陜西藍(lán)田銅鵝溝泥石流發(fā)育特征及危險(xiǎn)性分析

馬鵬輝，彭建兵，朱興華，同 霄，周 勇

(1.西部礦產(chǎn)資源與地質(zhì)環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710054；2. 長安大學(xué)地質(zhì)工程與測(cè)繪學(xué)院，陜西 西安 710054；3.陜西地礦第二綜合物探大隊(duì)，陜西 西安 710016)

陜西藍(lán)田銅鵝溝泥石流發(fā)育特征及危險(xiǎn)性分析

馬鵬輝1,2，彭建兵1,2，朱興華1,2，同 霄1,2，周 勇3

(1.西部礦產(chǎn)資源與地質(zhì)環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710054；2. 長安大學(xué)地質(zhì)工程與測(cè)繪學(xué)院，陜西 西安 710054；3.陜西地礦第二綜合物探大隊(duì)，陜西 西安 710016)

陜西秦嶺山區(qū)構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈，地形險(xiǎn)要，泥石流災(zāi)害頻繁發(fā)生，2015年8月3日出現(xiàn)了強(qiáng)降雨，在西安市藍(lán)田縣銅鵝溝爆發(fā)了極為嚴(yán)重的泥石流。本文通過對(duì)銅鵝溝進(jìn)行了詳細(xì)的野外調(diào)查，獲取了研究區(qū)泥石流溝的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)資料，分析了西安市藍(lán)田縣銅鵝溝泥石流基本特性，得知8·3泥石流屬于西北秦嶺山區(qū)典型多因共激水石流，并計(jì)算了4個(gè)有代表性的斷面流速，分別為5.96 m/s、5.77 m/s、5.15 m/s、4.84 m/s；同時(shí)以小流域降雨—徑流計(jì)算模型計(jì)算了10%、5%、2%、1%、0.5%頻率下銅鵝溝泥石流峰值流量和單次泥石流過程總量，發(fā)現(xiàn)流域遭遇20年一遇的降雨時(shí)即可形成可觀的泥石流災(zāi)害；結(jié)合野外資料采用多因子評(píng)價(jià)公式對(duì)銅鵝溝溝道進(jìn)行了危險(xiǎn)性評(píng)估，得出該流域?qū)儆谀嗍鳛?zāi)害中度危險(xiǎn)區(qū)。鑒于研究區(qū)構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈，溝內(nèi)居住人群100多人，應(yīng)做好監(jiān)測(cè)預(yù)警工作的同時(shí)盡快搬遷。

銅鵝溝泥石流；多因共激；發(fā)育特征；危險(xiǎn)性評(píng)估

0 引言

泥石流是山區(qū)特有的一種地質(zhì)災(zāi)害，在狹義上一般分為泥流、粘性泥石流、稀性泥石流、水石流。近年來，由于氣候的變化，局部山區(qū)極端降雨事件偏多，陜西秦嶺山區(qū)工程地質(zhì)條件差，成為了泥石流災(zāi)害嚴(yán)重地區(qū)之一[1-6]。而水石流是陜西秦嶺山區(qū)泥石流的主要類型，分布面積約占秦嶺山地的一半左右[7]。對(duì)于水石流許多地質(zhì)學(xué)者做了相關(guān)研究：祁龍[8]通過對(duì)陜南9處水石流調(diào)查分析，概述了水石流的性質(zhì)和形成機(jī)理；李昭淑等[9]計(jì)算了陜西省略陽縣紀(jì)家溝水石流的流速與流量，并提出水石流的防治措施；費(fèi)祥俊[10]研究發(fā)現(xiàn)水石流中細(xì)顆粒的存在，其輸沙濃度比相同縱坡下沒有細(xì)顆粒下有很大提高，同時(shí)求得了水石流流速公式。但是由于水石流與其他泥石流不同，少有學(xué)者直接觀察到它的流動(dòng)過程和狀態(tài)，而秦嶺山區(qū)區(qū)域構(gòu)造復(fù)雜、誘發(fā)水石流的因素多樣化，總體研究處于初級(jí)階段[11]。

本文以秦嶺北麓山區(qū)為研究背景，筆者于2015年8月與2016年3月先后兩次對(duì)陜西省西安市藍(lán)田縣銅鵝溝泥石流進(jìn)行了詳細(xì)的野外調(diào)查，并結(jié)合野外調(diào)查資料，對(duì)銅鵝溝泥石流的形成、發(fā)育、運(yùn)動(dòng)特征及危險(xiǎn)性進(jìn)行分析，旨在為泥石流的防治提供可靠科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)域概況

1.1 地形地貌

鵝項(xiàng)溝位于西安市藍(lán)天縣東南部，地處秦嶺北緣，發(fā)育于秦嶺中低山地貌。流域呈“樹葉型”、“漏斗型”，四面環(huán)山，多條支溝交匯于主流域，主溝走向由西向東，主溝溝道寬窄不一。由于秦嶺北緣緊鄰渭河，受到切割嚴(yán)重，而且秦嶺為經(jīng)過多次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)形成的褶皺斷裂山脈，導(dǎo)致溝谷兩側(cè)山體坡度較陡，山體處于高度臨空狀態(tài)，應(yīng)力集中，拉張裂隙、結(jié)構(gòu)面發(fā)育，破碎帶、危巖體較多，局部不斷有崩塌、滑坡發(fā)生，形成的破碎體就會(huì)在溝道中堆積，形成局部堵塞，為泥石流提供了物源(圖1)。

圖1 研究區(qū)區(qū)域位置Fig.1 The regional location of the study area

1.2 地層巖性與地質(zhì)構(gòu)造

研究區(qū)處于東秦嶺造山帶西端，緊鄰北秦嶺山前大斷裂和臨潼-長安斷裂，屬于渭南地塹的一 部分[12-13]。溝谷兩側(cè)出露大量的燕山期巖漿巖，主要為巨斑狀二長花崗巖和中細(xì)粒二長花崗巖，此地花崗巖富水性極弱，花崗巖中多有云母、石英出露；河谷中以礫石、卵石為主，夾有砂粒，分選性差，最大粒徑5 m，磨圓度較好。此處歷史上經(jīng)歷了多期次的逆沖擠壓、走滑剪切、以及渭河斷陷盆地多次拉張裂陷活動(dòng)，又因山體高聳，使得巖體產(chǎn)生構(gòu)造變形，導(dǎo)致地質(zhì)災(zāi)害頻繁發(fā)生(圖1)。

1.3 水文地質(zhì)條件

鵝項(xiàng)溝流域?qū)倥瘻貛О霛駶櫞箨懶詺夂?，四季冷暖分明，年平均氣?3.1 ℃，平均降水量720 mm，主要集中于7～9月，占全年總降雨量的55%[14]。冷暖氣流在此因山體阻隔抬升而相互切變，形成了暴雨、連陰雨的頻發(fā)區(qū)，而且連陰雨和暴雨往往相伴而生[7]。再加上溝道兩側(cè)巖體開裂嚴(yán)重，降雨會(huì)沿著裂隙在低洼處以地表徑流的形式流入溝內(nèi)，導(dǎo)致溝道水流湍急，為泥石流提供了較大的水動(dòng)能條件。

2 銅鵝溝泥石流概況

2.1 銅鵝溝泥石流基本特征

2015年8月3日下午陜西省藍(lán)田縣九間房鎮(zhèn)出現(xiàn)了大暴雨，不到3小時(shí)內(nèi)降雨量達(dá)111 mm，強(qiáng)降雨導(dǎo)致銅鵝溝內(nèi)河水水位暴漲，爆發(fā)山洪，進(jìn)而引發(fā)泥石流災(zāi)害。泥石流沿著溝谷沖出，沖垮溝內(nèi)河道，溝道側(cè)侵嚴(yán)重。溝道兩側(cè)居住有村民100多人，造成2人遇難，3人失蹤，由于發(fā)生時(shí)天色已黑，僅有少部分人員轉(zhuǎn)移下山，大部分被困人員無法及時(shí)撤離，大量的房屋建筑被沖毀，整個(gè)銅鵝村道路和通訊全部被損壞(圖2)，現(xiàn)場(chǎng)勘查發(fā)現(xiàn)：(1)銅鵝溝全長約為3.7 km，溝內(nèi)基巖裸露在外、風(fēng)化嚴(yán)重，結(jié)構(gòu)面非常發(fā)育。溝頂高程大約2 100 m，溝口高程約為1 240 m，溝道平均溝床比降0.11，整體寬10～50 m，相對(duì)高差約850 m，溝道屬于典型的“V”型溝。走勢(shì)呈“S”型，多支溝發(fā)育，降雨下極易呈現(xiàn)“漏斗狀”匯流，以極快的速度席卷溝道中豐富的物源形成泥石流災(zāi)害。

圖2 泥石流特征圖Fig.2 The Characteristics of debris flow

(2)多因共激水石流：流域位于秦嶺北緣造山帶中，構(gòu)造活動(dòng)頻繁，斷層、褶皺大量發(fā)生，流域地形險(xiǎn)要，坡度較大，導(dǎo)致山體破碎，經(jīng)常有局部小型滑坡，溝道兩側(cè)堆有大量的坡體坍塌物，為泥石流提供了豐富的物源。而且堆積物多為粒徑較大的石塊(最大粒徑可達(dá)5 m)，溝道不斷的受到流水的沖刷，粘粒一直在被運(yùn)移，含量極少，堆積物很難膠結(jié)在一起，極易被搬運(yùn)，不足以形成漿體結(jié)構(gòu)，暴雨激發(fā)下形成了非飽和兩相水石剪切流。

(3)局部“大肚子”淤積：溝道寬度10～50 m不等，溝道石塊粒徑較大，溝道狹窄處可見幾處由于巨石堵塞而出現(xiàn)的“大肚子”淤積。在暴雨匯集而下時(shí)，溝內(nèi)物源隨即席卷而下，而水石流相比其他泥石流來說粘合程度差，導(dǎo)致粒徑較大的塊體容易在河道殘留形成堵塞。圖2(d)顯示的是溝道上游一處“大肚子”淤積，泥石流未能攜帶走一塊粒徑3.8 m的石塊。石塊的粒徑幾乎為河道寬度的三分之一，石塊屹立在河道中央，減緩了泥石流流速，導(dǎo)致泥沙淤積，形成了上游局部三角形堆積。這是因?yàn)樗魉镔|(zhì)主要為石塊和水，內(nèi)部膠結(jié)力沒有粘性泥石那么大，其運(yùn)移能量來源主要來自重力和股流沖力的聯(lián)合效應(yīng)，巨大石塊因重力沿溝床的分力減小首先停留下來，實(shí)際上相當(dāng)于一個(gè)壅水壩[7]。

2.2 銅鵝溝泥石流分區(qū)特征

通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，可以把銅鵝溝泥石流形成區(qū)分為4個(gè)區(qū)(圖3)：清水區(qū)、流通區(qū)、物源補(bǔ)給區(qū)、堆積區(qū)。

圖3 泥石流分區(qū)圖(影像源于Google Earth，2015)Fig.3 The Partition of debris flow(The Image comes from Google Earth, 2015)

2.2.1 清水區(qū)

匯水動(dòng)力區(qū)位于高程1 550～2 100 m段。從圖3可以看出多條溝交匯于主溝道，坡度較陡，匯水面積很大，約為1.52 km2。匯水區(qū)長約1.7 km，1 800～2 100 m段比降比較大，1 550～1 800 m段比降比較小，匯水區(qū)溝道的平均溝床比降為0.342，構(gòu)成了良好的地表匯水條件。

2.2.2 物源補(bǔ)給區(qū)特征

流域內(nèi)的物源主要分布在流通區(qū)(圖3)，長約2 000 m,平均寬度約25 m，物源類型主要有溝坡崩塌堆積物與溝道堆積物,溝內(nèi)河道寬度4～15 m之間，平均寬度約為5 m，溝床寬度約為20 m。溝兩側(cè)坡體較陡，由于溝道的切割，坡腳遭到雨水的掏蝕作用，坍塌嚴(yán)重，在水溝兩側(cè)堆積成物源，經(jīng)過上一次發(fā)生泥石流，溝源位置水量較小, 溝道沖刷能力有限，這些物源處于穩(wěn)定狀態(tài)，平均厚度約為2 m，總量約8×104m3；溝道堆積物為另一重要物源，溝道不斷的經(jīng)歷雨水的沖刷，細(xì)砂粒和粘粒在雨水沖刷中攜帶走，粒徑較大的會(huì)在河道沉積下來，堆積厚度大約0.2～4 m，平均厚度約為1.5 m，體積約為1.5×104m3；溝道內(nèi)老泥石流留下的不穩(wěn)定堆積物也十分豐富，由于流通區(qū)溝道寬度較小, 在泥石流爆發(fā)時(shí), 會(huì)加大物質(zhì)速度，而這里堆積物塊體粒徑較大, 就會(huì)引起巨石堵塞溝道的情況，在此就會(huì)有大量的殘留堆積，堆積區(qū)大約有8處(圖4)，總量大約2.696×104m3(表1)。

2.2.3 流通區(qū)特征

流域流通區(qū)長度較大，大約2 000 m，溝床比降為0.11～0.20，平均比降0.13。泥石流在運(yùn)動(dòng)過程中沖蝕嚴(yán)重，兩岸坍塌松散堆積物在其流動(dòng)中被攜帶、不斷沉積；同時(shí)其對(duì)溝床的切割、沖蝕，使得溝道黏土等粒徑較小顆粒被攜帶走，進(jìn)一步切割溝床，切割深度大約0.2～2 m。為此, 經(jīng)過歷史泥石流的沖蝕， 粘土、細(xì)沙一掃而光,大粒徑石塊裸露較多(圖3)。

圖4 老泥石流留下的不穩(wěn)定堆積物源分布圖(影像源于Google Earth，2015)Fig.4 The distribution of unstable deposits of the debris flow which has occurred(the image comes from Google Earth, 2015)

物源區(qū)編號(hào)堆積面積/m2體積/m3物源總體積/×104m31289．6318．562775．561867．3443816．061468．90841132．954418．5052．6965800．81281．286374．6299．6872091．243764．23286968．26513542．877

2.2.4 堆積區(qū)特征

流域堆積區(qū)(圖3)特征不太明顯，因?yàn)榱魍▍^(qū)較長，老泥石流一般到達(dá)此處時(shí)速度已經(jīng)很慢，攜帶物基本在流通區(qū)沉積，堆積區(qū)物源方量大約1.04萬方。

3 銅鵝溝泥石流的動(dòng)力特征

3.1 泥石流容重

泥石流容重計(jì)算方法多種，本文采用經(jīng)驗(yàn)法確定，泥石流容重經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式[15]為：

(1)

式中：A——坍方程度系數(shù)；Ic——坍方區(qū)平均坡度/‰。

上述公式在A≤1.4，Ic≤800的條件下適用，根據(jù)對(duì)銅鵝溝流域的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，坍方區(qū)坡度54°～76°之間，該溝的塌方程度較嚴(yán)重，坍方程度系數(shù)A(0.7

3.2 泥石流流速

目前國內(nèi)關(guān)于水石流的研究很少，水石流流速的計(jì)算理論還沒有成熟，國內(nèi)西部地區(qū)泥石流流速計(jì)算常用的就是鐵道第一勘察設(shè)計(jì)院提出的改進(jìn)斯氏公式[11,17]：

(2)

式中：Vc——泥石流斷面平均流速/(m/s)；Hc——泥石流斷面平均泥深/m；J——泥石流泥位縱坡率。

式中：φc——泥石流峰值流量增加系數(shù)。

式中：γC——泥石流容重/(t/m3)，取均值1.92； γH——固體物質(zhì)實(shí)體容重/(t/m3)，由于該地區(qū)為典型的基巖石塊堆積區(qū)域，這里取2.7；

γw——清水容重(t/m3)，取1.0。

在流速的計(jì)算中，分別在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)繪了4個(gè)有代表性的斷面，測(cè)得泥石流各斷面流速見表2。

表2 泥石流不同斷面流速表

3.3 泥石流流量

由于沒有實(shí)際的流量監(jiān)測(cè)資料，而銅鵝溝具有小區(qū)域流域特點(diǎn)，本文泥石流流量采用東川公式，并且結(jié)合《四川省中小流域暴雨洪水計(jì)算手冊(cè)》來計(jì)算，公式如下：

(3)

式中：QB——清水洪值峰值流量/(m3/s)；ψ——洪峰徑流系數(shù)；S——暴雨雨力，即最大一小時(shí)暴雨量/(mm/h)；

F——集水面積/km2，這里取值1.52km2；

τ——流域匯流時(shí)間/h；

n——暴雨公式指數(shù)。

相關(guān)計(jì)算參數(shù)及清水洪值峰值流量QB計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 不同頻率下清水洪峰流量計(jì)算結(jié)果

QC=(1+φC)×QB×DC

(4)

式中：QC——泥石流峰值流量(m3/s)；Dc——泥石流溝堵塞系數(shù)(輕微，DC<1.5；中等1.52.5)；根據(jù)野外調(diào)查，結(jié)合流域特點(diǎn)，分別取1.0、1.5、2.0、2.5、3.0；

QB——清水洪值峰值流量/(m3/s)；

γC——泥石流容重/(t/m3);

γH——固體物質(zhì)實(shí)體容重/(t/m3)，這里取2.7；

γw——清水容重/(t/m3)，取1.0。

相關(guān)計(jì)算參數(shù)及泥石流峰值流量QC計(jì)算結(jié)果見表4。

3.4 單次泥石流過程總量

由于銅鵝溝流域地貌復(fù)雜，支溝交叉，溝道兩側(cè)居住有村民，不易實(shí)測(cè)一次泥石流的總量，采用下式概算不同頻率條件下的一次過程總量[18]：

(5)

式中：QC——泥石流峰值量/(m3/s)；QT——一次泥石流過程總量/(m3/s)，其計(jì)算結(jié)果見表4。

表4 不同頻率下銅鵝溝泥石流流量計(jì)算結(jié)果

在銅鵝溝實(shí)地調(diào)查中，通過實(shí)地走訪村民，發(fā)現(xiàn)1996年夏季，也因強(qiáng)降雨導(dǎo)致銅鵝溝出現(xiàn)洪澇災(zāi)害，誘發(fā)泥石流，造成部分村民受災(zāi)，結(jié)合以上計(jì)算結(jié)果，發(fā)現(xiàn)流域遭遇20年一遇的降雨時(shí)即可形成可觀的泥石流災(zāi)害。

4 銅鵝溝危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)

泥石流危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)方法有很多，而泥石流的復(fù)雜性和可變性決定了泥石流災(zāi)害評(píng)價(jià)體系是多因子的，本文采用劉希林[19]提出的溝谷泥石流危險(xiǎn)度計(jì)算公式對(duì)銅鵝溝泥石流進(jìn)行了危險(xiǎn)性評(píng)估：

H單=0.29m+0.29F+0.14S1+0.09S2+

0.06S3+0.11S6+0.03S9

(6)

其中H單——單溝泥石流危險(xiǎn)度，根據(jù)野外調(diào)查基礎(chǔ)資料，分別得到評(píng)價(jià)因子m、f、s1、s2、s3、s6、s9的值(表5)，按照轉(zhuǎn)換函數(shù)求出轉(zhuǎn)換因子M、F、S1、S2、S3、S6、S9的值，帶入評(píng)價(jià)公式(6)，得出H單=0.43。按照其評(píng)價(jià)方法給出的危險(xiǎn)等級(jí)，銅鵝溝處于中度危險(xiǎn)(表5)。

表5 銅鵝溝泥石流危險(xiǎn)度評(píng)價(jià)結(jié)果

注：危險(xiǎn)度等級(jí)與危險(xiǎn)度的關(guān)系：極低危險(xiǎn)(0～0.2)；中度危險(xiǎn)(0.4～0.6)；高度危險(xiǎn)(0.6～0.8)；極高危險(xiǎn)(0.8～1.0)。

5 結(jié)論及建議

(1)研究區(qū)匯水區(qū)面積大，比降大，支溝多，而流通區(qū)溝谷狹窄、地形險(xiǎn)要，有利于強(qiáng)降雨的迅速匯集，同時(shí)構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈，易在溝谷堆積碎屑物源，這些因素共同作用激發(fā)銅鵝溝8·3水石流發(fā)生。計(jì)算了4個(gè)有代表性的斷面流速，分別為5.96 m/s、5.77 m/s、5.15 m/s、4.84 m/s，總的來說8.3水石流流速不是太快。

(2)通過計(jì)算銅鵝溝流域10、20、50、100、200年一遇泥石流運(yùn)動(dòng)特征參數(shù)，發(fā)現(xiàn)流域遭遇20年一遇的降雨時(shí)即可形成可觀的泥石流災(zāi)害。

(3)對(duì)銅鵝溝泥石流進(jìn)行了危險(xiǎn)性評(píng)估，H單=0.43，發(fā)現(xiàn)該流域?qū)儆谀嗍鳛?zāi)害中度危險(xiǎn)區(qū)。

(4)銅鵝溝屬于中度危險(xiǎn)潛在災(zāi)害區(qū)，做好早期監(jiān)測(cè)、預(yù)警工作，由于該流域工程地質(zhì)差，坍塌隨處可見，防治起來很困難，建議溝內(nèi)居住人口盡量搬遷。

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Characteristics and risk analysis of debris flow in Tonge gully in Lantian county, Shaanxi province

MA Penghui1, 2,PENG Jianbing1, 2,ZHU Xinghua1, 2,TONG Xiao1, 2,ZHOU Yong3

(1.KeyLaboratoryofWesternMineralResourcesandGeologicalEngineeringMinistryofEducation,Xi’an,Shaanxi710054,China; 2.CollegeofGeologyEngineeringandGeomatics,Chang’anUniversity,Xi’an,Shaanxi710054,China;ThesecondgroupofGeologyandMineralResourcesinShanxiProvince,Xi’an,Shaanxi710016,China)

Debris flow occurred frequently in Qinling mountain, because of the intense tectonic activity and the dangerous terrain. It rained heavily on August 3, 2015, and a serious debris flow occurred in Tonge Gully in Lantian County, Xi’an City. We got the basic date of the debris flow by the detailed field investigation, then analyzed the characters of the debris flow. The results showed that 8.3 debris flow was a typical debris flow occurred by a variety of factors in northern Qinling mountain area. The flow rate of four cross sections was measured:6.07 m/s, 5.87 m/s,5.24 m/s,4.92 m/s. According to the hydrology model in small basins, the peak flow and total outflow of debris flow were all calculated. It results that the total outflow of debris flow under 20-year rainfall condition would lead to a serious debris flow damage. Besides, by using multi-factor risk assessment,the risk of the 8.3 debris flow was analyzed. It finds that the Gully belongs to a moderate risk zone of the debris flow. Because of the intense tectonic activity, and more than 100 people lived here, monitoring should be prepared and people should move as quickly as possible.

debris flow in Tonge gully; variety of factors; development characteristics; risk analysis

10.16031/j.cnki.issn.1003-8035.2017.01.12

2016-05-25;

2016-07-14

國家973計(jì)劃資助項(xiàng)目(2014CB744702)；國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41402255)

馬鵬輝(1990-)，男，河北張家口人，在讀博士，從事地質(zhì)災(zāi)害及黃土災(zāi)害鏈研究。E-mail：spawnkobe@163.com

P642.23

A

1003-8035(2017)01-0075-07