛较强烈，岩体强卸荷深度30～40 m，弱卸荷深度80～100 m。

斜坡表层岩体较破碎，规模不等的滑坡、溜滑、崩塌和坍塌等不良地质现象极为发育，堆积在沟床及两侧斜坡的各类碎屑物质成为区内山洪和泥石流的直接或潜在固体物源。

据调查，下渡沟及其冲沟内松散碎屑物质较丰富，其中沟内碎屑物质约20万m3，沟床两岸稳定物源约200万m3，沟床两岸基本稳定物源约50万m3，沟床两岸欠稳定物源约10万m3。丰富的物源为泥石流的形成提供了有利条件。

1.3 水源条件

雅砻江流域洪水主要由暴雨形成，一般出现在6～9月，主要集中在7、8两月，且多连续降雨。雅砻江较大洪水多为两次以上的连续降雨形成。汛期内连绵不断的降雨使河流底水逐渐抬高，如发生1～3日较为集中的大面积暴雨，即可形成较大洪水。洪水过程多呈双峰或多峰型，一般单峰过程6～10天，双峰过程12～17天。洪水起涨时底水流量较大，一般可占洪峰流量的1／2～1／3左右。由于流域大部分地区雨强不大，加之流域形状呈狭长带状，不利于洪水汇集，故洪水一般具有洪峰相对不高、洪量大、历时长的特点，这些为山洪和泥石流的激发创造了有利条件。

根据流域内地下水的赋存条件，可分为第四系松散堆积层孔隙水和基岩裂隙水两种类型。第四系松散堆积层孔隙水主要分布在河谷、岸坡冲积物、崩坡积物、泥石流堆积物、滑坡堆积物等各种成因的第四纪松散堆积体内，受大气降水、河水及两岸地下水补给，流域内地下水较丰富，为山洪和泥石流的形成创造了有利条件。

1.4 人类活动

本区所在地甘孜州为四川省贫困地区，同时也为少数民族聚居地，数十年来森林工业一直是其财政收入的主要来源，实施“天保工程”之前，本区内森林遭受过渡采伐，造成水土流失比较严重。与此同时，毁林开荒、开山挖石、沟道两侧修建县乡道路及民用建筑，加剧了滑坡、崩塌等不良地质现象的发生，为山洪和泥石流的形成创造了条件。

2 泥石流沟的基本特征

2.1 泥石流沟谷特征

下渡沟主沟长度14.38 km，沟床平均比降140.68‰，沟道总体较曲折，沟谷较窄，沟道宽窄变化与陡缓变化相对应，沟道流域内松散堆积物较丰富。下渡沟沟口右岸一级阶地下方发现早期泥石流残留物，为泥结卵砾石，黄灰色，中密～密实，层厚3～6 m，残留物体积约500～1 500 m3，属粘性泥石流。沟道纵坡整体上表现出上游段陡峻，中游段居中，下游段稍缓。流域内沟道两侧及缓坡地段分布较多灌木及青岗树。

据计算，下渡沟流域完整性系数较低，表明沟谷的侵蚀作用较强烈。沟内冲沟及毛沟较多，各冲沟以土质沟床为主，局部为岩质沟床。据调查，下渡沟历史上爆发过多次较大规模泥石流，近年来爆发过多次小规模稀性泥石流。

2.2 泥石流形成区物源特征

下渡沟形成区和流通区的界限不明显，泥石流为沟谷型泥石流，即形成区物源不集中，流通区既有物源推移，又有物源堆积。根据调查，下渡沟泥石流固体物源沿沟都有分布，其中直接物源主要分布于高程2 550～3 500 m范围内，类型主要为沟床洪积物、两岸崩塌、崩坡积堆积物。其余物源分布在3 500～4 573 m高程段。

沟谷两侧斜坡堆积体上虽然局部植被较发育，但由于临空面坡度较大，暴雨时饱水和沟床激流的淘蚀作用，容易产生坍滑型失稳，大部分堆积体处于不稳定或潜在不稳定状态。

2.3 泥石流流通区特征

如前所述，下渡沟泥石流流通区与形成区的界限不明显，大致以沟口向上游第4条支沟与主沟的汇合口（高程约3 430 m）为界。该段沟谷地形差异不大，根据沟谷地形的微小差异、沟谷形态和是否有早期泥石流堆积物等判断，流通区长约10 040 m，高程从2 580 m到3 430 m附近。在下渡沟沟口附近，沟道较顺直通畅，沟床有厚约5～8 m的冲洪积、泥石流堆积的块碎石，沟床两侧局部分布崩坡积堆积体，两侧斜坡坡脚局部分布古泥石流堆积物残体。左、右两岸斜坡陡峻，局部基岩裸露，岩壁上有古泥石流活动痕迹。

2.4 泥石流堆积区特征

沟口可见多期洪积扇，后期经雅砻江及下渡沟流水改造，仅见局部残留，残留体厚约5～8 m。另在下渡沟沟谷中可见近期泥石流堆积物，泥石流堆积体一般由（漂）块碎砾石及砂性土组成，块石主要为变质砂岩、粉砂质板岩，块度10～50 cm，最大约1.5 m，沟谷中堆积体体积约8 000 m3，泥质平均含量＞10%，为稀性泥石流。

下渡沟泥石流具多期多次形成的特点，后期经雅砻江及下渡沟流水改造，仅见局部残留，沟口堆积区上覆近期洪积堆积物。泥石流规模有逐次减小的趋势，泥石流堆积体厚度逐次减小，从堆积体的规模演化分析，泥石流沟处于衰退阶段。

3 泥石流运动特征

3.1 泥石流容重

泥石流容重采用经验法确定，详见下式：

式中 rm——为泥石流容重，kN／m3；

rs——为固体物质重度，取26 kN／m3；

f——为泥石流体中固体物质体积与水的体积之比。

计算得泥石流重度为16 kN／m3，为稀性泥石流。

3.2 泥石流流速

泥石流流速采用《工程地质手册》（第四版）稀性泥石流流速公式：

式中 vm——为泥石流断面平均流速，m／s；

a——为阻力系数；

mm——为泥石流粗糙系数，取5.5；

φ——为泥石流修正系数；

γm——为泥石流重度，kN／m3，200年一遇泥石流重度取19 kN／m3，100年一遇泥石流重度取18 kN／m3，50年一遇泥石流重度取17 kN／m3，20年一遇泥石流重度取16 kN／m3，10年一遇泥石流重度取15 kN／m3；

Gm——为固体物质比重，一般取2.4～2.7。

计算得200年一遇泥石流断面平均流速为2.6 m／s；100年一遇泥石流断面平均流速为2.5 m／s；50年一遇泥石流断面平均流速为2.3 m／s；20年一遇泥石流断面平均流速为2.2 m／s；10年一遇泥石流断面平均流速为2.0 m／s。

3.3 洪水峰值流量

采用《四川省中小流域暴雨洪水计算手册》中的推理公式：

式中 QB——为设计洪峰流量，m3／s；

φ——为洪峰径流系数；

S——为暴雨雨力，即最大1 h暴雨量，mm／h；

τ——为流域汇流时间，h；

n——为暴雨公式指数；

F——为流域面积，km2。

下渡沟200年一遇设计洪峰流量为161.683 m3／s；100年一遇设计洪峰流量为143.574 m3／s；50年一遇设计洪峰流量为125.062 m3／s；20年一遇设计洪峰流量为101.028 m3／s；10年一遇设计洪峰流量为81.89 m3／s。

3.4 设计泥石流峰值流量

对于暴雨泥石流，常采用配方法计算泥石流的峰值流量。即假定泥石流发生频率与暴雨洪水发生频率相同，以设计洪峰流量进行配方，按比例加上泥石流所挟带的固体物质体积来计算泥石流流量，其计算公式为：

式中 QC——为泥石流洪峰流量，m3／s；

QB——为清水洪峰流量，m3／s；

Φc——为泥石流洪峰流量增加系数；

Du——为堵塞系数。

下渡沟沟床植被较少，沟床糙率相对较低，对泥石流的堵塞作用较小，200年一遇泥石流堵塞系数可取1.6；100年一遇泥石流堵塞系数可取1.5；50年一遇泥石流堵塞系数可取1.3；20年一遇泥石流堵塞系数可取1.2；10年一遇泥石流堵塞系数可取1.1。

200年一遇设计泥石流峰值流量为591.298 m3／s；100年一遇设计泥石流峰值流量为430.722 m3／s；50年一遇设计泥石流峰值流量为289.032 m3／s；20年一遇设计泥石流峰值流量为193.974 m3／s；10年一遇设计泥石流峰值流量为131.024 m3／s。

3.5 泥石流撞击力

泥石流冲击力计算包括整体冲击力和单块最大冲击力计算。泥石流整体冲击力为：

式中 F——为泥石流整体冲压力，10 kN／m2；

g——为重力加速度，9.8 m／s2；

α——为受力面与泥石流冲压力方向所夹的角，（°）；

λ——为受力体形状系数，方形为1.47、矩形为1.33，圆形、尖端、圆端形为1.00；

γm——为泥石流重度。

单块块石的最大撞击力按下式计算：

式中 Fs——为单块巨石的撞击力，10 kN；

γ——为动能折减系数，正面撞击时取0.3；

α——为受力面与泥石流撞击面撞击角；C1、C2为巨石与建筑物的弹性变形系数，可取C1＋C2＝0.005；

W——为巨石重量，10 kN。

冲击力计算均考虑成最危险情况，即有关参数取使冲击力最大的数值，并只考虑正面撞击。

200年一遇泥石流整体冲击力为13.106 kN／m2；100年一遇泥石流整体冲击力为11.48 kN／m2；50年一遇泥石流整体冲击力为9.177 kN／m2；20年一遇泥石流整体冲击力为7.902 kN／m2；10年一遇泥石流整体冲击力为6.122 kN／m2。

200年一遇单块最大冲击力为254.911 kN；100年一遇泥石流整体冲击力为241.495 kN；50年一遇泥石流整体冲击力为2 228.079 kN；20年一遇泥石流整体冲击力为214.663 kN；10年一遇泥石流整体冲击力为201.246 kN。

3.6 泥石流总量及输砂量

通过断面的一次泥石流总量WC如下：

一次泥石流冲出的固体物质总量WS为：

式中 T——为一次泥石流持续时间，s；

QC——为泥石流峰值流量，m3／s；当F＜5 km2，K＝0.202；当F＜5～10 km2，K＝0.113；当F＜10～100 km2，K＝0.037 8；当F＞100 km2，K＝0.025 2。此处流域面积为82.122 km2，根据线性插值，K＝0.037 8。

200年一遇泥石流总量为40 232 m3；100年一遇泥石流总量为17 584 m3；50年一遇泥石流总量为9 177 m3；20年一遇泥石流总量为3 080 m3；10年一遇泥石流总量为1 486 m3。

200年一遇固体物质总量为22 630 m3；100年一遇固体物质总量为8 792 m3；50年一遇固体物质总量为4 015 m3；20年一遇固体物质总量为1 155 m3；10年一遇固体物质总量为464 m3。

4 泥石流发展趋势及影响范围预测分析

4.1 泥石流沟发展趋势

下渡沟为沟谷型衰退期低频率稀性泥石流沟。在天然条件下，因下渡沟沟谷侵蚀较为强烈，局部基岩裸露且风化严重，两岸分布崩塌松散堆积体及松散坡积物。

当长时间降雨或强降雨时，沟道中及两岸斜坡堆积体极易饱水失稳，同时强风化—中风化石英砂岩及粉砂质板岩易剥落，且两侧山坡松散坡积物即碎石土与岩屑被雨水冲入沟道中，从而产生新的物源进入沟道，一旦发生短时强降雨引发洪水，即可能激发暴雨类山洪。一旦降雨时间较长或暴雨强度变大，暴雨山洪冲出下渡沟沟口后其行进会变动改道，或者在扇面上左右摇摆，洪水中固体物质置于前期洪积物上。到达沟口后，因堆积扇纵坡坡度减缓，山洪的挟砂能力减弱，使得泥砂大量沉积，粗颗粒先沉降，细颗粒如粘土和砂粒后沉降。

下渡沟近年来发生过小规模稀性泥石流，从堆积体的规模演化分析，下渡沟泥石流处于衰退期。下渡沟两岸山坡表层松散碎屑物质较多，斜坡稳定性相对较差，近期下渡沟仍具有发生中小型泥石流的可能性。

4.2 泥石流影响范围预测分析

下渡沟泥石流主要物源是下渡沟两侧松散堆积物和沟道附近松散堆积物以及沟道中残留的早期洪积物。下渡沟上游固体物质物源较丰富，但大多处于基本稳定状态。因下渡沟中下游地形坡度缓，因此固体物质主要堆积在下渡沟中下游地段。当泥石流峰值流量较大时，泥石流可能冲淤沟道附近乡村道路及沟内建筑。

5 泥石流防治措施

下渡沟泥石流固体物质主要来自于中上游坡面松散堆积物及沟道附近洪积物。下游段沟道较顺直，沟口附近较开阔，且下渡沟沟道两侧分布乡村道路及民用建筑。因此下渡沟泥石流的防治以排为主，结合造林、保持生态平衡预警预报为辅的综合治理方案。

5.1 工程防治措施

考虑到沟道两侧分布乡村道路及建筑，工程措施以排导为主，在下渡水电站等重要建筑附近采用T形全衬砌排导槽，并应适当增加槽底厚度。公路外侧修建防护墙，防止泥石流冲淤公路。

5.2 生物防治措施

泥石流形成区海拔3 000 m以上区域实行封山育林，因地制宜选用当地优势林木、灌木及牧草，严禁滥砍滥伐，限制过度放牧。通过生物措施，故土稳坡，防止水土流失，保持生态平衡，减少固体物质补给量。

5.3 泥石流预警预报系统

在该流域应建立泥石流监测点，采取降雨量监测、地表水监测及异常声响监测等手段，爆发山洪及泥石流前及时发布预警预报，确保人民群众生命财产安全。

6 结论与建议

（1）下渡沟位于高山曲流峡谷地区，沟谷深切，山势陡峻，岩体较破碎，斜坡上覆松散固体物质，且降雨较丰富，构成了爆发泥石流的有利条件。该沟一旦爆发较大规模泥石流，将严重威胁沟道两侧乡村公路及民用建筑安全。必须采用T形全衬砌排导槽及护墙，确保其公路安全。

（2）下渡沟为沟谷型衰退期低频率稀性泥石流沟，因沟谷内分布较丰富松散碎屑物质，斜坡稳定性相对较差，近期下渡沟仍具有发生中小型泥石流的可能性。

（3）下渡沟泥石流防治措施应根据现场实际情况，因地制宜，以排为主，结合造林、预警预报等综合治理方案。

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2013－07－29

柏 山（1970－），男，陕西泾阳人，高级工程师，从事岩土工程勘测设计及工程造价工作。