祁連縣小東索泥石流成因及危險(xiǎn)度評(píng)價(jià)

白 云， 曾 磊， 陳 毅

(四川省冶金地質(zhì)勘查局六○五大隊(duì)，四川 彭山 620860)

小東索泥石流位于祁連縣八寶鎮(zhèn)阿咪東索風(fēng)景區(qū)內(nèi)，在2014年7月暴雨的影響下，該溝爆發(fā)了泥石流災(zāi)害，參與該次泥石流的固體物源近35×104m3，使原始流域溝床整體平均抬高5～15 m。本次泥石流災(zāi)害雖未造成人員傷亡，但對(duì)溝域內(nèi)生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重破壞，直接威脅阿咪東索河道。因此，分析該泥石流的成因、評(píng)價(jià)其危險(xiǎn)度對(duì)該區(qū)域泥石流的監(jiān)測預(yù)警、災(zāi)害防治等具有重要的指導(dǎo)意義。

1 研究區(qū)泥石流形成條件分析

1.1 地形及溝道條件

小東索溝流域面積約3.55 km2，整體呈南東—北西向展布，縱向主溝長約5.42 km，主溝縱向平均坡降195‰，相對(duì)高差約1 060 m。溝谷形態(tài)整體狹長，溝道中上游呈“V”字型峽谷，中游至下游段呈“U”字型峽谷。小東索溝流域整體中游較寬闊，上、下游溝道時(shí)寬時(shí)窄，溝道寬度一般5～15 m，兩側(cè)岸坡坡度一般30°～70°，山勢(shì)陡峻，且溝道內(nèi)常年有流水，匯水及水源條件均較好，為泥石流災(zāi)害的再次爆發(fā)提供了較好的地形條件。

1.2 降雨條件

研究區(qū)地處青藏高原的東北部祁連山中段，深居內(nèi)陸，屬高原亞寒帶半濕潤氣候區(qū)。受地形、地貌的影響，垂直分帶明顯。區(qū)內(nèi)總的氣候特征：四季不分明、冬長暑短、氣候寒冷、降水量少、蒸發(fā)量大、日溫差大等特點(diǎn)。

據(jù)祁連縣氣象站1960～2017年的降雨特征資料統(tǒng)計(jì)，年內(nèi)降水分配極不均勻，降水多集中在每年6～9月，占全年降水總量89.7%(圖1)；降水年際變率大，最多年降水量573.1 mm，最少年降水量63.2 mm，兩者相差9.1倍。據(jù)1956～2017年一日最大降水量資料，該縣一日最大降雨量為40.5 mm，出現(xiàn)在1995年6月15日，一小時(shí)最大降水21.9 mm，區(qū)內(nèi)無特大暴雨，多發(fā)大雨和中雨，24小時(shí)降水量大于50 mm未曾發(fā)生，大于25 mm大雨發(fā)生24次，大于20 mm的強(qiáng)降雨共發(fā)生41次，強(qiáng)降雨出現(xiàn)與泥石流災(zāi)害發(fā)生大體吻合。

本區(qū)50年內(nèi)每年出現(xiàn)一次大雨天氣的幾率為35.19%。區(qū)內(nèi)降雨較豐沛，且雨量集中，其雨強(qiáng)完全可以滿足激發(fā)泥石流的條件，暴雨是該泥石流的主要引發(fā)因素。

圖1 祁連縣降水量直方圖

1.3 物源條件

小東索流域?yàn)楸l(fā)泥石流提供的物源類型主要分為：崩塌、滑坡、坡面泥石流堆積類物源，溝道堆積類物源及坡面侵蝕類物源三大類(圖2)。其中崩塌、滑坡、坡面泥石流堆積類將成為日后啟動(dòng)泥石流活動(dòng)的主要物質(zhì)基礎(chǔ)。原發(fā)育的崩滑堆積類物源已大多在2014年泥石流爆發(fā)之際被洪水(或泥石流)沖刷攜帶至中下游溝道或堆積區(qū)內(nèi)。

圖2 流域物源特征

泥石流流域內(nèi)岸坡坡度較陡、基巖風(fēng)化和采礦活動(dòng)等導(dǎo)致溝道兩岸崩滑體堆積，在夏季強(qiáng)降雨的作用下冰水堆積層因土體中的冰融化后導(dǎo)致土體十分松散而形成坡面泥石流；其次為溝道堆積類物源，坡面侵蝕物源較少，各類物源統(tǒng)計(jì)量見表1。

表1 流域內(nèi)主要物源統(tǒng)計(jì)表

1.4 泥石流成因機(jī)制分析

2014年7月前小東索溝流域還未曾爆發(fā)過大的泥石流災(zāi)害，但在溝道上游每年凍融交替季節(jié)、雨季都會(huì)發(fā)生不同規(guī)模泥石流或坡面泥流現(xiàn)象。因水動(dòng)力條件不足，且溝床地形變窄、流水對(duì)溝道松散堆積物的沖刷產(chǎn)生的松散土石，導(dǎo)致部分溝道堵塞。2014年7月在暴雨影響下，造成堰塞體潰決，產(chǎn)生再次放大效應(yīng)，泥石流的流速與流量進(jìn)一步增大，對(duì)該流域生態(tài)環(huán)境造成了極大破壞，威脅下游河道。由此判斷該泥石流屬于具堵潰特征的降雨(融雪)啟動(dòng)型溝谷黏性泥石流。

該泥石流主要的誘發(fā)因素為暴雨。因形成區(qū)地形縱坡較陡，物源豐富，在暴雨、融雪作用下，憑借良好的匯水條件和地形條件，形成泥石流災(zāi)害，并將形成流通區(qū)內(nèi)的崩塌流、溝道松散堆積物轉(zhuǎn)化為形成泥石流的物源，沖往下游堆積區(qū)。

2 泥石流特征值

2.1 泥石流容重

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查訪問，該泥石流發(fā)生時(shí)，流體主要呈現(xiàn)稠泥狀，水與固體物質(zhì)的含量約各占50%，運(yùn)動(dòng)時(shí)碎石、塊石被砂礫包裹的方式向前推進(jìn)，響聲沉悶。鑒于上述泥石流流體特征，采用如下計(jì)算公式計(jì)算泥石流容重：

(1)

式(1)中：γc為泥石流容重，t/m3；ρw為水的密度，t/m3；ds為固體顆粒相對(duì)密度，t/m3；f為固體物質(zhì)體積和水的體積之比。

取堆積物質(zhì)配制泥石流漿體進(jìn)行現(xiàn)場容重試驗(yàn)，得出f=1；ds=2.40 t/m3，通過上述計(jì)算，泥石流容重值為1.70 t/m3，屬黏性泥石流。

2.2 泥石流流速

泥石流流速是決定泥石流動(dòng)力學(xué)性質(zhì)最重要的參數(shù)之一。黏性泥石流的流速計(jì)算公式主要有泥石流改進(jìn)公式、武都地區(qū)黏性泥石流流速計(jì)算公式、通用公式三種，本次選擇通用公式：

Vc=1/nc·Hc2/3·Ic1/2

(2)

式(2)中：Vc為泥石流斷面平均流速，m/s；Hc為計(jì)算斷面的平均泥深，m；Ic為泥石流水力坡度，‰；nc為泥石流溝床糙率。

通過野外地質(zhì)調(diào)查和進(jìn)行泥石流溝典型斷面的繪制，計(jì)算水力半徑、坡降比等參數(shù)，得出泥石流流速流量的數(shù)據(jù)見表2。

表2 泥石流流速流量數(shù)據(jù)

2.3 泥石流流量

采用形態(tài)調(diào)查法計(jì)算泥石流流量，計(jì)算公式如下：

Qc=Wc·Vc

(3)

式(3)中：Qc為不同部位泥石流流量，m3/s；Vc為泥石流斷面平均流速，m/s；Wc為泥石流過流面積，m2。計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 泥石流流量估算表

2.4 一次泥石流總量及固體物質(zhì)沖出量

根據(jù)現(xiàn)場泥石流洪痕實(shí)測參數(shù)，一次泥石流總量按(4)式計(jì)算，一次固體物質(zhì)沖出量按(5)式計(jì)算。

Q=K·T·Qc

(4)

QH=Q(γc-γw)/(γH-γw)

(5)

式(4)中：K值的變化隨流域面積(F)的大小而變化；T為泥石流持續(xù)時(shí)間，s；Qc為最大流量，m3/s。

式(5)中：γH為泥石流固體物質(zhì)比重，t/m3；γc為泥石流容重，t/m3；γw為水容重，t/m3。

計(jì)算結(jié)果見表4。

表4 泥石流沖出固體物質(zhì)總量

3 泥石流危險(xiǎn)度評(píng)價(jià)

危險(xiǎn)性是具有潛在致?lián)p性的物理事件、現(xiàn)象和人類活動(dòng)等發(fā)生的可能性，定量上可以表達(dá)為危險(xiǎn)度。小東索流域爆發(fā)泥石流后，大部分物源已被沖走，但溝道流通區(qū)內(nèi)仍淤積部分砂礫、碎石，堆積區(qū)形態(tài)比較明顯。小東索流域整體為中山峽谷地帶，溝道形態(tài)以“V”和“U”型溝道相間，溝道堵塞程度為輕微。主溝溝道縱坡平均坡率約195‰，植被覆蓋率較低，起到匯集雨水的作用，而且能夠?yàn)槟嗍骰顒?dòng)提供大量的松散物源。本文對(duì)其未來泥石流發(fā)生的危險(xiǎn)性進(jìn)行評(píng)價(jià)。

3.1 泥石流危險(xiǎn)度評(píng)價(jià)模型

我國泥石流危險(xiǎn)度的評(píng)價(jià)模型以劉希林的函數(shù)賦值模型為代表，陳鵬宇等對(duì)其進(jìn)行了改進(jìn)。本文采用這兩種方法進(jìn)行危險(xiǎn)度評(píng)價(jià)。

基于灰色關(guān)聯(lián)法，劉希林等提出的單溝泥石流危險(xiǎn)性計(jì)算方法如下：

H單=0.29M+0.29F+0.14S1+0.09S2+

0.06S3+0.11S6+0.03S9

(6)

陳鵬宇等改進(jìn)公式為：

H單=0.103M+0.143F+0.07S2+0.068S3+

0.149S6+0.057S7+0.168S8+0.085S9+

0.155S12

(7)

上述式中各參數(shù)代表各評(píng)價(jià)因子：M為泥石流規(guī)模，104m3；F為泥石流發(fā)生頻次，次/百年；S1為流域面積，km2；S2為主溝長，km；S3為流域相對(duì)高差，km；S6為流域切割密度，km-1；S7為主溝床彎曲系數(shù)；S8為松散固體物質(zhì)儲(chǔ)量，104m3；S9為不穩(wěn)定溝床比；S12為植被覆蓋率。

式(6)、(7)中的M、F、S1、S2、S3、S6、S7、S8、S9、S12為相應(yīng)因子在依據(jù)表5進(jìn)行賦值后的數(shù)值。表6為該泥石流評(píng)價(jià)因子詳細(xì)數(shù)據(jù)及賦值結(jié)果。

表5 泥石流危險(xiǎn)因子等級(jí)及賦值

表6 危險(xiǎn)因子及其賦值

3.2 泥石流危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)結(jié)果

將表6泥石流評(píng)價(jià)因子賦值結(jié)果代入式(6)計(jì)算得危險(xiǎn)度為0.43；代入式(7)計(jì)算得危險(xiǎn)度為0.36。按泥石流危險(xiǎn)性分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(表7)可知，采用兩種評(píng)價(jià)方法均得出該泥石流為中度危險(xiǎn)。

表7 泥石流危險(xiǎn)性分級(jí)

4 結(jié)論及建議

通過對(duì)小東索泥石流的野外現(xiàn)場勘查、室內(nèi)綜合研究，得到如下結(jié)論與認(rèn)識(shí)：

(1)流域內(nèi)松散固體物源豐富，主要為滑坡類物源、溝道堆積類物源及溝道岸坡侵蝕類物源，總儲(chǔ)量約145.32×104m3，其中不穩(wěn)定物源約29.72×104m3，占比為20.45%。

(2)小東索泥石流為具有一定堵潰特征的降水啟動(dòng)型溝谷型黏性泥石流，其容重為1.70 t/m3，流速為1.97～3.38 m/s。

(3)通過對(duì)泥石流危險(xiǎn)性分析，該泥石流屬中度危險(xiǎn)，再次爆發(fā)泥石流的可能性較大。

(4)該區(qū)域生態(tài)環(huán)境脆弱，受泥石流破壞強(qiáng)烈。生態(tài)環(huán)境的改善對(duì)抑制地質(zhì)災(zāi)害有較大作用，可作為一種長效防治的災(zāi)害措施。