隴南市武都區(qū)滑坡轉(zhuǎn)化為泥石流災(zāi)害鏈形成機(jī)理及防治措施研究

時(shí) 巖，張金霞，劉興榮，張國信，吳慶安，黃金燕

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)水利水電工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730010；2.甘肅省科學(xué)院地質(zhì)自然災(zāi)害防治研究所，甘肅 蘭州 730010)

甘肅省隴南市武都區(qū)地質(zhì)災(zāi)害種類繁多[1]，滑坡轉(zhuǎn)化為泥石流災(zāi)害鏈現(xiàn)象較為普遍，其危害程度高[2]，長期以來對(duì)武都區(qū)造成較大破壞，也給武都區(qū)泥石流防治帶來較大挑戰(zhàn)，因此，對(duì)其進(jìn)行專門研究十分必要。

滑坡轉(zhuǎn)化為泥石流災(zāi)害鏈[3]首先是滑坡體進(jìn)入溝床，成為泥石流物源體，進(jìn)而引發(fā)或加劇泥石流災(zāi)害鏈。崔鵬[4]等人在大量的水槽實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，提出泥石流的形成是一個(gè)穩(wěn)定固態(tài)轉(zhuǎn)為液態(tài)的過程[5]；陳曉清等[6]、胡明鑒等[7]和李永益[8]等，利用實(shí)地考察和人工降水實(shí)驗(yàn)，對(duì)降雨條件下滑坡轉(zhuǎn)化為泥石流的啟動(dòng)機(jī)理進(jìn)行了解釋。胡明鑒[9]等通過實(shí)驗(yàn)，確定了滑坡與泥石流在特定條件下的相互依存關(guān)系；Okura[10]根據(jù)連續(xù)變化的槽型試驗(yàn)結(jié)果，將滑坡的流態(tài)化劃分為：上游崩塌導(dǎo)致的砂層壓實(shí)，飽和土段的超孔壓強(qiáng)及快速剪切作用；林宗耀[11]等人發(fā)現(xiàn)，在土壤中的孔隙含水率達(dá)到一定程度后，土壤將出現(xiàn)飽和崩塌，進(jìn)而引起泥石流；吳和秋[12]通過環(huán)剪實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，滑坡的變形僅在土壤達(dá)到臨界含水率時(shí)發(fā)生。陳自生[13]認(rèn)為，由于滑體在滑行時(shí)，有雨水的參與，才會(huì)形成漿液從而產(chǎn)生造漿的過程；美國學(xué)者Fleming[14]等對(duì)美國加洲馬林縣的泥石流進(jìn)行了分析，結(jié)果顯示，由于土體的收縮引起了土體的變形，發(fā)生位移變化導(dǎo)致滑坡形成泥石流。

綜上所述，雖然國內(nèi)外很多學(xué)者對(duì)滑坡轉(zhuǎn)化為泥石流做了深入的研究，但相關(guān)研究較分散，未對(duì)滑坡轉(zhuǎn)化為泥石流進(jìn)行系統(tǒng)總結(jié)，尤其是未從災(zāi)害鏈的視角對(duì)其進(jìn)行整體研究。因此，本文選擇武都區(qū)滑坡轉(zhuǎn)化為泥石流災(zāi)害鏈為研究對(duì)象，從滑坡轉(zhuǎn)化為泥石流災(zāi)害鏈角度進(jìn)行分析，為武都區(qū)防災(zāi)減災(zāi)提供理論依據(jù)和方法。

1 研究區(qū)概況

甘肅省武都區(qū)坐落在東南秦嶺山區(qū)，與西和縣、康縣、文縣等相連。地理坐標(biāo)為東經(jīng)104°34′25″—105°38′28″，北緯32°47′48″—33°42′25″。武都區(qū)是典型的侵蝕-剝蝕構(gòu)造型山區(qū)，整體地勢(shì)起伏大，呈西北高、東南低。區(qū)內(nèi)出露的地層以志留系、古近系、第四系為主，巖性以千枚巖、泥巖為主。土壤以褐土、新積土、水稻土、棕壤等為主。區(qū)內(nèi)年平均溫度在15℃左右，年平均雨量為487.2mm，主要集中在5—9月，降雨量占全年75%～85%。24h最大降水量為90.5mm，1h最大降水量40mm，10min最大降水量16.2mm。森林面積達(dá)1733km2，占全區(qū)總面積的37%。

2 形成機(jī)理及過程分析

2.1 形成機(jī)理分析

李樹德[15]提出臨界起動(dòng)力分析法，他認(rèn)為土體靜力學(xué)平衡失效是影響土的變形最主要原因。如圖1所示，由于其本身的自重(G)作用，正應(yīng)力(R)在坡面上產(chǎn)生且方向垂直于坡面，并在坡面上形成一個(gè)沿坡面向下的力，也稱為下滑起動(dòng)力S=Gsinα(α為坡體的坡角)。

圖1 坡面土體受力分解圖

由圖1知，在土體和坡面之間會(huì)出現(xiàn)抗滑動(dòng)摩擦力，即抗滑動(dòng)剪切強(qiáng)度，人們將其稱為臨界起動(dòng)力S0=RtgU+C(式中U為土體內(nèi)摩擦角，C為內(nèi)聚力)。

S與S0的關(guān)系，如圖2所示，并且下滑起動(dòng)力S的值會(huì)受很多因素的影響，如圖3所示。首先是坡腳受長期水流沖刷，不斷被水體帶走而增大臨空面，進(jìn)而增加了斜坡角度(α)；其次受高處崩塌、落石等壓埋及水體入滲，致使堆積體自身重量(G)增大，進(jìn)而促使下滑起動(dòng)力增大。

圖2 S與S0關(guān)系圖

圖3 影響S與S0值的因素

研究表明，隨著土體的含水率漸漸增大，當(dāng)S值略高于S0時(shí)，底層土體呈現(xiàn)飽和狀態(tài)，并出現(xiàn)了緩慢的滑移蠕動(dòng)[16]，而上部土體則沒有出現(xiàn)大規(guī)模的滑落或坍塌；隨著S的進(jìn)一步增加，下層的滑移速率加快，使上部的土體受到干擾而產(chǎn)生滑動(dòng)，從而形成蠕動(dòng)擾動(dòng)流；當(dāng)土體達(dá)到飽和狀態(tài)時(shí)，即飽和度(DW)值接近1，土體的臨界起動(dòng)力(S0)開始下降，C值繼續(xù)減小，土體出現(xiàn)坍塌；隨著含水量的增大，土壤失去了對(duì)水分的吸收，使水流加速，使其前端快速坍塌，整個(gè)土體處于擾動(dòng)狀態(tài)，并在水動(dòng)力的作用下形成滑坡型泥石流。

2.2 形成過程分析

滑坡型泥石流根據(jù)其成災(zāi)機(jī)理、特征及范圍，可以將其分為2大類型：坡面轉(zhuǎn)化型和滑坡轉(zhuǎn)化為泥石流災(zāi)害鏈型。坡面轉(zhuǎn)化型主要是滑坡過程中液化，并直接轉(zhuǎn)變?yōu)槟嗍鳎麄€(gè)泥石流化的過程與堆積物發(fā)生滑坡的位置同處在斜坡上，而滑坡轉(zhuǎn)化為泥石流災(zāi)害鏈型主要是滑坡發(fā)生后堆積于溝槽內(nèi)，待泥石流或洪水沖刷而形成泥石流[17]。前者屬于滑坡體自身的機(jī)械破壞，其實(shí)質(zhì)是滑坡體不連續(xù)的變形，該類型滑坡型泥石流兼具滑坡和泥石流雙重特性，其動(dòng)力學(xué)過程十分復(fù)雜，將作為以后研究的重點(diǎn)，本文在此不做贅述。后者滑坡轉(zhuǎn)化為泥石流災(zāi)害鏈這一形式是本文研究的重點(diǎn)，這種泥石流一般是含水率比較低的滑坡體滑入谷底，在后期洪水的沖擊下，形成了一條溝谷型泥石流，這與前者的形成位置不同，這些泥石流的規(guī)模通常很大，往往會(huì)造成河流堵塞，形成堰塞湖，從而引發(fā)次生災(zāi)害。例如，金沙江白格[18]發(fā)生的2次滑坡-堰塞堵江事故，“8.6”漢源縣崩塌堵河[19]事故。

3 滑坡轉(zhuǎn)化為泥石流災(zāi)害鏈成因分析

3.1 地形條件

由于地形因素對(duì)滑坡轉(zhuǎn)化為泥石流具有重要的作用，因此，已經(jīng)有不少學(xué)者對(duì)其與地形的相互關(guān)系進(jìn)行分析研究[20- 23]，發(fā)現(xiàn)流域面積、地勢(shì)高低、坡度、溝道長度以及溝床縱比降等是影響滑坡轉(zhuǎn)化為泥石流的重要因素。

3.2 物源條件

地質(zhì)環(huán)境條件是滑坡轉(zhuǎn)化為泥石流形成的重要因素之一。地震活動(dòng)、地層巖性[24]穩(wěn)定性等是地質(zhì)環(huán)境條件的主要表現(xiàn)形式[25]。由于頻繁的地震活動(dòng)，使山體的巖層結(jié)構(gòu)受到嚴(yán)重的損傷，從而產(chǎn)生了諸如滑坡等不良地質(zhì)現(xiàn)象，從而為滑坡向泥石流的轉(zhuǎn)變奠定了良好的物質(zhì)基礎(chǔ)。

3.3 水源條件

水源條件是影響滑坡轉(zhuǎn)化為泥石流最重要的因素。在滑坡轉(zhuǎn)化為泥石流整個(gè)過程中，水流不僅參與了泥石流的早期積累，也參與了后期的物源轉(zhuǎn)移和泥石流的遷移。有些學(xué)者認(rèn)為滑坡轉(zhuǎn)化為泥石流的發(fā)生與降雨時(shí)間有關(guān)，但通過深入的分析，發(fā)現(xiàn)短期的高強(qiáng)度降水是滑坡轉(zhuǎn)化為泥石流的重要因素[26]。

4 滑坡轉(zhuǎn)化為泥石流災(zāi)害鏈的延伸形式

由于災(zāi)害對(duì)環(huán)境的敏感，導(dǎo)致了各種自然災(zāi)難轉(zhuǎn)化為的災(zāi)害鏈類型有很大的差異[27]。在整個(gè)災(zāi)害鏈中，滑坡和泥石流是災(zāi)種的主要載體，它們之間除了會(huì)產(chǎn)生連鎖反應(yīng)之外，還可以延伸到其他災(zāi)種，形成更復(fù)雜的連鎖反應(yīng)。最普遍的3種災(zāi)害鏈為：滑坡-泥石流災(zāi)害鏈、滑坡-泥石流-山洪災(zāi)害鏈、滑坡-泥石流-堰塞湖災(zāi)害鏈。這些災(zāi)害的發(fā)生都是連鎖的，如果出現(xiàn)這種情況，將會(huì)造成很大的影響，因此要做好日常的防災(zāi)和減災(zāi)工作。

5 滑坡轉(zhuǎn)化為泥石流的防治措施

防治滑坡轉(zhuǎn)化為泥石流災(zāi)害鏈的形式很多，效果較好的方式主要有：斷鏈處理、建立和完善監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)、采用新技術(shù)新方法。即逐漸減弱其產(chǎn)生的條件，并加以控制，從而遏制其暴發(fā)，最終實(shí)現(xiàn)降低或消除其所帶來的損失。

5.1 斷鏈措施

斷鏈的主要方法有：孕源斷鏈減災(zāi)法、易控災(zāi)種防治斷鏈法[28]。根據(jù)災(zāi)害鏈和個(gè)體災(zāi)種的成因機(jī)制和觸發(fā)條件，把握住關(guān)鍵因素和關(guān)鍵環(huán)節(jié)，切斷災(zāi)害之間的連鎖反應(yīng)，從而制定相應(yīng)的防治對(duì)策。通過對(duì)國內(nèi)外有關(guān)山地災(zāi)害鏈的研究，可以為滑坡轉(zhuǎn)化為泥石流災(zāi)害鏈提供有效的控制手段。目前國內(nèi)外對(duì)滑坡[29]的治理主要是以防為主，采取削坡減重、堆載反壓、截排水工程等措施進(jìn)行綜合治理[30]。

5.2 建立和完善監(jiān)測(cè)預(yù)警體系

滑坡、泥石流的早期識(shí)別與監(jiān)測(cè)是一種行之有效的防災(zāi)、減災(zāi)措施，因此，需要在經(jīng)常發(fā)生的區(qū)域內(nèi)建立監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)[31]。對(duì)于滑坡轉(zhuǎn)化為泥石流的重點(diǎn)區(qū)域、環(huán)節(jié)的監(jiān)測(cè)，主要包括：水位演化、汛期洪水含沙量、重點(diǎn)地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)等。各級(jí)政府、各涉災(zāi)管理部門之間建立和完善監(jiān)測(cè)預(yù)警體系，對(duì)開展武都區(qū)滑坡轉(zhuǎn)化為泥石流災(zāi)害鏈的協(xié)同防控具有重要意義。

5.3 引用新技術(shù)、新方法

武都區(qū)對(duì)于滑坡轉(zhuǎn)化為泥石流災(zāi)害鏈的治理模式較為單一，傳統(tǒng)的攔擋工程僅僅是對(duì)水或固體物源的單一物質(zhì)攔截，而劉興榮[32]等人提出，可以采用新的技術(shù)、新的方法來改善原有的攔擋工程防治措施。例如，柔性防護(hù)[33]和格賓石籠[34]等攔擋和防護(hù)措施。吳紅剛[35]等人認(rèn)為，格賓-柔性網(wǎng)結(jié)合不僅能迅速排水，還能攔截固體物質(zhì)，二者的同時(shí)利用可以彌補(bǔ)其缺陷。柔性防護(hù)技術(shù)對(duì)河道的微觀變形(沖刷)具有較好的效果，而且不受地形變化的影響。

6 結(jié)論與展望

6.1 結(jié)論

通過對(duì)武都區(qū)滑坡型泥石流的研究，可得出下結(jié)論：

(1)武都區(qū)地質(zhì)災(zāi)害中存在滑坡轉(zhuǎn)化為泥石流災(zāi)害鏈，通過研究其起動(dòng)機(jī)理和形成過程，得出滑坡轉(zhuǎn)化為泥石流災(zāi)害鏈形成的3大基本條件，并探討與其他災(zāi)種的鏈接關(guān)系。

(2)對(duì)于滑坡轉(zhuǎn)化為泥石流災(zāi)害鏈這類地質(zhì)災(zāi)害的治理，以武都區(qū)為例對(duì)這類小流域的綜合治理提出相對(duì)應(yīng)的治理措施，達(dá)到社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和生態(tài)效益的有機(jī)統(tǒng)一。

6.2 展望

通過系統(tǒng)的研究，本文探討了武都區(qū)滑坡轉(zhuǎn)化為泥石流災(zāi)害鏈的起動(dòng)機(jī)理、形成條件，并提出了防治措施。但由于滑坡轉(zhuǎn)化為泥石流過程復(fù)雜，同時(shí)，滑坡轉(zhuǎn)化為泥石流災(zāi)害鏈的延伸形式較多、危害較大，下一步將是我們需要研究和探索的重點(diǎn)方向。