四川崇州大岩沟泥石流成因机制及危险性评价

王 锐 刘 刚 钟晓波

（1.中国建筑西南勘察设计院有限公司 重庆 401147；2.重庆市地质矿产勘查开发局 南江水文地质工程地质队 重庆 401147）

1 引言

泥石流通常是在集中暴雨等诱发条件下引起的携带有大量泥沙和石块，于地形陡峻、沟壑纵深大地区发生的特殊洪流。泥石流常表现突发性强、冲击力大、破坏性强等特点，常常会冲毁房屋、公路、铁路等设施，甚至人员伤亡，造成巨大损失，所以对于泥石流的形成机制研究及危险性评价有重大意义。

国外对泥石流的形成机制及危险性评价开展的比较早，对于泥石流危险性研究的成果也较多。奥地利、瑞士等欧洲国家对泥石流的灾害性评价，较早的提出了“三色”（即类似交通信号中红、黄、绿）方法来划分泥石流危险区、潜在危险区和无危险区。日本足立胜治等于1977年首次开展了泥石流危险度的判定研究，提出主要从地貌条件、泥石流形态和降雨3个方面判定泥石流发生的几率。

国内对泥石流的危险度研究起源于20世纪80年代。近年来，由于地震，伴随着泥石流灾害频频发生，对泥石流的危险性研究也随之增加。专家学者对黄河上游地区崩塌、滑坡、泥石流地质灾害区域、都（江堰）汶（川）公路泥石流、四川凉山州安宁河流域泥石流、四川阎王曲二支沟泥石流、临潼大水沟泥石流等泥石流危险性作了深入细致的研究，且李泳早在1999年就泥石流问题综合多种方法思想作了归纳总结，李阔等人针对泥石流的研究现状作了详细阐述。但由于四川崇州鸡冠山乡苟家村特殊的地层岩性、地质结构和构造，对于大岩沟泥石流的形成机制和危险性评价亟需解决。本文针对大岩沟泥石流的特点，在了解大岩沟地层岩性和地质构造后，结合区域性环境对其泥石流形成区、流通区和堆积区的影响作用，最终形成对其危险性的评判。

2 工程概况

位于四川省崇州市鸡冠山乡苟家村的大岩沟泥石流在2008年“5·12”特大地震后，在坡面形成碎屑，3天暴雨后于5月16日发生过。以后暴雨过后曾发生多次泥石流，但规模均很小，仅有少量泥砂夹块石冲出，堵塞河道，未造成严重的经济和财产损失，也没有造成人员伤亡。淤积物被携带达几百米，危及沟中住户。目前，在泥石流堆积区、极危险区、危险区范围内受威胁对象包括沟内分布有10多户居民和到白云沟的旅游道路以及桥梁1座。据统计，泥石流危险区潜在受灾人口计100人，其险情级别划分属小型。

本次泥石流应急勘查的主要目的有：查明泥石流类型、规模、形成条件、运动特征、发展趋势、可能出现的灾情和险情等，为泥石流应急防治工程设计提供科学依据。主要任务包括：查明地形地貌特征；查明泥石流运动学特征，计算泥石流流量、流速、冲击力、冲高和爬高等参数；确定泥石流危险区范围，对泥石流灾情和险情进行统计分析；根据泥石流形成条件和基本特征、危害情况等，有针对性地提出泥石流应急防治的方案建议。

图1 泥石流区平面示意图

图2 泥石流地质1-1’横剖面图

3 勘查区自然条件及地质环境条件

3.1 自然条件

3.1.1 位置与交通

勘查区位于崇州市鸡冠山乡苟家大岩沟，区内有旅游公路及通村公路，交通较方便，工作区距崇州市区约50km。

3.1.2 气象与水文

崇州市属四川盆地亚热带湿润季风气候，四季分明，雨量充沛，日照偏少，无霜期较长。年平均降雨量1012.4mm，崇州气象站观测的24h最大降雨量为257.00mm（鞍子河，1966.7.26～7.27），351.4mm（万家场，1966.7.26～7.27），雨日和雨量均为夏多冬少，春季为176.1mm，夏季为588.0mm，秋季218.4mm，冬季为29.9mm。主要灾害性天气为连续性阴雨、洪涝、干旱、大风、冰雹、寒潮、霜冻等。

大岩沟流域属岷江水系。大岩沟为岷江左岸一级支流西河之一级支流，沟源头位于崇州南部的鸡冠山乡苟家村的后龙山西麓，由东向西流经鸡怀公路，在苟家场汇入西河上游文井江。其中文井江，平均迳流量15.2m3/s。全长109km，市境内长96.8km，流经14个乡镇，为全市最长河流，主沟属于雨源类型河流，地表径流主要由降雨补给。

工区段白云沟自东向西从堆积区前缘流过，冲沟宽度15.0m～30.0m，本段河床纵比降约230.3‰。流域内洪水主要由暴雨形成，年最大洪水发生时间以5月～9月居多，其余月次之。洪水汇流速度快，河槽调蓄能力小，具有山区河流共有的急涨快落的特征，每次洪水一般经历1天～3天左右。泥石流形成区发育一条冲沟，自北向南，在二道桥右岸汇入白云沟，切深0m～0.70m，常年有少量流水，勘查期间几乎断流，物源区冲沟不发育，地表碎石，断木星罗棋布。

3.2 地质环境

3.2.1 地层岩性

工作区主体属上龙门山隆起褶带分区，以古生代石炭系和泥盆系陆相沉积岩最为发育，次为晚三叠系复陆屑沉积岩，呈飞来峰式。第四系主要沿河谷及两侧岸坡分布，有冲积、洪积、坡积、滑积等成因类型，地貌特征明显，地层软硬相间。地层由浅到深依次为：第四系冲积层（Q4al）与冰碛冰水堆积层（Q1+3gl+fgl），三叠系岩屑砂岩与砂质泥岩互层夹煤层，石炭系灰岩、泥质灰岩，泥盆系白云岩、灰岩等。表层冲积层与冰碛～冰水堆积层都是一些松散堆积物，具有明显的二元结构，为泥石流的发生奠定了物源条件。

3.2.2 地质构造

调查区位于龙门山隆起褶带南段。龙门山隆起褶带是褶皱、断裂活动强烈，多期复合、规模巨大的构造带。由一系列北东向隆起、坳陷、单式和复式褶皱，压性、压扭性断裂组，岩层构造变形强烈，成为地表不良地质现象发育的内在因素之一。

3.2.3 地震

据《中国地震动参数区划图》（GB18306-2001）和《建筑抗震设计规范》（GB50011-2001），工程区抗震设防烈度为8度。该区地震动峰值加速度为0.15g，地震动反应谱特征周期为0.45s。

4 泥石流成因机制分析

4.1 形成区（物源区）特征

形成区（物源区）特征主要包括有：松散堆积体（残坡积层）、地质灾害堆积体、人类活动形成的松散堆积体、调查分析形成区的水源类型。

松散堆积体（残坡积层）：调查区处于强烈抬升区，区内地壳活动频繁、强烈，近南西北东向断层发育。沟谷下切强烈，岩石破碎，引起崩塌、滑坡，为泥石流的发生贡献了部分固体物质。区内出露岩性主要为白云岩，灰岩、砂页岩，这些软硬相间的岩层，结构疏松，易于风化。

地质灾害堆积体：在冲沟上游两岸，分布高程1275m～1375m一带，森林毁坏严重稀疏，到处是白茫茫的碎石堆积，犹如光洁的脸蛋被划出多道伤痕，成苹果状。在冲沟右侧山坡形成崩塌堆积两处，而在左侧形成崩塌堆积3处。

人类活动形成的松散堆积体：区内人类工程活动主要为坡脚附近公路建设、居民住宅以及农家乐，植被发育、水土保持较好周围无水利工程以及弃土弃渣等。总结有，区内存在8万m3或更多的可被洪水带走形成泥石流的固体物源，其中8万m3为近期可移动物源。

调查分析形成区的水源类型：如前所述，大岩沟为岷江水系一级支流西河的支流白云沟的支沟，雨季有水，沟水主要接受大气降水补给。可见，泥石流沟内地表水流量不大，但水动力强大，冲蚀和携带固体物质的能力很强。因此，特别是暴雨条件下，富含泥砂的地表水从较大落差的高处冲下，冲洗、掏蚀和裹带沟床及沟岸两侧松散物质并沿沟而下，致使流体中固体物质含量增多，粘度变大，并形成破坏力很强的稀性泥石流。

表1 泥石流流量计算参数及结果

表2 一次泥石流总量和冲出固体物质总量计算结果

4.2 流通区特征

泥石流流通区的冲淤特征表现为有冲有淤，其冲淤特征与不同沟段坡降及沟谷方向、沟床宽度的变化等有关。流通区冲刷特征主要表现为沟谷侧蚀和下蚀作用强烈，将原泥石流堆积物或冲洪积物冲刷带出沟谷，于松散物临沟侧形成新鲜的陡坎。沿沟可见这种因冲刷形成的陡坎高度通常高4m～5m。流通区泥石流淤积特征，主要表现为泥石流弯道处呈现凹岸堆积和沟谷突然变宽地段、坡降变缓的沟段出现的堆积以及岸坡上部泥石流爬高或弯道超高而形成的泥石流堆积。沿沟常见冲淤并存的现象，如下方因泥石流冲刷而形成陡坎，而上部则又有泥石流爬高后产生的堆积物覆盖其上。调查表明，泥石流流通区一般冲淤变幅在1m～2m左右。

4.3 堆积区的特征

据调查，堆积区的冲淤特征表现以淤积为主，局部冲刷。泥石流冲出山口后，因地形突然变得开阔和沟谷纵坡变缓，泥石流物质便停积下来形成泥石流堆积扇。同时，在沿沟段局部地段也有一定的冲刷痕迹。

4.4 泥石流的形成条件

地形地貌条件：大岩沟流域大岩沟两岸地形陡峻，为典型的中低山峡谷地貌，最高海拔高程为1500m，最低海拔高程1100m，相对高差400m。流域面积约0.31km2，主沟全长0.8km，主沟有少量流水，与支沟大角度斜交，有利于汇水，泥石流沟堆积区、流通区、形成区沟床比降分别为：34%，31%，24%，总体平均坡降为27%。堆积区、流通区相对狭窄，而形成区沟道较宽阔，较长。大岩沟相对高差大，汇水面积较大、流通区狭窄且比降较大，有利于泥石流的形成。

降水条件：根据崇州市（崇庆县）1959年～2004年的降水资料进行统计。结果表明崇州西部山区的降水条件对泥石流的形成十分有利：（1）降水充沛，山区多年平均年降雨量在1012.4mm，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年降雨量。（2）降水集中，降雨量在年内月份分布不均匀，多集中在4月～9月，占全年降水的80%以上。（3）多暴雨，山区多为历时短，强度大的区域性暴雨、大雨，且主要时段集中在6h之内。

崇州市境内的泥石流发生频率0.2～0.8的最大日暴雨量为60mm～80mm，按照这样的泥石流发生临界雨量，山区以具备发生泥石流对雨量的基本要求。

4.5 泥石流的主要诱发因素

区内地形陡峻，沟谷纵坡大，跌水和弯道发育，为泥石流的发育提供了有利的地形地貌条件，区内面蚀、沟岸崩滑及沟底松散物质再搬运为泥石流的发生提供了丰富的固体物源条件。而沟谷汇水条件好，水动力充足，为泥石流的发育提供了较好的水源条件，这些因素为泥石流的形成提供了基础。

据了解，泥石流主要为短时集中降雨所激发，且沟谷堵塞和突然溃决增大泥石流的突发性和破坏能力，也成为泥石流难以预防和造成损失严重的重要因素。此外，调查表明，地震也是形成泥石流的重要诱因。

5 泥石流特征及危险性评价

5.1 泥石流的动力学特征

5.1.1 泥石流容重

根据现场测定及事后当地居民的描述得出水土石的比例定为1∶1∶8，按下式计算泥石流容重：

式中：γc为泥石流容重，t/m3；γs为固体物质密度，t/m3，取试验值1.66t/m3；f为泥石流固体物质体积和水的体积之比。

计算结果显示泥石流的容重为1.594t/m3，为稀性泥石流。

5.1.2 泥石流流量

根据《四川省中小流域暴雨洪水计算手册》，假定暴雨和洪水同频率出现，采用其推荐的推理公式由暴雨计算洪峰流量：

式中：ψj为洪峰径流系数，等于形成洪峰的净雨量与降雨量之比值，这里取0.70；i为最大平均暴雨强度，mm/h，120.1mm（1%）、108mm（2%）；A为汇水面积，0.31km2。表 1为泥石流流量计算参数及结果，其中1%，2%为泥石流发生频率。

再利用适合稀性泥石流计算的雨洪法对泥石流流量进行计算。泥石流流量可先采用水文方法计算出断面不同频率下的小流域暴雨洪峰流量Qp（计算方法查阅水文手册）然后选用堵塞系数Dc取2.5，按下式计算泥石流流量Qc：

5.1.3 泥石流流速

泥石流流速是决定动力学性质的最重要参数之一，目前泥石流流速计算公式为半经验公式或经验公式，本次根据崇州稀性泥石流结合川西山区特点选用西南地区（铁二院）推荐的斯里勃内依改进公式进行计算：

基于以上的分析，计算得出泥石流流速为3.81m/s。

5.1.4 一次泥石流过程的总量计算

一次泥石流总量可通过计算法和实测法确定。根据下两公式计算一次泥石流总流量。

式中：K根据流域面积为0.31km2，取0.202；T取0.5h和1.0h。表2为计算获得1%频率和2%频率下的一次泥石流总量和冲出固体物质总量。

通过以上对泥石流运动和动力学特征的分析，可以判断泥石流的规模为小规模。

5.2 泥石流的危险性评价

5.2.1 泥石流活动性评价

为合理评价大岩沟泥石流的危险程度，根据现场调查评价泥石流的活动强度，且考虑其堆积扇规模较大，主河河型变化（已改道），主流已偏移，泥沙补给长度比40%，沿沟松散堆积物储量大于104m3/km2，松散堆积物变形量较大，暴雨强度指标R为6.0左右，判定出大岩沟泥石流的活动强度强。

5.2.2 泥石流致灾能力评价

根据调查，大岩沟泥石流活动强度强，活动规模为小型，发生频率为高频（自“5.12”地震爆发后已多次发生），堵塞程度为中等，F=8，属致灾能力较强的泥石流。

5.2.3 受灾体（建筑物）综合承（抗）灾能力评价

根据调查受灾体（建筑物）工程质量合格存在隐患，区位条件位于危险区内，防治工程和辅助工程存在问题。桥墩局部冲刷已达0.7m，沟口的弯道导流墙部分破坏，沟底的导流槽被破坏，其设计标准5年～10年一遇，综合以上E=8，综合承（抗）灾能力差。

5.2.4 泥石流危险性评价

通过调查分析确定泥石流活动的危险程度或灾害发生的几率，利用以下判定式：

式中：D为危险程度或灾害发生的几率；F为泥石流的致灾能力；E为受灾体（建筑物）综合承（抗灾）能力。

将值代入，D=1，受灾体处于灾变的临界工作状态，表明该区域要警惕可能发生的泥石流灾害。

6 结论与建议

（1）泥石流沟堆积区、流通区、形成区沟床比降分别为：34%，31%，24%，总体平均坡降为27%，山区多年平均年降雨量在1012.4mm，且泥石流发生频率0.2～0.8的最大日暴雨量为60mm～80mm，按照这样的泥石流发生临界雨量和地形条件，山区已具备发生泥石流基本条件。

（2）泥石流的一次最大冲出量为5000m3，计算结果显示泥石流的容重为1.594t/m3，为稀性泥石流，且泥石流流速为3.81m/s。通过以上对泥石流运动和动力学特征的综合分析，可以判断泥石流的规模为小规模。

（3）通过现场调查分析，表明大岩沟泥石流的活动强度强，且为致灾能力较强（F=8），综合承（抗）灾能力差（E=8）的泥石流，最终判定受灾体处于灾变的临界工作状态（D=1）。

（4）建议对泥石流进行综合治理：对形成区建议进行植树造林，生物防护；对流通区的卡口位置建议修建拦砂坝，降低泥石流的冲击力；在堆积物区建议修建导流堤，保护附近的居民住宅，在沟口附近修复导流坝，修复主沟中冲刷槽，对桥涵桥墩进行防冲刷加固，对主沟堆积体附近的跌水进行斜坡化处理。陕西水利

[1]DT/T0220－2006，泥石流灾害防治工程勘查规范[S].

[2]DT/T0239－2004，泥石流灾害防治工程设计规范[S].

[3]DT/T0221－2006，崩塌、滑坡、泥石流监测规程[S].

[4]GB/T500266－99，工程岩体试验方法标准》[S].

[5]胡卸文,吕小平,黄润秋等.唐家山堰塞湖大水沟泥石流发育特征及堵江危害性评价[J].岩石力学与工程学报,2009,28（4）:850-858.

[6]陈中学,汪稔,胡明鉴等.云南东川蒋家沟泥石流形成内因初探[J].岩土力学,2009,30（10）:3053-3057.

[7]余斌,杨永红,苏永超等.甘肃省舟曲8.7特大泥石流调查研究[J].工程地质学报,2010,18（4）:437-444.

[8]倪化勇,李宗亮,巴仁基等.四川泸定县泥石流灾害成因、特征与防治建议[J].工程地质学报,2010,18（1）:91-99.

[9]李丽.舟曲县泥石流危险性评价[D].北京：中国地质大学（北京），2012.

[10]H.奥里茨基.荒溪流域危险区制图的原理与方法[M].中奥合作北京山区荒溪分类及危险区制图培训班教材，1992:33-41.

[11]足立胜治,德山久仁夫，中筋章人等.土石流发生危险度の判定にフやて[J]，新砂防.1977，30（3）:7-16.

[12]张春山,张业成,马寅生.黄河上游地区崩塌、滑坡、泥石流地质灾害区域危险性评价[J].地质力学学报,2003,9（2）:143-154.

[13]刘希林,王全才,孔纪名等.都（江堰）汶（川）公路泥石流危险性评价及活动趋势[J].防灾减灾工程学报,2004,24（1）:41-46.

[14]韩用顺，黄鹏，朱颖彦等.都汶公路沿线泥石流危险性评价 [J].山地学报,2012,30（3）:328-335.

[15]李秀珍,刘希林,苏鹏程.四川凉山州安宁河流域泥石流危险性评价[J].防灾减灾工程学报,2005,25（4）:426-431.

[16]崔建凯,沈军辉,李永林等.四川阎王曲二支沟泥石流危险性评价 [J].水土保持研究,2007,14（1）:141-143.

[17]姚勇,高加成,姚文花.临潼大水沟泥石流特征分析及危险性评价 [J].铁道工程学报,2010,（11）:5-9.

[18]李泳.泥石流危险性评价的问题[J].山地学报,1999,17（4）:305-312.

[19]李阔,唐川.泥石流危险性评价研究进展[J].灾害学,2007,22（1）:106-111.