小流域泥石流成灾条件分析——以三江口泥石流为例

虢传文

(湖南省地质矿产勘查开发局四○二队，湖南 长沙 410004)

1 泥石流灾害概况

2015年7月4日汝城县三江口镇发生了百年以来降雨强度最大、区域最集中的特大暴雨天气过程，据雨情监测数据，6 h内(凌晨3点～8点)降雨量达237.1 mm，小时最大降雨量达到了64.9 mm，10 min最大降雨量达到了23.2 mm，强降雨诱发了三江口镇镇政府后山泥石流，导致冲出泥石流固体物质约13 000 m3，固体物质堆积于沟口下游平缓地形成面积约15 000 m2的堆积扇。

泥石流的突然爆发致使当地受灾严重，其中冲倒房屋16间，掩埋冲毁车辆约23台，并损毁镇政府大量设施设备，但未造成人员伤亡，直接经济损失达1 340万元，社会影响较大。

2 泥石流流域地质环境条件

(1)流域属构造剥蚀丘陵地貌，整体地势西高东低，海拔在180～330 m之间。区内沟谷多呈“V”字型发育，沟道坡降一般200‰～300‰之间，沟道两侧斜坡整体较陡，坡度一般约为30°～45°，平均约40°。

(2)流域内出露第四系(Q)土层和燕山早期(γ52-1)侵入岩体。第四系土层以泥石流堆积形成的淤泥质砂土和残坡积形成的粉质黏土为主，燕山早期侵入岩是以中粗粒和细粒斑状黑云母花岗岩为主的诸广山岩体。

(3)流域地处南岭东西向构造带中段与新华夏系“多”字型构造的交汇部位。在漫长的地质发展中，经历了加里东、印支、燕山等运动，构造极为复杂，行迹多样，按其力学性质、展布方向大体可分为东西向构造、南北向构造、华夏系构造、新华夏系构造、山字行构造和旋转构造。

(4)流域内地下水类型有松散岩类孔隙水和基岩裂隙水两大类型，以基岩裂隙水为主。由于花岗岩裂隙发育多呈闭合状，含水性较差，水量贫乏。

3 泥石流成灾条件分析

泥石流成灾条件主要包含三个方面：利于集水集物的地形地貌、丰富松散的固体物源和短时间突然性的大量水源。针对本次泥石流，对其三个方面的成灾条件具体分析。

3.1 地形地貌条件

泥石流由主沟N1、N2及其发育的支沟N3、N4共四条沟道组成如图1，呈树枝状分布，流域整体方向呈西向东，总流域面积约0.11 km2。N1沟道呈“U”形如图2，长约203 m，沟道平均纵坡约195‰，汇水面积为0.011 km2。N2沟道呈“V”形如图3，长约457 m，沟道平均纵坡约280‰，汇水面积(含N3和N4汇流面积0.064 km2)为0.095 km2。N3支沟呈“V”形，长约253 m，沟道平均纵坡约344‰，汇水面积为0.034 km2。N4支沟呈“V”形，长约273 m，沟道平均纵坡约282‰，汇水面积为0.03 km2。

图1 泥石流流域卫星图

图2 N1沟床纵坡图

图3 N2沟床纵坡图

整体来讲，泥石流沟谷形态以“U”、“V”字形为主，沟道中上游纵坡较陡，沟道较为顺直，利于雨水迅速汇集，减少其径流时间；下游沟口纵坡较缓，大量水源物源在此减缓运动速度并逐渐停留下来形成泥石流堆积；沟道两侧斜坡整体较陡，坡度一般约为30°～45°，平均约40°，为固体物源提供了有利的势能条件。

3.2 物源条件

泥石流的物源主要来自于沟谷两侧斜坡上分布的崩滑体所形成的的崩滑堆积物源、坡面表层土体受水力侵蚀或重力侵蚀所形成的坡面侵蚀物源、沟道内历史堆积的松散物质所形成的沟道堆积物源。各物源储量见表1。

表1 泥石流物源汇总表

崩滑堆积物源主要分布于稳定性较差的沟道岸坡处，以崩滑体的形式存在。崩滑体坡度较陡，在重力作用下有向坡脚沟道方向发生塑性挤压的趋势，其物质主要以松散的残坡积粉质黏土层(一般1～3 m)和呈砂砾状的全风化花岗岩层(一般2～7 m)等为主，在雨水渗透作用下饱水，导致其物质结构破坏、自重增加、抗剪强度降低，继而发生沿粉质黏土和全风化花岗岩内部的圆弧滑动而形成崩滑体，成为泥石流的重要物源。

坡面侵蚀物源主要分布于流域内斜坡坡面上，由于该泥石流流域岸坡坡度较大，一般约为30°～45°，平均约40°，基本在坡面侵蚀临界角范围内；而坡面表层以残坡积粉质黏土为主，其结构松散，易受水力侵蚀或自身重力侵蚀而进入沟道形成泥石流的物源。

沟道堆积物源主要为沟道内的历史形成的松散堆积层，既包括沟道自身侧蚀形成的堆积物，也包括崩滑体失稳和坡面侵蚀物质运动至沟道形成的堆积物，在遭遇大暴雨的情况，由于沟床水动力条件将大大提高，可能将沟床刨蚀，裹挟大量堆积物而直接参与泥石流活动。

崩滑体失稳是一个即时的过程，在降雨条件下崩滑体失稳形成的崩滑堆积物源可转化为沟道堆积物源；坡面侵蚀是一个缓慢的过程，其累积形成的坡面侵蚀物源亦可转化为沟道堆积物源；沟道堆积物源在强降雨作用下最可能首先启动，在其不断流动的过程中掏蚀岸坡坡脚，加速沟谷岸坡上坡体局部或整体失稳，形成新崩滑堆积物源，为泥石流运动提供更多固体物源，故物源间的相互转化使得可直接参与泥石流的物源量不断增加。由于沟道纵坡和宽度的差异，部分物源可能发生水砂分离而在沟道宽缓地带淤积下来，加之部分物源粒径较小，其可能被常年性流水挟裹而走，故可直接参与泥石流的物源量物随着时间可不断减少。总之，泥石流区域物源总量是一定的，但一次可直接参与泥石流的物源量是动态变化的，本次泥石流爆发时冲出物源量约13 000 m3。

3.3 水源条件

泥石流沟道水量主要靠大气降水和地下水渗透补给。由于区内松散岩类孔隙水水量贫乏，基岩裂隙水埋深较大，均地下水难以渗透于沟道形成地表径流。加之N1沟道无明显水流；N2及其支沟N3和N4虽有常年性流水汇集于N2沟口，但其流量不稳定，在汛期约0.05 m3/s，旱季流量极小，难以汇流成溪，故泥石流形成的水源主要为大气降水。

本次泥石流爆发时正值汛期(汛期时间4～9月，平均降雨量1 065.2 mm，占年均降雨量的68.9%)，爆发当日降雨量249 mm，时最大降雨量64.9 mm，10 min最大降雨量23.2 mm如图4。

区内泥石流日激发雨量100 mm，1 h激发雨量40 mm，10 min激发雨量12 mm。据此计算暴雨强度指标以判断发灾机率，公式如下：

图4 2015年7月4日00时～7月5日00时流域内小时降雨时间分布图

R=K(H24/H24(D)+H1/H1(D)+H1/6/H1/6(D))

式中：R为暴雨强度指标，其中R<3.1为安全雨情，3.1≤R≤4.2发灾机率<0.2，4.210发灾机率>0.8；K为前期降雨修整系数；因前期有降雨，取1.2；H24、H1、H1/6分别为24 h最大降雨量、1 h最大降雨量、10 min最大降雨量，mm；H24(D)、H1(D)、H1/6(D)分别为24 h激发雨量、1 h激发雨量、10 min激发雨量，mm。

计算本次泥石流爆发时暴雨强度指标R为7.3，故泥石流发生机率0.2～0.8。因此发灾时区内暴雨强度满足泥石流的激发条件，为该泥石流提供了充足的水源条件，激发沟内不同类型的松散物源失稳而参与泥石流活动，诱发了泥石流灾害。根据泥石流爆发时暴雨强度计算泥石流的相关水力特征，见表2。

表2 泥石流水力计算表

计算结果显示泥石流爆发时流速处于一个较小的范围内，在该流速下可被启动的粒径一般小于200 mm，对于大粒径块石难以启动。而由于流域为花岗岩地区，其风化物粒径多在1～20 mm之间，根据对泥石流堆积物进行颗分试验，显示堆积物主要以砂砾为主，其中直径大于2 mm的颗粒含量约35.6%，小于2 mm的颗粒含量约64.4%，故流域内的松散堆积体大部分可以被启动形成泥石流。

4 结语

三江口泥石流属于典型暴雨型泥石流，其汇水条件较好，物源较为丰富，当强降雨产生时，直接激发流域内各类物源流动形成泥石流。根据流域内现有物源稳定状况及分布特征，在一定暴雨强度下，再次暴发泥石流的可能性大，应对其进行有效治理。该泥石流治理可采用拦排结合停淤的方式：于沟谷坡度较缓处修建多级谷坊进行拦挡；于沟口平缓处修建沉淀池起到停淤作用；于沟口至下游河流沿线修建排导槽将泥石流排入下游河流；同时对流域内崩滑体进行绿化以防止生态恶化，实现生态恢复和工程治理的有机结合。