王衛(wèi)星, 汪發(fā)文, 周安保

(1.湖北省地質(zhì)局 第八地質(zhì)大隊(duì),湖北 襄陽 441003; 2.湖北省城市地質(zhì)工程院,湖北 武漢 430074)

西沖溝泥石流位于四川省雅安市石棉縣擦羅鄉(xiāng)南椏河左岸,直接威脅南椏村七組25戶70人的生命財(cái)產(chǎn)安全,同時(shí)威脅生命線雅瀘高速(在建)及國道108交通安全,直接經(jīng)濟(jì)損失約350萬元。西沖溝泥石流的治理工程是四川“5·12”特大地震災(zāi)后重建項(xiàng)目。

本文分析了西沖溝泥石流流域的地質(zhì)環(huán)境條件、泥石流的基本特征、發(fā)育條件和危害情況,泥石流的形成機(jī)制,并對(duì)泥石流進(jìn)行了水文參數(shù)計(jì)算和危險(xiǎn)性判別,提出了治理設(shè)計(jì)方案建議。

1 西沖溝流域自然地理?xiàng)l件及地質(zhì)環(huán)境條件

1.1 自然地理?xiàng)l件

雅安市石棉縣位于川西南山地區(qū),為中高山寬谷地貌。石棉縣南椏河為大渡河支流,由南向北匯入大渡河。西沖溝發(fā)源于南椏河中游左岸的西沖山,故名為西沖溝,西沖溝起點(diǎn)高程為1 725 m,流入南椏河處高程約1 354 m。相對(duì)高差約371 m。西沖溝平面形態(tài)呈多級(jí)轉(zhuǎn)折近左右擺動(dòng)的“之”字型,總體流向東偏北。西沖溝全長約1.2 km,流域面積2 km2,由上自下主要由3條支流組成(見圖1),水源主要來自大氣降雨及中高山雪水,2號(hào)支溝有幾處泉水補(bǔ)充,常年不斷,流量0.10～1.0 L/s。溝谷植被較發(fā)育。

1.2 水文地質(zhì)特征

區(qū)內(nèi)水文地質(zhì)條件較簡單,地下水類型主要為第四系松散堆積層孔隙水及下伏晉寧期花崗巖基巖裂隙水。第四系松散堆積層孔隙水以溝道內(nèi)沖洪積、泥石流堆積層中賦存的潛水及緩坡平臺(tái)殘坡積層中局部賦存的上層滯水為主,賦水性較差;晉寧期花崗巖基巖裂隙水埋深大,賦水性弱。地下水主要接受大氣降水補(bǔ)給,沿下伏基巖向低洼處——西沖溝排泄,地下水水位不穩(wěn)定,動(dòng)態(tài)變化大。

圖1 泥石流分區(qū)圖Fig.1 Zoning map of debris flow1.流域范圍;2.泥石流特征分區(qū)界線。

1.3 地層巖性

第四系填土(Qml)主要為高速公路及國道、村民修筑切坡堆積碎塊石;其余第四系堆積層(Qel+dl、Qsef、Qal+pl)主要由塊石、卵礫石及砂質(zhì)粘土等組成。

圖2 工程地質(zhì)縱剖面圖Fig.2 Longitudinal profile of engineering geology1.碎石礫石夾粘土;2.隧道棄渣;3.晉寧期花崗巖;4.泥石流堆積;5.溝道沖洪積物;6.崩坡積物。

2 西沖溝泥石流的物源特征

2.1 西沖溝泥石流縱向分區(qū)

西沖溝流域沿主溝在縱向上可分為四個(gè)特征區(qū):清水區(qū)、形成區(qū)、流通區(qū)和堆積區(qū)。

(1) 清水區(qū)。為主溝上游區(qū),面積約1.5 km2,該區(qū)植被覆蓋較好,山坡見巖石出露,地形坡度在30°～45°之間。該區(qū)地勢(shì)特點(diǎn)是東南方向高、西北方向低,呈三面環(huán)抱,一處出口,是西沖溝流域的主要匯水區(qū),雨季為該溝泥石流的發(fā)生提供水源。

(2) 形成區(qū)。從西沖山崖腳1 750～1 445 m高程段屬形成區(qū),該溝段長約720 m,固體物源較多。該區(qū)地勢(shì)特點(diǎn)是東南方向高、西北方向低,呈三面環(huán)抱,一處出口；沖溝發(fā)育,一條大主溝,兩條支溝,各溝在西沖溝中段匯聚后,西沖溝形成輸流“樹干”。區(qū)域來水只能沿西沖溝排泄,溝谷多呈“V”型,溝谷寬約15 m左右,一般深約20 m,縱坡比降345‰左右。有兩處跌水坎(過水路面)易于形成水和泥石的堆積。一旦堆積物影響交通,村委會(huì)將及時(shí)組織清運(yùn)造地。

形成區(qū)分布有XP1-XP4共4處不穩(wěn)定斜坡,總體積22 057 m3。另外,坡面松散固體物質(zhì)分布的面積約0.15 km2，松散堆積物的平均厚度約1.5 m,總儲(chǔ)量約22.5×104m3。

(3) 流通區(qū)。從1 450 m高程往下至1 402 m高程屬流通區(qū),該區(qū)山勢(shì)高陡,溝谷切割深,呈“U”型,溝床縱坡坡形陡,縱坡比降348‰左右,兩岸山坡陡峻，松散層不易堆積。崩坡積物多積存于溝谷地帶,從形成區(qū)下來的泥石流在此段既有加速,亦有攜帶,泥石流經(jīng)過此段后沖擊能量和規(guī)模急劇放大,破壞力陡增。

(4) 堆積區(qū)。泥石流經(jīng)過流通區(qū),沖出西沖溝山腳一豁口后進(jìn)入堆積區(qū),主要在南椏河左岸堆積。泥石流堆積區(qū)原溝口堆積扇擴(kuò)散角約60°,受地形限制呈“鈴鐺”狀,扇前寬度約350 m,堆積扇厚10～19 m,平均厚11 m,2006年最大一次沖出固體物源總量約1.4萬m3。堆積物由塊石、卵礫石及砂質(zhì)粘土等組成。

2.2 物源特征[1]

對(duì)西沖溝泥石流形成區(qū)、流通區(qū)5處不穩(wěn)定斜坡體[2](XP1-XP5)和主溝堆積體(DJ)進(jìn)行了詳細(xì)調(diào)查,對(duì)流域內(nèi)可提供泥石流的物源堆積體進(jìn)行了統(tǒng)計(jì),得到溝道兩岸可直接參與泥石流的松散固體物質(zhì)的儲(chǔ)量約7.6×104m3(詳見表1)。

綜合以上分析和統(tǒng)計(jì),西沖溝全流域內(nèi)松散固體物質(zhì)總儲(chǔ)量約27.9×104m3，其中可直接參與泥石流運(yùn)動(dòng)的松散固體物質(zhì)儲(chǔ)量7.6×104m3。

3 西沖溝泥石流基本特征分析

3.1 泥石流類型的劃分[3]

依據(jù)《泥石流災(zāi)害防治工程勘查規(guī)范》(DZ/T0220—2006),對(duì)泥石流規(guī)模、暴發(fā)頻率、流體性質(zhì)、成因、地貌特征進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)和劃分。

(1) 按泥石流的規(guī)模。經(jīng)估算，50年一遇西沖溝一次泥石流最大沖出量約2.11×104m3,根據(jù)規(guī)范的分級(jí),西沖溝泥石流暴發(fā)的規(guī)模屬于中型(1×104～10×104m3)。

表1 西沖溝流域可提供泥石流的物源統(tǒng)計(jì)表Table 1 Source statistics of debris flow provided in Xichonggou Basin

(2) 按泥石流的暴發(fā)頻率。根據(jù)對(duì)該溝流域特征、物源條件的分析及對(duì)當(dāng)?shù)厝罕姷恼{(diào)訪結(jié)果進(jìn)行綜合分析,確定西沖溝泥石流的發(fā)生頻率屬于中頻泥石流。

(3) 按泥石流的流體性質(zhì)。根據(jù)泥石流溝易發(fā)程度數(shù)量化評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)分,N=82分(見表2);查表可以得到西沖溝泥石流的容重為1.565 t/m3,根據(jù)規(guī)范表A.4確定西沖溝泥石流屬于稀性泥石流。

表2 泥石流易發(fā)程度數(shù)量化評(píng)分表Table 2 Quantitative scoring table of debris flow susceptibility in Xichonggou

(4) 按泥石流的成因。通過調(diào)查和分析,西沖溝泥石流是由暴雨激發(fā)的,為暴雨型泥石流。

(5) 按匯水區(qū)地貌特征。該溝以流域?yàn)橹芙?受一定的溝谷制約。主要是暴雨對(duì)松散物源的沖蝕作用和匯流水體的沖蝕作用，其總量較大,重現(xiàn)期短,有后續(xù)性,能重復(fù)發(fā)生。構(gòu)造作用明顯,同一地區(qū)多呈帶狀,列入流域防災(zāi)整治范圍。有一定的可知性,可防范性。根據(jù)以上判斷西沖溝屬于溝谷型。

綜上所述,西沖溝泥石流是稀性—中型—中頻—暴雨—溝谷型泥石流。

3.2 西沖溝泥石流形成過程機(jī)制分析

按泥石流形成動(dòng)力條件分類,西沖溝泥石流屬水力類泥石流,其基本特點(diǎn)是暴發(fā)頻率中等。這類泥石流所在的流域一般缺少大規(guī)?；顒?dòng)型滑坡、崩塌,溝頭和溝岸的局部崩滑體亦不活躍,但是由于流域內(nèi)表層松散物質(zhì)在水力和重力作用下不斷向溝道遷移,在溝谷內(nèi)的松散固體物質(zhì)得到長期累積,為泥石流形成準(zhǔn)備了豐富的固體物質(zhì),這種過程在西沖溝內(nèi)表現(xiàn)較為典型。在強(qiáng)降雨作用下,地表徑流形成,隨著流域溝道水量不斷增加,便形成山洪,溝道受到強(qiáng)烈的地表徑流或洪水沖刷侵蝕,使溝槽內(nèi)的松散堆積物被掀動(dòng)并遭受揭底,使之在極短的時(shí)間內(nèi)將溝谷中的堆積物一掃而光,形成規(guī)模較大的以掀揭溝床物質(zhì)為主要固體物質(zhì)來源的水力類泥石流過程,這種水動(dòng)力學(xué)過程可能釀成災(zāi)難性損失。從誘發(fā)因素來看,西沖溝泥石流主要為降雨型泥石流[4]。由上可知,西沖溝具有按一定坡度堆積的固體松散物質(zhì)、一定的匯水面積等泥石流形成的基本條件,其泥石流的發(fā)生是前期實(shí)效降雨量和短歷時(shí)強(qiáng)降雨共同作用而誘發(fā)的結(jié)果。根據(jù)當(dāng)?shù)貧庀蟛块T資料,在泥石流發(fā)生的前期降雨持續(xù)時(shí)間達(dá)5 h以上,日降雨量近80 mm。

依據(jù)非飽和土強(qiáng)度理論,西沖溝降雨型泥石流形成可分為兩個(gè)階段:第一階段,由于降雨入滲,處于非飽和狀態(tài)的固體松散物質(zhì)的含水量不斷增加,非飽和固體松散物質(zhì)由于含水量持續(xù)增加,基質(zhì)吸力不斷下降,使得基質(zhì)吸力引起的抗剪強(qiáng)度不斷降低,降雨具有一定歷時(shí)后,非飽和固體松散物質(zhì)含水量增加,并達(dá)到飽和后,含水量繼續(xù)增加,將在固體松散物質(zhì)中產(chǎn)生孔隙水壓力,固體松散物質(zhì)中的水量越多,孔隙水壓力越大,其抗剪強(qiáng)度也就越低。當(dāng)固體松散物質(zhì)達(dá)到飽和狀態(tài)后,就進(jìn)入了降雨型泥石流形成的第二階段;第二階段,短歷時(shí)的具有一定強(qiáng)度的降雨使得固體松散物質(zhì)中滲入的水量來不及排出,加上周圍降雨匯流的作用,飽和的固體松散物質(zhì)由于含水量持續(xù)增加,水壓力增大,有效應(yīng)力減小,導(dǎo)致固體松散物質(zhì)啟動(dòng)而發(fā)生泥石流,在該階段短歷時(shí)具有一定強(qiáng)度的降雨起著主導(dǎo)誘發(fā)作用。

3.3 泥石流的動(dòng)力學(xué)特征

根據(jù)規(guī)范查表等方法,對(duì)西沖溝泥石流動(dòng)力學(xué)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算,結(jié)果見表3。

表3 西沖溝泥石流動(dòng)力學(xué)參數(shù)計(jì)算結(jié)果Table 3 Calculations results of debris flow dynamic parameters in Xichonggou

4 西沖溝泥石流易發(fā)程度和危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)

在調(diào)查基礎(chǔ)上根據(jù)《泥石流災(zāi)害防治工程勘查規(guī)范》(DZ/T0220—2006)相應(yīng)的要求，對(duì)泥石流易發(fā)程度和危險(xiǎn)性做出評(píng)價(jià)。

4.1 泥石流易發(fā)程度評(píng)價(jià)[5]

據(jù)調(diào)查,歷史上曾發(fā)生過兩次典型的泥石流。1979年7月西沖溝曾發(fā)生過一次較大泥石流,當(dāng)時(shí)暴雨連續(xù)下了4 h,泥石流突然暴發(fā),持續(xù)時(shí)間1 h,堆積物漫溢超出108國道,堆積高度約6 m左右,估算一次沖出量0.95×104m3。泥石流毀田10.67 hm2,毀房十間,原養(yǎng)路段一棟兩層樓被淤埋,致使108國道交通中斷2 d。

2006年7月,暴雨斷續(xù)7 h,發(fā)生泥石流,泥石流持續(xù)時(shí)間超過1 h,估算一次性沖出量約0.55×104m3,半毀房屋30間,農(nóng)田8.67 hm2,沖毀國道100 m,直接經(jīng)濟(jì)損失360萬元,因?qū)Ｂ毞姥磫T預(yù)警及時(shí),人員迅速撤離避險(xiǎn),幸無人員傷亡。兩次典型的泥石流固體沖出物質(zhì)總量與泥石流力學(xué)特征理論計(jì)算值對(duì)比,基本相符。

根據(jù)規(guī)范附表3-2,取15項(xiàng)評(píng)判因子[6]得分之和,量化評(píng)判得分為82分,判斷西沖溝泥石流易發(fā)程度等級(jí)為輕度易發(fā)。

4.2 泥石流溝發(fā)展階段的識(shí)別

泥石流溝的發(fā)展階段可以通過泥石流溝的發(fā)育特征進(jìn)行判斷。通過對(duì)西沖溝流域的調(diào)查表明,西沖溝主溝侵蝕速度大于支溝,溝道以縱向侵蝕為主,橫向侵蝕亦發(fā)育。對(duì)照規(guī)范判斷,西沖溝處于發(fā)展期(壯年期),泥石流還有暴發(fā)的可能性。

4.3 泥石流活動(dòng)特征及活動(dòng)強(qiáng)度判別

(1) 西沖溝泥石流的活動(dòng)規(guī)模特征。根據(jù)調(diào)查和計(jì)算,在50年一遇的頻率下一次泥石流沖出固體物質(zhì)總量6 857 m3,根據(jù)規(guī)范,西沖溝泥石流的暴發(fā)規(guī)模為小型。

(2) 西沖溝泥石流的活動(dòng)強(qiáng)度判別。通過對(duì)西沖溝調(diào)查表明,該溝內(nèi)松散固體物質(zhì)的堆積量>10×104m3,堆積扇規(guī)模較大,主河河型微彎,泥沙補(bǔ)給長度比10%～30%,松散體變形量較大,暴雨強(qiáng)度指標(biāo)R在4.2～10。綜合以上實(shí)際情況,根據(jù)規(guī)范,西沖溝泥石流的活動(dòng)強(qiáng)度屬于較強(qiáng)類型。

4.4 西沖溝泥石流的危害與分級(jí)

西沖溝溝道內(nèi)至今仍有大量的松散堆積物,還有可能再次發(fā)生泥石流。而泥石流一旦暴發(fā),將直接威脅南椏村七組25戶70人的生命財(cái)產(chǎn)安全,及雅瀘高速(在建)及國道108交通安全,可能造成350萬元的經(jīng)濟(jì)損失。根據(jù)泥石流災(zāi)害等級(jí)劃分,該泥石流的危害屬于小型。

綜上所述,西沖溝泥石流一次性暴發(fā)規(guī)模分類屬中型,危害性等級(jí)屬小型,潛在威脅性等級(jí)屬小型。

4.5 西沖溝泥石流危險(xiǎn)性評(píng)估[7]

(1) 泥石流綜合致災(zāi)能力F量化分析。按規(guī)范,對(duì)西沖溝泥石流進(jìn)行致災(zāi)能力F量化分析,結(jié)果如表4。

(2) 受災(zāi)體(建筑物)的綜合承災(zāi)能力E量化分析。按規(guī)范,具體量化見表5,根據(jù)量化分析結(jié)果,受災(zāi)體(建筑物)的綜合承(抗)災(zāi)能力很差。

根據(jù)以上判斷,西沖溝泥石流的綜合致災(zāi)能力F=7,泥石流的綜合承災(zāi)能力較差E=4,泥石流發(fā)生機(jī)率D=F/E=7/4=1.75,受災(zāi)體處于災(zāi)變的危險(xiǎn)工作狀態(tài),成災(zāi)可能性大。

表4 西沖溝泥石流綜合致災(zāi)能力分級(jí)量化表Table 4 Classification and quantification table of comprehensive disaster-causing ability of debris flow in Xichonggou

表5 受災(zāi)體(建筑物)的綜合承災(zāi)能力量化表Table 5 Quantitative table of comprehensive disaster-bearing capacity of the affected body (buildings)

5 西沖溝泥石流防治工程措施

5.1 泥石流防治工程等級(jí)確定

根據(jù)《泥石流災(zāi)害防治工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(DZ/T0239—2004),確定西沖溝泥石流防治工程安全等級(jí)為四級(jí),防治工程主體設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為三級(jí);防治標(biāo)準(zhǔn)按20年一遇設(shè)計(jì),50年一遇校核。

石棉縣位于抗震設(shè)防烈度8度區(qū),地震分組為第二組;設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.20g,工程按照8度烈度設(shè)防。

5.2 泥石流防治工程的總體原則

經(jīng)過對(duì)本項(xiàng)目泥石流特征和地形地貌條件的分析,對(duì)已有箱涵和自然溝的排導(dǎo)條件的深入研究,西沖溝物源區(qū)及流通區(qū)地勢(shì)陡峻、庫容量小,不適合建壩攔擋。本溝泥石流治理工程方案堅(jiān)持以人為本,以保護(hù)南椏村七組居民為目標(biāo),主要采取下游排導(dǎo)的總體防治思路,在堆積區(qū)雅瀘高速公路及108國道之間修筑排導(dǎo)槽,直接將泥石流及洪澇泄入南椏河,平常汛期前以疏溝預(yù)防為主。

5.3 泥石流治理工程方案[8]

采用急流槽+消能池+板涵+排導(dǎo)槽的方式綜合排導(dǎo)。

排導(dǎo)工程總長72.16 m,其中排導(dǎo)槽寬一般4.0 m,平均深2.0 m;消能池寬6.5 m,平均深2.5 m。導(dǎo)流工程通過原108國道段設(shè)板涵(詳見圖3、圖4)。

圖3 治理工程平面布置圖Fig.3 Layout of governance engineering plane

實(shí)施降雨量監(jiān)測(cè)、物源區(qū)斜坡穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)、泥石流動(dòng)態(tài)要素監(jiān)測(cè),在流通區(qū)及堆積區(qū)選4個(gè)段面監(jiān)測(cè)泥石流動(dòng)態(tài)要素。

6 結(jié)語

(1) 雅安市石棉縣西沖溝泥石流是川南中高山峽谷區(qū)典型的暴雨條件下暴發(fā)的溝谷型泥石流。該類型泥石流的勘查重點(diǎn)在詳細(xì)調(diào)查和對(duì)照相關(guān)規(guī)范對(duì)泥石流規(guī)模、暴發(fā)頻率、流體性質(zhì)、成因、地貌特征進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)和劃分。

(2) 對(duì)于中低頻泥石流,根據(jù)走訪群眾進(jìn)行判定非常重要。由于歷次西沖溝泥石流發(fā)生后,溝道內(nèi)的泥漿石渣被洪水沖刷,難以找到適合實(shí)驗(yàn)計(jì)算容重的原生堆積樣,對(duì)泥石流的流體性質(zhì)難以做出判斷,后來通過不斷擴(kuò)大調(diào)查范圍,走訪群眾,最終找到當(dāng)?shù)匾晃荒慷媚嗍鞯睦暇用?從而為將西沖溝泥石流最終定性為稀性泥石流提供了充分的事實(shí)佐證。

圖4 治理工程縱剖面圖Fig.4 Longitudinal profile of governance project

(3) 對(duì)泥石流危險(xiǎn)性評(píng)估,一定要采取多種定性定量的方法手段,才能做出正確的判斷。

(4) 泥石流治理應(yīng)堅(jiān)持以人為本的理念,始終把危害對(duì)象作為防治目標(biāo),多方案比選和優(yōu)化,采取切合實(shí)際的綜合治理工程方案。西沖溝物源區(qū)及流通區(qū)地勢(shì)陡峻、庫容量小,不適合建壩攔擋,根據(jù)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)空間分布情況的分析和多種方案的綜合比選,采用了“上游穩(wěn)土+高速公路下游修筑急流槽+消能池+蓋板涵+下游排導(dǎo)槽”綜合治理工程方案,達(dá)到了泥石流防治的良好效果。