玄郎沟泥石流特征及其危险性评价

田少冲

(宁夏回族自治区 核工业地质勘查院,宁夏 银川 750021)

玄郎沟泥石流特征及其危险性评价

田少冲

(宁夏回族自治区 核工业地质勘查院,宁夏 银川 750021)

汶川地震后盆周山区泥石流活动进入活跃期,玄郎沟位于绵竹市西北山区,地质环境复杂,滑坡、崩塌强烈发育,大量边坡处于失稳或极限平衡状态,地震诱发的大量滑坡、崩塌堆积物淤积在沟谷河道内,加之沟内矿山开采、大量人类工程活动及强降雨作用,极易诱发泥石流灾害。通过实地调查,查明泥石流形成条件及特征;应用雨洪法对其在设计频率下的泥石流流量进行计算,并依据单沟泥石流危险度计算结果对玄郎沟泥石流危险度进行评价分析。研究结果表明,玄郎沟泥石流危险度属于中度危险,50年一遇的泥石流峰值流量为173.943 m3/s,百年一遇的泥石流峰值流量达到194.517 m3/s,在强降雨作用下,易发生较大规模地质灾害,这一结果为玄郎沟泥石流灾害防治提供了地质依据。

泥石流;危险度;特征分析; 玄郎沟

玄郎沟位于四川省绵竹市西北山区,遵道镇与金花镇邻接处,距遵道镇约1.1 km,金遵公路通过此处。沟谷整体形状表现为斜Г形,局部表现为凹凸形,总体特征呈“U”型谷,地势起伏大,地貌复杂,沟口以下是龙蟒河,属沱江水系。此处为金花—晓坝断裂贯通区,属于四川省泥石流危险度区划中的重度危险区[1],在“5·12”特大地震灾害影响下,地质环境急剧恶化,加剧了玄郎沟山体岩体的破碎,滑坡和泥石流都进入一个较长的活跃期[2],对下游沟口的居民和道路桥梁基础设施造成直接威胁。因此,对玄郎沟泥石流的形成条件及特征进行分析,评价其危险度,对该区地质灾害防治具有重要意义。

1 自然环境概况

1.1 地形地貌

玄郎沟地处侵蚀中—低切割中低山区,海拔高程720～1 600 m,相对高差880 m。流域内地势高低起伏不平,山体坡度较陡且变化较大,坡度在45°～55°之间。玄郎沟两侧地貌差别较大,左侧坡度较缓,切割深度较小;右侧岩溶地貌发育,基岩主要为砾岩,钙质胶结,岩质坚硬,多呈高陡边坡,局部表现为陡坎陡崖。沟道总体纵坡降较大,有利于固体物质和水源的汇集,为泥石流的暴发提供了地形地貌条件。

1.2 地质构造及地层岩性

该区为四川盆地西北部的龙门山推覆构造带前缘,金花—晓坝断裂贯通玄郎沟,断层走向同玄郎沟延伸方向基本一致,走向NE,倾向NW,倾角约为60°。在构造作用下岩层发生倒转且方向多变,裂隙发育,岩体破碎。绵竹山区新构造活动多沿主干断裂发生,1933—1983年有记载的6级以上地震共有4次,弱震时有发生。山区地震基本烈度为Ⅶ度,区域稳定较差。

玄郎沟内主要出露地层有中生界三叠系石英砂岩、页岩、白云岩及灰岩,侏罗系莲花口组巨厚层状砾岩和新生界第四系地层。总体上,三叠系岩层完整性较好,斜坡表面岩体在风化、降水、地震等作用下节理裂隙较为发育,强度较低。侏罗系砾岩层,裂隙发育,多发育高陡边坡,易形成崩塌灾害。第四系松散堆积物广泛分布于沟道两侧斜坡地带及沟口,主要包括煤矿矿渣、崩滑积物和残坡积物等。

1.3 气象水文条件

玄郎沟地表水主要为玄郎沟河流,沟口以下是龙蟒河,河谷落差较大,最大流量100 m3/s,多年平均流量0.56 m3/s,水量变化较大,夏秋多雨时期常山洪暴发,水量增大,往往造成灾害,最大流量一般出现在7—9月。

该区属于亚热带季风气候,年均气温14.4 ℃,年降雨量1 500～1 700 mm,其多年平均降水量为1 086.4 mm,降雨量的月季分布极不均匀,降雨强度和持续时间的差异也较大,6—9月均可出现100 mm以上的一日最大降水量。绵竹山区12 h最大降雨量为598 mm,出现在1995年8月11日,1 h最大降雨量为96.1 mm,出现在2010年8月19日。据谭万沛的研究,其提出区域泥石流发生的单因子临界雨量阈值[3](表1),按此标准,玄郎沟的单日或小时降雨量都已经超出泥石流发生的阈值。

表1 四川地区泥石流发生临界雨量阈值(mm)Table 1 Critical rainfall of debris flow occurrence in Sichuan region(mm)

1.4 植被及人类活动

植被的分布受地形切割、人类活动等的影响较大。整个区域植被覆盖率达55%。震后由于斜坡坡体变形剧烈,崩滑现象严重,坡体植被遭受不同程度的破坏。

玄郎沟内矿产资源主要为煤炭,分布于熙佳山庄一带,矿山开采的大量矿渣弃土,大多就近堆积于沟谷斜坡,甚至直接倾倒于沟谷内,严重淤积堵塞河道,在“5·12”特大地震及近几年暴雨作用下,局部边坡失稳。随着玄郎沟内旅游资源的开发利用,公路及其他基础设施的修建,较大规模地开挖坡脚和破坏植被覆盖,严重影响了山体结构和斜坡稳定,诱发了大量的滑坡、崩塌灾害,也为泥石流提供了丰富的碎屑物质。

2 玄郎沟泥石流特征

2.1 泥石流现状及暴发条件

据调查,玄郎沟在汶川地震之前并未发生过泥石流,历经汶川地震以后,该区地质环境变化较大,对斜坡稳定性影响是长远的,岩体节理裂隙进一步发展,物质结构松散、变形加大,沟谷两侧滑坡、崩塌等不良地质现象发育,这些不良地质现象不仅本身造成灾害,也给玄郎沟泥石流提供了大量物源,据统计,玄郎沟内松散堆积物体积约达125万m3。玄郎沟为常年性河流,主沟长5.4 km,流域面积约13.5 km2,为泥石流的形成提供了水源条件;玄郎沟沟口—沟尾高差达380 m,沟床纵坡降70‰,河道狭窄,局部沟床地势变化较大,地形地貌为泥石流的形成提供了动力条件;在汶川地震影响下,泥石流暴发所需的临界降雨条件降低明显[4],因此在强震后10—15年内,地震高烈度区的滑坡、泥石流活动处于高峰期[5]。震后,于2008年8月21日绵竹突降暴雨时发生小规模泥石流,形成区位于玄郎沟中上游,堆积区位于龙家店桥以下,目前遗留堆积扇长100 m,宽40 m,堆积物厚2～5 m,现存堆积量约4 000 m3。

2.2 泥石流力学特征

2.2.1 泥石流流体重度

由于玄郎沟暴发泥石流无实测记录,因此,按照国土资源部发布的《泥石流灾害防治工程勘查规范》(DZ/T 0220—2006)[6]中的泥石流沟的数量化综合评判及易发程度等级标准,来确定玄郎沟泥石流易发程度,进而依据综合评判等级标准及数量化评分与重度、(1+Φ)关系对照表,确定泥石流重度。

依据泥石流沟易发程度数量化评分表,对玄郎沟可能诱发泥石流的各种因素进行评分(表2),玄郎沟泥石流易发程度数量化评分标准综合判定的评分值为95分。依据综合评判等级标准表及数量化评分与重度、(1+Φ)关系对照表,判定为中等易发泥石流沟,泥石流重度γc为1.655 t/m3,属粘性泥石流。

2.2.2 泥石流流量计算

确定泥石流流量最可靠的方法是直接测量自然界里奔流的泥石流或者泥石流遗留的痕迹,在计算泥石流流量时,首先确定泥石流沟的性质和类型,然后选取合理的计算公式[7]。玄郎沟泥石流流域面积较大,受暴雨影响较大,且属粘性泥石流沟谷。因此,考虑泥石流流量计算参考雨洪法,按式(1)计算泥石流流量。

QC=(1+Φ)QP·DC

(1)

式中:QC为频率为P的泥石流洪峰值流量(m3/s);QP为频率为P的暴雨洪水设计流量(m3/s);1+Φ由数量化评分与重度、(1+Φ)关系对照表可得,泥石流堵塞系数DC查表可得,因此只需要计算暴雨时最大的洪峰流量。

依据《四川省水文手册》[8]采用水科院推理公式法计算最大洪峰流量:

(2)

(3)

(4)

表2 玄郎沟泥石流易发程度评判Table 2 Susceptibility degree evaluation of debris flow in Xuanlang Gully

(5)

(6)

(7)

m=0.318θ0.204

(8)

μ=3.6F-0.19

(9)

式中:Qp为最大流量(m3/s);Ψ为洪峰径流系数;i为最大平均暴雨强度(mm/h);S为暴雨雨力,即最大一小时暴雨量(mm/h);n为暴雨公式指数;F为集水面积(km2);L为自出口断面沿主河道—分水岭的河流长度(km);J为沿L的河道平均坡度(‰);τ为流域汇流时间(h);τ0为当Ψ=1的流域汇流时间(h);μ为产流参数,即产流历时内流域平均入渗强度(mm/h);m为汇流参数;θ为流域特征系数;H24为设计频率P的最大24 h雨量(mm)。

之后,依据公式QC=(1+Φ)QP·DC,根据泥石流堵塞系数DC值表,取DC=1.5,查数量化评分与重度、(1+Φ)关系对照表得到1+Φ=1.676,得到结果见表4。

表3 玄郎沟暴雨流量计算表Table 3 Calculation results of Qp in Xuanlang Gully

综上,在发生50年一遇泥石流(设计频率为2%)时,玄郎沟沟口处泥石流峰值流量为173.943 m3/s;在发生百年一遇泥石流(设计频率为1%)时,玄郎沟沟口处泥石流峰值流量为194.517 m3/s。

表4 玄郎沟泥石流峰值流量计算表Table 4 Calculation results of debris peak flow in Xuanlang Gully

2.3 泥石流活动特征

2.3.1 沟谷特征

玄郎沟河谷宽度在40～60 m,河道宽度在15～20 m,局部河谷纵坡降可达230‰,沟谷两侧不良地质现象严重。据现场调查,玄郎沟沟谷两侧发育有多处滑坡,如龙家店滑坡,滑坡体体积约65×104m3,滑体前缘已挤占河道;玄郎沟上游还发育有崩塌群,如翠湖山庄崩塌危岩体,规模约12×104m3,崩塌体堆积于河道;流域山体上分布有数处小规模泥石流,局部形成冲洪积平坝,使主河道变窄。

2.3.2 易形成堰塞湖

在调查过程中,玄郎沟内已经有小规模堰塞湖形成,是由玄郎沟内翠湖山庄一带小型崩滑体堵河形成,已在流水掏蚀下溃决排泄,堆积物在流水冲刷下堆积于翠湖山庄外墙处,未对下游两岸造成危害。但沟谷内存在崩塌群及多处滑坡体,崩滑物已挤占河道,在强降雨或地震影响下,极有可能发生较大变形,届时将可能堵塞玄郎沟,形成较大规模堰塞湖。

2.3.3 诱发泥石流条件敏感

该处属于地震高烈度区,山高坡陡,短时强降雨次数多,为玄郎沟内诸多不良地质体提供了丰富的物源,强震作用使沟谷内的地质环境更加脆弱,斜坡岩体破碎,致使此处滑坡、泥石流、崩塌处于高易发性状态,经过长时间蓄积,灾害隐蔽性强,若在条件成熟时激发泥石流,将造成严重后果。

3 玄郎沟泥石流危险度评价及防治对策

危险性的定量表达即危险度,是由泥石流危险因子综合判定的。影响泥石流危险度的因子众多,包罗万象、一一概全将使危险度判定非常复杂[9]。因此,采用最新的改进型单沟泥石流危险度评价方法,该法由刘希林于1996年发表在德国召开的“国际防灾大会论文集”上,共采用7个评价因子,评价因子的选取方法是:从与单沟泥石流危险度有关的候选因子中,采用灰色系统理论中的关联度分析方法,筛选出用于危险度评价的因子,内在因子包括泥石流规模M和发生频率F,环境因子包括流域面积S1、主沟长度S2、流域相对高差S3、流域切割密度S6和不稳定沟床比例S9[10]。

3.1 危险度计算

最新的沟谷泥石流危险度计算公式[11]为:

H=0.285 7M+0.275 7F+0.142 9S1+0.085 7S2+0.057 1S3+0.114 3S6+0.028 6S9

式中:H为单沟泥石流危险度(0

表5 各评价因子权重系数及转换函数Table 5 Weight coefficient and diversion function of evaluation factors

结合现场考察和室内地形图计算,获取玄郎沟危险度评价的7个因子的原始值[12],由于玄郎沟历史上没有发生过泥石流,因此m值的选取依据泥石流规模经验公式[13]计算而得:

式中:s8为流域内松散固体物质储量,s14为流域内人口密度。据了解沟谷内居民常住人口总数约310人。

采用表5对原始值进行赋值,然后将转换赋值代入单沟泥石流危险度计算公式中,得出玄郎沟泥石流危险度为0.48,依据单沟泥石流危险度分级标准(表6),评价其属于中度危险(表7)。

表6 单沟泥石流危险度分级标准Table 6 Hazard severity grading standards of single gully debris flow

表7 玄郎沟泥石流危险度评价结果Table 7 Debris flow hazard assessment result of Xuanlang Gully

3.2 危害性分析

玄郎沟为重要的生态旅游区,众多农家乐山庄分布于河谷两岸,依山傍水而建,而玄郎沟为潜在泥石流沟,沟内滑坡、崩塌体规模较大,这些不良地质体给玄郎沟提供了大量物源,属中度危险。在暴雨或强震作用下,其失稳滑塌将会堵塞玄郎沟,造成上游雍水,对沟内的山庄造成严重危害,溃决成泥石流将会直接威胁下游沟口居民500余人生命财产安全,依据泥石流潜在危险性分级表(表8),可知玄郎沟泥石流潜在危险等级为大型。

表8 泥石流潜在危险性分级表Table 8 Potential risk classification of debris flow

注:*表示潜在危险性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。

3.3 防治对策建议

根据玄郎沟潜在泥石流暴发带来的危害性,具体设防措施应以保护对象为目标进行设置,虽然玄郎沟内因基础设施建设而修建了部分排导、拦挡工程,但大部分排导渠道为单侧设堤且长度较短,不能满足泥石流的排导要求,崩滑物堆积于河道内造成河道部分堵塞,局部形成堰塞湖,说明河道狭窄、疏通能力不足。为确保下游居民的安全,必须对玄郎沟进行综合治理。

(1) 在玄郎沟内熙佳山庄矿渣堆放处进行护坡工程,在形成堰塞湖处以上设置谷坊坝,谷坊坝以下修剪排导渠,对河道进行疏通,在沟内修建拦挡坝,削减泥石流流量及危害。

(2) 对于玄郎沟内规模较大的滑坡考虑采用抗滑桩+桩间挡土板的治理措施,清理挤占河道的前缘堆积物,对沟内不稳定斜坡及崩塌群可在坡脚修建重力式挡墙、碎落台等进行处理。

(3) 通过生物措施改善玄郎沟流域的汇流条件,禁止森林砍伐行为,保护生态环境,采用人工措施恢复局部被破坏的植被,稳定山体,控制泥石流发展[14]。

(4) 在玄郎沟下游及沟口做泥石流排导槽和防护堤,保障下游居民生命财产安全。

(5) 加强对玄郎沟内崩塌、滑坡和泥石流的监测,做好灾前预警预报,提高山区防洪标准,增强农家乐山庄游客及下游居民的防范意识,做好防范措施。

4 结论

玄郎沟泥石流沟,属中等易发粘性泥石流,沟内地形起伏大,松散堆积物多,短时降雨丰富,且沟谷内不良地质现象严重,为泥石流形成提供了良好条件。根据其流域特点、自然条件以及动力学参数计算分析,得出该泥石流沟危险度属中等,潜在危险等级为大型,在玄郎沟泥石流设计频率P=1%、2%时,泥石流峰值流量分别为194.517 m3/s、173.943 m3/s,表明玄郎沟内有暴发大规模泥石流的可能性。因此,在玄郎沟做好泥石流防治工作十分必要。

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(责任编辑：陈姣霞)

Characteristics of Xuanlang Gully Debris Flow andIts Hazard Severity Assessment

TIAN Shaochong

(NingxiaNuclearIndustryGeologicalExplorationInstitute,Yinchuan,Ningxia750021)

After Wenchuan earthquake,the debris flow disaster entered into active period in mountain areas around Sichuan Basin. Xuanlang Gully is located in the mountainous area of northwest Mianzhu City with complex geological environment. The debris flow and collapse are strongly grown,a large number of slopes are in instability or limit equilibrium state. Large amounts of landslide and collapse deposits induced by earthquake deposit in gully channel,along with mining,human engineering activities and heavy rain,which trigger debris flow easily.Through field investigation,the characteristics and formation conditions of debris flow has been found out.The mudflow of the debris flow has been calculated using the rain-flood method under its set frequency.The hazard severity of Xuanlang Gully debris flow has been assessed by the single gully risk calculation.The research shows that the hazard severity of Xuanlang Gully is of medium level,with 173.943 m3/s perk flow in 50-year return period and 194.517 m3/s in 100-year return period. Under the short-term heavy rainfall,it’s easy to cause a large-scale geological disaster.Thses results provide geological basis for the prevention and controlling of debris flow in Xuanlang Gully.

Xuanlang Gully; debris flow; hazard severity; characteristics analysis

2016-12-02;改回日期:2017-01-17

田少冲(1988-),男,助理工程师,硕士,地质工程专业,从事地质灾害防治与评估相关工作。E-mail:tsc0371@sina.com

P642.23

A

1671-1211(2017)03-0304-06

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2017.03.014

数字出版网址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20170516.1433.018.html 数字出版日期:2017-05-16 14:33