黃河上游泥石流發(fā)育特征及危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)——以吳石溝泥石流為例

呂 劍，任光明，王 杰

(地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(成都理工大學(xué))，四川成都 610059)

0 引言

泥石流的形成主要是由地形地貌，物源條件及降雨所決定的。青海黃河上游流域?yàn)闇貛Т箨懶詺夂?，干旱干燥現(xiàn)象明顯，新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈［1］。該區(qū)域受黃河兩側(cè)一級(jí)支流侵蝕、切割強(qiáng)烈，故地形破碎、溝谷眾多［2］。

區(qū)內(nèi)黃土覆蓋面廣闊，由于黃土年代短、時(shí)代新、結(jié)構(gòu)松散［3］，侵蝕現(xiàn)象發(fā)育導(dǎo)致滑坡、崩塌等頻繁發(fā)生，在溝道中形成松散堆積物，在降雨集中的7～8月份極易發(fā)生泥石流，對(duì)下游居民生命財(cái)產(chǎn)及某水電站壩址區(qū)的施工與運(yùn)營具有極大的危害性。據(jù)當(dāng)?shù)鼐用衩枋觯?012年7月9日凌晨3點(diǎn)，當(dāng)?shù)卦┌l(fā)了一次較大泥石流，沖毀了數(shù)個(gè)排導(dǎo)槽及部分民房，故對(duì)流域泥石流進(jìn)行危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)具有重大意義。本文采用灰色理論結(jié)合模糊數(shù)學(xué)理論的方法對(duì)吳石溝進(jìn)行危險(xiǎn)度評(píng)價(jià)，明確判斷各種因素對(duì)泥石流共同作用的目的，得到更切實(shí)際的結(jié)果［4］。

1 泥石流形成條件分析

1.1 地形地貌

吳石溝流域呈“錐子”形(圖1)，流域三面環(huán)山，一面出口，面積約6.2 km2，地勢北西高、南東低，溝口高程約2025 m，相對(duì)高差約875 m，內(nèi)主溝延伸長度為3.87 km。形成流通區(qū)有大量黃土覆蓋，由于黃土抵抗侵蝕能力低，被雨水徑流切割，流域溝壑發(fā)育，垂直節(jié)理發(fā)育，細(xì)溝侵蝕現(xiàn)象明顯。

流域水系發(fā)育，支溝呈樹枝狀展布，主溝較為寬緩，其平均比降為156.3‰，最大達(dá)440.4‰。除主溝外，流域還發(fā)育克什曼溝、大灘溝等5條支溝，支溝溝谷特征見表1，支溝較陡，比降最大可達(dá)269.8‰。因此，流域溝床比降整體呈現(xiàn)出主溝較平緩、支溝較陡的特點(diǎn)。根據(jù)對(duì)我國泥石流溝谷比降統(tǒng)計(jì)的結(jié)果來看，流域支溝溝床比降條件對(duì)泥石流的形成和運(yùn)動(dòng)最為有利，有利于支溝形成泥石流并向主溝匯集，為典型的支溝群發(fā)匯集型泥石流溝谷地形條件。

表1 支溝溝谷地貌特征及比降Table 1 Tributary debris flow’s topographical features and slope

1.2 物源條件

吳石溝流域發(fā)育了大河家-關(guān)灘斷裂(F1)，該斷裂主體走向北西(345°)，傾角70°以上。斷層上盤出露地層為侵入巖，硬質(zhì)巖在干旱環(huán)境下物理風(fēng)化強(qiáng)烈，區(qū)內(nèi)崩塌極為發(fā)育;斷層下盤即泥石流形成流通區(qū)主要被第三系紅層和第四系風(fēng)積黃土所覆蓋(圖1)。由于黃土結(jié)構(gòu)松散，坡表植被覆蓋較少，流水侵蝕和重力侵蝕作用強(qiáng)烈［5-7］，垂直節(jié)理發(fā)育(圖2)在徑流作用下可為泥石流活動(dòng)提供豐富的坡面松散物源及溝床物源，物源主要以坡面侵蝕物源為主(圖3)，經(jīng)過現(xiàn)場統(tǒng)計(jì)流域內(nèi)大型崩塌8處，滑坡3處(圖1)，坡面物源動(dòng)儲(chǔ)量為59.07×104m3，其中坡面侵蝕物源為42.5×104m3，占區(qū)內(nèi)動(dòng)儲(chǔ)量的72%。

圖2 支溝垂直節(jié)理形成的崩塌堆積體Fig．2 The tributary gully vertical joint development

圖3 支溝坡面侵蝕現(xiàn)象Fig．3 Slope erosion in the tributary gully

1.3 降水條件

研究區(qū)屬高原半干旱高寒型氣候區(qū)，常年干旱少雨，地下水不豐富。據(jù)統(tǒng)計(jì)，本區(qū)多年平均降水量373.0 mm，具有明顯的季節(jié)性變化，歷年最大降雨暴雨多集中在6～9月份，尤以7～8月最多，故此時(shí)流域內(nèi)坡面侵蝕現(xiàn)象最為嚴(yán)重。一日最大降水量一般為68.0～88.9 mm，24h最大雨強(qiáng)為142.5 mm，高強(qiáng)度的降雨為泥石流的形成提供了足夠的水動(dòng)力條件，且暴雨主要發(fā)生在傍晚或夜間，使泥石流的暴發(fā)具有很強(qiáng)的突然性。

2 泥石流成災(zāi)機(jī)理分析

泥石流的啟動(dòng)方式主要是由于暴雨過程形成的斜坡表層徑流導(dǎo)致懸掛于斜坡上的滑坡體表面和前緣松散物質(zhì)向下輸移，進(jìn)入溝道后轉(zhuǎn)為泥石流的過程［8］。吳石溝流域內(nèi)匯集了五條小型泥石流支溝，為典型的支溝群發(fā)匯集型泥石流，其具體過程分為3個(gè)部分。

(1)支溝泥石流啟動(dòng)階段。吳石溝流域大部分支溝后緣位于流域的清水區(qū)侵入巖出露地區(qū)，以比降大且狹窄的“V”型谷為主(圖4)。由于地形高差大，比降大，溝谷狹窄，水在高勢能的情況下產(chǎn)生強(qiáng)侵蝕性［9］。F1斷層附近，在地質(zhì)構(gòu)造和強(qiáng)侵蝕性共同作用下，岸坡形成多處大規(guī)模的坍塌及滑坡，產(chǎn)生碎石及崩坡堆積物堆積在溝道中。形成流通區(qū)內(nèi)黃土在降雨和流水作用下發(fā)生水蝕和重力侵蝕及交織在一起的混合侵蝕下，在地表徑流作用下大量黃土被搬運(yùn)至溝道形成松散堆積，為泥石流提供了大量物源。當(dāng)暴雨強(qiáng)度達(dá)到一定程度，支溝泥石流啟動(dòng)。

圖4 支溝“V”型谷Fig．4 V-shaped valley

(2)支溝群發(fā)匯集于主溝階段。在暴雨集中的情況下，巖土體質(zhì)量明顯降低，支溝上游產(chǎn)生的溝道徑流導(dǎo)致水流迅速集中，具有明顯的“消防水管效應(yīng)”。由于溝道狹窄，不利于塊碎石的搬運(yùn)，部分塊碎石堆積在溝道形成跌水坎(圖5)，增加了泥石流的動(dòng)能。隨著泥石流快速向下游搬運(yùn)堆積于溝道中的小粒徑塊碎石及松散的黃土堆積，下切侵蝕作用加強(qiáng)，在下切深度增加的情況下泥石流的流量也隨之增大。支溝泥石流匯入主溝，在交匯處形成黃土堆積扇(圖6)或松散堆積體。

圖5 克什曼溝中下游泥痕Fig．5 The mud crack at the lower and middle reaches of Keshiman gully

(3)主溝泥石流輸移階段。主溝溝道較為寬緩，隨著支溝泥石流的發(fā)生并匯集于主溝，對(duì)主溝泥石流的流量進(jìn)行補(bǔ)充并有一定的加速疊加效果。在支溝泥石流的不斷匯入過程中，不斷對(duì)岸坡進(jìn)行側(cè)蝕、下切侵蝕、掏空侵蝕造成岸坡的失穩(wěn)同時(shí)也加速了坡面侵蝕，源源不斷的泥沙被多次搬運(yùn)至下游。由于主溝較為直順寬緩，沒有太多大角度的拐彎，在支溝泥石流的匯集帶動(dòng)下，主溝泥石流的流速達(dá)到了4.07 m/s，流量達(dá)到了168.83 m3/s，整體沖擊力達(dá)到了35.32 kPa。泥沙及部分小粒徑碎石經(jīng)多次搬運(yùn)做長距離的輸移、堆積、再輸移，直至匯入鮑家溝。

3 泥石流成災(zāi)特征研究

3.1 泥石流活動(dòng)特征分析

吳石溝流域上游溝谷狹窄、溝床坡度相對(duì)較大，溝床內(nèi)泥石流堆積物相對(duì)較少;流域中下游溝道整體較寬緩，泥石流堆積物在堆積區(qū)以及形成流通區(qū)的寬谷段廣泛分布，寬緩溝段及溝口區(qū)最多。流域支溝克什曼溝中下游明顯保留了兩期泥痕(圖5)，新近期厚度最大，說明支溝泥石流的近期活動(dòng)性強(qiáng)烈。通過對(duì)支溝溝口堆積扇(圖6)的調(diào)查發(fā)現(xiàn)其發(fā)育逐步擠壓主河，新老扇疊置不明顯，結(jié)合區(qū)內(nèi)地形地貌及物源條件分析，在一定規(guī)模的高強(qiáng)降雨情況下有支溝隨時(shí)可能暴發(fā)泥石流。

主溝下游泥痕可見明顯見到三次泥石流活動(dòng)的堆積物，受后期洪水泥石流活動(dòng)沖刷，溝床左側(cè)各次泥石流堆積物呈臺(tái)階狀堆積序列(圖7)。通過現(xiàn)場調(diào)查，發(fā)現(xiàn)其中最早一期的泥石流堆積物厚度最大，活動(dòng)最強(qiáng)烈，近期泥石流活動(dòng)較弱，各次泥石流規(guī)模有減小的趨勢。通過對(duì)泥痕坡面的觀察，其具有明顯的石線構(gòu)造，延伸距離達(dá)到了幾十米，為稀性泥石流的典型宏觀構(gòu)造。通過支溝泥痕厚度和主溝泥痕厚度的對(duì)比可以看出支溝泥石流較主溝更為活躍。

圖6 支溝與主溝交匯處的堆積扇Fig．6 Debris flow fan in the tributary and main ditch

圖7 主溝下游泥痕Fig．7 The mud crack at the lower reaches of the main gully

3.2 泥石流堆積物特征

泥石流的粒度特征能充分反映泥石流的搬運(yùn)介質(zhì)和運(yùn)動(dòng)方式的特點(diǎn)。利用現(xiàn)場采集的試樣，對(duì)吳石溝泥石流的不同位置、不同期次的堆積物顆粒特征做出分析，其中＞2 mm的顆粒含量為80.05% ～92.32%，＜2 mm的顆粒含量為7.68% ～19.95%，可以看出隨著溝底高程的降低，從上游往下游泥石流堆積物厚度、寬度逐漸增大，從堆積物成分來看泥質(zhì)、沙質(zhì)含量逐漸增多，塊石粒徑逐漸減小，級(jí)配逐漸變差，大塊石搬運(yùn)距離有限，而小塊石和泥沙則一次搬運(yùn)距離較長，進(jìn)而形成了泥包石(圖8)。

對(duì)堆積物顆分試驗(yàn)后粒徑小于2 mm的細(xì)顆粒物質(zhì)進(jìn)行比重試驗(yàn)，獲得吳石溝泥石流的堆積物的比重為2.72。這里采用水土比法換算泥石流容重，水土比值取6.7∶3.3，獲得的泥石流容重平均值為1.568 t/m3。根據(jù)獲得的容重、物質(zhì)組成和粒徑特征判定吳石溝泥石流為稀性、水石流類。稀性泥石流整體運(yùn)動(dòng)力差，固相和液相物質(zhì)速度不一致，泥沙和小粒徑塊石在運(yùn)輸過程中形成含沙水流向下輸移，呈液相，一次運(yùn)輸距離遠(yuǎn);而大粒徑的塊碎石則呈固相，搬運(yùn)距離近且不利于多次搬運(yùn)，所以在下游只能見到小粒徑的泥包石。

圖8 下游溝床中堆積的“泥包石”Fig．8 stones coated by mud at the lower reaches of the main gully

4 泥石流危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)

4.1 因子權(quán)重確定

本文選取平均比降、流域面積、相對(duì)高差、主溝長度、松散堆積物儲(chǔ)量及24 h最大降雨量作為主要因子，運(yùn)用灰色理論作關(guān)聯(lián)度分析。其灰色系統(tǒng)理論充分利用系統(tǒng)中已經(jīng)掌握了的信息去解決只掌握了的部分信息，首先應(yīng)對(duì)各因子序列數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，再使用均值變換，使之化為數(shù)量級(jí)大體相近的無量綱數(shù)據(jù);先計(jì)算出序列差，在此基礎(chǔ)上求出兩極最大差和最小差，得到關(guān)聯(lián)系數(shù)。最終運(yùn)用公式(1)得到各因子關(guān)聯(lián)度，根據(jù)關(guān)聯(lián)度計(jì)算結(jié)果，可得到各因子對(duì)危險(xiǎn)度的影響程度。

對(duì)吳石溝泥石流的因子作關(guān)聯(lián)度分析時(shí)，采用了青海省黃河流域部分泥石流溝的具體特征參數(shù)(表2)。

表2 黃河上游地區(qū)泥石流溝特征參數(shù)Table 2 Characteristic parameters of the Yellow River upstream flow gully region

計(jì)算后得出各因子與主導(dǎo)因子的關(guān)聯(lián)度如下:

據(jù)關(guān)聯(lián)度計(jì)算結(jié)果，可得到各因子對(duì)危險(xiǎn)度的影響程度依次為:泥石流溝平均比降＞相對(duì)高差＞24 h最大降水＞主溝長度＞流域面積＞松散物儲(chǔ)量，按此順序，將關(guān)聯(lián)度確定為各因素的權(quán)重，并將權(quán)重進(jìn)行歸一化處理見表3。

表3 泥石流各因子權(quán)重表Table 3 Weight values of debris flow hazard assessment index

4.2 泥石流危險(xiǎn)性等級(jí)

目前國內(nèi)對(duì)泥石流危險(xiǎn)度的劃分主要為四級(jí)(表4)。因此，吳石溝泥石流的危險(xiǎn)性劃分也采用四級(jí)邏輯判定，即Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ級(jí)，因此評(píng)價(jià)集V=(V1，V2，V3，V4)=(Ⅰ級(jí)、Ⅱ級(jí)、Ⅲ級(jí)、Ⅳ級(jí))=(無危險(xiǎn)，輕微危險(xiǎn)，中等危險(xiǎn)，高度危險(xiǎn))，其中各因子采用的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)見表5。

4.3 危險(xiǎn)性模糊評(píng)價(jià)方法

模糊綜合判別法就是用模糊數(shù)學(xué)的方法來進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，該方法首先考慮了單個(gè)因子對(duì)危險(xiǎn)度等級(jí)的影響，再綜合考慮每個(gè)因子的影響作用，應(yīng)用模糊變換原理的最大隸屬原則最后確定危險(xiǎn)度等級(jí)的最終歸屬。

表4 泥石流危險(xiǎn)等級(jí)與泥石流活動(dòng)特點(diǎn)Table 2 Debris flow hazard evaluation grades and flow characteristics

表5 泥石流危險(xiǎn)度因子評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)Table 5 Values of debris flow hazard assessment index

選取的6個(gè)泥石流危險(xiǎn)度劃分的主要關(guān)聯(lián)因子中溝谷平均比降為主導(dǎo)因子。建立因子集合U為:

={泥石流溝平均縱比降，……，年平均降水量}設(shè)對(duì)因素的權(quán)重分配為U上的模糊子集A，記為:

式中:ai為第i個(gè)因素ui所對(duì)應(yīng)的權(quán)，且一般均規(guī)定:

對(duì)第i個(gè)因素的單因素模糊評(píng)判為V上的模糊子集:

于是單因素評(píng)判矩陣R為:

則對(duì)該評(píng)判對(duì)象的模糊綜合評(píng)判B是U上的模糊子集(表6)。

表6 吳石溝泥石流單因素評(píng)判矩陣Table 6 The single factor evaluation matrix of debris flow

利用最大隸屬度原則確定泥石流溝的危險(xiǎn)性。

4.4 危險(xiǎn)性模糊評(píng)價(jià)結(jié)果

5 結(jié)論

吳石溝為黃河上游典型泥石流，以坡面侵蝕物源為主;流域擁有數(shù)條支溝，匯流條件好，隨著降雨的持續(xù)，支溝暴發(fā)泥石流匯集于主溝，侵蝕量增大，為泥石流提供更多的松散物源。泥石流堆積物主要以碎塊石和泥沙為主，結(jié)構(gòu)松散，容重高，粗顆粒多，判斷吳石溝為稀性、水石流類泥石流，支溝泥石流較主溝泥石流活躍，物源經(jīng)過多次輸移向下游長距離輸送，對(duì)下游工程具有極大的危害。本文采用灰色關(guān)聯(lián)法結(jié)合模糊數(shù)學(xué)理論進(jìn)行泥石流危險(xiǎn)性分析，吳石溝處于中度危險(xiǎn)，有可能發(fā)生大規(guī)模的泥石流。

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