龐偉軍，常 剛，茍海瑞，張乾翼

(中鐵西北科學(xué)研究院有限公司，甘肅 蘭州 730000)

0 前言

泥石流形成過程復(fù)雜、暴發(fā)突然、來勢兇猛、歷時短暫、破壞力強(qiáng)。我國每年直接成災(zāi)的泥石流至少數(shù)十處[1]，嚴(yán)重影響著山區(qū)居民的生命財產(chǎn)安全、資源開發(fā)和可持續(xù)發(fā)展。2015年7月4日，因突降暴雨，甘肅省肅南縣長達(dá)坂溝繼2011年7月泥石流[2]后再次發(fā)生泥石流災(zāi)害，造成山口區(qū)域18戶居民房屋毀壞，約100人無家可歸，職教中心、博物館等重大建筑場地被沖擊、淤埋，213省道交通中斷，電力、通訊線路等嚴(yán)重受損。泥石流的發(fā)生一度導(dǎo)致肅南旅游業(yè)停運(yùn)、學(xué)校停學(xué)、建筑損壞、災(zāi)民安置、用水、用電困難等，給肅南地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展造成了很大的損失。

調(diào)查統(tǒng)計，長達(dá)坂溝泥石流堆積區(qū)域內(nèi)常住人口1 900人，公共固定財產(chǎn)21 910萬元，泥石流的孕育產(chǎn)生勢必對其形成巨大的安全隱患。為充分保障長達(dá)坂溝及類似溝道泥石流影響區(qū)內(nèi)的居民和財產(chǎn)安全，文章以長達(dá)坂溝“7·4”泥石流災(zāi)害發(fā)生前后的地質(zhì)調(diào)查成果為基礎(chǔ)，分析探討類似溝道泥石流的發(fā)育特征和成災(zāi)機(jī)制，并提出針對性工程防治措施，以對類似溝道泥石流成災(zāi)模式的正確認(rèn)識和防治措施提供依據(jù)和參考。

1 長達(dá)坂溝基本特征

1.1 工程地質(zhì)條件概況

長達(dá)坂溝呈“V”字型發(fā)育于肅南縣城隆暢河左岸沖洪積臺地中，以下切侵蝕作用而形成(圖1)。上游溝道較淺，岸坡多穩(wěn)定，坡頂為傾向溝道的凹洼臺地，地形較平緩。中下游臺地地貌已消失，下切深度大，多超過50 m，溝道狹窄，谷坡陡峭，坡度多30°以上，部分岸壁呈近直立狀。流域內(nèi)以上游臺地面為最高海拔，約2 650 m，最低處為溝口堆積扇邊緣，海拔2 320 m，相對高差330 m左右。

圖1 長達(dá)坂溝地形及泥石流分區(qū)圖Fig.1 Map showing the topographyof the Changdaban Gully and debris flow partition

流域內(nèi)地層以白堊系上統(tǒng)(K1)砂泥巖和第四系中更新統(tǒng)(Q2)沖洪積卵礫石層為主。前者下伏于后者底部，紫紅色，出露于中下游溝道及下游侵蝕坡面，風(fēng)化強(qiáng)烈，巖體破碎，下游坡面多呈粉土、黏土狀，雨水極易軟化流失。后者分布于中下游侵蝕山梁頂部及上游岸坡，半泥質(zhì)膠結(jié)，卵礫石分選性較差，層內(nèi)中下游膠結(jié)黏粒含量高，但風(fēng)化嚴(yán)重，膠結(jié)程度較差，穩(wěn)定性較低，上游黏粒含量低，膠結(jié)程度較好，穩(wěn)定性較高。

1.2 溝道特征

長達(dá)坂溝流域面積1.25 km2，主溝道總長2.9 km，受區(qū)域地質(zhì)環(huán)境作用，在匯水下切侵蝕中形成了獨(dú)特的“緩-陡-緩”縱坡特征(表1)。溝口內(nèi)中下游段縱坡降為上游、溝口外平均坡降的2倍，且區(qū)間坡降變化大，最大達(dá)459.05‰?？v觀整體溝道，中下游段為目前長達(dá)坂溝匯水主要下切變化區(qū)間，坡降大，洪水流速快，下切沖蝕力強(qiáng)，溝道穩(wěn)定性差。

表1 長達(dá)坂溝溝道分段特征

1.3 物源分布及流域分區(qū)

長達(dá)坂溝泥石流物源主要集中于中下游溝道，類型以滑坡、崩塌和坡面風(fēng)化侵蝕為主?；轮饕l(fā)育在全-強(qiáng)風(fēng)化砂泥巖中，共6處，滑動方向垂直溝道，剪出口位于溝底；崩塌體1處，發(fā)育于卵礫石層，規(guī)模受卵礫石層底部白堊系泥巖變形的控制。坡面侵蝕物在溝道內(nèi)大量分布，物體以泥巖風(fēng)化殘積物和卵礫石層膠結(jié)物軟化后的卵礫石為主。

根據(jù)物源分布、流域形態(tài)和前人成果[2]，長達(dá)坂溝可分為清水匯集區(qū)、形成流通區(qū)和堆積區(qū)三部分(圖1)。清水區(qū)占總面積的69.69%，由溝道中上游頂部凹洼臺地及上游淺溝道組成；形成流通區(qū)占總面積的20.14%，為泥石流物源分布溝道及坡面；堆積區(qū)位于溝口地形開闊地帶，扇形堆積地貌明顯。

2 “7·4”泥石流成災(zāi)過程

2.1 泥石流堆積物質(zhì)組成及堆積過程

以213省道為界，“7·4”泥石流體現(xiàn)出了兩種堆積形態(tài)(圖2)。省道至溝口區(qū)域為泥、石堆積區(qū)，具明顯扇形堆積龍頭和疊瓦式堆積形態(tài)，堆積厚度較大，物質(zhì)多以卵礫石為主；省道下游至隆暢河以泥流堆積為主，以上游泥石流堆積龍頭為源頭在地形的控制下向周圍擴(kuò)散漫流，厚度從省道處側(cè)向下游逐漸減小。省道外側(cè)排導(dǎo)渠為卵礫石、泥流混合堆積，在渠端頭發(fā)育一小型卵礫石堆積扇。

圖2 泥石流堆積體顆粒組成分析Fig.2 Grain size analysis of the debris-flow deposits

從堆積形態(tài)反映出，“7·4”泥石流的發(fā)展體現(xiàn)出了三個過程：a.起初階段，泥石流固體含量少，稠度低，流速大，流體完全從排導(dǎo)渠排泄，在渠末端部形成扇形堆積體；b.固體含量迅速增多，稠度逐漸變大，流量上升，流速降低，省道處排導(dǎo)渠堵塞，溝口形成扇形漫流堆積，并形成第一道陣流龍頭，龍頭處固體物質(zhì)流速降低，固液分離[3]，液體以泥流的形式隨地形向四周流動擴(kuò)散；c.以陣流形態(tài)繼續(xù)發(fā)展，省道上游形成疊瓦式堆積形態(tài)，省道外以液相為主的泥流被分離向外流動。

2.2 物源轉(zhuǎn)化過程

崔鵬等[4-5]將具有類似于泥石流體組成和結(jié)構(gòu)特征的松散堆積物稱為準(zhǔn)泥石流體。在此提出潛在泥石流體概念，即將具有相應(yīng)穩(wěn)定度但經(jīng)一定的作用變形后可轉(zhuǎn)化為準(zhǔn)泥石流體的固體物質(zhì)作為潛在泥石流體。長達(dá)坂溝泥石流固體含量多以粒徑>2 mm為主，其次為粉黏粒，中間砂粒較少。這種物質(zhì)組成在地層巖性起決定性作用的基礎(chǔ)上，與潛在泥石流體至準(zhǔn)泥石流體再至泥石流體的轉(zhuǎn)化形式有很大關(guān)系。

2.2.1滑坡

根據(jù)泥石流前后調(diào)查對比，滑坡物質(zhì)的轉(zhuǎn)化受滑坡性質(zhì)的約束，轉(zhuǎn)化速度具波浪緩急特征，表現(xiàn)為：(1)滑動后自穩(wěn)的滑坡：滑體由強(qiáng)風(fēng)化破碎巖體組成，當(dāng)表層巖塊被潤滑軟化且洪流沖擊力大于巖塊間咬合力時脫離母體轉(zhuǎn)化為泥石流，作用至一定程度后前緣滑體將產(chǎn)生坍塌溜滑，并迅速轉(zhuǎn)化為泥石流體，形成物源轉(zhuǎn)化的一個高峰期，直至下一個掏蝕變形的開始。該轉(zhuǎn)化過程中，潛在泥石流體至準(zhǔn)泥石流體轉(zhuǎn)化緩慢，準(zhǔn)泥石流體至泥石流體轉(zhuǎn)化速度快，但轉(zhuǎn)化物源量較少，不會影響到滑坡的整體穩(wěn)定。災(zāi)后堆積體中大粒徑白堊系泥質(zhì)砂巖塊體及漂石均為此種轉(zhuǎn)化方式形成。(2)已破壞的滑坡松散堆積體：以土壩的形式堆積在溝道，洪流中起到了短暫的攔截作用，當(dāng)土體逐漸滲水，強(qiáng)度降低不能承受上游水壓、滲透壓力或積水翻壩時迅速潰決，形成泥石流一次陣流高峰，此后滑坡中厚緣松散體緊接著滑動再次形成土壩，這種轉(zhuǎn)化過程中，潛在泥石流體、準(zhǔn)泥石流體和泥石流體的轉(zhuǎn)化速度均較快，且物源量大。長達(dá)坂溝該種滑坡數(shù)量較多，泥石流陣流具多處堆積土壩潰決的疊加作用。

2.2.2崩塌

以中更新統(tǒng)黏粒含量高、膠結(jié)程度差的卵礫石層為基礎(chǔ)，分為崩塌堆積體和潛在崩塌體。前者作為準(zhǔn)泥石流體在溝道內(nèi)多和滑坡破壞堆積體具相同的物質(zhì)轉(zhuǎn)化形式。后者為潛在泥石流體，向準(zhǔn)泥石流體的轉(zhuǎn)化一定程度上受崩塌堆積體的制約，并形成間斷式的變形破壞過程，當(dāng)一次崩塌堆積體全部被沖蝕后，卵礫石層底部被快速軟化掏蝕，卵礫石層因卸荷和臨空作用出現(xiàn)第二次的崩塌破壞直至再次穩(wěn)定。

2.2.3坡面侵蝕

長達(dá)坂溝坡面侵蝕對泥石流物源的貢獻(xiàn)體現(xiàn)為小雨蓄量、暴雨釋量的循環(huán)過程。砂泥巖坡面在小雨作用下，滲水軟化，風(fēng)化速度加快，坡面殘積準(zhǔn)泥石流體厚度逐漸增加，暴雨作用下，殘積體快速飽水，強(qiáng)度降低，以坍塌溜滑的形式直接融入溝道洪流形成泥石流體。卵礫石層坡面膠結(jié)物長期軟化流失，導(dǎo)致卵礫石脫離坡面滾落堆積于溝道，形成準(zhǔn)泥石流體，暴雨時溝道松散卵礫石直接轉(zhuǎn)化形成泥石流體。坡面侵蝕物源轉(zhuǎn)化周期通常較長，一次暴雨泥石流后，物源的再次蓄量補(bǔ)充過程緩慢?！?·4”泥石流中，坡面浸蝕物源轉(zhuǎn)化量大，災(zāi)后谷坡及溝道均出露強(qiáng)-中風(fēng)化砂泥巖，災(zāi)前坡面松散殘積體和溝道堆積體全部轉(zhuǎn)化流失。

2.3 泥石流徑流特征

泥石流徑流是由液體和固體共同流動形成的一個復(fù)雜過程。宏觀上，因固體顆粒的含量不同，表現(xiàn)出塑性蠕動流、粘性陣流、陣型連續(xù)流和稀性連續(xù)流等不同運(yùn)動形態(tài)；微觀上，泥石流屬于固液兩相流[6]，是固液兩項間相互作用力不斷發(fā)生變化的流體。長達(dá)坂溝泥石流徑流形態(tài)嚴(yán)格受溝谷比降、溝道特征、物源數(shù)量級補(bǔ)給形式的影響和控制。根據(jù)堆積特征，其在徑流過程中具明顯的黏性陣流和洪水-泥石流相間的特征。

采集現(xiàn)場堆積體進(jìn)行模擬反演，長達(dá)坂溝“7·4”泥石流最大流體容重為1.6～1.7 t/m3。在不考慮溝床糙率影響的情況下，根據(jù)余斌[7]黏性泥石流平均運(yùn)動速度公式(式1)和流體運(yùn)動緩急程度判斷參數(shù)Fr(福勞德數(shù)，式2) 計算長達(dá)坂溝“7·4”泥石流徑流特征值(表2)。

(1)

式中：U——黏性泥石流運(yùn)動平均速度/(m·s-1)；

g——重力加速度/(m·s-2)；

R——黏性泥石流運(yùn)動水力半徑/m；

S——黏性泥石流運(yùn)動縱比降；

D50——泥沙顆粒中百分比小于50%的顆粒粒徑；

D10——泥沙顆粒中百分比小于10%的顆粒粒徑。

(2)

式中：Fr——流體福勞德數(shù)；

V——流體運(yùn)動速度/(m·s-1)；

H——為流體水深/m。

Fr>1，流體為急流；Fr<1，流體為緩流；Fr=1，為臨界狀態(tài)。

表2 長達(dá)坂溝“7·4”泥石流徑流特征值

可看出，同一陣流，在不同溝道位置受縱坡比和過流斷面形態(tài)的作用其流速值是不相等的，流動緩急程度也不盡相同。長達(dá)坂溝“7·4”泥石流在溝道中下游流速最大，為4.09 m/s，出溝口后流速略降低，但Fr值仍大于1，呈急流狀態(tài)，下穿213省道后，流速急劇減小，為溝內(nèi)流速值的一半，F(xiàn)r值小于1，呈緩流狀態(tài)(計算中，縱坡比、過流斷面值為現(xiàn)場實測值，粒徑值見圖2)。

2.4 泥石流成災(zāi)機(jī)理

泥石流是各種自然和人為因素共同作用的結(jié)果，通常自然因素為不可控作用，人為因素在可控基礎(chǔ)上決定了成災(zāi)的主要特征。長達(dá)坂溝“7·4”泥石流的成災(zāi)模式很大程度上受到了人為排導(dǎo)工程的控制，溝口外人工排導(dǎo)渠在下穿213省道時呈倒“八”字型布設(shè)，溝渠變窄，坡降變小，造成泥石流下穿213省道時直接呈疊瓦式淤積，完全堵塞排導(dǎo)渠，最終形成了以213國道為界，上游淤積掩埋、下游翻壩沖擊的特有成災(zāi)破壞模式。

采用表2數(shù)據(jù)，根據(jù)《泥石流災(zāi)害防治工程勘查規(guī)范》(DZ/T 0220—2006)中泥石流流量計算公式：

Qc=Wc×Vc

(3)

式中：Qc——泥石流流量/(m3·s-1)；

Wc——過流斷面面積/m2；

Vc——泥石流流速/(m·s-1)。

計算得表2對應(yīng)位置處泥石流流量分別為：22.06 m3/s，22.11 m3/s，21.08 m3/s，8.94 m3/s。表明同一陣流在213省道以上流量值幾乎相等，不會產(chǎn)生淤積現(xiàn)象，過213省道后流量值迅速降低，泥石流流體大量淤積，完全堵塞排導(dǎo)溝渠。

為進(jìn)一步反映排導(dǎo)溝渠坡降比和過流斷面對泥石流成災(zāi)特征的影響，采用表2溝內(nèi)中下游數(shù)據(jù)分別推演坡降比和過流斷面與泥石流流速和流量的變化關(guān)系(圖3～圖5)，計算中，除對比影響因子外其他影響因子假設(shè)為固定值。

圖3 坡降比與流速、流量的關(guān)系Fig.3 The relationship between slope ratio, velocity and flow rate of debris flow(藍(lán)線為流速，粉紅線為流量，下同)

圖4 流深與流速、流量的關(guān)系Fig.4 The relationship between flow depth, velocity and flow rate of debris flow

圖5 流寬與流速、流量的關(guān)系Fig.5 The relationship between flow width, velocity and flow rate of debris flow

可看出，流速和流量隨坡降比、流深、流寬的減小均呈降低趨勢，但流速降低幅度逐漸增大，流量在隨坡降比降低幅度增大的情況下，相對流深、流寬的降低幅度逐漸減小。故在泥石流防治布設(shè)排導(dǎo)工程時，需避免下游排導(dǎo)渠縱坡降和過流斷面的減小，特別是縱坡降的減小對流量的影響最為明顯，更易引發(fā)泥石流體的堆淤現(xiàn)象。

3 泥石流發(fā)展趨勢

由“7·4”泥石流現(xiàn)場調(diào)查：長達(dá)坂溝發(fā)源于祁連山麓沖洪積臺地，匯水面積大、能力強(qiáng)；泥石流形成區(qū)溝谷下切強(qiáng)烈，谷坡植被覆蓋率低，滑坡、坍塌及坡面風(fēng)化侵蝕變形嚴(yán)重，特在“7·4”暴雨及泥石流掏蝕沖刷作用下，已產(chǎn)生的病害體穩(wěn)定程度降低，新的病害體大量發(fā)育；區(qū)內(nèi)年降雨量較少，但過于集中，每年6～8月為降雨集中期，暴雨較多。

故長達(dá)坂溝泥石流形成條件成熟，由潛在泥石流體、準(zhǔn)泥石流體物源含量判斷，該溝泥石流當(dāng)前處于發(fā)展壯大期，泥石流暴發(fā)規(guī)模將進(jìn)一步增大。

4 防治措施探討

針對溝谷深切、溝道狹窄、縱溝比降大及多數(shù)量、大體積的滑坡、崩塌物源轉(zhuǎn)化特征，結(jié)合“7·4”泥石流成災(zāi)機(jī)理、發(fā)展趨勢和溝口排導(dǎo)條件，長達(dá)坂溝泥石流的防治需主要解決以下幾個問題：

a、溝口排導(dǎo)縱比降小，堆積場地有限，將物源盡可能阻擋在溝道內(nèi)。

b、阻止滑坡、崩塌和坡面浸蝕等潛在泥石流體的進(jìn)一步發(fā)育和轉(zhuǎn)化，從源頭減少泥石流物源。

c、完善疏導(dǎo)溝口排導(dǎo)措施，防止泥石流固體物源的再次淤埋堆積。

基于以上關(guān)鍵問題，在普通排導(dǎo)、攔擋的基礎(chǔ)上，長達(dá)坂溝泥石流的防治試用了“柔性樁板墻高壩群攔擋+改溝順直排導(dǎo)”的綜合防治措施。

(1)溝道內(nèi)設(shè)置10～15 m高樁板墻壩體群(圖6)，在攔蓄大量泥石流固體物源的基礎(chǔ)上，經(jīng)壩群的溝道回淤，對溝岸滑坡、崩塌和坡面侵蝕等物源起到回填反壓、穩(wěn)固作用，達(dá)到減少泥石流物源的目的。同時壩后適量布設(shè)若干排鋼筋石籠，形成柔性樁板墻高壩，降低泥石流攜帶巨石對壩體的沖擊。

圖6 長達(dá)坂溝樁板墻攔擋壩效果圖Fig.6 A photo showing the sheet-pile intercepting dam in the Changdaban Gully

(2)根據(jù)2.1節(jié)成災(zāi)特征，溝口外改溝順直排導(dǎo)渠，避免縱向上排導(dǎo)渠坡降比、過流斷面和流向的變化，保證泥石流的導(dǎo)流通暢性。

5 結(jié)論

(1)長達(dá)坂溝后緣匯水面積大，中下游溝道深切，潛在泥石流體豐富，在集中降雨條件下，泥石流形成條件成熟，暴發(fā)規(guī)模呈增大趨勢。

(2)長達(dá)坂溝泥石流潛在物源以滑坡、崩塌和坡面風(fēng)化浸蝕為主，轉(zhuǎn)化過程具波浪式急緩特征，導(dǎo)致泥石流徑流呈陣流形態(tài)。

(3)排導(dǎo)渠(溝道)縱坡比和過流斷面的變化是長達(dá)坂溝泥石流成災(zāi)的主要控制因素，形成了以213省道為界，上游淤積掩埋、下游翻壩沖擊的特有成災(zāi)破壞模式。

(4)泥石流流速、流量隨坡降比、流深、流寬的減小而減小，但流速減小幅度均不斷增大，流量的減小幅度隨坡降比不斷增大，隨流深、流寬不斷減小。

(5)“柔性樁板墻高壩群攔擋+順直排導(dǎo)”綜合防治措施適合長達(dá)坂溝及類似溝道泥石流的防治，不僅能達(dá)到攔、排的作用，且從根本上可減少泥石流潛在物源。

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