康定县小二里沟泥石流地质环境及动力学条件

吴文勋,蒋勇,刘猛,王嵩

(四川省冶金地质勘查局水文工程大队，成都 611730)

康定县小二里沟泥石流地质环境及动力学条件

吴文勋,蒋勇,刘猛,王嵩

(四川省冶金地质勘查局水文工程大队，成都 611730)

通过对康定县小二里沟泥石流的地形、水源、物源等基本条件的讨论，计算了泥石流的雨强、流速、流量、一次冲出量、石块运动速度、整体冲击压力等动力学参数，分析其发展趋势，提出相应的治理措施。

小二里沟；地质环境；动力学条件；防治措施

康定县孔玉乡小二里沟泥石流位于大渡河西岸金矿成矿带上的二里沟金矿区，矿山开采历史悠久，可追溯到清代，民间采掘活动兴旺，最多时可达200多家。二里沟金矿的开发为发展甘孜地区的地方经济起到了积极的作用，但民采企业的无序开采，致使矿山地质环境遭到严重破坏，泥石流等地质灾害时有发生，对矿区及沟口40多户居民的生命财产构成威胁，给下游折骆村甚至孔玉乡的生活用水带来污染，隐患对当地群众的心理造成极大的恐慌。因此，对小二里沟泥石流的地质环境特征和动力学参数的研究对泥石流的防治十分必要。

1 泥石流分区

小二里沟泥石流沟位于二里沟右岸，呈圈椅状，为二条坡面切沟，大部分沟段沟水冲刷强烈，两岸植被发育。流域面积2.53 km2，主沟长0.6 km，平均纵坡41°，呈“V”型峡谷，沟槽曲折，平面形态较平直，上宽下窄，两岸谷坡下陡上缓(图1、图2)，坡度35°～75°，相对高差100 m以下的两岸谷坡有大量的滑坡、矿渣堆积物，厚度2～5 m,下伏泥盆系危关群地层。此泥石流冲沟在“5.12”地震后的“9.23”特大洪水后形成泥石流灾害。

两岸谷坡岩体由泥盆系危关群地层组成，岩性为灰黑色中薄层板岩夹砂质板岩和灰黑色中层状板岩组成。地层倾向220°～250°,倾角55°～70°，危关群地层岩体较为破碎。

图1 小二里沟沟口Fig.1 Valley pass of Xiaoerli valley

图2 小二里沟流域图Fig.2 Debris flow basin of Xiaoerli valley

1.1 形成区

该沟形成区平面形态呈扇形，其形成区包括汇水区和物源区，物源区汇水面积为0.8 km2，汇水区面积为1.61 km2,整个形成区面积占泥石流流域面积的95%。从流域范围看，降雨后地表水的汇集速度快，且随沟长度增加流量渐增。

(1) 汇水区

分布于泥石流沟源区，高程2 400～4 580 m，沟谷斜坡坡度35°～48°,在2 600～3 500 m高程地带植被发育，生长着大量的针叶林和灌丛，植被覆盖率达80%,在4 000 m以上地带以高原草甸为主。上覆第四系残坡积层角砾碎石土。

该区每年11月至次年3月3 800 m以上有积雪，融雪水为沟水的主要补给源，占枯季沟水流量40%～50%，一般可达到0.5～1.5 l/s；山坡残坡积层不太发育，厚度1～5 m不等，一般斜坡下部的残坡积层厚度大于上部，斜坡总体稳定性好。

(2) 物源区

沟槽平均比降为438 ‰，沟谷两侧平均谷坡：中上部坡度30°～45°，下部坡度为46°～70°，局部呈陡崖状，总体呈“V”型峡谷。分布于泥石流沟中段，高程3 200～3 800 m,沟长1.7 km,平均纵坡19°,有四处跌水陡坎，坎高3～8 m不等，沟宽1～5 m不等，两岸谷坡植被发育，但砍伐严重，残留有大量的枯树桩。

沟底为松散堆积物覆盖，距沟底相对高差50 m的斜坡地带的残坡积物中有4段滑坡，7段矿山弃渣等大量分布(图3)，并构成了泥石流的物源。

图3 泥石流物源Fig.3 Provenance of debris flow

1.2 流通区

分布于泥石流沟下段，高程2 350～2 400 m,面积0.05 km2,占流域面积的2%，沟长0.2 km,平均纵坡20°,沟宽20～40 m不等，沟底均为泥石流堆积物；两岸谷坡植被发育较差，距沟底50～100 m地段两岸谷坡坡度为40°～70°，谷坡残坡积物较发育，局部呈陡崖状，总体呈“V”型峡谷。

沟底局部地段为泥石流及残坡积层覆盖，谷坡中下部较厚，局部地段可达10 m以上，但一般厚度较小，小于2 m。在距沟底相对高差50 m的斜坡地带的残坡积物中有少量的滑坡、矿渣分布，为泥石流提供了丰富的物源。

1.3 堆积区

分布于泥石流沟沟口地带，并从沟出山口段内就开始堆积，高程2 350～2 280 m,面积0.07 km2,占流域面积的3%，平均纵坡13°, 平均横坡7°，扇体中下段沟呈宽浅式，地表1～2 m为近几年发生泥石流的堆积物,下为老泥石流堆积物。在扇体老泥石流扇体上均居住有农户或种植有庄稼。

泥石流扇体沿二里沟扇宽0.73 km, 垂直二里沟扇长0.14 km,扇体起伏较大，老泥石流堆积厚度15～30 m,下伏基座阶地堆积物。1953年泥石流堆积扇面积为0.01 km2, 1983年、1991年泥石流堆积扇面积为0.05 km2,在老堆积扇上由于沟槽较窄，泥石流满槽后溢出而在表面亦有少量分布，2004年泥石流堆积扇主要集中在沟口地带堆积厚度平均1.5 m左右,堆积扇面积为0.01 km2,堆积方量为1×104m3。进入河中的堆积物被二里沟水带走，整个泥石流堆积扇扇体总堆积方量为1 400×104m3。

据现场调查，泥石流暴发时间均在雨季，无堵溃和断流现象，泥石流流体主要由砂石和碎块石组成，碎块石成分为板岩、千枚岩、结晶灰岩、花岗岩等，含量约30%～40%,粒径以5～20 cm为主，次为3～5 cm，个别达30～50 cm，无分选性和磨圆性。

2 地质环境特征

2.1 搬运条件

在勘查区所处二里沟流域面积为525.2 km2,多年平均流量为7.2 m3/s,工作期间实测流量为5.5 m3/s,根据调查访问近25 a来的水位变幅2.0 m，一般1 m左右，其最大流量为30.8 m3/s。

通过对二里沟河床进行调查，发现在河床上以漂石为主，在漂石之间充填有卵石，漂石含量达40%～50%,粒径20～60 cm,部分漂石直径大于1 m；而在小二里沟泥石流沟口段的水流冲刷区河床底部以漂石为主，该段河道较窄，水流较急。

2.2 泥痕特征

在泥石流的物源区实测3处泥痕，在流通区内实测4处泥痕，通过断面测绘，泥痕具有如下特征:

(1) 断面泥痕高差不一致，与泥石流沟的弯道有关，凹岸相对较高，高差最大达1.5 m。

(2) 水力半径大，流速大。

(3) 断面最大流量为133.32 m3/s,最小流量为75.2 m3/s。

(4) 根据沟内泥石流的冲刷与淤积调查，泥石流纵坡18°以上的沟段沟内无泥石流淤积物，沟底基岩出露(松散体沟段除外)；泥石流纵坡18°以下的沟段，沟床内有泥石流淤积物、矿渣覆盖。

2.3 堵塞特征

该泥石流沟沟槽较顺直，沟段宽窄较均匀，陡坎、卡口不多，物质组成粘性小、稠度低，流体多呈稠浆-稀粥状。但形成区集中，沟槽堵塞严重。其后堵塞程度属中等-严重，其堵塞系数为2.6。

2.4 规模特征

泥石流堆积扇面积约0.07 km2，堆积区局部厚度达15～30 m，平均厚度约20 m，粗略估计本泥石流规模为140×104m3左右。

泥石流暴发规模按泥石流一次堆积总量来划分属中型泥石流，按泥石流洪峰流量划分属特大型泥石流。

2.5 成因类型

据现场调查与访问，泥石流具有以下特点：

小二里沟泥石流发生均与降雨(尤其是强降暴雨)有关。

以流域为界，受沟谷制约，泥石流的形成，堆积与流通区明显，物源区的松散堆积分布于沟槽两岸及河床内，沟谷两侧有滑坡、矿渣分布；

泥石流发生时以细-中粒的砂石为主，含碎块石约30%～40%；

根据规范，属稀性泥石流。

2.6 活动特征

根据这三次泥石流的有关记录可以得出该泥石流活动特征:

(1) 12 h的降雨量达到46 mm时，该沟易暴发泥石流，最大1 h降雨量和最大10 min雨强未发生泥石流。

(2) 超长降雨的情况下12 h降雨量达到16.6 mm时该沟口产生泥石流。

(3) 6 h以上的连续暴雨(泥石流沟流域内)，该沟可暴发泥石流。

(4) 泥石流沟的降雨与小二里沟上游区降雨不同步，即泥石流沟降雨而小二里沟水量不增加，泥石流易在二里沟内堆积，并形成拦水坝对沟口农户构成威胁。

(5) 泥石流沟谷峡窄，不稳定体众多，一旦暴雨触发滑坡失稳，沟谷较易堵塞，堵塞后形成拦水坝，由于滑坡物质内含粉土和结构松散，极易溃坝而产生粘性泥石流。

(6) 该沟从1991年发生泥石流后，在这几年时间内每年有所发生，只是规模大小不一，3～5 a发生一次中等规模的泥石流，因此该泥石流的活动特征属间歇性中等规模泥石流，属中等活动性泥石流沟，较易由工程所控制，易于治理。泥石流沟易发程度数量化评分104分。

(7) 该泥石流的堆积扇规模较大，前缘已使二里沟弯曲变窄，主河偏移，其物源区长度约900 m，大于沟长的60%，不稳定的松散物质储量大于10×104m3，变形量达(5～10)×104m3，暴雨强度指标大于10,属很强活动性的泥石流沟。

综上所述，小二里沟泥石流属沟谷型矿渣稀性泥石流。

2.7 发展趋势

(1) 在连续超长降雨的情况下暴雨强度达到15 mm以上或以6 h以上的连续暴雨时，该沟暴发泥石流的可能性极大。

(2) 根据沟内泥石流物源的岩性情况，该沟发生泥石流时仍以稀性泥石流为主，其规模小于1953年而与1991年泥石流的规模相当,而在暴发泥石流2～3次大的泥石流之后，随着物源量的减少，泥石流将由稀性泥石流变为水石流，泥石流暴发的间歇期将延长。

(3) 泥石流沟口及堆积体扇体顶部沟槽淤塞或沟槽狭窄，泥石流满槽后外溢的可能性极大，以致于堵塞二里沟使河水位抬升，从而危及扇体上农户安全，给下游折骆村甚至孔玉乡的生活用水带来污染。

该泥石流沟沟谷峡窄，沟谷两岸有大量的不稳定体分布，这些不稳定体已滑动或处于潜在不稳定状态，在大暴雨的条件下物源向沟内运移，形成堵沟的可能性极大，在已发生泥石流的基础上还会发生泥石流。

据现场勘查，泥石流物源区、堆积区扇形较发育，砂石及碎块石来源于人类工程活动及滑坡等不良地质作用，沟槽纵向切蚀为主，沟坡顺直束窄。依据规范的有关规定判定其发展阶段为发展期。

3 动力学条件

3.1 雨强

小二里沟年内最大1 h雨量平均值12.5 mm，变差系数Cv=0.35，根据手册计算得各频率下计算雨强如下表1。

表1 1 h雨强计算表

Table 1 Computational table of one hour rainfall intensity

p/%2.005.00比系数Kp9.951.68暴雨雨量Qp24.3821.00

3.2 流量

(1) 形态调查法

在泥石流沟道中选择2～3个测流断面。断面选在沟道顺直、断面变化不大、无阻塞、无回流、上下沟槽无冲淤变化、仔细查找泥石流过境后留下的痕迹，然后确定泥位。最后测量这些断面上的泥石流流面比降(若不能由痕迹确定，则用沟床比降代替)、泥位高度HC(或水力半径)和泥石流过流断面面积等参数。用相应的泥石流流速计算公式，求出断面平均流速VC后，即可用下式求泥石流断面峰值流量QC，计算的结果见表2。

QC=WC·VC

表2 各泥痕断面的流速及流量计算结果

Table 2 The velocity and discharge of each mud trace sections

指标及断面编号6-6#7-7#断面面积/m236.8527.07水力半径1.581.34纵坡1619流速/(m·s-1)8.910.1流量/(m3·s-1)327273.4

注:综合得出该泥石流水力半径为1.5,泥痕纵坡为16°,流速为9 m·s-1,断面面积为30 m2

(2) 雨洪法

假设泥石流与暴雨同频率、且同步发生，先按水文方法计算小二里沟山前出口断面，不同频率(100 a、50 a和10 a)下的小流域暴雨洪峰流量 (计算方法采用手册[3])，然后选用堵塞系数，按下式计算泥石流流量。

式中,QC为频率为P的泥石流洪峰值流量(m3·s-1)；(1十φ)为可参照规范G.2数量化评分为104确定,为1.791；φ为泥石流泥沙修正系数，按φ=(γC-γW)/(γH-γc)计算,计算值为0.77；γC为泥石流重度(t·m-3),取1.72；γW为清水的重度(t·m-3),取1.0;γH为泥石流中固体物质比重(t·m-3), 取2.7；γc为泥石流堵塞系数，可查表为2.6；QP为频率为P的暴雨洪水设计流量(m3·s-1)，按QP=0.278r×i×F=0.278×24.38×0.6×2.53=10.29 m3·s-1；r为设计频率下小时最大雨强(mm·h-1)设计，按表3计取；i为产水系数，根据以往经验对以矿碴为主的泥石流取0.6；F为流域面积(km2)，2.53 km2；DC为泥石流堵塞系数，按DC=0.87t0.24。

泥石流洪峰流量计算结果详见表3。依据泥石流灾害防治工程勘查规范的规定，当发生频率为100 a一遇(1%)时将发生中型规模泥石流，当发生频率为50 a一遇(2%)和20 a一遇(5%)时，为小型规模泥石流。

3.3 一次泥石流冲出量

一次泥石流总量Q可通过实测法确定，实测法精度高，但因往往不具备测量条件，只是一个粗略的概算。也可按泥石流暴涨暴落的特点，将其过程线概化成五角形，按下式计算Q(m3)。

Q=0.264TQc

式中，Q为一次泥石流总量(m3)；T为泥石流历时T(s)，据调查访问确定；Qc为泥石流最大流量(m·s-1)。

按下式(表4)，分别计算50 a一遇及20 a一遇的，一次泥石流冲出的固体物质总量QH(m3)。

表4 一次泥石流过程总量计算表

根据调查2004年泥石流持续时间0.5 h左右，流域面积2.53 km2,粗略概算一次泥石流冲出的固体物质总量为1×104m3，与计算的50 a一遇泥石流固体物质量结果(9 891 m3)相近，表明计算结果正确。

3.4 石块运动速度

以堆积后的泥石流冲出物最大粒径大体推求石块运动速度的经验公式：

式中,Vs为泥石流中大石块的移动速度(m·s-1)；dmax为泥石流堆积物中最大石块的粒径(m)；μ为全面考虑的摩擦系数(泥石流容重、石块比重、石块形状系数、沟床比降等因素)。μ介于3.5～4.5之间，平均μ=4.0。

根据调查泥石流沟中的最大块径3.5 m, 可得出泥石流中大块石的移动速度为7.5 m·s-1。

3.5 泥石流体整体冲击压力

泥石流冲击力是泥石流防治工程设计的重要参数。分为流体整体冲压力和个别石块的冲击力两种。泥石流体整体冲压力计算公式，根据铁二院(成昆、东川两线)公式

式中，δ为泥石流体整体冲击压力(kPa)；λ为建筑物形状系数，圆形建筑物λ=1.0，矩形建筑物λ=1.33，方形建筑物：λ=1.47;γc为泥石流重度(kN·m-3)；g为重力加速度(m·s-2)，取g=9.8m·s-2；Vc为泥石流断面平均流速(m·s-1)；α为建筑物受力面与泥石流冲压力方向的夹角(°)。

按该公式计算λ=1.47,VC=7.0m·s-1,γC(泥石流容重)=17.17 kN·m-3,α=90°,计算可得泥石流整体冲压力为126.3 kPa。

4 结论和建议

(1) 康定县孔玉乡小二里沟泥石流严重威胁沟口30户120人的生命和财产安全，给下游折骆村甚至孔玉乡的生活用水带来污染，并制约着矿山的生产，开展小二里沟泥石流的勘查和治理工作对康定县经济建设具有重要意义。

(2) 小二里沟内有4段滑坡、7段矿山弃渣，体积11.5×104m3，发生泥石流的物源丰富，属矿渣泥石流。

(3) 对小二里沟泥石流沟的治理可采用排导槽+多级拦渣格柵坝进行治理。排导作用是防止泥石流满槽外溢并引导泥石流进入二里沟，并被带走，由于沟床狭窄，要将泥石流全部拦截的工程量较大，拦挡的作用只能是拦粗排细，防止大块石进入二里沟淤塞河道。

(4) 拦渣坝以中风化板岩作为基础持力层的天然地基方案，基础进入中风化板岩地层1 m左右，或满足抗冲刷要求；为了在排导槽内对泥石流能量有所消减，排导槽在平面上应为弧线，同时为了让冲出的泥砂易于北沟水带走，应主沟下游锐角相交。

[1] 四川省冶金地质勘查局水文工程大队.康定县二里沟矿山环境地质恢复治理勘查报告[R]．成都，2009.

中华人民共和国国土资源部.泥石流灾害防治工程勘查规范(DZ/0220-2006)[S].2006.

四川省水利电力局水文总站.四川省水文手册[M]．1979.

THE GEOLOGIC ENVIRONMENT AND KINETIC CONDITIONS OF XIAOERLI VALLEY DEBRIS FLOW IN KANGDING COUNTY

WU Wen-xun,JIANG yong,LIU Meng,WANG Song

(No. Hydro team,Sichuan bureau of Metallurgical geology & exploration,Chengdu 611730,China)

Based on the discussion of the basic conditions such as terrain, water source and provenance in Xiaoerli Valley debris flow, Kangding County. The rainfall intensity, flow velocity, quantity of flow, the amout of one flow, rock velocity, total impact pressure and other dynamic parameters of this debris flow were calculated, and its development trend was also analyzed. Then relative control measures were proposed.

Xiaoerli Valley; geologic environment; kinetic conditions; control measures

1006-4362(2014)01-0066-05

2013-10-22 改回日期： 2014-01-18

P642.23;X141;P642.2

A

吴文勋(1966- )，男，四川富顺人，水工环地质高级工程师，长期从事地质灾害调查、评估、勘查工作。