泥石流地質(zhì)災(zāi)害的動(dòng)力學(xué)發(fā)育特征及成災(zāi)演化過(guò)程分析

［關(guān)鍵詞］泥石流；發(fā)育分布；力學(xué)特征值；成災(zāi)演化

泥石流發(fā)育具有突然性和暴發(fā)性，通常難以預(yù)測(cè)，一旦暴發(fā)將導(dǎo)致大規(guī)模毀滅性災(zāi)難[1]，目前，國(guó)內(nèi)的研究熱點(diǎn)集中于泥石流的危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)[2]、發(fā)育特征[3]、地質(zhì)災(zāi)害鏈[4]等方面，泥石流監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)[5]、參數(shù)計(jì)算方法[6] 、模型分析[7]等有可能成為我國(guó)泥石流災(zāi)害研究領(lǐng)域未來(lái)的核心主題。本文以興義穆家坡泥石流為例，總結(jié)地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)育特征，概化泥石流發(fā)育演化模型，力求為多災(zāi)種地質(zhì)災(zāi)害的防治開(kāi)拓思路。

1. 泥石流的發(fā)育特征

穆家坡泥石流溝2016、2017年暴雨時(shí)，均有不同程度的變形，2017年7月8日清晨，穆家坡泥石流在暴雨誘發(fā)下突發(fā)變形，造成4棟房屋損壞，多處道路中斷，所幸未造成人員傷亡。

穆家坡泥石流溝及其兩側(cè)次級(jí)沖溝發(fā)育，主溝溝道全長(zhǎng)泥石流溝主滑向210°，寬度2～6 m，溝道全長(zhǎng)814.86 m，高差287.65 m，縱坡降約353‰，區(qū)域匯水面積為0.222km²。區(qū)內(nèi)植被覆蓋率低，暴雨激發(fā)下，泥石流溝內(nèi)滑塌、潛在不穩(wěn)定斜坡等頻發(fā)，其沖溝兩側(cè)斜坡上第四系松散層覆蓋較厚，含粉砂、礫、塊各級(jí)粒度，粒度很不均勻，且結(jié)構(gòu)較為松散，斜坡自然穩(wěn)定性較差。經(jīng)配方試驗(yàn)?zāi)嗍髦囟龋é?sub>c）達(dá)到1.46 t/m³，固體松散物容重2.68 t/m³，經(jīng)綜合分析，該泥石流地質(zhì)災(zāi)害屬暴雨-崩滑-溝谷-低頻-稀性泥石型泥石流。

1.1地形地貌條件分析

穆家坡泥石流溝屬剝蝕低中山溝谷地貌，地勢(shì)上東北高西南低，流域北側(cè)主要有三條沖溝匯入，山體地形坡度35°～40°。該泥石流溝兩側(cè)均為高陡斜坡地形，溝谷橫斷面多呈狹窄“V”字型，地形起伏較大，溝谷切割強(qiáng)烈。坡體第四系松散堆積體較厚，植被覆蓋率15%左右，水土流失嚴(yán)重，為泥石流的形成提供了有利的地形條件和水動(dòng)力條件[8]。

1.2物源條件分析

泥石流物源主要由松散的第四系殘坡積層（Q^dl+el）、沖洪積層（Q₄^al+pl）及泥石流堆積層（Q₄^sef）組成，物源區(qū)主要下伏基巖為三疊系下統(tǒng)飛仙關(guān)組（T₁f）粉砂巖夾頁(yè)巖細(xì)砂巖夾泥質(zhì)灰?guī)r頁(yè)巖及二疊系上統(tǒng)龍?zhí)督M（P₃l）雜色粉砂巖、灰色黏土質(zhì)細(xì)砂巖、黏土巖夾白云質(zhì)灰?guī)r，透水性相對(duì)較弱，堆積區(qū)內(nèi)黃褐色粉土夾碎石，結(jié)構(gòu)松散，透水性一般，磨圓度一般，碎石含量40%～60%，粒徑1～15 cm，塊石塊徑一般20～30 cm，最大可達(dá)1 m。為泥石流的暴發(fā)提供了豐富的物源，使泥石流長(zhǎng)期處于活躍期，極易受暴雨誘發(fā)復(fù)活[9]。

1.3水源條件分析

興義市頂效鎮(zhèn)年平均降水量1352.8 mm，最大年降雨量2047.8 mm，最小年降雨量737.1 mm。降雨集中在每年5～9月。根據(jù)1981～2010年該區(qū)域降雨量統(tǒng)計(jì)，降雨集中在7月，平均降雨量299 mm，2016年6月20日發(fā)生特大降雨，單日降雨量達(dá)264 mm（百年一遇），雨季豐沛的降雨對(duì)邊坡的穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響[10]。

2. 成災(zāi)演化過(guò)程分析

從泥石流發(fā)育過(guò)程中歸納泥石流成災(zāi)演化發(fā)生的本質(zhì)原因?yàn)榍懈顝?qiáng)烈、高差大溝谷地形、多種地質(zhì)災(zāi)害形成的豐富物源條件[11]，在暴雨作用下的水—泥耦合[12]，沖溝內(nèi)堆積體受暴雨沖刷和多處垮塌物源的外動(dòng)力作用下不斷產(chǎn)生應(yīng)力調(diào)整和軟化現(xiàn)象[9]，在山洪共同作用下產(chǎn)生突發(fā)變形，推測(cè)泥石流成災(zāi)演化概念模型如下所示：

（1）初始階段：小范圍多發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害形成堆積體，產(chǎn)生能量累積作用，并形成豐富物源[4]；

（2）徐變階段：隨著時(shí)間演化，溝內(nèi)垮塌等進(jìn)一步發(fā)育，產(chǎn)生沿層面方向的應(yīng)力傳遞；

（3）臨界階段：發(fā)展到一定程度后，受局部地形或垮塌堆積體阻擋，無(wú)法繼續(xù)沿層面向前破壞，在前緣部位產(chǎn)生應(yīng)力集中作用，隨時(shí)間演化緩慢向前擴(kuò)展；

（4）破壞階段：當(dāng)集中應(yīng)力超過(guò)鎖固段巖土體的極限抗剪強(qiáng)度時(shí)，滑體在暴雨作用下發(fā)生突發(fā)性破壞[13]，并對(duì)滑體上人類工程造成破壞。

3. 泥石流動(dòng)力學(xué)特征值分析

3.1 清水洪峰流量計(jì)算

根據(jù)興義市氣象站統(tǒng)計(jì)42年的年最大日降雨資料計(jì)算，假設(shè)泥石流的暴發(fā)與暴雨同頻率，根據(jù)貴州省《年最大24小時(shí)點(diǎn)雨量均值等值線圖》、貴州省《年最大24小時(shí)點(diǎn)雨量Cv值等值線圖》，取H₂₄=110mm、Cv=0.40，貴州省年最大24小時(shí)點(diǎn)雨量Cs=1.40作為計(jì)算值[14]。結(jié)合流域特性，取設(shè)計(jì)頻率為：10年一遇（10%）、20年一遇（5%）、50年一遇（2%）、100年一遇（1%），在四個(gè)不同頻率下的日最大降雨量（表1）。

4. 泥石流溝道及橋涵過(guò)流能力分析

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，勘查區(qū)流域內(nèi)人類工程活動(dòng)強(qiáng)烈，溝口段緊鄰納省—卡路鄉(xiāng)道沿線、分布有多處房屋等設(shè)施，由于2016年、2017年暴雨作用造成多處斜坡變形垮塌，并引發(fā)泥石流，沖毀溝口道路。

現(xiàn)對(duì)橋涵及排水溝道進(jìn)行泥石流過(guò)流能力計(jì)算，流量參照各溝道50年一遇各代表性剖面計(jì)算流量進(jìn)行復(fù)核，按照100年一遇進(jìn)行校核[17]，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表7。

根據(jù)實(shí)地勘查及室內(nèi)計(jì)算結(jié)果可知，泥石流溝下部排導(dǎo)槽可滿足10年、20年一遇過(guò)流量、不能滿足50、100年一遇過(guò)流量，但目前泥石流溝道有淤積情況，突發(fā)泥石流時(shí)，局部溝道將溢出，向兩側(cè)漫延。計(jì)算結(jié)果與勘查期間訪問(wèn)村民指認(rèn)描述暴發(fā)泥石流時(shí)情況基本一致，在溝道較窄、彎道地段溝道溢出，部分溝道能正常排泄。

5 . 結(jié)論

通過(guò)前期系統(tǒng)性調(diào)查分析了穆家坡泥石流發(fā)育特征，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)堆積體特征和破碎程度，總體為初始階段、徐變階段、臨界階段、破壞階段，計(jì)算了泥石流在破壞階段不同暴雨頻率下的峰值流量、泥石流流速、一次過(guò)流總量，對(duì)泥石流溝下游排導(dǎo)槽過(guò)流能力進(jìn)行分析，泥石流溝下游排導(dǎo)槽可滿足10年、20年一遇過(guò)流量；不能滿足50、100年一遇過(guò)流量，需對(duì)該區(qū)域泥石流采取進(jìn)一步防治措施，分析結(jié)果為小區(qū)域內(nèi)泥石流的防治方案設(shè)計(jì)提供了思路。