隴南市文縣石雞壩鎮(zhèn)水磨溝泥石流發(fā)育特征及形成條件分析

代寶峰,劉晉文

(1.甘肅省地下水工程及地?zé)豳Y源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,甘肅 蘭州 730050;2.甘肅省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院,甘肅 蘭州 730050)

2020年8月14日至18日,文縣境內(nèi)連續(xù)發(fā)生多次強(qiáng)降雨,致使8月17日下午2時(shí)許水磨溝暴發(fā)特大山洪泥石流。山洪泥石流夾帶大塊石從溝道咆哮而下,沿程沖毀居民房屋和農(nóng)田,沖毀道路、電力、通訊、河堤等設(shè)施,并直沖入白水江江道,堵塞白水江而形成堰塞湖。據(jù)統(tǒng)計(jì),此次泥石流災(zāi)害造成2人死亡、1人失蹤,直接經(jīng)濟(jì)損失9 400萬元,造成水磨溝村、石雞壩村受災(zāi),受災(zāi)人口276戶1 186人,泥石流造成道路、電力、通訊設(shè)施、河堤、農(nóng)田等設(shè)施受損。此次泥石流災(zāi)情之大、損失之嚴(yán)重在文縣罕見,因泥石流誘發(fā)次生災(zāi)害,威脅之大,給石雞壩鎮(zhèn)險(xiǎn)崖壩村、石雞壩村及白水江畔居民生命財(cái)產(chǎn)安全造成巨大損失,研究其發(fā)育特征及形成條件迫在眉睫。

1 地質(zhì)環(huán)境概況

研究區(qū)所處的石雞壩鎮(zhèn)位于文縣中部,水磨溝為白水江左岸支溝,流域呈近東西向展布,總匯流面積31.26 km2。區(qū)內(nèi)各地雨量分布不均,全縣多年平均降水量450～850 mm之間,降水總趨勢自東南向西北減少,資料顯示,災(zāi)害發(fā)生時(shí)文縣境內(nèi)連續(xù)發(fā)生多次強(qiáng)降雨,較大降水量出現(xiàn)在碧口(329.5 mm)、范壩(286.4mm)、馬家溝(279.6 mm)、凡昌(200.1 mm)、清水坪新村(198.3 mm)等地。水磨溝流域以東大部分地區(qū)為侵蝕構(gòu)造高山山地地貌,侵蝕強(qiáng)烈、坡陡谷深,山峰海拔多在1 700～3 000 m之間,山體相對高差110～1 400 m,山梁多呈條形、鼻梁形,山坡坡度一般為25°～50°,部分為大于70°的陡坡、陡崖,或呈直立。水磨溝中、下游兩岸溝谷階地?cái)嗬m(xù)、零星分布,局部坡積扇較大,階面及坡積扇面上為農(nóng)田地、居民住地、果園等。研究區(qū)出露地層以第四系、二疊系及三疊系為主,其中第四系松散堆積物質(zhì)分布廣泛,成因類型較多,厚度變化較大,主要分布于溝谷區(qū)兩側(cè)及較大支溝內(nèi),堆積坡度較陡,以碎石土為主,次為砂土,混雜堆積,物質(zhì)松散,穩(wěn)定性差,既是泥石流的重要補(bǔ)給物源,同時(shí)也是主要的災(zāi)害群體之一。研究區(qū)屬石雞壩-觀音壩斷層的西延部分,是性質(zhì)不明斷層及推測斷層,對水磨溝泥石流洪積扇的形成有一定作用。此外,石雞壩處在石坊-橋頭復(fù)背斜和范家壩-石坊斷裂帶上,并受鄰近松潘—平武地震帶的強(qiáng)烈影響,屬地震多發(fā)區(qū)。地震松動巖土坡體,一定程度上加大了水土流失強(qiáng)度,使流域內(nèi)松散固體物質(zhì)數(shù)量和累積速率有增大的趨勢,加重了研究區(qū)泥石流災(zāi)害隱患。

2 泥石流形成特征

水磨溝泥石流為暴雨引發(fā)的溝谷型黏性泥石流,根據(jù)其形成、運(yùn)移、堆積特征,從流域整體來看,可將其劃分為形成區(qū)、流通區(qū)、堆積區(qū)等三部分。形成區(qū)位于流域的上、中部,平面形態(tài)呈樹葉狀,面積為30.12 km2,占總面積的96.14%。谷坡坡度一般20°～65°。上游區(qū)內(nèi)林草茂盛,植被發(fā)育良好,坡體上固體松散物質(zhì)較少,多以面蝕的形式補(bǔ)給溝道,但補(bǔ)給量較少。中下游巖土體存在部分裸露區(qū),植被條件相對較差,人為耕作及破壞植現(xiàn)象多見,坡面上松散的殘積坡積物分布,易被坡面洪流匯集后沖刷,且其上游具有一定的坡面匯流面積,產(chǎn)生泥石流的地形地貌條件和水動力條件優(yōu)越,面狀侵蝕較為嚴(yán)重。本次所調(diào)查的滑坡、崩塌及小型泥石流等地質(zhì)災(zāi)害主要分布在該區(qū),溝谷側(cè)蝕現(xiàn)象比較嚴(yán)重,固體松散物質(zhì)儲量豐富,具備良好的松散固體物質(zhì)補(bǔ)給條件。流通區(qū)位于流域的中、下游,主要包括梨樹地下至水磨溝村段、溫家溝至溝口段,面積為0.25 km2,占總面積的0.80%。該區(qū)主溝道寬達(dá)20～50 m,溝床縱坡降平均為13.42%。溫家溝段多見跌坎,水動力條件良好,各支溝溝口段常是多次暴發(fā)洪水、水石流最嚴(yán)重的危險(xiǎn)區(qū)。堆積區(qū)位于流域水磨溝村至溫家溝村段、溝口洪積扇區(qū),溝口堆積區(qū)平面形態(tài)呈掃帚形,面積為0.55 km2,占總面積的1.76%。該段主溝道寬達(dá)50 m,溝道多次抬升呈似臺階狀,發(fā)育溝谷階地,高出溝床地表達(dá)5～15 m,固體松散物質(zhì)堆積較厚。河口段為白水江沖積物與水磨溝沖洪積物相互疊合而成,河床附近松散層剖面顯示平均厚度達(dá)5 m以上,該區(qū)是歷史上水磨溝流域主要的泥石流堆積區(qū)。目前為水磨新村現(xiàn)址,現(xiàn)代溝床中為洪沖積碎石土堆積,且為常年性地表流水,在暴發(fā)泥石流時(shí)堆積的固體物質(zhì),在下一次洪水過程中大部分被侵蝕到白水江河道中。該區(qū)是暴發(fā)流域型泥石流最嚴(yán)重的危險(xiǎn)區(qū)(圖1)。

圖1 水磨溝泥石流流域分區(qū)

圖2 水磨溝泥石流遙感影像

水磨溝內(nèi)松散固體物質(zhì)主要集中于主溝的中、下游兩側(cè)坡面上,及各支溝的中下游坡腳一帶,暴雨期間,雨水順支溝及陡峻的坡面而下,迅速匯集于坡面支溝內(nèi),并沖刷攜帶坡面松散物質(zhì)及坡面支溝溝床物質(zhì),使坡面支溝泥石流渲泄而下在主、支溝內(nèi)匯合壯大,沿程沖蝕溝道物質(zhì),特別是主、支溝中下游集中分布的滑坡、崩塌等松散物質(zhì),及坡面殘積坡積松散物質(zhì)的沖蝕匯入,迅速加大了泥石流的重度及流量,從而形成大規(guī)模泥石流。

3 泥石流形成條件分析

3.1 地形條件

水磨溝位于文縣石雞壩鎮(zhèn)水磨溝村,白水江左岸,為侵蝕高中山區(qū)內(nèi)的侵蝕性溝谷,流域平面形態(tài)似樹葉狀,整個(gè)流域呈近東西向延伸,南北長6.3 km,東西寬達(dá)3.4 km,最大相對高差2 017 m,平均比降12.52%。主溝中上游溝床縱比降平均13.42%,溝坡坡度一般20°～65°,坡面上發(fā)育少量基巖崩塌及松散殘坡積層滑塌,對泥石流形成一定的補(bǔ)給。主溝中游溝道相對上游開闊,呈 “U”型及寬緩狀,溝谷寬達(dá)220～350 m,溝床縱比降平均10.19%,北側(cè)溝坡大部分基巖裸露陡立,南側(cè)多為沖洪積、殘積坡積松散地層,受筑路開挖斜坡、人工采砂,南、北側(cè)坡面上地質(zhì)災(zāi)害均相對發(fā)育,溝岸兩側(cè)松散碎石土堆積多,形成主溝泥石流豐富的物源。主溝下游溝道寬達(dá)250 m,平均溝床縱比降13.18%,再向下洪積扇堆積區(qū),縱比降平均5.26%。該段為全流域洪沖積物近溝口的主堆積區(qū),呈不規(guī)則長條形,溝谷橫剖面型態(tài)呈寬緩“U”型。北岸有溝谷高階地殘留,南岸多被松散殘積坡積物覆蓋,基巖體零星出露,兩岸滑坡、坡面型泥石流發(fā)育,植被覆蓋率最低,巖土體直接裸露,形成主溝泥石流的物源豐富。綜合上述,水磨溝流域內(nèi)溝坡陡峻,溝道縱比降較大,流域形態(tài)極利于降水在短期內(nèi)匯集,可為泥石流的形成和流動提供足夠的水動力條件。該溝地形條件有利于主溝及坡面型支溝泥石流的形成。

3.2 松散固體物質(zhì)補(bǔ)給條件

現(xiàn)場調(diào)查,水磨溝泥石流松散物質(zhì)來源主要有滑坡、崩塌堆積物、坡面侵蝕松散堆積物、溝岸側(cè)蝕、溝床淘蝕物。流域內(nèi)發(fā)育5處滑坡、3處崩塌,在地震、暴雨的作用下極易發(fā)生滑動,滑坡的滑移將致使坡體前緣失去支撐而引發(fā)后緣更大的滑坡體失穩(wěn),滑坡體直接堆積于溝道內(nèi),其松散固體物質(zhì)成分以風(fēng)化剝落的石灰?guī)r碎、塊石為主,受坡面長期自然風(fēng)化的影響,崩滑堆積體結(jié)構(gòu)松散,加之溝道內(nèi)水流的長期下切掏蝕,堆積體臨空面不斷增大,為泥石流提供充足的固體物源。坡面侵蝕松散堆積物披覆于溝道東西兩側(cè)山體,山體頂部覆蓋黃土,中、下部覆蓋碎石類土,結(jié)構(gòu)松散,受暴雨影響易沿坡面以面流、散流的形式進(jìn)入溝道內(nèi)。溝岸側(cè)蝕、溝床淘蝕物,在支溝中下游段溝道狹窄處,由于早期山體崩塌堆積于溝床中,為后期發(fā)生大規(guī)模泥石流提供了足夠的固體松散物質(zhì)。

3.3 水動力條件

水磨溝為季節(jié)性流水溝谷,主要來源于大氣降水及地下水排泄補(bǔ)給。雨洪是泥石流的主要水源,泥石流的發(fā)生與降雨(特別是大雨、暴雨)密切相關(guān)。隴南市文縣多年平均降水量337.6 mm,夏秋多雨,占全年降水量的76.2%,而以7月份為多,其降水量占全年降水量的21%。暴雨強(qiáng)度最大值碧口達(dá)166.1 mm/d,城關(guān)達(dá)143.6 mm/d,一小時(shí)最大降雨量93.3 mm(2020年8月17日白水江流域),10 min最大降雨量30 mm。從1959-2000年文縣共出現(xiàn)59個(gè)暴雨日,平均每年1.4個(gè)暴雨日,最多年份3個(gè)。降水集中,暴雨多是區(qū)內(nèi)降水的主要特點(diǎn),可見,區(qū)內(nèi)的水源極為豐富,為泥石流的爆發(fā)提供了有利的水源條件。

依據(jù)《泥石流災(zāi)害防治工程勘查規(guī)范》附錄B

暴雨強(qiáng)度指標(biāo)R的計(jì)算公式:

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

式中:K為前期降雨量修正系數(shù);K=1.1(存在前期雨量)H24為24h最大降雨量mm;H1為1 h最大降雨量mm;H1/6為10 min最大降雨量mm;H24(D)、H1(D)、H1/6(D)為該區(qū)可能發(fā)生泥石流的24 h、1 h、10 min的界限雨值

H24(D)=30;H1(D)=15;H1/6(D)=6

根據(jù)統(tǒng)計(jì)綜合分析結(jié)果

R=18.43,R>10爆發(fā)泥石流的幾率大于0.8。

可見,區(qū)內(nèi)的水源極為豐富,為水磨溝泥石流的爆發(fā)提供了有利的水源條件

4 結(jié)語

水磨溝泥石流發(fā)展具有一定的波動性,在其形成的三個(gè)基本條件中,地形條件的變化比較緩慢,降水條件受區(qū)域氣候變化規(guī)律控制,而松散固體物質(zhì)補(bǔ)給量受地質(zhì)條件、人類活動因素影響較大,所以流域內(nèi)松散固體物質(zhì)的狀態(tài)及其累積速率是控制其泥石流發(fā)展趨勢的重要因素。