地质力学学报  2014, Vol. 20 Issue (2): 132-139
引用本文
张瑞端, 郭长宝, 张永双, 付晓晓. 安宁河断裂带勒帕沟泥石流发育特征及防治建议[J]. 地质力学学报, 2014, 20(2): 132-139.
ZHANG Rui-duan, GUO Chang-bao, ZHANG Yong-shuang, FU Xiao-xiao. DEVELOPMENT CHARACTERISTICS AND PREVENTION SUGGESTIONS OF THE LEPA DEBRIS FLOW IN THE ANNING RIVER FAULT ZONE[J]. Journal of Geomechanics, 2014, 20(2): 132-139.
安宁河断裂带勒帕沟泥石流发育特征及防治建议
张瑞端1,2 , 郭长宝2 , 张永双2 , 付晓晓1,2     
1. 中国地质大学(北京)工程技术学院, 北京 100083;
2. 中国地质科学院地质力学研究所, 北京 100081
摘要:2011年6月17日,勒帕沟发生近50年来最大的一次泥石流,经计算泥石流断面平均流速为2.03 m/s,峰值流量为200.11 m3/s,为大型泥石流,对帕勒村村民生命财产造成了巨大危害。勒帕沟上游岸坡前缘不稳定斜坡体及勒帕沟沟道内松散堆积的卵砾石为勒帕沟泥石流的主要物源。上游支沟中碎屑物块度较小,易被水流冲走,不会形成堰塞湖和溃决型泥石流。勒帕沟流域现今仍有再次暴发泥石流的可能,建议于流域中上游进行人工植树造林,在下游清理河道,进行监测预警,以实现泥石流综合防治。
关键词安宁河断裂带    勒帕沟    泥石流    发育特征    
DEVELOPMENT CHARACTERISTICS AND PREVENTION SUGGESTIONS OF THE LEPA DEBRIS FLOW IN THE ANNING RIVER FAULT ZONE
ZHANG Rui-duan1,2 , GUO Chang-bao2 , ZHANG Yong-shuang2 , FU Xiao-xiao1,2     
1. School of Engineering and Technology, China University of Geosciences, Beijing 100083, China;
2. Institute of Geomechanics, Chinese Academy of Geological Sciences, Beijing 100081, China
Abstract: The paper gives careful calculations of the maximum debris flow in the Lepa gully in June 17th, 2011, the extraordinarily serious debris flow calamities in the last fifty years. By calculation, the mean velocity of the debris flow was 2.03 m/s with a peak discharge of 200.11 m3/s. The unstable slopes in the front edge of the upper Lepa gully's river bank together with those gravels overlapped on its riverbed proved to be the main solid substance source of the Lepa debris flow. The diameter of the clastics' particle in the upper branch was small, so they are prone to be swept away by floods in the gully rather than resulting in the formation of barrier lakes or extraordinarily serious debris flow calamities. Currently, Lepa gully still has possibility of debris flow's breakout, suggestions lie in planting trees in the upper and middle reaches of the gully, cleaning riverbed in the lower reaches, setting up monitoring and warning system, to prevent the debris flow.
Key words: Anning River fault zone    Lepa gully    debris flow    development    
1 研究区概况

勒帕沟系安宁河上游左岸的一级支沟,距四川省冕宁县城北约19 km,安宁河断裂带北段的东支断裂自沟口对岸山体西侧坡脚处通过。安宁河断裂带是一条兼具逆冲分量的走滑活动断裂,具有强烈的挤压特征[1~2]。强烈的断裂活动导致安宁河两岸及断裂带附近滑坡、泥石流等地质灾害密集发育,已查明的地质灾害中仅泥石流就有267条[3]。安宁河上游是四川省泥石流危险度区划中泥石流危险性最高的区域之一[4]。因此,泥石流灾害对安宁河两岸,尤其是上游区域的基础设施和人民生命财产安全影响很大。

勒帕沟流域总体呈扇叶形,近东西向展布,上游由南北两支组成,以南支为主,始于小相岭分水岭,最高海拔4352 m,最低为2104 m。主沟略有曲折,总体较顺直(见图 1),在彝海乡帕勒村汇入安宁河。主沟长7.6 km,流域面积为59.6 km2,总体沟降比196‰,主河床沟降比为120‰。沟谷岸坡较陡,侵蚀作用强烈,上游以岩质沟床为主,支沟发育,呈树枝状。

图 1 勒帕沟流域平面分布图 Figure 1 The plane distribution map of Lepa gully

2011年6月17日勒帕沟暴发了近50年来规模最大的一次泥石流,经计算勒帕沟泥石流流速为2.03 m/s,峰值流量高达200.11 m3/s,为大型泥石流。勒帕沟泥石流为典型的沟谷型泥石流,据当地村民描述,数十年来,勒帕沟每年都有大小不等的泥石流发生,为高频泥石流沟谷,每次大型泥石流发生皆造成了一定的人员伤亡及财产损失。

2 泥石流发育特征 2.1 泥石流形成区特征

勒帕沟泥石流形成区由两条支沟组成,北支冲沟主沟道长1822 m,高差300.4 m,平均坡降164.9‰;南支冲沟主沟道长2353 m,高差359.8 m,平均坡降152.9‰。两条冲沟沟谷比降较大,沟床形态为“V”字型,汇水条件好;同时由于基岩主要为震旦系苏雄组、开建桥组安山玄武岩、安山斑岩等透水性差的岩层,不利于地表水下渗,降水主要通过沟谷排泄。两侧山体大部分植被发育良好,局部山体有裂缝发育,约30%面积可见风化基岩出露,其余为残坡积物。山体前缘多处发育小型滑坡体(见图 2),山体坡度35°—45°,局部达50°。

图 2 山体前缘发育小型滑坡(镜像南东)① Figure 2 Small landslide developed in the mountain front

① 该照片由冕宁县国土资源局环境监测站郑国虎副站长提供

2.2 泥石流流通区特征

勒帕沟泥石流流通区自形成区末端两条支沟交汇处开始,处于高程2119.2~2210.6 m之间,长1594 m,平均坡降57.3‰。其宽度边界以泥石流影响范围考虑,确定为150~220 m。分散的沟床堆积体宽平均5~10 m,最宽达15 m,厚1~3 m,以块石、砾石为主,岩性主要为安山斑岩、砂岩等,多数磨圆度较好,部分成棱角状。砾石粒径一般小于30 cm,少量可达50 cm以上,碎石级配不良。泥石流流通区较开阔,在形成区内的松散固体物质被雨水冲刷汇入主沟后便流入平坦地区,泥石流向两侧扩散,形成扇状。平坦沟谷内固体物质堆积较松散,易被水流冲走,成为泥石流形成规模较大的原因之一。

2.3 泥石流堆积区特征

勒帕沟泥石流堆积区南北两侧有多处帕勒村居民房屋,地形坡度较缓,平均坡降9.1‰。堆积物长约600 m,宽30~40 m,厚1~2 m,体积约4.5×104 m3,主要由碎块石组成(见图 3),最大块石直径约1.0 m。现今局部已有灌木、杂树等植被覆盖。沟口一带走向北西西,在沟口形成宽阔的扇形地。由于勒帕沟流经区域及沟口扇地区相对平缓,地形起伏较小,多数区域开发为农田,修建有房屋,以致泥石流暴发后灾害更为严重,居民及财产损失更大。该泥石流曾造成公路堵塞、交通中断、桥梁冲毁,对高速公路安全威胁极大。

图 3 沟口局部卵砾石堆积体(镜像北东) Figure 3 Gravel accumulations in part of the estuary
3 泥石流形成条件 3.1 物源条件

勒帕沟流域上游局部地区岸坡前缘流水切割破坏现象严重,为泥石流的主要松散物源之一。现场调查发现,现今沟道内仍含有大量卵砾石、泥沙堆积,一般砾径为30~40 cm,最大可达80 cm。推测两条支沟可移动物源共约3.0×105 m3。山体前缘小型滑坡及残坡积物等欠稳定体体积约1.0×104 m3,目前不稳定,极有可能成为以后泥石流的碎屑物源。上部山体以陡坡、陡崖为主,坡度较大,但以横向结构坡为主,岩体稳定。尚有部分泥石流物源来源于中游,由于取水管线等水利设施修建于山体中部,破坏了山体表面坡体的稳定性,常有碎石等滚落,堆积于坡脚,加之沟道内停淤有自上游搬运而来的厚1~3 m不等的卵砾石等,可作为松散物源被泥石流带走。

3.2 水源条件

冕宁县处于较低纬度、高海拔地区,属亚热带季风气候,兼有高原气候特点。雨量丰沛,日照充足,冬暖夏凉,雨热同季,干湿分明。据冕宁县气象局资料统计,彝海地区年均降水量为1222 mm,年降水量最大值1518.9 mm,最小值1067.2 mm,日最大降雨量164 mm,小时最大降雨量150 mm,年降雨量中,夜间降雨量占76%,为白天降雨量的3.1倍。2001—2011年间,共降暴雨27次,年平均2.7次,最多年降6次暴雨,最少年降1次。降雨主要集中在5—9月(见图 4),是地质灾害的主要诱发因素,勒帕沟流域具备发生泥石流的水源条件。

图 4 彝海地区近十年平均降雨量分布图 Figure 4 Average rainfall distribution map of the last ten years in Yihai district

据冕宁县气象局资料,2011年6月勒帕沟泥石流暴发时,彝海地区当日降雨量为79.5 mm,为6月最大日降雨量(见图 5),泥石流暴发前1 h的降雨量高达19.4 mm,前3 h累计降雨量达40.3 mm(见图 6)。在强降雨作用下,诱发边坡及松散堆积体失稳,为泥石流提供了物质来源。

图 5 彝海地区2011年6月份日降雨量 Figure 5 Everyday rainfall distribution map of Yihai district in June, 2011

图 6 2011年6月16—17日小时降雨量 Figure 6 Hour rainfall histogram between June 16th and 17th, 2011
3.3 地形地貌条件

地形地貌对泥石流的发生、发展主要有两个方面的作用:一是通过沟床地势条件为泥石流提供位能,赋予泥石流一定的侵蚀、搬运和堆积的能量;二是沟槽在一定演化阶段内,能够提供足够数量的水体和土石体[5]

勒帕沟地势东高西低,山高坡陡,地形起伏大。勒帕沟流域为构造剥蚀侵蚀高中山地貌,沟谷上游多呈“V”型谷,谷缘至谷底的相对高差大,一般为500~600 m,下游为“U”型宽谷。上游山体中上部以横向结构坡为主,沟床以岩质为主,局部弯曲的沟道利于泥石流的消能,高差大的地形地貌为泥石流的发生提供了有利条件。

4 泥石流运动特征

勒帕沟上游主沟道两侧岸坡前缘中下部发育多处不稳定斜坡体及浅层小型牵引式土质滑坡,其激发因素以暴雨冲刷和坡脚侵蚀为主,为勒帕沟泥石流提供了部分物源。由于松散固体碎屑物块度一般小于0.3 m,遇到降雨作用时,松散物质很快被水流冲走,不会形成滑坡堰塞湖,不具备发生溃决型泥石流的条件。

4.1 泥石流容重

泥石流容重是泥石流最重要的参数之一[6],对泥石流流速、整体冲击力等特征值的计算有很大影响。现有的泥石流容重计算方法主要有理论推导法和特征参数法两大类。理论推导法采用野外调查和访问目击者的方法,如现场调查试验法及数量化综合评判法[7],所得容重受人为因素影响大,加之精度不确定,常常难以准确反映容重的真实值。在特征参数法中,基于流域形态完整系数的泥石流容重计算方法最为简便实用。

流域形态与泥石流有着密切的关系,流域形态可以用流域形态完整性系数δ来表示[8]

$δ=\frac{A_\text{b}}{L^2_\text{w}}$ (1)

式中:LW——流域长度,km;

Ab——流域面积,km2

韩征等[9]根据流域形态系数的大小,将泥石流流域定型为:

长条形泥石流流域:δ<0.3;

桦叶形泥石流流域:0.3≤δ<0.7;

漏斗形泥石流流域:δ>0.7。

勒帕沟总流域面积为59.6 km2,流域长度11.785 km,其流域形态完整系数δ为0.429,属于桦叶形泥石流流域。

同时,韩征等[9]通过分析四川省西南山区20条典型泥石流沟的容重及泥石流流域形态完整系数,采用指数方程对趋势线进行回归分析,发现泥石流容重与流域形态完整系数存在以下关系:

$ρ_\text{c}=1.282+2.146×{0.001}^δ$ (2)

式中:ρc——泥石流容重,t/m3$δ$——泥石流流域形态完整系数。

误差分析表明,该公式应用于流域形态完整系数大于0.30的桦叶形泥石流沟的容重计算具有很高的可信度,计算结果与实际测量值吻合较好。

由此计算得到勒帕沟泥石流容重为1.393 t/m3,属于稀性泥石流。

4.2 泥石流流速

泥石流流速是泥石流动力学分析中最重要的参数之一,也是泥石流工程防治设计中必须考虑的参数。泥石流流速包括泥石流的表面流速、内部流速、平均流速和龙头速度等。但由于泥石流流态复杂多变,横向和纵向流速分布不均匀,在实际泥石流流速计算时常采用断面的平均流速来表示[10]

基于水力学中的曼宁公式的泥石流断面平均流速计算公式为:

$V_\text{C}=(R^{2/3}_\text{C}+I^{1/2}_C)/n_\text{c}$ (3)

式中:$V_\text{C}$——泥石流平均流速,m/s;$R_\text{C}$——水力半径,m;$I_\text{C}$——泥石流沟床比降;$n_\text{c}$——泥石流曼宁糙率系数。

对于实测资料较少的泥石流沟道,可以根据具体的泥石流沟道特征通过查表(见表 1)确定其曼宁糙率系数[11]。《四川省中小流域暴雨洪水计算手册》中给出的泥石流沟水力半径计算公式为:

$R_\text{C}=\frac{HW}{(2H+W)}$ (4)
表 1 泥石流糙率系数的确定[11] Table 1 Roughness coefficients of debris flows

式中:H——泥石流水深,m;W——泥石流运动宽度,m。

经计算勒帕沟泥石流断面平均流速为2.03 m/s。

4.3 泥石流峰值流量

泥石流峰值流量可以直接反映泥石流的规模,是泥石流特征的重要指标和泥石流危险性评价的主要参数之一,同时也是决定泥石流防治工程结构、强度和尺寸的因子。康志成[12]、沈寿长等[13]、吕儒仁[14]对泥石流洪峰流量的研究和计算进行了总结,泥石流流量计算主要有配方法、形态调查法、综合成因法和数理统计法。形态调查法应用较为广泛,该方法的流量计算主要根据所勘测的过流断面面积乘以流速而得,公式为:

$Q_\text{C}=W_\text{C}×V_\text{C}$ (5)

式中:QC——泥石流峰值流量,m3/s;WC——泥石流过流断面面积,m2

经计算勒帕沟泥石流峰值流量为200.11 m3/s(见表 2)。

表 2 勒帕沟中游泥石流运动特征计算 Table 2 Calculations for the characteristics of the debris flow movements in the middle reaches of the Lepa gully
5 泥石流危害及防治建议 5.1 泥石流危害

2011年6月17日凌晨,彝海地区的暴雨造成勒帕沟泥石流的暴发,致使8680人受灾,死亡2人,失踪16人;垮塌房屋361间,损坏房屋428间;农作物受灾584公顷,毁坏耕地286公顷,死亡大牲畜364头,直接经济损失达2.47亿元(冕宁县国土局)。野外调查发现,现今勒帕沟上游仍存在多处不稳定斜坡体,坡体前缘流水切割严重,沟道内卵砾石堆积物方量较大,遇暴雨易再次形成泥石流灾害。沟口处有多处农田及帕勒村村民房屋,泥石流对沟口村民生命财产安全构成巨大威胁。

5.2 防护措施

勒帕沟流域在不发生新的大规模滑坡的情况下,可采取一定的防治措施控制其上游泥石流物源及其对下游帕勒村的影响。主要措施包括:在流域上游山体前缘残坡积物、冲洪积物等物源区以及中游宽谷临近岸坡植被覆盖不良区域进行人工植树造林,种植树木或草皮,以减少降雨冲刷岸坡带入河道中的松散固体物质方量。在下游清理河道,用机械开挖清淤泥石流堆积体,在河道中部修建排导沟槽,靠近帕勒村沟口位置的堆积扇边缘可修建浆砌石或混凝土的挡土墙,预防泥石流对帕勒村村民生命财产的危害。

5.3 监测预警

对于上游难以实行防治的支沟,如遇特大暴雨,可能导致大量松散固体物质涌入河道,以使洪水越过挡土墙,威胁村民的生命和财产安全。因此,在没有泥石流防护和治理措施的情况下,应加强勒帕沟泥石流的监测预警。重点监测上游降雨及泥位情况,对于可能导致泥石流的降雨,及时通知下游村民撤离。

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