安化縣澄坪村“7·16”泥石流形成機(jī)理及其動(dòng)力學(xué)特征

裴來(lái)政, 譚建民, 李 明, 閆舉生

(中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局 武漢地質(zhì)調(diào)查中心, 湖北 武漢 430205)

2014年7月14日8時(shí)，湖南省益陽(yáng)市安化縣各地開(kāi)始普降暴雨，至7月16日9時(shí)，全縣23個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)累計(jì)降雨量均在150 mm以上，其中馬路鎮(zhèn)降雨量高達(dá)475 mm。由于受長(zhǎng)時(shí)間暴雨的影響和激發(fā)作用，馬路鎮(zhèn)澄坪村梨樹坪組讓家溝左側(cè)滑坡失穩(wěn)滑入并堵斷溝道，并在短時(shí)間內(nèi)形成堰塞湖。7月16日凌晨7：00左右，由于長(zhǎng)時(shí)間的暴雨侵襲，且該溝道溝谷深切，溝床坡降大，由滑坡松散堆積物形成的堰塞湖突然潰決，并形成了強(qiáng)大的泥石流。泥石流沿溝道順流而下，將原溝道內(nèi)松散物質(zhì)及溝道兩側(cè)坡積物一起從溝口快速?zèng)_出，并毀壞溝口附近的3座由塊石砌成的攔砂壩，沖出溝口的泥石流物質(zhì)約4.00×104m3。該次泥石流災(zāi)害共造成4棟房屋被掩埋，3人失蹤，沖毀農(nóng)作物0.67 hm2，損毀公路路基100 m，直接經(jīng)濟(jì)損失數(shù)百萬(wàn)元。該泥石流屬于典型的溝谷堵潰式泥石流，有關(guān)該類泥石流的形成機(jī)制與成災(zāi)特征，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的探索和研究：尤其是汶川地震以后，形成了大量的松散固體堆積物，在山洪沖刷作用下容易起動(dòng)并形成泥石流；并且汶川地震誘發(fā)了大量的崩塌，滑坡等松散物質(zhì)堵塞溝道，在眾多山區(qū)溝道中形成了大量串珠狀分布的堵塞壩[1-3]，這些堵塞體對(duì)泥石流的運(yùn)動(dòng)具有明顯的阻塞作用，且一旦發(fā)生潰決，峰值流量便會(huì)激增，大大增強(qiáng)泥石流沿程的沖刷和侵蝕能力，放大了泥石流峰值流量規(guī)模[4-6]。針對(duì)一些典型的泥石流溝道，國(guó)內(nèi)外學(xué)者通過(guò)多種研究手段相結(jié)合，對(duì)規(guī)模放大現(xiàn)象進(jìn)行了詳細(xì)的分析，如都江堰虹口大干溝泥石[7]，桃關(guān)溝泥石流[8]以及蘇保河流域泥石流等[9]。通過(guò)對(duì)這些典型的泥石流災(zāi)害進(jìn)行分析，初步提出了泥石流溝道側(cè)岸的坡積物堵潰過(guò)程對(duì)泥石流放大效應(yīng)，也即“堵塞系數(shù)”的明顯影響。安化縣澄坪村“7·16”泥石流災(zāi)害也是一次典型溝谷堵潰式泥石流。災(zāi)害發(fā)生后，筆者所在的研究小組對(duì)該泥石流災(zāi)害進(jìn)行了詳細(xì)的野外調(diào)查，獲取了大量的實(shí)測(cè)資料。本文擬以該泥石流溝為典型案例，對(duì)溝谷堵潰型泥石流的孕災(zāi)條件，成災(zāi)模式以及動(dòng)力學(xué)過(guò)程進(jìn)行詳細(xì)的分析計(jì)算，從而為該類泥石流的防災(zāi)減災(zāi)提供科學(xué)指導(dǎo)。

1 孕災(zāi)條件分析

泥石流的形成必須具備3個(gè)基本條件： ①陡峻的地形地貌； ②豐富的物源補(bǔ)給； ③強(qiáng)降雨的觸發(fā)，3個(gè)條件缺一不可[10]。而澄坪泥石流溝位于湖南省安化縣馬路鎮(zhèn)澄坪村梨樹坪組，小流域的溝口坐標(biāo)為東經(jīng)110°55′51″,北緯28°16′19″，該溝所在區(qū)屬構(gòu)造侵蝕中低山區(qū)。下面分別從這3個(gè)方面，分析澄坪泥石流的孕災(zāi)條件。

1.1 地形地貌

整個(gè)小流域呈“銀杏葉”狀展布，流域總面積為0.49 km2。流域上部發(fā)育了兩條支溝，其中右側(cè)支溝長(zhǎng)0.93 km，左側(cè)支溝長(zhǎng)1.01 km。流域塬區(qū)最高點(diǎn)海拔為664 m，溝口最低點(diǎn)海拔為275 m，溝床平均比降為0.38，其中右側(cè)支溝溝床平均比降為0.36，左側(cè)支溝平均溝床比降為0.43。兩支溝的溝道下切侵蝕嚴(yán)重，兩側(cè)岸坡的平均坡度在45°以上，為典型的V字形溝道。根據(jù)泥石流形成過(guò)程中地貌單元的功能劃分，可將該泥石流溝道劃分成泥石流形成區(qū)、流通區(qū)和堆積區(qū)(圖1)。流域上部的2條支溝在形成區(qū)的末端匯合，形成區(qū)擁有相對(duì)較大的匯流面積和坡度，為泥石流的形成和運(yùn)動(dòng)提供了良好的水動(dòng)力條件；流通區(qū)溝道的溝床比降為0.36，溝道平均寬度7.5 m。堆積區(qū)呈一個(gè)長(zhǎng)152 m，寬85 m的三角區(qū)域，平均溝床比降為0.21。

1.2 地層巖性

該流域位于蘇木溪逆斷層的上盤，該泥石流溝溝口附近為該斷層通過(guò)處，斷層破碎帶內(nèi)巖體節(jié)理發(fā)育密集，揉皺發(fā)育，產(chǎn)狀紊亂，巖體破碎。其中震旦系南沱組(Zn)灰色含礫泥板巖及含礫粉砂質(zhì)板巖中主要發(fā)育兩組節(jié)理裂隙: 340∠60°； ②40∠50°。該溝所在區(qū)域出露的地層主要有震旦系南沱組(Zn)灰色含礫泥巖、泥質(zhì)板巖及含礫粉砂質(zhì)板巖、震旦系觀音田和鶴嶺組(Zg+h)灰綠色石英砂巖及黑色炭質(zhì)板巖、青白口系五強(qiáng)溪組(Ptw)灰色石英砂巖、砂質(zhì)板巖和青白口系馬底驛組(Ptm)灰綠色條帶狀板巖、粉砂質(zhì)板巖。巖體表層強(qiáng)風(fēng)化厚度3～5 m，強(qiáng)度低。巖體內(nèi)節(jié)理裂隙發(fā)育密集，巖體被節(jié)理裂隙和層面相互切割成塊狀，易沿優(yōu)勢(shì)節(jié)理裂隙面發(fā)生滑塌。引發(fā)此次潰決性泥石流災(zāi)害的滑坡發(fā)生于震旦系南沱組(Zn)地層中，該地層為區(qū)域上的易滑坡地層，2014年7月16日安化縣馬路鎮(zhèn)唐家溪滑坡就發(fā)育于此地層中。

1.3 氣象水文

該泥石流溝道所在的澄坪村位于中緯度地帶，氣候溫和濕潤(rùn)，四季分明，屬湖南省暴雨中心和低溫中心區(qū)之一，且年內(nèi)和年際降雨均呈現(xiàn)出極大的不均勻性。根據(jù)距離流域最近的氣象站降雨資料統(tǒng)計(jì)顯示，該地區(qū)年均降水量為1 672.9 mm，其中年最小降水量1 224.2 mm，年最大降水量2 440 mm，日最大降水量260 mm，時(shí)最大降水量61.9 mm,10 min最大降水量30.5 mm,多年年均降水日172 d。2014年7月14日8：00開(kāi)始，安化縣各地普降暴雨，截止16日9:00，全縣23個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)降雨量均在150 mm以上，其中仙溪鎮(zhèn)、長(zhǎng)塘鎮(zhèn)、大福鎮(zhèn)、滔溪鎮(zhèn)、江南鎮(zhèn)、田莊鄉(xiāng)、東坪鎮(zhèn)、馬路鎮(zhèn)、奎溪鎮(zhèn)、渠江鎮(zhèn)、南金鄉(xiāng)、古樓鄉(xiāng)等12鄉(xiāng)鎮(zhèn)降雨達(dá)300 mm以上，馬路鎮(zhèn)降雨高達(dá)475 mm。山區(qū)極易形成極端的小氣候區(qū)域，局部常發(fā)生百年一遇的大暴雨。總體看來(lái)，流域的年降雨量豐富且年內(nèi)和年際分布非常不均，極有可能遭遇極端降雨條件，這為泥石流的發(fā)生提供了良好的水動(dòng)力條件。

2 泥石流成因機(jī)理分析

該溝是一條老泥石流溝，曾多次發(fā)生泥石流災(zāi)害，但當(dāng)規(guī)模較小，未造成大的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。據(jù)當(dāng)?shù)卮迕窠榻B，2012年6月該溝就曾發(fā)生過(guò)一次泥石流，但未造成人員傷亡?？紤]了溝口居民的安全，2013年當(dāng)?shù)卣谠摐舷掠斡脡K石修砌了3座攔砂壩，攔砂壩的具體位置如圖1所示。2014年7月14日8時(shí)開(kāi)始，安化縣各地普降暴雨，而其中澄坪村在7月14日至7月16日期間的降雨高達(dá)419.6 mm。受長(zhǎng)時(shí)間的暴雨影響和激發(fā)作用，2014年7月16日凌晨7：00左右，滑坡發(fā)生后幾分鐘后隨即潰決形成泥石流。在該溝溝內(nèi)左側(cè)斜坡體上Zn地層中灰色含礫泥質(zhì)板巖發(fā)生沿節(jié)理裂隙的滑坡。如圖1所示，整個(gè)滑坡體大致呈四面體形態(tài)，已滑滑坡物源寬約70 m，斜長(zhǎng)約150 m，平均厚約5 m，方量約52 000 m3。初步計(jì)算該滑坡體的總方量約5.2×104m3，滑坡物質(zhì)滑入溝道后迅速堵斷溝道，并形成了一個(gè)小型堰塞壩。由于降雨強(qiáng)度較大，且溝床坡將大，上游匯流區(qū)短時(shí)間內(nèi)便形成了大流量、高流速的山洪，上游來(lái)流強(qiáng)烈深切壩體，由滑坡松散堆積物形成堰塞壩迅速潰決，形成強(qiáng)大的潰決泥石流后直接沖擊下游的三道攔砂壩。

圖1 澄坪村泥石流的滑坡物源及堆積區(qū)

據(jù)災(zāi)后調(diào)查發(fā)現(xiàn)，本次泥石流災(zāi)害使1和2號(hào)攔擋壩基本破壞，壩基已明顯出露，且壩體已出現(xiàn)破損(圖1)，3號(hào)攔擋壩完全於滿，已失去攔擋能力。泥石流越過(guò)三道攔砂壩，沿程進(jìn)一步?jīng)_刷溝床及溝道兩側(cè)的松散物源，沖出溝口并形成了約4.00×104m3的堆積區(qū)(圖1)。

結(jié)合本次野外調(diào)查以及相關(guān)資料的整理查閱，初步判定澄坪泥石流的成因機(jī)理主要包括以下3個(gè)方面： ①流域地質(zhì)條件為泥石流的形成奠定了物質(zhì)基礎(chǔ)。據(jù)調(diào)查，溝道兩側(cè)斜坡的巖體主要是由易風(fēng)化和遇水易崩解的含礫泥巖、泥質(zhì)板巖組成；另外受區(qū)域構(gòu)造作用的影響，巖體內(nèi)節(jié)理裂隙發(fā)育非常密集，巖體十分破碎，在重力和水力雙重侵蝕作用下，極易發(fā)生滑移破壞，形成滑坡堆積物，如本次形成區(qū)的滑坡以及溝道流通區(qū)段豐富的固體物源，這為泥石流的發(fā)生奠定了物質(zhì)基礎(chǔ)。 ②流域地貌條件為泥石流的發(fā)生提供了良好的動(dòng)力條件。該泥石流溝的平均溝床比降高達(dá)0.38，且流域上部有充裕的匯水面積，使得在極端降雨條件下，流域匯水區(qū)能夠在短時(shí)間內(nèi)形成大流量，高流速的山洪，是泥石流形成的良好驅(qū)動(dòng)力。 ③流域年降雨量豐富且常發(fā)生極端降雨情況，為泥石流的爆發(fā)提供了良好的激發(fā)條件。極端降雨條件下，一方面能夠形成高強(qiáng)度的洪水，為泥石流的發(fā)生提供動(dòng)力條件；另一方面，使得溝道兩側(cè)極易誘發(fā)規(guī)模不等的崩滑體，更加豐富泥石流的物源，從而激發(fā)大規(guī)模的泥石流災(zāi)害。

3 泥石流力學(xué)特征分析

通過(guò)詳細(xì)的野外災(zāi)害調(diào)查，對(duì)本次泥石流災(zāi)害的動(dòng)力學(xué)參數(shù)進(jìn)行了初步的分析與計(jì)算，可為該泥石流溝道后續(xù)的防災(zāi)減災(zāi)規(guī)劃和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)提供科學(xué)參考。

3.1 泥石流顆粒級(jí)配與容重

筆者在該泥石流溝道下游的堆積區(qū)取到了兩個(gè)未被后續(xù)山洪災(zāi)害沖刷的泥石流樣，并得到了如下的堆積區(qū)泥石流樣品的級(jí)配曲線(圖2)。有關(guān)泥石流容重的確定，本文采用了泥石流容重現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試方法[11]。筆者在本次野外調(diào)查過(guò)程中，取3份泥石流原狀堆積物加水并充分?jǐn)嚢璩赡嗍鳂悠?，然后由?dāng)?shù)啬繐粽哞b別，經(jīng)見(jiàn)證者確認(rèn)其濃度后，稱取重量，測(cè)量體積，獲得配置泥石流樣品的容重，并3次求取平均值。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，澄坪泥石流的容重均為1.85 g/cm3，屬于過(guò)渡性泥石流。

圖2 澄坪村泥石流的滑坡物源及堆積區(qū)

3.2 泥石流峰值流速和流量

有關(guān)泥石流峰值流速和流量的計(jì)算常用的方法有形態(tài)調(diào)查法和雨洪法兩種[5]。形態(tài)調(diào)查法根據(jù)野外現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的泥痕斷面，首先計(jì)算泥石流的峰值流速，計(jì)算公式為[12]：

(1)

式中：VC——泥石流斷面平均流速(m/s)；nc——泥石流溝床糙率系數(shù)；RC——計(jì)算斷面的水力半徑(m)；J——溝床比降。計(jì)算流量后，可進(jìn)一步計(jì)算該次泥石流的峰值流量，計(jì)算公式為：

QC=A·VC

(2)

式中：A——泥石流過(guò)流斷面面積(m3)。

由于該次泥石流災(zāi)害過(guò)程中，上游存在著滑坡形成堰塞湖的堵潰效應(yīng)，1號(hào)和2號(hào)攔砂壩基本破壞也可能在一定程度上放大泥石流峰值流量的規(guī)模，另外3號(hào)攔砂壩在填庫(kù)的過(guò)程中可能會(huì)對(duì)峰值流量存在削峰的作用。因此，筆者在1號(hào)攔砂壩的上游，2號(hào)攔砂壩和3號(hào)攔砂壩之間以及3號(hào)攔砂壩的下游分別實(shí)測(cè)了泥痕高度、斷面形態(tài)及尺寸，然后根據(jù)公式(1)—(2) 分別計(jì)算3個(gè)不同位置斷面時(shí)的泥石流峰值流速和流量，從而反映出泥石流峰值流量的沿程變化，計(jì)算結(jié)果詳見(jiàn)表1。通過(guò)上述對(duì)峰值流量的計(jì)算可以看出，在上游滑坡形成的堰塞湖潰決后，形成了一個(gè)較大的潰決流量，其峰值達(dá)到了54.52 m3/s；隨后泥石流迅速?zèng)_潰了下游的1和2號(hào)攔砂壩，在攔砂壩的堵潰過(guò)程中，泥石流的流量被進(jìn)一步放大，其峰值更是高達(dá)190.65 m3/s；再接著泥石流進(jìn)入3號(hào)攔砂壩，3號(hào)壩體發(fā)揮了“填庫(kù)削峰”的作用，泥石流的峰值流量急劇降低，越過(guò)3號(hào)攔砂壩之后的泥石流峰值流量達(dá)到了75.96 m3/s。

表1 斷面形態(tài)特征及泥石流峰值流速和流量

4 結(jié) 論

(1) 該流域的地形地貌，地層巖性以及氣象水文條件為泥石流的發(fā)生提供了絕佳的孕災(zāi)條件。流域地質(zhì)條件為泥石流的形成奠定了物質(zhì)基礎(chǔ)；地貌條件為泥石流的發(fā)生提供了良好的動(dòng)力條件；降雨量豐富且常發(fā)生極端降雨情況，為泥石流的爆發(fā)提供了良好的激發(fā)條件。

(2) 在泥石流的形成及運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，在溝道內(nèi)斜坡體上發(fā)生滑坡，堵斷溝道形成短時(shí)的堰塞壩，然后洪水造成堰塞壩潰決，形成潰決型泥石流；溝口修建的3座攔砂壩中前兩道堵塞壩完全破壞，在“堵潰過(guò)程”進(jìn)一步放大了泥石流的危害效應(yīng)，此次泥石流是一次典型的滑坡災(zāi)害轉(zhuǎn)換成泥石流的災(zāi)害鏈。

另外，在本次調(diào)查中，初步估算溝道中還存在約10 000 m3的松散固體物質(zhì)，2015年6—8月期間發(fā)生過(guò)3～4次泥石流，但因規(guī)模較小，且溝口村民已搬遷，未造成大的經(jīng)濟(jì)損失。今后進(jìn)一步發(fā)生泥石流災(zāi)害的可能性非常大。因此，筆者建議對(duì)該流域進(jìn)行進(jìn)一步的勘查，查清滑坡處固體物質(zhì)儲(chǔ)量，查清溝谷兩岸斜坡穩(wěn)定狀態(tài)，對(duì)溝道內(nèi)潛在不穩(wěn)定區(qū)域采用工程技術(shù)手段，穩(wěn)固物源；針對(duì)物質(zhì)儲(chǔ)量設(shè)計(jì)溝口排導(dǎo)溝及攔砂壩，逐級(jí)減少物質(zhì)出溝量，對(duì)上游坡體進(jìn)行植被恢復(fù)，設(shè)置截排水溝減少地表水對(duì)坡體及溝壁的沖刷，并加強(qiáng)群測(cè)群防工作，減少災(zāi)害損失。