贺 拿 ，陈宁生 ，朱云华 ，杨建元

(1.中国科学院水利部成都山地灾害与环境研究所，山地灾害与地表过程重点实验室，四川成都610041；2.中国科学院大学，北京 100049；3.浙江华东建设工程有限公司，浙江 杭州 310030)

泥石流是山区沟谷由各种自然和人为因素综合作用的产物。其暴发必需具备丰富的物源、陡峻的地形和高强度集中暴雨3个条件[1]。泥石流形成机理十分复杂，多年来，国内外学者从水力、土力和沟道条件影响等方面开展了大量的研究工作，提出了诸如粘性流启动机理、突变机理、渗流启动机理和振动软化或局部软化启动机理[2]等。本文基于泥石流的形成条件，对矮子沟流域的地形地貌特征、地质条件及气象水文条件等因素进行分析，在此基础上揭示6◦28矮子沟泥石流形成机理及过程，并计算相关的运动参数，为合理选择泥石流治理方案提供依据。

1 矮子沟泥石流影响因素及形成过程分析

矮子沟地处四川省凉山彝族自治州宁南县境内，为金沙江左岸的一级支流。主沟长21.96 km，流域汇水面积65.55 km2，沟道平均坡度约155‰。矮子沟位于拟建白鹤滩电站上游，沟口距离坝址6.1 km。2012年6月28日早晨6点左右，矮子沟发生特大泥石流，灾害共造成17人死亡、23人失踪。此外，“6◦28”泥石流堵塞下游正在施工的排水洞，严重威胁下游弃渣场的安全，影响大坝的施工进度。因此，必须采取相应的防治措施，而对“6◦28”矮子沟泥石流影响因素及形成过程的分析是方案选择的基础。

1.1 地形地貌条件

矮子沟流域由三个汇流区组成，主沟矮子沟汇流区、主沟泥罗汉沟汇流区及支沟瓜绿沟汇流区。

整个流域内海拔最高点高程3 646 m，最低点沟口高程604m，最大相对高差3 042 m(各汇流区特征见表1)。

表1 矮子沟各汇流区特征

矮子沟各汇流区源区土体组成均有较大差异(见图1)，而土体的组构特征在一定程度上决定着其渗透及强度特性，泥石流源区土体中的粗颗粒及粘粒含量都会影响泥石流的启动[3-4]。

图1 矮子沟源区土体颗分曲线

1.2 地层岩性

矮子沟流域内主要为奥陶系白云岩、灰岩、砂岩，寒武系白云岩、砂岩，震旦系白云岩和二叠系玄武岩，且各岩层交错出现。研究表明当基岩构造总体较均一时，表部松散物的流失是持续渐进的；基岩为软硬相间的岩层，或者受到线性构造破坏，容易出现差异风化，表部物质呈脉动式剥蚀，可以为泥石流启动提供较好的物源条件[5]。

1.3 气象水文条件

矮子沟流域地处金沙江干热河谷区，属亚热带季风气候，年内干湿季节分明。每年的11月至次年的4月为干季，干季降水量不到全年降水量的10%；每年的5—10月为雨季，雨季降水量占全年总降水量的90%以上，据统计降雨集中期常是泥石流暴发的高潮期。矮子沟流域进入5月份以来持续的降雨过程使流域内土体的含水率大幅提升甚至接近饱和，土体的强度随含水率的增加而降低。

前期降雨量、临界雨量又是互相联系、互相影响的。泥石流发生前的土体含水率状况与前期降雨量有密切的关系。前期降雨量越充分，斜坡土体含水率越接近饱和，激发滑坡、泥石流的临界雨量也相对减少。

进入5月份后，持续的降雨过程使矮子沟流域内土体的含水率提高。而2012年6月21日至27日降雨量也比较丰富，且6月28日当天的降雨量较大(见表2)，丰富的前期雨量及强大的激发雨量作用是矮子沟泥石流暴发的主要原因。

表2 矮子沟流域降雨特征表

1.4 地震活动及极端干旱气候

研究表明，地震与泥石流灾害关系密切。1964年阿拉斯加地震与当年大规模泥石流暴发耦合[6]；1999年台湾集集地震影响了随后两年南投县Chenyulan River流域泥石流的暴发，导致泥石流暴发频率增加，激发累积降雨量降低，规模增大[7]。2008年四川汶川地震影响了当年地震重灾区72条泥石流暴发，导致泥石流激发累积降雨量和小时雨强降低[8]。此外，地震活动对流域内地貌格局的形成及不良地质现象的产生起控制作用。近20年间，邻近县市波及矮子沟流域大于等于3.0级地震总次数27次，大于等于4.0级的地震共16次。在地震作用下，滑坡、崩塌体堆积物质因为地震效应使得堆积体结构疏松多孔，密度降低[9]，为水分下渗提供了通道，而不同密实度的岩土体其强度及稳定性差异很大，含水率一定的条件下，土体越疏松其抗剪强度越低[10]。

矮子沟所在的宁南县自2009、2010、2011连续三年遭遇干旱，2012年宁南县又遭遇了百年不遇的特大旱灾，尤其是矮子沟流域所处的金沙江干热河谷地带旱情十分严重，极端干旱气候与泥石流灾害存在一定的关系。许多现象证明泥石流与干旱气候相关性较高。中国最为严重的泥石流灾害区均分布于干旱河谷区[11]；2010年中国极端的泥石流灾害点都发生在2008年地震区和2009—2010年的干旱区；意大利北部Lake Lago di Braies及其流域4500年来的沉积资料显示，泥石流发育与季节性的极端气候交替变化相关。

在持续的干旱条件下，经历多次地震的影响，土体的结构遭到破坏，强度极大的降低，进入5月份后持续的降雨过程及6月28日当天的强降雨激发作用，导致矮子沟发生特大泥石流灾害。

1.5 矮子沟泥石流形成过程

综合以上分析，“6◦28”矮子沟泥石流是在极端干旱气候及地震控制下，受丰富的前期降雨的影响，由6月28日当天的强降雨激发作用而发生。其形成过程为:极端干旱及地震影响→土体疏松→持续降雨作用→土体饱和强度降低→坡面及小支沟先发生泥石流→泥石流携带的固体物质堵塞主沟泄洪通道→强降雨作用形成巨大山洪→堵塞体瞬间溃决、沟床物质启动→沿途松散物质补给→“6◦28”矮子沟特大泥石流。

2 泥石流运动特征

泥石流流速、流量及泥石流总量等参数是泥石流工程防治的基础，但目前还没有比较成熟的计算方法，在泥石流防治工程设计中一般采用经验公式进行计算。

2.1 泥石流流速计算

泥石流流速是泥石流运动力学研究的核心内容之一，也是泥石流防治工程设计的核心参数之一，泥石流流速是计算泥石流流量的基础，是分析泥石流冲淤变化的基本参数，也是泥石流学科研究的焦点之一。

经现场勘查及调访，对泥石流原状样配置样品，请目击者确认对比，计算主沟泥石流的密度为1.77 g/cm3。用马尔文激光粒度仪测出“6◦28”矮子沟泥石流原状样的粘粒含量(见表3)，根据基于粘土颗粒含量的泥石流密度计算公式[12](1)，计算出的泥石流密度见表3。

由于在取样过程中剔除了大石块，计算的结果偏小，综合考虑确定泥石流的密度为1.80 g/cm3。一般以密度指标将泥石流分为稀性泥石流(密度1.30 g/cm3～1.80 g/cm3)和粘性泥石流(1.80 g/cm3～2.30 g/cm3)，因此确定此次泥石流为粘性泥石流。

表3 泥石流原状样粘粒含量表

由于矮子沟与云南东川蒋家沟地理位置比较接近，气候特征也较为相似，因此选用云南东川蒋家沟粘性泥石流计算公式(2)，计算矮子沟泥石流流速。

根据实地勘查获取五个典型断面(断面具体位置见表4)，由流域内居民协助确认各断面的泥深，测量各断面的底床坡度，根据沟底固体物质情况查泥石流糙率系数表，得到各断面的糙率系数，计算得到各断面的泥石流流速见表4。

表4 矮子沟泥石流流速计算结果

通过表4可见矮子沟泥石流流速从上游到下游逐渐增加，在沟口处流速最大为7.54 m/s。

2.2 泥石流流量计算

2.2.1 基于洪峰流量的泥石流流量计算

泥石流流量计算对泥石流防治工程的规划设计和灾害评估都是很重要的问题[13]。泥石流爆发突然，活动时间短，并且各沟条件差异很大，产、汇流过程复杂，流量直接测量较为困难。本文将配方法和形态调查法相结合，对“6◦28”矮子沟泥石流流量进行计算。配方法是在清水流量的基础上进行配方，清水流量用推理公式法计算，见公式(3)。

式中 :ψ=f(μ，τn)；τn=f(m ，s，J ，L)；Q为最大流量(m3/s)；ψ为洪峰径流系数；s为暴雨雨力(mm/h)；n为暴雨指数；F为流域面积(km2)；L为沟道长度(km)；τ为流域汇流时间(h)；μ为入渗强度；m为汇流参数，公式中参数 ψ，τ均为函数关系，《四川省中小流域暴雨洪水计算手册》中提供试算法确定。根据公式及相关参数计算的清水流量见表5。

表5 矮子沟清水流量计算表

依照中华人民共和国国土资源部的行业标准《泥石流灾害防治工程勘查规范》[14]，泥石流流量的雨洪计算法的公式为:

表6 矮子沟泥石流流量计算表

2.2.2 形态调查法计算泥石流流量

根据泥石流的泥痕确定泥石流的最高泥位，恢复泥石流运动的过流断面，计算过流断面面积，依据公式(5)计算泥石流流量:

式中:Asc为断面的过流面积(m2)；Vc为断面的流速(m/s)。

表7 形态调查法计算的泥石流流量

通过计算发现，配方法和形态调查法计算的结果较为接近，此次泥石流流量分别为971.36 m3/s和925.91m3/s，考虑到测量的误差，取其平均值作为此次泥石流的流量，即948.63 m3/s。

2.3 一次泥石流总量计算

一次泥石流总量决定泥石流防治工程的规模，是十分重要的泥石流运动参数，但目前还没有规范的方法计算一次泥石流的总量，尤其是矮子沟泥石流缺少堆积扇，其泥石流总量的计算更加困难。为此参照《中国泥石流》[15]采用概化的方法进行粗略的计算。参照《中国泥石流》，按泥石流暴涨暴落的特点，根据泥石流的历时T和最大流量Qc，通过各断面的一次泥石流总量Wc由式(6)计算:

经过对流域内居民的调访，“6◦28”矮子沟泥石流持续时间约40 min，将 Qc=948.63 m3/s及 T=2 400 s带入公式(6)，此次泥石流总量为60.08万m3。

3 结 论

“6◦28”矮子沟泥石流成因复杂，影响因素较多。陡峭的地形条件是泥石流形成的基础，巨大的高差为泥石流的运动提供了能量条件，极端干旱气候及地震活动的影响、季节性的干湿循环、持续的降雨过程及强降雨的激发作用是“6◦28”矮子沟泥石流形成的主要原因。

为了确保下游排水洞及弃渣场的安全必须采取相应的泥石流治理措施。“6◦28”矮子沟泥石流运动参数的合理计算是防治工程设计的基础，“6◦28”矮子沟运动参数是在现场勘查的基础上，结合对流域内居民的调访，并查阅相关的气象资料计算得到的，能够较为真实的反映此次矮子沟泥石流的运动特征，也为接下来防治工程的设计奠定了基础。

[1]Iverson R M，ReidM E，Lahusen R R G，et al.Debris-flow mobilization from landslides[J].Annual Review of Earth and Planetary Sciences，1997 ，25:85-138.

[2]陈晓清.滑坡转化泥石流启动机理试验研究[D].成都:西南交通大学，2006.

[3]魏厚振，汪 稔，胡明鉴，等.蒋家沟砾石土不同粗粒含量直剪强度特征[J].岩土力学，2008，29(1):48-51，57.

[4]杨成林，陈宁生，邓明枫，等.黏粒含量对泥石流源区砾石土体强度影响的实验研究[J].成都理工大学学报(自然科学版)，2011，38(5):522-528.

[5]吴光明.泥石流物源区基岩岩性特征探讨[J].水文地质工程地质，2008，(5):110-112.

[6]Ryan H F，Legg M R，Conrad J，et al.Recent faulting in the Gulf of Santa Catalina:San Diego to Dana Point[J].Geological Society of America Special Paper，2009，454:291-315.

[7]Lin C W，Shieh C L，Yuan B D，et al.Impact of Chi-Chi earthquake on the occurrence of landslides and debris flows:example from the Chenyulan River watershed，Nantou，Taiwan[J].Engineering Geology，2004，71(1-2):49-61.

[8]Tang C，Zhu J，Li W L，et al.Rainfall-triggered debris flowsfollowing the Wenchuan earthquake[J].Bulletin of Engineering Geology and the Environment，2009，68(2):187-194.

[9]屈永平，唐 川，王金亮，等.强震区泥石流启动机制[J].山地学报，2012，30(3):336-341.

[10]宋继宏，胡明鉴，付克俭，等.宜巴高速岩堆不同密实度大型直剪强度特性[J].工程地质学报，2012，20(5):687-692.

[11]Chen N S，Yang C L，Zhou W，et al.The critical rainfall characteristics for torrents and debris flows in the Wenchuan earthquake stricken area[J].Journal of Mountain Science，2009，6(4):362-372.

[12]陈宁生，崔 鹏，刘中港，等.基于黏土颗粒含量的泥石流容重计算[J].中国科学 E辑技术科学，2003，33(增刊):164-174.

[13]胡明鉴，汪 稔，张平仓.蒋家沟流域松散砾石土斜坡滑坡频发原因与试验模拟[J].岩石力学与工程学报，2002，21(12):1831-1834.

[14]韦方强，胡凯衡.泥石流流速研究现状与发展方向[J].山地学报，2009，27(5):545-550.

[15]陈宁生，杨成林，周 伟，等.泥石流勘查技术[M].北京:科学出版社，2011.