泰寧縣蘆庵溝泥石流成因分析

劉 鵬

(中國電建集團華東勘測設(shè)計研究院有限公司，杭州 311122)

0 前 言

2016年5月8日04:45，位于福建省泰寧縣開善鄉(xiāng)池潭水電站下游1.5 km處的蘆庵溝發(fā)生特大規(guī)模的泥石流災(zāi)害。泥石流摧毀了位于溝口的池潭水電站辦公大樓及臨時施工營地，造成了36人死亡失蹤的重大事故，直接經(jīng)濟損失巨大。

典型泥石流發(fā)生的3個必備條件：物源、縱坡降、匯水面積。蘆庵溝存在物源少、匯水面積小，不具備發(fā)生典型泥石流的條件，從而地質(zhì)災(zāi)害排查人員輕易排除其發(fā)生泥石流的可能性。

蘆庵溝泥石流具有非典型、狹陡型、暴雨型及潛伏性特征。為了加深對此類泥石流的認識及減少災(zāi)害，有必要對其進行深入研究和總結(jié)。

1 地形、地質(zhì)特征

蘆庵溝位于金溪左岸，平面形態(tài)呈狹長型，基本呈“V”形谷，屬于陡斜坡深切割沖溝，溝道平均縱坡降大，流域面積小，見圖1。溝谷區(qū)植被覆蓋良好、樹木粗大茂盛，森林覆蓋率高達80%以上，覆蓋層多淺薄，無較大規(guī)模的松散堆積體，基巖為白堊系石帽山群寨下組流紋斑巖，構(gòu)造運動較微弱，斷層發(fā)育少，節(jié)理發(fā)育較少，坡面上由于巖體不均勻風(fēng)化而形成的危石、塊石較多。

本次泥石流發(fā)生于蘆庵溝的主溝，溝源高程約770.00 m，溝口高程約220.00 m，落差約550 m，主溝長約1.1 km，平均縱坡降約50.0%，集雨面積約0.28 km2。支溝未發(fā)生泥石流，集雨面積約0.19 km2。

圖1 蘆庵溝水系示意圖

主溝流域形態(tài)完整系數(shù)δ=0.25，判斷式如式(1)所示，可判斷主溝形態(tài)為狹長型。流域完整系數(shù)δ值小于0.30，泥石流漿體具有容重大特點[1]，泥石流容重可達2.0 g/cm3。

(1)

式中：Lw為流域長度，km；Ab為集雨面積，km2。

2 物源條件

溝谷兩岸未見滑坡體分布，殘坡積及崩塌堆積體主要分布于溝床及兩側(cè)，規(guī)模小且在縱向上分布不均，多為塊石、碎石，厚度一般為0.0～2.0 m，方量合計約2.0萬m3。據(jù)溝谷堆積物及溝口泥石流堆積物可知，堆積物中巨粒徑的塊石、碎石含量高，含量總計約50%～60%，塊石粒徑多為0.2～0.5 m，最大粒徑5 m以上，碎石粒徑多為0.1～0.2 m，中粗砂含量約20%～25%，粉質(zhì)黏土含量約20%～25%。

泥石流發(fā)生后，溝底大部分堆積物被剝蝕殆盡，溝床基巖大多裸露，經(jīng)調(diào)查研究可確定泥石流剝蝕掉溝床堆積物總量約1.6萬m3。溝口堆積扇面積約5 500 m2，本次泥石流堆積物總量約1.3萬m3，約0.3萬m3泥石流物質(zhì)被沖入金溪。溝口堆積扇巨石、塊石林立，最大尺寸為13.7 m×11.3 m×9.9 m。溝溪入河處河道多為險灘，各種險石較多。

3 降雨條件

據(jù)當?shù)貧庀蟛块T發(fā)布的資料，自2016年1月以來，蘆庵溝所在的泰寧縣經(jīng)歷了持續(xù)的強降雨天氣，至5月8日，累計降雨天數(shù)為74 d，比正常年份多20 d，累計降雨總量約1 140 mm，超出歷史同期降雨總量的35%，約占該區(qū)域多年平均年降雨量1 790 mm的64%。4月以來至5月8日，合計降雨總量約733 mm，歷史同期降雨總量約318 mm，超出常年同期降雨總量的130%。尤其是5月7日23:00—5月8日5:00發(fā)生了短時強降雨，是泥石流發(fā)生的重要原因。

根據(jù)位于泥石流溝溝口上游的池潭電廠降雨量觀測點資料，5月7日23:00—5月8日05:00發(fā)生了短時強降雨，最大6 h降雨量為180 mm，最大3 h降雨量為111 mm，最大1 h降雨量為48 mm。在此時間段內(nèi)，降雨量在空間分布上具有明顯的差異性，據(jù)池潭電廠、龍安(距池潭電廠約14 km)、黃潭(距池潭電廠約19 km)降雨量觀測點觀測數(shù)據(jù)，池潭電廠降雨量比鄰近的龍安、黃潭降雨量均大2倍以上，暴雨對應(yīng)時段降雨量比較如圖2所示。

圖2 池潭電廠、龍安和黃潭雨量站“5.8” 暴雨對應(yīng)時段降雨量比較圖

4 泥石流啟動機理

泥石流堆積物中巨粒含量高，巨、細顆粒(或控制粒徑d60、有效粒徑d10)大小相差懸殊，缺少中間粒徑，級配不良，其中有效粒徑d10的大小對泥石流物源堆積體的滲透性有重大影響，即是泥石流物源堆積體的啟動的重要因素之一。

前期持續(xù)強降雨，土體已達到完全飽和狀態(tài)，其有效應(yīng)力減小，在地表徑流及內(nèi)部徑流的作用下土體中的細顆粒發(fā)生運移，導(dǎo)致土體中有些部位發(fā)生細顆粒聚集，改變了土體的級配特征及孔隙結(jié)構(gòu)?？紫侗欢氯螅焕诘乇韽搅魍〞沉鲃忧彝馏w中的孔隙水壓力難以釋放，縱坡降大的情況下易在基覆界面以上產(chǎn)生超孔隙水壓力。

在當日短時強降雨的作用下，地表徑流力、土體孔隙水壓力過大，造成泥石流物源堆積體失穩(wěn)破壞。一方面，飽和的固體松散物質(zhì)由于含水量持續(xù)增加，孔隙水壓力增大，有效應(yīng)力減小，達到啟動泥石流的條件，判別式如式(2)所示。另一方面，地表匯水達到一定厚度，先達到d10顆粒啟動時的水深，再達到泥石流物源堆積體剪切破壞時的水深(表達如式(3))，細顆粒懸浮且攜裹巨顆粒，巨顆粒所受地表徑流力大，在縱坡降大的情況下最終誘發(fā)了泥石流。

飽和的松散物質(zhì)啟動與否的判別式[2]：

(2)

式中：K為松散固體物質(zhì)穩(wěn)定性系數(shù)，當K=1時，飽和松散固體物質(zhì)處于極限狀態(tài)；當K>1時，飽和松散固體物質(zhì)處于穩(wěn)定狀態(tài)，不會發(fā)生泥石流；當K<1時，飽和松散固體物質(zhì)處于不穩(wěn)定狀態(tài)，將會發(fā)生泥石流；σ為法向應(yīng)力；uw為破壞時在破壞面上的孔隙水壓力；φ為內(nèi)摩擦角；A為松散固體物質(zhì)與溝床的接觸面積；c為黏聚力；T為水流推力；G為松散固體物質(zhì)重量；β為溝床底坡坡度。

即泥石流物源啟動的地表徑流水深H[3]：

(3)

式中：ρS為顆粒密度；J為縱比降；h為泥石流物源堆積的最大厚度；γS為堆積體的容重；φ為堆積體的內(nèi)摩擦角。

5 泥石流活動特征

(1) 暴發(fā)頻率低

據(jù)蘆庵灘碑文、歷史文獻記載及調(diào)查研究，溝口在1884年建有蘆庵廟至50多a前拆除，建廟至今(約132年)從未發(fā)生過泥石流。蘆庵溝匯水面積小、縱坡降大，有利于降水的快速匯集，可為泥石流物質(zhì)的運移提供充足的動能。溝谷植被覆蓋良好，物源少，本次泥石流發(fā)生后，大部分物源已被消耗，溝床基巖大多裸露，今后近百年內(nèi)再次發(fā)生泥石流的可能性低。

(2) 運動動能高

蘆庵溝落差可達550 m，平均縱坡降約50.0%，其上游區(qū)坡度更陡，具有狹陡型特點。物源在強降雨作用下高勢能啟動，下瀉流動過程中轉(zhuǎn)化為高動能，沿程不斷吸納匯水并侵蝕沖刷新的固體物質(zhì)[4]。蘆庵溝泥石流運動具有3個特點：① 流速高，流通區(qū)流速可達12.2 m/s，持續(xù)時間短(約2 min)；② 挾裹能力強，攜帶的大塊石數(shù)量眾多；③ 沖擊力大，泥石流的顆粒沖擊力可達900 t[5]，將位于溝口的鋼筋混凝土辦公大樓撞擊成為碎塊而卷入河中，原地僅余留鋼筋混凝土條形基礎(chǔ)。

6 結(jié) 語

(1) 蘆庵溝植被茂盛、堆積物少、集雨面積小，不具有典型泥石流溝特征，至少132年未發(fā)生過泥石流。

(2) 蘆庵溝泥石流的發(fā)生與持續(xù)的降雨天氣相關(guān)，在強暴雨作用下，地表徑流力、孔隙水壓力過大，在縱坡降大的情況下最終誘發(fā)了泥石流。

(3) 蘆庵溝泥石流具有稀遇低頻、潛伏性強、危害性大、運動動能高的特點，今后近百年內(nèi)再次發(fā)生泥石流的可能性低。