麦积山景区小型崩滑型泥石流形成机理分析

2018-11-06郭小梅刘乃君

中国水土保持 2018年11期

郭小梅，刘乃君，徐智

(1.秦州区水土保持局，甘肃天水 741000；2.甘肃林业职业技术学院，甘肃天水 741020；3.甘肃省水利厅水土保持局，甘肃兰州 730000)

1 景区内的小型泥石流沟概况

景区内的小型滑坡型泥石流沟位于麦积山景区麦积镇西北方向，地处东经105°58′53″～105°59′20″、北纬34°23′36″～34°24′10″，流域走向为北偏东37.15°，沟长1.19 km，流域面积0.61 km2，流域中心海拔1 500 m。地处陇南石质山区，组成基岩以砾岩为主，砂岩和片麻岩在部分地带出现，夹杂分布有斜长二云石英片岩。泥石流沟下部平坦开阔，上部地形相对陡直，沟道纵坡降为13°，沟谷狭窄，沟道呈V形，两侧边坡陡峻，坡度35°～65°。流域内下部平缓地带为森林棕壤，土层厚度30～50 cm，覆盖有厚5～15 cm枯枝落叶层和腐殖质层，山顶分布有已弃耕的耕作土壤，夹杂分布有黄褐土、黄棕壤等土壤类型。2013年6月20日因连续强降雨，该沟道发生小型泥石流，根据泥痕测算，峰值流量约为7 m3/s，沟口冲出泥石流固体物质约4 000 m3，堆积在麦贾公路上，堵塞交通，未造成人员伤亡。

2 泥石流堆积物组成特征

若按流域的沟谷地貌形态分类，那么麦积山景区小型崩滑泥石流属于沟谷型泥石流，流域为长条形，形成区不明显，两侧谷坡为泥石流物质的主要供给区，流通区长，有时替代了形成区；按水源条件分类属于暴雨型泥石流，连续强降雨是形成该流域泥石流的激发条件[1]。泥石流堆积物的形成过程是一个极其复杂的非线性过程，粒度组成是泥石流堆积物固体颗粒最重要的几何特征[2]，粒度及颗粒组成不仅可以反映泥石流形成区岩石土体的性质，而且可以反映泥石流的流变特性和搬运能力[3]。由于堆积在麦贾公路的固体物质被及时清理了，因此我们在流域下部开阔平坦地段和沟口附近泥石流堆积区选定典型部位6处，通过挖圆形探坑，取出全部颗粒，分装在不同的铁桶内带回实验室分析。

在确定泥石流容重过程中，我们采用了调查称量法，在6个堆积物样品中加水搅拌，确定最能代表泥石流流动状态的样品，称重、量体积，测算样品的容重。由于该方法随意性较大，故邀请当地多名目击者进行验证，最后取6个样品的平均值作为该流域泥石流的容重。经测算，该流域泥石流容重为2.026 t/m3，属黏性泥石流，流体中大小石块密集，泥浆很稠，充填在颗粒之间，润滑作用明显，大大减小了粗粒间的运动阻力，故泥石流的运动速度较快。概率累积频率曲线反映泥石流固体物质组成和搬运方式之间的关系，图1曲线反映各级粒径颗粒均有分布(图中φ值为把以“mm”为单位的粒径取以2为底的对数并乘以“-1”，从而使得φ值都是整数，φ值越大表示粒径越细)，导致粗颗粒之间碰撞概率增加，颗粒浓度接近于饱和状态，泥石流流动呈现结构蠕动状态，这与目击者所述的泥石流流态基本一致。

3 泥石流形成机理分析

3.1 泥石流形成的基本条件

3.1.1 地质条件

该流域地层属白垩系的麦积山组红色砂砾岩，下部为紫红色砾岩与含砾粗砂岩、砂质泥岩互夹，上部为紫红色厚层状砾岩偶夹砂砾岩，下部具有大型斜层理、交错层理，向上为平行、水平层理，其沉积环境属陆内河流相。该地层因受地质构造长期反复活动的影响，地层发生不同程度的变质和变形，倾角均小于10°。该流域岩石整体性差，易风化，风化物黏粒含量丰富，有较强的透水性和吸水性，可塑性较好，长期成土过程形成的土壤较薄，受坡度影响持水性能较弱，在前期降水充沛的前提下，遇强降雨极易液化形成崩塌型滑坡，为泥石流的形成提供丰富的固体物质来源。由于该流域两侧边坡陡峻，重力、地质作用长期发挥，加之裸露的岩石风化作用较为明显，山坡表层有一定的土石补给量，遇强降雨呈现群发态势。

图1 流域泥石流固体物质机械组成的概率累积频率曲线

3.1.2 地形条件

该流域相对高度220 m，泥石流体势能较小，冲出的固体物质相对较少，能量较小，破坏性不强。流域横剖面呈V形，两侧边坡陡峻，当坡度小于45°时，除非有外界因素影响，一般风化物质能够存留。松散碎屑物较丰富，加之流域植被覆盖率高，虽然沟坡坡度陡直，但植被保护了坡面，有效地控制了侵蚀，植物根系的固土作用使沟坡浅层滑坡得到控制，树干也会将一部分山坡上部物理风化而产生的崩落物和溜砂分散拦截于斜坡，从而有效地控制了沟道松散固体物质的富集。当坡度大于45°时，极易形成崩塌型滑坡，为泥石流提供较为丰富的固体物质。流域形状类似树叶形，最有利于泥石流体汇流。流域面积70%以上为阳坡，岩石土体风化作用强度剧烈，松散土石体较为丰富。

3.1.3 降水条件

泥石流形成还要有数量充足的水体(径流)，水体的来源最为普遍的是降雨，一方面水体是泥石流物质的组成部分，泥石流为固液两相流体，液相物质就是水；另一方面汇流过程中水体又是泥石流运动的动力条件，只有当降水形成强大的径流，才能携带大量的土石运动形成泥石流[1]。

该流域泥石流主要由连续强降雨引起，加之前期降雨丰沛，麦积山景区多个小型沟道发生泥石流，破坏景区景观，堵塞景区道路，导致景区关闭。在植被覆盖良好、生态系统相对稳定、坡积物相对较薄的小型沟道，降水既是该流域泥石流发生的主要条件，同时也是泥石流发生的激发条件。

3.2 泥石流形成机理分析

根据现场调查，该流域泥石流物源补给主要来源于沟坡上受重力和降雨作用产生崩滑进入沟道的固体物质和沟道内长期堆积的较为松散的固体物质。小型泥石流发生在小型滑坡型沟谷，水力侵蚀和重力侵蚀作用在泥石流形成过程中同等重要。

流域平面形态呈“树叶状”，有利于沟道径流的迅速汇集，较大的相对高差和上游段577‰的沟床坡降使冲入流通区的沟道径流具有极大的速度和动能，具有在短时间内将大量固体物质冲出形成泥石流的地貌条件。

流域内植被覆盖率高达90%以上，植被对降雨具有拦截、吸收、增加土壤入渗等再分配功能，可以有效地阻止泥石流形成，植被根系的固结作用在某种程度上也可有效控制泥石流的发生，但在前期降雨丰沛的前提下，植被调节功能会明显减弱，在长历时降雨的中后期，当植被的拦截能力达到饱和时，对后续降水就不再发挥拦蓄作用，甚至还会使前期拦蓄的降水和后续降水叠加在一起，增大产流量。在长期饱水条件下，植物根系对土体的固结作用也会随之减弱，油松等高大乔木会在自重作用下促使浅层滑坡发育。该流域泥石流形成区和流通区重合，沟道狭窄，两侧沟坡较陡，两侧共发育有6处小型崩塌、滑坡，主沟内开阔地段还有大量不稳定的堆积物源，具备充足的物源条件以形成和补给泥石流。

根据麦积山雨量观测站观测资料，2013 年6月19日8时至20日8时降水量高达277 mm(特大暴雨)，虽然流域内植被覆盖良好，地质环境相对稳定，但此次降雨强度实属罕见，受前期降雨影响，土壤很难在短时间内形成有效下渗，而陡峻地形使地表径流迅速形成，并汇入沟道快速形成沟道洪水，为泥石流启动提供充足水源条件。

泥石流流通区为V形沟谷，受高落差、大坡降的地形影响，沟床水动力条件容易满足泥石流的形成。沟道洪水通过裹挟沿途沟道两侧崩滑物源和沟道中堆积的不稳定物源，迅速发展成泥石流，在流通区平缓段，泥石流固体物质有一定堆积、停淤，但在临近沟口段，沟谷逐渐狭窄，泥石流速度再次加强，在短时间内将大量固体物质冲出沟口，堆积在麦贾公路上。