0 引言

泥石流是我国地质灾害常见类型之一，当泥沙冲出物能量较大、固体物质总量剧增时，其汇入河流易形成堰塞体，严重时可能完全堵断河流而使上游水位上涨，淹没上游区域；堰塞坝强度较低，溃坝后往往形成严重的次生灾害链，造成比常规泥石流更为严重的灾难^[1-2]。四川泸定磨西河泥石流汇入大渡河便是泥石流堵河的典型案例。该泥石流段位于四川西南部，行政上属于四川省甘孜州泸定县磨西镇，为一条特大型高频沟谷型泥石流。在历史上，磨西河曾多次发生泥石流灾害，尤其在2005年8月，磨西河流域暴发群发性泥石流，汇合后，在磨西河形成了特大规模泥石流，泥石流进入大渡河后，形成了巨大的堆积扇，并于8月11日晚21时左右一度堵断了大渡河，造成了房屋被毁、交通中断等严重灾害。同时，磨西河泥石流在堆积区每年甚至每月呈不同形状的蛇形摆布，主河流向频繁改向。尤其在磨西河与大渡河交汇处上下游的泥石流堆积层发现，该堆积层呈多期沉积相，证据表明，历史上磨西河泥石流曾多次堵断大渡河^[3-7]。

为了深入剖析磨西河泥石流入汇主河的运动过程与相关参数的影响作用，采用1：500几何相似的模型进行物理模拟试验，研究不同粒径、密度、流速、流量等主控参数与堵河判别的相互关系，以期得出磨西河泥石流频繁堵断大渡河的形成规律，建立磨西河泥石流堵河事件的早期识别因子。

1 试验方法与数据 1.1 试验原型背景条件

磨西河流域位于贡嘎山东侧，系大渡河右岸一级支流(图 1)，流域面积为904 km²，主沟长度为42.5 km, 主沟纵坡为51.3‰，与大渡河交汇角约为90°，交汇区内沟道横截面呈“U”型。研究区内水系发育，河网纵横，发育泥石流、滑坡、崩塌等地质灾害。其中，泥石流发育最为显著，规模较大(主沟长>4 km)或具有直接危害的泥石流沟有49条。历史上，磨西河流域多次爆发泥石流灾害，据前人资料总结，其为一条高频中-大规模泥石流沟道，尤其以2005年8月份爆发的磨西河堵断大渡河造成的灾难最为显著(图 2)。

从地质构造上看，研究区处于三大构造活动带的交汇部位附近，其中鲜水断裂带直接从流域内通过，新构造作用(含地震活动)强烈。从地貌上来说，流域以磨西台地为界，两侧地形地貌明显不同，东侧以中山为主，西侧由东往西由中山渐变为高山、极高山。从地层岩性上看，流域出露岩石以元古界花岗质岩石为主，次为二叠系变质岩，由于经历了多期构造运动，岩石较为破碎，第四系松散堆积物发育。

物源是泥石流形成的必要条件，物源量决定了泥石流频发的物质补给来源。通过现场调查发现，磨西河流域内物源丰富，类型齐全。据成因与分布特征，研究区物源分为斜坡松散物源、沟(河道)松散物源及危岩体物源；在三大类范围下，又细分为早贡嘎冰期次堆积物、现代滑坡堆积物、崩塌堆积物等8个亚类。可见，研究区物源类型多，涵盖了泥石流形成的大部分物源类型。磨西河流域内物源主要沿沟谷分布，根据主要物源段的不同实测剖面，对流域内主要物源进行了估算，流域内松散物总储量达408 415×10⁴ m³，松散物源极其丰富，且多数处于不稳定状态或为沟道再启动物质，促成了磨西河泥石流的高频状态并成为堵断大渡河的物质来源。

磨西河泥石流流域地处中高山区，地质与构造复杂，新构造运动强烈，沟谷切割深度大，滑坡、崩塌严重，泥石流沟发育，物源类型全、储量大，具有常规泥石流形成条件，也具备堵河型泥石流形成的独特孕灾背景^[8-14]。这些要素的具备和多因素的耦合机制，造成磨西河泥石流堵断大渡河呈长期性、频发性的特征。

1.2 方法与数据

在试验设计过程中，试验装置是对磨西河与大渡河交汇区按1：500几何相似来构建的沟道模型。主支沟的河床条件(宽度、比降等)及交汇角固定，根据1：500的几何相似比，试验模型支沟宽15 cm，纵坡5%；主沟宽22 cm，纵坡水平；交汇角90°。根据地形图改变沟道流向及竖向宽度(图 3)。

试验用泥石流浆体的配制是在磨西河沟口堆积体上直接取天然泥石流堆积物，根据材料相似比定义以及1：500的相似比缩小用料粒径尺寸，去除2 cm以上卵碎漂石，现场称其质量并计算密度(单位：g/cm³)。要使试验模型及材料与实际完全相似非常困难，实验中采用的实验颗粒粒径范围为0~20 mm，最大限度地模拟了泥石流真实的颗粒级配状况。由于支沟泥石流流量流速难以控制，实验中通过控制主沟流量流速不变，在不同支沟流量流速下进行试验。根据试验设计，模型试验在固定的交汇角、主河纵坡、支沟纵坡的沟道模型试验装置上，开展40组不同粒径、密度、主支沟流速、主支沟流量、输砂总量的条件下堵河试验，得出了40组试验定量数据。主要试验步骤及技术方法如下。

1) 人工挖槽：先进行断面粗糙挖掘，然后按地形图1：500比例缩小构建，再用水泥抹面。

2) 土样选取：在磨西河沟口取样，剔除2 cm以上卵碎漂石，再进行浆体配置(按颗粒级配、密度)。

3) 原型构建：主流先用清水进行启动，利用三角堰控制流量；然后浆体启动，进行堆积形态的测量。若与原型不符，则进行多次试验；若堆积形态相符，则结束试验。如此模型构建成功。

4) 试验过程：主流先用清水进行启动，利用三角堰控制流量，用流速计读取速度；然后泥石流浆体启动，进行测速和测量浆体高度；再进行流量计算，包括水位、堵塞长度和高度的测量；接着摄影和照相，即数据(泥石流密度、起始剪应力、支沟流速和流量、主沟流速和流量、堵河段水位长度、回水长度和高度、溃决历时、输沙总量、冲走量、主支沟纵坡、交汇角)采集工作；最后处理试验记录结果并进行初步分析。单次试验结束^[15-20]。

通过模型试验，得到包括泥石流密度、流速、流量、壅水高度、支沟回水长度、主河回水长度、堵塞体长度、溃决历时、冲走量等23个直接或间接数据。本文选取常规堵河主控因子，包括流速、流量、泥石流密度，以及堵塞程度判别因子--堵塞体长度开展分析，主要参数数据见表 1。

2 结果与分析

根据磨西河泥石流入汇大渡河物理模拟试验，得出泥石流密度、流量比、流速比40组试验数据，观察到了不同条件下形成的堵塞体长度，以及堵断、基本堵断、半堵断、未堵4种堆积现象。根据试验数据，对密度、流量比以及流速比等影响泥石流堵河的关键参数进行分析研究。

2.1 密度

密度是泥石流的重要参数之一，直接反映了泥石流浆体中的土水比和泥石流固体颗粒的组成。密度的增加使得泥石流体堆积区整体性稳定性增强，导致抗河流冲刷能力增大，从而泥石流堵塞可能性增强。

通过回归分析对泥石流密度与堵塞体长度进行线性拟合(图 4)，得出两者之间呈高度正相关的线性关系(判定系数R²=0.731 3)：

式中：L为堵塞体长度，cm；ρ为堵塞体密度，g/cm³。

从密度与堵塞类别关系图(图 5)中可以发现：泥石流密度对堵河模式影响显著，低密度易发生未堵和半堵的形式，而高密度多为基本堵塞或全堵的形式；当密度低于1.78 g/cm³时，基本未发生堵河的3种模式。这是由于低密度泥石流含水含砂强，汇入主河后易于扩散、渗入，未能形成足够的重力势能而形成堰塞体。通过本次物理模拟可知，在堵河单因子判别上，泥石流密度存在堵河临界点，其值为1.78 g/cm³。

2.2 流量比

当支沟泥石流的流量较大时，单位时间内输送到主河的泥沙量较多，形成泥石流堆积的速度很快，更易形成堰塞坝；而主河流量较大时，其坝后冲刷的强度也增大，降低堵塞坝的稳定性，不利于泥石流堵塞坝的完全堵河。主河和支沟的流量表现出一种此消彼长的关系，故采用流量比(泥石流流量比主河流量)进行分析。流量比是影响泥石流堵河的重要参数之一，反映的是支流流量与总流量的比例关系，是影响水位壅高以及交汇区淤积体大小的主要因素。

通过对流量比与堵塞体长度进行线性拟合可得：流量比与堵河的判别存在较好的相关性，对于其他条件相似的情况下，流量比大的容易形成堵江，流量比小时则不容易形成堵江(图 6)。去除实验存在不足导致的误差较大的离散点，得出两者之间呈高度正相关线性关系(R²=0.796 0)：

式中，q为流量比。

由流量比与堵塞类别关系图(图 7)可知：从总体上看，高流量比(支沟泥石流流量大)更易发生泥石流堵河的3种模式；当流量比≥0.3时才产生全堵模式，而且流量比越大，堵河程度越严重。故流量比为0.3是磨西河泥石流堵河临界判别的重要参数临界值。

2.3 流速比

流速比实际上是反映泥石流与主河水流作用强度的参数。当支沟泥石流入汇速度较大时，一方面泥石流有可能直接冲向对岸，将主河堵断；另一方面，由于泥石流的补给速度很快，形成的堵塞坝高度增大得很快，从而可形成完全堵河。而主河流速的增大主要表现在其冲刷能力的增强。流速比实际上是反映泥石流与主河水流作用强度的参数。

通过流速比与堵塞体长度关系图(图 8)可见，流速比与堵塞体长度的关系较为离散，线性回归分析得到的相关性较差。通过流速比与堵塞类别关系图(图 9)可知，流速比在不同的数值上均呈现堵塞的4种方式。因此，流速比与堵河的判别相关性较差，其非影响磨西河堵塞大渡河的关键参数。

2.4 堵河原型分析

通过对密度、流量比、流速比的分析可知，影响磨西河堵断大渡河的主要因素为密度和流量比。当密度高于1.78 g/cm³时，模型试验显示泥石流几乎全部堵断主河；当流量比≥0.3时，模型试验显示出现堵塞形态。据资料显示和实地调查，大渡河磨西段汛期洪峰流量为6 000 m³/s，对应试验的临界流量比，可得出磨西河泥石流临界堵河流量为2 000 m³/s。历史上多次泥石流显示，磨西河泥石流堆积区多为漂卵石为主的稀性泥石流(图 10)，密度值在试验临界值1.78 g/cm³上下摆动，且当磨西河泥石流堆积物为漂卵石混中粗砂、少含水时，密度值往往大于1.78 g/cm³的临界值。

综上，影响磨西河堵断大渡河的主控参数为泥石流密度与流量。当磨西河泥石流流量大于2 000 m³/s，泥石流物质组成为漂卵石混中粗砂、少含水时，磨西河泥石流易发生堵断大渡河的危害，应引起政府和地质灾害观测部门的高度重视。

3 结论与建议

1) 模型试验结果表明：泥石流密度直接影响堵河的严重程度，二者显著正相关，随密度值的增加，泥石流堵河程度越严重，判定系数R²=0.796 0；流量比具有和密度一样的发展趋势，当流量比≥0.3时，将产生全堵模式，且流量比越大，堵河程度越严重；而流速比与堵塞判别相关性差，对堵塞影响程度小，不应作为堵塞判别的关键参数。

2) 据数理分析，影响磨西河泥石流是否堵断大渡河的主要因素为泥石流的密度以及流量比。当密度为1.78 g/cm³、流量比为0.3时，为发生泥石流堵河的临界状态。

3) 结合大渡河历史资料与磨西河泥石流堆积区特征，得出磨西河堵断大渡河的早期识别指标：当磨西河泥石流流量大于2 000 m³/s，泥石流物质组成为漂卵石混中粗砂、少含水时，磨西河泥石流易发生堵断大渡河的危害。

由于磨西河泥石流具有流域面积广、物源类型多样、形成机理复杂等特点，堵河模式判别与早期识别具有很强的偶然性与不确定性。本试验仅模拟磨西河与大渡河交汇区天然沟道来开展物理模拟试验，通过试验数据分析获取泥石流堵河临界点并开展早期识别，并通过两种单因子的临界值进行综合判别，可能存在一定误差，但不失为堵河判别方法的创新，具有一定的实践意义。