泥石流形成机制及其防治措施的研究

余 意* ，陈学军

(1.鄂州职业大学 建筑工程学院，湖北 鄂州 436000;2.桂林理工大学 土木与建筑工程学院，广西 桂林 541004)

泥石流以其暴发突然、来势凶猛、且极具破坏力的特点而著称，是我国山区常见的自然灾害现象［1］。目前，国内泥石流研究范围广泛，张金山［2］通过描述茶园沟泥石流地质灾害特征并分析其发生原因，提出相应的防治措施，并进行相关论证;王兆印等［3］在室内模拟泥石流，将铺满鹅卵石的滑道模拟泥石流沟槽，用不同浓度的泥浆充当泥石流洪流，研究泥石流形成所具备的条件及其运动规律;王世革［4］通过对国内大量泥石流灾害的研究，拟定出针对泥石流的各种防治措施。以上学者的研究，将之前泥石流研究从定性分析提升到定性分析和定量计算的层面，使泥石流灾害的防治研究工作更加深入。

我国的泥石流地质灾害大致分布在西藏、四川、云南、甘肃、福建等地区。而地质灾害发育程度较为强烈的广东省，由于经济发达，人口密度大，用地面积势必受到一定的局限，“削山造城”是大势所趋，山体遭受人类剧烈活动的影响随之增大，近年来泥石流地质灾害时有发生［5-8］。2010年5月14日位于广州市白云区太和镇大源村的广州某学院发生泥石流灾害，造成约700亿元的直接经济损失，泥石流发生区域地质情况如图1所示。

图1 泥石流区域地质示意图

1 泥石流特征

一般情况下，泥石流的暴发必须具备3个条件:充足的物源物质基础、良好的水体条件和地形或压力坡度以及激发、触发条件，随之形成3个区域。根据现场踏勘调查，广州某学院的泥石流可以划分为物源区、流通区、堆积区。

1.1 物源区

物源区面积为238 738.68 m2，地形坡度为15～45°，主沟上游地段物源量不大，物源主要分布在主沟中游多年前的露天采场，另外在支沟地段分布少量的物源。主沟的物源主要为中游的矿山废弃堆积物和主沟上游沟底冲洪积的松散堆积物，其他地段物源相对较少，主要为坡面松散物。

1.2 流通区

流通区面积为9 814.58 m2，主要分布在泥石流堆积区尾部以上主沟至主沟中游内，流通区平面形态呈条带状，长约400 m，总的表现为流通区范围小，泾流较长，沟谷横断面呈V、U型，两侧沟坡坡度为25～45°，沟床坡降约为98%。流通区内中下游地段在泥石流发生前已修建建筑物。泥石流冲下的泥沙和块石堵塞排水沟，堆积厚度约为0.5～1.2 m，块石直径约为0.2～1.0 m，流通区上游沟中有少量堆积物，主要为砂砾和卵石，残留有少量的大块石，直径一般为0.2～2.5 m，局部沟底见基岩裸露。

1.3 堆积区

堆积区主要分布在泥石流沟口以下，整体呈不规则“喇叭”状，地形开阔平坦，坡度为3～10°，面积为7 917.17 m2。堆积区域在泥石流发生前已修建建筑物，路面已硬化。泥石流冲来的泥沙和块石在堆积区域堆积厚度不大，约为0.2～1.6 m，堆积物主要为泥沙，含少量块石。

2 泥石流成因分析

1)地形地貌因素

地形地貌是泥石流暴发的必要条件。广州某学院泥石流流域呈不规则状，流域面积达248 553.26 m3，三面环山，山坡坡度变幅较大，具备汇水条件，主沟长度850 m，平均坡降19.3‰，流域相对高差215.4 m，具备水动力条件。由此可见，上述地形条件为泥石流的形成提供能量、产生固体物质、并且提供形成运动(搬运)和堆积场所。

2)物源因素

泥石流发生过程中携带大量泥沙，是其发生的重要条件。通过走访调查，广州某学院泥石流固体松散物质来源主要有4条途径:崩塌作用;坡面及冲沟底部雨水的侵蚀作用;沟床底部原有物质的堆积;人类强烈活动作用产生的堆积物。经过估算，上述4种途径可提供含有碎石粘性土、砂砾等松散物质的36.20 ×104m3，年可移动量为 3 878.80 m3，其中崩塌类、坡面及冲沟侵蚀类、沟床堆积类、人类活动堆积类分别占总量的 10.95%、16.76%、10.29%、62.00%。因此，广州某学院泥石流流域存在大量的松散堆积物，具备充足的物源条件，为泥石流的暴发提供有利条件。

3)水文因素

泥石流的发生必须具备强大的水动力条件。广州某学院泥石流流域常年光照强烈，雨水充沛，持续时间长，属于典型的亚热带季风气候区［9］。在泥石流地质灾害暴发前，广州市遭受暴雨袭击，大部分地区12 h降雨量超过100 mm，最大降雨量达到137.7 mm，强降雨为泥石流的暴发提供了充分的水源和动力条件。

综上所述，广州某学院泥石流沟的形成，首先是多年前的露天开采建筑石活动，破坏了流域内的自然平衡，形成了废土废石堆存于岸坡及河谷中，开采活动增强了人类活动，坡面侵蚀、细沟侵蚀造成的水土流失强度和范围急剧扩展，泥沙随着暂时性水流携带并能迅速汇积于主沟中，为暴发的泥石流活动提供了水动力条件和物源条件，同时汛期洪水流量大，水位增高，搬运能力显著增强，即搬运走沟道携带来的物质，又搬运走沟道中的弃渣，由于沟道自然形成了较大的纵坡，在充沛水源条件时，泥石流灾害随之发生。

3 泥石流计算

3.1 暴雨、清水洪峰流量计算

根据泥石流流域的多年水文地质资料，设定区域内最大日降雨量为H24=140 mm，设计变异系数Cv、Cs分别为0.43和1.505，点面降雨折减系数为1，设计频率分别为 0.20，0.10，0.05，0.01。根据泥石流调查报告，泥石流汇流历时5.74 h，流域面积为0.25 km2，主沟长度为0.852 km，暴雨衰减系数、汇流参数和径流系数分别为0.70，0.26，0.30。考虑泥石流沟基流流量，相关参数计算结果如表1所示。

表1 不同降雨频率下通过H24反求日最大暴雨量

3.2 流速、流量、固体总量计算

参照配方试验结果和室内试验结果以及相关规范［10］，该泥石流为稀性泥石流，泥石流浆体密度为ρc=1.55 t/m3，泥石流固体物密度为 ρH=2.53 t/m3，阻力系数α=1.56，清水河槽糙率n-1=5.5，泥石流水力半径Rm=0.5 m，泥石流流面纵坡坡比I=19.3‰，泥石流堵塞系数Dm=2.0，则泥石流平均流速vm=9.76 m/s。

对于泥石流流量，采用配方法和运用东川经验公式的雨洪修正法，得到的计算结果如表2所示。

表2 泥石流流量计算结果

现场调查发现，泥石流灾害持续了1 h，根据泥石流的历时时间、流量、固体松散物的密度和泥石流的密度，参照相关规范［10］，计算出泥石流沟遭遇100年一遇洪水过程中，通过断面的一次泥石流总量为:Wm=0.26QmT=12 214.80 m3。

因此一次泥石流冲出的固体物质总量为:

3.3 冲击力计算

参照泥石流区的相关资料，广州某学院泥石流主受力面形状为矩形，其受力面形状系数λ=1.33，受力面与泥石流冲击力方向的夹角α=90°，动能折减系数 r=0.3，巨石的总质量为 W=1 265.3 kg，巨石与材料的弹性变形系数c1与c2之和为0.005 m/kN，从而确定泥石流整体冲击力和巨石集中冲击力分别为:

4 泥石流防治措施

4.1 预防措施

1)开展安全意识教育，树立防灾减灾意识。作为泥石流灾害直接受威胁的学校的安全，应积极组织广大师生员工参加地质灾害相关知识的学习，制定相应的防灾减灾预案和最佳的逃避线路图，必要的时候开展实战演习活动，提升广大师生员工防灾减灾思想意识。

2)重视监测预警预报，加大人工巡查力度。泥石流的暴发一般持续时间短，来势凶猛，直接导致监测预警预报工作存在一定难度。因此，制定全流域的物源条件巡查制度，进行不同时期堆积物的堆积情况对比，为泥石流预警措施提供分析资料。

3)定期检查拦挡设施，及时清除松散物源。建立专人检查制度，检查拦挡设施(拦渣坝、桩林、谷坊和导流堤等)的运行情况和完好程度，出现异常应及时采取相应的修复措施，对于拦挡设施上游的堆积物源及时予以清除，将泥石流灾害的物源物质在源头予以消除。

4.2 工程措施

根据现场踏勘调研发现，目前某学院泥石流沟的5条支沟均有崩塌灾害的发生，且沟内堆积一定量的松散堆积物，严重堵塞沟道，为泥石流提供了松散的物质来源。同时泥石流流域主沟和支沟的沟底基岩裸露，岸坡的岩土体呈悬空状态，根据因地制宜，节约开支的原则，先在沟岸处、沟道处分别修筑挡土墙和修筑防冲槛、必要地方设置拦挡坝、消力槛等辅助设施，从而防止河道过度冲刷，避免补给的洪水下切沟床、将洪水搬运松散堆积物的能力降低，并通过修筑排导渠，将泥石流排入下游溪沟。另外针对本次泥石流的特征，分别进行了泥石流平均流速、一次泥石流冲出的固体物质总量、泥石流冲击力等指标的定量计算，通过整合同地区同类工程实践经验，参照定性分析方法，拟采用沟道加固、拦挡、排导三者相结合的方式进行防治，具体工程措施为:

1)主沟上游设置一道石谷坊，同时设置2道桩林，每道3排。桩体立面呈梯形，桩的高度为1.20 m，顶宽0.60 m，底宽1.08 m，采用1∶0.2 的坡率，桩间间距2.20 m，在必要的位置设置拦渣坝、沉渣池、导流坝等附属构筑物;

2)及时清除沟底及沟口周边的松散堆积物，对无法清除的部位，及时采取加固防护措施;

3)主沟与支沟交汇岩性松散的地段设置片石护面墙，防护边坡的同时起到防冲刷的作用。具体的工程措施平面布置如图2所示。

图2 工程措施平面布置图

5 结语

1)泥石流的暴发必须具备3个条件，即充足丰富的松散物质条件、典型的地形地貌条件和强度较强的水动力条件。与之相对应的形成3个区域，即物源区、流通区、堆积区。

2)对于某学院泥石流地质灾害的发生，原因归结于新地质构造运动导致泥石流流域松散物质大量堆积，在较强雨水等诸多因素的共同作用下，致使本次泥石流灾害的暴发，同时缺乏一定监测预警机制，导致损失较为惨重。

3)参照工程实际经验和相关技术规范，积极开展泥石流地质灾害的预警预报工程，排查具有暴发条件的泥石流沟，必要情况下，采取工程措施将泥石流沟谷再次发生灾害的可能性降低至最小，从而保障人民群众的生命财产安全。

［1］康志成，李悼芬，马蔼乃，等.中国泥石流研究［M］.北京:科学出版社，2004:41-79.

［2］张金山，沈兴菊，谢洪.低频泥石流特征及防治:以四川汶川县茶园沟为例［J］.中国地质灾害与防治学报，2005，16(3):37-41.

［3］王兆印，张玉新.水流冲刷沉积物生成泥石流的条件及运动规律的试验研究［J］.地理学报，1989.44(3):291-301.

［4］王士革，范晓岭.低频率泥石流灾害及工程防治［J］.山地学报，2006，24(5):562-568.

［5］李磊，任光明，蒋权翔，等.某低频泥石流沟堆积物特征研究［J］.中国地质灾害与防治学报，2009，20(4):41-44.

［6］易顺民，梁池生.广东省地质灾害及防治［M］.北京:科学出版社，2010:82-87.

［7］张建国，魏平新.广东省主要地质灾害发育特点与防治对策［J］.中国地质灾害与防治学报，2003，14(4):47-51.

［8］燕丽萍.广东省泥石流灾害综合分析［J］.热带地理，2009，29(4):335-339.

［9］陈学军，潘浩波，罗建干，等.广州涉外经济职业技术学院低频泥石流特征及防治［J］.路基工程，2013，166(1):176-180.

［10］《工程地质手册》编写委员会.工程地质手册［M］.4版.北京:中国建筑工业出版社，2013:558-567.