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(dāng)?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(xì)計算其運(yùn)動特征值并進(jìn)行分析，進(jìn)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?yàn)闅v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(dāng)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(qiáng)降雨會強(qiáng)烈沖刷溝道，啟動松散物源形成泥石流.據(jù)實(shí)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(dá)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(yùn)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(qiáng)烈，這些沖刷形成的松散物質(zhì)很快匯入溝床，進(jìn)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?yàn)榱魍▍^(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(yùn)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(qiáng)度［7］.流速計算一般采用經(jīng)驗(yàn)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(yàn)公式進(jìn)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(yùn)動速度計算

在缺乏大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和實(shí)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(yùn)動速度的經(jīng)驗(yàn)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(yùn)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(shí)測法確定.實(shí)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(diǎn)，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(yàn)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(biāo)準(zhǔn)表”進(jìn)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(qiáng)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(qiáng)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(rèn)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(diǎn)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(yàn)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(shí)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(yàn)公式計算出泥石流運(yùn)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(jìn)一步分析泥石流活動及發(fā)展趨勢.研究結(jié)果對保護(hù)溝內(nèi)居民生命財產(chǎn)安全具有現(xiàn)實(shí)意義，也可為當(dāng)?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(yùn)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(yán)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(qiáng)排導(dǎo)能力.