棲霞市生木樹泥石流隱患點發育特征及發展趨勢分析評價

張生海,韓明智,高松，白瑩

(山東省第三地質礦產勘查院，山東 煙臺 264004)

棲霞市生木樹泥石流隱患點為煙臺市471處地質災害隱患點其中1處，曾于1979年7月因暴雨引發泥石流災害，造成直接經濟損失52萬元，但未造成人員傷亡，現仍然威脅著流域內人民群眾的生命財產安全。該文以泥石流溝流域作為研究區，以實地勘察成果為基礎，分析評價了泥石流隱發育特征及發展趨勢并計算了泥石流基本特征值，為同類型泥石流的防治提供科學依據[1-7]。

1 地質環境背景條件

研究區屬暖溫帶東亞大陸性季風型半濕潤氣候，四季分明，年平均氣溫11.4℃，多年平均降水量673.44mm，雨季主要集中在7—8月份；區內屬剝蝕低山地貌，地勢西北高東南低，大地構造屬華北板塊(Ⅰ級)膠遼隆起區(Ⅱ級)膠北隆起(Ⅲ級)膠北斷隆(Ⅳ級)棲霞-馬連莊凸起(Ⅴ級)[8]，大面積出露新太古代奧長花崗巖及片麻巖，沿泥石流溝谷及沿岸地帶主要出露漂石、塊石、角礫、粉質黏土等松散覆蓋層，區內出露2條NE向斷裂構造。

2 泥石流發育特征及形成機理

2.1 泥石流基本特征

2.1.1 泥石流溝道特征

研究區為一較完整的溝谷流域，地形起伏較大，切割深度<300m，坡度10°～40°，匯水面積0.8km2，溝谷兩側松散堆積物厚度0.5～10.0m，植被覆蓋率>60%，流域內主要包括1條較發育主溝及2條不發育支溝(圖1)，溝谷橫斷面均呈“V”型。

主溝長約500m，縱坡(176～839)×10-3，切割深度>10m,溝寬10～50m，深0.8～2.5m，溝床及兩岸覆蓋松散漂石、塊石、碎石土、耕土，上游地帶基巖出露；支溝1長約230m，縱坡268×10-3左右，溝寬10～30m，溝底發育侵蝕切割沖溝，沖溝深度0.5～1.0m，上游基巖出露，下游主要覆蓋粉土、碎石土、漂石，溝道底部現在為梯田；支溝2長150m，縱坡364×10-3左右，溝寬2～6m，溝底發育侵蝕切割沖溝，沖溝深0.3～1.0m，上游基巖出露，下游主要覆蓋粉土、碎石土、漂石，支溝兩岸主要為梯田。

2.1.2 泥石流各區段沖淤特征

區內地質、地貌、氣候條件為泥石流形成提供了較豐富松散物質和水動力條件，地形為泥石流流通提供通道條件。通過實地勘察及分析研究，該泥石流溝劃分為形成區、流通區、堆積區(圖1)：

1—匯水面積范圍,2—形成區,3—流通區,4—堆積區,5—泥石流溝,6—村莊,7—分區界線,8—斷裂構造圖1 泥石流溝流域略圖

(1)形成沖淤特征。形成區主要為3條泥石流溝起始至匯集區域，長約670m，面積約0.3km2，該區地形起伏較大，縱坡最大達839×10-3，降水匯集后水動力條件好，其沖淤特征以沖刷為主：上游地帶主要出露基巖斜坡，植被覆蓋率高>60%，抗沖刷能力較強，區內匯水面積較小，流水沖刷能力相對較弱：中下游因泥石流災害，大量松散物質堆積溝道中且溝道兩岸為梯田，抗沖刷能力較弱。該區主要表現為以沖刷為主，局部地形平緩處有淤積現象的特點。

(2)流通區沖淤特征。流通區主要分布于形成區與堆積區之間，長約300m，面積約0.05km2，溝道地形起伏較小，平均坡降約150×10-3，主流方向未偏離且河形變化不大，這種條件決定該溝段沖淤特征為以淤為主的特點。

(3)堆積區沖淤特征。堆積區位于研究區下游地形相對平緩地帶，長約530m，面積約0.1km2，溝道形態逐漸由“V”字型向寬緩地形轉變，主流方向未偏離且河形變化不大，平均坡降約110×10-3，沖淤特征主要為沖刷：泥石流災害將原溝道中松散堆積體和溝底的強風化基巖部分裹挾、鏟刮最后運移至該區，區內地形較為開闊，堵潰可能性較小，有利于泥石流物質的停放，堆積物主要為塊石、漂石、碎石土。

2.1.3 泥石流物源條件

根據現場勘察，泥石流物源主要來自形成區內的洪積物和溝岸兩側的坡積物，補給長度比約30%：主溝物源主要分布溝谷及兩岸，面積160258m2，厚0.2～10.0m，平均厚度約2m；支溝1松散覆蓋層厚度0.2～6.0m，平均厚度約1.5m，分布面積49907m2；支溝2松散覆蓋層厚度0.2～8.0m不等，平均厚度約1.5m，分布面積95924m2。根據《泥石流災害防治工程勘查規范》(T/CAGHP006--2018)附錄C，采用分布面積與平均厚度的乘積法計算出研究區物源總量46.66×104m3，流域動儲量為46.66×20%=9.33×104m3。

2.1.4 泥石流堆積物特征

(1)堆積物顆粒特征。區內的泥石流堆積體呈扇形狀堆積于溝道及兩岸，主要為漂石、塊石，角礫石、碎石土及粉質黏土等，整體呈灰褐色或黃褐色，塊石粒徑一般在10～400mm之間，最大2.0m，含量>50%，磨圓度及分選性較差，局部碎石呈尖棱狀，母巖成分為奧長花崗巖，碎塊石間被角礫、粉質黏土等充填。

(2)堆積物疊置關系及成因分析。泥石流發生初始階段，流體運動速度快，沖擊力大，各種粒徑的石塊及土被快速沖刷攜帶而走；隨后經流通爬高后能量消耗，運動速度減慢，沖擊力減弱，大粒徑石塊停積在溝道中，粒徑較小的石塊及土可繼續流通，停積的石塊導致其對泥石流排導能力減弱甚至失去排導能力，粒徑較小的石塊及土層主要表現為漫流和淤埋。綜上，區內泥石流堆積物在垂向上，粒徑呈現上大下小的漂石或塊石、角礫或碎石土、粉土及粉質黏土疊置；在徑流方向上，粒徑呈現自上游的漂石或塊石、角礫石至下游的角礫石、粉土、粉質黏土自大變小的堆積特征。

2.1.5 泥石流類型劃分[9]

(1)按水源和物源成因分類。該泥石流災害因暴雨引發，坡面和沖溝侵蝕提供泥石流形成的主要物源，屬暴雨型、坡面侵蝕型泥石流。

(2)按集水區特征分類。研究區上游屬中低山，近似呈扇形，沖溝主要位于山間溝谷中，呈長條帶狀，物源主要分布于沖溝兩岸，受暴雨和匯流水體的沖蝕作用較為強烈。整體而言，泥石流區域受一定的溝谷制約，流域周界較為清晰，上游匯水區、物源區、形成至堆積區有一定的層次感，屬溝谷型泥石流。

(3)按爆發頻率分類。該泥石流溝谷曾于1979年7月發生泥石流，至今暫未再次發生泥石流地質災害，按爆發頻率1次/100年<1次/20年確定為低頻率泥石流。

(4)按物質組成及流體性質分類。泥石流物質主要漂石、塊石，角礫石、碎石及少量砂土和粉質黏土，漂石、塊石堆積于上游地帶，碎石土、砂土及粉質黏土等被水流攜帶至下游，堆積物雜亂，無定向性和分選性，且堆積物塊石表面較干凈，無泥漿殘留，結合泥石流發生時的暴雨情況，初步估計泥石流重度在1.3～1.8t/m3之間,屬水石型、稀性泥石流。

(5)按一次性爆發規模劃分。據調查訪問與資料收集(1)山東省地質環境監測總站，山東省棲霞市1∶5萬地質災害調查報告，2012年。，該泥石流災害一次沖出固體質量約2.7×104m3，規模為中型。

綜上，研究區泥石流屬于由暴雨激發的坡面侵蝕型的、低頻率的、一次爆發規模為中型的、水石型的、稀性的溝谷型泥石流。

2.2 泥石流形成機理與引發因素

2.2.1 形成機理

溝谷型泥石流的形成條件主要有3個：地形、物源、水源條件[10-11]，研究區1979年因暴雨引發泥石流，具備泥石流形成所必須的地形地貌條件、固體物質來源及水源條件。

(1)地形地貌條件。區內泥石流溝為封閉的“V”型谷，屬剝蝕低山，總體地勢西北高東南低，地形起伏較大，相對高差290.09m，溝谷縱坡降最高可達839×10-3，溝形較為順直。較大的地形高差和較窄溝谷，有利于松散固體物源、雨水的匯集，為泥石流的形成、運動提供了有力條件。

(2)物源條件。充分的松散固體物質是形成泥石流的必要條件之一[12-13]，研究區松散固體物質主要分布于泥石流溝床及其兩岸的漂石、塊石、角礫石、砂土、粉質黏土及梯田耕植土等松散覆蓋層，物源總量達46.66×104m3，流域流動儲量約9.33×104m3，為泥石流的形成提供了充足的物質來源。松散固體物源的累計和動態變化情況及與引發泥石流的暴雨情況相關[14]。

(3)水源條件。降雨強度越大，越有利于泥石流的發生、發展及活動[15]，區內7—8月期間常出現暴雨天氣，且具有強度大、歷時短等特點，暴雨能夠在短時間內為泥石流提供充足的水源[16-17]，加大溝谷侵蝕強度，各種疏松物質隨水流攜帶，迅速匯集在分支溝和主溝中，造成溝床堵塞、流體增稠、產能積累，為泥石流的形成爆發提供了動力。

2.2.2 引發因素

區內目前人類工程活動主要為梯田耕種，為泥石流的發生提供了松散的梯田耕植土物源，區內引發泥石流發生的主要因素為降雨。當局部長時間的大暴雨和長時間降雨后又降大暴雨時，會啟動溝道上游人工堆積物、溝道堆積物，爆發泥石流的可能行較大，同時會造成斜坡不穩定堆積物失穩進入溝道，大大增加泥石流物源量。

3 泥石流特征值計算

3.1 泥石流流體重度

據實地調查目睹過泥石流的居民，按照他們的感官描述，發生的泥石流漿體為稀漿狀，根據流體形態調查法初步估計泥石流流體容重取值1.20～1.40t/m3[9]；同時選擇具有代表性的堆積物4組，進行現場配漿試驗，采用計算公式：γc=Wc/Vc[9],式中：γc為泥石流流體容重(t/m3)；Wc為樣品質量(g)，該次4組試驗的樣品平均質量為6900g；Vc為樣品的體積(cm3)，測量容器體積為5000cm3；計算泥石流流體重度平均值為1.38t/m3；綜合確定研究區泥石流流體重度為1.38t/m3。

3.2 泥石流流速

目前，泥石流流速主要采用經驗和半經驗公式計算，一般分為稀性、黏性和泥石流中大石塊運動速度計算公式3類[18-20]，根據泥石流流體重度計算結果，該次在主溝、支溝1、支溝2及流通區溝道各選取1處泥石流溝計算斷面，采用急稀性泥石流流速計算公式：Vc=1.8(gR)1/2I1/10[9]進行計算，式中：Vc為泥石流流速(m/s)；g為重力加速度(g=9.8m/s2)；R為水力半徑(m)，一般可用平均泥位代替，根據實地調查，各泥石流溝平均泥位：主溝為0.50m，支溝1為0.40m，支溝2為0.5m，流通區為1.0m；I為縱坡降：主溝I=0.35，支溝1I=0.15，支溝2I=0.20，流通區I=0.10。將各參數帶入上述公式中計算得出各泥石流計算斷面泥石流流速(Vc)：主溝為3.59m/s，支溝1為2.95m/s，支溝2為3.39m/s，流通區為4.48m/s。

3.3 泥石流峰值流量

泥石流峰值流量一般可通過形態調查法和雨洪法進行計算，形態調查法計算結果沒有考慮暴雨頻率的概念[20]，而雨洪法則根據現有溝域面積進行計算，具有預測性質，故該次選取上述4處計算斷面采用雨洪法進行泥石流峰值流量計算。計算公式為Qc=(1+φ)QpDc[9]和Qp=ΨFs[9]，式中：Qc為頻率為P的泥石流洪峰值流量(m3/s)；φ為泥石流泥沙修正系數參照附錄I.2確定；Qp頻率為P的暴雨洪水設計流量(m3/s)；Dc為泥石流堵塞系數，該泥石流溝堵塞程度輕微，查表取Dc=1.3；F為計算斷面流域面積(km2)；s為小時雨強(mm)，取2016年7月18日百年一遇的1小時降水量達95.0mm；Ψ為暴雨徑流系數，研究區為針葉樹林，查表取0.8。雨洪法計算泥石流峰值流量結果見表1。

表1 泥石流峰值流量計算結果(雨洪法)

3.4 一次泥石流過流總量

根據泥石流歷時和最大流量，按下式進行計算：Q=0.264TQc[9]，式中：Q為泥石流一次過程總量(m3)；T為泥石流歷時(s)，據當地百姓回憶，1979年泥石流發生時，降雨持續時間長達2h左右，泥石流歷經20min(T=1200s)；Qc為泥石流最大峰值流量(m3/s)，取46.99m3/s。將各參數帶入上述公式計算得出Q=14886.43m3。

3.5 一次泥石流沖出固體物質總量

按下式進行計算：QH=Q(γc-γw)/(γH-γw)[9]，式中：QH為一次泥石流固體物質沖出量(m3)；Q為泥石流一次過程總量(m3)，取上述計算結果Q=14886.43m3；γc為泥石流重度(t/m3)，取前述計算結果γc=1.38t/m3；γw為清水重度(γw=1.0t/m3)；γH為泥石流固體質量的重度(t/m3)，根據《泥石流災害防治工程勘查規范》(T/CAGHP006--2018)，附錄I.2取γH=2.65t/m3。將各參數帶入上述公式計算出QH=9333.79m3。

3.6 泥石流爬高和最大沖起高度

表2 泥石流爬高和最大沖起高度計算結果

4 泥石流發展趨勢分析評價

4.1 泥石流易發程度分析與評價

根據區內泥石流發育特征，泥石流溝流域面積0.8km2，植被覆蓋率>60%；區內位于構造相對穩定區，存在侵蝕沖溝；區內相對高差209.09m，溝谷橫斷面呈“V”字型，坡度10°～40°，溝岸山坡坡度>32°；區內主要出露新太古代奧長花崗巖及片麻巖和松散第四系殘坡積物、崩坡積物等，松散覆蓋物平均厚度1.5～2.0m，物源總量達46.66×104m3，流域流動儲量約9.33×104m3，物源豐富；松散物源沿溝道補給較充分，補給長度比約30%，溝谷內(1979年7月泥石流)一次泥石流沖淤變幅<0.2m，溝谷堵塞程度輕微。

根據上述泥石流溝域基本特征和參數，對照《泥石流災害防治工程勘查規范》(DT/T0220--2018)附錄I.1“泥石流溝易發程度數量化評分表”(表3)，研究區泥石流易發程度評分為70分，依據附錄I.3“泥石流溝易發程度數量化綜合評判等級標準表”，研究區泥石流易發程度評分位于44～86分之間，為輕度易發。

4.2 泥石流的發生頻率和發展階段

自1979年發生泥石流后，至今暫未再次發生泥石流地質災害，確定該泥石流為低頻率泥石流(表4)。

表3 泥石流溝易發程度數量化評分

表4 泥石流按爆發頻率分類[9]

根據前述泥石流基本特征描述并結合《泥石流災害防治工程勘查規范》(DT/T0220--2018)附錄B“泥石流溝發展階段的識別方法”中的識別標記：研究區溝道順直較窄，溝破陡峻；主溝侵蝕速度大于支溝侵蝕速度；溝口扇形堆積地形發育；松散物邊坡坡度>30°，呈<30m高度堆積；溝槽以縱向切蝕為主，溯源沖刷發育，溝槽不穩；溝域松散物模量46.66×104/0.8=58.3×104m3/km2，大于10×104m3/km2；激發泥石流雨強為暴雨乃至特大暴雨。綜合分析確定該泥石流溝目前處于發展期。

4.3 泥石流的發展趨勢預測

現狀條件下研究區泥石流災害趨于相對穩定，從影響區內泥石流發生的因素來看，地貌、地質和氣候等基本因素，為泥石流的形成發展提供了必要條件，因此區內泥石流活動也將長期存在，而促進和激發區內泥石流發生的自然因素主要為強降雨，只要出現有利的激發條件，就可能再次引發泥石流發生。

該泥石流溝形成泥石流的地形及物源條件都十分充分，流域內泥石流松散固體物源較豐富，總量46.66×104m3，動儲量為9.33×104m3，且物源主要集中于溝道及兩岸地帶，在遇暴雨乃至大暴雨激發作用下，會增加泥石流的物源量，這些物源在較大流量的洪水作用下啟動，進而可能會產生新的突發性泥石流災害，危害流域范圍內居民生命財產安全。

5 結語

(1)研究區泥石流屬由暴雨激發的坡面侵蝕型的、低頻率的、水石型的、稀性的、溝谷型泥石流。

(2)通過野外調查、試驗和計算，研究區泥石流容重為1.38t/m3，為稀性泥石流；泥石流流速2.95～4.48m/s，峰值流量為6.53～44.76m3/s，一次泥石流過流總量為14886.43m3，泥石流一次沖出的固體物質總量為9333.79m3,規模為小型，泥石流爬高0.71～1.64m，最大沖起高度為0.89～2.05m。

(3)綜合分析研究，現階段研究區泥石流易發程度為輕度易發，泥石流溝發展階段為發展期，泥石流災害趨于相對穩定，但一旦遭遇暴雨至特大暴雨，可能會再次引發泥石流地質災害。

(4)建議在流域上游修建攔擋壩，下游修建排導槽，同時加強監測，搞好水土保持，實施合理耕作活動，全方位減弱泥石流災害的發生。