地形对泸定县兴隆镇群发性滑坡型泥石流的影响分析

李文杰，冯文凯，魏昌利，何元宵，贾金晓

(1.成都理工大学 地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室， 四川 成都 610059；

2.四川省地质调查院， 四川 成都 610081)



地形对泸定县兴隆镇群发性滑坡型泥石流的影响分析

李文杰1，冯文凯1，魏昌利2，何元宵2，贾金晓1

(1.成都理工大学 地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室， 四川 成都 610059；

2.四川省地质调查院， 四川 成都 610081)

摘要：四川省泸定县兴隆镇2006年7月14日暴发了群发性泥石流，给当地人民造成了严重的损失。此次群发性泥石流范围较小，降雨和地质条件基本一致，那么地形条件则是泥石流爆发的首要考虑因素。为了研究地形条件对滑坡型泥石流的影响，从泥石流形成机理出发，选取研究区各沟谷流域面积A，沟床比降J，沟谷两侧斜坡25°～45°坡度所占百分比S等3个重要地形因子进行研究对比，建立了此次泥石流暴发的临界曲线及综合地形因子G，得出在降雨和地质条件都近似的情况下，地形因子G越大，地形条件越有利，越容易暴发泥石流。因此可用地形因子G划分区域内沟谷泥石流的易发等级，为泥石流的危险性评价和监测预警提供了新的研究思路。

关键词：泥石流；地形条件；山坡坡度；流域面积；沟床比降；地形因子

西南山区是我国地质灾害频发的地段，并且同一流域内泥石流的发生与滑坡的滑动息息相关，如1974年9月14日四川省南江县白梅垭由于连续暴雨引发滑坡并转化为泥石流[1]，1999年6月22日四川省普格县标水岩沟暴发的大规模泥石流也是由于较大面积滑坡所致[2]。而暴雨引发的多沟群发性滑坡型泥石流灾害面更广，造成的危害程度容易叠加并带来更大的灾难。如1999年12月16日委内瑞拉VAGARS州的21条沟在大面积大强度的降雨作用下发生群发性泥石流，摧毁城镇大量房屋设施，共造成约1.5万人死亡和250亿美元的严重经济损失[3]。2010年8月7日甘肃舟曲县城后山的罗家峪、三眼峪同时暴发泥石流，导致舟曲县城1 435人遇难，331人失踪，直接经济损失6.5亿元[4]，在此次群发性泥石流中，滑坡为主要松散固体物源。

前人对上述滑坡型泥石流进行了详细调查，但对于地形条件对滑坡型泥石流的影响甚少提及。而余斌等[5]人只是对沟床起动型泥石流的地形特征进行了研究，但对于滑坡型泥石流的地形条件的研究较少，而这正是本文的重点研究内容。

四川省泸定县是泥石流高发地区，近年来发生多起群发性泥石流事件[6]。2006年7月14日，暴雨引发兴隆镇镜内石老虎沟、银厂沟、聂脚沟等共13条沟谷暴发滑坡型泥石流(图1)，造成多户房屋被毁和大量耕田被淤埋。相比泸定县其他乡镇的泥石流沟，兴隆镇这13条沟泥石流属于滑坡诱发。

图1研究区图

兴隆镇兴隆沟两岸约100 km2的范围内共分布有21条沟谷泥石流，包括石老虎沟等13条暴发泥石流的流域和8条未暴发泥石流的流域，在这个小区域内，地层等地质条件基本一致，地震、活动断裂等内动力活动以及降雨、风化等外动力活动对该区域泥石流活动的影响基本一致。地质、地形和降雨是泥石流形成的三大基本条件，在降雨、地质条件基本一致的情况下，地形条件便成为控制泥石流暴发的关键因素[7]。

本文选取兴隆镇作为研究区，将沟谷细化到一级支沟，通过提取各支沟流域面积A、沟床比降J，各沟有利坡体下滑的山坡坡度所占比例S等相对关键的3个参数进行对比分析，从而得出一个与三者都有联系的新地形参数G，量化原本抽象的地形条件，有利于对比研究。同时在同等的地质和降雨条件下，可以由G因子判断滑坡型泥石流的易发程度，对后期此类泥石流的危险性评价、防灾减灾以及预警预报工作具有重要意义。

1滑坡型泥石流特征

1.1研究区概况

泸定县地处川西高原与四川盆地的过渡带，大渡河由北向南将全县分割为东西两部分，地貌为典型的高山峡谷地貌，海拔平均在2 000 m左右。因受东南、西南季风和青藏高原冷空气双重影响,气候垂直差异明显,大渡河河谷及其支流河谷海拔1 800 m以下地区属热带季风气候,为干热河谷区,根据泸定县气象局观测资料,该区年最大降雨量和平均降雨量分别为795.4 mm和642.5 mm,而贡嘎山区属大陆性季风高原型气候,年最大降雨量和平均降雨量分别为2 160.0 mm和1 941.5 mm。其中，5月—10月降雨量占全年的90%以上，且夜间降水量明显多于白天[6]。研究区位于泸定东部兴隆镇境内兴隆沟两岸，面积104.67 km2，如图1所示。兴隆镇又为泸定县的多雨区，年平均温度15.4°，多年平均降雨量最高达1 300 mm，加之境内高山耸峙，沟谷众多，属于泥石流高发地区[8]。

研究区位于扬子陆块区内的康滇断裂带，位于金坪断裂东北方。由于构造运动影响，断裂发育，断层主要以N—W向为主。新构造运动时期，区内上升作用表现明显，导致河谷深切，岩体裂隙十分发育，阶地较狭窄。区内出露侏罗系和三叠系地层，岩性主要为砂岩和泥岩。

1.2形成过程

据调查访问2006年7月12日，泸定县境内出现强降雨，兴隆镇为暴雨—大暴雨。兴隆镇北半部一带降雨主要集中在凌晨2∶00～3∶00，兴隆镇南半部一带降雨主要集中于凌晨3∶00～4∶00。此段时间，局地暴雨中心的位置由兴隆镇北半部向南半部一带转移。根据实地调查，北半部一带7月14日3时左右11条沟暴发群发性滑坡型泥石流，南半部一带聂脚沟和杨柳沟于7月14日5时左右暴发群发性滑坡型泥石流(表1)。南半部泥石流灾害的发生时段相对北半部泥石流灾害约有2 h滞后，且兴隆镇此次泥石流最终的暴发时间相对于该地区暴雨的峰值过程也有约1 h的滞后。

对滑坡型泥石流来说，滑坡的发生与当天降雨和前期降雨有着密切关系，在时间上相对降雨过程有明显的滞后性[9]，所以此类泥石流的发生也会有明显的滞后。

1.3形成机制

对于滑坡型泥石流的形成机理，前人进行大量的研究工作，如李树德[10]对滑坡型泥石流的分类、临界结构等进行了分析和阐述；胡卸文[11]对蒋家沟滑坡泥石流转化机理进行了详细研究；J.G.Emmanuel等[12]人认为，滑坡转化为泥石流的关键在于不排水效应使滑坡在剪切过程中形成不排水环境，土体剪缩而引起孔隙水压力变大，产生超孔隙水压力从而使滑体液化形成泥石流。

由上可知滑坡型泥石流形成机理可概括为：(1) 连续降雨的入渗导致土体含水率逐渐增加并最终饱和，基质吸力和抗剪强度逐渐减小，土体局部出现剪切破坏并产生剪切裂隙，雨水不断渗入裂隙使其饱水，孔隙水压力持续增大形成超孔隙水压力，剪切裂隙逐渐扩展连通形成剪切面，土体强度进一步降低，从而使岩土体的剪切面抗剪强度低于剪应力而沿滑动带下滑；(2) 在自身重力和水的作用下，下滑岩土体沿途铲刮、碰撞、剥离解体形成泥石流或下滑进入主沟道遇水再形成泥石流。

由于研究区范围小，岩性、土层等地质状况总体较为单一，降雨条件也可认为大致相同。当形成泥石流的三大条件(即地质、降水和地形)中的地质和降水2个条件相近时，决定泥石流暴发与否的主要因素就只有地形条件。因此可以单独研究地形条件对此类泥石流的影响。

2地形对滑坡型泥石流发育的影响

2.1地形因子的对比与选取

泥石流发育的地形条件与山坡坡度、沟床比降、流域面积、相对高度和沟道长度等有很大关系。山坡坡度的陡缓不仅影响松散碎屑物质的聚集和分布，而且影响坡面汇流条件；沟床比降影响着沟道汇流和径流冲刷能量的大小，是影响泥石流形成和运动的重要因素；流域面积的大小，大体反应泥石流发育的阶段性，也是评判泥石流活动强度的一个标志[13]。相对高度决定着泥石流的势能大小，高差越大，泥石流动力条件就越足；沟道长度对泥石流的运动起着制约作用，较长则不易于泥石流的输送。

表1　研究区泥石流情况统计

地形参数不仅对泥石流的形成起着重要作用，而且相互之间也有一定的关联性。沟谷发育初期，流域面积较小，沟道长度较短且狭窄呈“V”形，两侧斜坡陡峭，有利于水体汇流，流量较大，冲刷侵蚀能力较强，表现在沟道切割下蚀、沟源溯源侵蚀及沟道两侧斜坡变形滑塌，从而可以携带更多的松散固体物质。随着流域面积的增加，沟谷发展到壮年期或衰退期，沟道长度的增加使沟道纵比降逐渐减小，水动力条件减弱，侵蚀能力减小，水体搬运松散固体物质的能力减弱，这样泥石流的爆发频率及规模将越来越小直至消失。根据李丽等[14]研究，流域沟床比降和发育程度均与流域面积存在线性相关性，变化趋势一致。而且流域面积越大，泥石流形成区面积占流域总面积的比例就越小，相应的主要物源区所占比例也随之减小。

由上可知，流域面积和沟床比降是很重要的地形参数，对于滑坡型泥石流来说，流域内的水动力条件和滑坡物源总量与流域面积关系密切。沟床比降也在一定程度上影响泥石流的发育。由于本研究区泥石流属滑坡诱发所致，而在地质和降雨条件大致相同的情况下，影响滑坡发生的另一个重要的地形因素是山坡坡度。李丽等[14]研究认为20°～50°是浅层滑坡最为发育的坡度；朱渊等[15]提出25°～40°是最有利于滑坡发生的坡度；钟敦伦等[16]研究得出：96%以上的滑坡坡度位于27°～45°山坡。但不同地区具体条件不同，应略有差异，尤其不同的土质状况会使坡度范围有细微区别，我们折中选取25°～45°坡度范围进行研究。经调查统计研究区内的坡度分级，并对比滑坡型泥石流的发生，25°～45°是研究区沟谷山坡所占比例最高也是最有利于滑坡发育的坡度范围。

为了更好地量化抽象的地形条件，选用沟谷的流域面积、沟床比降、流域内25°～45°坡度所占比例等3个地形因子作为研究要素，简化量化地形条件的相关要素参数，突出重点，方便比较。

2.2引入无量纲因子计算

流域面积相对较大的沟谷通常发育有多条支沟，各支沟地形特点的不同会导致泥石流暴发情况的不同，本文研究对象精确到泥石流沟的一级支沟。利用Arcgis软件对各流域山坡坡度进行统计，得到对应流域25°～45°坡度所占比例S(无量纲因子)，同时将流域面积除以单位面积以转化为无量纲因子A*，公式如下：

A*=A/A0

(1)

式中：A*为流域面积(无量纲)；A为流域面积，km2；A0为单位面积，km2。

流域的沟床比降J是沟道相对高度H与其长度L的比值。沟床比降与泥石流的形成有很大的关联。在其他条件相同的情况下，且沟床比降在一定范围内，其值越大，松散固体物质越易堆积、起动，泥石流越易形成。

首先提取出影响滑坡型泥石流比较重要的两个相关因子S和A*，以研究区22条沟谷作为对象，统计分析S与A*的关系趋势见图2。

图2研究区各沟谷S-A图

S随A有明显的变化，且趋势线S×(A/A0)0.09=0.49也大致能将泥石流和非泥石流沟区分开。如果将S和A结合起来用一个地形参数T表示，T=S×(A/A0)0.09，则T也为无量纲因子。现将T因子和J因子进行对比分析(图3)。

图3研究区各沟谷T-J图

通过T与S的关系对比，拟合出临界曲线(A/A0)0.09S×J0.55=0.32。曲线下方的8条沟是未暴发泥石流沟，曲线上方的13条沟为暴发泥石流沟。

此临界曲线可将此次兴隆镇暴发和未暴发泥石流的沟谷区分开，但此公式仅由此研究区各沟谷地形因子分析得出，对不同地质和降雨条件下的适用范围需进一步研究。

通过分析关系图趋势变化，采用最小二乘法数据拟合得到一个新的地形无量纲因子G。

G=TJ=S(A/A0)0.09J0.55

(2)

式中：G为综合地形因子；T为地形因子；S为坡度因子；A为流域面积，km2；A0为单位面积，km2；J为沟床纵比降。

地形因子T较好地反映出坡度因子随流域面积的变化趋势，由T因子和沟床纵比降J得到的综合地形因子G，反映了沟谷内有利于滑坡发生的坡度、流域面积和沟床纵比降之间的关系，较好地反映了该区的地形条件，且G因子表达式中各因子指数的大小关系为坡度>纵比降>流域面积，表明三者在滑坡型泥石流形成之地形条件中的重要程度。

研究区内岩性以砂岩、泥岩和页岩为主；地质、气候水文条件可认为近似相同。从表1与图3可看出，石老虎沟、银厂沟、聂脚沟、海子沟的G值明显大于其他各沟，说明其孕育着更好的形成泥石流的地形条件，因此暴发频率更高，这与野外调查结果基本一致，见表2。

表2　研究区泥石流沟地形参数及暴发情况统计

结合该区域泥石流的实际暴发情况以及上述地形因子G对滑坡型泥石流暴发的影响(对于非滑坡型泥石流而言，如沟床起动型泥石流，由于成因机理不同，在地形因素上更强调沟谷形状系数等参数的作用，余斌等[5]对此已有相应研究)，可将该区域的泥石流沟划分为3部分，如图4所示，即当G>0.38时，为极容易暴发泥石流的沟；当G值介于0.32～0.38时，为较容易暴发泥石流的沟；当G<0.32时，为不容易暴发泥石流的沟，即未暴发泥石流的沟。

图4研究区泥石流沟暴发频率划分

在暴发泥石流较容易的沟谷中，对罗家地沟的判断稍有偏差，这可能是只考虑了沟谷地形因素而没有考虑其他诸如人为因素等的影响的原因，但总体来说G因子的判别效果较理想。因此可以对研究区内的泥石流沟进行易发分区，从而可以重点防范、提前预警。

3结论

(1) 前期足够的雨量入渗是导致滑坡型泥石流发生的必要条件。沟谷内最有利于浅层滑坡发育的山坡坡度集中在25°～45°。

(2) 选取流域面积A、沟床比降J、山坡坡度中25°～45°所占比例S等3个更为重要的因子进行研究，由它们得到的G因子能更好地反应出此类滑坡型泥石流的地形条件，G=SA0.09J0.55，且G因子越大，表明地形条件越有利，越容易暴发泥石流。

(3) 滑坡型泥石流各地形因素重要性关系为：山坡坡度>沟床纵比降>流域面积，且山坡坡度和沟床纵比降的作用远大于流域面积的作用。

(4) 本文研究的场地条件单一，不能涵盖西南地区所有的场地条件及地貌类型。因此，本文所得到的一些结论和普适性还有待进一步的研究。

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Topographic Impact Analysis of Group-occurring Landslide-induced Debris Flow in Xinglong Town Luding County

LI Wenjie1， FENG Wenkai1， WEI Changli2， HE Yuanxiao2， JIA Jinxiao1

(1.StateKeyLaboratoryofGeohazardPreventionandGeoenvironmentProtection，ChengduUniversityofTechnology,Chengdu,Sichuan610059,China; 2.SichuanInstituteofGeologicalSurvey,Chengdu,Sichuan610081,China)

Abstract：A group debris flows induced by landslides were triggered on July 14, 2006 in Xinglong Town, Luding County, Sichuan province, which caused serious losses to the local people and society. The rainfall and geological conditions are roughly the same in the study area because the catchment size is smaller. The only determinant factor of triggering debris flow should be the topographic．In order to investigate the influence of the terrain conditions for debris flow by landslides, three important topographical factors the basin area A, channel gradient J, and the percentage (S) of catchment area with hill slope of 25°～45° were selected． The critical curve of the landslide outbreak was established，and a new factor G=SJ0.55A0.09was proposed as a single topographical indicator． It can be concluded that if rainfall and geological conditions were similar, the probability of debris flow formation should increase with increasing G-values. Therefore with the topographical factor G, one can classify the risk level of gully debris flow by landslides. This research could provide a new way for risk assessment, monitoring and early warning of debris flow.

Keywords:debris flow; topographical conditions; hill slope; basin area; channel gradient; topographic factor

文章编号：1672—1144(2016)01—0149—06

中图分类号：P642.23

文献标识码：A

作者简介：李文杰(1989—)，男，河南漯河人，硕士研究生，研究方向为岩土体稳定性与工程环境效应。E-mail: 544368910@qq.com

基金项目：国家自然科学基金(41572291)；国家自然科学基金(41172278)；地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室自由探索课题(SKLGP2011Z004)

收稿日期：2015-09-21修稿日期：2015-10-18

DOI:10.3969/j.issn.1672-1144.2016.01.028