小流域泥石流成災(zāi)條件分析
——以三江口泥石流為例

虢傳文

(湖南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局四○二隊(duì)，湖南 長(zhǎng)沙 410004)

1 泥石流災(zāi)害概況

2015年7月4日汝城縣三江口鎮(zhèn)發(fā)生了百年以來降雨強(qiáng)度最大、區(qū)域最集中的特大暴雨天氣過程，據(jù)雨情監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，6 h內(nèi)(凌晨3點(diǎn)～8點(diǎn))降雨量達(dá)237.1 mm，小時(shí)最大降雨量達(dá)到了64.9 mm，10 min最大降雨量達(dá)到了23.2 mm，強(qiáng)降雨誘發(fā)了三江口鎮(zhèn)鎮(zhèn)政府后山泥石流，導(dǎo)致沖出泥石流固體物質(zhì)約13 000 m3，固體物質(zhì)堆積于溝口下游平緩地形成面積約15 000 m2的堆積扇。

泥石流的突然爆發(fā)致使當(dāng)?shù)厥転?zāi)嚴(yán)重，其中沖倒房屋16間，掩埋沖毀車輛約23臺(tái)，并損毀鎮(zhèn)政府大量設(shè)施設(shè)備，但未造成人員傷亡，直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)1 340萬元，社會(huì)影響較大。

2 泥石流流域地質(zhì)環(huán)境條件

(1)流域?qū)贅?gòu)造剝蝕丘陵地貌，整體地勢(shì)西高東低，海拔在180～330 m之間。區(qū)內(nèi)溝谷多呈“V”字型發(fā)育，溝道坡降一般200‰～300‰之間，溝道兩側(cè)斜坡整體較陡，坡度一般約為30°～45°，平均約40°。

(2)流域內(nèi)出露第四系(Q)土層和燕山早期(γ52-1)侵入巖體。第四系土層以泥石流堆積形成的淤泥質(zhì)砂土和殘坡積形成的粉質(zhì)黏土為主，燕山早期侵入巖是以中粗粒和細(xì)粒斑狀黑云母花崗巖為主的諸廣山巖體。

(3)流域地處南嶺東西向構(gòu)造帶中段與新華夏系“多”字型構(gòu)造的交匯部位。在漫長(zhǎng)的地質(zhì)發(fā)展中，經(jīng)歷了加里東、印支、燕山等運(yùn)動(dòng)，構(gòu)造極為復(fù)雜，行跡多樣，按其力學(xué)性質(zhì)、展布方向大體可分為東西向構(gòu)造、南北向構(gòu)造、華夏系構(gòu)造、新華夏系構(gòu)造、山字行構(gòu)造和旋轉(zhuǎn)構(gòu)造。

(4)流域內(nèi)地下水類型有松散巖類孔隙水和基巖裂隙水兩大類型，以基巖裂隙水為主。由于花崗巖裂隙發(fā)育多呈閉合狀，含水性較差，水量貧乏。

3 泥石流成災(zāi)條件分析

泥石流成災(zāi)條件主要包含三個(gè)方面：利于集水集物的地形地貌、豐富松散的固體物源和短時(shí)間突然性的大量水源。針對(duì)本次泥石流，對(duì)其三個(gè)方面的成災(zāi)條件具體分析。

3.1 地形地貌條件

泥石流由主溝N1、N2及其發(fā)育的支溝N3、N4共四條溝道組成如圖1，呈樹枝狀分布，流域整體方向呈西向東，總流域面積約0.11 km2。N1溝道呈“U”形如圖2，長(zhǎng)約203 m，溝道平均縱坡約195‰，匯水面積為0.011 km2。N2溝道呈“V”形如圖3，長(zhǎng)約457 m，溝道平均縱坡約280‰，匯水面積(含N3和N4匯流面積0.064 km2)為0.095 km2。N3支溝呈“V”形，長(zhǎng)約253 m，溝道平均縱坡約344‰，匯水面積為0.034 km2。N4支溝呈“V”形，長(zhǎng)約273 m，溝道平均縱坡約282‰，匯水面積為0.03 km2。

圖1 泥石流流域衛(wèi)星圖

圖2 N1溝床縱坡圖

圖3 N2溝床縱坡圖

整體來講，泥石流溝谷形態(tài)以“U”、“V”字形為主，溝道中上游縱坡較陡，溝道較為順直，利于雨水迅速匯集，減少其徑流時(shí)間；下游溝口縱坡較緩，大量水源物源在此減緩運(yùn)動(dòng)速度并逐漸停留下來形成泥石流堆積；溝道兩側(cè)斜坡整體較陡，坡度一般約為30°～45°，平均約40°，為固體物源提供了有利的勢(shì)能條件。

3.2 物源條件

泥石流的物源主要來自于溝谷兩側(cè)斜坡上分布的崩滑體所形成的的崩滑堆積物源、坡面表層土體受水力侵蝕或重力侵蝕所形成的坡面侵蝕物源、溝道內(nèi)歷史堆積的松散物質(zhì)所形成的溝道堆積物源。各物源儲(chǔ)量見表1。

表1 泥石流物源匯總表

崩滑堆積物源主要分布于穩(wěn)定性較差的溝道岸坡處，以崩滑體的形式存在。崩滑體坡度較陡，在重力作用下有向坡腳溝道方向發(fā)生塑性擠壓的趨勢(shì)，其物質(zhì)主要以松散的殘坡積粉質(zhì)黏土層(一般1～3 m)和呈砂礫狀的全風(fēng)化花崗巖層(一般2～7 m)等為主，在雨水滲透作用下飽水，導(dǎo)致其物質(zhì)結(jié)構(gòu)破壞、自重增加、抗剪強(qiáng)度降低，繼而發(fā)生沿粉質(zhì)黏土和全風(fēng)化花崗巖內(nèi)部的圓弧滑動(dòng)而形成崩滑體，成為泥石流的重要物源。

坡面侵蝕物源主要分布于流域內(nèi)斜坡坡面上，由于該泥石流流域岸坡坡度較大，一般約為30°～45°，平均約40°，基本在坡面侵蝕臨界角范圍內(nèi)；而坡面表層以殘坡積粉質(zhì)黏土為主，其結(jié)構(gòu)松散，易受水力侵蝕或自身重力侵蝕而進(jìn)入溝道形成泥石流的物源。

溝道堆積物源主要為溝道內(nèi)的歷史形成的松散堆積層，既包括溝道自身側(cè)蝕形成的堆積物，也包括崩滑體失穩(wěn)和坡面侵蝕物質(zhì)運(yùn)動(dòng)至溝道形成的堆積物，在遭遇大暴雨的情況，由于溝床水動(dòng)力條件將大大提高，可能將溝床刨蝕，裹挾大量堆積物而直接參與泥石流活動(dòng)。

崩滑體失穩(wěn)是一個(gè)即時(shí)的過程，在降雨條件下崩滑體失穩(wěn)形成的崩滑堆積物源可轉(zhuǎn)化為溝道堆積物源；坡面侵蝕是一個(gè)緩慢的過程，其累積形成的坡面侵蝕物源亦可轉(zhuǎn)化為溝道堆積物源；溝道堆積物源在強(qiáng)降雨作用下最可能首先啟動(dòng)，在其不斷流動(dòng)的過程中掏蝕岸坡坡腳，加速溝谷岸坡上坡體局部或整體失穩(wěn)，形成新崩滑堆積物源，為泥石流運(yùn)動(dòng)提供更多固體物源，故物源間的相互轉(zhuǎn)化使得可直接參與泥石流的物源量不斷增加。由于溝道縱坡和寬度的差異，部分物源可能發(fā)生水砂分離而在溝道寬緩地帶淤積下來，加之部分物源粒徑較小，其可能被常年性流水挾裹而走，故可直接參與泥石流的物源量物隨著時(shí)間可不斷減少?？傊嗍鲄^(qū)域物源總量是一定的，但一次可直接參與泥石流的物源量是動(dòng)態(tài)變化的，本次泥石流爆發(fā)時(shí)沖出物源量約13 000 m3。

3.3 水源條件

泥石流溝道水量主要靠大氣降水和地下水滲透補(bǔ)給。由于區(qū)內(nèi)松散巖類孔隙水水量貧乏，基巖裂隙水埋深較大，均地下水難以滲透于溝道形成地表徑流。加之N1溝道無明顯水流；N2及其支溝N3和N4雖有常年性流水匯集于N2溝口，但其流量不穩(wěn)定，在汛期約0.05 m3/s，旱季流量極小，難以匯流成溪，故泥石流形成的水源主要為大氣降水。

本次泥石流爆發(fā)時(shí)正值汛期(汛期時(shí)間4～9月，平均降雨量1 065.2 mm，占年均降雨量的68.9%)，爆發(fā)當(dāng)日降雨量249 mm，時(shí)最大降雨量64.9 mm，10 min最大降雨量23.2 mm如圖4。

區(qū)內(nèi)泥石流日激發(fā)雨量100 mm，1 h激發(fā)雨量40 mm，10 min激發(fā)雨量12 mm。據(jù)此計(jì)算暴雨強(qiáng)度指標(biāo)以判斷發(fā)災(zāi)機(jī)率，公式如下：

圖4 2015年7月4日00時(shí)～7月5日00時(shí)流域內(nèi)小時(shí)降雨時(shí)間分布圖

R=K(H24/H24(D)+H1/H1(D)+H1/6/H1/6(D))

式中：R為暴雨強(qiáng)度指標(biāo)，其中R<3.1為安全雨情，3.1≤R≤4.2發(fā)災(zāi)機(jī)率<0.2，4.210發(fā)災(zāi)機(jī)率>0.8；K為前期降雨修整系數(shù)；因前期有降雨，取1.2；H24、H1、H1/6分別為24 h最大降雨量、1 h最大降雨量、10 min最大降雨量，mm；H24(D)、H1(D)、H1/6(D)分別為24 h激發(fā)雨量、1 h激發(fā)雨量、10 min激發(fā)雨量，mm。

計(jì)算本次泥石流爆發(fā)時(shí)暴雨強(qiáng)度指標(biāo)R為7.3，故泥石流發(fā)生機(jī)率0.2～0.8。因此發(fā)災(zāi)時(shí)區(qū)內(nèi)暴雨強(qiáng)度滿足泥石流的激發(fā)條件，為該泥石流提供了充足的水源條件，激發(fā)溝內(nèi)不同類型的松散物源失穩(wěn)而參與泥石流活動(dòng)，誘發(fā)了泥石流災(zāi)害。根據(jù)泥石流爆發(fā)時(shí)暴雨強(qiáng)度計(jì)算泥石流的相關(guān)水力特征，見表2。

表2 泥石流水力計(jì)算表

計(jì)算結(jié)果顯示泥石流爆發(fā)時(shí)流速處于一個(gè)較小的范圍內(nèi)，在該流速下可被啟動(dòng)的粒徑一般小于200 mm，對(duì)于大粒徑塊石難以啟動(dòng)。而由于流域?yàn)榛◢弾r地區(qū)，其風(fēng)化物粒徑多在1～20 mm之間，根據(jù)對(duì)泥石流堆積物進(jìn)行顆分試驗(yàn)，顯示堆積物主要以砂礫為主，其中直徑大于2 mm的顆粒含量約35.6%，小于2 mm的顆粒含量約64.4%，故流域內(nèi)的松散堆積體大部分可以被啟動(dòng)形成泥石流。

4 結(jié)語

三江口泥石流屬于典型暴雨型泥石流，其匯水條件較好，物源較為豐富，當(dāng)強(qiáng)降雨產(chǎn)生時(shí)，直接激發(fā)流域內(nèi)各類物源流動(dòng)形成泥石流。根據(jù)流域內(nèi)現(xiàn)有物源穩(wěn)定狀況及分布特征，在一定暴雨強(qiáng)度下，再次暴發(fā)泥石流的可能性大，應(yīng)對(duì)其進(jìn)行有效治理。該泥石流治理可采用攔排結(jié)合停淤的方式：于溝谷坡度較緩處修建多級(jí)谷坊進(jìn)行攔擋；于溝口平緩處修建沉淀池起到停淤作用；于溝口至下游河流沿線修建排導(dǎo)槽將泥石流排入下游河流；同時(shí)對(duì)流域內(nèi)崩滑體進(jìn)行綠化以防止生態(tài)惡化，實(shí)現(xiàn)生態(tài)恢復(fù)和工程治理的有機(jī)結(jié)合。