姚 勇

(嘉应学院 土木工程学院，广东 梅州 514015)

汶川地震对地质环境的破坏和影响是巨大，诱发了大量次生地质灾害.据不完全统计，42 个重灾县( 市) 震后新增可统计地质灾害隐患多达8 627处，其中泥石流837处[1].这些次生地质灾害，对灾区人民的生命财产安全形成严重威胁,引起学术界的广泛关注，其中关于泥石流灾害的研究更是热点[2～7].这些研究主要集中在地震对泥石流的影响分析、泥石流特征分析、危险性评价、防治研究等方面，对泥石流形成机制的研究较少.

大山沟位于九寨沟县，汶川地震后，流域内发生多处滑坡、崩塌等次生地质灾害，产生了新的松散堆积物.泥石流在持续降雨或短时高强度暴雨的诱发下极易复活，暴发粘性泥石流.20世纪80年代曾发生泥石流，直接堵塞博峪河，导致河水漫溢，冲毁博峪河左岸一级阶地上48户居民的房屋，直接经济损失上千万元，幸好无人员伤亡.近年来，由于当地村民缺乏防灾意识，在沟口靠近沟道又修建了一些建筑物，一旦发生规模稍大的泥石流，将造成重大生命财产损失.因此，分析该泥石流的基本特征、计算动力学参数，并对其影响因素、发生机制进行系统研究，具有重要的现实意义，也是十分必要的.

1 泥石流概况

九寨沟县地处青藏高原东南部，地貌类型以深切割高山峡谷地貌为主，地势由西北向东南逐渐降低.大山沟泥石流所在地永和乡位于九寨沟县东部，海拔1 650 m～3 100 m，属构造侵蚀中高山地貌.相对高差在500 m以上，沟谷坡度较陡，一般在40°以上，沟谷切割深度大，多呈“V”型.

泥石流源头由两条支沟组成，海拔2 507～3 100 m之间，沟床纵比降为500‰；主沟道从两支沟的交汇点开始，海拔在2 507～1 800 m之间，相对高差约700 m，主沟沟长约3.5 km，平均沟床纵比降为200‰.沿线两岸坡体、冲沟及沟床等部位有大量物源分布；堆积区海拔1 900～1 650 m，为大山沟口洪积扇区域，沟床纵比降为230‰.

1.1 形成区

泥石流的形成区主要为两条支沟流域，面积约1.5 km2.其特征有：(1)沟床狭窄，宽约2～3 m，纵坡降较大，谷坡高陡，坡角约40～50°，海拔2 500～3 100 m；(2)植被覆盖率较低，不良地质现象发育.

1.2 流通区

泥石流流通区从两支沟交汇到斜坡村后山嘴，全长约3.5 km，面积约7.5 km2.其特征有：(1)沟谷狭窄，呈“V”字型；(2)沟床纵坡降较大，约23.3%，海拔范围1 800 m～2 500 m；(3)沟道直畅；(4)沟岸坡度较陡，约40～50°；(5)两岸物源补给较充分，初步调查，共发现崩塌2处，滑坡2处，垮塌3处，洪积扇3处，沟床堆积2处.

1.3 堆积区

泥石流堆积区包括大山沟古洪积扇及博峪河河道.其中古洪积扇经过河水下切和人工建筑改造，形成一较为开阔的堆积河道；博峪河河道在此处宽约10～ 20 m，博峪河河水较急、大，可以有效输送堆积物，缓解堆积空间压力，提高堆积区堆积能力.

2 形成机制

大山沟特定的地质环境和气象条件，导致其是泥石流灾害发育的温床.地形地貌条件上看，形成区面积较大，利于汇集降水，流通区沟道陡峭、狭窄，平均纵坡降较大，有利于泥石流物质的汇集和成灾；流域范围内的松散堆积物总量大，为泥石流的形成提供源源不断的物质补给；从水源条件上看，流域降雨较充沛，暴雨的几率大.该泥石流沟处于5. 12 地震严重波及区，受地震的影响, 松散物质聚集周期缩短，进入了较为活跃的阶段.其影响因素可概括为：

(1) 新构造运动的影响：第四纪以来，区内新构造运动强烈，新构造运动间歇性抬升而形成三～四级夷平面.由于强烈抬升，沟谷下蚀作用强烈，形成纵比降较大的“V”型沟谷，陡急的纵比降为泥石流的形成提供了有利的位能条件，易发生较大规模的泥石流.

(2)汶川地震的影响：5．12汶川地震对该区岩土体结构的破坏性非常大，对大山沟沟谷、沟岸造成了不利的影响，沟岸局部发生的崩塌、滑坡堵塞沟道，沟岸两侧产生的滑塌体堆积于沟道中，严重堵塞沟道，泥石流暴发的危险性大大加剧了.汶川地震后，松散固体物源量大大增加，一旦遭到大暴雨的作用，则有可能发生大规模的泥石流灾害.

(3)人类活动的影响：区内人类活动较为频繁，主要为放牧与开垦坡地，这与大山沟泥石流灾害频发有一定关系；另外村民在沟口沟道两岸修建房屋等，改造了沟道的天然形态，成为促发泥石流灾害的新因素.

(4)极端气候的影响：流域内降雨量在四川境内属偏少的地区，但降雨集中，常出现局地性暴雨，这些极端天气在近年来有逐渐增强的趋势，因此，诱发泥石流的机会也随之增大.在对泥石流影响因素进行系统分析的基础上，通过现场调查及灾害史分析，可以将其发生机制概括为图1所示.

图1 大山沟泥石流形成机制

3 动力学特征分析

3.1 重度

据现场调查泥石流堆积物主要成分为碎石、块石、砂及少量粉质粘土，这里采用配浆法确定泥石流重度.现场配浆法泥石流重度模拟试验主要是根据实地调查访问，配制泥石流浆，按公式1计算其重度

γc= (M1-M2)g/V，

(1)

式中:γc-重度(kN/m3)；M1-总重(t)；M2-空桶重(t)；V-流体体积(m3)；g-重力加速度(m/s2).

根据现场配浆试验泥石流平均重度约为18～19 kN/m3.

3.2 流量

在泥石流与暴雨同频率、且同步发生的情况下，计算断面的暴雨洪水设计流量全部转变成泥石流流量.其计算步骤是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，然后选用堵塞系数，计算泥石流流量.

3.2.1暴雨洪峰流量计算

查阅《四川省水文手册》，流域24 h降雨量均值H24=38.0 mm，6小时降雨量均值H6=27.0 mm，1小时降雨量均值H1=14.0 mm，10分钟最大降雨量H16=11.0 mm.综合考虑《四川省中小流域暴雨洪水计算手册》的理论公式及现场调查情况，可初步确定沟口暴雨洪峰流量值：频率为5%时，QP约为16.65 m3/s；频率为2%时，QP约为22.89 m3/s.

3.2.2泥石流峰值流量计算

Qc=(1+ø)QpDc，

(2)

式中:Qc-泥石流断面峰值流量(m3/s)；ø-泥沙修正系数；Qp-暴雨洪峰流量；Dc-堵塞系数.

据此，采用雨洪法求得泥石流峰值流量如表1.3.3流速

通过理论计算，结合现场调查，最终确定大山沟泥石流流速，按一般水力学的薛齐-曼宁公式来计算流速

(3)

式中：Vc为泥石流平均流速(m/s)；

Hc为平均泥深(m)；

ic 为沟床坡度；

mc为糙率系数.

大山沟沟道比降变化较大，其流速变化范围也较大，流速为3.8～4.5 m/s.

3.4 一次过流总量

一次泥石流总量Q的计算，公式如下:

Q=0.264TQc，

(4)

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(m/s).

沟口泥石流峰值流量按P= 5%、P= 2%的雨洪法计算的峰值流量分别为

35.68 m3/s、56.37 m3/s；

按经验，取泥石流历时约20 min，即T=1 200 s；按式(4)计算的大山沟泥石流一次冲出量为 分别为0.73×104 m3、1.15×104 m3.

3.5 一次固体物质冲出量

一次泥石流冲出固体物质体总量按下式计算

QH=Q(γc-γw)/(γH-γw)，

(5)

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(kN/m3)；

γw-水的重度(kN/m3)；

γH-固体物质的重度(kN/m3).

将γc=18.3 t/m3、γw=10 kN/m3，γH=28 kN/m3代人公式5，据此计算出固体物质冲出总量在P=5%、P=2%的情况下QH分别为2 177 m3、4 013 m3.

表1泥石流峰值流量计算表

综合以上分析，考虑泥石流的灾害史，“5.12”地震之后，地质情况更加复杂、松散物增加，导致其发生泥石流灾害的几率增大.该泥石流沟在其自身地质环境、新构造运动、5.12地震、人类工程活动及极端气候等因素的综合作用下，进入了灾害活跃期，泥石流发生的次数将不断增多，频率和规模也将在不断增大.因此，亟需对大山沟泥石流进行及时治理.该泥石流的治理可以采用生物措施与工程措施相结合的方式，一方面对流域内的人类活动进行限制和规划，避免再次破坏地质环境，逐年提高流域内的植被覆盖率.工程措施方面可以对流域内的典型灾害如滑坡、崩塌等进行治理，加固边坡减少固体物质来源，同时在适当的位置建立拦挡坝彻底根治泥石流隐患.与此同时，应该加强预警和监测，特别在极端天气下，应该提高监测频率，以保证安全，同时监测数据是后续研究的重要资料来源，也是检验防治效果的重要标志.

4 结论

(1)大山沟为一条典型的泥石流沟，汶川地震后，进入了易发期.

(2)采用配浆法确定泥石流重度约为1.83 kN/m3；雨洪法求得泥石流峰值流量在频率5%、2%条件下分别为35.68和56.37 m3/s；按薛齐-曼宁公式计算流速为3.8～4.5 m/s，在沟口附近流速为3.8 m/s；取泥石流历时约20 min，计算的大山沟泥石流在P=5%、P=2%频率下一次冲出量为 分别为0.73×104m3、1.15×104m3；一次固体物质冲出总量在P=5%、P=2%的情况下 分别为2 177 m3、4 013 m3.

(3)该泥石流在自身地质环境、新构造运动、5.12地震、人类工程活动及极端气候等因素的综合影响下，进入了灾害活跃期.在对泥石流影响因素进行系统分析的基础上，通过现场调查及灾害史分析对大山沟泥石流的发生机制进行了研究.

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