祁連縣牛心山北坡刺疙瘩泥石流發(fā)育特征及危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)

曾磊，韓國(guó)平

祁連縣牛心山北坡刺疙瘩泥石流發(fā)育特征及危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)

曾磊，韓國(guó)平

（四川省冶金地質(zhì)勘查局六0五大隊(duì)，四川 彭山 620860）

祁連縣牛心山北坡刺疙瘩泥石流，嚴(yán)重威脅溝口附近人民生命財(cái)產(chǎn)安全。通過(guò)詳細(xì)勘查，綜合分析泥石流的形成條件、發(fā)育特征及形成機(jī)制；評(píng)價(jià)動(dòng)力學(xué)特征；運(yùn)用單溝泥石流危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)中灰色關(guān)聯(lián)法，將泥石流規(guī)模、頻率、流域面積、主溝長(zhǎng)度、流域相對(duì)高差、流域切割密度和不穩(wěn)定溝床比作為評(píng)價(jià)因子，對(duì)泥石流危險(xiǎn)性進(jìn)行評(píng)價(jià)。結(jié)果表明：刺疙瘩泥石流泥石流容重1.76t/m3，為粘性泥石流；泥石流流速：3.03m/s；泥石流危險(xiǎn)度0.47，屬于中度危險(xiǎn)。

泥石流；發(fā)育特征；灰色關(guān)聯(lián)法；危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)；祁連

泥石流災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)是泥石流災(zāi)害評(píng)價(jià)、監(jiān)測(cè)預(yù)警和防災(zāi)減災(zāi)的重要內(nèi)容和決策依據(jù)。已成為國(guó)內(nèi)外泥石流研究熱點(diǎn)（寧娜等，2014）。

祁連縣位于黃土高原與青藏高原間過(guò)渡帶，地質(zhì)環(huán)境條件復(fù)雜，經(jīng)常發(fā)生塌方，滑坡，泥石流等地質(zhì)災(zāi)害。近年由于降雨頻繁，不穩(wěn)定黃土質(zhì)斜（邊）坡發(fā)育，黃土濕陷加劇，導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)，誘發(fā)溝坡塌岸、小規(guī)?；?、泥石流發(fā)生，加大該區(qū)水土流失。祁連縣牛心山北坡泥石流流域早期泥石流堆積扇發(fā)育深切沖溝，沖溝側(cè)壁多期泥石流堆積特征。溝道堆積了大量松散物源，直接威脅流域內(nèi)牧場(chǎng)、溝口居民的安全和鄉(xiāng)村公路安全。在強(qiáng)降雨作用下，可能再次發(fā)生泥石流災(zāi)害（溫清茂和鐘東，2019）。分析泥石流發(fā)育特征，評(píng)價(jià)其風(fēng)險(xiǎn)性，對(duì)該地區(qū)泥石流的預(yù)警、預(yù)報(bào)和防治具有重要意義。

圖1 研究區(qū)地質(zhì)簡(jiǎn)圖與泥石流活動(dòng)分區(qū)圖

1 泥石流形成條件分析

1.1 基本地質(zhì)條件

研究區(qū)位于青藏高原東北部祁連山脈南側(cè)牛心山北坡，泥石流上游到下游依次跨越侵蝕構(gòu)造高山地貌、侵蝕構(gòu)造中山地貌、河谷沖積平原地貌三種類型。出露中寒武統(tǒng)（∈2）花崗巖、閃長(zhǎng)巖、英安巖以及第四系（Q）砂礫石層、沖洪積、滑坡堆積及泥石流堆積物等（圖1）。牛心山上部巖體較破碎，完整性較差，有利于形成松散固體源條件。

1.2 地形及溝道條件

流域面積2.48km2，主溝長(zhǎng)4.31km，主溝平均坡率178.25‰，流域最高點(diǎn)4585m，最低點(diǎn)2790m，相對(duì)高差1795m，溝谷整體狹長(zhǎng)。沖溝中上游為U型谷，中下游為V型谷。兩側(cè)岸坡坡度30°～70°，溝道一般為牛心山冰雪融水，山勢(shì)陡峻，匯水及水源條件較好。河谷高差大，為溝道徑流、泥石流發(fā)生提供了地形條件（王家柱等，2015）。

圖2 祁連縣氣象站1960—2017年降水量曲線圖

1.3 水源條件

根據(jù)祁連縣氣象臺(tái)1960—2017年降雨特征統(tǒng)計(jì)，年內(nèi)降水分布極不均勻。降水量主要集中在6—9月，占全年降水量89.7%，降水量年際變化較大，年降水量最大573.1mm（1998年），最小年降水量63.2mm（1984年）。差異9.1倍（圖2）。根據(jù)1960—2017年最大日降水量資料，最大日降水量40.5mm，1小時(shí)最大降水量21.9mm。區(qū)內(nèi)無(wú)暴雨，大、中雨多發(fā)，24小時(shí)降水量大于50mm。25mm以上暴雨發(fā)生24次，20mm以上暴雨41次。暴雨發(fā)生與泥石流發(fā)生基本一致。

表1 流域內(nèi)主要物源特征

本區(qū)50年內(nèi)每年出現(xiàn)一次大雨天氣幾率35.19%。區(qū)內(nèi)雨量集中，雨強(qiáng)可以滿足激發(fā)泥石流條件，暴雨是泥石流主要引發(fā)因素。

1.4 物源條件

野外調(diào)查，刺疙瘩滑坡（泥石流）盆地為泥石流暴發(fā)提供滑坡物源、溝道堆積物源和岸坡侵蝕物源三種類型。各產(chǎn)地統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1。

1.5 泥石流成因機(jī)制分析

該流域近幾十年未暴發(fā)過(guò)大的泥石流，中上游區(qū)溝道泥石流物源形成區(qū)卡口以上區(qū)域，每年凍融季和雨季交替發(fā)生不同規(guī)模泥石流。由于水動(dòng)力條件不足，溝床地形變窄，流水沖刷溝道內(nèi)的松散堆積物，造成部分河道堵塞，發(fā)生短期淤積和小規(guī)模潰壩，產(chǎn)生再放大效應(yīng)，泥石流流速和流量加大。由于形成區(qū)地形坡陡，物源豐富，暴雨作用下，可形成泥石流。將流通區(qū)溝道松散堆積物轉(zhuǎn)化為泥石流。涌向下游堆積區(qū)。因此，該泥石流為雨（雪）融引發(fā)溝道粘性潰決性泥石流（熊沖沖等，2021）。

圖3 流域物源特征

2 泥石流特征值

2.1 泥石流容重

采用現(xiàn)場(chǎng)配漿試驗(yàn)，按下式計(jì)算出泥石流容重：

表2 泥石流容重計(jì)算

c為泥石流容重（t/m3）；P1為桶與泥石流體總重（g）；P2為空桶重量（g）；V為桶內(nèi)所盛泥石流體體積（cm3）。

參照相關(guān)泥石流分類規(guī)范，按公式計(jì)算的泥石流堆積密度1.76t/m3，屬粘性泥石流（劉洪濤等，2018）。

2.2 泥石流流速

粘性泥石流流速計(jì)算公式主要有三種：改進(jìn)的泥石流流速公式、武都地區(qū)粘性泥石流流速計(jì)算公式和通用公式。本報(bào)告選用通用公式：

VC=1/nc·HC2/3·IC1/2

式中：VC為泥石流斷面平均流速（m/s）；HC為計(jì)算斷面的平均泥深（m）；IC為泥石流水力坡度（‰）；nc為泥石流溝床糙率。

從表3可見(jiàn)，泥石流的流速為3.03m/s。

表3 泥石流流速計(jì)算

2.3 泥石流流量

按雨洪法計(jì)算，依據(jù)公式如下：

QC=[1+（γc-1）/（γH-γc）]K a i Φ F·DC

式中：QC為泥石流流量（m3/s）；DC為泥石流堵塞系數(shù)。γc為泥石流容重；γH為泥沙顆粒容重。K為單位換算系數(shù)；a為洪峰徑流系數(shù)。i為造峰時(shí)段內(nèi)平均雨強(qiáng)；Φ為最大共時(shí)徑流面積系數(shù)，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。

表 4 不同頻率下泥石流流量特征

表5 泥石流流量計(jì)算

2.4 一次泥石流總量及固體物質(zhì)沖出量

根據(jù)實(shí)測(cè)泥石流和泥位線，計(jì)算一次泥石流總量和沖刷固體物量，按下式計(jì)算：

Q=K·T·Qc

QH=Q（γc－γw）/（γH－γw）

表6 泥石流危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)相關(guān)指標(biāo)及數(shù)據(jù)

K值隨流域面積（F）的大小而變化。

T為泥石流持續(xù)時(shí)間（s）；Qc為最大流量（m3/s）；γH為泥石流固體物質(zhì)的比重（t/m3）；堆積密度（c）；γw為水體積密度（t/m3）。

3 泥石流危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)

采用灰色關(guān)聯(lián)度法對(duì)泥石流危險(xiǎn)性進(jìn)行評(píng)估（白云等，2019；朱東東，2018；常文娟等，2018；周偉等，2012；范榮全等，2018；孫哲，2017；劉希林和唐川，1995）。

3.1 泥石流危險(xiǎn)度指標(biāo)及取值

本文在參考前人研究成果的基礎(chǔ)上，選取泥石流規(guī)模m/（104m3）、泥石流發(fā)生頻率f/100年、流域面積等評(píng)價(jià)指標(biāo)：S1/km2，主溝長(zhǎng)：S2/km，流域相對(duì)高差：S3/km，流域切割密度：S4/km-1，不穩(wěn)定溝床比：S5。表6為該泥石流評(píng)價(jià)因子詳細(xì)數(shù)據(jù)。

劉希林等提出了單溝泥石流風(fēng)險(xiǎn)的計(jì)算方法[12]：

H單＝0.29M＋0.29F＋0.14S1＋0.09S2＋0.06S3＋0.11S4＋0.03S5（1）

式（1）的M、F、S1、S2、S3、S4、S5的相應(yīng)因子在依據(jù)表7進(jìn)行轉(zhuǎn)換后的數(shù)值。

3.2 泥石流危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)結(jié)果

表7 單溝泥石流危險(xiǎn)度評(píng)價(jià)因子轉(zhuǎn)換函數(shù)

表8 危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)因子轉(zhuǎn)化結(jié)果

將表8泥石流評(píng)價(jià)因子轉(zhuǎn)化結(jié)果，代入式（1）：

H單＝0.29×0.22＋0.29×0.70＋0.14×0.35＋0.09×0.66＋0.06×1＋0.11×0.11＋0.03×0.75=0.47

計(jì)算得危險(xiǎn)度為0.47，按泥石流危險(xiǎn)性分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)（表9）可知，該泥石流為中度危險(xiǎn)。

表9 泥石流危險(xiǎn)性分級(jí)

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)刺疙瘩泥石流的野外現(xiàn)場(chǎng)勘查、室內(nèi)綜合研究，得到如下結(jié)論與認(rèn)識(shí)：

1）流域固體物源主要有滑坡源、溝道堆積源和溝道岸坡侵蝕物源。總儲(chǔ)量84.22×104m3。其中，不穩(wěn)定源23.42×104m3，動(dòng)儲(chǔ)量占27.81%。

2）刺狀泥石流具有阻塞性，重度1.76t/m3，流速3.03m/s。

3）泥石流危險(xiǎn)性0.47，屬中等風(fēng)險(xiǎn)。

4）采用灰色關(guān)聯(lián)分析法，數(shù)據(jù)獲取簡(jiǎn)單。風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果存在爭(zhēng)議?？梢圆捎枚喾N方法進(jìn)行比較，進(jìn)一步優(yōu)化。

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Development Characteristics and Risk Assessment of the Cigeda Debris Flow in the Northern Slope of the Niuxin Mountain in Qilian

ZENG Lei HAN Guo-ping

(The 605th Geological Party, Sichuan Bureau of Metallurgical Geological Exploration, Pengshan, Sichuan 620860)

The Cigeda debris flow in the northern slope of the Niuxin Mountain in Qilianis a serious threat to the lives and property of people near the mizoguchi. This paper has a discussion on forming conditions, developmental characteristics, genetic mechanism, dynamic characteristics of this debris flow and makesthe assessment for hazard degree of the debris flow by means of grey correlation method for hazard assessment of debris flow in single gully and assessment factors such as debris flow scale, frequency, gully area, main gully length, relative elevation difference and cutting density of the watershed and unstable trench to bed ratio. The results yield density of debris flow of 1.76t/m3, debris flow velocity of 3.03m/s and danger degree of the debris flow of 0.47. The Cigeda debris flow is aviscous debris flow of medium danger degree.

debris flow; developmental characteristic; risk assessment; grey correlation method; Qilian

2020-07-21

曾磊（1988— ）男，四川資陽(yáng)人，碩士研究生，工程師，主要從事工程地質(zhì)、巖土工程與地質(zhì)災(zāi)害等方面工作

P643.23

A

1006-0995（2021）02-0273-04

10.3969/j.issn.1006-0995.2021.02.018