岔沟泥石流运动特征及诱发因素分析

廖德武

（贵州地矿工程勘察有限公司，贵阳 550081）

1 前言

泥石流是一种全球性的自然灾害，因其形成过程复杂、暴发突然、来势凶猛、历时短暂、破坏力强成为山区经济建设的一大灾害［1]。本文对岔沟泥石流运动特征及诱发因素进行分析，阐述泥石流流体重度、泥石流流速及泥石流洪峰流量等运动特征相互关系，并分析降雨量作为诱发因素与运动特征之间的相互联系，为泥石流地区类似工程防灾减灾提供可靠基础资料。

岔沟泥石流［2－3]灾害共发生过大小规模的泥石流3次，分别是2003年6月23日、2005年7月29日（该次冲毁2栋房屋导致2人死亡）以及2012年7月12日，对当地的村民正常生活带来了较大的威胁。

2 泥石流沟域概况

岔沟泥石流沟域内大量砍伐树木，大面积垦植耕种，土体变得疏松保水能力下降，表层土体松散。泥石流的发育高程约1 323～1 875 m，相对高差552 m，主沟长约2.4 k m，纵坡降115‰～175‰，集雨面积约2.8 k m2，主沟道走向约73°，主沟道常年有水，水量受季节性影响较大，有次级冲沟4条，在平面上呈树枝状分布。沟域分布见图1。

图1 岔沟沟域分布图Fig.1 Chagou valleys

3 泥石流形成条件

泥石流形成条件包括地形地貌条件、物源条件、水源条件三个方面。各个条件特征分析如下：

3.1 地形地貌

泥石流地区地貌上为侵蚀中低山沟谷斜坡，微地形主要为“V”型沟谷，次级冲沟4条在平面上呈树枝状分布。两岸支流发育程度相似，两岸谷坡坡度25°～55°，自然斜坡坡度较陡，表现为山高坡陡，汇水面积大，主沟坡降为最高标高2 024 m，最低标高1 342 m，相对高差682 m，较大的高差与较大的汇水面积在暴雨时使地表水能够迅速汇聚，从而带走坡面大量松散固体物质运动对沟道的冲刷，激发泥石流暴发的机理。

3.2 物源条件

根据实地调查不良地质现象有7处小型滑坡和5处小型崩塌危岩体，并且区域上处于扬子准地台黔北台隆遵义断拱之毕节北西向构造变形区，区内褶皱发育，这些不良地质现象为岔沟泥石流提供了丰富的物质来源。泥石流沟沟域范围内的储存的松散固体物质主要有三种类型：一是崩塌、滑坡以及沟岸侧蚀等不良地质现象造成的松散固体物质堆积体，二是沟岸斜坡浅地表残坡积层，三是泥石流主沟堆积物。

据调查不良地质现象造成的松散固体物质2.07×104m3，及泥石流本身堆积的堆积体13.7×104m3，每年沟岸斜坡浅地表残坡积层将有1.53×104m3可能参与泥石流活动。因此，可能参与泥石流活动的松散物质储量总计约17.3×104m3，为泥石流形成提供了丰富而集中的松散固体物质，在暴雨时为泥石流产生提供丰富的物质来源。

3.3 水源条件

我国泥石流暴发的水源主要是降雨，因此泥石流发生时间与暴雨频发的时间同期［4]，灾害区处于高海拔低纬度区，属暖温带季风湿润气候，雨量充沛，气候温和，冬无严寒，夏无酷暑，无霜期较长。气候特点：最热7月均温21.8℃，最冷1月均温2.4℃，年平均气温11.8℃。自1992年以来：近20 a各年的降雨均集中在5～9月，最大日降雨量也集中出现在各年这段时间，单日最大降雨量出现在2006年6月29日，其降雨量为146.1 mm；近20 a每年累积降雨量在638.7～1 101 mm之间，年平均降雨量864.75 mm，多年评估降雨量为954.20 mm。年降水量（图2）的71%～76%集中在5～9月，为泥石流暴发提供有充足的水源条件。集中的降水产生洪水强烈冲蚀地表及侵蚀沟谷，促使并加剧滑坡体、不稳定边坡及崩塌体活动，增加沟内的松散堆积物。利于坡面地表水的汇集，在大暴雨或持续强降雨汇集的水体，为泥石流的形成提供了水动力条件。

4 泥石流运动特征

泥石流属于沟谷型泥石流，分别是2003年6月23日、2005年7月29日以及2012年7月12日，由于泥石流活动频率高，持续时间短、规模大，属于中频型粘性泥石流。

对泥石流的运动特征进行分析，是为了泥石流防治工程提供可靠的设计参数。

图2 年降雨量资料图Fig.2 Annual rainfall

4.1 泥石流流体的容重

泥石流的容重是很关键的参数，除对泥石流流体的性质起决定性作用外，还直接影响工程的规模和经济效益［5]。采用现场大容重试验法：在泥石流沟的3个集中堆积区选取具有代表性堆积物开挖3个坑，采取堆积物样品，分别测试样品的总质量和总体积，按下列公式求出泥石流流体容重，选用下式计算：

式中，γC为泥石流流体密度（t／m3）；GC为样品的总质量（t）；V 为样品的总体积（m3），测试得出岔沟泥石流平均容重值为1.76 t／m3。计算过程见表1。

表1 泥石流流体容重现场测试结果表Table.1 Field test results of the volu me weight of debris flows

4.2 泥石流流速

泥石流流速是表征泥石流运动特征的重要指标之一，泥石流流体性质属粘性泥石流，选择粘性泥石流流速计算公式：

式中，VC为通过调查断面的泥石流平均流速（m／s）；K为粘性泥石流流速系数，根据《泥石流灾害防治工程勘查规范》表Ⅰ.3内查法求得；HC为调查断面的平均泥深（m）；取HC＝1.40 m；IC为泥石流水力坡度（%），以沟道纵坡降代替；计算结果QC＝1.80 m／s。

4.3 泥石流流量

4.3.1 形态调查法

形态调查法［6]根据泥石流泥痕及沟槽形态，测量泥位高和过流断面面积，计算流量，选用下式计算：

式中，QC为调查断面的泥石流峰值流量（m3／s）；WC为调查断面的过流面积（m2）；VC为通过调查断面的泥石流平均流速（m／s）。计算结果QC＝16.32 m3／s。

4.3.2 雨洪修正法［6]

沈寿长等［7]认为：斯氏公式中的堵塞附加流量不能实际反映泥石流的堵塞阵流现象。雨洪修正法从调查情况及治理应达到的目标（即在50 a一遇的暴雨作用下，泥石流不致构成重大危害），以下按50 a一遇的暴雨强度作为治理工程措施设防标准，进行泥石流流量计算，暴雨时的最大洪峰量采用推理公式计算，有关参数的确定依据是《贵州省中小流域暴雨洪水计算手册》。

式中，QC为频率为P的泥石流洪峰值流量（m3／s）；QP为频率为P的暴雨洪峰值流量（m3／s）；DC为泥石流堵塞系数，查表取2.0；φ＝（γC－γW）／（γH－γC），φ＝0.72，γC为泥石流流体重度（t／m3）；γC＝1.76 t／m3；γW为清水重度（t／m3）；γW＝1.0 t／m3；γH为固体颗粒重度（t／m3），γW＝2.65 t／m3；计算结果QC＝17.20 m3／s。

4.4 一次冲出泥石流总量

4.4.1 一次冲出泥石流流体总量

通过断面的一次泥石流总量可根据泥石流历时T和断面峰值流量QC按下式进行计算：

式中，Q为一次泥石流流体总量（m3）；T为泥石流历时（s），调查得约1 h，共9 000 s；QC为通过计算断面的最大流量（m3／s），取QC＝17.20；K ＝0.202（取自《泥石流灾害防治工程勘查规范》1.1.3条）。计算结果Q＝2.502×104m3。

4.4.2 一次冲出泥石流固体物质总量

式中，γC为泥石流流体重度（t／m3），取值为1.76；γW为清水重度（t／m3），取值为1.0；γH为固体颗粒重度（t／m3），取值为2.65。计算结果QH＝1.80×104m3。

4.5 泥石流的冲击力

泥石流冲击力可分为流体整体冲压力和个别石块体冲击力两种。

4.5.1 泥石流整体冲压力

泥石流流体冲压力用下式计算：

式中，δ为泥石流流体整体冲击力（k Pa）；g为重力加速度，取9.8 m／s2；a为建筑物受力面与泥石流冲压力方向的夹角，本次取值为90°，γc为泥石流流体容重（t／m3）；VC为泥石流断面平均流速（m／s）；λ为建筑物形状系数，本次按矩形建筑物取值为1.33。计算结果δ＝10.61（k Pa）。

4.5.2 泥石流中大块石的冲击力

泥石流中大块石的冲击力按下式计算：

式中，FC为泥石流体中大块石的冲击力（k N）；r为动能折减系数，本次取值0.3；VC为大块石运动速度（m／s）；W 为大块石质量，C1、C2为巨石、构筑物的弹性变形系数（m／k N），C1＋C2＝0.005；a为建筑物受力面与大块石冲击方向的夹角，本次取值90°。计算结果：FC＝142.49 k N。

4.6 泥石流冲起高度和弯道超高

4.6.1 泥石流冲起高度

式中，ΔH为冲起高度（m）；VC为大块石运动速度（m／s）；VC＝1.80 m／s；b为迎面坡度的函数。计算结果：ΔH＝0.13 m。

4.6.2 泥石流弯道超高

式中，ΔH为弯道超高（m）；BC为泥石流表面宽度（m）；BC＝12 m；RC为沟道中线的曲率半径（m），本次取值取RC＝60 m。计算结果：Δh＝1.88 m。

5 泥石流类型划分

通过以上分析，岔沟泥石流类型如表2。

表2 泥石流类型划分表Table 2 Classifications of debris flows

6 泥石流诱发因素分析

岔沟泥石流沟域形态呈椭圆形，泥石流的发育高程约1 323～1 875 m，相对高差552 m，主沟长约2.4 k m，纵坡降115‰～175‰，集雨面积约2.8 k m2，两岸谷坡坡度25°～55°，自然斜坡坡度较陡，有利于暴雨时地表水迅速汇聚，流量能迅速增大。据水文资料，近20年每年累积降雨量在638.7～1 101 mm之间，年平均降雨量864.75 mm，多年评估降雨量为954.20 mm。年降水量（图2）的71%～76%集中在5～9月，为泥石流暴发提供充足的水动力条件。

岔沟泥石流形成区，根据实地调查不良地质现象有7处小型滑坡和5处小型崩塌危岩体，这些不良地质现象为岔沟泥石流形成提供了丰富的物质来源，增加泥石流的重度，加强泥石流的动力性能［8]。

7 结语

本文通过对岔沟泥石流流运动特征及诱发因素，泥石流运动特征含重度、流速、流量等参数进行分析，诱发因素中主要的降雨条件进行分析，得到以下结论：

（1）岔沟泥石流区域上处于扬子准地台黔北台隆遵义断拱之毕节北西向构造变形区，区内褶皱发育，岩土软硬相间，在区域内为泥石流提供了大量松散物质来源，主沟长约2.4 k m，纵坡降115‰～175‰，流域面积约2.8 k m2，为泥石流形成提供了必要条件。

（2）岔沟泥石流从泥石流集水区地貌特征划分为暴雨沟谷型泥石流，从泥石流堆积物的物质组成划分为粘性泥石流，从泥石流的发展阶段划分为发展期泥石流，从发生频率划分为低频泥石流。

（3）通过对岔沟泥石流流运动特征分析，该泥石流容重为1.76 t／m3，泥石流流速为1.80 m／s。据调查不良地质现象造成的松散固体物质2.07×104m3，及泥石流本身堆积的堆积体13.7×104m3，每年沟岸斜坡浅地表残坡积层将有1.53×104m3可能参与泥石流活动。因此，可能参与泥石流活动的松散物质储量总计约17.3×104m3，泥石流规模为中型。

（4）岔沟泥石流主要为暴雨激发，大暴雨是引发泥石流的主要因素，加之地形地貌有利于泥石流物质的汇集和成灾，且有丰富而集中的松散固体物质。因此，在长时间降雨与大暴雨时，诱发泥石流的可能性大。

［1]刘丽，陈洪凯.泥石流运动力学研究现状及趋势［J].重庆交通大学学报，2010，29（2）：233－234.

［2]贵州地矿工程勘察有限公司.贵州省七星关区大河乡岔沟泥石流勘查报告［R].贵州贵阳：贵州地矿工程勘察有限公司，2010.

［3]廖德武.贵州七星关区大河乡岔沟泥石流形成条件分析［J].贵州科学，2014，32（1）：35－36.

［4]朱中礼，刘希林，尚志海.四川省北川县赵家沟地震次生泥石流形成条件分析［J].中国地质灾害与防治学报，2010，21（4）：60－61.

［5]程尊兰.泥石流设计流量中容重的计算方法［J].泥石流，1995，122（5）：95－97.

［6]中华人民共和国国土资源部.泥石流灾害防治工程勘察规范（DZ／T0220－2006）［S].2006.

［7]沈寿长，谭炳炎.泥石流防治理论与实践［M].成都：西南交通大学出版社，1991.

［8]熊炜，范文，等.竹林关大柴沟大型泥石流的形成机制与发展趋势［J].灾害学，2012，27（4）：95－96.