张 俊 陈廷方 丁明涛
0 引言
受“5◦12”汶川地震影响,位于阿坝州松潘县施家堡乡新光村,涪江东岸的叠台沟泥石流沟发生多处崩塌、滑坡,为再次发生泥石流提供了大量新的物源。
叠台沟历史上曾发生过3次泥石流,分别为 1953年,1976年和 1982年,其中 1976年为地震引起,规模较大;1953年与 1982年为洪水引起,前者规模大。本文通过分析叠台沟泥石流的形成条件,并运用暴雨条件下降雨强度和渗透系数的比值法以及单沟泥石流危险性分析方法对其危险性进行评价,以期为今后的深入研究和防灾减灾实践提供基础。
1 叠台沟流域概况
叠台沟全沟长 6.9 km,流域面积 8.35 km2,主沟沟床平均纵比降 223.6‰;沟口海拔 1580m,流域最高点海拔 3123m,相对高差为 1543m。沟道形态呈 V形,流域形态为漏斗状。该沟“5◦12”地震前植被覆盖率高,但震后较大面积的植被遭到破坏,加上主沟沟床纵比降较大、两侧岸坡较陡(平均 35°～60°),因此极有利于径流侵蚀作用,使得两侧坡面残坡积物失稳而崩滑。因此决定了在暴雨作用下该区域泥石流活动频繁。
2 形成条件分析
2.1 气象条件
松潘县主要受高空西风气流和印度洋西南季风影响,具有青藏高原季风气候特征。据松潘县气象台站统计,全县年降雨量主要集中在 5月～10月,该 6个月的降雨量总和达到 654.2mm,占全年降雨量(796.4mm)的 82.1%,其中研究区所处的施家堡乡又是整个松潘县降雨最多的地区,2007年和 2008年,该乡比全县降雨最少的解放村分别多出 283mm和 403mm。降雨时间的集中和降雨量的偏大增强了径流侵蚀作用的动力,使其对泥石流物源稳定性的破坏作用大大增强。
2.2 地形及物源条件
叠台沟沟域由于地形陡峻,为崩塌、滑坡等不良地质现象的发育提供了有利条件。沟域内岩性主要是炭质千枚岩和少量灰岩,炭质千枚岩风化严重,形成厚约 3m～5m的风化壳,在植被裸露区暴露,在强降雨作用下,该风化层极易滑动形成泥石流物源。全沟崩滑类物源为 54.42×104m3,动储量为 11.6×104m3;沟道堆积物源为 81×104m3,动储量为 14.5×104m3,物源合计135.42×104m3,其中动储量 26.1×104m3,占总量的 19.3%。物源以碎块石土为主,以小于 20 mm区间的碎石最多,占总量的46.3%,主要分布在叠台沟的形成区(占全沟物源的 82.6%)。形成区纵坡降大(255‰),全沟沟道常年有流水,因此沟道较光滑。综上所述,叠台沟的地形及物源条件有利于泥石流活动。
3 危险性分析
3.1 沟道两侧泥石流物源启动分析
叠台沟为一老泥石流沟,一般情况下沟道物质不会主动启动,只有在强降雨作用下,由沟道两侧斜坡物质首先启动,冲入主沟道,携卷沟道物源的启动。因此,沟道两侧物源的启动条件对泥石流的危险性起着主要作用。运用鲁宾(Rubin J,1966年)[1]、米恩(Mein G R)和拉森(Lerson C L,1973年)[2]的入渗过程理论对该泥石流物源启动过程进行分析:
在均匀降雨条件下,入渗过程的变化决定于降雨强度(Ri)和渗透系数(Ks)。根据 Ri和 Ks比值,可将入渗过程划分为两种情况:1)无积水入渗。这时 Ri/Ks＜1,即 Ri＜Ks,全部降水均渗入土壤;2)积水入渗。这时 Ri/Ks＞1,即 Ri＞Ks。在降水刚开始的时候,渗透速度最大,积水全部渗入土壤表层,但随着降水的持续,表层土壤达到饱和,地面产生积水并出现径流,渗透速度逐渐减小,随着降雨强度持续地超过土壤饱和导水率,渗透速度达到最小值。
由于当地降水量大,根据叠台沟泥石流勘察报告,暴雨雨强可以达到 Ri=7.674×10-3m/s,当地碎石土的渗透系数为Ks=3.25×10-3m/s,则:
因此雨水入渗方式为积水入渗,该方式通过两种途径破坏土体强度:一方面由于渗透速度小于降雨强度,积水将在土体表面产生一定厚度的水层并在重力的作用下使其沿土体表面流动,这样就会在土体一定厚度内产生超孔压导致该厚度内的液态化,使得其正有效应力和强度丧失,从而导致土体流动形成泥石流;另一方面入渗的积水将产生孔隙水压力,并使原来疏松的颗粒悬浮,两者最终导致土体强度降低,尤其是抗剪强度的降低,当抗剪强度小于剪应力时,沟道两侧堆积体发生崩滑现象。
3.2 泥石流危险度分析
为了对叠台沟泥石流整体危险性进行评估,这里采用《泥石流危险性评价》和《泥石流风险评价》中推荐的单沟泥石流危险性分析公式计算[3,4]对该沟泥石流的危险度做评价。该方法通过评价泥石流规模 M、发生频率 F两个主要因子和流域面积S1、主沟长度S2、流域相对高差 S3、流域切割密度 S4、不稳定沟床比例 S55个次要环境因子,数据M通过设计频率下泥石流固体物质径流量计算方法获取,F为百年内的发生频率,S1,S2,S3和S4的值在 1∶10000的地形图上量算获取,S5通过现场勘察结合地形图获得。然后通过表 1的转换函数取得这 7项指标分别对应的转换值 m,f,s1,s2,s3,s4,s5(见表 2)。
表1 单沟泥石流危险度评价因子的转换函数
表2 各因子转换值
再用公式:H=0.29m+0.29f+0.14s1+0.09s2+0.06s3+0.11s4+0.03s5对这 7个因子进行加权求和,可得该沟泥石流危险度 H值(见表 3)。
表3 各因子加权求和值与危险度值
危险度的分级标准见表4。
由此可见,叠台沟泥石流沟危险度为 0.666,处于高度危险中,因此,对该泥石流沟的危险性应给予高度重视。
表4 危险度的分级标准
4 结语
叠台沟泥石流沟基本特点如下:
1)沟域纵比降较大,两侧岸坡较陡,植被破坏面积大,沟域内物源水源丰富,有利于泥石流活动;2)雨水对沟道两侧物源入渗方式为积水入渗,该入渗方式通过产生孔隙水压力破坏两侧物质的稳定性,促使其启动;3)该泥石流沟危险度为 0.666,处于高度危险状态。
[1]Rubin J.Theory of rain fall up take by soils Initially Duier than their field capacity and its applications[J].Water Resources,1966,2(4):17-22.
[2]Mein GR,Lerson C L.Modeling in filtration during a steady rain[J].Water Resources,1973,9(2):15-21.
[3]刘希林,唐 川.泥石流危险性评价[M].北京:北京科学出版社,1995:1-93.
[4]刘希林,莫多闻.泥石流风险评价[M].成都:四川科学技术出版社,2003:1-104.
[5]张 瑛.四川荣县地质灾害调查评价与危险性区划研究[J].山西建筑,2009,35(2):96-97.
