舜皇山里竹泥石流成因机理分析与防治措施研究

陆剑宇 黄绍琼 郑秀全 辛 武

(湖南省核工业地质局三〇六大队 湖南 长沙 421008)

引言

舜皇山地区地貌类型属中低山区，最高海拔为1355.5m，最低海拔为896.9m，高差达458.6m，区内由于岩层风化强烈，人类不合理工程活动导致区内多年来频繁发生泥石流地质灾害，对沟谷两侧及下游村庄、农田、交通、水利设施等造成影响，当地政府部门一直在努力解决泥石流地质灾害治理问题。

一、项目区自然地理与地质环境条件

(一)气象、水文

据新宁县气象站(1956-2015)资料,年平均气温17℃；多年平均降水量1360.6mm，最大降水量2161.9mm，年最小降水量948.1mm。年日最大降水量157.0mm，历年小时最大降水量47.6mm，多年平均蒸发量1378.2mm。

地表水系较为发育，呈树枝状分布，属扶夷江水系。区内泥石流主沟沟宽4-10m，平均坡降为122‰，右岸比左岸宽度大，平均水深0.4m，一般流速为0.92m/s，流量约1.5m3/s，暴雨季节流量可达10m3/s，常年不干。

(二)地质环境条件

1.地形地貌

区内属中低山区，山体植被发育，地势南高北低，舜皇山里竹泥石流流域内冲沟发育，地形整体上陡下缓，沟谷呈“U-V”字型，冲沟宽4-10m，沟谷坡度5°～20°，平均沟床纵比降为113‰～237‰之间。

2.地层岩性

区内出露的地层主要为第四系冲洪积层(Qal+pl)、泥石流堆积层(Qsef)、残坡积层(Qel+dl)以及印支-燕山期地层：

(4)中风化花岗岩(γ3a)：其岩石类型为印支-燕山期二长花岗岩。同位素年龄在233±9-122(Ma)。岩体岩性为中粗粒黑云母二长花岗岩，一般全风化-强风化花岗岩厚度不超过2m，最大风化厚度为4m。

3.地质构造与地震

(1)地质构造

区内地处扬子板块和华南板块交接部位的雪峰山缝合带东侧，区内未见明显构造痕迹，基岩风化厚度小，对泥石流的产生及影响程度较小。

(2)地震

勘查区内地震动峰值加速度为0.05g；地震动反应谱特征周期值T为0.35s，区内抗震设防烈度为6度。

4.水文地质条件

①松散岩类孔隙水

赋存于沟谷及沟谷斜坡下部第四系冲洪积，储水条件差，地下水化学类型属HCO3—Ca·Mg、HCO3·Cl—Ca+Na型水，矿化度小于0.5g/L，PH值7.5～7.75。地下水对构筑物砼具弱腐蚀性。水位年变幅1～3m。

②基岩裂隙水

主要赋存于下伏基岩风化裂隙中，水量贫乏，水化学类型以HCO3-Ca及HCO3-Mg·Ca型水为主，矿化度0.068～0.16g/L，PH值6.6～7.0，总硬度0.84～10.3德度，属中性极软淡水。地下水对构筑物砼具弱腐蚀性。

5.人类工程活动

勘查区内人类工程活动对地质环境影响一般，主要为山坡前缘人工切坡修建房屋、修路、农耕，区内人类工程活动对区内地形地貌有轻微改变。

二、泥石流形成条件分析

(一)地形地貌及沟道条件

1.形成区(清水区)地形地貌条件

主沟海拔1050m以上为泥石流清水区，沟床平均纵比降122‰，沟宽1-4m。周家屋场冲沟支沟海拔1120m以上为泥石流清水区，沟床平均纵比降286‰，沟宽0.5-2m。长冲江里沟支沟海拔1050m以上为泥石流清水区，沟床平均纵比降243‰，沟宽0.5-1.5m。伍家沟支沟海拔940m以上为泥石流清水区，沟床平均纵比降237‰，沟宽0.5-1.5m。

2.形成区(物源区)地形地貌条件

泥石流物源区地形从896.9-1120m之间均有泥石流的物质来源，沟床纵比降从122‰-286‰之间不等，地形坡度10-35°，沟道两旁植被覆盖率40%-70%，局部有小型崩塌不良地质现象，雨季时混合粒径在5-40cm的块石、卵石等物质汇入主沟。

3.流通堆积区地形地貌条件

本泥石流主要流通堆积区地形坡度小于10°，局部为伍家组村民耕种的农田区域，堆积区的面积从50-200m2不等，一般容积为50-250m3，堆积区的块石粒径大小从5-50cm不等，最大直径为2m。

(二)物源条件

根据现场踏勘结合可行性研究时调查资料，舜皇山里竹泥石流物源主要包括崩塌堆积物源、沟道堆积物源、坡面侵蚀物源，主要分布于在形成流通区。

1.崩塌堆积物源

根据现场踏勘，舜皇山里竹泥石流在伍家组支沟流域内发现一处小型崩塌物源，崩塌体物源总量约0.78×104m3，预计参与泥石流活动的物源量按崩塌物源总量的1/2计为0.39×104m3。

2.沟道堆积物源

主要分布于沟床及沟谷两侧平缓宽阔处，累计堆积长度约为1.7km，物源储量约1.06×104m3，预计参与的物源量按总量的1/3计算约为0.36×104m3。里竹泥石流主沟及各支沟沟道堆积物源统计表见下表。

沟名堆积长度(km)堆积宽度(m)堆积厚度(m)物源储量(104m3)预计参与物源量(104m3)主沟0.30310.900.30伍家沟0.0520.50.050.02长冲江里沟0.0520.50.050.02周家屋场冲沟0.0520.60.060.02合计1.71.060.36

3.坡面侵蚀物源

分布于整个物源区坡体表层，以第四系残坡积物为主，物质组成为黏土及粉质黏土夹碎石，包括表层土、耕植土和修路产生的挖方堆土，舜皇山里竹泥石流各支沟坡面侵蚀物源统计表见下表。

沟名分布面积(km2)侵蚀平均厚度(m)物源储量(104m3)预计参与物源量(104m3)主沟0.5221.040.35伍家沟0.1420.280.09长冲江里沟0.1520.300.10周家屋场冲沟0.1720.340.11合计0.981.960.65

4.泥石流物源的转化关系

通过现场实际调查发现，崩塌堆积物源、坡面侵蚀物源为泥石流主要物源，其次为沟道堆积物源。物源统计表见下表。

沟名崩塌堆积物源总量动储量沟道堆积物源总量动储量坡面侵蚀物源总量动储量合计总量动储量主沟0.900.301.040.351.940.65伍家沟0.780.390.050.020.280.091.110.50长冲江里沟0.050.020.300.100.350.12周家屋场冲沟0.060.020.340.110.400.13小计0.780.391.060.361.960.653.801.40

(三)水源条件

据《湖南省暴雨洪水查算手册》所附暴雨量等值线图，新宁县地区的24h、6h年最大暴雨量分别为157mm、47.6mm，暴雨频率为20年一遇，在强降雨的情况下具备引发泥石流地质灾害的降雨条件。

三、泥石流基本特征

(一)泥石流灾害史及灾情、危害性分析

1.泥石流灾害史及灾情

本泥石流为近20年一遇，一次性堆积量约0.15×104m3，造成里竹村2幢4户木房完全被冲毁，淹没部分农田，堵塞河道，造成经济损失约150万元以上。

2.泥石流危险区范围及险情

里竹泥石流威胁伍家组16户68人的生命财产安全，同时威胁着下游两侧沟道村民的生命财产安全以及乡镇水泥公路，潜在经济损失在500万元以上。

3.泥石流堵溃下游河道的可能性分析

里竹泥石流下游距离下游主河扶夷江超过10km，本次泥石流20年一遇一次冲出固体物质为0.15×104m3，影响区域未至扶夷江，分析认为里竹泥石流堵河的可能性较小。

(二)泥石流各区段冲淤特征

1.形成区(清水区)冲淤特征

里竹泥石流主支沟在形成区(清水区)地形陡峻，坡降大，沟底基本出露中风化花岗岩体，岩面光滑，沟内未见明显淤积现象。

2.形成区(物源区)冲淤特征

泥石流物源区地形从896.9-1120m之间为物源区，在第四系残坡积层裸露区多处可见冲淤现象。物源区冲刷深度基本小于0.5m，淤积的物质成分粒径一般小于10cm。

3.流通堆积区冲淤特征

在支沟沟口和主沟中部拐弯处以及下游沟道两侧平缓地区多处可见泥石流流通堆积区，堆积物质成分有块石、卵石、中粗砂、少量黏性土和植物根茎，砾石粒径大小一般20-40cm，最大者达2.1m，冲淤痕迹较明显。

(三)泥石流堆积物特征

通过对勘查区内泥石流堆积区的调查，堆积物颗粒成分以碎石、块石夹砂土为主，砂土含量约35%，粒径5-40cm不等，母岩成分以花岗岩、板岩为主，分选性一般，多呈次棱角状-次圆状。

(四)泥石流发生频率和规模

里竹泥石流松散物贮存量约3.80×104m3，可能参加泥石流活动的动储量约1.40×104m3，一次性冲出量0.15×104m3，里竹泥石流沟为暴雨、小型、稀性、低频、沟谷型水石型泥石流，易发程度为轻度易发，泥石流沟活动性较强，危害性等级为中型，发展阶段为发展期。

(五)泥石流的成因机制和引发因素

区内地形地貌相对高差大，相对高差458.6m，沟谷为“V-U”字型，沟道两侧松散物源丰富，地形上有利于泥石流物质的汇集和成灾，下游地形平缓开阔，有利于固体物堆积。暴雨形成的地表径流是引发泥石流的主要因素，在物源、水源、地形条件共同作用下引发泥石流地质灾害。

四、泥石流基本特征值的计算

(一)泥石流流体重度

1.现场配浆法

通过在现场六次配置确定泥石流容重约在1.29～1.35g/cm3之间，平均值为1.304。

2.查表法

经查表，里竹泥石流易发程度评分为74分，对应的泥石流重度1.509t/m3，(1+φ)为1.467。

3.综合取值

综合分析，本次泥石流重度取值为现场配浆和查表法的平均值：(1.304+1.509)/2=1.407t/m3。

(二)泥石流流量

1.雨洪法

利用《湖南省暴雨洪水查算手册》计算设计暴雨，由设计暴雨推求设计洪峰流量，假定暴雨和洪水及泥石流同频率出现，然后计算设计泥石流流量及相关的泥石流特征值：

(4-2)

2.洪峰流量计算

根据公式4-2计算断面处洪水峰值流量，里竹泥石流设计断面处洪水峰值流量计算结果见下表：

断面位置流域面积F(km2)主沟长度L(km)主沟平均纵坡降J(‰)设计暴雨频率P(%)设计洪峰流量QP(m3/s)拟建谷坊坝1.921.39151219.2557.70拟建拦挡坝0.480.6524824.8151.92

3.泥石流流量

综合雨洪法和形态调查法两种不同方法进行分析，综合比较认为以雨洪法加上形态调查法计算所得泥石流流量数据平均后比较贴近实际，里竹泥石流流量计算结果见下表。

断面位置P(%)QC(m3/s)拟建谷坊坝242.59520.29拟建拦挡坝218.4357.89

(三)泥石流流速计算

泥石流流速的计算采用《泥石流灾害防治工程勘查规范》(DZ/T0220-2006)附录I中铁二院公式进行计算：

断面位置P(%)糙率系数n水力半径R(m)纵比降I‰流速Vc(m/s)拟建谷坊坝20.101.91514.3750.101.51513.73拟建拦挡坝20.101.42374.4650.101.02373.56

(四)一次泥石流固体冲出物

一次泥石流冲出的固体物质总量按下式计算：

QH=Q(γC-γW)/(γH-γW)

(4-8)

根据以上两式分别计算出里竹泥石流沟不同频率泥石流一次总量及冲出固体物质总量，见下表

断面位置P(%)QC(m3/s)持续时间(s)一次总量Q(×104m3)一次固体物质总量QH(×104m3)拟建谷坊坝242.5915001.290.32520.2915000.610.15拟建拦挡坝218.4315000.560.1457.8915000.240.06

(五)泥石流整体冲压力

里竹泥石流整体冲击力的计算，根据《泥石流灾害防治工程勘查规范》(DZ/T 0220-2006)附录I中推荐公式(铁二院公式)进行计算，结果见下表。

断面位置P(%)流速Vc(m/s)整体冲击力(kPa)拟建谷坊坝24.3736.4753.7326.57拟建拦挡坝24.4637.9853.5624.20

(六)泥石流爬高和最大冲起高度

泥石流爬高和最大冲起高度按照《泥石流灾害防治工程勘查规范》(DT/T0220—2006)附录I提供的计算公式进行计算，计算结果详见下表：

断面位置P(%)流速Vc(m/s)最大冲起高度ΔH(m)爬高ΔHc(m)拟建谷坊坝24.370.971.5653.730.711.14拟建拦挡坝24.461.011.6253.560.651.03

(七)泥石流弯道超高

通过在里竹泥石流主、支沟两处拐弯处分别位于拟建谷坊坝上游约20处、拟建拦挡坝上游约40m处，通过实测弯道的弯曲半径，计算出里竹泥石流沟弯道超高如下：

位置R2R1VcΔh拟建谷坊坝上游约20m处41.529.8254.373.730.650.47拟建拦挡坝上游约40m处32.222.1254.463.560.760.48

五、泥石流发展趋势分析

(一)泥石流易发程度分析与评价

根据《泥石流灾害防治工程勘查规范》(DZ/T 0220-2006)附录G.表G.1对泥石流沟易发程度进行数量化评分，依据15项因素综合得分为74分，按照评分，本泥石流沟的易发程度为轻度易发。里竹泥石流对伍家组密集居住区存在较大的影响，根据现场调查综合判定，伍家组村民住房场地适宜性差。

(二)泥石流的发生频率和发展阶段

根据现场访问、调查，里竹泥石流沟在近20年未发生过明显的泥石流地质灾害，综合判定里竹泥石流为低频泥石流，发生频率大于20年一遇，现状条件下，里竹泥石流处于发展期(壮年期)。

六、工程治理布置

(1)拦挡坝工程，在伍家沟汇入主沟前约20m处修建1道拦挡坝；在长冲江里沟、周家屋场冲沟2条支沟的交汇处下游主沟修建一道石笼谷坊坝。

(2)河道疏浚工程，对房屋密集的主沟堆积区淤塞严重的河道进行疏浚，河道疏浚长度700m。

(3)浆砌石挡墙：在里竹村伍家组沟道靠近民房一侧修建浆砌石挡墙，浆砌石挡墙总长约170m。

(4)监测工程，对拟建拦挡坝、谷坊坝工程、崩滑体布置监测工程进行监测，对泥石流流域内进行气象(主要为降雨量)监测。

七、结束语

(1)舜皇山里竹泥石流有1条主沟、3条支沟组成，汇水面积1.98km2，为一新泥石流沟，属于暴雨型-沟谷型-低频-稀性泥石流，威胁里竹村伍家组16户68人的生命财产安全，潜在经济损失约500万元。

(2)舜皇山里竹泥石流松散物贮存量约3.80×104m3，可能参加泥石流活动的动储量约1.40×104m3，20年一遇泥石流一次性冲出固体物质为0.15×104m3，50年一遇泥石流一次性冲出固体物质为0.32×104m3，易发程度为轻度易发，泥石流沟活动性较强，危害性为中型。

(3)舜皇山泥石流地质灾害通过采用拦挡坝、谷坊坝、浆砌石挡墙、疏浚工程与监测工程相结合的综合治理措施进行治理，可以消除地质灾害隐患对当地居民的威胁，通过本次治理方案的实施，可取得很好的经济、社会和生态效益，对应舜皇山山区普遍存在的类似泥石流地质灾害治理具有一定的借鉴作用。