湖南溆浦縣禾元組泥石流發(fā)育特征和形成機(jī)理研究

蔣 魁, 胡建波, 劉治宇

(湖南省煤炭地質(zhì)勘查院，湖南 長(zhǎng)沙 410000)

泥石流作為三大常見(jiàn)的地質(zhì)災(zāi)害之一，具有突發(fā)性強(qiáng)，破壞力大，危害性高等特點(diǎn)，尤其是坡面型泥石流，雖然規(guī)模小，但突發(fā)性更強(qiáng)，分布范圍更廣，且難以防范，因而危害巨大[1]。坡面型泥石流一般發(fā)生在覆蓋層厚度小于5 m，坡度30°～50°，未形成明顯溝谷的坡體上，多由強(qiáng)降雨引發(fā)的淺層滑坡運(yùn)動(dòng)發(fā)展而成。坡面型泥石流可分為溜坍型、沖蝕型和滑坡型三類[2-3]。一些學(xué)者對(duì)坡面型泥石流形成機(jī)理和演化過(guò)程進(jìn)行了大量研究，雖然將坡面型泥石流形成過(guò)程分為不同的演化階段，但大多認(rèn)為其形成與地形坡度、地層巖性、降雨強(qiáng)度、植被等因素密切相關(guān)，特別是短時(shí)雨強(qiáng)對(duì)坡面型泥石流的形成起決定性作用[4]。本文以禾元組泥石流為研究對(duì)象，通過(guò)野外調(diào)查和室內(nèi)試驗(yàn)，分析了坡面型泥石流的形成條件，并在此基礎(chǔ)上分析了坡面型泥石流形成機(jī)理，為該泥石流治理工程設(shè)計(jì)提供了理論基礎(chǔ)，同時(shí)也對(duì)類似坡面泥石流的預(yù)測(cè)預(yù)警具有一定的借鑒意義。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于湖南省溆浦縣北部，屬中亞熱帶季風(fēng)濕潤(rùn)氣候，四季分明，降雨量時(shí)空變化大且季節(jié)分配不均，災(zāi)害性天氣頻繁。多年平均氣溫17.1 ℃，多年平均降雨量1 124.9 mm，最大降雨量1 897.2 mm。地貌類型為構(gòu)造剝蝕低中山地貌，地形陡峭，最大相對(duì)高差141 m，坡度一般25°～45°。出露地層為第四系殘坡積層(Qel+dl)砂質(zhì)黏性土、沖洪積層(Qal+pl)含碎石、卵石砂質(zhì)黏土和燕山早期(γ5)中細(xì)粒斑狀二云母花崗巖，花崗巖殘積土厚度一般0.6～2.4 m。地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單，無(wú)斷裂發(fā)育。

禾元組泥石流由東溝和西溝組成，流域面積約0.1 km2，其中東溝于2017年暴發(fā)泥石流，西溝無(wú)泥石流災(zāi)害史。東溝整體呈樹(shù)枝形，主溝縱向長(zhǎng)度約217 m，相對(duì)高差95.58 m，溝谷平均縱坡降44.05%，主流方向約149°；西溝整體呈折線形，主溝縱向長(zhǎng)度約194 m，相對(duì)高差76.32 m，溝谷平均縱坡降39.34%，主流方向約138°。東溝泥石流造成下方4棟居民房屋及50 m省道不同程度受損，毀壞金銀花及獼猴桃作物約4 000 m3，直接經(jīng)濟(jì)損失約200萬(wàn)元。泥石流主要威脅對(duì)象為下部省道S312和居民區(qū)，威脅居民15戶77人，房屋16棟、省道100 m及耕地2 600 m3，潛在經(jīng)濟(jì)損失約1 257萬(wàn)元，潛在危險(xiǎn)性等級(jí)為中型[5]。

2 泥石流形成條件

2.1 地形條件

禾元組泥石屬于坡面型泥石流，流域面積小、溝道長(zhǎng)度小、縱坡大，具有獨(dú)特的形態(tài)特征。溝道特征不明顯、界線較模糊，根據(jù)其發(fā)育特征亦可大致劃分出形成區(qū)、流通區(qū)和堆積區(qū)。

東溝形成區(qū)分布于高程1 247.23～1 334 m之間，高差86.77 m，平均縱坡降78.03%，溝道坡度較陡，多在30°～50°之間，局部可達(dá)60°以上；西溝形成區(qū)分布于1 273～1 315 m之間，高差42 m，平均縱坡降44.06%。區(qū)內(nèi)發(fā)育6處小型滑坡，坡面侵蝕嚴(yán)重，溝道內(nèi)殘留大量的泥石流松散堆積物為泥石流的形成提供了豐富的物源。形成區(qū)溝段縱向坡度大，泥石流拋射距離和遇障礙物沖擊高度大，溝道兩側(cè)樹(shù)干上可見(jiàn)清晰泥痕，最大高度約2.8 m。

東溝流通區(qū)主要位于溝谷高程1 240～1 274 m之間，高差34 m，平均縱坡降50.75%；西溝流通區(qū)主要位于溝谷高程1 240～1 273 m之間，高差33 m，平均縱坡降45.24%。溝道寬度一般2～10 m，無(wú)明顯溝道界線，多以兩側(cè)山體或陡坎為界，溝內(nèi)沖蝕強(qiáng)烈，多形成1～5 m高陡坎，可見(jiàn)中等風(fēng)化花崗巖風(fēng)化球出露。東溝流通區(qū)溝谷內(nèi)松散堆積物較厚，溝岸陡峻且穩(wěn)定性較差，在泥石流形成過(guò)程中也會(huì)提供大量物源。西溝流通區(qū)溝谷內(nèi)僅平緩地段有少量松散堆積物，在泥石流形成過(guò)程中可提供物源較少。

泥石流堆積區(qū)主要位于溝谷高程1 240 m以下，該區(qū)域地形較開(kāi)闊，地勢(shì)平緩。東溝堆積扇呈長(zhǎng)扇形，扇形體寬約10～30 m，扇體坡度8°～15°，擴(kuò)散角約20°～45°，堆積區(qū)縱長(zhǎng)約31 m，堆積厚度約0.3～0.8 m。西溝堆積體呈近扇形，主要為沖洪積物，扇形體寬約5～20 m，扇體坡度5°～10°，擴(kuò)散角約15°～30°，堆積區(qū)縱長(zhǎng)約25m，堆積厚度約0.5～1.4 m。

2.2 物源條件

禾元組泥石流物源主要包括崩滑物源、坡面侵蝕物源和溝床堆積物源三類，主要分布于泥石流形成區(qū)和流通區(qū)。坡面侵蝕物源為禾元組泥石流主要物源，其次為溝道堆積和崩滑物源，各類物源之間存在密切的轉(zhuǎn)化關(guān)系(表1)。

表1 禾元組泥石流物源統(tǒng)計(jì)表

2.3 水源條件

禾元組泥石流東西兩溝均為常年流水溝，溝內(nèi)水流主要靠大氣降水以和地下水滲透補(bǔ)給，流量暴漲暴落特征明顯；同時(shí)流域內(nèi)發(fā)育多條匯水通道，為降雨快速匯集提供了有利的地形地貌條件。研究區(qū)屬中亞熱帶季風(fēng)濕潤(rùn)氣候，雨季多大雨和暴雨，降雨為泥石流提供了充足的水源條件，強(qiáng)降雨是誘發(fā)禾元組泥石流的主要因素。

3 泥石流堆積物特征

禾元組泥石流僅東溝暴發(fā)泥石流，西溝無(wú)泥石流災(zāi)害史，因其在堆積物特征方面略有差異。分別統(tǒng)計(jì)東西兩溝形成區(qū)、流通區(qū)、堆積區(qū)堆積物粒徑，東溝泥石流堆積物中，堆積區(qū)粗顆粒含量明顯高于形成區(qū)和流通區(qū)，形成區(qū)與流通區(qū)粗顆粒含量相近，形成區(qū)略高；西溝沖洪積堆積物中，形成區(qū)粗顆粒含量最高，其次為堆積區(qū)，流通區(qū)最低，這與禾元組泥石流溝道沖淤特征及地形特征具有較好的一致性。

東溝為泥石流溝，泥石流暴發(fā)時(shí)，速度快，能量大，裹挾大量碎塊石一起前進(jìn)，因而堆積區(qū)中夾有大量粗顆粒碎塊石，最大直徑約1.5 m；隨著泥石流的減弱，流速、流量變小，泥石流中的細(xì)顆粒物質(zhì)開(kāi)始在形成區(qū)及流通區(qū)內(nèi)沉積，而流通區(qū)溝道地形陡峻，多陡坎，粗顆粒物質(zhì)沉積相對(duì)更少，因而形成了東溝粗顆粒含量堆積區(qū)>形成區(qū)>流通區(qū)的現(xiàn)象。

西溝主要為洪水溝，未發(fā)生過(guò)泥石流，堆積物以洪積為主，由于形成區(qū)溝道縱坡較緩且植被較發(fā)育，水流速及流量均較小，難以搬運(yùn)粗顆粒物質(zhì)，因而粗顆粒含量較高；而流通區(qū)地形陡峻，隨著水流速度大加快，沖刷能力變強(qiáng)，粗顆粒物質(zhì)被帶走，后期細(xì)顆粒物質(zhì)開(kāi)始沉積，因而整體粗顆粒含量較低；堆積區(qū)由于地形平緩，水流速度逐漸變緩，粗顆粒物質(zhì)最先開(kāi)始沉積，粗顆粒含量相對(duì)較高，從而形成了西溝粗顆粒含量形成區(qū)>堆積區(qū)>流通區(qū)的現(xiàn)象。

4 泥石流形成機(jī)理分析

4.1 形成機(jī)理

禾元組泥石流為典型坡面型泥石流，近似于滑坡型，具有獨(dú)特的成因機(jī)制。在連續(xù)強(qiáng)降雨作用下，溝谷上部多處高位滑坡沖入溝道內(nèi)，與水流匯聚而形成泥石流，從而形成了現(xiàn)有的溝道特征和堆積物特征。

禾元組泥石流流域內(nèi)地形陡峻，地形較破碎，形成區(qū)內(nèi)發(fā)育多條匯水通道，為降雨快速匯集提供了有利的地形地貌條件。區(qū)內(nèi)地表覆蓋層為砂質(zhì)黏土，厚度較大且結(jié)構(gòu)松散，雨水易入土下滲，在長(zhǎng)時(shí)間降雨的作用下，在地形陡峻地段易發(fā)生淺表層滑動(dòng)。由于滑坡位置距離原有溝道有一定高差，且下部地形坡度較大，加之在滑動(dòng)過(guò)程中受到雨水持續(xù)沖刷的影響，滑坡體速度快，動(dòng)能大，鏟刮沿途松散土層一起滑動(dòng)，形成明顯底蝕拉槽，沖入下部溝道中?；麦w拋射距離和遇障礙物沖擊高度大，因此在溝道兩側(cè)可見(jiàn)小型樹(shù)木傾倒和較高的泥印位置。滑坡體沖入溝道后解體，在雨水的作用下形成泥石流，進(jìn)入流通區(qū)。由于流通區(qū)常年流水溝道窄，無(wú)法容納所有泥石流，從而出現(xiàn)漫流，損毀溝道兩側(cè)金銀花及獼猴桃種植地；同時(shí)流通區(qū)溝道縱向坡比大，進(jìn)一步加大了泥石流的流動(dòng)速度及沖擊力，對(duì)溝道內(nèi)松散堆積物及岸坡侵蝕強(qiáng)烈，裹挾進(jìn)入泥石流中，以滾雪球的方式向下游運(yùn)動(dòng)，泥石流整體規(guī)模不斷擴(kuò)大。隨著泥石流逐漸進(jìn)入尾聲，流通區(qū)溝道較緩地段亦出現(xiàn)泥石流堆積物。泥石流沖出下部溝口后，進(jìn)入堆積區(qū)流速減緩，由于堆積區(qū)溝道容量小，而出現(xiàn)大規(guī)模漫流，形成泥石流堆積扇。堆積區(qū)整體面積小，且下部無(wú)有效的排導(dǎo)和支擋工程，無(wú)法完全消減泥石流的動(dòng)能，進(jìn)而沖入下部居民區(qū)內(nèi)，損毀房屋及道路。

4.2 發(fā)展趨勢(shì)

根據(jù)《泥石流災(zāi)害防治工程勘查規(guī)范》[6]附錄G，禾元組泥石流東溝易發(fā)程度的綜合評(píng)分為91分，綜合評(píng)判等級(jí)為易發(fā)；西溝泥石流易發(fā)程度的綜合評(píng)分為68分，綜合評(píng)判等級(jí)為輕度易發(fā)。根據(jù)溝域內(nèi)現(xiàn)有松散物源穩(wěn)定性狀況及分布特征，“零存整取”效應(yīng)明顯，在一定暴雨強(qiáng)度條件下，再次暴發(fā)泥石流的可能性大。同時(shí)，隨著泥石流的發(fā)展，泥石流的規(guī)模可能進(jìn)一步擴(kuò)大，但限于泥石流流域面積及溝道長(zhǎng)度較小，溝道內(nèi)物源儲(chǔ)量有限，泥石流規(guī)模將以小型為主；引發(fā)泥石流的激發(fā)雨量可能減小，發(fā)生頻率可能加密。泥石流暴發(fā)的危險(xiǎn)性將增加，如不及時(shí)治理，對(duì)溝道下方居民房屋和道路存在較大的安全隱患。

5 結(jié)論

禾元組泥石流為滑坡型坡面泥石流，由暴雨激發(fā)，溝谷上部多處高位小型滑坡沖入溝道內(nèi)，與水流匯聚而形成泥石流。東溝于2017年暴發(fā)泥石流，西溝無(wú)泥石流災(zāi)害史，流域內(nèi)松散物源廣泛分布，可參與泥石流活動(dòng)的松散固體物源仍然比較豐富，零存整取效應(yīng)明顯，遭到較大暴雨的情況下，再次暴發(fā)泥石流的可能性較大。同時(shí)，由于流域內(nèi)溝道陡峻，泥石流流速快，沖擊力較強(qiáng)，且下部無(wú)有效排導(dǎo)和攔擋工程，泥石流直接沖入下部居民區(qū)內(nèi)，嚴(yán)重威脅著居民生命財(cái)產(chǎn)安全，進(jìn)行工程治理刻不容緩。