舜皇山里竹泥石流成因機(jī)理分析與防治措施研究

陸劍宇 黃紹瓊 鄭秀全 辛 武

(湖南省核工業(yè)地質(zhì)局三〇六大隊(duì) 湖南 長沙 421008)

引言

舜皇山地區(qū)地貌類型屬中低山區(qū)，最高海拔為1355.5m，最低海拔為896.9m，高差達(dá)458.6m，區(qū)內(nèi)由于巖層風(fēng)化強(qiáng)烈，人類不合理工程活動(dòng)導(dǎo)致區(qū)內(nèi)多年來頻繁發(fā)生泥石流地質(zhì)災(zāi)害，對(duì)溝谷兩側(cè)及下游村莊、農(nóng)田、交通、水利設(shè)施等造成影響，當(dāng)?shù)卣块T一直在努力解決泥石流地質(zhì)災(zāi)害治理問題。

一、項(xiàng)目區(qū)自然地理與地質(zhì)環(huán)境條件

(一)氣象、水文

據(jù)新寧縣氣象站(1956-2015)資料,年平均氣溫17℃；多年平均降水量1360.6mm，最大降水量2161.9mm，年最小降水量948.1mm。年日最大降水量157.0mm，歷年小時(shí)最大降水量47.6mm，多年平均蒸發(fā)量1378.2mm。

地表水系較為發(fā)育，呈樹枝狀分布，屬扶夷江水系。區(qū)內(nèi)泥石流主溝溝寬4-10m，平均坡降為122‰，右岸比左岸寬度大，平均水深0.4m，一般流速為0.92m/s，流量約1.5m3/s，暴雨季節(jié)流量可達(dá)10m3/s，常年不干。

(二)地質(zhì)環(huán)境條件

1.地形地貌

區(qū)內(nèi)屬中低山區(qū)，山體植被發(fā)育，地勢南高北低，舜皇山里竹泥石流流域內(nèi)沖溝發(fā)育，地形整體上陡下緩，溝谷呈“U-V”字型，沖溝寬4-10m，溝谷坡度5°～20°，平均溝床縱比降為113‰～237‰之間。

2.地層巖性

區(qū)內(nèi)出露的地層主要為第四系沖洪積層(Qal+pl)、泥石流堆積層(Qsef)、殘坡積層(Qel+dl)以及印支-燕山期地層：

(4)中風(fēng)化花崗巖(γ3a)：其巖石類型為印支-燕山期二長花崗巖。同位素年齡在233±9-122(Ma)。巖體巖性為中粗粒黑云母二長花崗巖，一般全風(fēng)化-強(qiáng)風(fēng)化花崗巖厚度不超過2m，最大風(fēng)化厚度為4m。

3.地質(zhì)構(gòu)造與地震

(1)地質(zhì)構(gòu)造

區(qū)內(nèi)地處揚(yáng)子板塊和華南板塊交接部位的雪峰山縫合帶東側(cè)，區(qū)內(nèi)未見明顯構(gòu)造痕跡，基巖風(fēng)化厚度小，對(duì)泥石流的產(chǎn)生及影響程度較小。

(2)地震

勘查區(qū)內(nèi)地震動(dòng)峰值加速度為0.05g；地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期值T為0.35s，區(qū)內(nèi)抗震設(shè)防烈度為6度。

4.水文地質(zhì)條件

①松散巖類孔隙水

賦存于溝谷及溝谷斜坡下部第四系沖洪積，儲(chǔ)水條件差，地下水化學(xué)類型屬HCO3—Ca·Mg、HCO3·Cl—Ca+Na型水，礦化度小于0.5g/L，PH值7.5～7.75。地下水對(duì)構(gòu)筑物砼具弱腐蝕性。水位年變幅1～3m。

②基巖裂隙水

主要賦存于下伏基巖風(fēng)化裂隙中，水量貧乏，水化學(xué)類型以HCO3-Ca及HCO3-Mg·Ca型水為主，礦化度0.068～0.16g/L，PH值6.6～7.0，總硬度0.84～10.3德度，屬中性極軟淡水。地下水對(duì)構(gòu)筑物砼具弱腐蝕性。

5.人類工程活動(dòng)

勘查區(qū)內(nèi)人類工程活動(dòng)對(duì)地質(zhì)環(huán)境影響一般，主要為山坡前緣人工切坡修建房屋、修路、農(nóng)耕，區(qū)內(nèi)人類工程活動(dòng)對(duì)區(qū)內(nèi)地形地貌有輕微改變。

二、泥石流形成條件分析

(一)地形地貌及溝道條件

1.形成區(qū)(清水區(qū))地形地貌條件

主溝海拔1050m以上為泥石流清水區(qū)，溝床平均縱比降122‰，溝寬1-4m。周家屋場沖溝支溝海拔1120m以上為泥石流清水區(qū)，溝床平均縱比降286‰，溝寬0.5-2m。長沖江里溝支溝海拔1050m以上為泥石流清水區(qū)，溝床平均縱比降243‰，溝寬0.5-1.5m。伍家溝支溝海拔940m以上為泥石流清水區(qū)，溝床平均縱比降237‰，溝寬0.5-1.5m。

2.形成區(qū)(物源區(qū))地形地貌條件

泥石流物源區(qū)地形從896.9-1120m之間均有泥石流的物質(zhì)來源，溝床縱比降從122‰-286‰之間不等，地形坡度10-35°，溝道兩旁植被覆蓋率40%-70%，局部有小型崩塌不良地質(zhì)現(xiàn)象，雨季時(shí)混合粒徑在5-40cm的塊石、卵石等物質(zhì)匯入主溝。

3.流通堆積區(qū)地形地貌條件

本泥石流主要流通堆積區(qū)地形坡度小于10°，局部為伍家組村民耕種的農(nóng)田區(qū)域，堆積區(qū)的面積從50-200m2不等，一般容積為50-250m3，堆積區(qū)的塊石粒徑大小從5-50cm不等，最大直徑為2m。

(二)物源條件

根據(jù)現(xiàn)場踏勘結(jié)合可行性研究時(shí)調(diào)查資料，舜皇山里竹泥石流物源主要包括崩塌堆積物源、溝道堆積物源、坡面侵蝕物源，主要分布于在形成流通區(qū)。

1.崩塌堆積物源

根據(jù)現(xiàn)場踏勘，舜皇山里竹泥石流在伍家組支溝流域內(nèi)發(fā)現(xiàn)一處小型崩塌物源，崩塌體物源總量約0.78×104m3，預(yù)計(jì)參與泥石流活動(dòng)的物源量按崩塌物源總量的1/2計(jì)為0.39×104m3。

2.溝道堆積物源

主要分布于溝床及溝谷兩側(cè)平緩寬闊處，累計(jì)堆積長度約為1.7km，物源儲(chǔ)量約1.06×104m3，預(yù)計(jì)參與的物源量按總量的1/3計(jì)算約為0.36×104m3。里竹泥石流主溝及各支溝溝道堆積物源統(tǒng)計(jì)表見下表。

溝名堆積長度(km)堆積寬度(m)堆積厚度(m)物源儲(chǔ)量(104m3)預(yù)計(jì)參與物源量(104m3)主溝0.30310.900.30伍家溝0.0520.50.050.02長沖江里溝0.0520.50.050.02周家屋場沖溝0.0520.60.060.02合計(jì)1.71.060.36

3.坡面侵蝕物源

分布于整個(gè)物源區(qū)坡體表層，以第四系殘坡積物為主，物質(zhì)組成為黏土及粉質(zhì)黏土夾碎石，包括表層土、耕植土和修路產(chǎn)生的挖方堆土，舜皇山里竹泥石流各支溝坡面侵蝕物源統(tǒng)計(jì)表見下表。

溝名分布面積(km2)侵蝕平均厚度(m)物源儲(chǔ)量(104m3)預(yù)計(jì)參與物源量(104m3)主溝0.5221.040.35伍家溝0.1420.280.09長沖江里溝0.1520.300.10周家屋場沖溝0.1720.340.11合計(jì)0.981.960.65

4.泥石流物源的轉(zhuǎn)化關(guān)系

通過現(xiàn)場實(shí)際調(diào)查發(fā)現(xiàn)，崩塌堆積物源、坡面侵蝕物源為泥石流主要物源，其次為溝道堆積物源。物源統(tǒng)計(jì)表見下表。

溝名崩塌堆積物源總量動(dòng)儲(chǔ)量溝道堆積物源總量動(dòng)儲(chǔ)量坡面侵蝕物源總量動(dòng)儲(chǔ)量合計(jì)總量動(dòng)儲(chǔ)量主溝0.900.301.040.351.940.65伍家溝0.780.390.050.020.280.091.110.50長沖江里溝0.050.020.300.100.350.12周家屋場沖溝0.060.020.340.110.400.13小計(jì)0.780.391.060.361.960.653.801.40

(三)水源條件

據(jù)《湖南省暴雨洪水查算手冊(cè)》所附暴雨量等值線圖，新寧縣地區(qū)的24h、6h年最大暴雨量分別為157mm、47.6mm，暴雨頻率為20年一遇，在強(qiáng)降雨的情況下具備引發(fā)泥石流地質(zhì)災(zāi)害的降雨條件。

三、泥石流基本特征

(一)泥石流災(zāi)害史及災(zāi)情、危害性分析

1.泥石流災(zāi)害史及災(zāi)情

本泥石流為近20年一遇，一次性堆積量約0.15×104m3，造成里竹村2幢4戶木房完全被沖毀，淹沒部分農(nóng)田，堵塞河道，造成經(jīng)濟(jì)損失約150萬元以上。

2.泥石流危險(xiǎn)區(qū)范圍及險(xiǎn)情

里竹泥石流威脅伍家組16戶68人的生命財(cái)產(chǎn)安全，同時(shí)威脅著下游兩側(cè)溝道村民的生命財(cái)產(chǎn)安全以及鄉(xiāng)鎮(zhèn)水泥公路，潛在經(jīng)濟(jì)損失在500萬元以上。

3.泥石流堵潰下游河道的可能性分析

里竹泥石流下游距離下游主河扶夷江超過10km，本次泥石流20年一遇一次沖出固體物質(zhì)為0.15×104m3，影響區(qū)域未至扶夷江，分析認(rèn)為里竹泥石流堵河的可能性較小。

(二)泥石流各區(qū)段沖淤特征

1.形成區(qū)(清水區(qū))沖淤特征

里竹泥石流主支溝在形成區(qū)(清水區(qū))地形陡峻，坡降大，溝底基本出露中風(fēng)化花崗巖體，巖面光滑，溝內(nèi)未見明顯淤積現(xiàn)象。

2.形成區(qū)(物源區(qū))沖淤特征

泥石流物源區(qū)地形從896.9-1120m之間為物源區(qū)，在第四系殘坡積層裸露區(qū)多處可見沖淤現(xiàn)象。物源區(qū)沖刷深度基本小于0.5m，淤積的物質(zhì)成分粒徑一般小于10cm。

3.流通堆積區(qū)沖淤特征

在支溝溝口和主溝中部拐彎處以及下游溝道兩側(cè)平緩地區(qū)多處可見泥石流流通堆積區(qū)，堆積物質(zhì)成分有塊石、卵石、中粗砂、少量黏性土和植物根莖，礫石粒徑大小一般20-40cm，最大者達(dá)2.1m，沖淤痕跡較明顯。

(三)泥石流堆積物特征

通過對(duì)勘查區(qū)內(nèi)泥石流堆積區(qū)的調(diào)查，堆積物顆粒成分以碎石、塊石夾砂土為主，砂土含量約35%，粒徑5-40cm不等，母巖成分以花崗巖、板巖為主，分選性一般，多呈次棱角狀-次圓狀。

(四)泥石流發(fā)生頻率和規(guī)模

里竹泥石流松散物貯存量約3.80×104m3，可能參加泥石流活動(dòng)的動(dòng)儲(chǔ)量約1.40×104m3，一次性沖出量0.15×104m3，里竹泥石流溝為暴雨、小型、稀性、低頻、溝谷型水石型泥石流，易發(fā)程度為輕度易發(fā)，泥石流溝活動(dòng)性較強(qiáng)，危害性等級(jí)為中型，發(fā)展階段為發(fā)展期。

(五)泥石流的成因機(jī)制和引發(fā)因素

區(qū)內(nèi)地形地貌相對(duì)高差大，相對(duì)高差458.6m，溝谷為“V-U”字型，溝道兩側(cè)松散物源豐富，地形上有利于泥石流物質(zhì)的匯集和成災(zāi)，下游地形平緩開闊，有利于固體物堆積。暴雨形成的地表徑流是引發(fā)泥石流的主要因素，在物源、水源、地形條件共同作用下引發(fā)泥石流地質(zhì)災(zāi)害。

四、泥石流基本特征值的計(jì)算

(一)泥石流流體重度

1.現(xiàn)場配漿法

通過在現(xiàn)場六次配置確定泥石流容重約在1.29～1.35g/cm3之間，平均值為1.304。

2.查表法

經(jīng)查表，里竹泥石流易發(fā)程度評(píng)分為74分，對(duì)應(yīng)的泥石流重度1.509t/m3，(1+φ)為1.467。

3.綜合取值

綜合分析，本次泥石流重度取值為現(xiàn)場配漿和查表法的平均值：(1.304+1.509)/2=1.407t/m3。

(二)泥石流流量

1.雨洪法

利用《湖南省暴雨洪水查算手冊(cè)》計(jì)算設(shè)計(jì)暴雨，由設(shè)計(jì)暴雨推求設(shè)計(jì)洪峰流量，假定暴雨和洪水及泥石流同頻率出現(xiàn)，然后計(jì)算設(shè)計(jì)泥石流流量及相關(guān)的泥石流特征值：

(4-2)

2.洪峰流量計(jì)算

根據(jù)公式4-2計(jì)算斷面處洪水峰值流量，里竹泥石流設(shè)計(jì)斷面處洪水峰值流量計(jì)算結(jié)果見下表：

斷面位置流域面積F(km2)主溝長度L(km)主溝平均縱坡降J(‰)設(shè)計(jì)暴雨頻率P(%)設(shè)計(jì)洪峰流量QP(m3/s)擬建谷坊壩1.921.39151219.2557.70擬建攔擋壩0.480.6524824.8151.92

3.泥石流流量

綜合雨洪法和形態(tài)調(diào)查法兩種不同方法進(jìn)行分析，綜合比較認(rèn)為以雨洪法加上形態(tài)調(diào)查法計(jì)算所得泥石流流量數(shù)據(jù)平均后比較貼近實(shí)際，里竹泥石流流量計(jì)算結(jié)果見下表。

斷面位置P(%)QC(m3/s)擬建谷坊壩242.59520.29擬建攔擋壩218.4357.89

(三)泥石流流速計(jì)算

泥石流流速的計(jì)算采用《泥石流災(zāi)害防治工程勘查規(guī)范》(DZ/T0220-2006)附錄I中鐵二院公式進(jìn)行計(jì)算：

斷面位置P(%)糙率系數(shù)n水力半徑R(m)縱比降I‰流速Vc(m/s)擬建谷坊壩20.101.91514.3750.101.51513.73擬建攔擋壩20.101.42374.4650.101.02373.56

(四)一次泥石流固體沖出物

一次泥石流沖出的固體物質(zhì)總量按下式計(jì)算：

QH=Q(γC-γW)/(γH-γW)

(4-8)

根據(jù)以上兩式分別計(jì)算出里竹泥石流溝不同頻率泥石流一次總量及沖出固體物質(zhì)總量，見下表

斷面位置P(%)QC(m3/s)持續(xù)時(shí)間(s)一次總量Q(×104m3)一次固體物質(zhì)總量QH(×104m3)擬建谷坊壩242.5915001.290.32520.2915000.610.15擬建攔擋壩218.4315000.560.1457.8915000.240.06

(五)泥石流整體沖壓力

里竹泥石流整體沖擊力的計(jì)算，根據(jù)《泥石流災(zāi)害防治工程勘查規(guī)范》(DZ/T 0220-2006)附錄I中推薦公式(鐵二院公式)進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見下表。

斷面位置P(%)流速Vc(m/s)整體沖擊力(kPa)擬建谷坊壩24.3736.4753.7326.57擬建攔擋壩24.4637.9853.5624.20

(六)泥石流爬高和最大沖起高度

泥石流爬高和最大沖起高度按照《泥石流災(zāi)害防治工程勘查規(guī)范》(DT/T0220—2006)附錄I提供的計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果詳見下表：

斷面位置P(%)流速Vc(m/s)最大沖起高度ΔH(m)爬高ΔHc(m)擬建谷坊壩24.370.971.5653.730.711.14擬建攔擋壩24.461.011.6253.560.651.03

(七)泥石流彎道超高

通過在里竹泥石流主、支溝兩處拐彎處分別位于擬建谷坊壩上游約20處、擬建攔擋壩上游約40m處，通過實(shí)測彎道的彎曲半徑，計(jì)算出里竹泥石流溝彎道超高如下：

位置R2R1VcΔh擬建谷坊壩上游約20m處41.529.8254.373.730.650.47擬建攔擋壩上游約40m處32.222.1254.463.560.760.48

五、泥石流發(fā)展趨勢分析

(一)泥石流易發(fā)程度分析與評(píng)價(jià)

根據(jù)《泥石流災(zāi)害防治工程勘查規(guī)范》(DZ/T 0220-2006)附錄G.表G.1對(duì)泥石流溝易發(fā)程度進(jìn)行數(shù)量化評(píng)分，依據(jù)15項(xiàng)因素綜合得分為74分，按照評(píng)分，本泥石流溝的易發(fā)程度為輕度易發(fā)。里竹泥石流對(duì)伍家組密集居住區(qū)存在較大的影響，根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查綜合判定，伍家組村民住房場地適宜性差。

(二)泥石流的發(fā)生頻率和發(fā)展階段

根據(jù)現(xiàn)場訪問、調(diào)查，里竹泥石流溝在近20年未發(fā)生過明顯的泥石流地質(zhì)災(zāi)害，綜合判定里竹泥石流為低頻泥石流，發(fā)生頻率大于20年一遇，現(xiàn)狀條件下，里竹泥石流處于發(fā)展期(壯年期)。

六、工程治理布置

(1)攔擋壩工程，在伍家溝匯入主溝前約20m處修建1道攔擋壩；在長沖江里溝、周家屋場沖溝2條支溝的交匯處下游主溝修建一道石籠谷坊壩。

(2)河道疏浚工程，對(duì)房屋密集的主溝堆積區(qū)淤塞嚴(yán)重的河道進(jìn)行疏浚，河道疏浚長度700m。

(3)漿砌石擋墻：在里竹村伍家組溝道靠近民房一側(cè)修建漿砌石擋墻，漿砌石擋墻總長約170m。

(4)監(jiān)測工程，對(duì)擬建攔擋壩、谷坊壩工程、崩滑體布置監(jiān)測工程進(jìn)行監(jiān)測，對(duì)泥石流流域內(nèi)進(jìn)行氣象(主要為降雨量)監(jiān)測。

七、結(jié)束語

(1)舜皇山里竹泥石流有1條主溝、3條支溝組成，匯水面積1.98km2，為一新泥石流溝，屬于暴雨型-溝谷型-低頻-稀性泥石流，威脅里竹村伍家組16戶68人的生命財(cái)產(chǎn)安全，潛在經(jīng)濟(jì)損失約500萬元。

(2)舜皇山里竹泥石流松散物貯存量約3.80×104m3，可能參加泥石流活動(dòng)的動(dòng)儲(chǔ)量約1.40×104m3，20年一遇泥石流一次性沖出固體物質(zhì)為0.15×104m3，50年一遇泥石流一次性沖出固體物質(zhì)為0.32×104m3，易發(fā)程度為輕度易發(fā)，泥石流溝活動(dòng)性較強(qiáng)，危害性為中型。

(3)舜皇山泥石流地質(zhì)災(zāi)害通過采用攔擋壩、谷坊壩、漿砌石擋墻、疏浚工程與監(jiān)測工程相結(jié)合的綜合治理措施進(jìn)行治理，可以消除地質(zhì)災(zāi)害隱患對(duì)當(dāng)?shù)鼐用竦耐{，通過本次治理方案的實(shí)施，可取得很好的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和生態(tài)效益，對(duì)應(yīng)舜皇山山區(qū)普遍存在的類似泥石流地質(zhì)災(zāi)害治理具有一定的借鑒作用。