貴州望謨縣樂旺鎮納巴泥石流發育特征與發展趨勢

侯江萍，周 俊

(貴州省有色金屬和核工業地質勘查局一總隊，貴州 清鎮 551400)

2011年6月6日望謨縣大暴雨，導致8個各鄉鎮遭受百年不遇的特大山洪泥石流災害，大面積房屋被毀，道路中斷，電力、水力、通信癱瘓，13.9萬人受災，37人死亡、15人失蹤，經濟損失達18.6億元；2017年9月6日望謨強降雨(186mm)誘發地質災害，縣城北面新屯街道辦事處納包及樂旺鎮納巴、樂寬、交俄一帶發生泥石流地質災害，局部地段交通中斷，造成了不同程度財產損失[1]。

納巴泥石流位于望謨縣約58km，樂旺鎮東北邊約10km樂寬河流域右側支溝懂木村納巴組，寬約3m～5m，樂寬河寬10m～40m，流向自北向南。據調查，近十年每年納巴溝均發生小規模泥石流，在2017年9月，泥石流松散堆積體堵塞地方公路和村道的涵洞，給當地百姓生產生活造成嚴重的影響。目前流域內均存在著大量的松散固體物源，加之流域物源區溝道狹窄，溝道坡降大，如遇局地大暴雨等極端工況，再次暴發大規模災害性泥石流的可能性非常大，主要威脅對象包含溝口居民、公路、耕地等，潛在威脅性等級為大型[2]。

1 泥石流形成條件分析

1.1 地形地貌及溝道條件

納巴組泥石流總體流向124°，由泥石流溝口大角度相交匯入樂寬河。區域地勢西高東低，溝域中下游較緩，上部區域較陡，物源區高程700m～1300m，村莊道路長約430m，高差約600m。斜坡中上后部植被中等發育，中下部為耕地，斜坡中下部為村道及村民組。泥石流主溝長約1.3km，溝深3m～6m，呈“V”型，流域面積約0.45km2，平均縱坡降511‰，中上游溝道有一處較急的彎道，溝道流域上呈“S”型，上游溝道較窄，寬5m～10m，坡度20°～40°，中下游溝道變寬，坡度15°～25°，寬約10m～20m。流域溝道最高點位于流域西南側分水嶺附近，高程約1250m，最低點位于流域東南側溝口處，高程約585m，相對高差約665m[3]。圖1。

1.2 地層巖性及構造

區內出露二疊系上統長興組(P2c)至三疊系中統板納組(T2b)及第四系，斜坡表層第四系殘坡積層為含碎石黏土、塊石，結構松散，疏松多孔，滲透性強，土層厚，容易受雨水沖刷；下伏三疊系中統板納組(T2b)青灰色薄-中厚層泥巖、頁巖夾砂巖，易風化為泥石流提供物源，區內主要構造為交錯斷層，展布于測區西部，走向大致呈北西-南東向，區內延伸長約2.5km[4]。

1.3 物源條件

納巴組泥石流固體物源主要有崩塌(滑坡)堆積物源、溝床內松散堆積物源(老、新、近泥石流堆積物源)、坡面侵蝕物源。1#納巴組泥石流溝流域內發育崩塌(滑坡)物源3處，方量共計約8.66×104m3，可參與泥石流動儲量3.46×104m3；溝內松散堆積物源分布于流通區溝床內，為老泥石流及沖洪積交替堆積，表層為新近泥石流堆積形成，共分三個溝段，總計物源方量1.85×104m3，可參與泥石流動儲量0.74×104m3；坡面侵蝕物源主要位于形成區、流通區主溝及兩側斜坡，斜坡松散土體受雨水沖刷和側蝕形成，以工程有效期50年計，預計形成物源方量7.8m3×104m3，可參與泥石流動儲量3.1×104m3。總計固體物源方量18.31×104m3，可能參與泥石流活動的物源動儲量7.3×104m3(圖2)。

圖2 納巴溝泥石流地質災害現場照片[4]

1.3 水源條件

1.3.1 降雨條件

泥石流溝屬南亞熱帶濕潤季風氣候區，降水集中，雨量充沛。據望謨氣象站觀測資料，多年平均年降水量1236.7mm(5月至8月占68.1%，4月至9月占31.9%)，日降水量P≥0.1mm降水154.5天，日降水量P≥10.0mm降水33.7天，P≥25.0mm降水13.2天，P≥50.0mmm降水4.4天，年最大日降水量發生在1986年7月17日，降水量達222.4mm。樂旺鎮泥石流地質災害多集中在每年6月至10月，其中，第一個降雨高峰期6月地質災害發生頻率最高，其次第二個降雨高峰期9月次之，年內發生次數呈雙峰分布。1959年至2017年望謨縣城地區1h、24h年最大暴雨量平均值分別為46mm、100mm，該區域不同頻率下降雨強(表1)，在P=1%條件下，1h、24h雨強分別達94.3mm、219.0mm。區域降水量隨海拔增加而遞增，在泥石流形成區，據《泥石流災害防治工程勘查規范(試行)》(T/CAGHP 006-2018)，貴州地區發生泥石流24h、1h臨界降雨值分別為60mm、20mm，參照附錄D.1計算該區域暴雨強度指標R值為4.56，為可能發生泥石流的雨情，發生機率0.2～0.8。

表1 不同頻率降雨統計表

1.3.2 流域匯流條件

納巴組泥石流溝溝內地形陡峻，溝谷中、上游縱坡均很大，有利于地表降水徑流和快速匯集。為泥石流的形成提供了有利的水源匯流條件。同時，由于溝谷狹窄、溝床坡降大，流域內水動力條件極好、一旦啟動疏沙能力也極強。流域內植被總體較發育，其中，主溝上游形成區植被覆蓋率高，中下游流通區及堆積區植被覆蓋率相對較低。植被發育地區滯水作用較強烈，不利于降雨形成地表徑流，而植被覆蓋較差地區有利于地表徑流形成。森林植被發育地區啟動物源量相對較少，與植被發育根固作用阻止起活動外，也與植被發育區對降雨的滯水作用具有很大的關系。

2 泥石流運動特征

2.1 泥石流流體重度分析

泥石流堆積區采取泥石流堆積物樣品3組，每組質量不少于15kg，根據泥石流暴發時目擊者描述，將堆積物樣品加水攪拌，配置成泥石流暴發時流體狀態，然后分別測出每組樣品總質量和體積，按下式計算每組樣品容重后取其算術平均值作為泥石流容重。

式中：γc-漿體容重(g/cm3)；G-樣品總質量(g)；V-樣品體積(cm3)。本次采用半徑14.5cm，高度50cm塑料桶進行泥石流容重試驗。納巴組泥石流平均容重1.31g/cm3，屬稀性泥石流。

2.2 泥石流流量分析

2.2.1 洪峰流量計算

泥石流流域區屬典型的山區雨源性暴雨洪水，具有陡漲陡落、峰量集中、漲峰歷時短等山區性河流特點。經綜合分析，治理河段設計洪水采用“雨洪法”推求[5]。根據確定的暴雨參數(H24h=100mm，Cv=0.45，Cs=3.5Cv；H1h=46mm，Cv=0.4，Cs=3.5Cv)和量算的流域參數，按《貴州省暴雨洪水計算使用手冊》(修訂本)之規定，進行設計洪水計算。設計流域集水面積小于10km2，洪水計算公式為：

式中：QP-設計頻率P洪峰流量(m3/s)；r1-匯流系數，r1=0.38(設計流域為山區間山丘，少量巖溶，植被一般，結合鄰近水利工程如油啥水庫等水庫參數取值以及洪峰模數，最終考慮匯流系數)；f-流域形狀系數，f=F/L2；F-流域面積(km2)；L-主溝長(km)；J-分水嶺至出口斷面平均比降，m/m；C-洪峰徑流系數(0.879～0.851，P=1%～20%)；Sp-設計最大1h點雨量，mm。經計算暴雨洪峰流量結果見表2。

表2 流域暴雨洪峰流量計算表

2.2.2 泥石流洪峰流量計算

在求得暴雨洪峰流量的基礎上，根據《泥石流災害防治工程勘查規范(試行)》(T/CAGHP 006-2018)中推薦公式計算泥石流洪峰流量：Qc=(1+φ)QpDc(3)

式中Qc-泥石流斷面峰值流量(m3/s)；φ-泥沙修正系數，參照表G.2確定，納巴組(1+φ)=1.676，Qp-暴雨洪峰流量(表3)；Dc-堵塞系數，按勘查規范確定取2.3[6]。根據公式(3)求得泥石流峰值流量如表4。

表3 各泥石流峰值流量表

表4 泥石流不同位置不同頻率下一次泥石流過流總量及固體物質總量表

3.3 泥石流流速

根據現場調查及試驗獲得泥石流漿體重度指標判別，兩條泥石流均為稀性泥石流，因此按照通用西南地區(鐵二院)公式，分別進行不同部位在治理工程實施前和實施后的流速計算，計算公式為：

式中VC-泥石流斷面平均流速(m/s)；γH-固體物質比重(t/m3)；φ-泥沙修正系數；n-河床糙率值；R-水力半徑(m)；I-水力坡度。計算結果為1#納巴泥石流平均流速5.47m/s。

3.4 一次泥石流過流總量及流出固體物質總量

一次泥石流過流總量按照《泥石流災害防治工程勘查規范(試行)》(T/CAGHP 006-2018)附錄J.11提供的計算公式計算：

Q=0.264TQc(5)

式中：Q-一次泥石流過程總量(m3)；T-泥石流歷時(S)，泥石流持續時間(S)，根據調查訪問和經驗數值確定；QC-泥石流最大流量(m/s)。一次泥石流固體沖出物按照《泥石流災害防治工程勘查規范(試行)》(T/CAGHP 006-2018)附錄J.20提供的計算公式進行計算：QH=Q(γc-γw)/(γH-γw) (6)

式中QH-一次泥石流沖出固體物質總量(m3)；Q-一次泥石流過程總量(m3)；γc-泥石流重度(t/m3)；rw-水重度(t/m3)；rH-泥石流固體物質重度(t/m3)。根據現場調查和結合相鄰地區泥石流爆發持續時間分析，納巴溝組未來爆發泥石流后徑流持續時間按1800s考慮。根據上述公式計算得到泥石流不同位置不同降雨頻率下爆發泥石流后一次泥石流過流總量和固體物質總量(表3、表4)。

3.5 泥石流整體沖壓力

按《泥石流災害防治工程勘查規范(試行)》(T/CAGHP 006-2018)附錄J.35式計算：

式中δ-泥石流沖壓力(KN)；λ-建筑物形狀系數，矩形建筑物λ=1.33；rc-泥石流重度(KN/m3)；vc-泥石流平均流速(m/s)；α-建筑物受力面與泥石流沖壓力方向的夾角(°)，取最大值垂直90°。根據公式(6)對各主要控制斷面的泥石流流體整體沖壓力計算結果見表5。

表5 泥石流不同位置流速、整體沖擊力等計算成果表

3.6 泥石流爬高和最大沖起高度

泥石流前行遇阻，由于慣性作用，其動能瞬間轉化為勢能，撞擊處使泥漿及包裹的石塊飛濺起來，稱為泥石流的沖起，將沿直線前進的現象稱為爬高[7]。泥石流爬高和最大沖起高度按照《泥石流災害防治工程勘查規范(試行)》(T/CAGHP 006-2018)附錄J.46-J.48提供的計算公式進行計算：

式中ΔH-泥石流最大沖起高度(m)；ΔHc-泥石流爬高(m)；Vc-泥石流平均流速(m/s)；b-泥石流迎面坡度的函數[6]。計算結果見表6。

表6 泥石流不同位置彎道超高計算成果表

3.7 泥石流彎道超高

泥石流彎道超高指泥石流在溝槽轉彎處因凹岸處流速較快，流體增厚，凸岸一側流速較慢，流體變薄而產生超高的現象，當凹岸為陡壁時將對凹岸產生強大的侵蝕作用。泥石流彎道超高按照《泥石流災害防治工程勘查規范(試行)》(T/CAGHP 006-2018)4.1-4式計算：

VC-泥石流平均流速(m/s)；R-主流中心曲率半徑(m)；g-重力加速度(m/s)；B-泥面寬度(m)。選擇擬設排導槽工程的典型彎道處斷面進行計算，結果見表6。

4 泥石流成因機制與發展趨勢

4.1 泥石流成因機制和引發因素

區內巖層劃分為松散巖組、軟質巖組及硬質巖組三種類型：第四系松散堆積層(Q4)包括殘坡積層(Q4dl+el)、坡洪積層(O4dl+pl)、崩坡積層(Q4c+dl)、滑坡堆積層(Q4del)、泥石流堆積層(Q4pl+set)，分布于坡麓、洼地、泥石流溝域中，以飄礫、碎石及粉質粘土為主，結構松散、孔隙度大、透水性強、強度低，具有較高壓縮性、崩解性，易形成滑坡、泥石流；較軟巖類主要為三疊系中統板納組(T2b)：青灰色薄-中厚泥巖、頁巖夾砂巖，強風化深度1m～5m，穩定性較差；硬質巖組主要為二疊系上統長興組(P2c)：淺灰至灰黑色中厚層至厚層塊狀燧石灰巖，巖石結構致密，堅硬，力學強度高，工程力學性質較好，但灰巖、白云巖巖溶發育或受斷裂破碎的影響，其力學強度不同程度降低。

納巴組泥石流溝上游形成區土體在強降雨和溝谷徑流沖刷作用下容易沖刷部分土壤進入溝床，且該段溝道內殘留有部分早期泥石流堆積物；發育兩處淺層土質滑坡，集中分布于溝道上游形成區內，為泥石流的發生提供了一定的物源條件；而該流域降水集中，雨量充沛，為泥石流的發育提供了較好的水源條件。

泥石流啟動部位受局地暴雨影響，大量坡面侵蝕物質隨地表徑流在松散坡積體表面形成許多小型沖溝，坡面侵蝕物進入溝道后，首先形成容重較大的高含沙水流，在行進過程中強烈侵蝕溝岸和沖刷溝床，兩側的岸坡及滑坡啟動，大量補充固體物質，繼而繼續侵蝕主溝溝岸和溝床，由于泥石流攜帶大量木頭和石塊，再加上兩岸邊坡失穩，在狹窄溝段發生堵塞，潰決后泥石流流量瞬間陡增，從而形成大規模的災害性泥石流[8]。

4.2 泥石流發展趨勢

泥石流發展趨勢是地形地貌、土源(含地質條件)、水源、地震及干旱氣候等多個因素綜合影響的結果。

(1)近年來兩條溝幾乎年年暴發泥石流，且目前溝道內和溝口堆積特征，有明顯的泥石流沖出的塊石堆積。近期納巴組泥石流仍然比較活躍，今后仍可能發生泥石流災害。

(2)泥石流的發生和發展的能量匯集受地形地貌影響較大。區域地勢險峻，1#納巴組溝道平均坡降511‰，形成區、流通區溝床比降多在200‰以上，流域最大高差665m，山體平均坡度多在35°以上，坡面巖土風化強烈，表明流域的產流、匯流條件較好，依然滿足泥石流的發生條件。

(3)納巴組溝內共有固體物源方量可能參與泥石流活動的物源動儲量大，其中崩塌(滑坡)物源方量約8.66×104m3，可參與泥石流動儲量3.46×104m3；坡面侵蝕物源方量7.8×104m3，可參與泥石流動儲量3.1×104m3；溝道堆積物源方量1.85×104m3，可參與泥石流動儲量0.74×104m3。泥石流相當長時間還會發生。

(4)納巴組水源補給主要為大氣降水，區域多年平均降水量1236.7mm，24h最大降水量222.4mm，降水量隨海拔增加而遞增，在泥石流形成區，降水充沛。流域暴雨的雨強完全可以滿足激發泥石流條件，尤其是高強度集中暴雨是泥石流的主要誘發因素[9]。

(5)據《中國地震動參數區劃圖》(GB18306-2015)，測區地震動峰值加速度0.10g，地震動加速度反應譜特征周期0.35s，對應的地震基本烈度Ⅶ度。區域構造穩定性較差。地震過后，泥石流溝將進入活動期，其規模和頻率均得到增強，暴發所需的臨界雨量條件降低。地震引發的泥石流規模通常超大，地震次生泥石流流量可達非地震條件下2.2倍至15倍，影響期長達20年之久，而活動最為頻繁、規模最大多出現在震后5～6年內。地震作用是納巴組流域兩處泥石流溝將來產生泥石流和起動的重要外因之一，尤其是地震和暴雨同時發生時，發生泥石流概率將大大增加。

5 結 論

納巴組泥石流溝具備泥石流形成的地形地貌、物源和降雨條件，根據泥石流易發程度判別，為中等易發；泥石流在未來較長一段時間內仍將十分活躍，再次發生大規模災害性泥石流的可能性較大，特別是遭遇地震、極端氣候等強大外力時，泥石流暴發的頻率和規模都將大大增加。為此，應針對性的改善生態環境、采取工程措施來減少泥石流災害帶來的損失[10]，強區域性環境研究評價，建立完善監測預警系統，基礎數據庫的建設，將是泥石流地質災害防治工作的長期任務。