麥積山景區(qū)小型崩滑型泥石流形成機理分析

郭小梅，劉乃君，徐 智

(1.秦州區(qū)水土保持局，甘肅 天水 741000；2.甘肅林業(yè)職業(yè)技術學院，甘肅 天水 741020；3.甘肅省水利廳 水土保持局，甘肅 蘭州 730000)

1 景區(qū)內(nèi)的小型泥石流溝概況

景區(qū)內(nèi)的小型滑坡型泥石流溝位于麥積山景區(qū)麥積鎮(zhèn)西北方向，地處東經(jīng)105°58′53″～105°59′20″、北緯34°23′36″～34°24′10″，流域走向為北偏東37.15°，溝長1.19 km，流域面積0.61 km2，流域中心海拔1 500 m。地處隴南石質(zhì)山區(qū)，組成基巖以礫巖為主，砂巖和片麻巖在部分地帶出現(xiàn)，夾雜分布有斜長二云石英片巖。泥石流溝下部平坦開闊，上部地形相對陡直，溝道縱坡降為13°，溝谷狹窄，溝道呈V形，兩側(cè)邊坡陡峻，坡度35°～65°。流域內(nèi)下部平緩地帶為森林棕壤，土層厚度30～50 cm，覆蓋有厚5～15 cm枯枝落葉層和腐殖質(zhì)層，山頂分布有已棄耕的耕作土壤，夾雜分布有黃褐土、黃棕壤等土壤類型。2013年6月20日因連續(xù)強降雨，該溝道發(fā)生小型泥石流，根據(jù)泥痕測算，峰值流量約為7 m3/s，溝口沖出泥石流固體物質(zhì)約4 000 m3，堆積在麥賈公路上，堵塞交通，未造成人員傷亡。

2 泥石流堆積物組成特征

若按流域的溝谷地貌形態(tài)分類，那么麥積山景區(qū)小型崩滑泥石流屬于溝谷型泥石流，流域為長條形，形成區(qū)不明顯，兩側(cè)谷坡為泥石流物質(zhì)的主要供給區(qū)，流通區(qū)長，有時替代了形成區(qū)；按水源條件分類屬于暴雨型泥石流，連續(xù)強降雨是形成該流域泥石流的激發(fā)條件[1]。泥石流堆積物的形成過程是一個極其復雜的非線性過程，粒度組成是泥石流堆積物固體顆粒最重要的幾何特征[2]，粒度及顆粒組成不僅可以反映泥石流形成區(qū)巖石土體的性質(zhì)，而且可以反映泥石流的流變特性和搬運能力[3]。由于堆積在麥賈公路的固體物質(zhì)被及時清理了，因此我們在流域下部開闊平坦地段和溝口附近泥石流堆積區(qū)選定典型部位6處，通過挖圓形探坑，取出全部顆粒，分裝在不同的鐵桶內(nèi)帶回實驗室分析。

在確定泥石流容重過程中，我們采用了調(diào)查稱量法，在6個堆積物樣品中加水攪拌，確定最能代表泥石流流動狀態(tài)的樣品，稱重、量體積，測算樣品的容重。由于該方法隨意性較大，故邀請當?shù)囟嗝繐粽哌M行驗證，最后取6個樣品的平均值作為該流域泥石流的容重。經(jīng)測算，該流域泥石流容重為2.026 t/m3，屬黏性泥石流，流體中大小石塊密集，泥漿很稠，充填在顆粒之間，潤滑作用明顯，大大減小了粗粒間的運動阻力，故泥石流的運動速度較快。概率累積頻率曲線反映泥石流固體物質(zhì)組成和搬運方式之間的關系，圖1曲線反映各級粒徑顆粒均有分布(圖中φ值為把以“mm”為單位的粒徑取以2為底的對數(shù)并乘以“-1”，從而使得φ值都是整數(shù)，φ值越大表示粒徑越細)，導致粗顆粒之間碰撞概率增加，顆粒濃度接近于飽和狀態(tài)，泥石流流動呈現(xiàn)結(jié)構(gòu)蠕動狀態(tài)，這與目擊者所述的泥石流流態(tài)基本一致。

3 泥石流形成機理分析

3.1 泥石流形成的基本條件

3.1.1 地質(zhì)條件

該流域地層屬白堊系的麥積山組紅色砂礫巖，下部為紫紅色礫巖與含礫粗砂巖、砂質(zhì)泥巖互夾，上部為紫紅色厚層狀礫巖偶夾砂礫巖，下部具有大型斜層理、交錯層理，向上為平行、水平層理，其沉積環(huán)境屬陸內(nèi)河流相。該地層因受地質(zhì)構(gòu)造長期反復活動的影響，地層發(fā)生不同程度的變質(zhì)和變形，傾角均小于10°。該流域巖石整體性差，易風化，風化物黏粒含量豐富，有較強的透水性和吸水性，可塑性較好，長期成土過程形成的土壤較薄，受坡度影響持水性能較弱，在前期降水充沛的前提下，遇強降雨極易液化形成崩塌型滑坡，為泥石流的形成提供豐富的固體物質(zhì)來源。由于該流域兩側(cè)邊坡陡峻，重力、地質(zhì)作用長期發(fā)揮，加之裸露的巖石風化作用較為明顯，山坡表層有一定的土石補給量，遇強降雨呈現(xiàn)群發(fā)態(tài)勢。

圖1 流域泥石流固體物質(zhì)機械組成的概率累積頻率曲線

3.1.2 地形條件

該流域相對高度220 m，泥石流體勢能較小，沖出的固體物質(zhì)相對較少，能量較小，破壞性不強。流域橫剖面呈V形，兩側(cè)邊坡陡峻，當坡度小于45°時，除非有外界因素影響，一般風化物質(zhì)能夠存留。松散碎屑物較豐富，加之流域植被覆蓋率高，雖然溝坡坡度陡直，但植被保護了坡面，有效地控制了侵蝕，植物根系的固土作用使溝坡淺層滑坡得到控制，樹干也會將一部分山坡上部物理風化而產(chǎn)生的崩落物和溜砂分散攔截于斜坡，從而有效地控制了溝道松散固體物質(zhì)的富集。當坡度大于45°時，極易形成崩塌型滑坡，為泥石流提供較為豐富的固體物質(zhì)。流域形狀類似樹葉形，最有利于泥石流體匯流。流域面積70%以上為陽坡，巖石土體風化作用強度劇烈，松散土石體較為豐富。

3.1.3 降水條件

泥石流形成還要有數(shù)量充足的水體(徑流)，水體的來源最為普遍的是降雨，一方面水體是泥石流物質(zhì)的組成部分，泥石流為固液兩相流體，液相物質(zhì)就是水；另一方面匯流過程中水體又是泥石流運動的動力條件，只有當降水形成強大的徑流，才能攜帶大量的土石運動形成泥石流[1]。

該流域泥石流主要由連續(xù)強降雨引起，加之前期降雨豐沛，麥積山景區(qū)多個小型溝道發(fā)生泥石流，破壞景區(qū)景觀，堵塞景區(qū)道路，導致景區(qū)關閉。在植被覆蓋良好、生態(tài)系統(tǒng)相對穩(wěn)定、坡積物相對較薄的小型溝道，降水既是該流域泥石流發(fā)生的主要條件，同時也是泥石流發(fā)生的激發(fā)條件。

3.2 泥石流形成機理分析

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，該流域泥石流物源補給主要來源于溝坡上受重力和降雨作用產(chǎn)生崩滑進入溝道的固體物質(zhì)和溝道內(nèi)長期堆積的較為松散的固體物質(zhì)。小型泥石流發(fā)生在小型滑坡型溝谷，水力侵蝕和重力侵蝕作用在泥石流形成過程中同等重要。

流域平面形態(tài)呈“樹葉狀”，有利于溝道徑流的迅速匯集，較大的相對高差和上游段577‰的溝床坡降使沖入流通區(qū)的溝道徑流具有極大的速度和動能，具有在短時間內(nèi)將大量固體物質(zhì)沖出形成泥石流的地貌條件。

流域內(nèi)植被覆蓋率高達90%以上，植被對降雨具有攔截、吸收、增加土壤入滲等再分配功能，可以有效地阻止泥石流形成，植被根系的固結(jié)作用在某種程度上也可有效控制泥石流的發(fā)生，但在前期降雨豐沛的前提下，植被調(diào)節(jié)功能會明顯減弱，在長歷時降雨的中后期，當植被的攔截能力達到飽和時，對后續(xù)降水就不再發(fā)揮攔蓄作用，甚至還會使前期攔蓄的降水和后續(xù)降水疊加在一起，增大產(chǎn)流量。在長期飽水條件下，植物根系對土體的固結(jié)作用也會隨之減弱，油松等高大喬木會在自重作用下促使淺層滑坡發(fā)育。該流域泥石流形成區(qū)和流通區(qū)重合，溝道狹窄，兩側(cè)溝坡較陡，兩側(cè)共發(fā)育有6處小型崩塌、滑坡，主溝內(nèi)開闊地段還有大量不穩(wěn)定的堆積物源，具備充足的物源條件以形成和補給泥石流。

根據(jù)麥積山雨量觀測站觀測資料，2013 年6月19日8時至20日8時降水量高達277 mm(特大暴雨)，雖然流域內(nèi)植被覆蓋良好，地質(zhì)環(huán)境相對穩(wěn)定，但此次降雨強度實屬罕見，受前期降雨影響，土壤很難在短時間內(nèi)形成有效下滲，而陡峻地形使地表徑流迅速形成，并匯入溝道快速形成溝道洪水，為泥石流啟動提供充足水源條件。

泥石流流通區(qū)為V形溝谷，受高落差、大坡降的地形影響，溝床水動力條件容易滿足泥石流的形成。溝道洪水通過裹挾沿途溝道兩側(cè)崩滑物源和溝道中堆積的不穩(wěn)定物源，迅速發(fā)展成泥石流，在流通區(qū)平緩段，泥石流固體物質(zhì)有一定堆積、停淤，但在臨近溝口段，溝谷逐漸狹窄，泥石流速度再次加強，在短時間內(nèi)將大量固體物質(zhì)沖出溝口，堆積在麥賈公路上。

4 結(jié)果與結(jié)論

(1)麥積山景區(qū)林草豐茂，森林覆蓋率高達90%以上，生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定，人為破壞輕微，良好的植被有效降低了地質(zhì)災害的發(fā)生概率，但通過對該流域小型崩滑型泥石流形成條件與機理分析發(fā)現(xiàn)，良好的生態(tài)環(huán)境并不能完全遏制泥石流的發(fā)生。

(2)在一般頻率的降雨條件下，麥積山景區(qū)小流域內(nèi)物源難以在洪水作用下啟動，但可參與泥石流的潛在物源卻因長年累月的積累而增多。在某一年份中，若遭遇充沛的前期降雨后再突遇短時強降雨，更多潛在的溝坡不穩(wěn)定物源都可能因過度充水、失穩(wěn)演變?yōu)楸浪⒒逻M入溝道，進而發(fā)育形成泥石流。

(3)麥積山景區(qū)泥石流發(fā)生頻率極低，與地質(zhì)地貌、水文氣象等基本條件相近的地區(qū)相比，景區(qū)泥石流發(fā)育受到良好植被條件的限制，泥石流溝密度低，暴發(fā)度低，但在超過植被調(diào)控限度后也會發(fā)生小規(guī)模泥石流[4]。

(4)麥積山景區(qū)低頻泥石流暴發(fā)周期較長，具有很強的隱蔽性，容易導致流域內(nèi)居民大意、麻痹，缺乏防范意識，一旦暴發(fā)極易造成較大損失[5]，因此在遇到連續(xù)強降雨時要加強預警、強化群眾的安全意識。