貴州望謨縣樂(lè)旺鎮(zhèn)納巴泥石流發(fā)育特征與發(fā)展趨勢(shì)

侯江萍，周 俊

(貴州省有色金屬和核工業(yè)地質(zhì)勘查局一總隊(duì)，貴州 清鎮(zhèn) 551400)

2011年6月6日望謨縣大暴雨，導(dǎo)致8個(gè)各鄉(xiāng)鎮(zhèn)遭受百年不遇的特大山洪泥石流災(zāi)害，大面積房屋被毀，道路中斷，電力、水力、通信癱瘓，13.9萬(wàn)人受災(zāi)，37人死亡、15人失蹤，經(jīng)濟(jì)損失達(dá)18.6億元；2017年9月6日望謨強(qiáng)降雨(186mm)誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害，縣城北面新屯街道辦事處納包及樂(lè)旺鎮(zhèn)納巴、樂(lè)寬、交俄一帶發(fā)生泥石流地質(zhì)災(zāi)害，局部地段交通中斷，造成了不同程度財(cái)產(chǎn)損失[1]。

納巴泥石流位于望謨縣約58km，樂(lè)旺鎮(zhèn)東北邊約10km樂(lè)寬河流域右側(cè)支溝懂木村納巴組，寬約3m～5m，樂(lè)寬河寬10m～40m，流向自北向南。據(jù)調(diào)查，近十年每年納巴溝均發(fā)生小規(guī)模泥石流，在2017年9月，泥石流松散堆積體堵塞地方公路和村道的涵洞，給當(dāng)?shù)匕傩丈a(chǎn)生活造成嚴(yán)重的影響。目前流域內(nèi)均存在著大量的松散固體物源，加之流域物源區(qū)溝道狹窄，溝道坡降大，如遇局地大暴雨等極端工況，再次暴發(fā)大規(guī)模災(zāi)害性泥石流的可能性非常大，主要威脅對(duì)象包含溝口居民、公路、耕地等，潛在威脅性等級(jí)為大型[2]。

1 泥石流形成條件分析

1.1 地形地貌及溝道條件

納巴組泥石流總體流向124°，由泥石流溝口大角度相交匯入樂(lè)寬河。區(qū)域地勢(shì)西高東低，溝域中下游較緩，上部區(qū)域較陡，物源區(qū)高程700m～1300m，村莊道路長(zhǎng)約430m，高差約600m。斜坡中上后部植被中等發(fā)育，中下部為耕地，斜坡中下部為村道及村民組。泥石流主溝長(zhǎng)約1.3km，溝深3m～6m，呈“V”型，流域面積約0.45km2，平均縱坡降511‰，中上游溝道有一處較急的彎道，溝道流域上呈“S”型，上游溝道較窄，寬5m～10m，坡度20°～40°，中下游溝道變寬，坡度15°～25°，寬約10m～20m。流域溝道最高點(diǎn)位于流域西南側(cè)分水嶺附近，高程約1250m，最低點(diǎn)位于流域東南側(cè)溝口處，高程約585m，相對(duì)高差約665m[3]。圖1。

1.2 地層巖性及構(gòu)造

區(qū)內(nèi)出露二疊系上統(tǒng)長(zhǎng)興組(P2c)至三疊系中統(tǒng)板納組(T2b)及第四系，斜坡表層第四系殘坡積層為含碎石黏土、塊石，結(jié)構(gòu)松散，疏松多孔，滲透性強(qiáng)，土層厚，容易受雨水沖刷；下伏三疊系中統(tǒng)板納組(T2b)青灰色薄-中厚層泥巖、頁(yè)巖夾砂巖，易風(fēng)化為泥石流提供物源，區(qū)內(nèi)主要構(gòu)造為交錯(cuò)斷層，展布于測(cè)區(qū)西部，走向大致呈北西-南東向，區(qū)內(nèi)延伸長(zhǎng)約2.5km[4]。

1.3 物源條件

納巴組泥石流固體物源主要有崩塌(滑坡)堆積物源、溝床內(nèi)松散堆積物源(老、新、近泥石流堆積物源)、坡面侵蝕物源。1#納巴組泥石流溝流域內(nèi)發(fā)育崩塌(滑坡)物源3處，方量共計(jì)約8.66×104m3，可參與泥石流動(dòng)儲(chǔ)量3.46×104m3；溝內(nèi)松散堆積物源分布于流通區(qū)溝床內(nèi)，為老泥石流及沖洪積交替堆積，表層為新近泥石流堆積形成，共分三個(gè)溝段，總計(jì)物源方量1.85×104m3，可參與泥石流動(dòng)儲(chǔ)量0.74×104m3；坡面侵蝕物源主要位于形成區(qū)、流通區(qū)主溝及兩側(cè)斜坡，斜坡松散土體受雨水沖刷和側(cè)蝕形成，以工程有效期50年計(jì)，預(yù)計(jì)形成物源方量7.8m3×104m3，可參與泥石流動(dòng)儲(chǔ)量3.1×104m3?？傆?jì)固體物源方量18.31×104m3，可能參與泥石流活動(dòng)的物源動(dòng)儲(chǔ)量7.3×104m3(圖2)。

圖2 納巴溝泥石流地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)照片[4]

1.3 水源條件

1.3.1 降雨條件

泥石流溝屬南亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū)，降水集中，雨量充沛。據(jù)望謨氣象站觀測(cè)資料，多年平均年降水量1236.7mm(5月至8月占68.1%，4月至9月占31.9%)，日降水量P≥0.1mm降水154.5天，日降水量P≥10.0mm降水33.7天，P≥25.0mm降水13.2天，P≥50.0mmm降水4.4天，年最大日降水量發(fā)生在1986年7月17日，降水量達(dá)222.4mm。樂(lè)旺鎮(zhèn)泥石流地質(zhì)災(zāi)害多集中在每年6月至10月，其中，第一個(gè)降雨高峰期6月地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生頻率最高，其次第二個(gè)降雨高峰期9月次之，年內(nèi)發(fā)生次數(shù)呈雙峰分布。1959年至2017年望謨縣城地區(qū)1h、24h年最大暴雨量平均值分別為46mm、100mm，該區(qū)域不同頻率下降雨強(qiáng)(表1)，在P=1%條件下，1h、24h雨強(qiáng)分別達(dá)94.3mm、219.0mm。區(qū)域降水量隨海拔增加而遞增，在泥石流形成區(qū)，據(jù)《泥石流災(zāi)害防治工程勘查規(guī)范(試行)》(T/CAGHP 006-2018)，貴州地區(qū)發(fā)生泥石流24h、1h臨界降雨值分別為60mm、20mm，參照附錄D.1計(jì)算該區(qū)域暴雨強(qiáng)度指標(biāo)R值為4.56，為可能發(fā)生泥石流的雨情，發(fā)生機(jī)率0.2～0.8。

表1 不同頻率降雨統(tǒng)計(jì)表

1.3.2 流域匯流條件

納巴組泥石流溝溝內(nèi)地形陡峻，溝谷中、上游縱坡均很大，有利于地表降水徑流和快速匯集。為泥石流的形成提供了有利的水源匯流條件。同時(shí)，由于溝谷狹窄、溝床坡降大，流域內(nèi)水動(dòng)力條件極好、一旦啟動(dòng)疏沙能力也極強(qiáng)。流域內(nèi)植被總體較發(fā)育，其中，主溝上游形成區(qū)植被覆蓋率高，中下游流通區(qū)及堆積區(qū)植被覆蓋率相對(duì)較低。植被發(fā)育地區(qū)滯水作用較強(qiáng)烈，不利于降雨形成地表徑流，而植被覆蓋較差地區(qū)有利于地表徑流形成。森林植被發(fā)育地區(qū)啟動(dòng)物源量相對(duì)較少，與植被發(fā)育根固作用阻止起活動(dòng)外，也與植被發(fā)育區(qū)對(duì)降雨的滯水作用具有很大的關(guān)系。

2 泥石流運(yùn)動(dòng)特征

2.1 泥石流流體重度分析

泥石流堆積區(qū)采取泥石流堆積物樣品3組，每組質(zhì)量不少于15kg，根據(jù)泥石流暴發(fā)時(shí)目擊者描述，將堆積物樣品加水?dāng)嚢?，配置成泥石流暴發(fā)時(shí)流體狀態(tài)，然后分別測(cè)出每組樣品總質(zhì)量和體積，按下式計(jì)算每組樣品容重后取其算術(shù)平均值作為泥石流容重。

式中：γc-漿體容重(g/cm3)；G-樣品總質(zhì)量(g)；V-樣品體積(cm3)。本次采用半徑14.5cm，高度50cm塑料桶進(jìn)行泥石流容重試驗(yàn)。納巴組泥石流平均容重1.31g/cm3，屬稀性泥石流。

2.2 泥石流流量分析

2.2.1 洪峰流量計(jì)算

泥石流流域區(qū)屬典型的山區(qū)雨源性暴雨洪水，具有陡漲陡落、峰量集中、漲峰歷時(shí)短等山區(qū)性河流特點(diǎn)。經(jīng)綜合分析，治理河段設(shè)計(jì)洪水采用“雨洪法”推求[5]。根據(jù)確定的暴雨參數(shù)(H24h=100mm，Cv=0.45，Cs=3.5Cv；H1h=46mm，Cv=0.4，Cs=3.5Cv)和量算的流域參數(shù)，按《貴州省暴雨洪水計(jì)算使用手冊(cè)》(修訂本)之規(guī)定，進(jìn)行設(shè)計(jì)洪水計(jì)算。設(shè)計(jì)流域集水面積小于10km2，洪水計(jì)算公式為：

式中：QP-設(shè)計(jì)頻率P洪峰流量(m3/s)；r1-匯流系數(shù)，r1=0.38(設(shè)計(jì)流域?yàn)樯絽^(qū)間山丘，少量巖溶，植被一般，結(jié)合鄰近水利工程如油啥水庫(kù)等水庫(kù)參數(shù)取值以及洪峰模數(shù)，最終考慮匯流系數(shù))；f-流域形狀系數(shù)，f=F/L2；F-流域面積(km2)；L-主溝長(zhǎng)(km)；J-分水嶺至出口斷面平均比降，m/m；C-洪峰徑流系數(shù)(0.879～0.851，P=1%～20%)；Sp-設(shè)計(jì)最大1h點(diǎn)雨量，mm。經(jīng)計(jì)算暴雨洪峰流量結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 流域暴雨洪峰流量計(jì)算表

2.2.2 泥石流洪峰流量計(jì)算

在求得暴雨洪峰流量的基礎(chǔ)上，根據(jù)《泥石流災(zāi)害防治工程勘查規(guī)范(試行)》(T/CAGHP 006-2018)中推薦公式計(jì)算泥石流洪峰流量：Qc=(1+φ)QpDc(3)

式中Qc-泥石流斷面峰值流量(m3/s)；φ-泥沙修正系數(shù)，參照表G.2確定，納巴組(1+φ)=1.676，Qp-暴雨洪峰流量(表3)；Dc-堵塞系數(shù)，按勘查規(guī)范確定取2.3[6]。根據(jù)公式(3)求得泥石流峰值流量如表4。

表3 各泥石流峰值流量表

表4 泥石流不同位置不同頻率下一次泥石流過(guò)流總量及固體物質(zhì)總量表

3.3 泥石流流速

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查及試驗(yàn)獲得泥石流漿體重度指標(biāo)判別，兩條泥石流均為稀性泥石流，因此按照通用西南地區(qū)(鐵二院)公式，分別進(jìn)行不同部位在治理工程實(shí)施前和實(shí)施后的流速計(jì)算，計(jì)算公式為：

式中VC-泥石流斷面平均流速(m/s)；γH-固體物質(zhì)比重(t/m3)；φ-泥沙修正系數(shù)；n-河床糙率值；R-水力半徑(m)；I-水力坡度。計(jì)算結(jié)果為1#納巴泥石流平均流速5.47m/s。

3.4 一次泥石流過(guò)流總量及流出固體物質(zhì)總量

一次泥石流過(guò)流總量按照《泥石流災(zāi)害防治工程勘查規(guī)范(試行)》(T/CAGHP 006-2018)附錄J.11提供的計(jì)算公式計(jì)算：

Q=0.264TQc(5)

式中：Q-一次泥石流過(guò)程總量(m3)；T-泥石流歷時(shí)(S)，泥石流持續(xù)時(shí)間(S)，根據(jù)調(diào)查訪問(wèn)和經(jīng)驗(yàn)數(shù)值確定；QC-泥石流最大流量(m/s)。一次泥石流固體沖出物按照《泥石流災(zāi)害防治工程勘查規(guī)范(試行)》(T/CAGHP 006-2018)附錄J.20提供的計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算：QH=Q(γc-γw)/(γH-γw) (6)

式中QH-一次泥石流沖出固體物質(zhì)總量(m3)；Q-一次泥石流過(guò)程總量(m3)；γc-泥石流重度(t/m3)；rw-水重度(t/m3)；rH-泥石流固體物質(zhì)重度(t/m3)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和結(jié)合相鄰地區(qū)泥石流爆發(fā)持續(xù)時(shí)間分析，納巴溝組未來(lái)爆發(fā)泥石流后徑流持續(xù)時(shí)間按1800s考慮。根據(jù)上述公式計(jì)算得到泥石流不同位置不同降雨頻率下爆發(fā)泥石流后一次泥石流過(guò)流總量和固體物質(zhì)總量(表3、表4)。

3.5 泥石流整體沖壓力

按《泥石流災(zāi)害防治工程勘查規(guī)范(試行)》(T/CAGHP 006-2018)附錄J.35式計(jì)算：

式中δ-泥石流沖壓力(KN)；λ-建筑物形狀系數(shù)，矩形建筑物λ=1.33；rc-泥石流重度(KN/m3)；vc-泥石流平均流速(m/s)；α-建筑物受力面與泥石流沖壓力方向的夾角(°)，取最大值垂直90°。根據(jù)公式(6)對(duì)各主要控制斷面的泥石流流體整體沖壓力計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 泥石流不同位置流速、整體沖擊力等計(jì)算成果表

3.6 泥石流爬高和最大沖起高度

泥石流前行遇阻，由于慣性作用，其動(dòng)能瞬間轉(zhuǎn)化為勢(shì)能，撞擊處使泥漿及包裹的石塊飛濺起來(lái)，稱為泥石流的沖起，將沿直線前進(jìn)的現(xiàn)象稱為爬高[7]。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(試行)》(T/CAGHP 006-2018)附錄J.46-J.48提供的計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算：

式中ΔH-泥石流最大沖起高度(m)；ΔHc-泥石流爬高(m)；Vc-泥石流平均流速(m/s)；b-泥石流迎面坡度的函數(shù)[6]。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 泥石流不同位置彎道超高計(jì)算成果表

3.7 泥石流彎道超高

泥石流彎道超高指泥石流在溝槽轉(zhuǎn)彎處因凹岸處流速較快，流體增厚，凸岸一側(cè)流速較慢，流體變薄而產(chǎn)生超高的現(xiàn)象，當(dāng)凹岸為陡壁時(shí)將對(duì)凹岸產(chǎn)生強(qiáng)大的侵蝕作用。泥石流彎道超高按照《泥石流災(zāi)害防治工程勘查規(guī)范(試行)》(T/CAGHP 006-2018)4.1-4式計(jì)算：

VC-泥石流平均流速(m/s)；R-主流中心曲率半徑(m)；g-重力加速度(m/s)；B-泥面寬度(m)。選擇擬設(shè)排導(dǎo)槽工程的典型彎道處斷面進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)表6。

4 泥石流成因機(jī)制與發(fā)展趨勢(shì)

4.1 泥石流成因機(jī)制和引發(fā)因素

區(qū)內(nèi)巖層劃分為松散巖組、軟質(zhì)巖組及硬質(zhì)巖組三種類(lèi)型：第四系松散堆積層(Q4)包括殘坡積層(Q4dl+el)、坡洪積層(O4dl+pl)、崩坡積層(Q4c+dl)、滑坡堆積層(Q4del)、泥石流堆積層(Q4pl+set)，分布于坡麓、洼地、泥石流溝域中，以飄礫、碎石及粉質(zhì)粘土為主，結(jié)構(gòu)松散、孔隙度大、透水性強(qiáng)、強(qiáng)度低，具有較高壓縮性、崩解性，易形成滑坡、泥石流；較軟巖類(lèi)主要為三疊系中統(tǒng)板納組(T2b)：青灰色薄-中厚泥巖、頁(yè)巖夾砂巖，強(qiáng)風(fēng)化深度1m～5m，穩(wěn)定性較差；硬質(zhì)巖組主要為二疊系上統(tǒng)長(zhǎng)興組(P2c)：淺灰至灰黑色中厚層至厚層塊狀燧石灰?guī)r，巖石結(jié)構(gòu)致密，堅(jiān)硬，力學(xué)強(qiáng)度高，工程力學(xué)性質(zhì)較好，但灰?guī)r、白云巖巖溶發(fā)育或受斷裂破碎的影響，其力學(xué)強(qiáng)度不同程度降低。

納巴組泥石流溝上游形成區(qū)土體在強(qiáng)降雨和溝谷徑流沖刷作用下容易沖刷部分土壤進(jìn)入溝床，且該段溝道內(nèi)殘留有部分早期泥石流堆積物；發(fā)育兩處淺層土質(zhì)滑坡，集中分布于溝道上游形成區(qū)內(nèi)，為泥石流的發(fā)生提供了一定的物源條件；而該流域降水集中，雨量充沛，為泥石流的發(fā)育提供了較好的水源條件。

泥石流啟動(dòng)部位受局地暴雨影響，大量坡面侵蝕物質(zhì)隨地表徑流在松散坡積體表面形成許多小型沖溝，坡面侵蝕物進(jìn)入溝道后，首先形成容重較大的高含沙水流，在行進(jìn)過(guò)程中強(qiáng)烈侵蝕溝岸和沖刷溝床，兩側(cè)的岸坡及滑坡啟動(dòng)，大量補(bǔ)充固體物質(zhì)，繼而繼續(xù)侵蝕主溝溝岸和溝床，由于泥石流攜帶大量木頭和石塊，再加上兩岸邊坡失穩(wěn)，在狹窄溝段發(fā)生堵塞，潰決后泥石流流量瞬間陡增，從而形成大規(guī)模的災(zāi)害性泥石流[8]。

4.2 泥石流發(fā)展趨勢(shì)

泥石流發(fā)展趨勢(shì)是地形地貌、土源(含地質(zhì)條件)、水源、地震及干旱氣候等多個(gè)因素綜合影響的結(jié)果。

(1)近年來(lái)兩條溝幾乎年年暴發(fā)泥石流，且目前溝道內(nèi)和溝口堆積特征，有明顯的泥石流沖出的塊石堆積。近期納巴組泥石流仍然比較活躍，今后仍可能發(fā)生泥石流災(zāi)害。

(2)泥石流的發(fā)生和發(fā)展的能量匯集受地形地貌影響較大。區(qū)域地勢(shì)險(xiǎn)峻，1#納巴組溝道平均坡降511‰，形成區(qū)、流通區(qū)溝床比降多在200‰以上，流域最大高差665m，山體平均坡度多在35°以上，坡面巖土風(fēng)化強(qiáng)烈，表明流域的產(chǎn)流、匯流條件較好，依然滿足泥石流的發(fā)生條件。

(3)納巴組溝內(nèi)共有固體物源方量可能參與泥石流活動(dòng)的物源動(dòng)儲(chǔ)量大，其中崩塌(滑坡)物源方量約8.66×104m3，可參與泥石流動(dòng)儲(chǔ)量3.46×104m3；坡面侵蝕物源方量7.8×104m3，可參與泥石流動(dòng)儲(chǔ)量3.1×104m3；溝道堆積物源方量1.85×104m3，可參與泥石流動(dòng)儲(chǔ)量0.74×104m3。泥石流相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間還會(huì)發(fā)生。

(4)納巴組水源補(bǔ)給主要為大氣降水，區(qū)域多年平均降水量1236.7mm，24h最大降水量222.4mm，降水量隨海拔增加而遞增，在泥石流形成區(qū)，降水充沛。流域暴雨的雨強(qiáng)完全可以滿足激發(fā)泥石流條件，尤其是高強(qiáng)度集中暴雨是泥石流的主要誘發(fā)因素[9]。

(5)據(jù)《中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》(GB18306-2015)，測(cè)區(qū)地震動(dòng)峰值加速度0.10g，地震動(dòng)加速度反應(yīng)譜特征周期0.35s，對(duì)應(yīng)的地震基本烈度Ⅶ度。區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定性較差。地震過(guò)后，泥石流溝將進(jìn)入活動(dòng)期，其規(guī)模和頻率均得到增強(qiáng)，暴發(fā)所需的臨界雨量條件降低。地震引發(fā)的泥石流規(guī)模通常超大，地震次生泥石流流量可達(dá)非地震條件下2.2倍至15倍，影響期長(zhǎng)達(dá)20年之久，而活動(dòng)最為頻繁、規(guī)模最大多出現(xiàn)在震后5～6年內(nèi)。地震作用是納巴組流域兩處泥石流溝將來(lái)產(chǎn)生泥石流和起動(dòng)的重要外因之一，尤其是地震和暴雨同時(shí)發(fā)生時(shí)，發(fā)生泥石流概率將大大增加。

5 結(jié) 論

納巴組泥石流溝具備泥石流形成的地形地貌、物源和降雨條件，根據(jù)泥石流易發(fā)程度判別，為中等易發(fā)；泥石流在未來(lái)較長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)仍將十分活躍，再次發(fā)生大規(guī)模災(zāi)害性泥石流的可能性較大，特別是遭遇地震、極端氣候等強(qiáng)大外力時(shí)，泥石流暴發(fā)的頻率和規(guī)模都將大大增加。為此，應(yīng)針對(duì)性的改善生態(tài)環(huán)境、采取工程措施來(lái)減少泥石流災(zāi)害帶來(lái)的損失[10]，強(qiáng)區(qū)域性環(huán)境研究評(píng)價(jià)，建立完善監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)的建設(shè)，將是泥石流地質(zhì)災(zāi)害防治工作的長(zhǎng)期任務(wù)。