鄱陽湖流域暴雨型泥石流形成機制與動力特征
——以江西修水縣盧莊溝泥石流為例

甘建軍，袁良澮，李 明，唐 春，顏 龍

(1．鄱陽湖流域水工程安全與資源高效利用國家地方聯(lián)合工程實驗室，南昌工程學院，江西 南昌330099；2.江西省勘察設計研究院,江西 南昌 330000)

鄱陽湖流域暴雨型泥石流形成機制與動力特征
——以江西修水縣盧莊溝泥石流為例

甘建軍1，袁良澮2，李 明2，唐 春1，顏 龍1

(1．鄱陽湖流域水工程安全與資源高效利用國家地方聯(lián)合工程實驗室，南昌工程學院，江西 南昌330099；2.江西省勘察設計研究院,江西 南昌 330000)

對鄱陽湖流域暴雨型泥石流形成機制與動力特征進行研究，旨在為此類山洪災害防治及流域水工程安全提供借鑒。以江西省修水縣盧莊溝暴雨型泥石流為例，通過現(xiàn)場調查和室內試驗，對其發(fā)育特征及動力學特征進行分析。研究結果揭示該泥石流長6.25 km，流域面積4.27 km2，物源62.46萬km3，主溝坡降大(524.1‰)，高差約1 160 m地形易于匯水且泥石流動力足。江西省修水縣盧莊溝泥石流形成機制和動力特征可總結為：暴雨-滑坡-松散堆積體搬運-老泥石流溝沖刷復活-泥石流形成。

鄱陽湖流域；泥石流；形成機制；動力特征；盧莊溝；江西省修水縣

鄱陽湖流域面積約16.22萬m2，包括“五江一湖”，即贛江、撫河、饒河、信河、修水五大河流及鄱陽湖，在此流域內匯集了3 700多條流域面積超過10 km2的支流。這些河流經過歷史的演變形成構造完整的水流切割地貌，特別是在鄱陽湖盆地周邊與山區(qū)接壤的中低山地區(qū)，地形地貌復雜，構造作用較強烈，極端降雨頻繁，形成了眾多崩滑流松散堆積體。這些豐富的松散崩坡積物為流域泥石流提供了充足的物源，極易發(fā)生山洪泥石流災害。1998年，江西銅鼓縣塔下村泥石流毀房15幢，農林約14 hm2；2008年，江西宜春上洞村泥石流毀房3棟，死亡5人；2010年，流域內發(fā)生泥石流47起。2015年，流域內又發(fā)生泥石流24起，因災死亡12人，直接經濟損失超過8 500萬元；其中，位于流域西北方的修水縣盧莊溝歷史上曾經3次改道，為多發(fā)性泥石流溝，其泥石流形成機制具有代表意義[1]。

2011年6月10日，在局地短歷時強降雨的誘發(fā)下，江西修水縣盧莊村平石寺-黃龍山區(qū)域暴發(fā)了大型泥石流，沖出方量25.13萬m3，摧毀農田17 hm2，沖毀公路橋梁3座、人行橋5座、公路5 km、河堤3 km、水堰26座，損毀當?shù)鼐用?9間房屋，直接經濟損失1 081萬元。

1 研究區(qū)概況

盧莊村泥石流溝位于江西省與湖北省、湖南省交界的九江市修水縣黃龍鄉(xiāng)盧莊村黃龍山南東面溝谷，屬于鄱陽湖流域的修水流域。區(qū)內發(fā)育泥石流多條支溝，呈樹枝分叉狀，支溝平?？v坡較大，流量較小，一旦發(fā)生特大暴雨和連續(xù)降雨，溝內水流會呈陡漲陡落的山溪性運動特性。該區(qū)屬于深切割構造侵蝕中低山和低山丘陵地貌，區(qū)內最高山黃龍山高1 506 m，泥石流溝口鄧坊高程310 m，主溝相對高差1 196 m。區(qū)內羅家(500 m)以上的溝域，以坡度35°～60°的陡坡地貌為主，岸坡植物生產較茂盛，地形圈椅狀，有利于匯水。羅家(500m)以下溝域兩岸為相對平緩的種植地(圖1)。

圖1 江西修水縣盧莊溝流域及分區(qū)示意圖

研究區(qū)位于華東新華夏系第二隆起帶西側，淮陽山字型構造南側，坐落于九嶺山-萬洋山新華夏復式隆起帶、贛北東西向構造帶及北東向構造帶的交叉部位。區(qū)內巖層受老構造運動擠壓變形，巖層中褶皺、褶曲等次生構造較為發(fā)育，致使巖石破碎，裂隙發(fā)育，為泥石流的發(fā)育及發(fā)生提供了有利的地質條件。

鄱陽湖流域擁有山地溝谷面積超過6.0萬 km2,約占全省總面積的36%，流域內自1950年代以來發(fā)育的3 329條泥石流主要分布在“五江一湖”流經的修水、廬山、武夷山中北段、羅霄山、九嶺山及懷玉山等中低山區(qū)支溝兩側，給當?shù)鼐用裆敭a、生產及生活造成較大的威脅。流域兩側山體多為花崗巖化的紅粘土，受溝谷沖刷或沖刷作用，物源多為崩滑巖土體(約占81.63)。區(qū)內溝谷多呈“V”形，谷坡坡度在30°～70°，其形態(tài)極有利于雨水的匯集。鄱陽湖流域從規(guī)模上分，中型、小型泥石流分占17.47%、80.32%，溝谷型泥石流約占總數(shù)的52.57%；從時間看，雨季(4-9月)發(fā)生的泥石流約占總數(shù)的97.78%；從物性上分，稀性泥石流約占總數(shù)的87.2%。2011年6月10日爆發(fā)的盧莊溝泥石流具有典型中低山溝谷性暴雨型泥石流特征，因此，選取該溝作為研究對象具有較好的代表性[2]。

2 流域暴雨型泥石流的形成條件

2.1 形成區(qū)的基本特征

2.2 流通區(qū)的基本特征

流通區(qū)由平石寺至盧莊村，高程530～850 m，呈“U”型溝谷地貌。區(qū)域內溝長1.53 km，首尾高差320 m，平均縱坡降226.7‰，流域面積約4.65 km2，地貌上屬中低山，地壘式斷塊中山、地塹式丘陵、河谷盆地交互疊加，具有強烈的河床揭底及河岸侵蝕沖刷作用。該溝段兩岸岸坡較形成區(qū)平緩，溝道彎曲度較大，寬度8～40 m，支溝發(fā)育少。受“6·10”泥石流沖刷影響，該段溝域共發(fā)育17處漂礫石為主的泥石流堆積體和16處岸坡不穩(wěn)定松散堆積體，松散堆積體物源約38.33萬m3，堆積體最厚超過10 m，是修水縣盧莊溝泥石流70%物源所在。

表1 江西省修水縣黃龍鄉(xiāng)盧莊溝泥石流特征值

注：該特征值據(jù)2011年6月10日和6月17日泥石流調查和計算得出定[3]。

圖2 盧莊溝泥石流形成機制剖面示意圖

2.3 堆積區(qū)的基本特征

3 盧莊溝泥石流的形成機制及動力特征

3.1 碎裂巖石的風化與崩解反應

3.2 雨水的匯聚與搬運作用

研究區(qū)位于贛北中低山區(qū)，溝域兩側匯水面積較大，溝谷岸坡較陡，支流較為發(fā)育，且常出現(xiàn)小氣候環(huán)境內的局部性暴雨。據(jù)氣象資料，黃龍鄉(xiāng)2011年6月10日日最大降雨量182.2 mm，當月降雨量611.7 mm，其中1 h最大雨強為91.9 mm。盧莊溝主溝上游有大坳溝等三條一級支流，平石寺以下依次又有中塅溝(左岸)、橋下壟溝(右岸)、太陽壟溝(右岸)等多條一級支流匯聚，呈樹枝狀水流向主干集中(見圖1)。

盧莊溝內常年平均水深不大，僅0.3～1.2 m，上下游水位變化也只有1～3 m。溝口處豐水期(4～9月)流量僅1.5～2.0 m3/s，20年一遇洪峰流量卻達12.8 m3/s；但由于上游集雨面積>7 km2、溝長>6 km2、坡降大(>496‰)，洪水具有量大、峰高、歷時短、水動力條件差異性明顯，這也為不同溝段的顆粒級配成果所驗證。據(jù)勘查和室內試驗，下游溝口段土石比為13.1∶87.1，上游土石為2.2∶97.8，表明細小顆粒大部分被洪水帶走。此外，上游平石寺老堆積扇總長度300 m，前緣寬度達70 m，堆積平均厚度達8 m以上，方量達15萬m3，下游羅家老堆積扇總長度300 m，前緣寬度達130 m，堆積平均厚度達15 m以上，方量達50萬m3，表明泥石流河道曲折地形影響，搬運過程隨地形變化，具有分段性特征，在平石寺和羅家平緩地段分段堆積，其余河段以薄層淤積為主(見圖1)。

表2 泥石流流速計算表

3.3 盧莊溝泥石流的運動與動力特性

盧莊溝屬于典型的中低山區(qū)溝谷型泥石流，由于上游以碎塊狀的花崗巖為主，顆粒粒徑大，所以研究泥石流的運動及動力參數(shù)至關重要，其中盧莊溝泥石流的運動速度、沖擊能力等參數(shù)決定了該區(qū)域泥石流的運動特征。為此，本文根據(jù)此溝災后泥石流勘查實驗數(shù)據(jù)，結合不同頻率降雨量頻率和地形資料，利用相關理論及公式對這些參數(shù)進行計算分析。

3.3.1 泥石流的流速計算

根據(jù)形態(tài)調查表及實際地形地貌、氣象資料，盧莊溝在不同剖面的動力學特征參數(shù)見表2[1]。

從表2中可以看出，該泥石流流速到地形影響，在平石寺溝口流速就達到5.9m/s，到羅家受到溝口大坳溝、中塅溝、橋下壟溝、太陽壟溝處的補給，流速增大到最大值6.4m/s，到下游汪平嶺和官橋村受平緩地形影響，流速又逐漸減少。

3.3.2 泥石流流量計算

根據(jù)泥石流歷時T和泥石流流量Qc，因山區(qū)泥石流陡起陡降的特點，主要考慮一次暴發(fā)泥石流的總量，將其過程概化為“三角形”，通過以公式(1)計算泥石流的總量Wc，以公式(2)計算一次沖出固體物質的總量[5]。

Q=19TQc/72；

(1)

(2)

式中：Q為一次泥石流過程總量(m3)；T為泥石流歷時(取5 400s)；Qc為泥石流最大流量(m/s)；QH為一次泥石流沖出固體物質總量(m3)；γc為泥石流重度(取1.662t/m3)；γw水的重度(取1.0t/m3)；γH為泥石流固體物質的重度(取2.65t/m3)。據(jù)此，對不同斷面的泥石流一次總量和固體物質沖出量進行預測(表3)。

表3 盧莊溝官橋村斷面泥石暴發(fā)總量預測

根據(jù)形成調查法和雨洪法比分析，盧慶溝官橋村出口斷面泥石流流量值與雨洪法P=2%的流量計算結果相當，因此，泥石流峰值流量選取10.08萬m3[4]。對比“6.10”降雨量，從本次降雨時間(90 min)雨量分析，表明此次降雨頻率大致相當于10年一遇，但從泥石流最后形成規(guī)模(堆積物達32.78萬m3)看，上述預測明顯偏小。其原因主要是在平緩地帶，泥石流堆積體沿著河道堆積和淤積，還有一些古泥石流堆積體被沖刷淘蝕但運移過一段時間沿線淤積。

3.3.3 泥石流沖擊力及沖起高度

泥石流整體沖擊力決定了碎石的起運、搬運和沖刷能力，因此，結合一次性流量、地形資料、溝道大小和泥石流規(guī)范計算公式，算出盧莊溝在平石寺、羅家、汪家?guī)X、官橋村的設計流速、整體沖擊力和單塊最大沖擊力，見表4。

表4 盧莊溝泥石流沖擊力計算表

從計算結果看，該溝泥石流沖擊力最大是在羅家附近，到下游沖擊力變小，實現(xiàn)調查中羅家附近溝道泥石流沖蝕切割深度1～3.5 m，遠高于其他溝段，這與計算結果比較相符[5]。

3.3.4 泥石流復發(fā)性的危害與評價

盧莊溝內災后固體松散物源儲量超過30萬m3，相當于2011年盧莊泥石流沖出物質的3倍，受強降雨和地形地貌、地層巖性的影響，泥石流仍有可能再次激發(fā)，且激發(fā)泥石流的臨界雨強可能降低。因此，結合盧莊溝河道的寬度、彎曲程度、匯流情況、匯水面積、松散物貯量、雨強及歷時，綜合判定盧莊溝泥石流為中高頻泥石流，其不同頻率條件一次性泥石流發(fā)展預測范圍如圖1所示。

據(jù)泥石流勘查規(guī)范，將盧莊溝泥石流影響范圍劃分為3個區(qū)。極危險區(qū)：平石寺溝岸至羅家的古泥石流堆積扇，面積2.08萬m2。危險區(qū)：羅家以及官橋村的溝道兩側區(qū)域，面積3.35萬m2。影響區(qū)：高于危險區(qū)與危險區(qū)相鄰的地區(qū)，包括官橋橋到下游沙塅村的廣大區(qū)域，一旦遇到20年以上一遇的強降雨，有可能再遇到泥石流危害，面積5.35萬m2。

4 結論與討論

(1)盧莊溝泥石流是受特大暴雨而誘發(fā)的溝谷型、低頻率、稀性泥石流，目前正處于發(fā)展期(壯年期)。因風化作用、構造運動和差異性地殼抬升導致盧莊溝崩滑殘坡積物及溝道古泥石流堆積物豐富，溝內尚有松散堆積物源32.78萬m3，一旦再次遭遇強降雨或連續(xù)降雨，極有可能再次暴發(fā)泥石流。地形地貌上，盧莊溝具有與鄱陽湖流域上游中低山溝谷的典型特征，即地形呈圈椅狀、支流呈葉脈狀，匯水面積大，主溝坡降大，相對高差超過800 m以上，易聚水，水動力條件足。

(2)盧莊溝泥石流溝口流速最大超過6.1 m/s，泥石流沖擊力最高超過900 kN/m2，導致“6.10”泥石流沖毀了盧莊溝口部分建筑物，表明鄱陽湖流域中低山地區(qū)泥石流危害不容忽視。計算分析表示，盧莊溝一旦遇到20年一遇以的強降雨，其影響范圍更大，將危及到下游官橋村小學及兩側水庫的安全。

(3)該泥石流經歷風化碎裂、崩滑堆積、暴雨匯聚、松散堆積體搬運洗刷、老泥石流溝沖刷復活等過程，最終形成暴雨型泥石流。其中風化物堆積是基礎，雨水迅速匯聚是誘因，高陡邊坡及充足水動力條件是誘因，因此，要加強對此泥石流溝的監(jiān)測與治理，對黃龍山恢復植被、攔擋停淤、水石分治，對溝口居民建議搬遷避讓，并在官橋村的溝谷左岸一側設置混凝土擋土墻防沖護坡，引導水流或泥石流沿主溝安全排泄，在溝口堆積扇恢復植被，開展坡面植物防護，防止水土流失，同是開展土地整理，并還耕于當?shù)剞r民。

[1] 江西省勘察設計研究院.江西省修水縣黃龍鄉(xiāng)盧莊村平石寺泥石流治理工程勘查報告[R].南昌：江西省勘察設計研究院,2013.

[2] 高波,王佳運,張成航,等.青海省玉樹州高原暴雨型泥石流形成機制——以稱多縣拉隆溝泥石流為例[J].水土保持通報，2016,36(2):28-31.

[3] 曾昭華.江西省地質災害的形成及其分布規(guī)律[J].地質與勘探,1996,33(4):17-20.

[4] 胡卸文,呂小平,黃潤秋,等.唐家山堰塞湖大水溝泥石流發(fā)育特征及堵江危害性研究[J].巖石力學與工程學報， 2009， 28(4):850-858.

[5] Masami Saito, Tohru Araya and Futoshi Nakamura. Sediment production and storage processes associated with earthquake-induced landslides in Okushiri Island, 1993[J]. Sabo Gakkaishi, 1993,47 (6):32-37.

Formation Mechanism and Dynamic Characteristics ofRainstorm-induced Debris Flow in Poyang Lake Valley ofJiangxi Province

GAN Jianjun1, YUAN Liangkuai2, GUI Faliang1, LI Ming2, TANG Chun1and YAN Long1

(1.National-LocalJointEngineeringLaboratoryofWaterEngineeringSafetyandEfficientUtilizationofResourcesinPoyangLakeWatershed,NanchangInstituteofTechnology,Nanchang330099,China; 2.SurveyandDesignInstituteofJiangxiProvince,Nanchang330099,China)

Theformationmechanismanddynamiccharacteristicsofrainstorm-induceddebrisflowinPoyanglakevalleyofJiangxiProvinceisresearched,whichwasexpectedtoprovideareferenceforthiskindofmountaintorrentdisasterandsafetyofriverbasinwaterproject.Throughfieldinvestigationandlaboratorytest,LuzhuangdebrisflowofHuanglongCountyinJiujiangCitywasselectedasanexample,andthedevelopmentcharacteristicsandkineticscharacteristicswereanalyzed.Themainchannellengthofthedebrisflowisabout6.25km,thecatchmentareais4.270km2.Thesupplyofsourcewascomparativelyabundant(about62.46×104km3),thelongitudinalgradientis524.1‰andtheheightdifferencesis1160m,thetopographyiseasytocatchment.Theprocessofrainstorm-induceddebrisflowinthestudyareacanbedividedinto4stages:debrisflow-sourceformation;looseaccumulationcarry;olderlandslideresurrectionanddebrisflowinitiation.

PoyangLakeBasin;debrisflow;formationmechanism;dynamiccharacteristics;LuzhuangDitch;XiushuiCountyinJiangxiProvince

10.3969/j.issn.1000-811X.2017.02.027.]

2016-09-20

2016-11-09

江西省自然科學基金“江西紅壤砂巖區(qū)暴雨誘發(fā)型深基座滑坡形成機理研究”(20161BBG70051)；江西省教育廳科技項目“降雨型砂巖區(qū)類土質滑坡GMD預測模型研究”(GJJ151124)；南昌工程學院2015年教改重點教改課題(2015JG001)

甘建軍(1975-)，男，江西永新人，博士，工程師，講師，主要從事巖土工程和邊坡穩(wěn)定性的研究和實踐工作. E-mail: scdkj2006@126.com

袁良澮(1970-)，男，江西泰和人，高級工程師，主要從事地質災害形成機制及治理研究.E-mail:2433231019@qq.com

X43；P642

A

1000-811X(2017)02-0154-05

10.3969/j.issn.1000-811X.2017.02.027

甘建軍，袁良澮，李明，等. 鄱陽湖流域暴雨型泥石流形成機制與動力特征——以江西修水縣盧莊溝泥石流為例[J]. 災害學，2017，32(2)：154-158. [GAN Jianjun, YUAN Liangkuai, GUI Faliang,et al. Formation Mechanism and Dynamic Characteristics of Rainstorm-induced Debris Flowin Poyang Lake Valley of Jiangxi Province [J]. Journal of Catastrophology，2017，32(2)：154-158.