永定桥水库库区关沟泥石流地质灾害分析

刘 超, 李良东, 郭小帅, 吴祖国

(1.中国地质大学(武汉) 公共管理学院,湖北 武汉 430074; 2.黄河勘测规划设计有限公司,河南 郑州 450003)

永定桥水库库区关沟泥石流地质灾害分析

刘 超1, 李良东1, 郭小帅2, 吴祖国2

(1.中国地质大学(武汉) 公共管理学院,湖北 武汉 430074; 2.黄河勘测规划设计有限公司,河南 郑州 450003)

2016年7月26日18:00—21:00时段,四川省雅安市汉源县永定桥水库库区关沟发生泥石流,通过对关沟泥石流的实地调查,研究关沟泥石流发生的原因,分析关沟泥石流如果再次活动可能产生的危害,划定关沟泥石流危险区域等,对关沟泥石流治理的紧迫性进行评估,提出关沟泥石流治理措施建议,避免泥石流再次活动对永定桥水利工程各工程部位造成损毁。

泥石流;成因;危害性;危险性;治理

关沟位于四川省雅安市汉源县宜东镇以北约2.5 km,为流沙河左岸主要支流之一,常年流水,流域控制面积约18 km2,关沟沟尾段是永定桥水利工程大坝开挖、关顶料场、高粱坪堆积体处理等工程的弃渣场(见图1,人为堆积土坝,以下简称土坝),为解决沟水径流问题,在关沟右岸设计一条长758 m、比降7%的沟水处理引水隧洞(以下简称关沟隧洞,2011年汛前浇筑完成,正式通水),目前关沟渣场渣体堆积数十万方。

图1 关沟泥石流灾害分布示意图Fig.1 Distribution sketch map of Guangou debris flow

2016年7月26日18:00—21:00时段,该区域降雨量很大(据最近的水文监测站资料,雨量达到了139 mm,界定为大暴雨,达到或接近50年一遇的洪水标准),关沟产生泥石流,总方量在2万余立方米,分别堆积于关沟隧洞进口、出口、生态堰这三个部位。其种类为由暴雨引发、物质来源混合型的水石型泥石流。

(1) 堆积1区:位于关沟隧洞进口部位,堆积的泥石流物质约3 000 m3。左侧的关沟渣场上游面进水,水位最大高度约3 m,见有厚约0.5～1 m的淤泥、砂层堆积。

(2) 堆积2区:位于关沟隧洞出口—下游道路桥梁之间(仅距桥梁30 m),关沟出口消力池已经淤满,泥石流物质总方量约1 000余立方米。

(3) 堆积3区:位于道路桥梁与流沙河上的生态堰之间,地形较为开阔平坦,是关沟出口与流沙河交汇部位,堆积物在流沙河上的生态堰受阻滞留于关沟沟口和生态堰之间,方量约2×104m3。

1 泥石流地质背景

区内地处青藏高原东南缘向四川盆地过渡之高中山峡谷区。河流水系发育,沟谷深切,岭谷高差1 000～1 500 m,构造部位上处于由金坪断裂、二郎山断裂、保新厂—凰仪断裂和汉源—昭觉断裂所切割的宜东向斜内。区内50年超越概率10%的基岩水平地震动峰值加速度为201 cm/s2,地震基本烈度为Ⅷ度[1]。

流沙河流域属北温带与亚热带之间的亚热带气候区,1951—2004年资料统计,多年平均气温19.2 ℃,多年平均年降水量738.8 mm,平均年降水日数为143 d,历年最大日降水量168.2 mm。关沟尾部布置有工程弃渣场,设计点暴雨20年一遇118.4 m3/d、50年一遇136.8 m3/d。

关沟是流沙河上游左岸的支流之一,沟口距永定桥下坝址坝轴线下游约400 m。流域面积18.58 km2,河长8.44 km,比降14%。沟两侧山高沟深,地形陡峻,植被发育一般,中下游多呈深“V”型,上游“U”型。两岸基岩裸露,沟口为三叠系上统须家河组(T3xj)砂页岩,其余部位多为奥陶系下统(O1)、震旦系上统灯影组(Zbd)的砂页岩、白云岩,岩层产状多为210°～230°∠15°～25°。

2 关沟泥石流形成的条件

泥石流的形成应具备几个主要的基本条件[2-3],即地形条件、物质来源、水源条件三大要素。

2.1 地形地貌条件

关沟有山高坡陡、比降大的特点,在距沟口2.5 km发育一支流,主流与支流发育树枝状小沟谷,流域形状便于水流汇集,具备产生泥石流的地形条件。在地貌上,产生本次泥石流的地貌可分为形成区、流通区和堆积区三部分。

(1) 形成区:本次泥石流形成区较为奇特,并不是在关沟主沟上游区域形成,而是在关沟支沟区域与主沟交汇部位之间形成,这是由于分片区点暴雨降雨,支沟区域降雨量大、主沟区域降雨量相对较小造成的。地形为三面环山,出口在两沟交汇部位向流通区而去,形成区地形相对比较开阔(呈“U”型),周围山高坡陡,山体破碎,植被发育一般,坡脚有工程弃渣、崩塌堆积碎块石土,地形上有利于水和碎屑物质的集中。

(2) 中游流通区:地形多为狭窄陡深的峡谷,比降约14.0%,谷床纵坡降大,流通区沟床较为平直,泥石流能迅猛直泻;两岸坡脚有堆积的工程弃渣,上游形成的泥石流因水位陡涨,在冲击的作用下带动部分流通区渣体也向下游倾泻。

(3) 下游堆积区:分为堆积1区、2区和3区(见图1)。

① 堆积1区。在关沟进水口(底板高程1 499 m),由于关沟隧洞工程沟道突然缩窄,泥石流受到阻碍,部分泥石流滞留在洞口附近。洞口部位泥石流堆积物形成凹陷地形,也未造成洞口堵塞。主要由于洞口部位形成水流漩涡,带动泥石流由洞内冲向下游,也由于本次泥石流动力及规模不大,2 m直径以上的巨石未被泥石流推动,而洞径>2 m(洞径宽2.5 m)。左侧的关沟渣场上游沟槽部位高程低于河水位,进水后,水位最大高度3 m,见有厚约0.5～1 m的淤泥层堆积。

② 堆积2区。在关沟隧洞出口(底板高程1 445 m)至公路之间,因隧洞出口未正对着桥孔部位,桥身有一定的阻挡作用,减弱了洞内泥石流的冲击力和速度(存在洪水从桥面上翻过现象),造成部分泥石流在此堆积,其出口消力池已经淤满,粒径一般<1 m。

③ 堆积3区。位于道路桥梁外侧与生态堰之间,地形为较开阔平坦的流沙河道,泥石流受阻于生态堰,在此堆积,其粒径更小,在0.5 m以下。

综上,地形地貌条件上有利于泥石流的产生。

2.2 松散物质来源

关沟松散堆积物主要有三种类型,即崩坡积堆积、沟内冲积堆积砂砾石和施工弃渣堆积。块碎石岩性主要为灰岩、白云岩。

(1) 崩坡积堆积:这一类堆积物零星分布于沟谷两侧,由于地势陡峻,在长期风化卸荷作用下产生崩塌,厚度不大,多在1～2 m之间,局部存在巨石。估计方量在2万～3万m3。

(2) 沟内冲洪积砂砾石堆积:沟内冲洪积物多为崩积堆积物经长期沟水冲刷、搬运形成,厚度一般3～6 m,宽度2～5 m,估计方量近10万m3。

(3) 施工弃渣:因跃进堰(灌溉水渠)的修建,开挖产生的渣体,均堆积于关沟沟底,共有3处,总方量约1.5万m3,本次冲刷掉约4 000 m3。

综上,堆积松散物为泥石流的形成提供了丰富的固体物质来源,成为泥石流形成条件之一。

2.3 水源条件

水既是泥石流的重要组成部分,又是泥石流的激发条件和搬运介质(动力来源),前期长时间降雨,本次激发泥石流的水源为暴雨形式。据附近雨量统计,3 h内降雨达到了139 mm,洪水流量估算约122 m3/s,超过20年一遇的设计点暴雨值。

本次关沟在上述基本条件均具备情况下,发生了泥石流。对关沟隧洞造成一定的冲蚀灾害,也对关沟沟口的桥梁有一定损害,并造成生态堰严重淤积。

3 关沟泥石流产生的危害

关沟泥石流的产生,造成了一定的危害,主要是进出口部位、洞内衬砌砼的损坏,另外生态堰完全被泥石流淤积。

3.1 进口部位的损坏

泥石流在洞口附近形成瓶颈(洞口较小),受到隧洞的阻碍,力量有所减弱,大号的漂块石滞留到洞口附近,最大粒径在1～2 m之间。洞口部位泥石流堆积物形成凹陷地形,未造成洞口堵塞。带有砂石的泥石流冲击洞口,造成衬砌的混凝土有损坏现象,部分钢筋裸露。

3.2 洞内衬砌砼的损坏

洞内混凝土衬砌底板及侧墙均有不同程度的损毁现象,从进口及出口上看,底板明显凹陷,形成圆弧状,出口凹陷深度达40余厘米,洞内的具体损毁情况待进一步查实。

3.3 道路桥梁的损坏

关沟沟口附近有一条横穿关沟的道路桥梁(为石拱桥),该道路是原宜东镇通往三交乡的乡村道路,后作为永定桥工程的右岸上坝道路。关沟产生的泥石流从隧洞出口泄出时,对桥身有冲击破坏作用,冲击淘刷后形成一个凹陷的坑,坑周围见有冲刷磨损现象。冲刷坑长约1.2 m,宽约0.8 m,深约0.6 m。

3.4 生态堰完全被泥石流淤积

生态堰位于关沟出口流沙河的下游侧约100 m,设计坝高1 435～1 437 m,目的是解决永定桥水库坝后至关沟之间的断流问题。本次泥石流堆积物把生态堰完全淤满,少量泥石流翻坝,需进行清淤,方能使生态堰发挥正常作用。

4 关沟泥石流灾害综合分级

根据对关沟泥石流实地调查资料,依据有关规程规范,对关沟泥石流的规模、活动性、危害程度及危险性进行评价。

4.1 泥石流规模分级

根据表1,本次关沟泥石流总量在2万余立方米,为中型泥石流。

表1 泥石流暴发规模分类Table 1 Classification of debris flow scale

4.2 泥石流活动性分级

2010年8月发生了一次小型规模的泥石流,造成了关沟隧洞底板冲蚀,隧洞进出口部位少量堆积泥石流物质。本次泥石流为中等规模,关沟泥石流活动性初步判定为中—高级(表2)。

4.3 关沟泥石流危害性分级

本次泥石流的危害性主要是①对关沟隧洞洞内衬砌底板边墙冲击淘刷;②对出口部位的公路桥梁的冲击损坏;③生态堰淤堵。如对损毁部位进行修复、生态堰清淤等工程,投入资金预估100万元以上,根据表3,本次泥石流危害性为中等。

4.4 关沟泥石流危险性分级

对关沟隧洞的危害,直接冲刷衬砌的底板边墙,威胁隧洞稳定。一旦洞内产生垮塌后淤堵,将直接威胁关沟渣场堆积渣体稳定。

表2 单沟泥石流活动性分级表Table 2 Activity classification of single gully debris flow

表3 泥石流灾害危害性等级划分Table 3 Harmfulness classification of debris flow

注:*指灾度的两项指标不在一个级次时,按从高原则确定灾度等级。

(1) 关沟出口段为永定桥水利工程弃渣场,目前堆积数十万方渣体,形成一个堆积松散的“土坝”,上游侧渣体高出沟床约13 m,下游高差达50余米,一旦关沟隧洞淤堵或堵塞,泥石流、沟水将冲蚀渣体前端,甚至翻过渣体(或称为翻坝),可能导致渣体(坝)溃决,直接对下游群众的生命及财产造成威胁。

(2) 关沟隧洞出口正对着公路桥梁的桥身,目前已造成损伤,存在一定的安全隐患,如再次发生泥石流,可能冲毁桥梁。

(3) 生态堰目前已经淤满泥石流物质,其功能几乎伤失。

(4) 关沟坡降大,即使不产生泥石流,在雨量较大时,仍然会有一定的推移物质对关沟隧洞造成一定的破坏作用。

综上,关沟具备再次发生泥石流的条件,其强度主要取决于降雨量,如一旦再发生比原先大的强降雨,其危险性更大。如发生溃坝(土坝),直接威胁下游群众,可能达到500人次以上,其危险性等级为大型(见表4)。

表4 泥石流潜在危害性分级表Table 4 Potential harmfulness classification of debris flow

注:*潜在威胁等级的两项指标不在一个级次时,按从高原则确定灾度等级。

5 关沟泥石流活动及危险性分析

通过实地调查,收集了该区域有关的水文气象、地形地貌以及地质资料,了解到其人类活动主要是树木砍伐以及修葺跃进堰产生的废弃渣堆积于沟谷两侧,通过关沟泥石流的活动性、险情、灾情调查,划定危险性区域,对泥石流活动性、危险性及治理的紧迫性进行分析。

5.1 泥石流活动危险区域的划分

危险区域的划分分为极危险区、危险区、影响区、安全区(图2)。

(1) 极危险区:是泥石流到达的主要部位,可能导致①洞口的堆积;②隧洞的底板破坏影响衬砌稳定,导致硐室垮塌堵塞;③出口部位道路桥梁冲毁;④生态堰严重淤积。

图2 关沟泥石流危险区域划分示意图Fig.2 Risk zoning division sketch map of Guangou regional debris flow

(2) 危险区:主要分布于①泥石流流通区至关沟隧洞洞口之间,可能导致两岸松散堆积体的滑塌;②对关沟渣场的浸湿、渗透破坏(可能导致渣体局部垮塌)、前缘泥沙堆积部位,以及渣场受威胁的下游区域也划为危险区;③一旦土坝溃决,其下游由危险区演变为极危险区,人民的生命财产将遭受严重威胁。

(3) 影响区及安全区:沿沟谷及两侧无居民居住,范围主要在关沟沟谷两侧边坡及图2所示以外区域。

5.2 泥石流活动性和危险性[1]分析

根据对关沟泥石流的调查,按《泥石流灾害防治工程勘查规范》进行评判。

(1) 活动性判别。2010年8月6日暴雨,发生一次小型泥石流,含有泥沙、碎块石等的大水对隧洞底板冲毁严重,当时降雨量也达到了大暴雨级别。根据评判要素,其级别为强活动性。

(2) 危险性评估。暴雨泥石流危害程度或灾害发生几率的判别式:危害程度或发生几率(D)=泥石流的致灾能力(F)/受灾体的承灾能力(E),致灾能力得分10分,其致灾能力强,受灾体承灾能力得分9分,承灾能力差,得出D≈1。即:受灾体处于灾变临界状态,需要警惕泥石流对关沟隧洞、渣场、桥梁等建筑的破坏。

5.3 泥石流治理的紧迫性分析

(1) 关沟地形条件有利于发生泥石流灾害。关沟堆积的松散体物质较为丰富,粗略估计仍有十余万立方米,发生大暴雨情况下,关沟再次产生大—中型泥石流的可能性是存在的。

(2) 危险性大。①关沟流域积雨面积大,遇大暴雨,超过关沟隧洞设计的过流量时,将直接威胁土坝,洪水有翻坝可能;②关沟隧洞被泥石流淤堵或洞内冲蚀破坏产生垮塌造成的淤堵,将直接威胁土坝,使其存在溃决的可能。其下游的工程建筑及人民生命财产遭受巨大威胁,损失将无法估量。

鉴于上述,治理紧迫性综合判别较为紧迫。需对关沟进行治理,防止(或减少)的泥石流灾害对各个工程部位的损毁,避免溃坝给下游群众的生命财产带来危害。

6 结语及建议

本文通过实地调查,收集了该区域有关的水文气象、地形地貌以及地质资料,通过分析认为,关沟泥石流活动性强、危害性大、危险性大,存在再次发生大型泥石流的可能,其致灾能力强,需进行治理。

(1) 对关沟隧洞进出口、生态堰堆积的泥石流物质进行清除,关沟沟内疏浚。

(2) 关沟隧洞进口上游侧选取适当位置设置2～3道拦砂(石)坎。

(3) 对关沟渣场上游侧进行挡护,防止大水、泥石流对其冲蚀;挡护采用重力式挡墙以及相应的排水措施。

(4) 对关沟隧洞内衬砌损坏部位,雨季后即行修复,底板采用高标号防冲耐磨混凝土,防止洞内垮塌淤堵。

(5) 对道路桥梁损坏部位进行修复,必要时拆除老旧石拱桥,重新修建,如不新建,需对关沟出口至桥洞水流进行人工疏导。

[1] 黄河勘测规划设计有限公司.永定桥水利工程工程地质勘察报告[R].郑州:黄河勘测规划设计有限公司,2006.

[2] 中华人民共和国国土资源部.泥石流灾害防治工程勘查规范:DZ/T 0220—2006[S].北京:中国标准出版社,2006.

[3] 中华人民共和国水利部.水利水电工程边坡设计规范:SL 386—2007[S].北京:中国水利水电出版社,2007.

(责任编辑：陈姣霞)

Geological Hazard Analysis of Guangou DebrisFlow in Yongdingqiao Reservoir Area

LIU Chao1, LI Liangdong1, GUO Xiaoshuai2, WU Zuguo2

(1.ChinaUniversityofGeosciences(Wuhan)SchoolofPublicAdministration,Wuhan,Hubei430074; 2.YellowRiverEngineeringConsultingCo.,Ltd.,Zhengzhou,Henan450003)

Through the field investigation on Guangou debris flow occurred in Yongdingqiao reservoir area from six to nine PM on July 26,2016,the reason of the debris flow occurrence and the possible hazards of it reoccurrence were analyzed,and the dangerous areas in reservoir area were evaluated. Based on the urgency assessment of Guangou debris flow governance,some measures about Guangou debris flow were put forward to avoiding great damage to Yongdingqiao reservoir project when the debris flow occurs again.

debris flow; causes; harmfulness; dangerousness; governance

2016-11-09;改回日期:2016-12-22

刘超(1980-),男,副教授,博士,环境工程专业,从事现代自然地理、地质与资源环境科研与教学工作。E-mail:chauger@163.com

P642.23

A

1671-1211(2017)03-0300-04

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2017.03.013

数字出版网址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20170516.1432.014.html 数字出版日期:2017-05-16 14:32