四川省理县塔斯沟泥石流动力学特征及危险性评价
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【摘 要】塔斯沟泥石流为一低频特大型沟谷泥石流，2010年7月31日爆发，给当地居民的生命财产造成重大损失。本文主要分析塔斯沟流域特征及动力学特性，并通过对该泥石流沟的动力学特征进行分析、计算，并对其危险性做了定量评价，研究结果可为塔斯沟泥石流的治理及防灾减灾提供可靠依据。
【关键词】泥石流；塔斯沟；动力学特征；危险性评价
1 引言
我国是世界上泥石流灾害最严重的国家之一，平均每年损失近10多亿元，死亡人数近千人，因此，对泥石流动力学及危险性评价研究具有重要的意义，进而为泥石流减灾防灾提供重要的依据。近些年国内外在该方面的研究取得了突出成绩，从传统的经验公式到数值模拟计算分析，从以定性分析为主导到定量分析为主导，从以传统的依靠单个模型为基础进行评价到针对不同地方不同区域为提出具体的模型进行评价，形成了点、线、面不同的评价准则[1]，使评价因子的选取、参数取值及模型的使用更加科学性、全面性、正确性、实用性。
塔斯沟泥石流位于上四川盆地西北部理县孟乡政府所在地东南约1km处，孟屯河右岸，属岷江水系，沟口地理坐标为：X=3506471.883 Y=18323337.521。塔斯沟是一条老泥石流沟，发育两条主要支沟，沟源最高海拔4286m，最低孟屯河边海拔2160m，相对高差2126m，塔斯沟流域面积10.85km2，野外开展地质测绘面积11.91km2（见图1），主沟长7.14km，沟谷平均纵坡降184‰。2010年7月31日晚，因突降暴雨，塔斯沟发生大规模的泥石流，近120多万立方米的泥石流涌入河道，造成1人遇难，13人受伤， 2300人受灾，其中农户51户440人严重受灾。据初步统计，此次特大泥石流灾害造损失共计7689万元。评价该沟泥石流的动力学特征及危险度对于该沟的发展趋势和治理具有重要的意义。
图1 塔斯沟流域地形图
2 塔斯沟流域特征
2.1 地形地貌
塔斯沟流域位于四川盆地的西北缘，地貌以中高山山地、峡谷地貌为主，群山环绕，山峦重叠，谷深流急，谷坡陡峻坡度45°～60°。塔斯沟为一常年性溪流，源于四棚后山上的海拔4200m以上的雪山上，流域面积10.85Km2，流域长7.14Km，由南向北流向。整体地势南高北低，山脉走向北西―南东向。区内山岭海拔高程2160～4286m，地貌类型属于构造剥蚀和部分冰川刨蚀深切割高中山区，相对高差大于1000m。塔斯沟流域内3000m高程以上冰蚀地貌明显，角峰、鳍脊、冰斗发育，沟谷多呈“V”型和“U”型；3000m以下沟谷地形主要为深切割高中山峡谷地貌，沟谷多呈“V”型，详见塔斯沟流域卫星图片（图2）。塔斯沟呈叶脉状散开，发育两条主要支沟，支沟流域内地形主要为深切高山、高中山峡谷地貌特征。由于构造运动强烈，从杂谷脑中更新世至今上升平均速度为0.52mm/y，沟域产生强烈侵蚀下切，沟谷中宽谷和峡谷相间分布。在海拔2280～2600m流域内，沟谷呈典型的“V”字型，两侧坡度达45°～60°，沟谷平均坡降比为155‰，谷底宽度约10～30m左右。由于受到“5.12”汶川大地震的影响，堆积大量的崩坡积，松散物贮存量45.25×104m3，可能参与泥石流活动得到动储量约20.3×104m3，局部堵塞河道，为泥石流形成提供了丰富的物源。海拔2600～4286m流域内，沟谷呈叶脉状散开，局部较为宽缓，呈“U”型，坡脚下残坡积和崩坡积较发育，并且存储量较大，物体物源较为丰富。
图2 塔斯沟卫星图片
2.2 地层岩性
塔斯沟流域出露地层为燕山期至印支期的侵入岩，有黑云母二长闪长岩、白云母闪长岩（γ51）及白云母斜长闪长岩（γ52）和三叠系上统（西康群）新都桥组（T3xd）、侏倭组（T3zw）和第四系冲洪积层（Q3al+pl）、残坡积层（Q4el+dl）、崩积层（Q4col）、泥石流堆积层（Q4sef）地层组成。
第四系以冲洪积、冰水堆积、坡残积、崩坡积、泥石流堆积碎石土为主，主要分布在河流河谷区及斜坡下部地区，斜坡上部分较少，厚度小。塔斯沟沟口的平坝及斜坡地带均为泥石流堆积，最大厚度估计大于50m，泥石流堆积区面积1.06 km2。
2.3 地质构造
塔斯沟流域经历多次构造变动，形成了扭动构造体系的热务沟旋卷构造。同时伴以岩浆活动与变质作用，使之更加复杂化。区内主要有薛城S型构造和马尔康北西向构造，且以褶皱占主导地位，多为倒转复背斜、倒转复向斜，断裂以压性、压扭性为主。
薛城S型构造：位于薛城、理县一带，为金汤弧形构造之东翼。被雪隆包砥柱的旋扭所复杂化。由一系列S形和弧形褶皱、断裂所组成。北东段向60°方向延伸，宽10～20千米；中段理县、雪隆包一带接近旋扭中心，呈S形弯曲，其中压扭性弧形断层较发育，褶皱紧密；南西段向220°方向延伸并逐渐撒开，宽40千米以上。总长150多千米。卷入地层为奥陶系～三叠系，西北有较多的印支～燕山期岩浆岩侵入，并切割S形构造线。褶皱较为发育，大小共有五十多条。规模较大者有红岩倒转复背斜、三岔倒转复向斜、总棚子倒转复背斜、三道桥卡子倒转复向斜等。断裂有雪隆包环形断层、转经楼沟断层等。
马尔康西北向构造：位于米亚罗以西，褶皱、断裂向310～325°方向延出区外。地层为三叠系。区内主要有米亚罗断层等。
3 泥石流动力学特征
3.1 泥石流粒径及泥痕
根据现场调查和筛分试验，塔斯沟泥石流堆积扇粒径一般5～10cm，最大0.8～1.2m，最小2～5cm，粉土夹岩屑含量约占60%，大块径主要分布在出山口地带。从实测断面来看，泥石流的泥痕高1.5～2.0m，泥石流爬高1.5～2.0m。
3.2 泥石流容重
泥石流容重确定的方法有现场实验法、取样试验法、查表法、经验公式计算等方法。本次采用取样实验法和查表法综合确定，综合实验法根据泥石流堆积区钻孔取样试验，泥石流重度为1.78t/m3，固体物质比重为2.70t/m3。查表法根据数量化评分（N）与重度、（1+φ）关系对照，泥石流重度约为1.7～1.78t/m3。 结合两种方法，泥石流重度综合取值为1.78t/m3，即该泥石流为稀性泥石流。
3.3 泥石流流速的计算
根据以上的分析，我们选用了文献[2]中的泥石流动力平衡流速公式：
式中：γH为泥浆体容重；HC为计算断面的平均泥深；IC为泥石流水力坡度；n为泥石流沟床的糙率系数。
利用上式计算时，直接通过实验、测量或经验值可确定的参数有：泥石流容重γC，泥石流中固体颗粒重度，和泥石流沟床的糙率系数n，泥石流水力坡度IC。这些值分别为：理县塔斯沟泥石流容重γC实测值为1.78t/m3，泥石流中固体颗粒重度实测值为2.70t/m3；根据川内泥石流沟床的糙率系数经验，并结合现场调查沟谷特征资料，判断n为0.25，计算断面的平均泥深HC根据现场调查结合访问，取1.5m。泥石流水力坡度IC根据《山洪、泥石流、滑坡灾害及防治》（成都山地所著）可近似取沟谷纵坡。φ为泥沙修正系数。根据上述数据，经计算，理县塔斯沟泥石流流速约为2.45m/s。
3.4 泥石流中石块运动速度计算
在缺乏大量试验数据和实测数据的情况下，采用如下公式计算堆积后的泥石流冲出物最大粒径石块运动速度：
式中：VS―泥石流中大石块的移动速度（m/s）；
a―全面考虑的摩擦系数；
dmax―泥石流堆积物中最大石块的粒径（m）。
其计算结果见表1。
表1 泥石流中石块运动速度计算表
沟名 a dmax（m） VS（m/s）
塔斯沟 4 1.4 4.73
3.5 泥石流流量
泥石流流量计算，有形态调查法、配方法、雨洪修正法[3]和泥痕调查法。本次《泥石流灾害防治工程设计规范》中的公式：
进行计算，本公式是结合配方法和雨洪修正法（东川公式）[4，5]的基础上形成的公式，因此又称推理公式。
式中：KQ为泥石流流量修正系数，可如下式计算获得：
QB为青水洪峰流量，其计算公式：
―某频率的雨力，mm/h。其计算式为：
― 设计频率最大t小时暴雨量；n―暴雨参数；―汇流时间，h。L ―主沟长度，km；J ―主沟底坡降，‰；F ―流域面积，km2；μ―产流参数，mm/h；
对于塔斯沟泥石流，采用推理公式计算时，有关参数的确定是依据《四川省中小流域暴雨洪水计算手册》。首先确定出设计暴雨量，并计算出暴雨参数n。最大流量的计算采用试算法。流域内最大流量计算分区域进行了计算，计算结果见表2。
根据理县塔斯沟各泥石流沟的特征，参考有关经验数据，查《山洪、泥石流、滑坡灾害及防治》中表4-17确定D=1.5。
采用雨洪修正法计算了理县塔斯沟泥石流在设计概率下的泥石流流量见表3。
3.6 泥石流整体冲击力计算
计算公式：б=λ・γC・VC・sin2α/g
式中：б―泥石流冲击压力（Pa）； g―重力加速度（m/s2）；Vc―泥石流断面平均流速（m/s）；
α―建筑物受力面与泥石流冲压力方向的夹角（°）；λ―建筑物形状系数，方形为1.47，矩形为1.33，圆形、尖端圆端形为1；其计算结果见表4
3.7 泥石流总量和输砂量
据调查访问，理县塔斯沟泥石流发生时，持续时间约有半个多小时。考虑到泥石流增长和消退过程，理县塔斯沟泥石流总共持续时间可以大体定在25～45分钟之间。将泥石流过程概化为三角形，并认为洪水流量达到峰值时，泥石流流量亦达到峰值。假定泥石流持续时间为30分钟，泥石流输砂量计算按（斯氏公式[7]）下列公式：
―泥石流输砂量（m3）；―泥石流洪峰流量值（m3）；―最大洪水流量（m3）；―泥石流持续时间（s）。
则泥石流总量和泥石流输砂量见表5。
3.8 入江口段挟沙能力计算
单位时间内通过河流过水断面单位河宽的推移质数量成为推移质输沙率。由于影响推移质输沙率的因素很多，现阶段对推移质输移规律认识还不充分，再加上天然河流中实测推移质输沙率非常困难，测量精度差。梅叶―彼德宽浅河槽公式试验资料较为广泛，且包括中值粒径的卵石试验数据，在公式推导过程中，考虑因素由
简单到复杂，一步一步地找出偏差的原因并加以修正，最后得出一般性推移质输沙率公式，在应用到粗沙及卵石河床时，可靠性较大，是目前常采用的公式，故本次也采用该公式估算。梅叶―彼德公式：
=51.6×40×3600=7.43×103KN/h
其中：qs―推移质输沙率（）；n′―河床平整情况下沙粒糙率；n―河床糙率；ρ―水密度（kg/m3）；ρs―推移质比重（kg/m3），取2650 kg/m3；g ―重力加速度（m/s2），取9.8 m/s2；h―水深（m），取5m；d―粒径（mm）；d50―床沙粒径代表值，取2mm；J―河床比降（‰），取8‰；T―时间（s），取3600s；v―平均流速（m/s），取6.9m/s；b―河床宽度（m），取100m。
通过计算，孟屯河塔斯沟入口段一小时推移质输沙量约7.43×103KN，按泥石流固体物质比重27KN/m3，该段一小时内能输移275.19m3泥石流中细颗粒固体物质，孟屯河携带能力不强，有造成孟屯河堵塞的可能性。
4 危险度及危险范围
4.1 危险度评价
由于泥石流自身及其影响因子的复杂性，使其险度评价的研究较为复杂，目前尚无统一的泥石流险度评价标准[7，8]，这里采用单沟泥石流危险度评价方法[9，10]。该进单沟泥石流危险度评价方法有7个评价因子，该方法采用泥石流规模m、暴发频率f、流域面积s1、主沟长度s2、流域相对高差s3、流域切割密度s6、不稳定沟床比例s9等7个因子对泥石流危险性进行定量评价。单沟评价因子及权重系数见表6。
单沟泥石流危险度计算公式：式中M、F、S1、S2、S3、S6、S9分别为m、f、s1、s2、s3、s6、s9的转化值。按表7即求出转换值M、F、S1、S2、S3、S6、S9依次为0.693、0.151、0.57、0.835、1、0.035、1，将转换值代入危险度计算公式，
按照分级标准：极低危险（0
4.2 危险范围评价本文中泥石流最大危险范围预测将采用刘希林[10]等人所建立的泥石流最大危险范围预测模型，该模型基本能够满足目前泥石流灾害危险预测的精度要求。模型如下：
式中：S―泥石流最大危险范围（km2）；L―泥石流最大堆积长度（km）；B―泥石流最大堆积宽度（km）；R―泥石流堆积幅角（°）；A―流域面积（km2）；W―松散堆积物储量（104m3）；D―主沟长度（km）；H―流域最大相对高差（km）。
根据调查资料知A为10.85Km2，D为7.14km，W为20.3×104m3，H为2.126km。代入上模型，即得出塔斯沟危险区域范围为0.26 km2。
5 结论
（1）塔斯沟相对高差较大，构造剥蚀严重，流域面积10.85Km2，汇水面积大，典型的“V”形山谷，爆发周期2次/100a，属于爆发规模为特大型的、低频、稀性、暴雨型泥石流沟谷。
（2）塔斯沟泥石流物源区固体物源丰富，松散物贮存量45.25×104m3，可能参与泥石流活动得到动储量约20.3×104m3，20年一遇泥石流峰值流量为259.02m3/s，50年一遇泥石流峰值流量为319.86m3/s，100年一遇泥石流峰值流量为433.83m3/s，整体冲击力为0.0592Mpa，单块块石最大冲击力3.97 。
（3）孟屯河塔斯沟入口段一小时推移质输沙量约7.43×103KN，有造成孟屯河堵塞的可能性。塔斯沟危险程度为中度危险的泥石流沟，危险范围为0.26 km2，雨季再次爆发可能性大，因此对该泥石流进行工程治理是十分必要和紧迫的。
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