宁夏吴忠利红路泥石流的发育特征与发展趋势分析

李征征，倪万魁，王衍汇，袁志辉

(长安大学地质工程与测绘学院，陕西西安 710054)

0 引言

泥石流是一种常见的典型地质灾害，它具有破坏力强，影响范围大等特点，往往给人类生活带来巨大损失。目前，国内专家及学者对于典型的泥石流有较多的分析及评价，研究内容包括泥石流的成灾环境，主要特征参数与静、动力学特征，危险性评价及发展趋势分析等，取得了较丰富的成果［1-5］。利红路泥石流位于宁夏吴忠市利通区孙家滩开发区，属宁夏中部红岩丘陵区。根据现场槽探，发现其堆积区物质主要分为两层，可判断该泥石流沟历史上共发生过两次较大泥石流，最近一次发生在2012年8月，由强降雨引发，泥石流物质流至下游孙家滩开发区村庄内，淹没部分道路，所幸无人员伤害［6］。本文以利红路泥石流为例，研究了该泥石流的成灾环境和发育特征，对其易发程度进行了评判，并对该泥石流今后的发展趋势进行了分析，提出了结论及防治建议。

1 区域地质环境背景

1.1 地形地貌

该泥石流沟位于利通区扁担沟镇孙家滩开发区利红路K27+200 m处西侧，其地貌类型属于红岩丘陵地区。区内地势起伏，沟谷发育，坡面完整度低，切割不深，多属窄浅型，横断面多呈“V”型。该沟谷中上游支沟发育，沟两侧坡体坡度约45°，汇水面积大，利于洪水的形成。在堆积区的沟口扇形地较为开阔平坦，利红路横穿堆积区修建。

1.2 地层岩性

1.3 气象及水文特征

该泥石流所在地区属中温带半干旱气候区，气候干燥，蒸发量大雨量少而集中，主要集中在7～9月份。据吴忠市气象局2013年的气象资料，利通区最大降雨量331.8 mm，最小降雨量60.1 mm。多年平均降雨量182.5 mm，易形成山洪。该地区地下水来源除大气降水入渗补给外，山区基岩裂隙水的侧向径流补给占很大比例，地下水的径流是以侧向径流为主［1］。

1.4 物理地质现象

该泥石流形成区主要由两条较大支沟组成，小型支沟极其发育。由于地层岩性等关系，沟内坡面破碎，表层物质强风化，且每条支沟内均分布多处小型崩、滑等物理地质现象点，规模小但数量大，这些物理地质现象对原始坡面完整性的影响不但为泥石流的发生创造了有利的地形地貌条件，而且为泥石流提供了充足的物源。

1.5 人类工程活动

该区人类工程活动主要表现为两种。在形成区与流通区表现为放牧;由于地理环境限制，利红路泥石流所在山坡植被以灌木与草地为主，且植被覆盖率不高，该区虽已禁牧，但调查发现仍有少数牧民在沟内放牧，对形成区及流通区的植被破坏较严重，降雨天气易发生水土流失。在堆积区表现为修建公路;利红路在沟口横穿堆积区修建而成，未设置过水涵洞，若发生泥石流，堆积物会冲毁或淹没公路，会对过往行人带来不便且可能造成财产损失。

2 利红路泥石流发育特征

2.1 形态特征

该泥石流沟发育于红岩丘陵区，按其形态可分为形成区、流通区和堆积区(图1)。形成区主要由两条主沟组成，主沟内小型支沟极其发育，沟内崩、滑等地质灾害发育(图2)，导致坡面陡峭且破碎，沟两侧坡体坡度平均约45°，沟床横断面呈“V”型;流通区较窄;堆积区的沟口扇形地完整性达30%，扇面冲淤变幅发展趋势表现为淤高，扇长约50 m，扇宽135 m，扩散角为52°。该泥石流流域面积 2.5 km2，补给段长度比90%，相对高差 40 m，主沟纵坡 200‰，冲淤变幅±0.3 m，松散物储量 50×104m3/km2，植被覆盖率40%，松散物平均厚度0.5 m。

图1 利红路泥石流遥感影像图Fig．1 Remote sensing image of Lihong road debris flow

2.2 物源组成

图2 泥石流沟内地质灾害分布图Fig．2 Distribution of geological disasters in debris flow

图3 重力侵蚀补给－滑坡Fig．3 The gravity erosion supplies(landslide)

图4 重力侵蚀补给－崩塌Fig．4 The gravity erosion supplies(collapse)

图5 坡面侵蚀补给Fig．5 The slope erosion supplies

图6 沟床侵蚀补给Fig．6 The bed erosion supplies

根据对泥石流堆积物的槽勘以及室内试验发现，其堆积物主要以砂砾为主。堆积区探槽展示图及堆积物颗分曲线如图7、图8所示。

图7 利红路泥石流堆积区探槽展示图Fig．7 The trenching profiles of Lihong road debris flow

图8 利红路泥石流堆积区物质颗分曲线Fig．8 The gradation curve of porous solid mass of Lihong road debris flow

2.3 泥石流容重

泥石流容重的确定主要有三种方法［7-8］。一是现场调查试验法，即请多名曾亲眼见过该泥石流的人，根据其描述配制泥石流发生时的流体状态并进行容重确定。二是根据目测者描述的流体稠度状态按表1确定其重度，根据当地居民描述泥石流发生时流体状态为稠浆状，取容重为1.5 kN/m3。三是由经验公式(1)计算［7］:

根据前文，上述公式中If取0.2;k0因补给方式不同而不同，该泥石流补给方式为侧蚀与重力补给方式，取1.05;kr根据岩性取值为0.9;k1据前文取0.9;B取50。计算得到泥石流容重γc为1.508 t/m3。综合评价取其容重γc为1.504 kN/m3。

表1 泥石流流体稠度特征表Table 1 The characteristic table of mud fluid consistency

2.4 泥石流流速

泥石流流速是决定泥石流动力学性质的最重要参数之一。目前泥石流流速计算公式概括起来主要分为三类［8］，稀性泥石流计算公式，粘性泥石流计算公式和泥石流中大石块运动速度。根据前文，该泥石流容重为1.504 kN/m3，介于1.3～1.8 kN/m3之间，判定为稀性泥石流，根据稀性泥石流流速计算公式，选择铁一院(西北地区)流速计算经验公式(2)［8］:

根据前文，上述公式中ρc为1.504 g/cm3;ρw取1 g/cm3;ρs为1.613 g/cm3;HC根据槽探确定为1 m;IC为0.2。综上计算得该泥石流流速VC为8.03 m/s。

2.5 泥石流流量

根据形态调查法，选取制定的测流断面，测量断面上泥石流流面比降，泥位高度和泥石流过流面积等参数，利用公式(3)［8］:

式3中，WC经调查为 2 m2;VC由前文得8.03 m/s。计算得泥石流断面峰值流量QC为16.06 m3/s。

2.6 一次泥石流过程总量

根据泥石流历时T/s和最大流量QC/(m3·s-1)，按照泥石流暴涨暴落的特点，通过公式(4)计算一次泥石流过程总量［8］:

上式中，由于汇水面积F为2.5 km2＜5 km2，所以K取0.202;T约为0.5 h，即1800 s。QC由前文得16.06 m3/s;计算得一次泥石流过程总量Q为5.84×104m3。

一次泥石流冲出固体物质总量QH:

根据前文，γH为 16.13 kN/m3，计算得QH为4.84 ×104m3。

3 利红路泥石流发展趋势分析

3.1 易发程度评判

泥石流易发程度的评价，是泥石流勘查中的主要内容。通过对利红路泥石流详细的野外地质调查、工程勘查与室内试验，包括泥石流调查记录表的填写与核实，断面选取与槽探，泥石流物质的取样与颗分实验。最后按《泥石流灾害防治工程勘查规范》，对泥石流沟的数量化综合评判及易发程度等级标准确定分值［7］(表 2)。

表2 泥石流易发程度数量化评分表Table 2 The quantification evaluation table of debris flow susceptibility

由表2可知，该泥石流易发程度量化得分为89分。根据《泥石流灾害防治工程勘查规范》中泥石流易发程度综合评判等级标准表(表3)，判断该泥石流为易发性泥石流。这说明利红路泥石流的各项影响因素还有一定的活跃程度，有较大的潜在危险性。

表3 泥石流易发程度综合评判等级标准表Table 3 The rank standard table of overall evaluation of debris flow susceptibility

3.2 不稳定因素动态分析

该区构造活动对利红路泥石流的影响较小，但地形地貌、气象水文、地层岩性、物理地质现象以及人类工程活动等对其发展演变有着关键性影响。区内地层以砂土、砾石层及泥岩为主，强度低，易风化，在降雨及地表水的共同作用下，极易形成贯通的破裂面，进而形成局部的小型崩塌、滑坡等物理地质现象，以上物理地质现象的发生加剧了坡面的侵蚀过程，导致坡面陡峭且破碎，为泥石流的发生创造了有利的地形地貌条件并提供了充足的物源，坡面侧蚀与沟床的下切侵蚀不断发展，浅沟逐渐发展为深沟，从而形成更有破坏性的泥石流。以上发展演变过程在7～9月份的雨季表现得极为明显，加之区内人类工程活动对环境的破坏没有得到有效遏制，导致该泥石流的发展有愈演愈烈之势，应加以重视。

4 防治措施与初步设计方案

针对利红路泥石流的灾害特点，结合其发育特征与区域构造特点，建议对利红路泥石流采取工程防治措施为主，生物措施与行政管理措施相结合的方式进行防治，具体措施及初步设计方案如下［9-10］:

4.1 泥石流停淤场工程

防治措施:由于该泥石流沟口与利红路之间地形低洼，且为大面积的闲置荒地，故建议在利红路与沟口间堆积扇处及其两侧修建停淤场，促使泥石流物质自然减速停淤，防止其危害到公路。

设计方案:该泥石流堆积口与利红路间面积广阔，停淤场拟建处堆积扇圆心角为60°，停淤场以沟口为圆心的半径约300 m，平均停淤厚度1.2 m，计算［8］该堆积扇停淤场停淤总量为5×104m3。根据调查，该泥石流20年内只发生过一次泥石流，前文计算得一次泥石流固体物质总量QH为4.84×104m3，故该停淤场使用年限为20年，且能达到泥石流防治效果。在堆积扇沟口两侧修建引流口控制泥石流流速，使其顺畅地进入停淤场。

4.2 生物工程

防治措施:由于该区多风沙，树木难以生长，可考虑选择易于生长的草、灌木及半乔木进行种植，待植被小环境恢复，再造林。在该区范围内，禁止各种采伐，放牧，一切以保护植被为主固化山体，防止水土流失加剧。

设计方案:在泥石流上游形成区主沟两侧与分水岭间种植草、灌木，如鸢尾科、藜科等在旱地生命力顽强且固土效果好的植被。种植面积约1 km2。建议种植马蔺:抗逆性强，耐盐碱，根茎粗壮，须根茂密，花呈蓝紫色，可达到固土与美化效果;骆驼刺:抗寒、抗旱、耐盐、抗风沙、适应性强、根系发达，一般长达20 m，固土效果好。

4.3 行政管理措施

当地政府当对该泥石流防治采取有效地管理措施，管理上实现规范化，做好宣传工作，完善禁牧管理及问责体制，使环境恢复达到良性循环，做到灾害以防为本，治理以管理为法。

5 结论

本文选取吴忠市利通区利红路泥石流为对象，对其进行了研究分析，得出如下结论:

(1)利红路泥石流位于宁夏红岩丘陵区，所在山体坡面破碎，支沟发育;区内出露地层以砂土、砂砾石层及泥岩为主，强度低，易风化;沟内崩、滑等物理地质现象极其发育，且呈持续发展状态;区内强降雨多集中在7～9月份，是泥石流常发时间段;放牧、修路等人类工程活动破坏了山坡生态环境，加剧了水土流失。以上地形地貌、地层岩性、气象水文、物理地质现象以及人类工程活动等因素对该泥石流的发生起着决定性作用。

(2)利红路泥石流分为形成区、流通区与堆积区，形成区由多条支沟组成，沟谷呈浅“V”型，汇水面积大，流通区较窄，堆积区沟口扇形地完整性达30%，扇长约50 m，扇宽135 m，扩散角为52°，流域面积约2.5 km2，相对高差为40 m，补给段长度比90%，主沟纵坡200‰，植被覆盖率40%，松散物平均厚度0.5 m。物源补给方式主要为坡面侵蚀、重力侵蚀和沟床侵蚀补给。泥石流容重综合评价得γc为1.508 kN/m3，泥石流流速由铁一院(西北地区)流速计算公式计算得VC为8.03 m/s，用形态调查法计算泥石流断面峰值流量QC为16.06 m3/s，一次泥石流过程总量Q为5.84×104m3。

(3)通过定量分析，对利红路泥石流的易发程度进行量化后得分为89分，判断该泥石流为易发性泥石流;通过定性分析，发现地形地貌、气象水文、地层岩性、物理地质现象以及人类工程活动等影响因素仍处于不稳定状态，对泥石流的发展演变有着持续且关键性的影响。综合判定，人为该泥石流仍具有潜在危险性，当给予重视。

(4)根据以上结论，对利红路泥石流提出防治措施并给出初步设计方案。建议分别采取工程措施、生物措施及行政管理措施进行综合防治，包括停淤场工程，灌木种植及政府管理及问责体制等措施。

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