青海某沟谷“8·21”泥石流发育特征及危险性评价

2018-12-27常文娟任光明

中国地质灾害与防治学报 2018年6期

常文娟，任光明, 李畅，刘腾

(1.陕西秋海汲清石油科技有限公司，陕西西安 710000；2.地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室(成都理工大学)，四川成都 610059)

0 引言

泥石流是指由于降雨(暴雨、冰川、积雪融化水)在沟谷或山坡上产生的一种挟带大量泥砂、石块或巨砾等固体物质的特殊洪流[1]，其特征是形成、运动机理复杂、影响因素众多、暴发突然、历时短、危害性大；其危险性是潜在泥石流发生的可能性大小[2]，对泥石流危险性评价是泥石流灾情评估、监测预警和减灾防灾工作中的重要内容和决策基础，现已经成为国内外泥石流研究的热点问题之一[3]。自1976年美国联邦地质调查局的VARNES D J开始进行泥石流危险性研究以来[4]，泥石流危险性评价工作不断深入，并取得了丰硕的研究成果[5-12]，灰色理论、神经网络、模糊数学、可拓理论、层次分析等多种方法被应用于泥石流的危险性评价。近年来，通过数值模拟、GIS技术等方式开展泥石流危险性评价也大大提高了泥石流危险性评价的精度与可靠性，更加促进了该研究领域的发展。

位于青海的某沟谷属黄河右岸的一大型冲沟，沟口扇形地明显。早期泥石流堆积扇发育深切冲沟，冲沟侧壁上揭露多期泥石流的堆积特征，揭示了该沟谷在历史上曾多次暴发规模较大的泥石流。最新一次发生于2016年8月21日凌晨，冲毁了沟谷中矿产开采的部分设备，直接威胁流域内厂矿驻地、沟口的乡村公路与居民的安全。由于该流域内植被稀少、岩体风化卸荷强烈、人类工程活动频繁、物源丰富，在强降雨的作用下具有再次暴发泥石流灾害的可能。因此，分析本次泥石流的发育特征、评价其危险性对该区域泥石流的预警预报、防治等具有重要的指导意义。

1 泥石流的形成条件

1.1 基本地质条件

图1 研究区地质简图与泥石流活动分区图Fig.1 Geological sketch and debris flow activity zoning map of the research area

1.2 泥石流的形成条件

1.2.1地形条件

该沟谷为深切侵蚀高山地貌，地势北东高、南西低，沟源最高处山脊高程4 075 m，堆积扇前缘高程2 667 m，相对高差1 408 m，流域面积7.78 km2；主沟沟长8.27 km，总体走向为NE65°～75°，沟谷纵比降162‰，流域完整性系数为0.114，形状呈长条形，属于易发型泥石流沟谷[13](图1)。

在泥石流的形成区，沟谷长度2 655 m，相对高差768 m，平均沟谷纵比降为289.3‰，沟谷形态呈“V”字型，沟底宽度约5～25 m，沟谷两岸坡度较陡，约30°～75°，主要为基岩出露区，植被覆盖率较低，有利于地表水的汇集。较大的高差与沟谷纵比降为沟道径流提供了有利的势能，为泥石流的启动奠定了较好的地形条件。

1.2.2降雨条件

研究区属于典型的高原大陆性气候。区内多年降雨资料统计表明，多年平均降水量为247.85 mm，一般为59.4～337.6 mm。但降雨量分布不均匀，降雨多集中在5～9月，尤其是6～9月降水量最多，这4个月多年平均降雨量均在101.3～166 mm，10 min最大降雨量达36 mm。对泥石流发生前的降雨资料的统计，“8·21”泥石流发生前累积降雨量69.9 mm(图2)，根据前期有效降雨量计算公式(式1)获得“8·21”泥石流发生的前期有效降雨为34.28 mm，其中8月20日的降雨20.6 mm，降雨历时7小时。本次泥石流的产生是在长时间的前期降雨与短历时的强降雨的共同作用下而诱发的，具有慢速激发的特征[14]。

(1)

式中：Pa——前期有效降雨量，mm；

Pi——泥石流发生前1～n天中各日降雨量，mm；

K——衰减系数，取值范围为0.78～0.85。

通过类比分析、以及相关的计算检验，取0.84时计算效果较好[15]。一般而言，一次降雨量逐日衰减，一般经历20天左右基本耗尽，故n取20[16]。

图2 2016年8月降雨统计Fig.2 August 2016 rainfall statistics

1.2.3物源条件

松散固体物源量的大小决定着泥石流规模、流体性质、破坏强度等，是泥石流暴发的物质基础[17]。现场调查、统计表明，流域内松散固体物源有：沟谷两岸不同规模的崩滑堆积物、沟床堆积物以及坡面侵蚀物源及少量人工开挖弃渣(图3)，这些物源多集中于沟道干、支沟沟床及两侧斜坡地带，统计的各类主要物源见表1。显然，流域内松散物源丰富，易在强降雨作用下形成泥石流。

表1 流域内主要物源特征Table 1 Provenance characteristics in the basin

1.2.4泥石流形成机制分析

现场的调查分析表明，“8·21”泥石流的形成为长时间的前期降雨与短历时的强降雨造成。如前所述，该流域内松散固体物源丰富，沟床比降大，前期累积降雨69.9 mm，前期有效降雨34.28 mm，其中8月20日的降雨量为20.6 mm，降雨历时7小时，于8月21日凌晨形成泥石流。

长时间的前期降雨使松散堆积体内含水量逐渐增加、强度降低，在短历时强降雨到来之前，沟道与坡面物源含水量已达到最大甚至饱和，此时松散土体的入渗率已经降至最低值或达到饱和，强度值亦降低至最低值或临界值。在短时间的强降雨开始后迅速形成坡面径流，同时携带已被软化、饱和的松散土体向沟道汇集，增加了沟道径流的物源量。尤其在后缘右侧支沟沟底高程约3 600 m附近、沟谷右岸发育一规模较大的滑坡(图3(a))，其部分堆积体直接堆积于沟道内。暴雨作用下，降雨使坡面滑坡体饱水、软化，滑坡前缘部分堆积体发生失稳并堆积在沟道内形成滑坡堰塞体，沟道上游地表水及携带的固体径流逐渐淤积于沟道内，形成堰塞湖。随着地表水的不断汇集，堰塞湖的水位不断抬升，在湖水压力以及堰塞体底部堆积物饱水、软化等共同作用，最终导致堰塞体溃决。由于溃决后的放大效应，沟道径流流量陡增，从而继续侵蚀、冲刷下游沟道，沟道内及沟道两侧的堆积物被掀起、揭底，沟道径流的流量与流速在此过程中也不断地增加；不断掏蚀、搬运沟道两侧的崩滑物源，沟道径流的含沙量超过携带水流的含沙量，从而形成泥石流。另外，在流通区的中部高程约3 070 m一带，由于沟床地形变窄、流水对沟道松散堆积物的冲刷以及人类工程活动产生的松散土石也导致部分沟道堵塞，泥石流在该处产生短暂的淤积、形成小规模堰塞体溃决后，再次产生放大效应，泥石流的流速与流量进一步增大，从而在短时间内产生了此次“8·21”泥石流。因而，该次泥石流属于堵溃特征的降雨启动型沟谷稀性泥石流。

2 泥石流特征的计算

2.1 泥石流的容重

泥石流性质主要由松散碎屑物质中黏粒决定[18]。为确定该沟谷流域泥石流的性质，结合“8·21”泥石流颗粒分布特点(图4)，采用式(2)计算本次泥石流的容重[19]，计算结果见表2。

(2)

式中：γc——泥石流容重(t/m3)；

P05——小于0.05 mm的细颗粒的百分含量(小数表示)；

P2——大于2 mm的粗颗粒的百分含量(小数表示)；

γv——黏性泥石流的最小容重，取2.0 t/m3；

γx——泥石流的最小容重，取1.4 t/m3。

通过式(2)计算“8·21”泥石流容重为1.635 t/m3，参照相关泥石流的分类规范[1]，属稀性泥石流。

表2 泥石流容重计算Table 2 Calculation of debris flow density

2.2 泥石流流速

根据现场调查本次泥石流洪痕断面特征，选用铁一院建立的西北地区泥石流流速计算公式(3)～(4)对“8·21”泥石流流速进行计算[1]，结果见表3。

(3)

(4)

式(3)～(4)中：Vc——泥石流流速,m/s；

γH——泥石流中固体颗粒容重,t/m3，通过室内试验确定该值为2.548 t/m3；

γc——泥石流容重,t/m3；

HC——水力半径,m；

IC——泥石流水力坡度；

a——阻力系数；

φ——泥沙修正数。

从表3可见，“8·21”泥石流的流速为3.79 m/s。

表3 泥石流流速计算Table 3 Calculation of debris flow velocity

2.3 泥石流流量

泥石流流量采用雨洪法与泥痕断面法进行评价。雨洪法计算的沟谷泥石流流量，一方面可以表示沟谷不同降雨频率下泥石流的峰值流量；二是根据现场调查泥石流的洪痕特征，可以对不同洪痕泥石流发生的暴雨频率进行对比分析。

(1)雨洪法：采用雨洪法计算泥石流峰值流量，首先需要通过暴雨频率推求设计洪峰流量，并结合泥石流特征计算泥石流流量[18]。

洪峰设计流量计算公式如下：

(5)

泥石流峰值流量计算公式如下：

Qc=QB(1+φ)DC

(6)

式中：QB——设计洪水流量(m3/s)；

SP——暴雨雨力(mm/h)；

τ——汇流时间(h)；

n——暴雨公式指数；

F——流域面积(km2)；

Qc——泥石流断面峰值流量(m3/s)；

φ——泥石流修正系数；

DC——沟道堵塞系数。

采用上式、沟道堵塞系数DC取1.8，计算不同降雨频率下泥石流峰值流量结果见表4。

表4 不同频率下泥石流流量特征Table 4 Characteristics of debris flow discharge at different frequencies

(2)洪痕法：采用形态调查法进行泥石流流量计算，计算公式为：

Qc=WC·VC

(7)

式中：Qc——泥石流断面峰值流量,(m3/s)；

Wc——泥石流过流断面面积,(m2)，采用调查测绘获取的沟道形态参数；

Vc——泥石流断面平均流速,(m/s)，计算结果见表5。

表5 “8·21”泥石流流量计算Table 5 Calculation of “8·21” debris flow discharge

2.4 一次泥石流总量及固体物质冲出量

根据现场泥石流洪痕实测参数，由下式计算一次泥石流总量及一次固体物质冲出量：

Q=19TQc/72

(8)

QH=Q(γc-γw)/(γH-γw)

(9)

式中：Q——泥石流一次过流总量,m3；

T——泥石流历时,s；

Qc——泥石流断面峰值流量,m3/s；

QH——一次泥石流冲出固体物质总量,m3；

γc——泥石流容重,t/m3；

γH——泥石流中固体颗粒容重,t/m3；

γw——水的重度(t/m3)，取1.0t/m3。

按式(8)～(9)对“8·21”泥石流的冲出量计算结果也列于表5中。

对比表4、表5可见，新近暴发的“8·21”泥石流暴发频率低于P=10%，一次泥石流堆积总量为3.89×104m3，属于中型泥石流。

3 泥石流危险性评价

3.1 评价因子选取

特定的流域形态、丰富的松散固体物源以及集中的水源驱动是泥石流发生的三个必要条件，而这些条件均受控于地形地貌、地质条件、水文条件与人类工程活动等因素及其组合状态。因此，泥石流危险性评价因子的选择必须遵循以下四个原则[20]：①所选取的因子必须具有代表性与明确的物理意义；②各个因子间尽量要相对独立；③因子容易获取并易于量化；④因子数量适中。

刘希林所提出的单沟泥石流危险性评价方法是应用较为广泛的一种方法，但该方法中未考虑泥石流产生中的降雨条件。因此，依据上述原则同时参考刘希林单沟泥石流危险性评价因子[21]，并针对该方法中的不足，补充24小时最大降雨量作为泥石流危险性评价的一项重要评价因子，初步选取以下8项作为泥石流危险性评价因子，即：泥石流规模X1(×103m3)、发生频率X2(次/百年)、流域面积X3(km2)、主沟长度X4(km)、流域相对高差X5(km)、流域切割密度X6(条/km)、不稳定沟床比例X7(%)、24小时最大降雨量X8(mm)。

3.2 泥石流危险性评价

由于地质灾害往往是多种因素共同作用的结果，这些因素错综复杂，危险性评价时所选取的各影响因素的客观数据常有不确定性。因此，可将地质灾害系统看成是一个具有某种混乱程度的非线性的开放系统，借助熵理论就可以表达系统因子的效用价值，从原始数据本身出发计算得到各影响因素的权重[22]，计算过程如下：

(1)计算熵权前为了消除各因子间单位量纲不同，需要先进行无量纲化处理：

(10)

式中：rij——无量纲化处理后的数据；

min(j)——j项因子中最小值；

max(j)——j项因子中的最大值；

xij——原始数据。

(2)熵值的建立：根据下式建立信息熵：

(11)

(12)

式中：Ej——第j项因子熵值；

Pij——第j项指标下第i个样本中该指标值的比重，rij=0时，PijlnPij=0；

m——样本的个数；

n——因子的个数。

(3)评价指标权重计算：信息熵计算权重是利用该指标的信息效用值来评价其对泥石流灾害形成的重要性，其值越大，表明该指标越活跃，越容易触发泥石流灾害。第j项评价指标权重W(j)计算公式如下，计算结果见表6。

(13)

表6 各评价因子权重值Table 6 Weight values of each evaluation factor

(4)沟谷泥石流的危险性评价：计算出各项指标的权重后，按下式计算每个样本的危险性值F(i)，其值越大，表明发生泥石流的可能性越大。

(14)

利用式(14)计算的“8·21”泥石流的危险性值为0.57，按泥石流危险性分级标准(表7)可知，该沟谷泥石流为中度危险。若不考虑降雨对泥石流的影响，采用刘希林单沟泥石流危险性评价方法对本次泥石流进行危险性评价，得到的泥石流危险性值为0.429，属于中度危险性泥石流。虽然通过两种方法均得到了相同的结果，但从泥石流危险性值来说，采用熵权法并考虑降雨的影响所得到的值高于采用单沟泥石流危险性评价所得到的值，由此也表明考虑降雨的影响能更合理地揭示泥石流的危险性。