（地质工程专业论文）西昌市东河泥石流发育特征及其对水库供水工程影响研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第l 页 捅要 随着人类社会经济活动的不断增强，人们对自然资源的索取造成了对环 境的持续破坏，使得泥石流等地质灾害更趋严重，泥石流的暴发又反过来对 人民生命财产构成威胁。因此对潜在泥石流灾害进行调查研究与评估，在此 基础上进行有效防治，从而尽可能地防范灾害的发生，减轻灾害损失具有重 要的实际意义。东河泥石流沟位于西昌市区东侧，沟口堆积扇即为西昌市区 所在地。已有资料显示，东河流域面积约2 1 6k m 2 ，主沟纵长约3 9 5 k m ，多年 平均流量3 6 9 m 3 s ，纵坡坡降3 1 4 5 ，在近5 0 年内曾多次暴发泥石流，并对 沟口西昌市造成重大损害。根据西昌市区城市规划，拟在沟口修筑西昌市区 供水工程( 东河水利枢纽) ，兼具发电。因此查明泥石流发育特征，通过泥 石流动力学特征计算，对拟建大坝部位作危害程度评价，具重要的工程意义。 论文通过野外现场调查和试验，查明了东河流域地质环境条件、植被分 布、流域内松散物源分布及其稳定性，且结合国内外泥石流的研究现状和最 新发展趋势系统地阐述了东河泥石流的形成环境及发育特征，然后分析了东 河泥石流暴发的原因及其主要影响因素，并从东河泥石流沟的自身特点出发， 结合相关计算模型推算了泥石流流速、冲击力、总流量及输砂量等动力特征 和规模数据，依据泥石流分类的各项指标，判定东河泥石流为高山区沟谷型 过渡偏粘性泥石流。在此基础上，通过计算预测该流域在不同频率降雨条件 下泥石流暴发规模及其淤积规模，进而对拟建西昌供水工程大坝部位进行了 危害性评价。评价结果显示东河水利枢纽工程的修建会因大量泥石流堆积物 质的淤积而使库容减小并将最终导致供水工程失效，为确保水利枢纽施工和 运营安全以及考虑尽量减少在拟建下坝址库区内泥石流淤积，重点围绕拦碴 坝工程处理方案，并结合东河流域地形特点，提出在大坝上游合适部位( 形 成区与流通区交界部位) 修筑拦碴坝等工程防护措施，以确保大坝以及沟口 西昌市区人民生命财产安全。 关键词：泥石流；人类工程；供水工程：拦渣坝 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t w i t ht h ec o n t i n u o u si n c r e a s eo fh u m a ns o c i o e c o n o m i ca c t i v i t i e s p e o p l e o b t a i nn a t u r a lr e s o u r c e sb yc o n t i n u o u sd e s t r u c t i o nt ot h ee n v i r o n m e n t a sa r e s u l t ，t h ed e b r i sf l o wa n do t h e rg e o l o g i c a ld i s a s t e r st a k ep l a c em o r e f r e q u e n t l y i nt u r n t h eo u t b r e a ko fd e b r i sf l o w sp o s eat h r e a tt op e o p l e sl i r e a n d p r o p e r t y t h e r e f o r e ，i t i s s i g n i f i c a n tt oi n v e s t i g a t ea n de s t i m a t et h e p o t e n t i a ld e b r i s 玎o wd i s a s t e r sa n dp r e v e n tt h e i ro c c u r r e n c e sb ye f f e c t i v e m e a s u r e ss oa st or e d u c et h el o s s e sc a u s e db yt h e m d o n g 础v e rd e b r i sn o wi s l o c a t e di nt h ee a s to fx i c h a n gc i t y , w h i c hl o c a t e di nt h ed e p o s i t e df a no ft h e d e b r i sf l o w t h ee x i s t i n gd a t as h o wt h a tt h ed o n gr i v e rd r a i n a g ea r e ai s a b o u t2 1 6k m ，t h el e n g t ho ft h em a i nr i v e ri s3 9 5k i n 。i t sa v e r a g er u n o f fi s 3 6 9m j ，s ，a n dt h er i v e rg r a d i e n ti s3 1 4 5 i nt h er e c e n t5 0y e a r s t h ed e b r i s f l o w h a p p e n e dm a n yt i m e s ，a n d l e dt o g r e a td a m a g e t o x i c h a n g c i t y a c c o r d i n gt ot h eu r b a np l a n n i n go fx i c h a n gc i t y a tt h ed e p o s i t e df a n p o s i t i o n , aw a t e rs u p p l yp r o j e c t ( d o n gr i v e rh y d r op r o j e c t ) w h i c hc a na l s o g e n e r a t ee l e c t r i c i t y w i l lb eb u i l t t h e r e f o r e ，i th a si m p o r t a n te n g i n e e r i n g s i g n i f i c a n c et oi d e n t i f yt h ed e v e l o p m e n tc h a r a c t e r i s t i c so f t h ed e b r i sf l o wa n d c a l c u l a t ei t sd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c sa n df i n a l l ye s t i m a t et h ed e g r e eo fd a n g e r t ot h ep r o p o s e dd a ms i t e ， i nt h i sp a p e r ，b yt h ew i l di n v e s t i g a t i o n sa n dt r i a l s ，d o n gr i v e r sg e o l o g i c a l e n v i r o n m e n tc o n d i t i o n s , v e g e t a t i o nd i s t r i b u t i o n ，d i s t r i b u t i o na n ds t a b i l i t yo f t h el p o s ed e p o s i ti nt h ed r a i n a g ea r e aa r ed i s c o v e r e d w i t ht h e r e s e a r c h a c t u a l i t ya n dt h el a t e s tt r e n do fd e b r i sf l o wb o t hi na n da b r o a d t h i sp a p e r e x p a t i a t es y s t e m a t i c a l l yo nt h ef o r m a t i o ne n v i r o n m e n ta n dd e v e l o p m e n t c h a r a c t e r i s t i c so ft h ed o n gr i v e rd e b r i sf l o w ，a n dt h e na n a l y z e dt h er e a s o n w h yi th a p p e na n dt h em a i na f f e c tf a c t o r s f r o mi t so w nc h a r a c t e r i s t i c so ft h e d o n gr i v e rd e b r i sf l o w ，c o m b i n e dw i t ht h er e l e v a n tc a l c u l a t i o nm o d e l 。i t s v e l o c i t y ，i m p a c tf o r c e ，t o t a ir u n o f f , t h eq u a n t i t y o fs a n d t r a n s p o r t a t i o n i t s d y n a m i cc h a r a c t e r sa n di t ss i z ea r ec a l c u l a t e d a c o r r d i n gt ot h ec l a s s i f yi n d e x s o fd e b r i sf l o w ，t h ed o n gi u v e rd e b r i sf l o wi se l e u c ha n dv i s c o u sd e b r i sf l o w b y c a l c u l a t et h ed e b r i ss i z ea n di t sd e p o s i ts i z eu n d e rt h ec o n d i t i o no fd i f i e r e n t f r e q u e n c yo fr a i n f a l l t h ed e g r e e o fd a n g e rt ot h e p r o p o s e dd a ms i t ei s e s t i m a t e d t h er e s u i ts h o w st h a tt h ed o n gr i v e rh y d r op r o j e c tw i l lb eu s e l e s s b e c a u s et h er e s e r v o i rs t o r a g ec a p a c i t yw i l lr e d u c eb yam a s so fd e b r i sf l o w d e p o s i t i no r d e rt oe n s u r et h es a f e t yo fc o n s t r u c t i o na n do p e r a t i o no ft h e p r o j e c t , a n dr e d u c et h ed e b r i sf l o wd e p o s i ti nt h el o w e rr i v e rr e s e r v o i r , t h i s p a p e r f o c u so nt h e p r o j e c t s o fd e b r i s r e t a i n i n gd a m ，c o n s i d e r t h e t o p o g r a p h i c a lf e a t u r e so fd o n gr i v e r , i ti sp r o p o s e dt ob u i l td e b r i sr e t a i n i n g s t r u c t u r e sa tt h eu p r i v e ro ft h ed a m t oe n s u r et h es a f t yo ft h ed a ma n dl i f e a n dp r o p e r t yo fp e o p l el i v e di nx i c h a n gw h e r ei sa l s ot h ed e p o s i t e df a no ft h e d o n gr i v e rd e b r i sn o w 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i i 页 k e yw o r d s ：d e b r i sf l o w ；h u m a ne n g i n e e r i n g ；w a t e rs u p p l yp r o j e e t ；d e b r i s r e t a i n i n gd a m 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅 和借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数 据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论 文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密囤，使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“ ) 学位论文作者签名： 日期：川 1 杠姊 指导老 日期： 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作 所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体， 均己在文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： 1 通过现场调查和试验，查明了东河主沟及各支沟泥石流发育特征及动力 特性，掌握了东河泥石流活动规律； 2 通过计算不同频率降雨条件下冲出沟口的物源量，进而对拟建大坝部位 作危害性评价； 3 根据东河流域的地形特点，提出拦碴坝等具体工程防护措施。 枷砟 川m 1 9 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 选题依据及研究意义 1 1 1 研究意义 泥石流是高浓度水、砂砾复合异向混合流，是颗粒大小差异很大的固体 ( 岩土体) 和液体( 水) 的联合运动。泥石流属于典型的灾害地质现象及地 貌过程，由于泥石流活动区有限，泥石流过程历时短暂，运动能量巨大，因 而极具破坏力。泥石流运动具有突发性、局地性、短暂性和凶猛性。它不仅 造成山区局地环境的破坏，还危害与威胁到山人民生命财产与经济建设。中 国西部多为山区，其环境背景有利于灾害的形成，泥石流异常发育，它严重 危害城镇、交通、农田、工矿和水利工程等，成为主要灾害，是制约西部山 区经济发展的主要因素之一。随着国家西部大开发战略的实施，西部城镇和 基础设施建设以及资源开发等领域将会得到迅猛的发展，这不可避免地会遇 到泥石流问题。伴随着西部大开发的各项建设，会对环境进行大规模的扰动， 也会导致人为泥石流的发生，产生新的灾害。半个世纪以来，随着山区经济 建设的发展，部分地区由于生态平衡不断遭到破坏，防治措施不当，致使一 些山区泥石流危害相当严重，据近年统计资料表明，中国泥石流分布在3 1 个 省、市和自治区，约9 5 0 县市，我国已初步查明并编录的泥石流沟8 5 0 0 多条， 估算全国泥石流沟的总数达几万条，根据中国泥石流分布及危险度区划( 图 1 - 1 ) ，由此可见，泥石流灾害问题不容忽视。 因此，对泥石流的研究已成为我国山区社会、经济发展中急迫研究的课 题：东河泥石流沟位于西昌市区东侧，沟口堆积扇即为西昌市区所在地，在 近5 0 年内曾多次暴发泥石流，并对沟口西昌市造成重大损害。根据西昌市区 城市规划，拟在沟口修筑西昌市区供水工程( 东河水利枢纽) ，兼具发电。 因此查明泥石流发育特征，掌握东河泥石流沟的活动规律，通过泥石流动力 学特征计算，进而对拟建大坝部位作危害程度评价及研究其对东河水利枢纽 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 工程建设的影响，并结合东河流域地形特点，提出在大坝上游合适部位修筑 拦碴坝等工程防护措施，对东河泥石流的治理、防灾减灾等都具有重要的意 义。 图卜1 中国泥石流分布简图 1 1 2 选题依据及论文依托背景 经综合技术经济比较，东河水利枢纽工程兼具城市供水和发电功能，拟 建坝址位于东河内( 距沟口约3 k m ) ，坝型采用砾石土直心墙堆石坝。坝顶 长度2 7 19 6 m ，最大坝高1 0 8 m ，主要永久建筑物还包括：左岸泄洪道、左岸 防空洞、右岸引水发电系统以及右岸供水系统。水电站采用混合开发方式， 最大引用流量为6 m 3 s ，利用水头落差约1 3 2 m ，电站装机容量6 m w 。 己有调查资料显示，东河流域面积约2 1 6 k i n 2 ，主沟纵长约3 9 5 k m ，多年 平均流量3 6 9 m 3 s ，沟道宽谷( u 型) 、狭窄段( “v ”型谷) 交替出现， 沟床总体纵坡降为3 1 4 5 。由于东河早期就是一条典型的泥石流冲沟，故沟 内第四系松散堆积物丰富、且分布较多，屉为典型的当属沟道两侧多处分布 具一定规模的早期及现代泥石流块碎石土堆积体( 单处最大堆积厚度可达5 m 以上) ，另外在1 、2 号支沟及主沟沟口附近段内滑坡发育( 单处最大规模可 达1 2 亿m ) ，因此沟域内物源本身就很丰富。再加之1 号支沟段内从东河 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 乡 - - 3 0 0 0 m 高程处由于修建通村公路，长距离、大范围的边坡开挖一方面扰 动坡脚，导致部分崩坡堆积体发生变形和垮塌；同时开挖形成的弃碴又随意 推入沟床，还有开挖的路堑边坡均未作任何支护，经过今年雨季后，大量堆 积层边坡已开始坍滑而进入沟内。 上述现象表明，东河泥石流仍处于发育期，其频繁发生不仅对沟口西昌 市影响巨大，更会对修建在沟内的东河水利枢纽大坝工程修建、特别是正常 运营产生极为不利的影响，尤其是后者会因大量泥石流堆积物质的淤积而使 库容减小并导致工程失效。显然，尽快开展东河流域泥石流发育特征调查， 尤其是对整个东河及其支沟进行有关泥石流的性质、特征、形成条件调查， 并通过对其流量、流速乃至不同降雨条件下暴发频率等的动力学特性进行深 入分析计算，预测其暴发规模，进而对拟建大坝部位作危害程度评价，在此 基础上，为确保大坝以及沟口西昌市安全、尽量减少库内淤积，在大坝上游 合适部位提出拦碴坝等工程防护措施建议是非常必要的。 2 0 0 8 年1 月，受中国水电顾问集团成都勘测设计研究院的委托，西南交 通大学承担了“西昌东河水利枢纽工程东河泥石流发育特征及其对工程影响 专题研究工作。本论文紧密结合上述专题研究，从工程地质角度出发，旨 在找寻东河泥石流暴发的原因及主要影响因素，分析其发育特征，并评价其 危险性，最后提出具体的工程防护措施。并希望通过本论文以点及面，为研 究泥石流灾害提供一个实例参考。 根据东河地形地貌及地质环境条件分析，东河属于典型的高山区沟谷型 泥石流，从泥石流堆积体颗粒分析( 筛分和块径统计) 并结合室内计算分析 结果来看，属于过渡型偏粘性泥石流。 1 2 国内外研究现状 1 2 1泥石流总体研究现状 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 尽管我国史料文献中早有出龙、走蛟的记载，但对泥石流系统研究，欧 美国家仍较早。在上世纪中、下叶，欧洲泥石流研究始于对阿尔卑斯山区的 开发苏联泥石流研究始于对高加索山区和中亚山区资源的开发，美国泥石流 研究始于对西部山区的开发，而中国泥石流研究始于本世纪5 0 年代，并随着 山区经济、社会的发展，又提出泥石流防治研究任务，从而促进我国泥石流 研究的发展。 将泥石流作为一个独立的研究对象在国外只有1 0 0 多年，国内不足5 0 年， 但国内外学者已经作了大量的工作。目前全球有2 3 个国家较系统地开展泥石 流及其防治研究工作。自2 0 世纪7 0 年代以来，国内外的泥石流研究都有了 显著的进展。国际上以日本高桥堡编著的泥石流一书为代表，该书系统 地总结论述了泥石流的基本特征、运动机理、发生发展及堆积过程。在国内， 中国科学院成都山地和环境研究所、清华大学、云南地理研究所、铁道科学 院西南分院等单位的学者做了大量的研究工作，出版了不少专著，具有很高 的理论价值和研究水平，其中最新的以清华大学费祥俊教授、舒安平博士编 写的泥石流运动机理与灾害防治为代表7 1 。 目前对泥石流性质的认识还不十分清楚，从而对其学科性质的认识还存 在着不同的看法。与泥石流有关的至少有地学、灾害学、力学、工程学、管 理学和环境学等六大学科。目前有不少泥石流流量计算公式，基本上都是经 验或半经验性的，在泥石流灾害预测上，常用的方法是灰色系统预测模型。 在研究方法上，除传统的调查勘测、现场观测之外，还大量采用了模型 试验的方法和数值模拟方法，大量的新型仪器和设备被采用。国内外已见的 工作，如日本京都大学防灾研究所和建设省土木研究所沙防部等单位研究泥 石流堆积机理，计算机模拟泥石流泛滥范围等，丰富了泥石流沉积动力学的 内容。国内的研究，如王兆印等通过在铺满卵石的陡槽上释放不同浓度的泥 浆或清水，研究泥石流的形成条件和运动规律n 们；崔鹏从沟床坡度、细颗粒 物质含量和水分饱和度三方面入手，采用直斜式小型模拟实验，探讨泥石流 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 的起动条件n 1 1 ；孟河清等通过对大秦铁路化石沟泥石流的模拟实验，探讨泥 石流对铁路桥渡的影响和应采取的防护措施n ”；周必凡等通过对云南东川泥 石流沟粘性泥石流运动参量之间相互关系的分析，建立了泥石流表面流速的 计算公式n 妇。这些探索使泥石流研究从定性描述向机制探讨、模型化、定量 化的方向迈出了重要一步。 1 9 8 0 年5 月我国首届泥石流学术讨论会在成都召开。会上交流论文9 7 篇、文摘1 1 0 篇、情报3 1 篇，科教电影片3 部。1 9 8 1 年又在云南东川召开了 全国泥石流防治经验交流会。此外，全国铁路系统召开过两次泥石流学术讨 论会( 1 9 8 1 年，丹东；1 9 8 5 年，峨嵋) 。在这些会议上探讨了泥石流研究中的 某些基本理论问题和泥石流灾害防治问题。1 9 7 9 年四川西昌县建立起黑沙河 泥石流防治管理处，1 9 8 2 年甘肃武都建立起县一级泥石流防治机构北峪 河治理管理局负责维护施工泥石流防治工程。1 9 8 3 年成立了四川省泥石流专 业委员会和全省性的泥石流灾害防治小组，负责协调泥石流研究与灾害治理 等。1 9 8 4 年甘肃省建起自然灾害研究会，中国科学院成都山地灾害与环境研 究所( 简称成都山地所) 在云南东川建成一个半自动化泥石流观测研究站( 该 站于1 9 8 8 年6 月2 2 日经中国科学院批准，实行对国内外学者开放，升级为 院级野外研究站) 。这些均有助于促进我国泥石流研究事业的发展。 我国对泥石流的研究水平大体上经历了三个阶段，在2 0 世纪8 0 年代之 前，研究的基点是“调研”，即主要是在实际调查研究的基础之上，总结规 律，提出认识和防治对策；进入9 0 年代，开始重视“评估 ，对灾害的评价 由定性向定量方向发展，包括灾前预测评估、灾时跟踪评估、灾后总结评估 和灾害防治效益评估，做得最多的是灾后总结评估。近年来，人们进一步认 识到，研究灾害的根本目的是防灾减灾，最重要的是要预测人类将面对的未 来灾害风险，因此灾害的预测及风险评估就显得尤为重要。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 1 2 2 泥石流形成发育条件的研究现状 国内外学者普遍认为，泥石流的形成与发育必须具备三个基本条件：一是 有利的地形地貌基础；二是丰富的补给物质条件；三是有适当的降雨水源激 发。三个条件中，前二者属环境条件，即一条沟谷所具备的自然环境，第三 者是激发条件，是判别一条沟谷在区域性气候控制下是否暴发泥石流的条件。 在地貌条件的研究中，重点是泥石流源地的研究。田连权对泥石流源地 进行了三级8 类的划分，并研究了不同类别的源地对泥石流形成的贡献n 钉； 谭万沛等认为地貌形态特征，如流域面积、主沟长度、比降、山坡坡度等， 对泥石流的发育程度、活动规律等方面有重要影响1 钉；在补给物质条件的研 究中，吴积善、田连权等对泥石流的土源类型、土体特征、补给方式及影响 因素方面作了阐述n 钉；在水源条件的研究中，陈景武、谭万沛、孟河清等对 降雨和泥石流的发生关系作了研究，并用降雨资料对泥石流发生进行预测1 盯； 吕儒仁、邓养鑫等对冰雪融水激发泥石流作了初步研究n 7 1 。 1 2 3 泥石流危险性评价的研究现状 泥石流危险性评价的主要内容是评价泥石流的活动程度，反映泥石流灾 害的破坏能力，泥石流危险性评价主要分为历史灾害强度评价和潜在灾害强 度评价，历史灾害强度主要包括历史灾害的规模、密度和频次。潜在灾害强 度受地质条件、地形地貌条件、气候植被条件、人为条件等的制约；对历史 灾害可以通过统计比较地获取这些数据，对潜在灾害则需要通过一系列分析 过程才能获取这些数据，是危险性评价研究的主要内容n 8 删。 国外泥石流危险度的研究较早，早在1 9 世纪后半期，俄国道路工程师b m 斯塔科特夫邦基在设计穿越主高加索山脉的格鲁吉亚军用公路时，就初步 涉及到泥石流的成因和泥石流危险度的问题乜6 1 。直至2 0 世纪3 0 年代至4 0 年 代，由于前苏联在泥石流研究方面一枝独秀，整个泥石流危险度研究取得了 质的进展，对泥石流危险度进行了量化，并编制了泥石流危险区域图，泥石 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 流危险度的研究得到了空前的发展汹1 。1 9 7 7 年日本足立胜治等开展了泥石流 发生危险度的判定研究，主要从地貌条件、泥石流形态和降雨三方面判定泥 石流发生率口 。其中每个方面分若干要素，每个要素又分若干等级，每个等 级给出相应的判别得分，然后统计计算泥石流发生和不发生的可能性大小， 即泥石流发生危险度。1 9 9 0 年日本久保田哲也等再次开展了泥石流发生危险 度的判定研究，主要从短历时降雨的有效降雨量和降雨强度来研究泥石流发 生的可能性啪1 。1 9 8 8 年日本高桥堡等开展了扇形地上泥石流危险度的评价研 究，主要探讨了泥石流堆积厚度对既有建筑的危害评价嘲1 。瑞典m t e l d e e n 所 作的灾害危险度分析，包括灾害类型的辨别和灾害规模的估计，并将它们用 危险区图来表示啪1 。 国内泥石流危险度的研究起源于2 0 世纪8 0 年代。1 9 8 2 年王礼先发表的 关于荒溪分类一文首先对泥石流沟谷的危险度进行了划分b ，此后众多 学者对这一问题进行了有益的探讨口2 i ，其中以谭炳炎1 9 8 6 年提出的泥石流沟 的严重程度判别因素量化分析法为典型代表嘲。8 0 年代后期，随着一些数学 方法的引用，泥石流沟谷危险度划分更加量化和客观，以刘希林提出的泥石 流影响因素等级划分及因子得分判定法为这一时期的主要方法m 删。9 0 年代 以来，随着研究程度的深入，特别是在总结前人研究成果的基础上，将一些 适用的数学模型应用到泥石流沟谷危险度的划分中，使得泥石流的沟谷危险 度的研究发展到了能够精确定量、模型模式化操作的地步。现代发展起来的 “3 s ”技术( g i s 、r s 、g p s ) 对泥石流的调查、评价起到了很重要的作用汹1 。 随泥石流领域中的专门研究工作的深入，新的成果不断涌现。 1 2 4 泥石流防治趋势研究现状 1 泥石流防治的自然生态工程方法，从源头和形成机理上解决问题，将泥 石流防治和资源开发结合起来。不但对泥石流进行综合治理，而且很快和环 境融为一体，对环境的破坏力小。比如在水热条件好的泥石流区域，将大面 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 积泥石流的荒滩地，开发成稳产高产的良田。泥石流携带输出的泥沙可用来 筑堤造田。泥石流形成的地表水和地下水，可作为农田的灌溉或其他水源。 风景区泥石流的治理将生态工程和治理工程结合起来，实现景观和治理工程 的协调，有效地保护景观资源、生态环境和游客安全。 2 泥石流防治工程结构趋向于多样化、轻型化和实用化。在泥石流防治工 程中，通常将不同坝型、沟槽、渡槽的防治工程结合起来，以适应不同类型 泥石流的特征。如格栅坝适用于稀性泥石流和水石流的防治，它能拦截泥石 流中的粗大颗粒。拦碴坝以透水型为佳，可以减少动水压力，增加调节性能， 降低冲刷和磨蚀作用。低型坝比高型坝要经济，几个低型坝高度之和比同高 度高型坝要节省很多，安全性能和防治效率也要高的多。 3 泥石流防治工程将进一步趋向于综合治理。关键是要从源头上切断泥石 流发生的基本条件，阻止泥石流发生造成流域内生态环境的不断恶化。在泥 石流防治工程中，把拦排措施结合起来，加强对全流域森林植被的保育，统 一规划，合理安排农、林、牧用地的比例和位置，保持水土，调节径流。比 如采用梯田、山坡截流沟、拦水沟埂、蓄水池等。 4 新技术的应用是近年来泥石流防治的新趋势。尤其是神经网络技术、虚 拟现实技术、“3 s 技术在泥石流监测、评价预警系统、避灾逃生线路规划 中显示出巨大的作用和优势。 1 3 研究区范围及研究思路 本次调查范围为东经1 0 2 0 1 4 4 5 至1 0 2 0 3 0 5 3 、北纬2 7 0 4 9 1 4 ”至 2 8 0 0 0 5 。流域面积2 1 6 k m 2 ，干流长3 9 5 k m 。整篇论文的研究思路为图1 2 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 图1 - 2 研究技术路线框图 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 第2 章研究区环境背景 21 地形地貌 东河位处于四川i 省西昌市境内，属安宁河左岸二级支流，发源于昭觉县 坡脚拉达附近的小兰色梁子，其主峰海拔3 2 6 6 r n ，流经喜德县南部进入西昌 市区，在瑶山注入海河。流域内东部高、西南部低，地势从东向西南倾斜， 总体表现为下游集水面积很小，上游集水面积相对较大，就泥石流冲沟而言， 其形成区、流通区和堆积区界限分明。其中主沟流通区段总体近东西向展布， 而形成区内的支沟则呈近南北向展布，因此流域总体呈“扇形状”展布( 图 2 一】) 。 照片2 - 1 东河流域卫星图象( 据g o o g l ee ar t h 网站资料) 因此流域四面均为由近1 7 0 0 m 及以上中高山所形成的分水岭，除沟口部 位外，流域北、东、南三侧分水岭部位基本为基岩裸露。源区晶高海拔3 2 6 6 m ， 沟口高程约1 7 0 0 m ，高差约1 5 6 6 m 。总体上看，东河沟型相对较为简单，除 主沟段外，沟域内大的支沟主要有两条，左支仍名东河( 定为1 号支沟) ， 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 右支名者波祖河( 定为2 号支沟) 。上述三大沟谷在空间上呈明显的“树丫 状结构。 2 2 地层岩性及地质构造 东河流域内出露地层有中侏罗新村组( j 茹、牛滚凼组( j 动) 、官沟组( j z g ) ， 上侏罗飞天山组( j 3 f ) 、下白垩小坝组( k l x ) ，第四系下更新统的昔格达组( q x 函， 第四系滑坡、泥石流、崩塌及冲洪积等( q 4 ) 。从岩土体特性上看，流域内出露 地层可分成以下类型： 1 ) 薄厚层状砂岩、页岩、泥岩体。以硬岩为主，局部夹薄层软岩，主 要由侏罗系飞天山组组成，岩性为紫红色长石石英砂岩、粉砂岩夹页岩、砂 质页岩。分布在东河上游，这段岩体以砂岩为主、完整性较好，砂岩抗风化 强，泥页岩抗风力弱，出现差异分化，沟谷边坡上出现局部崩塌体，特别在 断层和裂隙带上崩塌更加发育。 2 ) 软硬相间的薄至厚层状粉砂岩、泥岩互层岩体。由中侏罗系新村、牛 滚凼、官沟组及下白垩系小坝组组成，岩性是一套钙质粉砂岩、泥质粉砂岩、 钙质泥岩，主要分布在东河上游，其次是中游的下段，风化强烈，风化层较 厚，至少2 m 以上。 3 ) 软弱薄至中厚层状砂泥质半成岩岩体。由第四系昔格达组组成，分布 在东河下游的堆积扇地段，岩性是一套黄褐色粉砂岩夹青灰色、灰黑色粘土 质页岩，岩体抗风化力差，遇水软化，沟坡极不稳定。 4 ) 松散土体：即如上所述的崩、滑、流及部分冲洪积和坡残积堆积块碎 石、砂卵砾石层。 大地构造部位上，工程区位于鲜水河一安宁河一则木河一小江断裂带一 金沙江、红河断裂带所围限的川滇菱形断块与凉山断块的复合部位。其边界 断裂就在工程场区附近通过，即：工程场区位于安宁河断裂和则木河断裂斜 接部位的北东部。由于地处两断块的接合部，本区断裂构造十分发育，近南 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 北向压性断裂与褶皱为其主要构造格架，并拌生有北西一北北西向和北东向 断裂。 流域中、上游广大地区地壳抬升运动明显，发育有i 阶地，河谷深切， 峡谷跌坎较多，而下游西昌至邛海仍在下降，由于受安宁河和则木河两条深 大活动断裂影响，地震活动强烈，下游地震烈度可达9 l o 度。中上游为8 7 度。中上游距西昌地震带较近，地震诱发泥石流是不可忽视因素。据1 4 0 0 万中国地震动区划图，工程区地震动峰值加速度为0 3 9 ，相应地震基本 烈度为度。 2 3 植被 东河沟流域内植被基本良好，局部因飞播造林而较为茂盛，且以松树和针 叶阔叶混交林为特点，总体森林覆盖率约7 0 。除了在主沟沟口段、1 、2 号 支沟沟源部位因当地居民开荒造地，导致大部分山坡裸露外，其它大部分飞 播造林长势良好。 2 4 物理地质现象 总体而言，天然状况下东河流域物理地质现象类型多，除正常风化卸荷外， 滑坡、崩塌及早期、现代泥石流均有分布，不过沟域内主要以滑坡、泥石流 为主。但是在l 号支沟修筑连村公路后，大部分第四系松散层部位由于开挖 导致路堑边坡范围扩大，再加之未进行任何工程防治措施，目前在公路施工 路段小规模坍滑现象较为普遍。 泥石流从发育历史上看，l 、2 号支沟等均属老泥石流冲沟，而2 号支沟 仍是目前东河泥石流发生的物源补给沟谷。 2 5 气象、水文 东河流域为干湿分明亚热带西南季风气候，具有亚热带高原山地立体气候 特征。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 据西昌市气象站1 9 6 1 1 9 9 0 年实测资料统计，多年平均气温1 9 6 c ，一 月份平均气温9 4 c ，极端最低气温3 8 c ；七月份平均气温2 2 6 c ，极端最 高气温3 6 6 c 。具有夏季无炎热、冬季无寒冷、气温年差小、日差较大的特 点。年日照时数2 4 4 5 4 h ，太阳辐射能量充足，多年平均蒸发量1 9 6 1 8 m m 。 东河流域在海拔1 5 0 0 - - 2 0 0 0 m 之间，大约海拔每增高l o o m ，气温降低0 5 5 。 大气降水主要是降雨和冬季上游少量冰雪溶水。年降水量1 0 0 0 1 2 0 0 m m 。 雨量主要集中在雨季，占全年降雨量的9 3 。6 月进入雨季，降水骤增月平 均雨量2 0 0 - - - 2 5 0 m m 。 多暴雨，据统计( 表1 1 ) 最大日降雨量可达1 3 5 7 m m ( 1 9 5 1 年8 月2 5 日) 。 日降雨， 2 5 m m 的日数平均每年9 5 日( 4 1 0 月) 。历年7 月份平均降雨量 2 1 5 5 m m 。上游属于暴雨带边缘，历史上曾多次产生较大的暴雨洪水，造成下 游灾害( 表2 1 ) 。 表3 - 1 西昌市气象站各气象要素统计表( 1 9 6 1 1 9 9 0 年)气象站海拔高程1 5 9 0 铀 项目1 月2 ) q3 月4 月5 月6 月7 月8 j q9 月1 0 月1 1 月1 2 月全年 平均气温9 41 2 o1 5 91 9 02 1 12 1 22 2 62 2 11 9 71 6 81 2 89 71 6 9 气温 ( ) 极端最高 2 4 12 7 83 0 93 3 63 6 6 3 6 0 3 3 5 3 3 3 3 3 32 9 9 2 6 2 2 4 83 6 6 极端最低 3 43 80 22 77 8 1 0 7 1 2 7 1 3 o1 0 26 40 82 8- 3 8 多年平均 6 34 51 2 32 7 89 5 61 8 2 52 l o 21 7 7 o1 5 3 5 7 8 21 9 6 6 3 9 7 3 7 一日最大 1 3 41 1 51 9 03 6 95 0 71 1 3 21 0 4 9 1 2 5 56 6 1 5 5 62 2 7 2 1 1 1 2 5 5 降水日数( d ) 2 o2 94 68 4 1 4 61 9 91 7 81 6 61 6 81 3 25 72 81 2 5 2 降水量 1 0 o m m 日数 0 o o 3o 6 3 46 16 35 85 52 6o 6 o 1 3 1 4 ( m m ) ( d ) 2 5 o m m 日数 oooo 1 o 71 92 52 o1 40 4o o 8 9 ( d ) 5 0 o m m 日数 ooooo o 1o 6o 5o 2o 1o o1 6 ( d ) 相对湿 平均相对 5 24 54 24 75 7 7 2 7 57 4 7 67 3 6 66 l6 2 度 ( ) 历年最小 8656 71 02 62 42 32 7 l l9 5 蒸发量( m m ) 1 2 3 i1 6 8 82 5 1 2 2 5 9 92 4 4 21 5 6 41 6 4 41 6 4 31 2 3 31 1 2 19 9 89 4 31 9 6 1 8 风速 平均风速 1 6 2 32 52 21 81 21 21 11 o1 11 31 21 5 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 ( m s )最大及 相应 1 3 o1 2 71 6 71 8 o2 1 71 6 71 4 01 5 o1 1 71 5 31 5 71 5 32 1 7 风向n n wn n e nn wn wn n ，n n enn n en n wn n wn n en w 1 9 8 5 年直接在东河上设立过水文站，因资料精度太差，未能提供使用。 1 9 8 3 年因勘测设计东河乡水库( 库址在东河流域外的东河乡) 的需要，西昌 县水电局在东河上游干流上设立了双龙县水文站，控制的集雨面积1 0 7 3 k m 2 。 观测时间1 9 8 3 年5 月1 日起到1 9 8 4 年1 2 月底止，观测项目有水位、流量、 悬移质泥沙、雨量。 该流域的洪水系暴雨生成，时间为每年夏秋雨季，每年较大的洪水过程 不多，多数年份1 3 次。具山区洪水特点，一般情况下，洪水过程为单峰或 双峰，属陡涨陡落，历时短，多在4 - 6 小时，少数特大洪水因退水长些，超 过2 4 小时，暴雨洪水在多数情况下在河道内汇集和迭加畅通进行，偶尔引起 滑坡阻断河道，造成天然水库，然后溃坝造成较大的洪水，在历史上已发生 多次，双龙泉水文站在1 9 8 3 年7 月1 0 日实测最大洪峰流量1 4 4 m 3 s ，1 9 8 4 年4 月1 日实测最小流量0 4 7 n 1 3 s 。 调查区基岩内的地下水总体不发育，沟内水流主要靠大气降水补给。大气降 水部分顺坡面流入沟中，大部分渗入坡积物中形成孔隙水。 2 6 人为因素 整个东河流域内人类活动较频繁，主要表现为2 种方式：斜坡开荒造地和 修筑山区简易公路。 流域内居民以彝族为主，在部分缓坡地段开荒造地导致的水土流失严重， 两条支沟流域均较为普遍，这也是近几十年以来东河泥石流或山洪频发的一 个重要原因。由于上游彝族农牧民生产方式落后，限于生存需要，大量毁林 开荒，致使地质环境逐渐恶劣，松散土层较厚的地方大量被垦伐，而这些山 区地带，坡面的坡度很大，一般都大于2 5 。，由于植被破坏，加剧水土流失， 从而很易于形成泥石流。 而修筑公路所形成的边坡开挖主要见于l 号支沟内，喜德县东河乡为了使 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 该乡各村之间形成村通公路，2 0 0 7 年开始从乡政府沿l 号支沟左岸修建了长 约2 0 余k m 的简易土路，大量涉及到路堑边坡开挖，由于施工方式简单和原 始，一方面形成的大量弃碴直接进入l 号支沟，另一方面开挖形成的路堑边 坡未做任何防护，局部边坡高差达到1 5 m 左右，因此其失稳坍滑在所难免。 因此公路修建开挖，是可能导致未来该河泥石流重新活跃发育的又一触发原 因。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 第3 章东河泥石流发育特征 3 1 泥石流沟谷特征 如前所述，平面上整个东河流域呈扇形，流域面积约2 1 6k m 2 ( 见照片 2 - i 、图3 - 1 ) ，其中汇水面积1 7 36 k m 2 ，占流域面积的8 04 。主沟纵长( 沟 口段+ 1 号支沟) 3 9 5 l k m ，相应纵坡坡降为3 14 5 。在主沟沟床高程1 9 2 3 m 、 距沟口1 2 6 k m 处分叉为两条支沟，左侧为1 号支沟( 又称“东河”) ，此支 沟纵长约2 37 2 k m ，相应纵坡坡降为“8 9 ；右侧为2 号支沟( 又称“者波 祖河 ”) ，此支沟纵长1 0 2 k m ，相应纵坡坡降为5 8 0 0 。 东河及其支沟沟谷特征数据见表3 - 1 。 图3 - 1 西昌东河地理位置示意图( 据成都水文中心资料) 、东河流域范围线：2 、河流：3 、耳海湖；4 、公路：5 、铁路 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7 页 表3 i 东河淘谷特征参数 流域面积汇水面沟长屉高点平均坡降 沟名 最低点( m ) ( k m b积( k m