泰宁县芦庵沟泥石流成因分析

刘 鹏

(中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，杭州 311122)

0 前 言

2016年5月8日04:45，位于福建省泰宁县开善乡池潭水电站下游1.5 km处的芦庵沟发生特大规模的泥石流灾害。泥石流摧毁了位于沟口的池潭水电站办公大楼及临时施工营地，造成了36人死亡失踪的重大事故，直接经济损失巨大。

典型泥石流发生的3个必备条件：物源、纵坡降、汇水面积。芦庵沟存在物源少、汇水面积小，不具备发生典型泥石流的条件，从而地质灾害排查人员轻易排除其发生泥石流的可能性。

芦庵沟泥石流具有非典型、狭陡型、暴雨型及潜伏性特征。为了加深对此类泥石流的认识及减少灾害，有必要对其进行深入研究和总结。

1 地形、地质特征

芦庵沟位于金溪左岸，平面形态呈狭长型，基本呈“V”形谷，属于陡斜坡深切割冲沟，沟道平均纵坡降大，流域面积小，见图1。沟谷区植被覆盖良好、树木粗大茂盛，森林覆盖率高达80%以上，覆盖层多浅薄，无较大规模的松散堆积体，基岩为白垩系石帽山群寨下组流纹斑岩，构造运动较微弱，断层发育少，节理发育较少，坡面上由于岩体不均匀风化而形成的危石、块石较多。

本次泥石流发生于芦庵沟的主沟，沟源高程约770.00 m，沟口高程约220.00 m，落差约550 m，主沟长约1.1 km，平均纵坡降约50.0%，集雨面积约0.28 km2。支沟未发生泥石流，集雨面积约0.19 km2。

图1 芦庵沟水系示意图

主沟流域形态完整系数δ=0.25，判断式如式(1)所示，可判断主沟形态为狭长型。流域完整系数δ值小于0.30，泥石流浆体具有容重大特点[1]，泥石流容重可达2.0 g/cm3。

(1)

式中：Lw为流域长度，km；Ab为集雨面积，km2。

2 物源条件

沟谷两岸未见滑坡体分布，残坡积及崩塌堆积体主要分布于沟床及两侧，规模小且在纵向上分布不均，多为块石、碎石，厚度一般为0.0～2.0 m，方量合计约2.0万m3。据沟谷堆积物及沟口泥石流堆积物可知，堆积物中巨粒径的块石、碎石含量高，含量总计约50%～60%，块石粒径多为0.2～0.5 m，最大粒径5 m以上，碎石粒径多为0.1～0.2 m，中粗砂含量约20%～25%，粉质黏土含量约20%～25%。

泥石流发生后，沟底大部分堆积物被剥蚀殆尽，沟床基岩大多裸露，经调查研究可确定泥石流剥蚀掉沟床堆积物总量约1.6万m3。沟口堆积扇面积约5 500 m2，本次泥石流堆积物总量约1.3万m3，约0.3万m3泥石流物质被冲入金溪。沟口堆积扇巨石、块石林立，最大尺寸为13.7 m×11.3 m×9.9 m。沟溪入河处河道多为险滩，各种险石较多。

3 降雨条件

据当地气象部门发布的资料，自2016年1月以来，芦庵沟所在的泰宁县经历了持续的强降雨天气，至5月8日，累计降雨天数为74 d，比正常年份多20 d，累计降雨总量约1 140 mm，超出历史同期降雨总量的35%，约占该区域多年平均年降雨量1 790 mm的64%。4月以来至5月8日，合计降雨总量约733 mm，历史同期降雨总量约318 mm，超出常年同期降雨总量的130%。尤其是5月7日23:00—5月8日5:00发生了短时强降雨，是泥石流发生的重要原因。

根据位于泥石流沟沟口上游的池潭电厂降雨量观测点资料，5月7日23:00—5月8日05:00发生了短时强降雨，最大6 h降雨量为180 mm，最大3 h降雨量为111 mm，最大1 h降雨量为48 mm。在此时间段内，降雨量在空间分布上具有明显的差异性，据池潭电厂、龙安(距池潭电厂约14 km)、黄潭(距池潭电厂约19 km)降雨量观测点观测数据，池潭电厂降雨量比邻近的龙安、黄潭降雨量均大2倍以上，暴雨对应时段降雨量比较如图2所示。

图2 池潭电厂、龙安和黄潭雨量站“5.8” 暴雨对应时段降雨量比较图

4 泥石流启动机理

泥石流堆积物中巨粒含量高，巨、细颗粒(或控制粒径d60、有效粒径d10)大小相差悬殊，缺少中间粒径，级配不良，其中有效粒径d10的大小对泥石流物源堆积体的渗透性有重大影响，即是泥石流物源堆积体的启动的重要因素之一。

前期持续强降雨，土体已达到完全饱和状态，其有效应力减小，在地表径流及内部径流的作用下土体中的细颗粒发生运移，导致土体中有些部位发生细颗粒聚集，改变了土体的级配特征及孔隙结构。孔隙被堵塞后，不利于地表径流通畅流动且土体中的孔隙水压力难以释放，纵坡降大的情况下易在基覆界面以上产生超孔隙水压力。

在当日短时强降雨的作用下，地表径流力、土体孔隙水压力过大，造成泥石流物源堆积体失稳破坏。一方面，饱和的固体松散物质由于含水量持续增加，孔隙水压力增大，有效应力减小，达到启动泥石流的条件，判别式如式(2)所示。另一方面，地表汇水达到一定厚度，先达到d10颗粒启动时的水深，再达到泥石流物源堆积体剪切破坏时的水深(表达如式(3))，细颗粒悬浮且携裹巨颗粒，巨颗粒所受地表径流力大，在纵坡降大的情况下最终诱发了泥石流。

饱和的松散物质启动与否的判别式[2]：

(2)

式中：K为松散固体物质稳定性系数，当K=1时，饱和松散固体物质处于极限状态；当K>1时，饱和松散固体物质处于稳定状态，不会发生泥石流；当K<1时，饱和松散固体物质处于不稳定状态，将会发生泥石流；σ为法向应力；uw为破坏时在破坏面上的孔隙水压力；φ为内摩擦角；A为松散固体物质与沟床的接触面积；c为黏聚力；T为水流推力；G为松散固体物质重量；β为沟床底坡坡度。

即泥石流物源启动的地表径流水深H[3]：

(3)

式中：ρS为颗粒密度；J为纵比降；h为泥石流物源堆积的最大厚度；γS为堆积体的容重；φ为堆积体的内摩擦角。

5 泥石流活动特征

(1) 暴发频率低

据芦庵滩碑文、历史文献记载及调查研究，沟口在1884年建有芦庵庙至50多a前拆除，建庙至今(约132年)从未发生过泥石流。芦庵沟汇水面积小、纵坡降大，有利于降水的快速汇集，可为泥石流物质的运移提供充足的动能。沟谷植被覆盖良好，物源少，本次泥石流发生后，大部分物源已被消耗，沟床基岩大多裸露，今后近百年内再次发生泥石流的可能性低。

(2) 运动动能高

芦庵沟落差可达550 m，平均纵坡降约50.0%，其上游区坡度更陡，具有狭陡型特点。物源在强降雨作用下高势能启动，下泻流动过程中转化为高动能，沿程不断吸纳汇水并侵蚀冲刷新的固体物质[4]。芦庵沟泥石流运动具有3个特点：① 流速高，流通区流速可达12.2 m/s，持续时间短(约2 min)；② 挟裹能力强，携带的大块石数量众多；③ 冲击力大，泥石流的颗粒冲击力可达900 t[5]，将位于沟口的钢筋混凝土办公大楼撞击成为碎块而卷入河中，原地仅余留钢筋混凝土条形基础。

6 结 语

(1) 芦庵沟植被茂盛、堆积物少、集雨面积小，不具有典型泥石流沟特征，至少132年未发生过泥石流。

(2) 芦庵沟泥石流的发生与持续的降雨天气相关，在强暴雨作用下，地表径流力、孔隙水压力过大，在纵坡降大的情况下最终诱发了泥石流。

(3) 芦庵沟泥石流具有稀遇低频、潜伏性强、危害性大、运动动能高的特点，今后近百年内再次发生泥石流的可能性低。