辛聪聪 毛永星 喻文亮

1 建设综合勘察研究设计院有限公司安徽分院，安徽 合肥 230000 2 江西省地质局第五地质大队，江西 新余 338000 3 江西省新达地质灾害防治研究院，江西 新余 338000

5.12 汶川8.0 级地震引发了大规模的同震灾害[1]，主要以崩塌、滑坡、泥石流等为主，震后长时间的次生灾害给人们的生产生活带来了巨大的影响。发震断裂主要是NE 向龙门山断裂中的主中央断裂-映秀-北川断裂[2]。此次地震发震较为迅猛强烈，发震时间较长，发震时，地表破裂主要集中在映秀-北川断裂以及江油-都江堰断裂上，延伸长度达到330km，发震时间约为2min。随之震后的强烈连锁效应，导致灾害不断，形成大量的同震灾害物源，在后期的降雨条件下，极易发生泥石流灾害。李为乐等利用震后ALOS 影像自动提取了汶川地震重灾区绵远河流域内的崩塌滑坡，确定灾害的数量以及面积，得出灾害中分布最广、数量最多的是浅层崩滑体，同时由于地震力作用强烈，触发了许多深层、高速、远程滑坡，并形成了大量的滑坡堰塞[3]。清平乡文家沟泥石流属于震后特大型泥石流[4-6]，主要是在地震作用下，斜坡出现裂缝引发滑坡、崩塌，形成堆积物源，在后期降雨作用下，堆积体失稳，产生二次垮塌，物源进入沟道内，形成高频泥石流，多次暴发泥石流后，沟道内仍有物源堆积[7]。由于该地区的泥石流发生频繁，且同时影响较大，治理将会是一个较为长久的过程。强烈地震产生次生灾害，为泥石流的发生提供了物源基础。

芍药沟位于绵竹市汉旺镇清平乡小木岭二级水电站旁，清水河右岸，地震后导致的大规模同震灾害以及后续次生灾害产生了大量的物源，降雨使得这些物源较为活跃，从而导致大规模泥石流的发生。2010、2011 年在强降雨条件下均发生了大规模泥石流。2017 年8 月发生强降雨，引发大规模泥石流，对水电站厂房造成极大的损害。芍药沟泥石与玉麦棚子沟泥石属于同流域不同支沟泥石流，张欣等对绵竹市清平乡玉麦棚子沟泥石流性质进行研究，得出其为粘性泥石流，整体规模中等，流域的地形、构造及物源等条件均有利于泥石流的的形成，特别是在强降雨的作用下，存在再次发生泥石流的可能性[8]。芍药沟泥石流属于震后泥石流，在后期多次强降雨条件下，出现多次反复性。沟内建设有发电站以及高速公路，泥石流发生过后，高速路基冲毁，电站运营也受到较大的影响，因此查明芍药沟泥石流的物源来源、启动机制以及发生机理，并对其进行综合评价，可以为泥石流的治理提供重要依据。 渐变缓。流域面积共1.52km2，流通区所占面积较高，为1.48km2（表1）。

表1 沟谷分区地形特征一览表 Table 1 List of topographic features of valley subarea

1 泥石流形成条件

1.1 地形地貌

研究区内清平乡绵远河上游沿河两岸为侵蚀浅切割低山，海拔高程785～1000m，相对高差215m。其余部分为侵蚀中切割陡峻中山，海拔高程1000～2000m，相对高度1000m。个别山峰海拔高程超过2000m（图1）。

图1 研究区地貌分布图 Fig.1 Landform map of the study area

芍药沟总体上为“V”型沟谷地貌，属侵蚀中切割陡峻中山，上游沟段沟谷相对较为狭窄，纵坡较陡，水流较急，且动态变化较大，具陡涨陡落的山溪沟谷特征。中游段沟谷稍宽，纵坡较缓，沟宽在20～30m。泥石流原始物质堆积，坡面侵蚀等现象发育。下游段沟谷又开始变缓，沟道较窄且平直，纵坡较陡，到沟口处，纵坡又逐

流域岸坡地形坡度较大，以陡坡地貌为主，一般坡度介于30°～60°，局部近于直立，植被较为发育，中上游流域植被发育，以高等灌木为主，水土保持良好，中游以下主要为杂草和低矮灌木为主，水土流失一般。

1.2 地层岩性及物源

研究区无重要矿产[9-11]，区内出露相关的地层主要为黄硐子沟组（Zbw）、天桥组（Zbt）、芍药沟组（Zbs）、唐王寨群（D3tn）、第四系全新统（Q4）以及花岗闪长岩（γδ(2)）（图2）。

图2 研究区地层岩性分布图 Fig.2 Formation lithologic distribution map of the study area

震旦系上部黄硐子沟组（Zbw）岩性主要为灰色泥质粉砂质白云岩夹硅质条带；中部主要为棕红色粉砂质泥岩夹泥质粉砂岩条带；下部主要为浅红色、浅灰绿色粉砂质页岩、石英粉砂岩和长石石英粉砂岩。

天桥组（Zbt）上部为浅灰色薄板状隐晶-微晶石灰岩夹白云岩条带；中部为具多种不同结构构造的厚-块状白云岩，有豆状白云岩、变鲕硅质白云岩、白云质硅岩夹硅质条带；下部为黑色炭质页岩夹泥砂岩、白云岩及灰黑色长石石英砂岩。

芍药沟组（Zbs）上部为花斑状藻白云岩；中部为假鲕状、条纹状硅质白云岩；下部为黑色炭质页岩夹黑灰色硅质白云岩及泥质粉砂岩条带。

上泥盆统唐王寨群（D3tn）上部为浅灰色薄-厚层状白云岩夹灰白色较纯灰岩，局部具鲕状或假鲕状结构（即茅坝组）；下部为白云岩夹白云质灰岩（即沙窝子组）。

晋宁期花岗闪长岩（γδ2(2)），岩石呈灰-浅灰绿色，细-中粒花岗岩结构或二长结构。主要矿物有斜长石，含量40%～60%，牌号An=23～38，微斜长石显著增多，含量达15%～25%，其他为石英及少量黑云母。表面的绿色往往都是次生的绿泥石和少量绿帘石渲染的结果。

第四系松散堆积层（Q）：包括泥石流堆积物（Q4sef）、冲洪积物（Q4pl+al）、坡残积物（Q4dl+el）、崩坡积物（Q4col+dl）等（图3，图4）；引发泥石流的因素主要是第四系的物源（表2）。

图3 芍药沟沟道堆积物 Fig.3 The accumulation of Shaoyaogou channel

图4 芍药沟岸坡堆积物 Fig.4 The accumulation of the bank slope of Shaoyaogou channel

表2 泥石流物源特征 Table 2 Debris flow source characteristics

1.3 地质构造与地震

龙门山山前断裂又称为龙门山主边界断裂（F4），主要由北东段的江油断裂、中段的都江堰-安县断裂和西南段的天全断裂组成，总体走向北东35°～45°，断面倾向北西，倾角50°～70°。在平面上总体呈左行雁列展布，局部地段如都江堰至绵竹九龙场呈右行雁列（图5）。

图5 区域构造纲要图 Fig.5 Regional tectonic framework map

研究区位于都江堰-安县断裂和北川-映秀断裂之间，主要受控于龙门山主中央断裂（F3），龙门山主中央断裂主要由北川-林庵寺断裂、北川-映秀断裂、盐井-五龙断裂组成，断裂总体走向北东45°，断面倾向北西，倾角60°左右。断裂两侧还发育有一系列与之平行的次级断层，在剖面上组成叠瓦状构造，显示明显的压性特征。

据全国地震区划图编制委员会编制的《中国地震动参数区划图》GB18306-2015[12]，区域地震动峰值加速度为0.2g（图6），地震动反应谱特征周期为0.4s，地震基本烈度为Ⅶ度。

图6 研究区地震动加速度 Fig.6 Ground acceleration in the study area

1.4 气象与水文条件

小木岭电站位于清水河上游山区，海拔在900～4405m，流域受地形及季风影响，该地区气候具有顺西北盆地边缘高山地区冬长夏短，冬春寒冷，霜雪较多，夏秋凉爽雨水多，全年日照少，湿度大的特点。山区的年平均气温在14.4℃以下，比平坝低1.9℃以上，年降雨量在1500～1700mm；而在夏季的多雨时节，可连续3～4d，日降水量达到45mm。

1.5 泥石流成因分析

分区内沟谷狭窄，较为平直，主要为一较顺直V 型谷，流向100°左右，沟谷宽150～500m，沟床纵坡坡降较陡，平均462‰。沟谷岸坡较陡，左右侧边坡角度在30°～60°。局部为陡崖，植被稀疏，水土流失严重，可见基岩出露（图7，图8）。

图7 沟道内陡坡 Fig.7 Steep slope in the channel

图8 沟道上游近景 Fig.8 Close-up of the channel upstream

该区沟谷岸坡陡峻，构造复杂，断层发育，松散堆积体厚度相对较大，“5·12”地震后又新产生了大量崩塌和滑坡，为泥石流的发育提供了大量松散固体物源。另该区局部地区震裂及滑塌非常发育，植被破坏较严重，水土流失加剧，产生大量新的坡面侵蚀物源区。

芍药沟泥石流的水源主要来源于大气降水。由于泥石流均发生于雨季，此外，沟域内地下水不丰富，不构成引发泥石流的主要水源，沟域内没有水库、湖泊等集中的地表水体，因此暴雨形成的地表径流是引发泥石流的主要水源，暴雨是泥石流的主要激发因素。

2 泥石流运动特征参数计算

2.1 泥石流容重

在研究区主要二级电站芍药沟附近的沟口段、堆积扇处，取泥石流堆积物配合沟水搅拌泥石流浆体，经询问曾见过泥石流发生性状的二级电站员工，将浆体配成当时泥石流浆体浓度（主要参照2010 年“8·13”清平乡群发性泥石流期暴发时的性状）并进行称重，量测浆体体积，计算其重度作为泥石流流体的重度，其计算公式为：

式中γc为泥石流重度（t/m3）；Gc为配制泥浆重量（t）；V为配制泥浆体积（m3）。经公式（1）计算芍药沟主沟泥石流重度在1.824～1.983t/m3之间，平均值为1.851t/m3。

2.2 泥石流流速

泥石流流速是决定泥石流动力学性质最重要的参数之一，目前泥石流流速计算公式多为半经验或经验公式。芍药沟泥石流属粘性泥石流，其流速采用粘性泥石流通用公式进行计算：

式中Vc为泥石流断面平均流速（m/s）；Hc为泥石流流体水力半径（m），可近似取其泥位深度；Ic为泥位纵坡率，以沟道纵坡率代替；nc为粘性泥石流沟床糙率。经公式（2）计算结果为2.727m/s。

2.3 泥石流流量

按中国公路科学研究所提出的经验公式计算地表水汇水流量。

当汇水面积F≥3km2时计算公式为：

当汇水面积F<3km2时：

式中Qp为暴雨洪峰流量（m3/s）；Ψ为暴雨径流系数；F为汇水面积（km2），S为小时降雨（mm/h）。本文汇水面积均小于3km2，采用公式（3-2）。其中，表中P 值为设计发生频率（即100年发生泥石流的频数），求得的各断面部位暴雨洪峰流量值详见表3。

泥石流峰值流量计算：

式中，Qc为泥石流断面峰值流量（m3/s）；Φ为泥沙修正系数，采用公式Φ=（γc-γw）/（γH-γc）计算得出，其中γc为泥石流重度（t/m3），γw为水的重度（t/m3），γH泥石流固体物质的重度（t/m3）；Qp为暴雨洪峰流量，在表3 中已经算出；Dc为堵塞系数，可查《泥石流灾害防治工程勘查规范》DZ/T0220-2006[13]得出对应经验值。代入公式（4）计算得到结果（表4）。

表3 芍药沟沟口暴雨洪峰流量计算表 Table 3 Calculation table of floodhead flows of rainstorm at the exit of Shaoyaogou

表4 芍药沟泥石流峰值流量计算表 Table 4 Peak flow calculation table for the muddy stream of Shaoyaogou

2.4 一次泥石流过流总量

按照《泥石流灾害防治工程勘查规范》（DZ/T0220-2006）[13]附录I 提供的计算公式进行计算，一次泥石流过流总量计算公式：

式中，Q为一次泥石流过程总量（m3）；K为汇流系数；T为泥石流历时（s）；Qc为泥石流最大流量（m/s）。

一次泥石流固体冲出物的计算公式：

式中QH为一次泥石流冲出固体物质总量（m3）；Q为一次泥石流过程总量（m3）。

据前面的计算和分析测试结果，芍药沟20 年一遇泥石流暴发时泥石流冲出量为Q=6.265×104m3，泥石流重度γc=1.851t/m3，水的重度γw=1t/m3，泥石流固体物质重度γH=2.65t/m3，据此计算出固体物质冲出总量为3.231×104m3（表5）。

表5 芍药沟沟谷主要断面泥石流固体冲出量计算表 Table 5 Calculation table of debris flow solids outflow from main section of Shaoyaogou valley

3 泥石流风险评价

本文对绵竹市清平乡二级站芍药沟泥石流进行灾害风险评价，主要评价方法是单沟泥石流风险性评价模型[14]，为使评价结果更为准确，同时利用灾害评估规范进行验证。

3.1 泥石流危险度评价

汶川地震后由于引发的一系列同生灾害及后期发生的一系列次生灾害为泥石流的发生提供了丰富的物源[15]，在当地强降雨的作用下，芍药沟先后于2011 年、2012 年以及2017 年发生多次泥石流，根据现场的调查与分析发现，其发生的频率约在5%。根据单沟泥石流发生模式公式：

式中：H为单沟泥石流危险度（0～1）；M、F、S1、S2、S3、S6、S9分别为评价因子m、f、s1、s2、s3、s6、s9的转换值（表6），是泥石流运动特征参数，用来定量说明泥石流的特征（泥石流容重、流速、流量以及一次泥石流过流总量），对风险评价不影响。

危险度H可划分多个等级，分别为极低危险（0～0.2）、低危险（0.2～0.4）、中等危险（0.4～0.6）、高危险（0.6～0.8）、极高危险（0.8～1）。根据（7）单沟泥石流发生模式公式得，H=0.46，为中等危险（表6）。

表6 危险度评价因子的转换函数及转换值 Table 6 Conversion function and conversion value of risk assessment factor

3.2 易损性

泥石流易损性主要体现在承灾、社会、经济以及环境等方面[8]等方面，其计算公式如下：

式中：V为单沟泥石流易损度（0～1 或0～100%）；V1为财产指标（万元）；FV1为财产指标的转换函数赋值（0～1）；V2为人口指标（人/km2）；FV2为人口指标的转换函数赋值（0～1）；I为物质易损度指标（万元）；E为经济易损度指标（万元）；L为土地资源价值（万元）；a 为65 岁及以上老人和15 岁以下少年儿童的比例；b 为只接受过初等教育（小学）及以下人口的比例；r 为人口自然增长率（%）；D 为人口密度（人/km-2）。

芍药沟植被覆盖，无人居住，主要威胁对象为沟口小木岭一级水电站，根据其电站的投资额V1为1300 万元，由公式（9）算的FV1为0.8009。流域主要人口为水电站的工作人员，因此a和r为0，b=40，D=11。根据公式（10）得到FV2=-0.4015。最后由式（8）可知V=0.45。

3.3 泥石流风险评价

泥石流风险度公式为：

式中H为单沟泥石流危险度，V为单沟泥石流易损度。

泥石流风险度R的分级标准：极低风险（0～0.04）、低度风险（0.04～0.16）、中度风险（0.16～0.36）、高度风险（0.36～0.64）、极高风险（0.64～1）。

结合上述泥石流危险度和易损度的计算结果，绵竹市清平乡芍药沟石流的风险度R为0.207，为中等风险泥石流沟。

4 结论与建议

本文结合区域构造、岩性、气象水文以及区域地貌等地质因子，同时对区域内泥石流的物理特征收集，对其泥石流的危险性进行综合评价。

（1）芍药沟泥石流是在特大地质构造运动下的灾害，其沟域范围内的地貌特征、物源分布、水文以及构造条件，对泥石流的二次发生提供较好的基础。

（2）芍药沟泥石流是在地震背景下产生的同生或次生灾害，具有明显的强震泥石流特征，物源主要源于强震后的滑坡与崩塌。研究区属于强烈构造活动区，区域岩体裂隙、节理构造面等发育，促使岩体失稳，增加区域物源量；同时区域地貌为切割中山“V”型谷，沟岸两侧坡度大，同时此沟为支沟，河流纵比降大，为物源提供较好的失稳势能。

（3）根据研究，强降雨条件是泥石流发生的主要触发因素，芍药流域降雨主要集中于6～8月份的梅雨季节，降雨量较大，同时此处海拔较大，山顶降雨较大，导致山顶的清水区汇流量大，为此处泥石流发生提供较好的启动力。

（4）芍药沟泥石流主要属于主河道的支流泥石流，泥石流发育受其流域影响较大。评价危险度上为中等。但由于二级站处于泥石流出口的位置，泥石流在此处易于堆积，故此对电站的正常运行以及内部员工的安全具有较大的影响，应该对其的发育与破坏加大重视。

（5）在对泥石流的预防和治理过程中，建议以疏排的方式为主；另外加强对泥石流的控制，应对物源及其流通区进行植树，而对有威胁的建筑物对象，应该对其加固防护墙；对沟内的物源进行及时的清理工作，以防出现流水不畅的情况，在雨季对沟口进行疏导；随时对降雨量进行监测。