双家沟泥石流特征及防治措施研究_苏培东.pdf

泥石流具有爆发突然、来势迅猛、破坏性极大等特点，一旦发生将给工程建筑设施带来巨大威胁。双家沟为一条较为活跃的泥石流沟，通过现场踏勘、区域资料收集、室内试验，分析总结双家沟泥石流的发育特征，计算相关的动力学特征参数，包括泥石流的容重、流速、流量及一次泥石流总量，据此对泥石流的易发性进行评价。研究表明：双家沟属于轻度易发性泥石流沟，为中频稀性泥石流，现状处于泥石流的发展期，需采取相应的防治措施。关键词：双家沟泥石流；大渡河流域；发育特征；评价方法；运动特征中图分类号：P642.23文献标志码：A文章编号：1003 8825(2023)03 0187 07 0 引言我国西南山区是泥石流爆发频繁的地区，尤其在沟谷切割的山区河流地带，如大渡河流域1。大渡河是长江的主要支流之一，其流域地形、地质条件复杂，大部分为高山峡谷地貌，相对高差悬殊，新构造运动强烈，地震频发。大渡河流域暴雨频繁，滑坡、崩塌、泥石流等山地灾害频发2。双家沟位于大渡河南侧，处于川西高原与四川盆地的过渡地带，海拔悬殊，河谷深切，地形多变，历史上为一条较为活跃的泥石流沟。2012 年和 2018 年先后暴发过 2 次泥石流灾害，2018 年7 月 29 日发生的泥石流，造成已建拦砂坝淤满，泥石流固体物质在排洪沟弯道处冲出沟道，淤积在雅西高速公路隧道口导致交通中断。2018 年后新建泥石流排导槽将泥石流排导至拟规划场地，若双家沟再次发生泥石流，泥石流可能会沿排导槽冲出至场地，将对拟规划产业园场地造成威胁。本文通过现场调查、原位试验，运用特征参数计算法分析泥石流特征及发展趋势，综合评价其影响程度，并根据泥石流暴发特征提出防治对策。1 双家沟泥石流形成条件 1.1 地形地貌地形地貌是决定地质灾害的重要条件3，双家沟所处石棉县大地构造处于川西高原与四川盆地过渡带，区域内山脉水系多顺构造迹线呈南北向展布，山高坡陡，沟谷纵横深切，河流溪谷切割突出，区域地貌为川西南深切割山区，河流均属大渡河水系。地形地貌严格受构造制约，所属地形地貌为中山缓脊宽谷地形，山头多呈浑圆状，山脊呈长垅状，水系一般呈树枝状；两岸山顶高程约1 5002 500 m，相对高差 1 0001 500 m。双家沟流域遥感成像，见图 1。#1沟排导槽京昆高速京昆高速大渡河流域范围#3沟#4沟#2沟图1双家沟流域遥感成像 石棉县地势为西南高、东北低，西南部地势高俊挺拔，起伏变化大，大渡河出口处为最低点，海拔 780 m，河谷平坝主要位于大渡河沿岸4。1.2 地质条件双家沟处于川滇构造体系东部亚带的北端，区内地质构造背景复杂。地质历史上经历了多次不同时期、不同序次的构造运动，形成了如今以北西向构造为主体，东西向、南北向不同序次构造形迹共存的网格状构造格局，区域断层发育情况，见图 2。对工程区影响较大的断层主要有两条，分别为石棉 收稿日期：2023 01 16作者简介：苏培东（1973），男，四川眉山人。教授，博士生导师，主要从事地质灾害方面的研究工作。E-mail：。苏培东，等：双家沟泥石流特征及防治措施研究 187 马前门断层和美罗断层，石棉马前门断层自西北向东南穿越该区西部，而美罗断层自北而南穿越该工程区东缘5。活动断裂逆断层走滑断层大渡河工程区位置408 km美罗断层石棉马前门断层图2区域段层发育情况 Qel+dl4Qal4Qpl4区内第四系地层分布较为广泛，成因、类型及结构比较复杂，厚度变化较大。按成因可分为三种类型：第一类为残坡积块碎石土堆积（），广泛分布于大渡河两岸斜坡山麓地带；第二类为河流堆积物（），主要分布于现代河床及阶地，以漂卵石，砂砾石层为主，局部夹砂层或砂层透镜体；第三类为洪积物（），主要分布在冲沟沟口，以块石及碎块石土为主，地貌上多为洪积扇、洪积锥、高台地。1.3 气象与水文双家沟的降雨量、气温等因素和地区性在不同海拔高程上变化显著6。多年平均降雨量 664.4974.8 mm；最高值 920.3 1 454.9 mm，年平均蒸发量 1 248.2 mm。海拔大于 2 000 m 地域，多年平均降雨量 830.31 093.6 mm；降雨强度分配不均，暴雨多集中在每年 59 月份，占全年降雨量的 83%，59 月份降雨量 615.0 657.8 mm（流域内月平均降雨量，78 月份可达 170.0247.1 mm），这段时期多暴雨或阵雨。地形坡度大，水土流失较严重，具有形成泥石流的物源基础。双家沟工作区位于大渡河东北侧，大渡河为岷江最大二级支流，在石棉县境内长 79 km，平均比降 3.31，年平均径流入境总量 330.56 亿 m3。境内大渡河水系流域面积在 30 km2以上的支流有27 条，总长 530.6 km7。2 泥石流基本特征 2.1 沟道特征双家沟泥石流处于川西高原与四川盆地之间的剥蚀、侵蚀构造中高山区。沟谷流域地形地貌条件、沟谷形态是影响泥石流形成和运动的重要因素，主要为沟床比降和山坡坡度8。泥石流流域山高坡陡，平均坡度在 35以上，沟谷纵坡较大，特别是主沟上游段及各支沟纵坡多在 400 以上，有利于降雨的汇集；流域内主要发育 4 条冲沟，双家沟流域沟道分布特征，见表 1。表1沟道分布特征沟道流域面积/km2沟长/m纵坡降/最大高程/m最低高程/m相对高差/m#10.129305361 330890440#20.137146751 325925400#30.115716461 240930310#40.147125851 280920360#1 沟为区域主沟，是区域汇聚和排泄地表流水的第一通道。#1 沟上部分布有多个公路弃渣形成的坡面物源，这些松散的丰富物源可直接补给泥石流。高程 1 020 m 以下至双家沟沟口段为泥石流的流通区，表现出既冲又淤的特征，但以停淤为主。其他冲沟平时水量较小，暴雨时流量增大，为季节性冲沟，具有骤涨骤落的山溪水流特征，下游最终汇入大渡河。2.2 物源特征双家沟泥石流主体物源分布较分散，主要分布于 4 条泥石流沟的交汇处。物源分布示意，见图 3。类型包括沟道物源、崩塌物源、滑坡物源和坡面物源等四类。沟道物源主要为之前的泥石流堆积，具备一定密实度和固结度，以块石、碎石为主；崩塌物源主要为沟道两边形成大小不等的危岩体；滑坡物源多为沟道两侧潜在不稳定斜坡塌滑或局部垮塌的土体；坡面物源主要为盘山公路切方边坡、人工清理形成的土体堆积物。坡面物源在足够水动力的裹挟下，将堆积在沟道内，与沟道物源一起形成结构松散、以块碎石和砾石为主、以泥石流揭底铲刮为主物源起动模式9的稀性泥石流。流域范围沟道物源崩塌物源滑坡物源坡面物源00.10.2 km4#沟3#沟1#沟#2 沟排导槽拦档坝N图3双家沟流域物源分布示意路基工程 188 Subgrade Engineering2023 年第 3 期（总第 228 期）根据野外调查，双家沟泥石流流域内可起动物源共 24 处，泥石流物源统计，见表 2。双家沟泥石流的主要物源为坡面物源。表2泥石流物源统计万m3储量滑坡物源崩塌物源坡面物源沟道物源合计静0.18720.01251.97300.66122.8339动0.08240.00500.98660.33061.4046 3 泥石流关键运动特征值计算 3.1 容重泥石流容重指单位体积泥石流流体的重量，可通过现场配比试验获得，可与查表法确定的泥石流容重互相对比，以选取合适的计算泥石流容重10。通过对泥石流沟易发程度数量化评分，双家沟泥石流为 84 分，根据规范查得双家沟泥石流沟冲出泥石流容重为 1.579 g/cm3，双家沟爆发的泥石流为稀性泥石流。3.2 流速与流量泥石流流速指泥石流流体在通过某一断面处时的平均速率，由于不同断面的沟床比降和糙率不同，流速变化很大，选取两个典型断面计算流速，动力学特征值典型断面，见图 4。稀性泥石流根据规范公式计算11，确定不同设计频率下的断面流速，见图 5。断面断面图4动力学特征值典型断面 1.131.251.371.481.571.662.012.212.412.622.782.9300.51.01.52.02.5泥石流流速Vc3.03.520.010.05.02.01.00.5设计频率P/%断面2断面1图5不同设计频率下的断面流速 泥石流流量指泥石流在某一断面处的峰值流量，计算方法有形态调查法和雨洪修正法。形态调查法通过实际发生泥石流留下的泥痕断面，实测过流断面面积并乘以所在部位流速从而获得流量；雨洪修正法是在计算出清水流量的基础上，根据泥石流容重、堵塞系数进行计算确定12。本次勘查采用小流域设计洪水的推理公式计算泥石流流量13。根据四川省中小流域暴雨洪水计算手册，双家沟泥石流沟域暴雨洪峰流量计算结果，见表 3。表3双家沟泥石流暴雨洪峰流量Qp计算结果（m3s1）计算位置 P=20.0%P=10.0%P=5.0%P=2.0%P=1.0%P=0.5%断面6.528.3710.2312.8714.8217.03断面6.578.4310.2912.9414.9017.11 根据暴雨洪峰流量计算泥石流洪峰流量，由式（1）和不同断面的堵溃系数取值，分别计算不同断面不同降雨频率下的泥石流洪峰流量，见表 4。Qc=(1+)QpDc（1）式中：Qc为泥石流断面峰值流量，m3/s；为泥砂修正系数，取 0.567；Qp为暴雨洪峰流量；Dc为堵塞系数，取 1.2。表4不同降雨频率下的泥石流洪峰流量Qc（m3s1）计算位置 P=20.0%P=10.0%P=5.0%P=2.0%P=1.0%P=0.5%断面12.2715.7519.2324.2127.8732.03断面12.3515.8419.3524.3428.0232.17 3.3 一次泥石流总量及固体冲出量由于泥石流比一般洪水更具暴涨暴落的特点，一次泥石流过程一般均比较短，泥石流过程线可以概化成五边形14，一次泥石流过流总量、固体冲出量按照式（2）、式（3）计算，不同频率泥石流过程总量计算，见图 6。0.2680.3820.5830.881.3511.7470.0970.1380.2110.3180.4890.6320.2690.3840.5860.8851.3581.7540.0980.1390.2120.320.4920.63520.010.05.02.01.00.5不同频率/%断面1 Q断面1 QH断面2 Q断面2 QH图6不同频率泥石流过程总量计算 Q=0.264TQc（2）QH=Q(cw)/(Hw)（3）式中：Q 为一次泥石流的总量，m3；T 为泥石流历时，s；Qc为泥石流的洪峰流量，m3/s。QH为一次泥石流冲出固体物质总量，m3；c为泥石流重度，苏培东，等：双家沟泥石流特征及防治措施研究 189 t/m3，取 1.738；w为水的重度，t/m3，取 10.000；H为泥石流固体物质的重度，t/m3，取 2.600。3.4 排导槽泥石流抛射分析既有排导槽呈上部缓、中部陡、下部较缓的形态，泥石流从上部缓段流至中部陡段时，可能会存在抛射运动，其运动距离与泥石流流速成正相关。既有排导槽抛射段为混凝土沟槽，糙率系数取0.017，通过泥深与流量迭代计算，确定各断面排导槽泥石流抛射流速，见表 5。表5排导槽泥石流抛射流速设计频率P/%20.010.05.02.01.00.5流体平均泥深Hc=R0.290.330.370.430.440.45清水沟床糙率值Mc=1/n58.82 58.82 58.82 58.82 58.82 58.82主沟纵比降Ic/143143143143143143泥石流流速VC6.206.757.298.068.188.30 根据斜抛运动的基本运动学方程，不考虑泥石流在抛射过程中的阻力，不同频率的泥石流在上部平缓段至中部陡段的沟道泥石流抛射轨迹，见图 7。不同流速泥石流的抛射轨迹均不会抛射入拟规划的产业园场地。P=0.5%既有排导槽用地红线P=1.0%P=2.0%P=5.0%P=10.0%P=20.0%图7沟道泥石流抛射轨迹 4 危害性评价及发展趋势预测 4.1 泥石流灾害史及易发性评价双家沟沟谷切割强烈，岸坡陡峻，受强降雨的影响，沟谷两岸坡表发生垮塌，垮塌固体松散物质形成泥石流主要物源。通过现场调访可知，2012年与 2018 年均暴发过泥石流灾害，泥石流暴发的规模较大，可确定该沟属于中频的小型稀性沟谷型泥石流沟。其中，2018 年爆发的泥石流危害最大，2018 年 7 月 29 日凌晨 5 点，受长期大规模降雨影响，斜坡坡表松散物质发生垮塌，垮塌物质随流水搬运至冲沟，从而爆发泥石流，灌进隧道，淤塞路基基础和石棉隧道。目前，泥石流沟上游物源区沟道内及斜坡处仍存在大量可供泥石流启动的物源，且沟域内雨强完全满足激发泥石流的条件，经泥石流基本特征分析，双家沟泥石流易发程度评分为 84，易发程度属轻度易发，再次暴发泥石流的可能性大。由于双家沟区域构造处于抬升区，沟谷下切和侧蚀作用强烈，地震活动强烈，乡村公路修建开挖山体会增加沟域内松散固体物源，当再次遇到集中暴雨时，仍可能会发生洪流及暴发小-中型规模泥石流的可能性，双家沟沟口拟建的工业园区直接受到该泥石流的威胁。4.2 泥石流发展趋势根据泥石流形成的地形条件、物源条件、水源条件及现状实际情况，双家沟流域物源较丰富，地形陡峻，同时又有充沛的降雨条件，一旦在强降雨条件下失稳补给泥石流，会对下游工业园区构成严重危害。根据泥石流的活动性调查及活动强度判别，得出该泥石流沟处于易活动区，且活动性强，可形成小型的泥石流灾害，目前双家沟泥石流所处发展阶段为发展期（壮年期）。4.3 泥石流对拟建构筑物的影响泥石流排导槽出口堆积幅角与长度计算采用水电工程泥石流勘察与防治设计规程（NB/T101392019）11附录 D.4 推荐公式R=47.82961.3085D+80876H（4）l=8.71(Vc/lnc)1/3（5）c式中：R为泥石流堆积幅角，（）；D为主沟长度，km，取 0.9；H为流域最大高差，km，取0.45；l 为一次泥石流最大堆积长度，m；V为一次泥石流固体物质冲出量，m3；为泥石流容重，t/m3。场地垫高后，泥石流排导槽出口堆积范围计算结果，见表 6。表6排导槽出口堆积范围频率/%一次固体物质冲出量/m3泥石流重度/（tm3）泥石流最大堆积长度/m20.010001.579134.0810.014001.579149.99 5.021001.579171.69 2.032001.579197.57 1.045001.579221.35 0.552001.579232.28 泥石流堆积体形态及范围，见图 8。不同频率的泥石流均会堆积在建设用地红线内，并且会影响拟建的道路与厂房，表明厂区部分道路与厂房将受到潜在威胁，因此，需要对双家沟泥石流进行防治。路基工程 190 Subgrade Engineering2023 年第 3 期（总第 228 期）用地红线既有排导槽Q4mlQ4lQ4mlQ4mlZakP=0.5%泥石流P=1.0%泥石流P=2.0%泥石流P=5.0%泥石流P=10.0%泥石流P=20.0%泥石流P=0.5%泥石流P=1.0%泥石流P=2.0%泥石流P=5.0%泥石流P=10.0%泥石流P=20.0%泥石流图8不同频率泥石流出口处堆积范围 5 防治对策拟建工业园区属于二级建筑物，参考泥石流防治工程设计规范（试行）（T/CAGHP 0212018），防治工程安全等级为二级，相应的治理工程主体工程设计标准应按 50 年一遇的降雨强度设计。5.1 治理方案双家沟泥石流流域高差大，物源动储量约1.06 万 m3，鉴于流通区已经建有保护雅西高速的拦挡坝与排导槽，流通区设计防治工程的条件有限，设计主要考虑在既有排导槽出口设计场地的防治工程15。由于既有排导槽沟口距大渡河 300 余米，坡降接近 3%，若在既有排导槽出口直接连接排导槽将泥石流排入大渡河，新建的排导槽会直接穿越场地，且坡降接近稀性泥石流不淤坡的最小坡降3%，泥石流可能会堵塞在新建排导槽中，并有可能溢出至场地，对场地造成威胁。因此，本次设计主要思路是在既有排导槽出口新建拦挡坝与停淤场，将泥石流进行拦截，再将水引流至大渡河，固体物质采用人工清淤，提出对双家沟泥石流采取“拦挡坝+停淤场+排水渠”的综合治理方案。5.2 拦挡坝双家沟拟设坝址部位泥石流 50 年一遇降雨（P=2.0%）冲出泥石流总量约为 0.89 万 m3，受用地面积限制，拦挡坝库容设计为不小于0.89 万m3。拦挡坝剖面设计尺寸，见图 9。WbWsWfFvFvl设坝体自重、土体重、溢流体重、扬压 力（未 折 减）、水 平 静 压 力；工 况不考虑地震，工况考虑地震；工况、为满库过流状态，工况、为半库过流状态，工况、为空库过流状态。拦挡坝的各工况荷载组合为：1.004.501.006.0010.7嵌固深度图9拦挡坝设计剖面（单位：m）WbWsWfFvFvl工况：+；WbWsWfFvFvlF工况：+整体冲击力；WbWsWfFvFvlF工况：+整体冲击力；WbWsFvFvlF震工况：+地震力；WbWsFvFvlF震工况：+地震力；WbFvF震工况：+地震力。根据各个工况的组合，按照抗倾覆、抗滑移的稳定性进行计算，拦挡坝的稳定性计算结果，见表 7，均符合要求。表7拦挡坝抗滑移、抗倾覆稳定性计算结果工况抗滑移抗倾覆安全系数计算 评价安全系数计算 评价基本组合（满库过流）1.201.86满足1.503.03满足（半空过流）1.201.78满足1.502.90满足（空库过流）1.201.68满足1.502.74满足特殊组合（满库+地震）1.071.26满足1.142.05满足（半库+地震）1.071.29满足1.142.10满足（空库+地震）1.072.85满足1.144.64满足 5.3 停淤场停淤场净高按 5 m 设计，埋入地下 2 m，高出地面 3 m，平面为扇形，占地面积为 4882 m2。停淤场及边墙设计，见图 10。新建排导槽AB段新建溢流坝新建停淤场边墙停淤场底（未铺底）新建拦挡坝图10停淤场及边墙设计示意 根据防治工程等级对停淤场的边墙稳定性进行验算，过程与拦挡坝稳定性验算类似，计算结果符合要求。根据泥石流防治工程设计规范苏培东，等：双家沟泥石流特征及防治措施研究 191（T/CAGHP 0212018）对停淤场的地基承载力进行验算，其计算结果，见表 8，满足要求。表8停淤场边墙地基承载力计算结果工况地基容许承载力/（kNm2）基底宽度b/mmin最小地基应力/（kNm2）max最大地基应力/（kNm2）评价基本组合（满库过流）220.002.088.05155.55满足（半空过流）220.002.082.52157.13满足（空库过流）220.002.0113.91113.91满足特殊组合（满库+地震）220.002.088.05155.55满足（半库+地震）220.002.082.52157.13满足（空库+地震）220.002.0113.91113.91满足 6 结语本文通过现场调查和原位试验，运用特征参数计算法分析双家沟泥石流的特征及发展趋势，综合评价其影响程度，并根据泥石流暴发特征提出防治对策建议。（1）双家沟泥石流为中频稀性泥石流，判定该沟属轻度易发泥石流沟，现状处于泥石流的发展期（壮年期）。物源类型为滑坡物源、坡面物源和部分崩塌物源、沟道物源，总静储量约2.833 9 万m3，总动储量约 1.404 6 万 m3。（2）泥石流的危害性评价应根据泥石流发生特点综合评价，考虑因素较多，特征值计算应考虑全面。应对设计的拦挡坝和停淤场边墙进行稳定性验算，对停淤场地基进行稳定性验算。（3）大渡河流域由于构造活动强烈，断层较密集，且泥石流沟床比降大，物源储量丰富，类似于双家沟泥石流防治等工程宜采用拦挡坝+停淤场+排水渠的治理方案，将水排向大渡河，然后人工清淤固体物质。参考文献(References)：1 徐如阁,郑万模,巴仁基,等.大渡河流域泥石流发育特征研究J.人民长江,2013,44(S1):117 119,131.XU R G,ZHENG W M,BA R J,et al.Study on the developmentcharacteristics of debris flow in Dadu river basinJ.Yangtze River,2013,44(S1):117 119,131.2 丁俊,鄢毅,岳昌桐,等.四川省大渡河流域地质灾害分布及其发展趋势浅析J.中国地质灾害与防治学报,2007,18(增刊 1):22 25.DING J,YAN Y,YUE C T,et al.Analysis of the geological hazardsdistribution and 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of debris flow in Shuangjiagou,and calculates the relevant dynamic characteristic parameters,including the unit weight,flow rate,flow rate and the total amount of debris flow at one time,so as to evaluate thevulnerability of debris flow.The research shows that Shuangjiagou is a slightly prone debris flow gully,amedium-frequency rare debris flow,which is now in the development period of debris flow,and needs corres-ponding prevention and control measures.Keywords:Shuangjiagou debris flow；Dadu River basin；development characteristics；evaluation method；motion characteristics加入 OSID 声明 路基工程 已加入由国家新闻出版署出版融合发展（武汉）重点试验室发起的“OSID（Open Science ldentity，OSID）开放科学计划”。OSID 是一项面向中国学术期刊行业的开放科学公益计划，该计划旨在推动学术期刊出版行业的科研信息建设，促进科研成果交流传播，提升学术期刊的创新能力，扩大论文与期刊的学术影响力，建立各学科学术期刊的学术评价标准。路基工程录用的每篇论文，将匹配一个专属的 OSID 码，请作者查看投稿须知，注册开通 OSID 作者账号，配合完善开放科学内容。苏培东，等：双家沟泥石流特征及防治措施研究 193