棲霞市生木樹泥石流隱患點發(fā)育特征及發(fā)展趨勢分析評價

張生海,韓明智,高松，白瑩

(山東省第三地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，山東 煙臺 264004)

棲霞市生木樹泥石流隱患點為煙臺市471處地質(zhì)災害隱患點其中1處，曾于1979年7月因暴雨引發(fā)泥石流災害，造成直接經(jīng)濟損失52萬元，但未造成人員傷亡，現(xiàn)仍然威脅著流域內(nèi)人民群眾的生命財產(chǎn)安全。該文以泥石流溝流域作為研究區(qū)，以實地勘察成果為基礎，分析評價了泥石流隱發(fā)育特征及發(fā)展趨勢并計算了泥石流基本特征值，為同類型泥石流的防治提供科學依據(jù)[1-7]。

1 地質(zhì)環(huán)境背景條件

研究區(qū)屬暖溫帶東亞大陸性季風型半濕潤氣候，四季分明，年平均氣溫11.4℃，多年平均降水量673.44mm，雨季主要集中在7—8月份；區(qū)內(nèi)屬剝蝕低山地貌，地勢西北高東南低，大地構(gòu)造屬華北板塊(Ⅰ級)膠遼隆起區(qū)(Ⅱ級)膠北隆起(Ⅲ級)膠北斷隆(Ⅳ級)棲霞-馬連莊凸起(Ⅴ級)[8]，大面積出露新太古代奧長花崗巖及片麻巖，沿泥石流溝谷及沿岸地帶主要出露漂石、塊石、角礫、粉質(zhì)黏土等松散覆蓋層，區(qū)內(nèi)出露2條NE向斷裂構(gòu)造。

2 泥石流發(fā)育特征及形成機理

2.1 泥石流基本特征

2.1.1 泥石流溝道特征

研究區(qū)為一較完整的溝谷流域，地形起伏較大，切割深度<300m，坡度10°～40°，匯水面積0.8km2，溝谷兩側(cè)松散堆積物厚度0.5～10.0m，植被覆蓋率>60%，流域內(nèi)主要包括1條較發(fā)育主溝及2條不發(fā)育支溝(圖1)，溝谷橫斷面均呈“V”型。

主溝長約500m，縱坡(176～839)×10-3，切割深度>10m,溝寬10～50m，深0.8～2.5m，溝床及兩岸覆蓋松散漂石、塊石、碎石土、耕土，上游地帶基巖出露；支溝1長約230m，縱坡268×10-3左右，溝寬10～30m，溝底發(fā)育侵蝕切割沖溝，沖溝深度0.5～1.0m，上游基巖出露，下游主要覆蓋粉土、碎石土、漂石，溝道底部現(xiàn)在為梯田；支溝2長150m，縱坡364×10-3左右，溝寬2～6m，溝底發(fā)育侵蝕切割沖溝，沖溝深0.3～1.0m，上游基巖出露，下游主要覆蓋粉土、碎石土、漂石，支溝兩岸主要為梯田。

2.1.2 泥石流各區(qū)段沖淤特征

區(qū)內(nèi)地質(zhì)、地貌、氣候條件為泥石流形成提供了較豐富松散物質(zhì)和水動力條件，地形為泥石流流通提供通道條件。通過實地勘察及分析研究，該泥石流溝劃分為形成區(qū)、流通區(qū)、堆積區(qū)(圖1)：

1—匯水面積范圍,2—形成區(qū),3—流通區(qū),4—堆積區(qū),5—泥石流溝,6—村莊,7—分區(qū)界線,8—斷裂構(gòu)造圖1 泥石流溝流域略圖

(1)形成沖淤特征。形成區(qū)主要為3條泥石流溝起始至匯集區(qū)域，長約670m，面積約0.3km2，該區(qū)地形起伏較大，縱坡最大達839×10-3，降水匯集后水動力條件好，其沖淤特征以沖刷為主：上游地帶主要出露基巖斜坡，植被覆蓋率高>60%，抗沖刷能力較強，區(qū)內(nèi)匯水面積較小，流水沖刷能力相對較弱：中下游因泥石流災害，大量松散物質(zhì)堆積溝道中且溝道兩岸為梯田，抗沖刷能力較弱。該區(qū)主要表現(xiàn)為以沖刷為主，局部地形平緩處有淤積現(xiàn)象的特點。

(2)流通區(qū)沖淤特征。流通區(qū)主要分布于形成區(qū)與堆積區(qū)之間，長約300m，面積約0.05km2，溝道地形起伏較小，平均坡降約150×10-3，主流方向未偏離且河形變化不大，這種條件決定該溝段沖淤特征為以淤為主的特點。

(3)堆積區(qū)沖淤特征。堆積區(qū)位于研究區(qū)下游地形相對平緩地帶，長約530m，面積約0.1km2，溝道形態(tài)逐漸由“V”字型向?qū)捑彽匦无D(zhuǎn)變，主流方向未偏離且河形變化不大，平均坡降約110×10-3，沖淤特征主要為沖刷：泥石流災害將原溝道中松散堆積體和溝底的強風化基巖部分裹挾、鏟刮最后運移至該區(qū)，區(qū)內(nèi)地形較為開闊，堵潰可能性較小，有利于泥石流物質(zhì)的停放，堆積物主要為塊石、漂石、碎石土。

2.1.3 泥石流物源條件

根據(jù)現(xiàn)場勘察，泥石流物源主要來自形成區(qū)內(nèi)的洪積物和溝岸兩側(cè)的坡積物，補給長度比約30%：主溝物源主要分布溝谷及兩岸，面積160258m2，厚0.2～10.0m，平均厚度約2m；支溝1松散覆蓋層厚度0.2～6.0m，平均厚度約1.5m，分布面積49907m2；支溝2松散覆蓋層厚度0.2～8.0m不等，平均厚度約1.5m，分布面積95924m2。根據(jù)《泥石流災害防治工程勘查規(guī)范》(T/CAGHP006--2018)附錄C，采用分布面積與平均厚度的乘積法計算出研究區(qū)物源總量46.66×104m3，流域動儲量為46.66×20%=9.33×104m3。

2.1.4 泥石流堆積物特征

(1)堆積物顆粒特征。區(qū)內(nèi)的泥石流堆積體呈扇形狀堆積于溝道及兩岸，主要為漂石、塊石，角礫石、碎石土及粉質(zhì)黏土等，整體呈灰褐色或黃褐色，塊石粒徑一般在10～400mm之間，最大2.0m，含量>50%，磨圓度及分選性較差，局部碎石呈尖棱狀，母巖成分為奧長花崗巖，碎塊石間被角礫、粉質(zhì)黏土等充填。

(2)堆積物疊置關(guān)系及成因分析。泥石流發(fā)生初始階段，流體運動速度快，沖擊力大，各種粒徑的石塊及土被快速沖刷攜帶而走；隨后經(jīng)流通爬高后能量消耗，運動速度減慢，沖擊力減弱，大粒徑石塊停積在溝道中，粒徑較小的石塊及土可繼續(xù)流通，停積的石塊導致其對泥石流排導能力減弱甚至失去排導能力，粒徑較小的石塊及土層主要表現(xiàn)為漫流和淤埋。綜上，區(qū)內(nèi)泥石流堆積物在垂向上，粒徑呈現(xiàn)上大下小的漂石或塊石、角礫或碎石土、粉土及粉質(zhì)黏土疊置；在徑流方向上，粒徑呈現(xiàn)自上游的漂石或塊石、角礫石至下游的角礫石、粉土、粉質(zhì)黏土自大變小的堆積特征。

2.1.5 泥石流類型劃分[9]

(1)按水源和物源成因分類。該泥石流災害因暴雨引發(fā)，坡面和沖溝侵蝕提供泥石流形成的主要物源，屬暴雨型、坡面侵蝕型泥石流。

(2)按集水區(qū)特征分類。研究區(qū)上游屬中低山，近似呈扇形，沖溝主要位于山間溝谷中，呈長條帶狀，物源主要分布于沖溝兩岸，受暴雨和匯流水體的沖蝕作用較為強烈。整體而言，泥石流區(qū)域受一定的溝谷制約，流域周界較為清晰，上游匯水區(qū)、物源區(qū)、形成至堆積區(qū)有一定的層次感，屬溝谷型泥石流。

(3)按爆發(fā)頻率分類。該泥石流溝谷曾于1979年7月發(fā)生泥石流，至今暫未再次發(fā)生泥石流地質(zhì)災害，按爆發(fā)頻率1次/100年<1次/20年確定為低頻率泥石流。

(4)按物質(zhì)組成及流體性質(zhì)分類。泥石流物質(zhì)主要漂石、塊石，角礫石、碎石及少量砂土和粉質(zhì)黏土，漂石、塊石堆積于上游地帶，碎石土、砂土及粉質(zhì)黏土等被水流攜帶至下游，堆積物雜亂，無定向性和分選性，且堆積物塊石表面較干凈，無泥漿殘留，結(jié)合泥石流發(fā)生時的暴雨情況，初步估計泥石流重度在1.3～1.8t/m3之間,屬水石型、稀性泥石流。

(5)按一次性爆發(fā)規(guī)模劃分。據(jù)調(diào)查訪問與資料收集(1)山東省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測總站，山東省棲霞市1∶5萬地質(zhì)災害調(diào)查報告，2012年。，該泥石流災害一次沖出固體質(zhì)量約2.7×104m3，規(guī)模為中型。

綜上，研究區(qū)泥石流屬于由暴雨激發(fā)的坡面侵蝕型的、低頻率的、一次爆發(fā)規(guī)模為中型的、水石型的、稀性的溝谷型泥石流。

2.2 泥石流形成機理與引發(fā)因素

2.2.1 形成機理

溝谷型泥石流的形成條件主要有3個：地形、物源、水源條件[10-11]，研究區(qū)1979年因暴雨引發(fā)泥石流，具備泥石流形成所必須的地形地貌條件、固體物質(zhì)來源及水源條件。

(1)地形地貌條件。區(qū)內(nèi)泥石流溝為封閉的“V”型谷，屬剝蝕低山，總體地勢西北高東南低，地形起伏較大，相對高差290.09m，溝谷縱坡降最高可達839×10-3，溝形較為順直。較大的地形高差和較窄溝谷，有利于松散固體物源、雨水的匯集，為泥石流的形成、運動提供了有力條件。

(2)物源條件。充分的松散固體物質(zhì)是形成泥石流的必要條件之一[12-13]，研究區(qū)松散固體物質(zhì)主要分布于泥石流溝床及其兩岸的漂石、塊石、角礫石、砂土、粉質(zhì)黏土及梯田耕植土等松散覆蓋層，物源總量達46.66×104m3，流域流動儲量約9.33×104m3，為泥石流的形成提供了充足的物質(zhì)來源。松散固體物源的累計和動態(tài)變化情況及與引發(fā)泥石流的暴雨情況相關(guān)[14]。

(3)水源條件。降雨強度越大，越有利于泥石流的發(fā)生、發(fā)展及活動[15]，區(qū)內(nèi)7—8月期間常出現(xiàn)暴雨天氣，且具有強度大、歷時短等特點，暴雨能夠在短時間內(nèi)為泥石流提供充足的水源[16-17]，加大溝谷侵蝕強度，各種疏松物質(zhì)隨水流攜帶，迅速匯集在分支溝和主溝中，造成溝床堵塞、流體增稠、產(chǎn)能積累，為泥石流的形成爆發(fā)提供了動力。

2.2.2 引發(fā)因素

區(qū)內(nèi)目前人類工程活動主要為梯田耕種，為泥石流的發(fā)生提供了松散的梯田耕植土物源，區(qū)內(nèi)引發(fā)泥石流發(fā)生的主要因素為降雨。當局部長時間的大暴雨和長時間降雨后又降大暴雨時，會啟動溝道上游人工堆積物、溝道堆積物，爆發(fā)泥石流的可能行較大，同時會造成斜坡不穩(wěn)定堆積物失穩(wěn)進入溝道，大大增加泥石流物源量。

3 泥石流特征值計算

3.1 泥石流流體重度

據(jù)實地調(diào)查目睹過泥石流的居民，按照他們的感官描述，發(fā)生的泥石流漿體為稀漿狀，根據(jù)流體形態(tài)調(diào)查法初步估計泥石流流體容重取值1.20～1.40t/m3[9]；同時選擇具有代表性的堆積物4組，進行現(xiàn)場配漿試驗，采用計算公式：γc=Wc/Vc[9],式中：γc為泥石流流體容重(t/m3)；Wc為樣品質(zhì)量(g)，該次4組試驗的樣品平均質(zhì)量為6900g；Vc為樣品的體積(cm3)，測量容器體積為5000cm3；計算泥石流流體重度平均值為1.38t/m3；綜合確定研究區(qū)泥石流流體重度為1.38t/m3。

3.2 泥石流流速

目前，泥石流流速主要采用經(jīng)驗和半經(jīng)驗公式計算，一般分為稀性、黏性和泥石流中大石塊運動速度計算公式3類[18-20]，根據(jù)泥石流流體重度計算結(jié)果，該次在主溝、支溝1、支溝2及流通區(qū)溝道各選取1處泥石流溝計算斷面，采用急稀性泥石流流速計算公式：Vc=1.8(gR)1/2I1/10[9]進行計算，式中：Vc為泥石流流速(m/s)；g為重力加速度(g=9.8m/s2)；R為水力半徑(m)，一般可用平均泥位代替，根據(jù)實地調(diào)查，各泥石流溝平均泥位：主溝為0.50m，支溝1為0.40m，支溝2為0.5m，流通區(qū)為1.0m；I為縱坡降：主溝I=0.35，支溝1I=0.15，支溝2I=0.20，流通區(qū)I=0.10。將各參數(shù)帶入上述公式中計算得出各泥石流計算斷面泥石流流速(Vc)：主溝為3.59m/s，支溝1為2.95m/s，支溝2為3.39m/s，流通區(qū)為4.48m/s。

3.3 泥石流峰值流量

泥石流峰值流量一般可通過形態(tài)調(diào)查法和雨洪法進行計算，形態(tài)調(diào)查法計算結(jié)果沒有考慮暴雨頻率的概念[20]，而雨洪法則根據(jù)現(xiàn)有溝域面積進行計算，具有預測性質(zhì)，故該次選取上述4處計算斷面采用雨洪法進行泥石流峰值流量計算。計算公式為Qc=(1+φ)QpDc[9]和Qp=ΨFs[9]，式中：Qc為頻率為P的泥石流洪峰值流量(m3/s)；φ為泥石流泥沙修正系數(shù)參照附錄I.2確定；Qp頻率為P的暴雨洪水設計流量(m3/s)；Dc為泥石流堵塞系數(shù)，該泥石流溝堵塞程度輕微，查表取Dc=1.3；F為計算斷面流域面積(km2)；s為小時雨強(mm)，取2016年7月18日百年一遇的1小時降水量達95.0mm；Ψ為暴雨徑流系數(shù)，研究區(qū)為針葉樹林，查表取0.8。雨洪法計算泥石流峰值流量結(jié)果見表1。

表1 泥石流峰值流量計算結(jié)果(雨洪法)

3.4 一次泥石流過流總量

根據(jù)泥石流歷時和最大流量，按下式進行計算：Q=0.264TQc[9]，式中：Q為泥石流一次過程總量(m3)；T為泥石流歷時(s)，據(jù)當?shù)匕傩栈貞洠?979年泥石流發(fā)生時，降雨持續(xù)時間長達2h左右，泥石流歷經(jīng)20min(T=1200s)；Qc為泥石流最大峰值流量(m3/s)，取46.99m3/s。將各參數(shù)帶入上述公式計算得出Q=14886.43m3。

3.5 一次泥石流沖出固體物質(zhì)總量

按下式進行計算：QH=Q(γc-γw)/(γH-γw)[9]，式中：QH為一次泥石流固體物質(zhì)沖出量(m3)；Q為泥石流一次過程總量(m3)，取上述計算結(jié)果Q=14886.43m3；γc為泥石流重度(t/m3)，取前述計算結(jié)果γc=1.38t/m3；γw為清水重度(γw=1.0t/m3)；γH為泥石流固體質(zhì)量的重度(t/m3)，根據(jù)《泥石流災害防治工程勘查規(guī)范》(T/CAGHP006--2018)，附錄I.2取γH=2.65t/m3。將各參數(shù)帶入上述公式計算出QH=9333.79m3。

3.6 泥石流爬高和最大沖起高度

表2 泥石流爬高和最大沖起高度計算結(jié)果

4 泥石流發(fā)展趨勢分析評價

4.1 泥石流易發(fā)程度分析與評價

根據(jù)區(qū)內(nèi)泥石流發(fā)育特征，泥石流溝流域面積0.8km2，植被覆蓋率>60%；區(qū)內(nèi)位于構(gòu)造相對穩(wěn)定區(qū)，存在侵蝕沖溝；區(qū)內(nèi)相對高差209.09m，溝谷橫斷面呈“V”字型，坡度10°～40°，溝岸山坡坡度>32°；區(qū)內(nèi)主要出露新太古代奧長花崗巖及片麻巖和松散第四系殘坡積物、崩坡積物等，松散覆蓋物平均厚度1.5～2.0m，物源總量達46.66×104m3，流域流動儲量約9.33×104m3，物源豐富；松散物源沿溝道補給較充分，補給長度比約30%，溝谷內(nèi)(1979年7月泥石流)一次泥石流沖淤變幅<0.2m，溝谷堵塞程度輕微。

根據(jù)上述泥石流溝域基本特征和參數(shù)，對照《泥石流災害防治工程勘查規(guī)范》(DT/T0220--2018)附錄I.1“泥石流溝易發(fā)程度數(shù)量化評分表”(表3)，研究區(qū)泥石流易發(fā)程度評分為70分，依據(jù)附錄I.3“泥石流溝易發(fā)程度數(shù)量化綜合評判等級標準表”，研究區(qū)泥石流易發(fā)程度評分位于44～86分之間，為輕度易發(fā)。

4.2 泥石流的發(fā)生頻率和發(fā)展階段

自1979年發(fā)生泥石流后，至今暫未再次發(fā)生泥石流地質(zhì)災害，確定該泥石流為低頻率泥石流(表4)。

表3 泥石流溝易發(fā)程度數(shù)量化評分

表4 泥石流按爆發(fā)頻率分類[9]

根據(jù)前述泥石流基本特征描述并結(jié)合《泥石流災害防治工程勘查規(guī)范》(DT/T0220--2018)附錄B“泥石流溝發(fā)展階段的識別方法”中的識別標記：研究區(qū)溝道順直較窄，溝破陡峻；主溝侵蝕速度大于支溝侵蝕速度；溝口扇形堆積地形發(fā)育；松散物邊坡坡度>30°，呈<30m高度堆積；溝槽以縱向切蝕為主，溯源沖刷發(fā)育，溝槽不穩(wěn)；溝域松散物模量46.66×104/0.8=58.3×104m3/km2，大于10×104m3/km2；激發(fā)泥石流雨強為暴雨乃至特大暴雨。綜合分析確定該泥石流溝目前處于發(fā)展期。

4.3 泥石流的發(fā)展趨勢預測

現(xiàn)狀條件下研究區(qū)泥石流災害趨于相對穩(wěn)定，從影響區(qū)內(nèi)泥石流發(fā)生的因素來看，地貌、地質(zhì)和氣候等基本因素，為泥石流的形成發(fā)展提供了必要條件，因此區(qū)內(nèi)泥石流活動也將長期存在，而促進和激發(fā)區(qū)內(nèi)泥石流發(fā)生的自然因素主要為強降雨，只要出現(xiàn)有利的激發(fā)條件，就可能再次引發(fā)泥石流發(fā)生。

該泥石流溝形成泥石流的地形及物源條件都十分充分，流域內(nèi)泥石流松散固體物源較豐富，總量46.66×104m3，動儲量為9.33×104m3，且物源主要集中于溝道及兩岸地帶，在遇暴雨乃至大暴雨激發(fā)作用下，會增加泥石流的物源量，這些物源在較大流量的洪水作用下啟動，進而可能會產(chǎn)生新的突發(fā)性泥石流災害，危害流域范圍內(nèi)居民生命財產(chǎn)安全。

5 結(jié)語

(1)研究區(qū)泥石流屬由暴雨激發(fā)的坡面侵蝕型的、低頻率的、水石型的、稀性的、溝谷型泥石流。

(2)通過野外調(diào)查、試驗和計算，研究區(qū)泥石流容重為1.38t/m3，為稀性泥石流；泥石流流速2.95～4.48m/s，峰值流量為6.53～44.76m3/s，一次泥石流過流總量為14886.43m3，泥石流一次沖出的固體物質(zhì)總量為9333.79m3,規(guī)模為小型，泥石流爬高0.71～1.64m，最大沖起高度為0.89～2.05m。

(3)綜合分析研究，現(xiàn)階段研究區(qū)泥石流易發(fā)程度為輕度易發(fā)，泥石流溝發(fā)展階段為發(fā)展期，泥石流災害趨于相對穩(wěn)定，但一旦遭遇暴雨至特大暴雨，可能會再次引發(fā)泥石流地質(zhì)災害。

(4)建議在流域上游修建攔擋壩，下游修建排導槽，同時加強監(jiān)測，搞好水土保持，實施合理耕作活動，全方位減弱泥石流災害的發(fā)生。