冕宁县白泥巴沟泥石流特征及治理对策
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摘要：白泥巴沟位于安宁河断裂中段，受断块差异升降运动影响，泥石流活动发育。根据“面积-高程分析法”定量计算，白泥巴沟地貌发育处于壮年期，利于泥石流的形成，泥石流潜在危险性等级达中型。泥石流的物源由崩塌堆积物、滑坡堆积物、沟道堆积物和坡面侵蚀物四部分组成，松散固体物源总量为2139万 m3，可能参与泥石流活动的物源动储量为488万 m3。通过实地调查分析，该流域环境动态的不稳定性，是造成泥石流易发的主要因素，暴发中小型黏性泥石流的机率达85%以上。建议采用“以拦为主、多级拦挡”的措施进行泥石流工程防治。
关键词：白泥巴沟；泥石流；侵蚀特征；物源特征；发生机率
中图分类号：P642.23 文献标志码：A 文章编号：16721683（2015）05096805
Features and measures of Bainiba gully debris flow in Mianning County
GUO Ning
（School of Engineering and Technology，Xichang College，Xichang 615013，China）
Abstract：Bainiba gully is located in the middle section of the fault zone in the Anning River，where debris flow is well developed due to the influence of vertical lifting and depressing with difference in fault blocks.Based on the quantitative calculation of the areaaltitude analysis method，the geomorphic development is in thestage and beneficial to the formation of debris flow，and the hazard potential grade of debris flow is medium.The debris flow source consists of four parts，including eboulement accumulation，landslide accumulation，gully deposit，and slope erosion material.The total quantity of loose solid material is 2139×104 m3，and the possible dynamic reserve contributing to the debris flow is 4.88×104 m3.Through site investigation and analysis，the instability of dynamic environment in the basin is the main factor to cause debris flow，and the occurrence probability of small and mediumsized viscous debris flow is more than 85%.The proposed measures for debris flow prevention are mainly multilevel obstruction.
Key words：Bainiba gully；debris flow；erosion features；source features；occurrence probability
冕宁县泸沽镇大春村白泥巴沟流域曾在2006年暴发过泥石流，2009年暴发过洪水。但近年来，沟内崩塌、滑坡等地质现象大量出现，地表松散破碎，坡面侵蚀加剧，松散固体物源量大增，泥石流爆发频率可能达到中频甚至高频状态。白泥巴沟一旦暴发泥石流，将潜在威胁到沟口大春村二社和一个矿区，涉及80户约500人的生命财产安全，另有县道桥梁一座，成昆铁路桥梁一座，潜在经济损失达1 000万元以上，泥石流潜在危险性等级达中型[1]。
1 泥石流形成条件
1.1 地层岩性及构造
区内基岩为震旦系开建桥组（Zak）流纹岩、凝灰岩等，厚度200～485 m。在沟道两侧陡坡地带及沟床内广泛分布，其强风化层厚1～5 m不等。
地表第四系（Q4）地层为崩塌滑坡堆积、坡洪积层及泥石流堆积的松散层，由块（漂）石土、块碎石土、块碎石土夹角砾土、含角砾粉土等组成，厚度数十米，广泛分布于中上游两侧缓坡、沟道及沟口洪积扇部位等部位。
区内以具强烈挤压走滑特征的南北向安宁河断裂为控制构造，北东向、北西向和近东西向三组次级断层，晚近期断块差异升降活动为主要特征的复杂地质构造[23]，导致安宁河两岸泥石流沟发育并成为著名的泥石流活动带[4]。
1.2 地形地貌特征
地形地貌对泥石流的形成和发展具有控制作用，一方面通过沟床比降影响泥石流的动力特性；另一方面沟道两侧坡度的陡缓对泥石流的规模及固体物源的补给方式和数量产生直接影响[56]。
白泥巴沟沟域纵向长度约335 km，平均宽度550 m，沟域面积178 km2，地表水系呈树枝状分布。流域内最高处高程2 070 m，最低处高程1 668 m，高差达402 m。
根据松散固体物源的分布、泥石流形成条件及运动机制，白泥巴沟泥石流沟域可划分为特征不同的四个区，见表1。
表1 白泥巴沟沟道分区特征参数
Tab.1 The characteristic parameters of the Bainiba gully division
泥石流的发生与山地地貌的演化息息相关，据美国地貌学家A.N.Strahler提出的“面积-高程分析法”定量分析[78]，白泥巴沟地貌发育处于壮年期，利于泥石流的形成。
沟域内平均坡度35°以上，降雨径流系数03～05。据近期洪痕确认，白泥巴沟堆积区洪期过流断面面积14～16 m2，其径流量达平水期的上百倍，完全具备引发泥石流的水源动力条件[9]。
1.3 人类工程活动
区内人类活动主要为人工开采“粉笔砂”（岩性为强风化后的流纹质凝灰岩，当地俗称“白泥巴”）用于制作粉笔，以及无序开采岩砂用于免烧结的混凝土砖，导致植被破坏，区内崩塌、滑坡、不稳定斜坡、支沟泥石流等较为发育，造成山坡水土流失严重[10]。
2 泥石流物源特征
研究区地形切割强烈，基岩地层岩性主要为凝灰质流纹岩、流纹质凝灰岩，岩层陡倾、节理裂隙发育，地质构造活动性强，重力地质灾害现象发育。此外，坡面松散侵蚀、洪水冲刷沟床等，也为泥石流提供了大量的物源，见图1。
图1 泥石流主要物源分布（局部）及拟设拦挡坝位置
Fig.1 Distribution of main debris flow source features （part） and location of establishment landslide dam
2.1 泥石流的物源组成
物源是产生泥石流的根本，而物源结构与组成则决定其转化为泥石流的能力[11]。白泥巴沟泥石流的物源由崩塌堆积物、滑坡堆积物、沟道堆积物和坡面侵蚀物四部分组成。
（1）崩塌堆积物。由4处小型崩塌岩堆构成，均分布在右岸形成区。崩塌堆积物源的动储量为054万m3。表层为崩塌末期堆积的碎石土或角砾土，下部为块石土，块石土粒度变化不大。
（2）滑坡堆积物。有5处小型～中型滑塌堆积物源，分布于形成区，动储量为288万m3。由残坡积碎石土组成，滑塌物质粒度变化不大。
（3）沟道堆积物。沟道堆积物源主要为洪水揭床产生的物源，动储量为072万m3。表层为碎（卵）石土，下部为块（漂）石，为泥石流堆积块（碎）石土、冲洪积卵（漂）石土。
（4）坡面侵蚀物。水土流失是坡面侵蚀物源参与泥石流活动的主要方式。形成区-流通区内坡面植被破坏严重，地表岩土体松散破碎，坡面流侵蚀深度达05 ～12 m，地表侵蚀状况极其发育，见图2。
图2 白泥巴沟流域地表侵蚀状况
Fig.2 Surface erosion status of the Bainiba gully basin
谷坡地带松散物质分布区总面积约348万m2，按平均侵蚀深度085 m，动储量按总量的25%计算，可得动储量074万m3。
经调查统计，流域内松散固体物源总量为2139万m3，可能参与泥石流活动的固体物源动储量为488万m3。
2.2 泥石流物源的转化关系
白泥巴沟流域内固体物源转化为泥石流具有如下基本特征。
（1）沟道物源最多，但粒度较大，动储量较小；滑塌类物源数量虽少，但稳定性差、粒度较小利于洪水携带，动储量较大；崩塌类物源数量较多，静储量不大，但堆积松散，易遭受洪水冲刷，大部分物源可参与泥石流活动；支沟物源已枯竭，动储量较小。
（2）物源分布集中区水动力条件满足时，各类物源可同时参与泥石流活动。
（3）泥石流流路较长，沟道纵比降和宽度变化较大，各沟段的冲淤情况亦有所不同，几条支沟泥石流物质可能被冲至支沟口，成为下次泥石流的物源。
（4）形成区、流通区内的物源参与泥石流后，不一定冲至入河口，而堆积于白泥巴沟出口，进而威胁沟口居民区的安全。
3 泥石流特征
3.1 泥石流冲淤特征
清水区松散层较薄，沟床抗冲刷能力较强，近期内无明显的冲淤变化；物源区支沟侵蚀下切作用强烈，进入主沟以淤为主，局部地段出现冲蚀下切；流通区表现为冲、淤平衡，仅在发生大规模暴雨洪水或泥石流的条件下，则可能转化为冲刷侵蚀；堆积区以淤积为主，白泥巴沟下游沟道曾多次在洪期产生短时淤塞。
3.2 泥石流堆积物特征
泥石流堆积物为块石土，松散堆积。石质成分多为凝灰质流纹岩、流纹质凝灰岩，多呈棱角状～次棱角状；天然密度2163×103 kg/m3，饱和密度2184×103 kg/m3；块石含量3849%，碎石含量2615%，粗砾含量2253%，其余为细砾～粉、黏粒。
泥石流堆积扇内的局部断面显示，白泥巴沟泥石流曾经暴发过多次中、小规模的泥石流活动，由于物源量逐渐增多，泥石流规模增大、活动性增强，表现出后期泥石流堆覆于前期堆积扇前部的前进式活动特征[12]。
3.3 泥石流活动特征
3.3.1 泥石流流量
泥石流流量采用东川公式[13]计算：
QC=（1+φ）QB・DC
（1）
式中：QC为泥石流峰值流量（m3/s）；φ为泥砂修正系数，取0582；QB为频率P的暴雨设计洪峰流量（m3/s）；DC为泥石流沟堵塞系数，取150。
白泥巴沟各沟段位置的设计洪峰流量和泥石流峰值流量见表2。
表2 各断面不同暴雨设计频率下的峰值流量
Tab.2 Parameter values of peak flow in the cross sections
m3/s
3.3.2 泥石流流速
白泥巴沟主沟泥石流属黏性泥石流，流速计算采用公式[13]如下：
VC=HC2/3・IC1/2nC
（2）
式中：VC为泥石流断面平均流速（m/s）；HC为计算断面平均泥深（m）；IC为泥石流水力坡度（‰），取形成区至流通区加权平均坡度；nC为黏性泥石流的河床糙率，取004。
选择沟床相对顺直、上下沟槽冲淤轻微的1919′断面进行泥石流流速计算。该段沟道IC=27‰，HC=098 m，经计算，VC=398 m/s。
3.3.3 泥石流过流总量及固体冲出物
泥石流一次过流总量Q及冲出固体物质总量QH对泥石流的危险性判别、泥石流的防治具有十分重要的意义。
不同设计暴雨频率下白泥巴沟泥石流峰值流量QC、一次泥石流过流总量Q、一次泥石流冲出固体物质总量QH的计算结果见表3。
表3 泥石流流量、过流总量及固体物质总量计算
Tab.3 Calculated debris flow discharge，passing
flow quantity，and solid matter quantity
3.3.4泥石流冲压力
泥石流冲压力分为流体整体冲压力和个别石块冲击力，可按以下两式计算[13]：
δ=λγcgV2csinα
（3）
F=r・Vs・sinα[W/（C1+C2）]1/2
（4）
式中：δ为泥石流冲压力（kPa）；F为对墩的冲击力（kN）；λ为建筑物形状系数；α为建筑物受力面与泥石流冲压力方向的夹角（°）；r为动能折减系数，取0.3；C1、C2分别为巨石与建筑物的弹性变形系数，取C1+C2=0005；W为巨块石重量，取最大309 t；Vs为块石运移速度，取372 m/s。
计算结果表明，泥石流对矩形建筑物的整体冲压力δ=3450 kPa，块石对重力式拦挡坝的冲击力F=2772 kN。
3.3.5 最大冲起高度、爬高及弯道超高
选择对泥石流治理工程方案选择有影响的2条典型弯道断面进行计算，结果表明，泥石流最大冲起高度ΔH1=081 m、爬高ΔH2=129 m、弯道超高ΔH3=010 m。
4 泥石流发展趋势
4.1 易发程度分析与评价
通过实地调查，对于能反映泥石流活动条件的15项因素进行综合评判并量化打分[13]，白泥巴沟泥石流易发程度量化得分88分，属易发泥石流。
4.2 发生机率评判
根据谭炳炎等[14]研究，把暴雨型泥石流形成过程概化为天上降雨的水动力主动作用系统和地面接受降雨作用的被动应变系统。根据两系统诸活动性因素的作用机制、量级差别及在流域的空间位置的组合关系来确定其是否形成泥石流。判别函数可表示为
Y=R・M
（5）
式中：Y为泥石流发生与否的综合指标；R为暴雨强度指标；M为流域环境动态函数。
白泥巴沟泥石流为暴雨型泥石流，对应于设计降雨频率P=10%、5%、2%、1%的暴雨强度指标R=717、843、1009、1130。由计算结果可知，在设计雨频P=10%～5%时，白泥巴沟泥石流发生机率02～08；在设计雨频P=2%～1%时，发生机率均大于08，具备产生泥石流的降雨条件。
流域环境动态函数M是流域承受暴雨或其它水动力因素作用后，流域内决定泥石流活动的15项因素将产生不同程度的动力效应。对白泥巴沟泥石流活动的15项因素进行分级、量化处理，得到该流域环境动态函数值M=803，判定流域环境基本稳定。
由此，可对白泥巴沟泥石流发生机率进行综合评判，计算结果见表4。
表4 白泥巴沟泥石流发生机率判别
Tab.4 Identification of occurrence probability
of debris flow in the Bainiba gully
在本区P=10%～1%降雨条件下，Y值均大于35，说明各项影响因素均很活跃，处境严峻有一触即发之势，泥石流发生的机率为85%。流域环境动态的不稳定性，是造成泥石流易发的主要因素。
4.3 发生频率和发展阶段
根据对白泥巴沟泥石流致灾历史的调查发现，主沟在10年内仅暴发过一次泥石流，暴发频率属低频[15]。近年来，沟内坡面侵蚀加剧，崩塌、滑坡等大量出现，沟域内固体物源动储量达488万 m3，相当于P=5%时泥石流一次固体物质冲出量031万 m3的157倍。因此，激发白泥巴沟泥石流的临界降雨强度降低，泥石流爆发频率提高，甚至成为高频泥石流[9]。根据白泥巴沟的地貌发育阶段、泥石流发育的影响因素、物源条件和水动力条件可以判断，白泥巴沟暴发中频-高频中-小型黏性泥石流的可能性大。
5 防治工程讨论
5.1 工程方案建议
白泥巴沟沟道总体特征表现为：主沟道纵坡较小，支沟道纵坡较大，局部地段呈陡缓相间；上游狭窄，下游变宽，但局部地段呈宽窄相间特征，为拦挡坝选址提供了极为有利的地形条件，修建拦挡工程库容较大。选择上游沟道相对开阔，沟道纵坡较缓部位建坝，对泥石流峰值流量的调节作用十分显著[16]。白泥巴沟下游流通堆积区沟道从泸沽镇场镇边居民区穿过，出口段（接近大春沟时）沟道一般深05～1 m，宽度15～30 m，呈散流状穿越通往泸沽铁矿区的公路。沟道走向总体上较为顺直，新建排导槽防护可行。
基于上述条件，可有两种泥石流治理方案进行比选。方案一：以拦为主，建3级拦挡坝。方案二：以排为主，新建排导槽。
两种方案均有成熟的技术可行性，而从防止水土流失、保护区内环境及可持续性的治理效果方面看：拦沙坝拦蓄泥沙、减小泥石流规模的同时，可防止沟谷下切，稳定沟床及岸坡效果明显[17]。方案二应对白泥巴沟泥石流形成区-流通区的自然沟道进行适当的裁弯取直，减小原始沟道的弯道曲率，让泥石流束流归槽，将泥石流物质顺畅地导入前缘大春河沟并顺利排入孙水河中，因此经工程投资方案估算，方案一为1027万元，方案二为1446万元。
从技术可行性、治理效果及工程投资等方面进行综合评价，方案一明显优于方案二。
5.2 工程方案布置
对于以拦为主的方案一，应根据沟谷地形条件和物源分布特征，在泥石流形成区选择沟谷纵坡较缓且谷宽相对较窄，沟域泥石流物源动储量分布情况与库容相匹配，并尽可能选择在沟床弯道下游泥石流能量部分消散，坝肩坝基地质条件适宜的位置新建拦挡坝，稳拦泥石流体中的固体物质，利用回淤压脚减少物源启动量，减轻下游自然排导沟槽的压力。由此，根据沟域的地形地貌及地基岩土体特征、固体物源分布位置及侵蚀冲淤状况、泥石流活动特征参数，综合考虑坝址位置、坝型和坝高，建议分别在图1所示的1111′、1616′、1919′剖面处布置3号、2号、1号三级浆砌石拦挡坝。拦挡坝的回淤库容及稳拦物源能力见表5。
表5 拦挡坝稳拦物源量
Tab.5 The quantities of stabilized and
blocked sources by the landslide dam
三级拦挡坝合计稳拦物源量140万 m3，可拦挡100年一遇泥石流3次或20年一遇泥石流4次的全部固体物质，能够达到保护流通堆积区安全的目的。
6 结论及建议
（1）白泥巴沟地貌发育处于壮年期，利于泥石流的形成。该泥石流沟可能复活，泥石流发生机率在85%以上。预测白泥巴沟泥石流爆发类型为暴雨型中频-高频中小型黏性沟谷泥石流。
（2）白泥巴沟域内存在崩塌堆积物、滑坡堆积物、沟道堆积物和坡面侵蚀物四部分松散物源，松散固体物源总量为2139万m3，可能参与泥石流活动的固体物源动储量为488万m3。
（3）白泥巴沟泥石流属活动性强，易发性高，危害性大，建议采用“以拦为主、多级拦挡”的措施，进行“三级拦挡”工程治理。
（4）加强沟域植被管护，涵养水土，禁止无序开采沙石，严格矿区坑槽回填及植被种植恢复，减少泥石流活动物源。
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