河北太行山區(qū)木作溝泥石流形成條件及特征分析

付少杰，張志飛，李琛曦，張輝軍，胡現(xiàn)振，張曉凱

河北省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院，河北 石家莊 050011

0 引言

太行山區(qū)復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造、多樣的地層巖類為地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育提供了良好地質(zhì)條件［1］.該區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害分布廣、分散度高，給當?shù)卦斐闪司薮蟮呢敭a(chǎn)損失及社會影響［2］.木作溝位于河北省邯鄲市木作村，是南洺河左岸一級支溝，地處太行山區(qū)中山小區(qū).區(qū)內(nèi)地形陡峭，支溝發(fā)育，溝道呈深切的“V”型谷.溝谷平面形態(tài)呈樹葉狀，流域海拔822～1563 m，總面積6.87 km2，主溝道長約3.76 km.溝谷兩側(cè)斜坡坡度大，植被發(fā)育較好.溝道內(nèi)松散堆積物分布廣、數(shù)量大，為泥石流形成創(chuàng)造了有利條件.

木作溝泥石流曾多次爆發(fā)，溝內(nèi)已有的防治工程效果較差.2016年7月19日該泥石流再次發(fā)生，共損毀房屋3間、道路181 m、土地2.5 hm2，幸未造成人員傷亡.木作溝泥石流一旦發(fā)生，不僅威脅木作村居民的生命及財產(chǎn)安全，也可能破壞溝口交通干線，堵塞河道，同時還會影響下游車谷水庫的安全.因此，本文在研究木作溝泥石流形成條件和發(fā)育特征的基礎(chǔ)上，詳細計算其運動特征值并進行分析，進一步提出泥石流災(zāi)害防治建議，為太行山區(qū)同類泥石流災(zāi)害研究提供參考.

1 泥石流形成條件

1.1 地形地貌條件

木作溝泥石流發(fā)生地區(qū)位于邯鄲市西北部構(gòu)造侵蝕中山區(qū)，屬中山地貌.溝谷共有4條支溝組成，由北至南分別為北溝、北水溝（主溝）、南水溝和南溝（見圖1）.以分水嶺為界，呈北、東、南三面高，西部低的地形，流域中溝道縱橫交錯.各支溝兩岸坡面陡峭，山體坡度多在20～40°之間，局部大于55°，山高坡陡，溝道狹窄，有利于水和碎屑物質(zhì)的集中.木作溝北部發(fā)育一正斷層，斷裂帶附近薄層砂巖呈碎塊狀.受構(gòu)造影響，溝道兩側(cè)巖石破碎，分布有較厚的坡洪積碎石土，松散物質(zhì)豐富.不良的地質(zhì)環(huán)境及復(fù)雜的地貌構(gòu)造為泥石流發(fā)生創(chuàng)造了有利的地形條件.

圖1 木作溝泥石流區(qū)域Fig.1 The area of Muzuogou debris flow

1.2 氣象水文條件

木作溝流域?qū)儆诎敫珊导撅L(fēng)氣候，受季風(fēng)環(huán)流影響，具有四季分明的特征［3］.春秋少雨，夏季多雨.歷年降水量年際變化大，豐水年和枯水年呈周期性變化，一般7～11年為一個周期.據(jù)資料記載，日最大降水量462.9 mm/d，年最大降水量1510 mm/a，年最小降水量220 mm/a.降雨年內(nèi)分配不均，7、8、9三個月占全年降水量的70%以上，常形成暴雨，為泥石流災(zāi)害發(fā)生的主要因素［4-5］.24 h最大降雨量462.9 mm，1 h最大降雨量61 mm，10 min最大降雨量13.5 mm.據(jù)相關(guān)規(guī)范［6］，河北省西部山區(qū)可能發(fā)生泥石流的24 h、1 h、10 min降雨量界限值分別為60 mm、20 mm、10 mm（表1）.因此，木作溝在遭遇暴雨或大雨時，極有可能再次發(fā)生泥石流.

表1 可能發(fā)生泥石流的24小時、1小時、10分鐘降雨量界限值Table 1 Threshold values of rainfall in 24 h，1 h and 10 min for debris flow

區(qū)內(nèi)無常流河發(fā)育.由于地勢較高，溝壑縱橫，沖溝發(fā)育，排泄條件良好，僅在雨季有短暫的地表洪流，而且迅速下泄匯入南洺河.南洺河為季節(jié)性河流，屬子牙河水系，全長約93 km.

1.3 物源條件

木作溝泥石流溝松散物源分布在各支溝溝道及兩岸斜坡中下部，類型包括溝道物源和坡面物源兩部分.其形成原因為歷次泥石流或山洪形成的第四系沖洪積及坡洪積松散堆積物，堆積厚度不等，上部松散.當再次發(fā)生泥石流，由于溝道呈“V”型，匯水集中，沖擊力大，遇強降雨會強烈沖刷溝道，啟動松散物源形成泥石流.據(jù)實地調(diào)查，木作溝泥石流發(fā)育的松散固體物源總量為43.99×104m3（表2），一次泥石流過程可啟動物源量為13.39×104m3，其中溝道松散物總體積為15.94×104m3，坡面松散物總體積為28.76×104m3，單位面積松散物總體積為6.39×104m3/km2.

表2 木作溝松散固體物質(zhì)儲量統(tǒng)計表Table 2 Statistics of loose solid material reserves

2 泥石流發(fā)育特征

2.1 形成區(qū)

形成區(qū)分為清水區(qū)和物源區(qū)（圖2），包括各支溝和部分主溝，面積約6.5 km2.清水區(qū)范圍為各支溝兩側(cè)山體出露基巖處，高處以流域山脊為界，向下以人工修造梯田邊緣為界.各支溝均呈“V”型，溝道縱坡降比在183.5‰～261‰之間（表3），山體坡度多在20～40°之間，局部大于55°.山高坡陡，溝道狹窄，有利于水和碎屑物質(zhì)的集中.山體基巖出露，植被發(fā)育，以灌木和雜草為主，平均植被覆蓋率高達70%.形成區(qū)沖淤特征表現(xiàn)為以沖為主，具體表現(xiàn)在不同程度的坡面侵蝕、溝床松散物的沖刷運移及溝道兩岸的掏蝕、垮落等.由于形成區(qū)地形陡峻，徑流強烈，這些沖刷形成的松散物質(zhì)很快匯入溝床，進入流通區(qū)成為泥石流的物源.

表3 木作溝泥石流形成區(qū)各支溝發(fā)育特征Table 3 Development characteristics of each branch gully in Muzuogou debris flow formation area

圖2 泥石流形成區(qū)地形地貌Fig.2 Landform of debris flow formation zone

2.2 流通堆積區(qū)

木作溝泥石流無明顯堆積區(qū)，其流通堆積區(qū)位于主溝道中下游，溝道較順直，長度約1.38 km，面積約0.54 km2，流域相對高差87 m，平均縱坡降63.2‰.溝谷呈“U”型，寬度16～30 m，上游寬度較平均，在16～20 m之間，下游至堆積區(qū)連接處寬度逐漸增加.兩側(cè)山坡坡度16～32°，植被較發(fā)育，喬、灌木均有，覆蓋率約65%.溝底及溝道兩岸沖刷現(xiàn)象明顯.村莊位于該區(qū)中段，因為流通區(qū)沖淤并存的現(xiàn)象，且發(fā)生泥石流時該段流速較大，在彎道處淤積并沖毀民房，這也正是2016年7月19日泥石流損毀房屋的原因.

3 泥石流運動特征

3.1 泥石流流速

1）流速計算

泥石流流速可以反映其規(guī)模和強度［7］.流速計算一般采用經(jīng)驗公式［8］，本文按北京市政設(shè)計院推薦的北京地區(qū)經(jīng)驗公式進行計算：

式中：VC為泥石流流速（m/s）；mw為河床外阻力系數(shù)，可通過查表獲??；RC為水力半徑（m），一般可用平均水深代替；I為泥石流水力坡度（‰），一般可用溝床縱坡代替；γh為泥石流中固體中物質(zhì)密度（t/m3），取2.547；φ為泥石流泥沙修正系數(shù)，通過查表獲取.根據(jù)式（1）（2），于4條支溝中各選取一個典型斷面，其特征參數(shù)及流速見表4.

表4 不同斷面特征參數(shù)及流速Table 4 Characteristic parameters and flow velocity for different sections

2）泥石流中石塊運動速度計算

在缺乏大量實驗數(shù)據(jù)和實測數(shù)據(jù)的情況下，以堆積后的泥石流沖出物最大粒徑大體推求石塊運動速度的經(jīng)驗公式［9］：

式中：VS為泥石流中大石塊的移動速度（m/s）；dmax為泥石流堆積物中最大石塊的粒徑（m），根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查確定不同部位最大塊石粒徑；α為全面考慮的摩擦系數(shù)（泥石流容重、石塊密度、石塊形狀系數(shù)、溝床比降等因素）.3.5≤α≤4.5，平均α＝4.0.

泥石流中大塊石的運動速度計算結(jié)果見表5.

表5 不同位置大塊石流速計算表Table 5 Flow velocity calculation for big rocks at different sections

3.2 泥石流流量

采用雨洪法計算木作溝泥石流流量.假設(shè)泥石流與暴雨同頻率且同步發(fā)生，先按水文方法計算出斷面不同頻率下的小流域暴雨洪峰流量（計算方法查閱水文手冊），然后選用堵塞系數(shù)，按下式計算泥石流流量［10-13］：

式中：QC為頻率為P的泥石流洪峰值流量（m3/s）；QP為頻率為P的暴雨洪水設(shè)計流量（m3/s）；φ為泥石流泥沙修正系數(shù)；DC為泥石流堵塞系數(shù)，取值1.5.

根據(jù)上述公式，求得木作溝泥石流典型斷面處泥石流流量（見表6）.

表6 木作溝典型斷面峰值流量計算結(jié)果表Table 6 Peak flow calculation results for typical sections of Muzuogou debris flow

3.3 一次泥石流過流總量

一次泥石流總量（Q）可通過計算法和實測法確定.實測精度高，但往往因不具備測量條件，只是一個粗略的概算.計算法根據(jù)泥石流歷時（T）和最大流量（QC），按泥石流暴漲暴落的特點，將其過程概化成五角形，按下式計算［14-15］：

式中：K為系數(shù)，與流域匯水面積相關(guān)，本次研究取值0.113；T為泥石流持續(xù)時間，按30 min計；QC最大流量，按照20年一遇北水溝斷面泥石流洪峰流量計.

計算得一次泥石流過流總量約為1 379.05 m3.

3.4 一次泥石流固體沖出物

一次泥石流沖出的固體物質(zhì)總量（QH），按公式（6）計算.

式中：γC為泥石流的密度（t/m3），取1.60；γW為清水的密度（t/m3）；γh為泥石流中固體中物質(zhì)的密度（t/m3），取2.547.經(jīng)計算，一次泥石流沖出的固體物質(zhì)總量約為565.17 m3.

3.5 泥石流整體沖擊力

泥石流整體沖擊力是防治工程設(shè)計及施工的必要參數(shù)［16］，計算采用鐵二院（成昆、東川兩線）公式：

式中：δ為泥石流整體沖擊壓力（Pa）；g為重力加速度，取g＝9.8 m/s2；α為建筑物受力面與泥石流沖壓力方向的夾角（°）；λ為建筑物形狀系數(shù)，圓形建筑物λ＝1.0，矩形建筑物λ＝1.33，方形建筑物λ＝1.47.計算結(jié)果見表7.

表7 木作溝泥石流整體沖擊力計算表Table 7 Overall impact force calculation results for different sections

3.6 泥石流爬高和最大沖擊高度

泥石流在受到陡壁阻擋時，會產(chǎn)生沖起，其沖起最大高度（ΔH）計算公式如下：

泥石流在爬高過程中由于受到河床阻力的影響，其爬坡高度（ΔH′）計算公式如下：

通過計算，各支溝典型斷面處泥石流最大沖起高度及爬高見表8.最大沖起高度為0.39 m，最大爬坡高度為0.63 m.

表8 木作溝泥石流各斷面最大沖起高度及爬高計算表Table 8 Maximum lifting heights and climbing heights for different sections of Muzuogou debris flow

4 泥石流發(fā)展趨勢及危險范圍

4.1 泥石流活動和發(fā)展趨勢預(yù)測

1）泥石流易發(fā)性評價

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，結(jié)合室內(nèi)分析試驗結(jié)果，按照《泥石流災(zāi)害防治工程勘查規(guī)范》中“泥石流溝易發(fā)程度數(shù)量化綜合評判等級標準表”進行評分.該溝泥石流評分為93分，易發(fā)程度為易發(fā).目前，木作溝泥石流形成區(qū)內(nèi)堆積大量松散物質(zhì)，物源豐富，地形條件利于匯水.根據(jù)泥石流的易發(fā)程度評價結(jié)果，在此期間如果遇強降雨還有發(fā)生泥石流的可能.

2）發(fā)展趨勢分析

木作溝匯水范圍較大，發(fā)育有4條支溝，溝道兩側(cè)山體坡度較陡，溝谷剖面多呈“V”型，松散堆積物集中分布在溝道底部及兩側(cè)岸坡中下部，是造成泥石流發(fā)生的主要原因.現(xiàn)狀溝道在局部地段溝道變幅明顯，逐年增加，持續(xù)淤積可能會造成堵塞，溝道堵塞后大量淤積物匯集此處，遇強降雨或持續(xù)降雨沖刷坡面以及坡腳，可能會將溝床刨蝕，裹挾大量堆積物形成泥石流.結(jié)合《泥石流災(zāi)害防治工程勘查規(guī)范》中“泥石流發(fā)展階段的識別表”，綜合分析認為，該泥石流的發(fā)展階段為壯年期并逐步向衰退期過渡.該溝溝道、物源及水源發(fā)展趨勢均具備在暴雨或持續(xù)降雨條件下發(fā)生泥石流的可能性.

4.2 最大危險范圍計算

泥石流危險性及危險范圍研究是其防治工作的重點之一［17-19］，計算得到的泥石流最大危險范圍可為泥石流防治工程措施、高效避讓提供科學(xué)依據(jù).本文采用經(jīng)驗公式計算泥石流最大危險范圍［6，20-21］：

式中：S為泥石流最大危險范圍；L為泥石流堆積長度；R為泥石流堆積扇幅角；A為泥石流溝域面積；D為泥石流主溝長度；W為泥石流物源總量；H為流域相對高差.計算結(jié)果見表9.

表9 泥石流最大危險范圍計算Table 9 Maximum dangerous range calculation results of debris flow

計算得出木作溝泥石流最大危險范圍約0.37 km2，在暴雨條件下一旦發(fā)生泥石流，會對溝內(nèi)居民構(gòu)成威脅，造成其財產(chǎn)損失.

5 結(jié)論及防治建議

通過對木作溝實地勘查，分析了泥石流形成的地形條件、氣象水文條件及物源條件，研究了該溝泥石流形成區(qū)及流通堆積區(qū)發(fā)育特征.采用經(jīng)驗公式計算出泥石流運動特征參數(shù)，計算得到泥石流最大危險范圍，可作為泥石流防治工程設(shè)計的基礎(chǔ)參考，進一步分析泥石流活動及發(fā)展趨勢.研究結(jié)果對保護溝內(nèi)居民生命財產(chǎn)安全具有現(xiàn)實意義，也可為當?shù)仡愃颇嗍鳛?zāi)害研究提供借鑒.研究得出的主要結(jié)論有：

1）木作溝流域?qū)儆谔猩絽^(qū)中山構(gòu)造侵蝕地貌，具有利于泥石流形成的地形條件、氣象水文條件及物源條件.暴雨及持續(xù)降雨是泥石流發(fā)生的主要因素.

2）木作溝屬于溝谷型稀性泥石流.計算了典型斷面處最大流速、洪峰流量、整體沖擊力等，計算結(jié)果在反映出泥石流規(guī)模及性質(zhì)的同時，還可為該泥石流溝科學(xué)治理提供依據(jù).

3）基于該溝形成條件、發(fā)育特征及運動特征的分析，依據(jù)規(guī)范評判泥石流易發(fā)程度為易發(fā)，發(fā)展階段為壯年期，并逐步向衰退期過渡.

4）木作溝依舊具備發(fā)生泥石流的條件，該溝最大危險范圍計算結(jié)果顯示，泥石流仍嚴重威脅木作村居民生命財產(chǎn)安全.建議在形成區(qū)4條支溝內(nèi)分別設(shè)置谷坊壩，攔截固體物質(zhì)；在流通區(qū)上、中游修建排導(dǎo)渠，增強排導(dǎo)能力.