张劲松，巨能攀，赵建军

（成都理工大学 地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，四川 成都 610059）

0 前言

清岭沟位于四川省青川县竹园镇碾子村5社，距青川县城乔庄73km，该沟前缘抵达白家沟，沟源为岩岩里山间腹地。5.12地震期间后缘岩岩里山脊及沟两侧山体发生大面积崩塌，地震后沟内出现大量崩塌落石和松散堆积物，为泥石流的爆发提供了充足的物源。2008年8月竹园镇连续的强降雨导致清岭沟爆发泥石流。此次泥石流淹没了大量的耕地及农作物，在下游居民房旁边拐弯处泥石流爬高达3m，冲毁居民家猪圈，最后泥石流堵塞公路桥涵并沿公路堆积64m，破坏碾子村唯一的交通生命线。目前，在老鹰岩坡脚、岩岩里山间腹地以及沿沟两侧山体残留了大量松散物质，一旦遭遇强降雨过程极易再次诱发泥石流灾害，严重威胁清岭沟下游碾子村五社31户居民100余人的生命财产及碾子公路上车辆、行人的安全。因此对清岭沟泥石流的治理刻不容缓。

1 泥石流的形成条件

1.1 地形条件

地形地貌是形成泥石流的三个基本条件之一［1-2］。清岭沟位于龙门山北段前山地带，地处龙门山前缘山地泥石流带，总体地势为北西高、南东低，北西部为中—深切割中山区，南东以河谷地带为主。山区地带海拔高程一般1000～1320m，河谷地带海拔高程一般730～750m，地貌类型属于中—深切割中高山区。清岭沟平面形态近似“漏斗”状，泥石流沟长1.1km，平均宽度6～12m，流域面积0.45km2，泥石流堆积扇前缘高程约800m，泥石流沟源高程为1210m，相对高差410m，平均纵降586‰，沟谷主要呈“U”型谷，局部部位切割呈“V”型谷。最高山峰海拔1320m，最低白家沟海拔730m，相对高差590m。

清岭沟沟谷下切作用强烈，松散堆积物较多，地表迳流集中支沟不发育。流域从地形上可以分为泥石流形成区和“流通—堆积区”，无典型的流通区。泥石流形成区高程在1100m以上，位于岩岩里山间腹地，该处坡度35°～45°，陡峻的地形条件为坡面堆积物和沟床松散堆积物的启动提供了巨大的动能条件。此外在泥石流形成区与“流通—堆积区”之间发育一高差约50m的陡坎，陡坎近直立，一旦位于形成区的物源启动后经过此陡坎的加速将会达到很高的速度和动能，势必会对下游区威胁对象造成更大的破坏。“流通—堆积区”地处800～1100m高程，此段沟长700m，深3～10m，沟谷形态呈 U型，该段纵坡降428‰，陡坎发育，顺沟发育4处陡坎，高度3～10m，陡坎部位多基岩裸露。两岸坡体较陡，坡度 ＞45°局部近直立。较大的地形高差，使处于斜坡高处的风化岩体具有较大势能，为形成崩塌、滑坡创造了有利临空条件；在地震影响下，陡急的山坡和沟床为坡面和沟床松散堆积物能的释放和势能转化为动能提供了有利条件，为沟中洪水强烈冲刷坡面和沟床松散堆积物、高速泥石流汇流形成了巨大的动能条件［3］。清岭沟泥石流堆积于沟口公路桥涵处，呈扇形，堆积层厚度3～8m，堆积物主要为阳新组灰岩，最大块径达2.5m，由于堆积处地势平坦，泥石流沿公路运动，淤埋公路长达64m。

1.2 泥石流物源条件

清岭沟位于碾子背斜西侧，区内断裂带发育，岩体容易发生崩塌等地质灾害进而为泥石流提供物源。出露地层主要有二叠系吴家平组、阳新组灰岩；三叠系飞仙关组泥岩。松散固体物质的形成与地质背景条件和地质营力有关，泥石流固体物源累积过程多与不良地质现象和人类工程活动联系在一起。在“5.12”地震时期，大面积的山体发生崩塌、滑坡，为震区泥石流的发生提供了丰富的物源条件。清岭沟泥石流形成区固体物质按成因类型分，主要包括：残坡积物、崩坡积物、沟床淤积物、泥石流堆积物以及滑坡堆积物。根据野外地质调查，清岭沟泥石流形成区共有1处潜在不稳定滑坡、3处危岩体和1处形成于“5.12”地震时期的崩坡积物。

1.2.1 不稳定滑坡分析

在清岭沟泥石流形成区北西侧发育一处潜在不稳定斜坡—老鹰岩（图1），在“5.12”地震时期老鹰岩曾发生大面积崩塌，崩积物堆积于坡脚，成为清岭沟泥石流潜在的物源。老鹰岩山体受“5.12”地震影响，岩体中节理极其发育，岩体成块状-次块状，在老鹰岩山体后部可见直径3m左右，深2.5m长65m的宽大裂缝，并同时发育多条直径30cm左右的小裂缝；在暴雨及地震等荷载的作用下，后缘宽大裂缝、岩体中的软弱结构面及“5.12”地震时期形成的裂缝极易贯通，发生整体滑坡。采用极限平衡理论对老鹰岩潜在不稳定斜坡进行计算，考虑实际斜坡可能面临：①天然；②暴雨；③地震；④地震 +暴雨4种工况，所以计算时分别考虑上述4种工况对斜坡的影响。岩土体参数及老鹰岩不稳定斜坡稳定性计算结果分别见表 1、表 2。

计算结果显示老鹰岩斜坡在天然状况下处于基本稳定状态，但是在暴雨、地震、地震+暴雨不利工况下斜坡将有失稳的可能。老鹰岩潜在不稳定斜坡失稳方量在1.98×104m3左右，一旦失稳将大大增添清岭沟泥石流的物源量。

图1 老鹰岩不稳定斜坡剖面图Fig.1 Section of the LaoYingYan unstable slope

表1 潜在不稳定斜坡岩体力学参数Table 1 Rock mechanical parameters of the potential unstable slope

表2 斜坡稳定性计算结果Table 2 The calculated results of the slope stability

1.2.2 危岩体及其他类型物源特征分析

由于受到地震和风化的影响，在泥石流形成区及沟道两侧发育3处规模较大的危岩体，受构造、风化以及地震的影响危岩所在山体岩体结构较破碎，岩体被节理切割成块状-次块状，节理长度不等，最大超过15m，张开5～20cm，间距1～2m不等，无充填。危岩体在自重、动静水压力及地震荷载的影响下极易产生崩塌，由于沟道两侧山体坡度较陡，坡面临空条件较好，崩塌物最终将堆积于沟道内成为泥石流的物源，崩塌物总量可达0.9×104m3。在“5.12”地震期间，物源区的岩岩里及老鹰岩山体发生大面积崩塌，大量的崩塌物堆积于坡脚，堆积物厚度3～15m，体积达13.5×104m3，堆积物多为块石及第四系松散物质，且坡度＞40°，所以堆积物稳定性较差，在暴雨的影响下堆积物容易失稳，成为清岭沟泥石流的物源。此外在2008年8月清岭沟曾经爆发过泥石流，笔者沿沟调查时发现沟道内残留2m以上泥石流堆积物，在暴雨时这些沟道内的先前泥石流堆积物也势必会成为下次泥石流的物源。另外，清岭沟两侧多为耕地及第四系松散堆积物，在暴雨及水流强烈冲刷下容易发生坍塌，成为泥石流的物源。据调查统计清岭沟流域内泥石流固体物源总量为19.64×104m3（表3）。由此可见清岭沟泥石流的物源非常充足。

表3 清岭沟泥石流物源统计情况Table 3 The source statistical of Qingling Ditch debris flow

1.3 水源条件

一定的水源是泥石流活动的必要物质条件之一，地震后的强降雨过程是诱发泥石流的动力因素，泥石流暴发是大量前期累积雨量和当次激发雨强共同作用下的结果［4］。2008年8月该区发生连续降雨，在8月25日发生强降雨，24h降雨量达230mm，导致清岭沟爆发了泥石流灾害。清岭沟地处四川北部边缘山区，属亚热带湿润季风气候，雨量充沛而集中，年降雨量1021.7mm，但季节分配不均匀，主要集中在7～9月，占全年降雨量的50％以上，一般出现在8月上旬或中旬的年最大日降雨量为80～100mm。据四川省水文手册，该区24h最大降雨量110mm，6h最大降雨量90mm，1h最大降雨量40mm，10min最大降雨量11.5mm。这样的雨量已达到或超过中国一些半干旱、半湿润泥石流强烈活动地区的降水量。

Ching-Weei Lin等人对于台湾集集大地震对滑坡泥石流的影响得出震后泥石流起动的小时雨强和临界累积雨量比震前降低1/3［5］。所以，地震以后爆发泥石流所需雨量会大大降低。另外，中国气象局成都气象所郁淑华认为在汶川强震区日降雨量≥20mm，诱发滑坡泥石流可能性很大［6］。因此，清岭沟具备爆发泥石流的雨量要求。

2 泥石流动力学特征

2.1 泥石流流体重度

由于没有现场观测的泥石流重度值，所以采用经验法确定。通过访问当地居民，现场采用水土比例试验，根据当地居民描述，得出水土比例为6∶4，选取有代表性的堆积物搅拌成暴发时的泥石流流体形态，然后分别测出样品的总质量和总体积，按照下式求出泥石流流体的重度：

γc=Gc/V

式中：γc——泥石流流体重度；

Gc——样品的总质量；

V——样品的总体积。

计算得出清岭沟泥石流流体重度为1.61g/cm3，为粘性泥石流。

2.2 泥石流流速

泥石流流速的计算公式大多为经验与半经验公式，依照国家泥石流灾害防治工程勘查规范，采用如下公式计算：

式中：γH——泥石流固体物质重度；

Hc——计算断面的平均泥深；

Ic——泥石流水力坡度；

n——泥石流沟床的糙率系数；

φ——泥石流泥砂修正系数。

清岭沟泥石流典型断面流速采用上式计算结果见表4。

表4 清岭沟典型断面流速计算结果Table 4 The calcu lated results of velocity of flow for Qingling Ditch's typical section

2.3 泥石流流量

泥石流流量确定方法有现场静态调查和雨洪计算两种方法，场静态调查法计算公式如下：

Qc=Vc×Fc

式中：Fc——泥石流过流断面面积，根据测量泥石流爬起高度及沟宽确定；

Vc——泥石流流速。

雨洪计算法计算公式如下：

Qc=KQ×QB×D

式中：D——堵塞系数，根据现场调查取值1.1；

QB——清水洪峰流量，按四川省水文手册中计算公式计算；

KQ——泥石流流量修正系数，按下式计算：

γC——泥石流容重；

γH——泥石流固体物质容重；

φ——泥石流泥砂修正系数。

清岭沟泥石流典型断面流量的计算采用上面两种基本方法，最后进行综合取值（表5）

表5 清岭沟典型断面流量计算结果Table 5 The calculated results of discharge for Qingling Ditch's typical section

2.4 一次泥石流总量和冲出固体物质总量

一次泥石流总量Q计算，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，将其过程概化成“五角形”［7］。计算公式如下：

Q=0.264×T×Qc

一次冲出固体物质的总量QH按下式计算：

QH=Q（γC- γw）/（γH- γw）

式中：γH——泥石流固体物质容重；

γC——泥石流容重；

γw——水容重。

计算频率取5％，根据上述公式，可得该沟一次泥石流总量和相应的固体物质总量（表6）。

表6 一次泥石流过流总量及冲出固体物质总量计算结果Table 6 Calculated results of debris flow and washing solid matter gross for once mud flow

3 泥石流防治措施

3.1 防治目的

针对老鹰岩潜在不稳定滑坡，及在“5.12”地震中形成的老鹰岩下部腹地堆积的大量崩塌堆积物在暴雨条件下失稳的可能性较大，易沿清岭沟发生泥石流，威胁下游居民、耕地、公路车辆及行人的安全。防治的目的主要是有针对性的采取各种措施防止和减轻泥石流的危害性。

3.2 综合防治措施

拦挡工程布置的主要目的在于消峰减流，减小泥石流流速和流量，并阻挡泥石流沟内的大石块，减少一次泥石流活动的物源量，保证下方排导槽正常使用和经拦挡后泥石流剩余物质的顺利下泻，同时通过泥石流物质回淤压脚起到稳固沟床和减轻沟岸崩滑的作用。清岭沟泥石流拦挡工程主要针对“流通—堆积区”的沟道堆积型物源、后缘老鹰岩斜坡坡脚残留的崩积物、老鹰岩不稳定斜坡等集中物源进行工程布置。以泥石流栅拦和拦砂坝的形式，达到治理目的。在已选定的坝址拟建一处拦砂坝，一处泥石流栅栏。拦砂坝主要针对“流通—堆积区”沟道堆积物，拦砂坝设计坝高6m，基础埋深2.5m，坝顶长度24.4m，坝底长度14.0m，布置在沟道817m高程断面处，该处沟底及沟道两侧出露基岩，设计坝体两侧及坝底均镶嵌进入基岩里，因此在此处布置拦砂坝可以保证坝体稳定性，且库容量大可以起到很好的回淤压脚作用；泥石流栅拦主要针对泥石流形成区坡表残留的崩塌堆积物及潜在的老鹰岩不稳定斜坡所产生的体积大、破坏大的大块石，由于在形成区与“流通堆积区”之间有一处较大的陡坎，高差达50m，在此位置布置泥石流栅拦可以很好的拦截大块石的启动，防止大块石启动后通过陡坎加速对下游拦砂坝的冲击破坏，通过计算，选用的泥石流栅拦为 UX—150型，高度7m，宽14m，布置于沟道995m高程位置的泥石流形成区与泥石流流通—堆积区交界陡坎上部，该处沟底及沟道两侧灰岩出露，泥石流栅栏通过钢绳、锚杆及钢柱固定于灰岩内。

由于在下游居民家附近沟道弯道较急，泥石流爬起较高，为防止泥石流对其房屋造成破坏在此处拟建一道排导槽，考虑泥石流超高，在靠近居民房的右侧对排导槽进行加高。

公路桥涵处高程为753m，原始公路桥涵断面长、宽尺寸为：1.8m×1.2m，经计算发现原公路桥涵的过流能力达不到要求（原始桥涵过流量为10.5m3/s＜33.5m3/s）；受2008年8月25日泥石流影响，涵洞口已被泥石流堆积物堵塞。所以应对原桥涵进行改建，主要是加宽和加深涵洞口，以达到其过流要求，改建后的涵洞口断面尺寸4m×3.5m。综合治理见图2。

图2 清岭沟不良地质分布及综合治理图Fig.2 Map of The geological hazard distribution and the proventron comprehensive areasares of Qingling gulty

4 结论

（1）清岭沟泥石流沟为“5.12”特大地震后才发生的泥石流沟，地震为泥石流提供了丰富的物源，清岭沟泥石流为高中频—粘性—暴雨—山区沟谷型泥石流。

（2）清岭沟流域内具有泥石流发育的良好条件。从地形上，清岭沟沟谷落差较大，地形陡，跌坎发育。从物源上，沟域内物源丰富，可提供泥石流的固体物源总量达19.64×104m3。从降雨角度，清岭沟所在区域的降雨量以达到或超过爆发泥石流所需要的雨量。

（3）清岭沟泥石流主要为短时集中降雨激发，降雨是引发泥石流的主要因素。

（4）防治对策主要是“拦排结合”的综合治理措施。

致谢：一同参与野外地质地质调查与室内试验的还有易志坚、杨珩，在此对他们表示感谢。

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［7］DZ/T 0220-2006泥石流灾害防治工程勘查规范［S］.DZ/T 0220 - 2006，Reconnaissance standard on treatment to the disaster debris flow［S］.