典型冲沟型泥石流动力学特征——以四川省泸定县麻沙坡沟为例

徐如阁，铁永波，巴仁基

(中国地质调查局成都地质调查中心，四川成都 610081)

0 引言

根据集水区地貌特征，可将泥石流分为沟谷型泥石流和坡面型泥石流［1］。传统观点［1－6］认为坡面型泥石流沟流域面积一般在1～2 km2以下，沟槽发育不完善，沟道浅短，纵比降大，无支沟，沟床比降与山坡坡度接近，无明显受水区、堆积区和流通区，流通区不易和形成区区分，泥石流运动过程沿山坡或冲沟进行，成灾规模小，重现期长，无重复性;沟谷型泥石流沟谷面积较大，水系发育完整，沟道长，纵坡缓，泥石流的形成区、流通区和堆积区明显，泥石流运动过程沿一条发育较为完整的河谷进行，一般成灾规模大，重现期短，能重复发生。倪化勇根据斜坡地貌演化和侵蚀沟发育过程，提出将介于沟谷型泥石流和坡面型泥石流之间的泥石流类型划分为冲沟型泥石流［7］;冲沟型泥石流具有流域面积小，流域边界不明显，沟床比降大，主沟长度短、沟谷深度不大、泥石流规模小等特征。

目前，泥石流的划分方法主要为二分法［1－2］，即划分为沟谷型泥石流和坡面型泥石流，沟谷型泥石流研究资料十分丰富，坡面泥石流研究资料相对匮乏，而冲沟泥石流主要放在坡面泥石流中进行研究［8］，其研究资料更加稀少。倪化勇利用人工降雨条件下泥石流起动试验对冲沟型泥石流的形成机理和形成特征进行了研究［9］;连惠邦根据渠槽试验提出了适用于冲沟型泥石流体积浓度的计算公式［10］;杨栓成等对冲沟泥石流成因机制进行了研究并用沟谷泥石流经验公式计算了其动力学参数［8］，但未说明选用公式的理由，也未对计算结果进行验证。本文通过对冲沟泥石流沟谷特征和泥石流形成过程进行分析，发现其沟谷特征和泥石流形成过程与沟谷泥石流具有较大的相似性，因此采用沟谷泥石流的动力学经验公式计算其动力学参数，并用现场调查结果来验证计算结果，验证结果表明采用沟谷泥石流的动力学经验公式来计算冲沟型泥石流动力学参数是可行的。

1 地质环境背景

麻沙坡沟位于大渡河河谷地区(见图1)，海拔分布范围为 1250～2100m，流域面积仅为0.23km2，但沟口到源头海拔高差达到780m，沟床比降达615‰。流域内地形陡峻，坡降大，岸坡坡度35°～50°，属于高中山地貌。麻沙坡沟流域内地貌格局受构造和岩性的制约，地壳的强烈上升形成了深切的沟道，呈“U”和“V”型［11］，沿岸存在几处较大滑坡、崩塌。

图1 麻沙坡沟位置图Fig．1 Geographical location of Mashapo Groove

麻沙坡沟处于中部隆起区，安宁河断裂带、鲜水河断裂带和龙门山断裂带在流域附近交汇。SN向的大渡河断裂带南段——得妥断裂，通过该沟的上游;NW向的金坪断裂从该沟的沟口通过(见图2)，龙门山断裂带的尾部收敛于该沟沿大渡河向下约2km的冷碛镇［12］。

气候上，该沟具有泸定县城区域上典型气候特征，年平均降水量 664.4mm，年最大降水量795.4mm(1964年)，日最大降水量为72.3mm，且雨量多集中在6～8月，占全年降水量的60%左右。

麻沙坡沟属间歇性河流，仅在雨天时有流水，流量随降雨变化明显。流域内森林植被覆盖率高且分区明显;上游区域由于地势较为平缓，植被以森林为主，少量为耕地;中游－下游山坡坡度较大，植被以灌丛和草地为主;堆积扇开垦为农田并修有公路和居民居住。

2 泥石流基本特征

通过野外调查，麻沙坡沟在1955年和2005年发生过泥石流，其中2005年泸定县遭遇强降雨过程，导致全县境内泥石流群发。2005年麻沙坡沟泥石流，致使沟口及下游数十家居民房屋及耕地遭到破坏，造成严重灾害，直接经济损失15万元。该沟还曾在1955年暴发过一次类似规模的泥石流。泥石流威胁12户居民56人及杵坭乡卫生院，总资产约150万。

2.1 沟谷特征

麻沙坡沟主沟长1.27km，主沟以“U”型谷为主，沟宽3～8m，无冲沟和支沟。沟道上游植被茂密，可见基岩出露;中游主要为冰碛台地，冰碛物半胶结，易失稳;下游沟道平直，可见基岩出露;根据沟道特征可将其划分为清水区、形成区、流通区和堆积区。

麻沙坡沟清水区面积约0.056km2，沟道高程范围约为1900～2100m，该区植被覆盖较好，沟道两岸可见基岩石出露，岩性为石英闪长岩。清水区沟道总长约395m，沟道比降为506‰，以“V”型谷为主，沟床平均宽度约3m。该区域植被覆盖良好，清水汇集方式主要为山坡型。虽然坡面残积物分布较广，但基本被植被根系所固定，所以汇流区地表松散物质对麻沙坡沟泥石流的贡献不大(见图3)。麻沙坡沟形成区主要分布在主沟的中上游及中下游段，区域面积约0.12km2，高程范围为1440～1900m，物源区沟道长为665m，沟道比降为692‰。物源区沟道两岸坡度陡，呈“U”型谷，部分沟道为“V”型谷，沟床较宽，平均宽度约5m(见图 4)。区内松散物源主要为残坡积物、冰川堆积物()及沟道堆积物()。残坡积物为碎块石土，平均厚度为1.0～1.5m;冰川堆积物为含漂石角砾混砂土(见图5)，主要集中在中下游1500～1610m范围内，平均厚度6～7m，最厚处超过10m;沟道冲洪与泥石流堆积物为含漂卵石砂土，沿着主沟沟道广泛分布，平均厚度为0.5～1.0m。麻沙坡沟形成区的松散物储量约为35.1×104m3，其中，强活动性物源(一次泥石流最大可能提供的物源量)储量达7.5×104m3。

图3 上游沟道特征Fig．3 Channel characteristics of the upstream of Mashapo Groove

图4 中下游沟道特征Fig．4 Channel characteristics of the midstream and downstream of Mashapo Groove

流通区位于麻沙坡沟的下游段，沟道高程范围1340～1400m，全长仅175m，面积约0.016km2，沟道平均宽度约6～8m，沟道纵比降为571‰，两岸和沟谷底部均可见基岩出露，岩性为钾长花岗岩。沟道呈“V”字形，但沟道较上游浅且宽，沟道两侧岸坡多为风化的基岩，较稳定，可提供的松散物很少。

堆积区总长440m，总面积约0.04km2，高程分布范围1250～1340m，沟道纵比降为205‰，沟道平均宽度3.5m，局部修筑有排导工程，该段未见基岩出露。由于麻沙坡沟沟道出现较大的转折，泥石流冲出沟道主要堆积在麻沙坡坡脚的沟口位置，沿沟道向下游扩散约160m，向外扩散约60m，为2005年泥石流的主堆积区，主要为含漂卵石砂土。

2.2 物源补给特征

麻沙坡沟上游植被覆盖良好，虽然坡面残积物分布较广，但基本被植被根系所固定，而下游基岩出露，因此上下游为泥石流发生所提供的物源量较少。中游沟道两岸的土质岸坡是泥石流固体物质的主要来源。其中，冰川堆积体在物源区较为集中，主要分布中游沿沟道150m左右长度范围内，沟道两岸均有分布，厚度较大，当堆积体的基脚遭到水流的侵蚀时，便很容易发生坍塌进入沟道(见图6)，成为泥石流的固体物质来源，其储量约15.0×104m3，占固体松散物质总量的42%以上。

2005年麻沙坡沟泥石流物源补给方式为中游冰川堆积体发生滑坡进入沟道形成主要物源，水流冲蚀沟岸及河床形成次要物源。

2005年6月30日麻沙坡沟泥石流爆发的前30天，该地区 17天有降雨，累计降雨量达126.5mm，其中前3天和前5天累计降雨量分别达到19.7mm和44.3mm，6月28日和30日两天又有较大降雨，雨量分别为19.4mm和

图5 冰碛物特征Fig．5 Moraine characteristic

图6 中游沟岸失稳Fig．6 Collapse of midstream bank slope of Mashapo Groove

2.3 泥石流形成过程

17.1 mm［9］。前期降雨使得沟谷两岸的冰川堆积体含水量增大，土体中孔隙水压力上升，塑限和液限降低，土体粘滞力和内摩擦角减小，从而导致稳定性降低，当堆积体的基脚遭到水流的侵蚀时，便很容易发生坍塌进入沟道，成为泥石流的固体物质来源，当日中等强度的降雨，已充分满足泥石流形成的水源条件，最终使中游冰川堆积体发生滑坡进入沟道形成泥石流。

通过对麻沙坡沟口左岸居民李发清的访问，2005年泥石流持续时间总共约1小时，流体呈稀粥状并含有碎块石和卵砾石，泥石流发生时伴有“轰轰”的响声，很快冲到沟口。在该住户家客厅和厨房的墙上仍留有2005年泥石流发生后留下的高1.2m的泥痕，屋后面仍留有此次泥石流携带的粒径4.2m的大漂石。

3 泥石流动力学特征

泥石流的动力学特征参数主要为流速、流量、撞击力、输沙量。该动力学参数值直接反映了泥石流发育规模、破坏强度、灾害规模与范围［13］。

冲沟型泥石流虽然具有坡面泥石流特征且沟道短浅，但其沟谷特征与典型沟谷泥石流沟谷特征相似，且其泥石流的发生和发展与典型沟谷泥石流形成特征相似。根据现场访问，麻沙坡沟泥石流具有较快的流速，而坡面泥石流往往具有很小的流［14］。因此，本文采用典型沟谷泥石流动力学公式来计算冲沟型泥石流动力学参数，并将结果与现场调查数据进行对比。

3.1 流体重度

泥石流流体重度是由泥石流流体中的固体物质的重度及含量来决定，由于泥石流固体物质的含量为泥沙及砾石，比重差别不大，因此其含量是决定其重度的主要因素。

γc为泥石流流体重度，cd为泥石流流体体积浓度，ρs为泥石流固体物质比重，ρ为水体的比重。

由于麻沙坡沟沟床比降很大(大于18.8°)，传统的计算泥石流体积浓度经验公式不适用，本文采用台湾逢甲大学连惠邦［9］推导的适合纵坡大的公式:

其中:

cm为溪床面静止泥沙之最大泥沙体积浓度;tanα为动摩擦系数，当水流处于完全惯性区时，tanα≈0.32;θ为溪床倾斜角度;ξ为综合因子，它是静摩擦系数、泥沙颗粒形状、级配、排列及其粘聚特性等因素综合影响的修正系数。

选取 cm=0.604，tanα =0.32，ξ=0.25，ρs=2.72，ρ=1.0，tanθ=0.667，计算结果为 cd=0.41，γc=1.71g/cm3。

根据现场多名村民描述，麻沙坡沟泥石流稠度特征呈一定浓度的稀粥状，根据现场实际调查分析，泥石流堆积物中的碎砾石及粘粒含量较大，可以判定密度在1.60～1.80g/cm3之间，与计算结果一致。

3.2 流速

根据东川泥石流改进的粘性泥石流通用公式(3)［1］计算麻沙坡沟泥石流流速:

Vc为泥石流断面平均流速(m/s);Hc为泥石流断面泥位高度(m);Ic为泥石流水力坡度(‰)，一般可用沟床纵坡代替;K为粘性泥石流的流速系数。Hc取泥位为1.0m，Ic水力坡度为0.571，K粘性泥石流的流速系数取10，则麻沙坡沟泥石流的流速为8.94 m/s。

3.3 流量

假设泥石流与暴雨同频率、且同步发生，先按水文方法计算出断面不同频率下的小流域暴雨洪峰流量Qp，然后选用堵塞系数和泥砂修正系数，按公式(4)［1］计算泥石流流量Qc:

首先，计算麻沙坡流域内泥石流沟洪水流量Qp。取暴雨时的最大洪峰流量，按推理公式(5)［1］:

计算所得的泥石流最大流量如表1所示。

表1 雨洪法计算泥石流流量Tab．1 Debris flow discharge calculated by the storm flood method

3.4 一次泥石流总量及输砂量

一次泥石流总量Q可通过形态调查法和经验公式法计算确定。经验公式计算法根据泥石流历时T(s)和最大流量Qc(m3/s)，按泥石流暴涨暴落的特点，将其过程线概化成五角形计算，按公式(6)［1］计算一次泥石流总量 Q(m3)。

当 F＜5km2，K=0.202，一次泥石流冲出的固体物质总量QH(m3):

麻沙坡沟流域面积 F为0.23km2，取 K=0.202，γc为泥石流重度，γH为固体物质比重取2.70g/cm3，γw为清水重度取 1.0g/cm3。根据计算，得到不同频率下的一次泥石流过程总量与冲出固体物质总量(见表2)。

采用形态调查法在泥石流沟道中选择测流断面，查找泥位、测量泥石流的过流断面，按公式(8)求泥石流断面峰值流量Qc:

其中断面宽约4.8m，泥位约0.65m，计算得2005年麻沙坡沟泥石流最大流量为27.89 m3/s。

表2 一次泥石流过程与固体物质总量表Tab．2 Solid material volume in a debris flow

2005年麻沙坡沟泥石流堆积物约为20000m3，通过与一次泥石流冲出的固体物质总量、泥石流最大流量计算结果与调查结果进行比较，推定其爆发频率为20年一遇;根据气象资料，当日降雨量仅为中等强度降雨，据巴仁基等［15］计算，降雨强度不到30年一遇，与推定的泥石流爆发频率相当。因此，冲沟型泥石流动力学参数可以采用典型沟谷泥石流动力学计算公式来计算，其结果较为合理。

4 结语

(1)麻沙坡沟流域面积为0.23km2，沟床比降为615‰，沟宽4～6m，沟深2～3m，是一条典型的冲沟;其具有沟谷泥石流沟的形态特征，存在明显的清水区、物源区、流通区和堆积区;分析麻沙坡沟泥石流的物源补给特征和降水特征，发现该泥石流形成过程与典型的沟谷型泥石流形成过程相似，且泥石流流速较快。因此认为，麻沙坡沟泥石流具备采用沟谷型泥石流动力学公式计算其动力学参数的条件。

(2)根据雨洪法计算麻沙坡沟泥石流最大流量和固体物质总量，计算结果与现场调查结果一致，因此认为沟谷型泥石流动力学经验公式适用于冲沟型泥石流。

(3)冲沟型泥石流是山坡型泥石流与沟谷型泥石流的中间阶段，具备山坡型泥石流和沟谷型泥石流的双重特征，其沟道至堆积扇纵坡变化较大，泥石流冲出沟口会与地面发生撞击，造成能量损失，因此其冲出沟道后的相关动力学参数如何计算，应当加强探索与研究。

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