典型沟谷型泥石流动力学特性研究——以湖北省罗田县天堂寨老寺庙泥石流为例

李 钊， 项文霞

(湖北省地质局 第三地质大队，湖北 黄冈 438000)

泥石流是发生在山区的一种含有大量泥砂、石块的暂时性湍急水流[1]。根据泥石流流域形态，可将泥石流分为标准型泥石流、沟谷型泥石流和山坡型泥石流。地质环境条件、气象水文是造成泥石流发生的重要因素，复杂程度越来越高的泥石流动力学机理，是现阶段仍然未得到彻底解决的重点问题。李佳鲒[2]等以个旧市大屯镇老坡背村泥石流为例，通过现场调查和室内试验，系统分析了该泥石流的发育特征和动力学特征并对其进行了危险性评价。倪化勇[3]利用人工降雨条件下泥石流起动试验对冲沟型泥石流的形成机理和特征进行了研究；徐如阁[4]等以四川省泸定县麻沙坡沟为例，说明冲沟型泥石流不同于坡面型泥石流，应将其单独划分为一类或归类于沟谷型泥石流。

根据2017年湖北省地质环境总站完成的《黄冈市罗田县“四位一体”网格地质灾害隐患点及数据更新成果报告》，罗田县内有地质灾害发生151处，其中泥石流19处，占12.58%，泥石流主要分布在天堂寨景区、薄刀峰景区，严重威胁大别山景区的旅游公路和人民群众生命财产安全。

鉴于泥石流的严重危害性，对泥石流的动力学性质展开研究，具有重要的实际意义。以湖北省罗田县天堂寨老寺庙泥石流为例，揭示黄冈大别山世界地质公园内的沟谷型泥石流的成灾机理和动力学特性，为沟谷型泥石流的防治措施提供重要依据。

1 地质环境背景

1.1 地理位置

老寺庙泥石流位于湖北省罗田县天堂寨林场老寺庙，地理坐标：东经115°46′16.43″，北纬31°04′47.06″。该处位于罗田县东北部，距罗田县城约50 km，距离九资河镇约4 km，沿途村镇公路密布，交通较为便利。

1.2 气象水文

罗田县属亚热带季风气候，江淮小气候区，四季光线界线分明，全年太阳辐射量为102～118 kcal/cm2，年均日照时数2 047.1 h。全县年平均气温16.4 ℃，年际变动在15.2～17.4 ℃之间，变幅2.2℃，7月份最热，平均气温28.4 ℃，1月份最冷，平均气温3.6 ℃。罗田县地处鄂东，雨量充沛，年平均降雨量1 330 mm。2016年自6月18日入梅至7月21日出梅，罗田县先后出现六轮强降雨，主汛期降水异常偏多，降雨量达到850.7 mm，超过历史平均值333.8 mm，是历史同期降雨量的2.55倍，位居历史同期第三。

1.3 地形地貌

老寺庙泥石流位于罗田县东北部构造侵蚀中山—低山地貌单元，处于长江、淮河分水岭地段，地面高程一般为1 000～1 500 m，天堂寨最高1 729 m，切割深度800～1 300 m，局部达1 500 m，山顶尖圆，山坡陡峻，坡度30°～60°，沟谷发育呈峡谷型。泥石流流域地面高程在810～925 m，坡度30°～50°，泥石流沟谷走向200°～250°。坡体植被发育，主要有马尾松、杨树、灌木、杂草等。

1.4 地层岩性

主要由第四系残坡积(Qel+dl)和扬子期二长花岗质片磨岩(Pt1gn2)组成。

(1) 第四系残坡积：土黄—黄褐色粉质粘土夹碎石组成，呈可塑—硬塑，结构松散，厚度为0.5～1.5 m，碎石成分主要为黑云母二长片麻岩，块径一般5～20 cm，为次棱角状；

(2) 扬子期二长花岗质片磨岩：片麻状构造，呈灰褐色，主要矿物成分为石英、长石、黑云母等，岩层片麻理产状为225°∠40°，表层岩体受风化影响和节理裂隙切割，岩体较破碎，表层岩体多被切割成块状，强风化层厚度0.5～3 m。

1.5 地质构造

天堂寨老寺庙泥石流位于大别造山带东部梯形地块的中心，距华北、扬子板块边界和郯庐断裂均为80 km左右。基本构造系统为前燕山期NWW或近东西向构造系统和燕山期NE、NNE的构造系统，其中NE向韧性剪切带构成了本区的主体构造格架。工作区位于区域上的DS2-7之NE向剪切带上，该剪切带长26 km，宽500～300 m，倾向110°～130°，倾角50°～78°，在花岗质片麻岩中表现为强直变形带，运动方向为右行兼逆冲。

1.6 水文地质条件

泥石流区域水文地质条件较简单，地下水类型可分为两类，一类为第四系松散岩类孔隙水，一类为基岩风化裂隙水。

(1) 第四系松散岩类孔隙水：地下水主要赋存于第四系残坡积层孔隙中，地下水埋深1.5～2 m，单井涌水量<10 m3/d。地下水的总硬度14～16°dH，矿化度0.3～0.4 g/L，pH值6.5～7.5，为淡水、微硬水、中性水、水化学类型为重碳酸钙型。

(2) 基岩风化裂隙水：地下水主要赋存于黑云二长片麻岩的构造裂隙与风化裂隙中，无统一地下水位，岩石富水性差，水量极小，泉流量多<20 m3/d，主要接受大气降雨补给，由地势高的地方向地势低的地方径流、排泄。

1.7 人类工程活动

泥石流区域人类工程活动较为强烈，主要表现为开荒种地、切坡建房、修筑公路，切坡高度一般在3～15 m，切坡坡度一般在50°～80°，开挖山体对地形地貌的改造较大，山坡及沟谷地带堆石弃渣较多，一定程度破坏了两侧的植被覆盖，造成了覆盖层水土流失，给泥石流的形成提供了一定的物质来源。

2 泥石流基本特征

(1) 基本特征：2016年7月1日17:00左右，罗田县天堂寨景区老寺庙发生了一起小型泥石流(图1)，主沟长约220 m，横向宽约16 m，流域面积0.12 km2，泥石流平面形态呈近似长条形，泥石流沟谷走向200°～250°。主沟沟尾处地面高程为925 m，沟口最低地面高程800 m，相对高差125 m，泥石流物源总量约5 000 m3，泥石流堆积区方量约1 500 m3。

图1 老寺庙泥石流平面图Fig.1 Debris flow plan of old temple1.泥石流范围；2.第四系残坡积；3.扬子期二长花岗质片麻岩；4.等高线；5.剖面线；6.房屋。

(2) 泥石流流域分区：根据泥石流形成条件、运动机制及泥石流松散固体物源的分布，泥石流的形成区与流通区无明显界限，将沟域划分为形成流通区和堆积区两个区域。

(3) 流通区：位于地面高程810～925 m，主沟长220 m，宽约16 m，面积约0.12 m2，沟床平均比降578‰，沟道呈 “V”字型，两岸斜坡50°～70°，局部直立。沟道内主要以两侧沟岸崩坡积块石土及泥石流堆积块石为主(照片1)，沟底基岩出露，部分沟段由于基岩风化差异在侵蚀作用下形成基岩陡坎，沟道上游局部呈级阶梯状跌落。

(4) 堆积区：位于地面高程为800～810 m，堆积区受地形控制，呈不规则扇形，面积约0.1 km2，均厚度约1.2 m，该处地势较为平坦，坡度8°～10°，为山间沟谷处，利于泥石流固体物质的堆积(照片2)。

(5) 危害特征：老寺庙泥石流已经造成老寺庙林场3户10间民房完全损毁(照片3)，直接经济损失约300万元，在再次强降雨天气诱发下，泥石流极有可能加剧，将直接威胁坡体下方12户50人及景区游客、旅游公路的安全，威胁资产达300万元。

照片1 泥石流形成流通区Photo 1 Debris flow forming and circulating area

照片2 泥石流堆积区Photo 2 Accumulation area of debris flow

照片3 泥石流冲毁沟道两侧房屋Photo 3 Debris flow destroyed houses on both sides of the gully

3 泥石流形成机制

3.1 形成条件

(1) 地形地貌：老寺庙泥石流沟流域为典型的中低山地貌，主沟长220 m，横向宽约16 m，流域面积约0.12 km2，主沟沟尾旅游公路处海拔为925 m，沟口最低海拔高程800 m，相对高差为125 m，相对高差较大。主沟由北东向南西展布，沟道整体成长条状，有利于汇集周围山坡上的水流和固体物质。

(2) 物源条件：在沟谷的两侧有一些崩滑堆积物，崩滑体物质为第四系残坡积(Qel+dl)碎石土和强风化的扬子期二长花岗质片磨岩(Pt1gn2)，其中，碎石土为灰色，呈可塑—硬塑，结构松散，碎石块径一般5～50 cm,为次棱角状。崩滑区的物质组成以碎块石为主，估算崩滑区可参与泥石流的体积约500 m3。泥石流沟道后缘右侧，高程895～925 m段坡体由上方公路切坡开挖块石随意堆积于斜坡上，长50 m,宽20 m，厚约1.5 m，面积约1 000 m2，体积约1 500 m3。弃渣在重力作用下，发生局部垮塌溜滑至沟道中，参与到泥石流的运动中去。

3.2 诱发因素

老寺庙泥石流沟位于南西向山体中下部，汇水面积约8.76 km2，汇水面积很大。沟谷切割深度深度较浅，沟道多呈“V”字型沟谷，主沟长220 m，沟谷谷底狭窄，沟床平均比降为105.6‰～590.6‰，具有短时间内地表水汇聚的水流条件。2016年6月19日—2016年7月1日，罗田县遭遇极端暴雨天气，老寺庙泥石流沟道汇水体积很大，水既是泥石流的重要组成部分，又是泥石流的激发条件和动力来源，冲蚀和携带固体物质的能力较强，沟内水流裹带沟床及沟岸两侧松散物质沿沟而下，致使流体中固体物质含量增多，最终形成破坏力很强的泥石流。

4 泥石流特征值计算

天堂寨老寺庙泥石流属于典型的山区沟谷型泥石流，从泥石流流体性质来看，属于稀性泥石流。对于泥石流运动特征和动力特征的定性分析，是认识泥石流和进行泥石流防治工程设计的基本依据；对泥石流动力学特征分析主要依据现场的勘查资料，采用雨洪法对泥石流的运动特征及动力特性进行分析。

4.1 洪水量计算

表1 暴雨参数计算表Table 1 Calculation table of rainstorm parameters

计算设计暴雨雨量：

(1)

式中：Kp根据Cs=3.5CV皮尔逊Ⅲ曲线，求得各频率历时雨量如表2所示。

表2 暴雨雨量计算成果表Table 2 Calculation results of rainstorm

暴雨参数衰减指数n，按照下式进行计算：

1- 6 h

(2)

6- 24 h

(3)

暴雨时的最大洪峰流量，按如下推理公式进行计算：

(4)

式中：SP为某频率的雨力，mm/h；F为流域面积，老寺庙泥石流(0.12 km2)；Ψ为洪峰径流系数。SP的计算式为：

SP=Htp·tn-1

(5)

式中：Htp为设计频率最大t小时暴雨量；n为暴雨参数；τ为汇流时间，h；L为主沟长度， km；J为主沟底坡降，‰。

采用推理公式(3)试算时，首先确定出设计暴雨量，并根据设计暴雨量得出暴雨参数n。然后最大洪峰流量的计算采用试算法。

采用推理公式计算勘查剖面3-3′断面(具体位置见图1，断面图见图2)的最大洪水流量作为设计洪峰流量，计算结果见表3。

图2 泥石流3-3′断面图Fig.2 3-3′ cross section of debris flow

表3 勘查断面3-3′最大洪峰流量计算成果表Table 3 Calculation results of maximun peak discharge of exploration section 3-3′

注：μ为产流参数，mm/h。

4.2 泥石流固体堆积物重度和泥石流流体重度

(1) 泥石流固体堆积物重度。取泥石流固体堆积物质，在现场采用大重度试验测定，试验方法采用注水称重法，按下式求出泥石流固体物质天然重度。

(6)

式中：γ为泥石流固体堆积物天然状态容重(kN/m3)；W为试坑内挖出固体物重量(kN)；V为将试坑注满水时的体积(m3)。测试结果为堆积物平均容重γ=19.22 kN/m3。

(2) 泥石流流体重度。取泥石流流体三件样品，测出三件样品的总质量和总体积，求出泥石流流体容重：

(7)

式中：γC为泥石流流体状态容重(kN/m3)；W为模拟试验配制流态样品重量(kN)；V为模拟试验配制流态样品体积(m3)。测试结果为主沟堆积扇泥石流流体平均容重γC=13.2 kN/m3。

4.3 泥石流洪峰流量

按照雨洪修正法原理，泥石流流量计算公式(简称东川公式)为：

QC=QB(1+φ)DC

(8)

同样以勘查剖面3-3′断面为例采用东川公式计算泥石流峰值流量，计算结果见表4。

表4 3-3′断面在各设计频率下的泥石流峰值计算表Table 4 Calculation table of debris flow peak value of3-3′ section at each design frequency

4.4 泥石流洪峰流速

选用铁道科学研究院西南科学研究所在研究东川泥石流后，推荐的流速改进公式：

(9)

(10)

利用上式计算时，直接通过实验、测量或经验值可确定的参数有：泥石流中固体颗粒重度γH。计算勘查剖面3-3′断面泥石流平均流速为3.82 m/s。

4.5 泥石流中石块运动速度计算

依据《泥石流灾害防治工程勘查规范》[DZ/T0220—2006][5]中式子I.16，计算泥石流冲出物最大粒径石块运动速度：

(11)

式中：VS为泥石流中大石块的移动速度(m/s)；a为全面考虑的摩擦系数；dmax为泥石流堆积物中最大石块的粒径(m)。计算结果见表5。

表5 泥石流中石块运动速度计算成果表Table 5 Calculation results of rock movement speed in debris flow

4.6 泥石流一次总量计算

(1) 一次泥石流总量WC计算。一次泥石流总量Q计算，根据泥石流历时T(s)和最大流量QC(m3/s)，按泥石流暴涨暴落的特点，将其过程概化成五角形，依据《泥石流灾害防治工程勘查规范》中式子I.6计算：

WC=KQCT

(12)

式中：K值的变化随流域面积(F)的大小而变化，当F<5 km2时，K=0.202；当5 km2

勘查断面3-3′断面处的一次泥石流过程总量，计算结果见表6。

表6 一次泥石流过程总量计算结果Table 6 Calculation results of total amount of a debris flow process

(2) 一次泥石流冲出的固体物质总量计算：一次冲出固体物质的总量WS依据《泥石流灾害防治工程勘查规范》中式子I.7计算：

(13)

式中：γH为泥石流中固体颗粒容重(tf/m3)，取2.65 tf/m3；γC为泥石流容重(tf/m3)，取1.32 tf/m3；γW为水容重(tf/m3)。

根据上述公式，可获得老寺庙泥石流3-3′断面处的一次冲出固体物质的总量，见表7。

表7 各设计频率下泥石流总量预测及冲出固体总量Table 7 Prediction of total amount of debris flow and total amount of solid washed out under different design frequencies

4.7 泥石流撞击力

泥石流冲击力是泥石流防治工程设计的重要参数，分为流体整体冲压力和个别石块的冲击力两种。

(1) 泥石流整体冲击力：依据《泥石流灾害防治工程勘查规范》中式子I.17计算：

(14)

式中：Fδ为泥石流整体冲击压力(Pa)；g为重力加速度(m/s2)；α为建筑物受力面与泥石流冲压力方向的夹角(°)；λ为建筑物形状系数，方形为1.47，矩形为1.33，圆形为1.0；VC为泥石流断面平均流速(m/s)。计算结果见表8。

表8 20年一遇泥石流整体冲击力计算结果表Table 8 Calculation results of overall impact force of 20-year debris flow

(2) 泥石流最大块石冲击力：依据《泥石流灾害防治工程勘查规范》中式子I.21计算：

(15)

式中：Fb为泥石流最大块石冲击力(kPa)；E为弹性模量(kPa)；I为惯性矩(m4)；L为最大块石长度(m)；W为巨块石重量(kN)；VS为泥石流中块石移运速度(m/s)；α为建筑物受力面与泥石流冲压力方向的夹角(°)。

根据公式(15)计算泥石流对柱的冲击力进行计算，重度考虑为2.65 g/cm3，块石1 m×0.85 m×0.85 m，而坝受力面与泥石流冲击力方向的夹角考虑为90°，计算得3-3′剖面泥石流中单块块石最大冲击力1 273.75 kPa。

4.8 泥石流爬高和最大冲起高度

(1) 泥石流最大冲起高度ΔH1计算公式参考《地质灾害治理工程设计》[6]：

(16)

(2) 泥石流爬高ΔH2计算公式参考《地质灾害治理工程设计》：

(17)

式中：b为迎水面坡度的函数。计算结果见表9。

表9 爬高和冲起高度计算结果表Table 9 Table of calculation results of climbing height and rising height

4.9 弯道超高计算

采用《泥石流灾害防治工程勘查规范》中的弯道超高ΔH计算公式：

(18)

式中：ΔH为弯道超高(m)；VC为泥石流断面平均流速(m/s)；B为泥面宽(m)；R为主流中心弯曲半径(m)；g为重力加速度。计算结果：ΔH=0.35 m。

5 结论与建议

通过对天堂寨老寺庙泥石流区域地质资料的收集和实地勘查，理清了老寺庙泥石流的基本特征和危害特征，分析了泥石流的成灾机理、发育规律、形成原因(包括地形地貌、物源条件、水源条件等)，对泥石流有了进一步的认识，得出结论与建议如下：

(1) 天堂寨老寺庙泥石流为典型的沟谷型泥石流，按照流体性质分类属于稀性泥石流。主沟沟尾旅游公路处海拔为925 m，沟口最低海拔高程800 m，相对高差较大，崩滑堆积位于主沟后缘公路外侧边坡区，在强降雨天气诱发下可形成破坏力很强的泥石流。

(2) 通过参考相关的规程、规范和技术要求，计算出了泥石流的总量计算、撞击力、泥石流中石块的运动速度等一些系列参数，揭示了沟谷型泥石流的动力学特性，研究结果为泥石流的防治措施提供了重要依据。

(3) 建议采用“大气降雨监测+水位监测+宏观巡视监测+边坡变形监测”的监测方法，及时监测和预报天堂寨老寺庙泥石流发展变化情况，为长期监测预报研究提供资料。

(4) 建议采用“河道清理+拦砂坝+防护堤+生态恢复工程+监测工程”的工程治理措施，来对天堂寨老寺庙泥石流进行综合性的工程治理。