九寨溝縣勿角鎮甲勿溝泥石流運動參數特征與堵河分析

蔣清明,郝紅兵,楊學之,蒙明輝

(1.四川省華地建設工程有限責任公司,成都 610081;2.四川省地質災害防治工程技術研究中心,成都 610081)

泥石流是一種分布廣泛,具有突發性、偶然性且破壞力極強的地質災害。泥石流的形成有三大條件,即地形條件、物源條件、水源條件,在西部山區,地形主要以高山峽谷為主,為泥石流的形成創造了良好的地形條件;“5.12”地震對震區內山體擾動較大,新增了大量的松散固體物源,臨溝臨坎處穩定性較差的第四系松散堆積體易啟動參與泥石流過程;隨著西部大開發的進一步加強加深,在西部山區具有較強的人類工程活動,人類工程活動也新增了部分泥石流固體物源,進一步增強了泥石流的形成規模;近年來極端天氣增多,強降雨天氣持續增加,為泥石流的形成提供了較好的降雨條件。

由于泥石流易發性逐漸增加、破壞性極強等特點,前人對泥石流開展了較為深入的研究。許多學者主要從地形地貌條件、松散固體物質條件、植被發育條件及降水情況等多方面深入分析了泥石流的形成條件[1-3];也有部分學者從泥石流的運動特征方面進行了較為深入的研究[4];豐富的理論研究成果為泥石流的防治提供了理論依據及經驗。

2020年8月15～17日,九寨溝勿角鎮甲勿溝流域經歷持續強降雨過程,根據附近勿角鎮甲勿氣象觀測站數據可知,8月15日降雨量為21.9 mm,8月16日降雨量為38.2 mm,8月17日降雨量為37.3 mm,3 d降雨量總和達到97.4 mm,單日降雨量接近5 a一遇降雨強度,在連續經歷強降雨天氣后,甲勿溝于8月17日凌晨發生大規模泥石流過程,泥石流持續時間近3 h,沿途沖毀旅游道路,淤埋村民房屋,泥石流溝口處綿九高速公路項目部幾乎被完全淤埋,直接經濟損失超過4 000萬元,溝口處沖出的固體物質方量約20.0×104m3。

受九寨溝“8.8”地震影響[5],再加上甲勿溝本身有利的地形條件、物源條件等[6],甲勿溝泥石流本身屬于易發性較強的泥石流溝[7,8],一旦甲勿溝再次發生大規模泥石流過程,將直接威脅溝域內的熊貓園、甲勿池景區及游客中心、旅游道路等旅游設施,除此之外還威脅沿溝的居民區、溝口的勿角場鎮以及綿九高速公路等,其危害性較大[9]。因此,對泥石流的基本特征、運動參數特征及堵河可能性等進行研究,對泥石流的防治具有重要的參考意義。

1 流域概況

甲勿溝泥石流位于九寨溝縣勿角鎮甲勿村,屬湯珠河左岸一級支流,流域面積43.9 km2,主溝全長10.7 km,最高點位于流域西南側山脊部位,高程3 335 m,最低點位于主溝與湯珠河交匯處,高程1 780 m,相對高差1 555 m,溝道平均縱坡降145.9‰。流域屬強烈切割區,總體地勢西南高、東北低,河谷深切,地形起伏大。山坡坡度一般在20°以上,部分地區坡度在50°以上,總體上具有岸坡陡峻,切割深度大,呈現上陡下緩的空間特征。甲勿溝流域地形呈葉脈狀,共發育有9條主要支溝,其中二道坪溝、6#支溝為泥石流溝,其余7條支溝均為清水溝(圖1)。

圖1 甲勿溝流域概況圖

2 泥石流分區特征

根據泥石流形成條件和松散固體物源的分布情況,將甲勿溝溝域劃分為清水區、形成流通區、堆積區等三大片區[10]。

2.1 清水區特征

清水區主要分布于主溝2 460 m高程以上至溝源頭部位。面積約32.04 km2,主溝2 460 m以上至溝源段長2.3 km,最大高程3 335 m,相對高差875 m,平均縱坡降380.4‰。區內溝谷形態多呈“V”型槽谷;溝道岸坡陡峻,岸坡坡角35°～60°。清水區森林植被發育較好,保水性好,不良地質現象較弱,主要為泥石流的形成匯集水源和提供水動力條件。

2.2 形成流通區特征

形成流通區主要分布于溝域中下游,流域面積約11.73 km2,分布高程1 815～2 460 m,相對高差645 m,該段溝道長度約5.2 km,平均縱坡降為124.9‰。該區溝谷形態多呈“U”型槽谷,溝道上游局部地段呈“V”形峽谷(見圖2);岸坡坡角在20°～60°之間,溝底為第四系沖洪積層及前期泥石流堆積層,岸坡局部基巖裸露,出露地層主要為生物碎屑灰巖及石英巖狀砂巖等。該區發育有較多崩塌和滑坡等不良地質現象,為泥石流提供了大量松散固體物源;形成流通區溝道較長,其沖淤特征視不同溝段的彎曲程度以及縱坡降差異而表現出不同的特點,縱坡較大處表現為以沖為主,局部稍緩部位以沖淤平衡為主[11]。

圖2 形成流通區地形地貌

2.3 堆積區特征

堆積區主要分布于主溝高程1 815 m以下至主河湯珠河段,該段主溝溝長約0.61 km,溝道高程1 770～1 815 m,溝寬50～100 m,平均縱坡降73.8‰,流通堆積區面積約0.13 km2。該區段溝道平均縱坡比降變緩,溝床變寬,水動力條件減弱,溝道沖淤特征以淤積為主[11]。

3 泥石流運動特征參數計算

泥石流運動特征參數計算主要從形態調查法以及雨洪法兩個方面入手,既可驗證泥石流運動特征參數計算的準確性,也可為泥石流的堵河分析提供依據。形態調查法根據現場試驗、現場實測泥痕、泥位及溝道斷面等進行計算,雨洪法計算參數主要根據《四川省中小流域暴雨洪水計算手冊》及相關規范[12]中闡述的方法進行計算得到。

3.1 泥石流容重

(1) 配漿法重度取值

甲勿溝泥石流近期發生過泥石流過程,根據泥石流流體性質,在溝道上中下不同部位共進行了12次重度實驗,配漿法重度計算公式見泥石流勘查規范[12],此處不再進行贅述,其結果見表1。

(2) 雨洪法重度取值

雨洪法重度取值是結合配漿法以及查表法進行綜合取值。查表法是在現狀調查基礎上,綜合了流域內地質環境條件、溝道特征及物源發育分布等特性,帶預測性,更能反映泥石流特征及實際情況。泥石流過后溝域內局部物源發生了啟動,物源特征、啟動條件及堵塞程度在一定程度上發生了變化,采用配漿法及查表法確定泥石流重度參數均存在誤差。因此,雨洪法重度取值考慮不同斷面現場實際及查表法等綜合分析取值確定,結果見表2。

3.2 泥石流流速

由配漿法及查表法結果可知,泥石流屬于稀性泥石流,對流速的計算采用原鐵道部第二勘察設計院推薦的西南地區經驗公式(式1)進行計算[12]。

(1)

式中,Vc為泥石流斷面平均流速;1/n為清水河床糙率系數,查水文手冊;R為水力半徑,一般用平均泥深代替;I為泥石流水力坡度,一般按溝床縱坡代替;φ為泥沙修正系數;γH為泥石流固體物質容重。

根據公式及各斷面部位溝道特征,形態調查法及雨洪法10 a一遇降雨強度(P=10%)各斷面部位泥石流流速計算結果見表3。

通過形態調查法及雨洪法泥石流流速計算結果對比可知,甲勿溝“8.17”泥石流流速接近雨洪法10 a一遇降雨強度下的流速,說明甲勿溝“8.17”泥石流的強度接近10 a一遇降雨條件下的泥石流強度。

表2 泥石流重度綜合取值統計表

表3 泥石流流速計算表(形態調查法及雨洪法)

3.3 泥石流峰值流量

(1) 形態調查法

采用形態調查法對泥石流流量進行計算[12],計算公式為:

Qc=WcVc

(2)

式中,Qc為泥石流斷面峰值流量(m3/s);Wc為泥石流過流斷面面積(m2),采用調查測繪獲取的溝道形態參數;Vc為泥石流斷面平均流速(m/s)。

據此求得形態調查法各斷面位置泥石流峰值流量,計算結果見表4。

表4 甲勿溝“8.17”泥石流流量計算統計表(形態調查法)

(2) 雨洪法

暴雨洪峰流量計算根據相關規范[12]及計算手冊[13]公式計算地表水匯水流量,計算公式為:

(3)

式中,Q為最大洪峰流量(m3/s);ψ為洪峰徑流系數;i為最大平均暴雨強度;s為暴雨雨力;n為暴雨公式指數;F為集水面積(km2);τ為流域匯流時間(h)。

暴雨洪峰流量計算結果見表5。

在計算求得暴雨洪峰流量的基礎上,根據規范[12],采用下式(式4)進行泥石流峰值流量的計算:

Qc=(1+φ)QpDc

(4)

式中,Qc為泥石流斷面峰值流量(m3/s);φ為泥沙修正系數;Qp為暴雨洪峰流量;Dc為堵塞系數,按規范查表確定。

各斷面泥石流峰值流量計算結果詳見表5。

表5 泥石流暴雨洪峰流量與峰值流量計算結果(雨洪法)

通過形態調查法及雨洪法泥石流峰值流量計算結果對比可知,甲勿溝“8.17”泥石流峰值流量比雨洪法10 a一遇降雨強度下的峰值流量偏小較多,如主溝服務中心上游形態調查法流量為80.261 m3/s,雨洪法流量為115.55 m3/s,又如主溝溝口形態調查法流量為127.92 m3/s,雨洪法流量為161.79 m3/s,所有計算斷面形態調查法計算結果均比雨洪法計算結果小。推斷主要原因是因為現場調查時能準確測量最高泥位線,但由于泥石流后期強度逐漸變弱,泥石流的攜砂能力減弱,溝道內逐漸淤積有固體物質,導致現場測量的過流斷面偏小,進而導致形態調查法計算得到的泥石流峰值結果偏小。

4 泥石流堵河分析

甲勿溝溝口為湯珠河,“8.17”泥石流過程中,大量固體物源進入主河,造成主河的堵塞以及河床的抬升,主河河水以及甲勿溝洪流在交匯處形成漫流之勢,大量河水越過河堤,河水攜帶大量泥砂及碎石,淤埋了陽山村安置點以及勿角場鎮,淤埋深度平均達0.5～1.0 m,最大深度處達到2.0 m(圖3)。

針對泥石流堵塞主河問題,陳德明[14]、唐川[15]、張金山[16]等國內許多學者對其進行了相應研究,提出了泥石流堵河的經驗判別式。

參照陳德明等提出的泥石流堵河可能性的經驗判別式,對可能堵河閾值進行計算。

(5)

式中,γ支為泥石流流體重度(t/m3);γ主為主河河水重度(t/m3);Q支為泥石流峰值流量(m3/s);Q主為泥石流發生時主河河水流量,取湯珠河洪期平均流量(m3/s);V支為泥石流入匯時的流速(m/s);V主為泥石流入匯處主河河水流速(m/s);α為泥石流溝入匯角(°);Cγ為閾值,為1.44。

前文第3節對泥石流運動特征參數進行了計算,根據泥石流流量、流速等計算結果,采用判別式進行堵河閾值計算,計算結果見表6。

表6 甲勿溝堵塞主河判斷閾值計算表

由表6可見,甲勿溝泥石流堵河閾值均大于1.44,泥石流堵塞湯珠河的可能性較大,大規模的泥石流固體物質沖出后進入湯珠河,勢必會將主河道河床抬高,減小主河道的過流斷面面積,進而減弱主河道的過流能力。

通過對甲勿溝泥石流的發災歷史調查以及溝域特征的分析,泥石流堵塞主河道湯珠河的可能性基本與計算結果一致。

圖3 甲勿溝溝口淤積范圍

5 結論

(1) 甲勿溝具有較好的地形條件、物源條件等,在經歷持續強降雨過程時,易發生泥石流過程,對溝域內的熊貓園、甲勿池景區及游客中心、旅游道路等旅游設施,沿溝的居民區、溝口的勿角場鎮以及綿九高速公路等造成較大的危害。

(2) 通過現場配漿法及查表法,泥石流重度相對較小,泥石流性質屬于稀性泥石流;通過形態調查法及雨洪法泥石流流速、流量等計算結果對比可知,甲勿溝“8.17”泥石流強度接近10 a一遇降雨強度下的泥石流強度。

(3) 由于泥石流后期強度逐漸減弱,泥石流的攜砂能力降低,溝道內逐漸淤積有固體物質,現場實際測量的過流斷面比泥石流峰值過流時的過流斷面偏小,進而導致形態調查法計算得到的泥石流峰值結果偏小。

(4) 甲勿溝泥石流松散固體物源豐富,堆積區溝道較短,大部分沖出固體物質堆積于溝口至主河道之間,容易造成主河道湯珠河堵塞,根據泥石流堵河判別公式計算,泥石流堵塞湯珠河的可能性較大。