四川省凉山州美姑县瓦扎乃曲泥石流特征值分析与防治措施

时间：2024-07-06

刘盛达，张光辉，李彦彬，李成志

（四川省煤田地质局一三五队四川泸州 646000）

瓦扎乃曲沟泥石流位于四川省凉山州美姑县巴古乡境内，属于美姑河左岸一级支流，为暴雨沟谷型泥石流。目前，瓦扎乃曲沟域内存在多处崩塌、滑塌以及人工采石弃渣堆现象，为瓦扎乃曲泥石流的暴发提供了较好的物源条件。在雨季期间容易诱发该泥石流的暴发，瓦扎乃曲泥石流一旦再次暴发将直接威胁沟口堆积区巴古乡牛洛村三组23户127人及牛洛小学师生120人的生命财产安全，以及区内S103省道的正常运营。因此，研究瓦扎乃曲沟泥石流的基本特征、形成条件、动力学参数，预测暴发规模，提出相应的防治方案十分必要。

1 瓦扎乃曲泥石流流域基本特征

瓦扎乃曲沟属于美姑河左岸一级支流，流域面积约2.36km2，整体呈南-北向展布，纵向沟长约3.4km，平均纵向坡降约 259.35‰，流域最高点位于后缘山顶分水岭，高程约 2600m，最低高程为瓦扎乃曲沟沟口与美姑河阶地交汇处，高程约1670m，相对高程约930m。区内山高坡陡，具有一条主沟和三条支沟，1#支沟长约800m，与瓦扎乃曲沟中游左岸交汇，沟道较狭窄，平均纵坡降约447.84‰，沟道平均宽约2.5m，水流量较小，支沟流域内植被稀疏，物源丰富，顶部呈漏斗状，汇水条件较好。2#支沟位于瓦扎乃曲沟上游右岸形成流通区与清水区交界，长约735m沟道平均宽约3.5m，平均纵坡降约417.16‰，顶部植被茂盛，汇水条件好。3#支沟位于瓦扎乃曲沟上游左岸形成流通区与清水区交界，长约985m沟道平均宽约4m，平均纵坡降约321.6‰，顶部植被茂盛，汇水条件好。

瓦扎乃曲沟整个流域形态分布较为对称。两侧岸坡植被较茂盛，岸坡纵向坡度较陡一般 30°～50°，最大可达80°，这种地形条件有利于汇集雨水，能够为泥石流提供较好的水源条件，且沟道内具有常年的流水，水流流量约3～6L/s，汇水及水源条件均较好。

1.1 泥石流汇水区（清水区）条件

清水区位于高程2100～2600m左右，相对高差约500m，平均纵坡降约321.6‰，清水区内山高坡陡，汇水面积2.26km2，区内坡面植被覆盖率较高，多以乔、灌木为主。区内地形地貌条件能够起到汇集大气降水及阻止地表水快速下渗的作用，并能保证地表水迅速汇集至流域沟道中，为泥石流的形成提供良好的水源条件。

1.2 泥石流形成流通区（物源区）条件

形成流通区位于高程1700～2100m左右，平均纵坡降约255.35‰，为明显的中山峡谷地貌，两岸岸坡高度一般100～600m，坡度一般30°～50°，最大坡度约80°，区内沟道弯曲、时宽时窄，沟道宽度一般在 3～6m左右，沟谷多呈“V”字型，存在多处跌水，形成流通区内由于坡度较陡，地震后岸坡岩体松动，表层松散物质大量存在，区内存在2处人工弃渣和多处崩滑塌现象，加之丰富的沟道堆积物源，是瓦扎乃曲沟泥石流爆发形成的主要物源来源。

1.3 泥石流沟口堆积区条件

堆积区位于泥石流沟沟口，高程1670～1690m之间，相对高差约20m，纵坡比降122.88%，主要为牛洛村三组居民的耕地及居住地，S103省道瓦扎乃曲沟桥函横跨沟道，堆积区长度约 230m，面积约0.07km2，堆积体厚度约 5～8m。堆积物岩性为块碎石土，大小混杂堆积，固结度较高，颗粒成分以白云岩及含砾砂岩为主，粒径以10～50cm为主、最大可达3.0m。

堆积区沟道相对较宽阔，沟道宽7～22m，侵蚀、切割较严重，沟道内目前基本无水流通过，由于该区主要为牛洛村三组居民居住生活用地，故区内受人类工程活动影响较大，一般表现为耕地和建房等，地形地貌受到较大破坏。

2 瓦扎乃曲泥石流形成条件

2.1 水源条件

2.1.1 降雨条件

根据《四川省中小流域暴雨洪水计算手册》所附暴雨量等值图，美姑县巴古乡地区的1/6h、1h、6h、24h多年最大暴雨量平均值分别为 12.5mm、35mm、60mm、70mm。变异系数分别为 0.35、0.40、0.40、0.35。通过暴雨手册可以了解到瓦扎乃曲泥石流不同频率下的雨强。从雨强信息可以看出美姑降雨量变化较大，其中1/6h可达12.55mm。暴雨为泥石流形成的基本影响因素。

2.1.2 流域汇流条件

1）水系和地形因素对汇水的影响。

瓦扎乃曲沟流域主要为深切割中山侵蚀地形，总体上地形陡峻，有利于降雨的汇聚。流域内主支沟沟谷纵坡较大，且表现出上游陡，向下游逐渐纵坡变缓的特点，谷宽则表现为从上游至下游逐渐变大的特点，这种特点控制下，流域水动力条件强大，输沙能力较强。

此外，流域内具有三条泥石流支沟，各支沟长度、纵坡、沟道形态特征表现出一定的差异性，因而各支沟汇水形成洪峰达到沟口的时间也呈现错峰到达的特点，这种汇水特征也决定了泥石流运动过程中主支沟峰值流量的叠加特点，当各支沟群发泥石流时，可能出现多峰和阵流的现象。

2）地层岩性分布对汇水的影响

从瓦扎乃曲沟流域地层岩性的分布情况看，上游各支沟沟源部位以基岩为主，覆盖层较薄，各支沟主要为崩坡积物分布，沟道局部平缓地段以及沟口牛洛村三组区主要为泥石流堆积物分布。

基岩出露区总体上有利于降雨形成地表径流，而松散堆积层分布区则滞水作用较强，部分降水补充地下水，因而相对不利于形成地表径流。

3）植被分布对汇水的影响

瓦扎乃曲流域内植被分布特征表现为：上游地区植被覆盖率较高，仅局部滑塌及坡面侵蚀对植被造成了一定程度的破坏；支沟一中下游地区植被覆盖率较低，局部受人类农业活动、放牧影响。

植被发育地区滞水作用较强烈，不利于降雨形成地表径流，而植被覆盖较差的地区则更加有利于地表径流的形成。从泥石流松散固体物源的启动情况和分布特征来看，森林植被发育的地区启动物源量相对较少，而森林植被相对稀少的地区启动和参与泥石流活动的物源量则较多，这种特征除与植被发育根固作用阻止起动外，也与植被发育区对降雨的滞水作用具有很大的关系。

2.2 物源条件

泥石流的形成与发生与充足的物源补给密切相关，瓦扎乃曲沟泥石流物源根据形成条件不同主要可分为：崩滑堆积物源（人工弃渣）、沟道堆积物源和坡面侵蚀物源三种。

根据勘查统计，瓦扎乃曲沟流域内崩滑类物源主要分布有14处（包括人工弃渣2处），坡面侵蚀物源分布3处。崩滑总量20.66×104m3，可能参与泥石流活动的动储量约3.25×104m3；沟道堆积固体物源总量为8.5×104m3，可能参与泥石流活动的动储量为2.7×104m3；坡面侵蚀固体物源总量为2.86×104m3，可能参与泥石流活动的动储量为 0.64×104m3。共计有松散固体物源量 32.02×104m3，可能参与泥石流活动的动储量为6.59×104m3。

3 瓦扎乃曲泥石流特征值参数

3.1 泥石流流体重度

3.1.1 现场配方法

本次勘查共在现场做了 6组现场称重试验，在现场由目击者配制和认定泥石流样品，最后算出泥石流容重。根据式：

表1 泥石流流体现场称重表

γc—泥石流容重（t/m3）；P1—桶与泥石流体总重（g）；P2—空桶重量（g）；V—桶内所盛泥石流体体积（cm3）；通过现场试验各数据如表1。

1）查表法。根据《泥石流灾害防治工程勘查规范》（DZ/T0220-2006）附录 G 泥石流沟易发程度数量化评分标准对瓦扎乃曲沟泥石流进行了评分，评分结果为115分，查表G.2得出泥石流流体重度为1.793t/m3，泥砂修正系数为1.932。

2）经验公式计算法。

根据蒋忠信教授《震后山地地质灾害治理工程设计概要》对泥石流重度以及泥沙修正系数进行估算；对泥石流重度大于 1.5t/m3的泥石流可根据黏粒含量 P05(粒径＜0.05mm，小数表示)和粗粒含量 P2（粒径＞2mm，小数表示）按余斌公式估算：

据试验数据分析，P05=0.053，P2=0.736，代入余斌公式得：

其中：γc—泥石流重度；γw—清水的重度；γH—泥石流中固体物质重度，取 2.4t/m3；经计算，泥石流泥沙修正系数：φc=1.69。

3）综合取值。由于瓦扎乃曲沟泥石流没有监测资料，只能通过配方法、查表法和经验公式计算三种方法来确定，而这三种方法又各有其特点。配方法只能对已发生过，且有人目击的泥石流进行测定，且测定结果只能代表当时的一次泥石流发生的结果，如本次勘查测定的瓦扎乃曲沟泥石流重度是参照2013年泥石流的情况测定的，由于此次泥石流发生时水量较少，属黏性泥石流，因而测定结果相对吻合。相对而言，查表法是在现状调查基础上带预测性的重度值结果，但查表法取值相对保守，经验公式计算法相对前两种方法有一定的可靠性，因经验公式是经过成千上万现场实验推导而出，具有一定的可靠性，且三种方法结果基本相同，因此本次泥石流重度的综合取值采用查表法、配方法和经验公式计算法取平均值作为本次泥石流流体重度的最终结果，即γc=1.88t/m ，φc=1.69

3.2 泥石流流量

3.2.1 雨洪法

1）清水流量计算。用该方法计算是选用《泥石流灾害防治工程勘查规范》（DZ/T0220-2006）中雨洪法计算泥石流流量，首先查《四川省中小流域暴雨洪水计算手册》附图2-1～2-8，附表6得到美姑县巴古乡地区10min、1h、6h、24h相应暴雨计算参数，并按下列公式进行计算：

首先计算频率为1%、2%、5%、10%的暴雨洪水设计流量Qp，按推理公式：

式中，Sp--某频率的雨力，mm/h。其计算式为：Sp=Htp·tn-1

Htp--设计频率最大t小时暴雨量；n--暴雨参数；τ--汇流时间,h。L --主沟长度，km；J --主沟底坡降，‰；F--流域面积，km2；μ--产流参数,mm/h；

计算过程如下：

汇流参数；m=0.221θ0.204=0.296

通过计算得出的瓦扎乃曲沟各断面部位暴雨洪峰流量值详见表2。

2）泥石流峰值流量计算。

式中，Qc—泥石流断面峰值流量（m3/s）；φ—泥沙修正系数，根据计算泥沙修正系数为1.69；Qp—暴雨洪峰流量（计算结果见表 2）；Dc—堵塞系数，按勘查规范表 I.1查表确定堵塞程度为中等，其值为1.8。

据此，采用雨洪法求得泥石流峰值流量如表3。

表2 瓦扎乃曲沟暴雨洪峰流量计算表

表3 瓦扎乃曲沟泥石流峰值流量计算表

3.2.2 形态调查法

对已发生的泥石流流量可采用形态调查法进行计算，根据调查得到的泥石流泥位及据此求得的泥石流流速，再乘上调查求得的过流断面求取泥石流流量。

形态调查法计算公式为：Qc=WcVc

式中Qc—泥石流断面峰值流量（m3/s）；Wc—泥石流过流断面面积（m2）；Vc—泥石流断面平均流速（m/s）。

由于泥石流重度为1.88t/m3，为黏性泥石流，因此其流速采用铁二院黏性泥石流计算公式：

式中：Vc—泥石流流速（m/s）；Hc—平均泥深（m）；Ic—泥位纵坡率，以沟道纵坡率代替。

nc_——黏性泥石流河床糙率，根据《泥石流灾害防治工程勘查规范》（DZ/T0220-2006）表I.4。

并根据蒋忠信教授《震后山地地质灾害治理工程设计概要》中采用弯道超高差对流速反算进行复核；V=｛Rg{[Δh/B-tanφ-c/(Hγc o s2θ)]｝据此求得各断面位置泥石流流速特征值详见表4，泥石流流量计算结果详见下表5。

表4 瓦扎乃曲沟泥石流流速计算表

表5 瓦扎乃曲沟泥石流流量形态调查法计算表

3.2.3 综合取值

通过表3和5的计算结果，采用形态调查法求得的泥石流峰值流量计算结果P=5%的雨洪法求得的结果相差不大，但采用形态调查法计算结果没有暴雨频率的概念[1]，仅能代表当次泥石流的特征值，并且由于年代久远当次泥石流痕迹调查误差很可能较大，而雨洪法则根据现有沟域面积、沟域植被发育分布情况和径流系数进行计算，具有预测性质，因此，泥石流峰值流量采用表3雨洪法计算求得的结果。

3.3 一次泥石流过流总量

一次泥石流过流总量按照《泥石流灾害防治工程勘查规范》（DT/T0220-2006）附录I提供的计算公式进行计算：

式中，Q—一次泥石流过程总量（m3）；T—泥石流历时（s）；Qc—泥石流最大流量（m3/s）；

据上节计算结果，2006年瓦扎乃曲沟泥石流为近期发生的规模相对较大的一次泥石流，对比断面法计算结果，其流量相当于P=5%的雨洪法计算的峰值流量，综合确定泥石流峰值流量为86.38m3/s；据访问，泥石流集中历时约15分钟，即T900s；按上式计算的本次泥石流冲出量为Q=2.05×104m3。

3.4 一次泥石流固体冲出物

一次泥石流固体冲出物按照《泥石流灾害防治工程勘查规范》（DT/T0220-2006）附录I提供的计算公式进行计算：

式中QH—一次泥石流冲出固体物质总量（m3）；Q—一次泥石流过程总量（m3）γc—泥石流重度（t/m3）；γw—水的重度（t/m3）；γH—泥石流固体物质的重度（t/m3）。

据前面的计算结果和分析测试结果，瓦扎乃曲沟 2006年泥石流暴发时泥石流冲出量为 Q=2.05×104m3，泥石流重度γC=1.88t/m3，水的重度γW=1t/m3，泥石流固体物质重度γH=2.4 t/m3，据此计算出一次性固体物质冲出总量为QH=1.29×104m3。

4 瓦扎乃曲泥石流防治措施

瓦扎乃曲沟泥石流治理思路主要以拦排结合，通过拦挡坝稳固沟内堆积物源，并有一定库容量拦截泥石流固体物源，并调节下游洪峰流量，同时在沟口段修建排导槽，确保洪峰安全通过，不至对沟口民房再次造成危害。

治理方案：拦砂坝+排导槽+单边防护堤。

因瓦扎乃曲沟流域内物源储量丰富，其主要来源为沟道两侧松散崩、滑塌物源及沟道堆积物源，针对这一特征可在形成流通区下游地形宽缓地段设置 1～2级，拦蓄泥石流固体冲出物，通过回淤压脚降低沟道坡降及固体冲出物；以及针对堆积区沟道冲刷、切割严重，可修建排导槽（铺底），为保护右侧居民在堆积区右岸修建单边防护堤与排导槽相连，将拦挡后剩余泥石流流体直接引向美姑河排泄。