贵州望谟县乐旺镇纳巴泥石流发育特征与发展趋势

侯江萍，周 俊

(贵州省有色金属和核工业地质勘查局一总队，贵州 清镇 551400)

2011年6月6日望谟县大暴雨，导致8个各乡镇遭受百年不遇的特大山洪泥石流灾害，大面积房屋被毁，道路中断，电力、水力、通信瘫痪，13.9万人受灾，37人死亡、15人失踪，经济损失达18.6亿元；2017年9月6日望谟强降雨(186mm)诱发地质灾害，县城北面新屯街道办事处纳包及乐旺镇纳巴、乐宽、交俄一带发生泥石流地质灾害，局部地段交通中断，造成了不同程度财产损失[1]。

纳巴泥石流位于望谟县约58km，乐旺镇东北边约10km乐宽河流域右侧支沟懂木村纳巴组，宽约3m～5m，乐宽河宽10m～40m，流向自北向南。据调查，近十年每年纳巴沟均发生小规模泥石流，在2017年9月，泥石流松散堆积体堵塞地方公路和村道的涵洞，给当地百姓生产生活造成严重的影响。目前流域内均存在着大量的松散固体物源，加之流域物源区沟道狭窄，沟道坡降大，如遇局地大暴雨等极端工况，再次暴发大规模灾害性泥石流的可能性非常大，主要威胁对象包含沟口居民、公路、耕地等，潜在威胁性等级为大型[2]。

1 泥石流形成条件分析

1.1 地形地貌及沟道条件

纳巴组泥石流总体流向124°，由泥石流沟口大角度相交汇入乐宽河。区域地势西高东低，沟域中下游较缓，上部区域较陡，物源区高程700m～1300m，村庄道路长约430m，高差约600m。斜坡中上后部植被中等发育，中下部为耕地，斜坡中下部为村道及村民组。泥石流主沟长约1.3km，沟深3m～6m，呈“V”型，流域面积约0.45km2，平均纵坡降511‰，中上游沟道有一处较急的弯道，沟道流域上呈“S”型，上游沟道较窄，宽5m～10m，坡度20°～40°，中下游沟道变宽，坡度15°～25°，宽约10m～20m。流域沟道最高点位于流域西南侧分水岭附近，高程约1250m，最低点位于流域东南侧沟口处，高程约585m，相对高差约665m[3]。图1。

1.2 地层岩性及构造

区内出露二叠系上统长兴组(P2c)至三叠系中统板纳组(T2b)及第四系，斜坡表层第四系残坡积层为含碎石黏土、块石，结构松散，疏松多孔，渗透性强，土层厚，容易受雨水冲刷；下伏三叠系中统板纳组(T2b)青灰色薄-中厚层泥岩、页岩夹砂岩，易风化为泥石流提供物源，区内主要构造为交错断层，展布于测区西部，走向大致呈北西-南东向，区内延伸长约2.5km[4]。

1.3 物源条件

纳巴组泥石流固体物源主要有崩塌(滑坡)堆积物源、沟床内松散堆积物源(老、新、近泥石流堆积物源)、坡面侵蚀物源。1#纳巴组泥石流沟流域内发育崩塌(滑坡)物源3处，方量共计约8.66×104m3，可参与泥石流动储量3.46×104m3；沟内松散堆积物源分布于流通区沟床内，为老泥石流及冲洪积交替堆积，表层为新近泥石流堆积形成，共分三个沟段，总计物源方量1.85×104m3，可参与泥石流动储量0.74×104m3；坡面侵蚀物源主要位于形成区、流通区主沟及两侧斜坡，斜坡松散土体受雨水冲刷和侧蚀形成，以工程有效期50年计，预计形成物源方量7.8m3×104m3，可参与泥石流动储量3.1×104m3。总计固体物源方量18.31×104m3，可能参与泥石流活动的物源动储量7.3×104m3(图2)。

图2 纳巴沟泥石流地质灾害现场照片[4]

1.3 水源条件

1.3.1 降雨条件

泥石流沟属南亚热带湿润季风气候区，降水集中，雨量充沛。据望谟气象站观测资料，多年平均年降水量1236.7mm(5月至8月占68.1%，4月至9月占31.9%)，日降水量P≥0.1mm降水154.5天，日降水量P≥10.0mm降水33.7天，P≥25.0mm降水13.2天，P≥50.0mmm降水4.4天，年最大日降水量发生在1986年7月17日，降水量达222.4mm。乐旺镇泥石流地质灾害多集中在每年6月至10月，其中，第一个降雨高峰期6月地质灾害发生频率最高，其次第二个降雨高峰期9月次之，年内发生次数呈双峰分布。1959年至2017年望谟县城地区1h、24h年最大暴雨量平均值分别为46mm、100mm，该区域不同频率下降雨强(表1)，在P=1%条件下，1h、24h雨强分别达94.3mm、219.0mm。区域降水量随海拔增加而递增，在泥石流形成区，据《泥石流灾害防治工程勘查规范(试行)》(T/CAGHP 006-2018)，贵州地区发生泥石流24h、1h临界降雨值分别为60mm、20mm，参照附录D.1计算该区域暴雨强度指标R值为4.56，为可能发生泥石流的雨情，发生机率0.2～0.8。

表1 不同频率降雨统计表

1.3.2 流域汇流条件

纳巴组泥石流沟沟内地形陡峻，沟谷中、上游纵坡均很大，有利于地表降水径流和快速汇集。为泥石流的形成提供了有利的水源汇流条件。同时，由于沟谷狭窄、沟床坡降大，流域内水动力条件极好、一旦启动疏沙能力也极强。流域内植被总体较发育，其中，主沟上游形成区植被覆盖率高，中下游流通区及堆积区植被覆盖率相对较低。植被发育地区滞水作用较强烈，不利于降雨形成地表径流，而植被覆盖较差地区有利于地表径流形成。森林植被发育地区启动物源量相对较少，与植被发育根固作用阻止起活动外，也与植被发育区对降雨的滞水作用具有很大的关系。

2 泥石流运动特征

2.1 泥石流流体重度分析

泥石流堆积区采取泥石流堆积物样品3组，每组质量不少于15kg，根据泥石流暴发时目击者描述，将堆积物样品加水搅拌，配置成泥石流暴发时流体状态，然后分别测出每组样品总质量和体积，按下式计算每组样品容重后取其算术平均值作为泥石流容重。

式中：γc-浆体容重(g/cm3)；G-样品总质量(g)；V-样品体积(cm3)。本次采用半径14.5cm，高度50cm塑料桶进行泥石流容重试验。纳巴组泥石流平均容重1.31g/cm3，属稀性泥石流。

2.2 泥石流流量分析

2.2.1 洪峰流量计算

泥石流流域区属典型的山区雨源性暴雨洪水，具有陡涨陡落、峰量集中、涨峰历时短等山区性河流特点。经综合分析，治理河段设计洪水采用“雨洪法”推求[5]。根据确定的暴雨参数(H24h=100mm，Cv=0.45，Cs=3.5Cv；H1h=46mm，Cv=0.4，Cs=3.5Cv)和量算的流域参数，按《贵州省暴雨洪水计算使用手册》(修订本)之规定，进行设计洪水计算。设计流域集水面积小于10km2，洪水计算公式为：

式中：QP-设计频率P洪峰流量(m3/s)；r1-汇流系数，r1=0.38(设计流域为山区间山丘，少量岩溶，植被一般，结合邻近水利工程如油啥水库等水库参数取值以及洪峰模数，最终考虑汇流系数)；f-流域形状系数，f=F/L2；F-流域面积(km2)；L-主沟长(km)；J-分水岭至出口断面平均比降，m/m；C-洪峰径流系数(0.879～0.851，P=1%～20%)；Sp-设计最大1h点雨量，mm。经计算暴雨洪峰流量结果见表2。

表2 流域暴雨洪峰流量计算表

2.2.2 泥石流洪峰流量计算

在求得暴雨洪峰流量的基础上，根据《泥石流灾害防治工程勘查规范(试行)》(T/CAGHP 006-2018)中推荐公式计算泥石流洪峰流量：Qc=(1+φ)QpDc(3)

式中Qc-泥石流断面峰值流量(m3/s)；φ-泥沙修正系数，参照表G.2确定，纳巴组(1+φ)=1.676，Qp-暴雨洪峰流量(表3)；Dc-堵塞系数，按勘查规范确定取2.3[6]。根据公式(3)求得泥石流峰值流量如表4。

表3 各泥石流峰值流量表

表4 泥石流不同位置不同频率下一次泥石流过流总量及固体物质总量表

3.3 泥石流流速

根据现场调查及试验获得泥石流浆体重度指标判别，两条泥石流均为稀性泥石流，因此按照通用西南地区(铁二院)公式，分别进行不同部位在治理工程实施前和实施后的流速计算，计算公式为：

式中VC-泥石流断面平均流速(m/s)；γH-固体物质比重(t/m3)；φ-泥沙修正系数；n-河床糙率值；R-水力半径(m)；I-水力坡度。计算结果为1#纳巴泥石流平均流速5.47m/s。

3.4 一次泥石流过流总量及流出固体物质总量

一次泥石流过流总量按照《泥石流灾害防治工程勘查规范(试行)》(T/CAGHP 006-2018)附录J.11提供的计算公式计算：

Q=0.264TQc(5)

式中：Q-一次泥石流过程总量(m3)；T-泥石流历时(S)，泥石流持续时间(S)，根据调查访问和经验数值确定；QC-泥石流最大流量(m/s)。一次泥石流固体冲出物按照《泥石流灾害防治工程勘查规范(试行)》(T/CAGHP 006-2018)附录J.20提供的计算公式进行计算：QH=Q(γc-γw)/(γH-γw) (6)

式中QH-一次泥石流冲出固体物质总量(m3)；Q-一次泥石流过程总量(m3)；γc-泥石流重度(t/m3)；rw-水重度(t/m3)；rH-泥石流固体物质重度(t/m3)。根据现场调查和结合相邻地区泥石流爆发持续时间分析，纳巴沟组未来爆发泥石流后径流持续时间按1800s考虑。根据上述公式计算得到泥石流不同位置不同降雨频率下爆发泥石流后一次泥石流过流总量和固体物质总量(表3、表4)。

3.5 泥石流整体冲压力

按《泥石流灾害防治工程勘查规范(试行)》(T/CAGHP 006-2018)附录J.35式计算：

式中δ-泥石流冲压力(KN)；λ-建筑物形状系数，矩形建筑物λ=1.33；rc-泥石流重度(KN/m3)；vc-泥石流平均流速(m/s)；α-建筑物受力面与泥石流冲压力方向的夹角(°)，取最大值垂直90°。根据公式(6)对各主要控制断面的泥石流流体整体冲压力计算结果见表5。

表5 泥石流不同位置流速、整体冲击力等计算成果表

3.6 泥石流爬高和最大冲起高度

泥石流前行遇阻，由于惯性作用，其动能瞬间转化为势能，撞击处使泥浆及包裹的石块飞溅起来，称为泥石流的冲起，将沿直线前进的现象称为爬高[7]。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(试行)》(T/CAGHP 006-2018)附录J.46-J.48提供的计算公式进行计算：

式中ΔH-泥石流最大冲起高度(m)；ΔHc-泥石流爬高(m)；Vc-泥石流平均流速(m/s)；b-泥石流迎面坡度的函数[6]。计算结果见表6。

表6 泥石流不同位置弯道超高计算成果表

3.7 泥石流弯道超高

泥石流弯道超高指泥石流在沟槽转弯处因凹岸处流速较快，流体增厚，凸岸一侧流速较慢，流体变薄而产生超高的现象，当凹岸为陡壁时将对凹岸产生强大的侵蚀作用。泥石流弯道超高按照《泥石流灾害防治工程勘查规范(试行)》(T/CAGHP 006-2018)4.1-4式计算：

VC-泥石流平均流速(m/s)；R-主流中心曲率半径(m)；g-重力加速度(m/s)；B-泥面宽度(m)。选择拟设排导槽工程的典型弯道处断面进行计算，结果见表6。

4 泥石流成因机制与发展趋势

4.1 泥石流成因机制和引发因素

区内岩层划分为松散岩组、软质岩组及硬质岩组三种类型：第四系松散堆积层(Q4)包括残坡积层(Q4dl+el)、坡洪积层(O4dl+pl)、崩坡积层(Q4c+dl)、滑坡堆积层(Q4del)、泥石流堆积层(Q4pl+set)，分布于坡麓、洼地、泥石流沟域中，以飘砾、碎石及粉质粘土为主，结构松散、孔隙度大、透水性强、强度低，具有较高压缩性、崩解性，易形成滑坡、泥石流；较软岩类主要为三叠系中统板纳组(T2b)：青灰色薄-中厚泥岩、页岩夹砂岩，强风化深度1m～5m，稳定性较差；硬质岩组主要为二叠系上统长兴组(P2c)：浅灰至灰黑色中厚层至厚层块状燧石灰岩，岩石结构致密，坚硬，力学强度高，工程力学性质较好，但灰岩、白云岩岩溶发育或受断裂破碎的影响，其力学强度不同程度降低。

纳巴组泥石流沟上游形成区土体在强降雨和沟谷径流冲刷作用下容易冲刷部分土壤进入沟床，且该段沟道内残留有部分早期泥石流堆积物；发育两处浅层土质滑坡，集中分布于沟道上游形成区内，为泥石流的发生提供了一定的物源条件；而该流域降水集中，雨量充沛，为泥石流的发育提供了较好的水源条件。

泥石流启动部位受局地暴雨影响，大量坡面侵蚀物质随地表径流在松散坡积体表面形成许多小型冲沟，坡面侵蚀物进入沟道后，首先形成容重较大的高含沙水流，在行进过程中强烈侵蚀沟岸和冲刷沟床，两侧的岸坡及滑坡启动，大量补充固体物质，继而继续侵蚀主沟沟岸和沟床，由于泥石流携带大量木头和石块，再加上两岸边坡失稳，在狭窄沟段发生堵塞，溃决后泥石流流量瞬间陡增，从而形成大规模的灾害性泥石流[8]。

4.2 泥石流发展趋势

泥石流发展趋势是地形地貌、土源(含地质条件)、水源、地震及干旱气候等多个因素综合影响的结果。

(1)近年来两条沟几乎年年暴发泥石流，且目前沟道内和沟口堆积特征，有明显的泥石流冲出的块石堆积。近期纳巴组泥石流仍然比较活跃，今后仍可能发生泥石流灾害。

(2)泥石流的发生和发展的能量汇集受地形地貌影响较大。区域地势险峻，1#纳巴组沟道平均坡降511‰，形成区、流通区沟床比降多在200‰以上，流域最大高差665m，山体平均坡度多在35°以上，坡面岩土风化强烈，表明流域的产流、汇流条件较好，依然满足泥石流的发生条件。

(3)纳巴组沟内共有固体物源方量可能参与泥石流活动的物源动储量大，其中崩塌(滑坡)物源方量约8.66×104m3，可参与泥石流动储量3.46×104m3；坡面侵蚀物源方量7.8×104m3，可参与泥石流动储量3.1×104m3；沟道堆积物源方量1.85×104m3，可参与泥石流动储量0.74×104m3。泥石流相当长时间还会发生。

(4)纳巴组水源补给主要为大气降水，区域多年平均降水量1236.7mm，24h最大降水量222.4mm，降水量随海拔增加而递增，在泥石流形成区，降水充沛。流域暴雨的雨强完全可以满足激发泥石流条件，尤其是高强度集中暴雨是泥石流的主要诱发因素[9]。

(5)据《中国地震动参数区划图》(GB18306-2015)，测区地震动峰值加速度0.10g，地震动加速度反应谱特征周期0.35s，对应的地震基本烈度Ⅶ度。区域构造稳定性较差。地震过后，泥石流沟将进入活动期，其规模和频率均得到增强，暴发所需的临界雨量条件降低。地震引发的泥石流规模通常超大，地震次生泥石流流量可达非地震条件下2.2倍至15倍，影响期长达20年之久，而活动最为频繁、规模最大多出现在震后5～6年内。地震作用是纳巴组流域两处泥石流沟将来产生泥石流和起动的重要外因之一，尤其是地震和暴雨同时发生时，发生泥石流概率将大大增加。

5 结 论

纳巴组泥石流沟具备泥石流形成的地形地貌、物源和降雨条件，根据泥石流易发程度判别，为中等易发；泥石流在未来较长一段时间内仍将十分活跃，再次发生大规模灾害性泥石流的可能性较大，特别是遭遇地震、极端气候等强大外力时，泥石流暴发的频率和规模都将大大增加。为此，应针对性的改善生态环境、采取工程措施来减少泥石流灾害带来的损失[10]，强区域性环境研究评价，建立完善监测预警系统，基础数据库的建设，将是泥石流地质灾害防治工作的长期任务。