柿树沟7.24泥石流形成条件和特征分析

邵莲芬

(黄淮学院 建筑工程学院,河南 驻马店 463000)

0 引言

栾川县位于豫西腹地深山区，境内山岭纵横，层峦叠嶂，地势险峻，不稳定斜坡发育，地形地貌条件复杂；岩石地层复杂多样，节理发育，风化破碎强烈，松散坡积层厚度大；沟谷坡降大，采矿等人类工程活动强烈，降雨量大而集中.这些因素使得栾川县地质环境质量较差，造成全县具备有利的泥石流孕灾环境[1-2].据历史记载，栾川县曾数次暴发过区域性泥石流灾害[3].受台风“灿都”影响，栾川县地区在2010年7月24日当天普降大到暴雨，导致多个乡镇暴发了泥石流[4-7].柿树沟为其中一条典型的泥石流沟道.

柿树沟位于栾川县石庙镇常门村，属伊河一级支流.历史上柿树沟曾经多次暴发泥石流灾害.根据野外调查显示，沟内存在大量泥石流堆积物，尤其以沟谷中下游平缓地带居多.由于过去对泥石流灾害了解不够，未能认识到沟道泥石流堆积体在强降雨作用下作为物源复发泥石流的可能性.在以往泥石流暴发之后，未采取有效措施清理沟道泥石流堆积体，或修筑拦挡工程，预防下次泥石流暴发.加之栾川县山多地少，当地居民往往在一些常年水量较少的沟道内圈地造田，从沟口往上游开垦成种植地，这种毫无规划、村民自发修建的梯田极大地占用了沟道原有天然径流空间，在洪水时期极大地削弱了沟道过水能力[8].2010年7月24日，该沟暴发泥石流.当时泥石流将下游耕地全部冲毁，席卷而下沟道淤积近300 m.

1 柿树沟泥石流形成条件

1.1 地形地貌条件

柿树沟位于石庙镇常门村，流域处在1000～2000 m之间的中低山流水侵蚀地貌区，地形多为深切割或强切割高山陡坡深谷，沟壑纵横，谷深山高，以悬崖峭壁纵横相连.

柿树沟泥石流流域面积为1.2 km2，沟长约2.4 km.大量泥石流沟的统计资料表明，易发泥石流的流域面积多在0.5～10.0 km2之间，太大或太小的流域都不易发生泥石流[9-10].柿树沟流域面积处在该范围内，说明其属于易发泥石流流域.

柿树沟为V字形沟谷.沟谷右侧谷坡较左侧谷坡更陡，其中左侧谷坡倾角42°，右侧谷坡倾角55°，属于重力侵蚀陡坡.柿树沟流域相对高差441 m，平均纵坡坡降207‰，同样属于泥石流易发坡降范围内[10].

20世纪50～60年代，柿树沟流域植被大量砍伐，导致山体岩石裸露，崩塌时常发生，沟道内物源丰富，导致柿树沟曾经多次发生泥石流.直到20世纪90年代，大量植树造林，生态得以修复，现在植被覆盖率约为90%，其中:地表植被森林覆盖率约占60%，灌木及农田约占30%.由于柿树沟上游段纵坡降较大，而沿沟两侧山坡较陡，加之柿树沟上游区域地形坡度较大，支沟发育，水流快速汇集，沿程不断补给径流能量，使得径流流动过程中动能不断增加，从而冲刷拖拽沟道堆积物形成泥石流.

1.2 物源积聚条件

根据野外对柿树沟沟道两旁残留物质的调查，可以还原出泥石流暴发前沟道内物源的分布情况如下：上游沟道堆积物丰富，以大粒径块石为主，厚度1～3 m，7.24泥石流期间基本保持原状；中上游沟道堆积物较少，厚度0.2～0.5 m，7.24泥石流期间大部分作为物源被带走；中下游存在大量泥石流堆积体，厚度1～4 m，7.24泥石流期间大部分作为主要物源被带走.

1.2.1 沟床堆积物

柿树沟流域发育有燕山期花岗岩、元古界云英片岩、第四系残坡积物，其中基岩裂隙高度发育，中等风化.由于20世纪柿树沟流域植被遭到大量砍伐，导致山体岩石裸露，崩塌发育，崩坡积物经过水力侵蚀和重力侵蚀堆积于沟道中.尤其以柿树沟上游，沟道堆积物大量赋存，以大粒径块石为主，沟道内可见大直径花岗岩，堆积杂乱无章，磨圆次棱角状到次圆状，如图1所示.由于上游地区径流形成时不具备起动沟床堆积物的能力，泥石流暴发时这些物质并未被大量带走，属于无效物源.

图1 柿树沟上游沟道堆积物Fig.1 Deposits in the upper reach of Shishu gully

位于柿树沟中上游的沟道堆积物，在7.24泥石流暴发时大部分作为泥石流物源沿光滑的基岩面被冲刷拖拽而起，仅在沟道两旁残存部分堆积物，如图2所示.

图2 柿树沟中上游沟床堆积物Fig.2 Deposits in the upper and middle reaches of Shishu gully

1.2.2 沟道泥石流堆积体

对7.24柿树沟泥石流的规模产生重要影响的是位于中下游宽缓地区的沟道泥石流堆积体(图3).从残留的泥石流堆积体来看，其以砂砾石混杂大量碎石、漂石及部分巨石，粒径以20～200 mm居多，约占85%，岩性以花岗岩、石英片岩及石英岩为主.

图3 柿树沟沟道泥石流堆积体局部Fig.3 Part of the channel debris flow deposit in Shishu gully

图4给出了泥石流堆积体分布区的沟道形态，泥石流堆积体处于沟道内一段宽缓的地带，所在区域形如一个藕节，中间宽而两边窄.泥石流堆积体所在区域上游沟床比降较大，沟道较窄，到泥石流堆积体区域逐渐变宽变缓，沟床比降接近于零.随后沟床比降开始增大，沟道变窄，继续往下游后沟道又进一步变宽.

图4 泥石流堆积体分布区沟道形态Fig.4 The channel morphology in the debris flow deposit area

正是由于柿树沟沟道中存在这么一段特殊的地区，使得以往泥石流暴发时，由于规模不及7.24泥石流，在通过此处宽缓地带时，泥石流能量快速衰减，不足以携带过多的泥沙和块石，大量泥沙和块石开始堆积.实际上，可以认为该处曾经是泥石流的堆积区.多次的泥石流堆积使得此处的泥石流堆积体不断增多，直至7.24强降雨的发生，由于中上游所形成的洪流能量巨大，将此处的泥石流堆积体席卷而下，最终形成了破坏力巨大的泥石流.

1.3 降雨条件

柿树沟所在的石庙镇在地理位置上非常接近栾川县城，因此，以栾川县气象站观测资料说明柿树沟的降雨条件.栾川县为河南省暴雨中心部位，降雨量较大.根据栾川县气象站1957-2000年降雨资料，年平均降雨量为818.7 mm，年际变化较大，最大年降雨量为1370.4 mm(1964年)，最小降雨量564.9 mm(1991年).

降雨年内分配不均匀，降雨多集中在6-9月四个月，占全年降雨量的64%，而7-8月两个月降雨量占全年的41%[11].因而泥石流也多在这一时段内暴发.1957-1989年的32年中，共出现暴雨洪水灾害72次，年均2.6次，其中出现于7月份的29次，占总数40%，出现于8月份的15次，占21%.

历史实测24 h降水量最大达373.3 mm，最大6 h降雨量199.9 mm，最大1 h降水量39.9 mm，据《河南省暴雨参数图集》(2005)资料，栾川县百年一遇1 h降水量90～110 mm.如此大的降雨，形成径流量大，易推动松散堆积物混合形成泥石流.

2 柿树沟7.24泥石流特征

2.1 泥石流活动特征

2.1.1 泥石流由强降雨激发

2010年7月23日20时至24日20时，栾川县气象站观测最大降雨量达250～300 mm，为百年一遇.极端的短历时强降雨天气使柿树沟暴发泥石流.图5是栾川县气象站2010年7月的日降雨量分布图，从中可以看出在7.24泥石流暴发前，前期降雨量非常丰富，这也是促进此次泥石流暴发的原因之一.

图5 栾川县气象站2010年7月降雨资料Fig.5 Rainfall data of Luanchuan weather stations in July 2010

据栾川县气象站统计，7月23日20时至24日20时转为特大暴雨，最大6 h降雨量达101 mm.雨量主要集中于24日上午10时至下午2时.据统计当月降雨量近420 mm，也为新中国成立以来历史最高.降雨详细情况见图6.该降雨统计数据与泥石流暴发时间相吻合.因此，柿树沟泥石流诱发原因为2010年7月持续的强降雨.

图6 栾川气象站2010年7月24日的降雨资料Fig.6 Rainfall data of Luanchuan weather stations

2.1.2 泥石流为沟床起动型

2010年7月24日当天，柿树沟流域遭受短历时强降雨作用，大量降水形成地表径流，短时间上游来水暴涨，沟道来不及排水，径流水深不断增加，快速汇集于主沟的径流形成强劲的山洪，猛烈冲刷沟道内的泥石流堆积物，形成一股强大的冲刷拖拽侵蚀力，沟道泥石流堆积体表面强度下降，随径流一层一层搬移，最后出现“揭底”现象，洪流随着沟道泥石流堆积物搅拌变稠，最后形成泥石流.泥石流快速顺沟下涌并强烈冲刷沟床，掏蚀沟道内的泥石流堆积体，将其卷入流体中带走，使泥石流规模不断增大，从形成机制分析，7.24柿树沟泥石流的形成具有水流掀动揭底沟道泥石流堆积物的特征，为沟床起动型泥石流.

从泥石流堆积体在7.24泥石流前后的变动情况，靠近上游的泥石流堆积物所处沟道较窄，比降较大，几乎沿着沟底基岩面被全部冲走，而位于宽缓地带的泥石流堆积物，由于水流流经此处时水流面变宽，流速降低，并且随着泥石流的形成不断下切泥石流堆积体，因此，只是携带了部分泥石流堆积物.

2.2 泥石流灾害特征

2.2.1 泥石流搬运能力强

对7.24泥石流堆积物及泥痕的调查分析结果显示，柿树沟7.24泥石流容重为1.775 g/cm3左右，重度较高，携带能力较强.被泥石流搬运至沟口公路附近的最大块石约为3 m×2 m×2.5 m.沿途都可以看见由泥石流携带到下游的大粒径块石.这些大颗粒的冲击力是泥石流对建筑物破坏的主要来源.

2.2.2 防灾意识不强使泥石流灾害增大

如此大规模泥石流的暴发必然由暴雨或大暴雨激发，而暴雨或大暴雨的发生往往具有一定周期性，因此大规模的泥石流活动也具有一定的周期性，活动频率较低.

近些年栾川县虽然开展了地质灾害预防知识的普及，但柿树沟较长时间没有出现过大规模泥石流活动，加之20世纪90年代，大量植树造林，生态得以修复，沟内森林植被良好使当地居民的防灾意识有所减弱：

(1) 对低频率大规模泥石流突然暴发的危害性认识不足；

(2) 对以往泥石流堆积体复发泥石流的认识不足，对存在于沟道内的大量泥石流堆积体未及时清理，为7.24泥石流的暴发提供了大量物源；

(3) 生产建设无规划，在沟道泥石流堆积体上修筑建筑物，在沟道内圈地造田，从沟口往上游开垦成种植地，挤占了沟道的行洪断面，在洪水时期削弱了沟道过水能力，同时增加了受灾的可能性.

因此，加强对泥石流危害的认识，减少和避免不合理的人类活动，对于减少泥石流、山洪的危害极为重要.

2.2.3 泥石流灾害主要表现形式

7.24泥石流灾害的主要形式为冲毁房屋、耕地和损毁公路3种形式.在柿树沟泥石流调查中，我们发现泥石流沿河公路路基磨蚀现象特别严重.由于沿沟公路弯曲曲折，而且公路等级偏低，凹岸磨蚀作用发育.

3 结论

柿树沟泥石流形成条件非常有利.柿树沟流域面积适中，谷坡坡度较大，平均纵坡坡降属于泥石流易发坡降范围内；栾川县降雨丰富，极端强降雨和丰富的前期降雨量是导致柿树沟7.24泥石流暴发的关键.柿树沟7.24泥石流的主要物源为沟道泥石流堆积体，其主要分布于沟道内的宽缓地带，是由于以往泥石流规模不及7.24泥石流而形成.7.24柿树沟泥石流的形成具有水流掀动揭底沟道堆积物的特征，为沟床起动型泥石流.由于柿树沟人为改造较为严重，从沟口往上游开垦成种植地，在沟道泥石流堆积体处修建房屋，占用了沟道原有天然径流空间，在洪水时期极大地削弱了沟道过水能力，导致泥石流暴发时损失增大.建议采取有效措施清理沟道泥石流堆积体，或修筑拦挡工程，预防下次泥石流暴发.