栖霞市生木树泥石流隐患点发育特征及发展趋势分析评价

张生海,韩明智,高松，白莹

(山东省第三地质矿产勘查院，山东 烟台 264004)

栖霞市生木树泥石流隐患点为烟台市471处地质灾害隐患点其中1处，曾于1979年7月因暴雨引发泥石流灾害，造成直接经济损失52万元，但未造成人员伤亡，现仍然威胁着流域内人民群众的生命财产安全。该文以泥石流沟流域作为研究区，以实地勘察成果为基础，分析评价了泥石流隐发育特征及发展趋势并计算了泥石流基本特征值，为同类型泥石流的防治提供科学依据[1-7]。

1 地质环境背景条件

研究区属暖温带东亚大陆性季风型半湿润气候，四季分明，年平均气温11.4℃，多年平均降水量673.44mm，雨季主要集中在7—8月份；区内属剥蚀低山地貌，地势西北高东南低，大地构造属华北板块(Ⅰ级)胶辽隆起区(Ⅱ级)胶北隆起(Ⅲ级)胶北断隆(Ⅳ级)栖霞-马连庄凸起(Ⅴ级)[8]，大面积出露新太古代奥长花岗岩及片麻岩，沿泥石流沟谷及沿岸地带主要出露漂石、块石、角砾、粉质黏土等松散覆盖层，区内出露2条NE向断裂构造。

2 泥石流发育特征及形成机理

2.1 泥石流基本特征

2.1.1 泥石流沟道特征

研究区为一较完整的沟谷流域，地形起伏较大，切割深度<300m，坡度10°～40°，汇水面积0.8km2，沟谷两侧松散堆积物厚度0.5～10.0m，植被覆盖率>60%，流域内主要包括1条较发育主沟及2条不发育支沟(图1)，沟谷横断面均呈“V”型。

主沟长约500m，纵坡(176～839)×10-3，切割深度>10m,沟宽10～50m，深0.8～2.5m，沟床及两岸覆盖松散漂石、块石、碎石土、耕土，上游地带基岩出露；支沟1长约230m，纵坡268×10-3左右，沟宽10～30m，沟底发育侵蚀切割冲沟，冲沟深度0.5～1.0m，上游基岩出露，下游主要覆盖粉土、碎石土、漂石，沟道底部现在为梯田；支沟2长150m，纵坡364×10-3左右，沟宽2～6m，沟底发育侵蚀切割冲沟，冲沟深0.3～1.0m，上游基岩出露，下游主要覆盖粉土、碎石土、漂石，支沟两岸主要为梯田。

2.1.2 泥石流各区段冲淤特征

区内地质、地貌、气候条件为泥石流形成提供了较丰富松散物质和水动力条件，地形为泥石流流通提供通道条件。通过实地勘察及分析研究，该泥石流沟划分为形成区、流通区、堆积区(图1)：

1—汇水面积范围,2—形成区,3—流通区,4—堆积区,5—泥石流沟,6—村庄,7—分区界线,8—断裂构造图1 泥石流沟流域略图

(1)形成冲淤特征。形成区主要为3条泥石流沟起始至汇集区域，长约670m，面积约0.3km2，该区地形起伏较大，纵坡最大达839×10-3，降水汇集后水动力条件好，其冲淤特征以冲刷为主：上游地带主要出露基岩斜坡，植被覆盖率高>60%，抗冲刷能力较强，区内汇水面积较小，流水冲刷能力相对较弱：中下游因泥石流灾害，大量松散物质堆积沟道中且沟道两岸为梯田，抗冲刷能力较弱。该区主要表现为以冲刷为主，局部地形平缓处有淤积现象的特点。

(2)流通区冲淤特征。流通区主要分布于形成区与堆积区之间，长约300m，面积约0.05km2，沟道地形起伏较小，平均坡降约150×10-3，主流方向未偏离且河形变化不大，这种条件决定该沟段冲淤特征为以淤为主的特点。

(3)堆积区冲淤特征。堆积区位于研究区下游地形相对平缓地带，长约530m，面积约0.1km2，沟道形态逐渐由“V”字型向宽缓地形转变，主流方向未偏离且河形变化不大，平均坡降约110×10-3，冲淤特征主要为冲刷：泥石流灾害将原沟道中松散堆积体和沟底的强风化基岩部分裹挟、铲刮最后运移至该区，区内地形较为开阔，堵溃可能性较小，有利于泥石流物质的停放，堆积物主要为块石、漂石、碎石土。

2.1.3 泥石流物源条件

根据现场勘察，泥石流物源主要来自形成区内的洪积物和沟岸两侧的坡积物，补给长度比约30%：主沟物源主要分布沟谷及两岸，面积160258m2，厚0.2～10.0m，平均厚度约2m；支沟1松散覆盖层厚度0.2～6.0m，平均厚度约1.5m，分布面积49907m2；支沟2松散覆盖层厚度0.2～8.0m不等，平均厚度约1.5m，分布面积95924m2。根据《泥石流灾害防治工程勘查规范》(T/CAGHP006--2018)附录C，采用分布面积与平均厚度的乘积法计算出研究区物源总量46.66×104m3，流域动储量为46.66×20%=9.33×104m3。

2.1.4 泥石流堆积物特征

(1)堆积物颗粒特征。区内的泥石流堆积体呈扇形状堆积于沟道及两岸，主要为漂石、块石，角砾石、碎石土及粉质黏土等，整体呈灰褐色或黄褐色，块石粒径一般在10～400mm之间，最大2.0m，含量>50%，磨圆度及分选性较差，局部碎石呈尖棱状，母岩成分为奥长花岗岩，碎块石间被角砾、粉质黏土等充填。

(2)堆积物叠置关系及成因分析。泥石流发生初始阶段，流体运动速度快，冲击力大，各种粒径的石块及土被快速冲刷携带而走；随后经流通爬高后能量消耗，运动速度减慢，冲击力减弱，大粒径石块停积在沟道中，粒径较小的石块及土可继续流通，停积的石块导致其对泥石流排导能力减弱甚至失去排导能力，粒径较小的石块及土层主要表现为漫流和淤埋。综上，区内泥石流堆积物在垂向上，粒径呈现上大下小的漂石或块石、角砾或碎石土、粉土及粉质黏土叠置；在径流方向上，粒径呈现自上游的漂石或块石、角砾石至下游的角砾石、粉土、粉质黏土自大变小的堆积特征。

2.1.5 泥石流类型划分[9]

(1)按水源和物源成因分类。该泥石流灾害因暴雨引发，坡面和冲沟侵蚀提供泥石流形成的主要物源，属暴雨型、坡面侵蚀型泥石流。

(2)按集水区特征分类。研究区上游属中低山，近似呈扇形，冲沟主要位于山间沟谷中，呈长条带状，物源主要分布于冲沟两岸，受暴雨和汇流水体的冲蚀作用较为强烈。整体而言，泥石流区域受一定的沟谷制约，流域周界较为清晰，上游汇水区、物源区、形成至堆积区有一定的层次感，属沟谷型泥石流。

(3)按爆发频率分类。该泥石流沟谷曾于1979年7月发生泥石流，至今暂未再次发生泥石流地质灾害，按爆发频率1次/100年<1次/20年确定为低频率泥石流。

(4)按物质组成及流体性质分类。泥石流物质主要漂石、块石，角砾石、碎石及少量砂土和粉质黏土，漂石、块石堆积于上游地带，碎石土、砂土及粉质黏土等被水流携带至下游，堆积物杂乱，无定向性和分选性，且堆积物块石表面较干净，无泥浆残留，结合泥石流发生时的暴雨情况，初步估计泥石流重度在1.3～1.8t/m3之间,属水石型、稀性泥石流。

(5)按一次性爆发规模划分。据调查访问与资料收集(1)山东省地质环境监测总站，山东省栖霞市1∶5万地质灾害调查报告，2012年。，该泥石流灾害一次冲出固体质量约2.7×104m3，规模为中型。

综上，研究区泥石流属于由暴雨激发的坡面侵蚀型的、低频率的、一次爆发规模为中型的、水石型的、稀性的沟谷型泥石流。

2.2 泥石流形成机理与引发因素

2.2.1 形成机理

沟谷型泥石流的形成条件主要有3个：地形、物源、水源条件[10-11]，研究区1979年因暴雨引发泥石流，具备泥石流形成所必须的地形地貌条件、固体物质来源及水源条件。

(1)地形地貌条件。区内泥石流沟为封闭的“V”型谷，属剥蚀低山，总体地势西北高东南低，地形起伏较大，相对高差290.09m，沟谷纵坡降最高可达839×10-3，沟形较为顺直。较大的地形高差和较窄沟谷，有利于松散固体物源、雨水的汇集，为泥石流的形成、运动提供了有力条件。

(2)物源条件。充分的松散固体物质是形成泥石流的必要条件之一[12-13]，研究区松散固体物质主要分布于泥石流沟床及其两岸的漂石、块石、角砾石、砂土、粉质黏土及梯田耕植土等松散覆盖层，物源总量达46.66×104m3，流域流动储量约9.33×104m3，为泥石流的形成提供了充足的物质来源。松散固体物源的累计和动态变化情况及与引发泥石流的暴雨情况相关[14]。

(3)水源条件。降雨强度越大，越有利于泥石流的发生、发展及活动[15]，区内7—8月期间常出现暴雨天气，且具有强度大、历时短等特点，暴雨能够在短时间内为泥石流提供充足的水源[16-17]，加大沟谷侵蚀强度，各种疏松物质随水流携带，迅速汇集在分支沟和主沟中，造成沟床堵塞、流体增稠、产能积累，为泥石流的形成爆发提供了动力。

2.2.2 引发因素

区内目前人类工程活动主要为梯田耕种，为泥石流的发生提供了松散的梯田耕植土物源，区内引发泥石流发生的主要因素为降雨。当局部长时间的大暴雨和长时间降雨后又降大暴雨时，会启动沟道上游人工堆积物、沟道堆积物，爆发泥石流的可能行较大，同时会造成斜坡不稳定堆积物失稳进入沟道，大大增加泥石流物源量。

3 泥石流特征值计算

3.1 泥石流流体重度

据实地调查目睹过泥石流的居民，按照他们的感官描述，发生的泥石流浆体为稀浆状，根据流体形态调查法初步估计泥石流流体容重取值1.20～1.40t/m3[9]；同时选择具有代表性的堆积物4组，进行现场配浆试验，采用计算公式：γc=Wc/Vc[9],式中：γc为泥石流流体容重(t/m3)；Wc为样品质量(g)，该次4组试验的样品平均质量为6900g；Vc为样品的体积(cm3)，测量容器体积为5000cm3；计算泥石流流体重度平均值为1.38t/m3；综合确定研究区泥石流流体重度为1.38t/m3。

3.2 泥石流流速

目前，泥石流流速主要采用经验和半经验公式计算，一般分为稀性、黏性和泥石流中大石块运动速度计算公式3类[18-20]，根据泥石流流体重度计算结果，该次在主沟、支沟1、支沟2及流通区沟道各选取1处泥石流沟计算断面，采用急稀性泥石流流速计算公式：Vc=1.8(gR)1/2I1/10[9]进行计算，式中：Vc为泥石流流速(m/s)；g为重力加速度(g=9.8m/s2)；R为水力半径(m)，一般可用平均泥位代替，根据实地调查，各泥石流沟平均泥位：主沟为0.50m，支沟1为0.40m，支沟2为0.5m，流通区为1.0m；I为纵坡降：主沟I=0.35，支沟1I=0.15，支沟2I=0.20，流通区I=0.10。将各参数带入上述公式中计算得出各泥石流计算断面泥石流流速(Vc)：主沟为3.59m/s，支沟1为2.95m/s，支沟2为3.39m/s，流通区为4.48m/s。

3.3 泥石流峰值流量

泥石流峰值流量一般可通过形态调查法和雨洪法进行计算，形态调查法计算结果没有考虑暴雨频率的概念[20]，而雨洪法则根据现有沟域面积进行计算，具有预测性质，故该次选取上述4处计算断面采用雨洪法进行泥石流峰值流量计算。计算公式为Qc=(1+φ)QpDc[9]和Qp=ΨFs[9]，式中：Qc为频率为P的泥石流洪峰值流量(m3/s)；φ为泥石流泥沙修正系数参照附录I.2确定；Qp频率为P的暴雨洪水设计流量(m3/s)；Dc为泥石流堵塞系数，该泥石流沟堵塞程度轻微，查表取Dc=1.3；F为计算断面流域面积(km2)；s为小时雨强(mm)，取2016年7月18日百年一遇的1小时降水量达95.0mm；Ψ为暴雨径流系数，研究区为针叶树林，查表取0.8。雨洪法计算泥石流峰值流量结果见表1。

表1 泥石流峰值流量计算结果(雨洪法)

3.4 一次泥石流过流总量

根据泥石流历时和最大流量，按下式进行计算：Q=0.264TQc[9]，式中：Q为泥石流一次过程总量(m3)；T为泥石流历时(s)，据当地百姓回忆，1979年泥石流发生时，降雨持续时间长达2h左右，泥石流历经20min(T=1200s)；Qc为泥石流最大峰值流量(m3/s)，取46.99m3/s。将各参数带入上述公式计算得出Q=14886.43m3。

3.5 一次泥石流冲出固体物质总量

按下式进行计算：QH=Q(γc-γw)/(γH-γw)[9]，式中：QH为一次泥石流固体物质冲出量(m3)；Q为泥石流一次过程总量(m3)，取上述计算结果Q=14886.43m3；γc为泥石流重度(t/m3)，取前述计算结果γc=1.38t/m3；γw为清水重度(γw=1.0t/m3)；γH为泥石流固体质量的重度(t/m3)，根据《泥石流灾害防治工程勘查规范》(T/CAGHP006--2018)，附录I.2取γH=2.65t/m3。将各参数带入上述公式计算出QH=9333.79m3。

3.6 泥石流爬高和最大冲起高度

表2 泥石流爬高和最大冲起高度计算结果

4 泥石流发展趋势分析评价

4.1 泥石流易发程度分析与评价

根据区内泥石流发育特征，泥石流沟流域面积0.8km2，植被覆盖率>60%；区内位于构造相对稳定区，存在侵蚀冲沟；区内相对高差209.09m，沟谷横断面呈“V”字型，坡度10°～40°，沟岸山坡坡度>32°；区内主要出露新太古代奥长花岗岩及片麻岩和松散第四系残坡积物、崩坡积物等，松散覆盖物平均厚度1.5～2.0m，物源总量达46.66×104m3，流域流动储量约9.33×104m3，物源丰富；松散物源沿沟道补给较充分，补给长度比约30%，沟谷内(1979年7月泥石流)一次泥石流冲淤变幅<0.2m，沟谷堵塞程度轻微。

根据上述泥石流沟域基本特征和参数，对照《泥石流灾害防治工程勘查规范》(DT/T0220--2018)附录I.1“泥石流沟易发程度数量化评分表”(表3)，研究区泥石流易发程度评分为70分，依据附录I.3“泥石流沟易发程度数量化综合评判等级标准表”，研究区泥石流易发程度评分位于44～86分之间，为轻度易发。

4.2 泥石流的发生频率和发展阶段

自1979年发生泥石流后，至今暂未再次发生泥石流地质灾害，确定该泥石流为低频率泥石流(表4)。

表3 泥石流沟易发程度数量化评分

表4 泥石流按爆发频率分类[9]

根据前述泥石流基本特征描述并结合《泥石流灾害防治工程勘查规范》(DT/T0220--2018)附录B“泥石流沟发展阶段的识别方法”中的识别标记：研究区沟道顺直较窄，沟破陡峻；主沟侵蚀速度大于支沟侵蚀速度；沟口扇形堆积地形发育；松散物边坡坡度>30°，呈<30m高度堆积；沟槽以纵向切蚀为主，溯源冲刷发育，沟槽不稳；沟域松散物模量46.66×104/0.8=58.3×104m3/km2，大于10×104m3/km2；激发泥石流雨强为暴雨乃至特大暴雨。综合分析确定该泥石流沟目前处于发展期。

4.3 泥石流的发展趋势预测

现状条件下研究区泥石流灾害趋于相对稳定，从影响区内泥石流发生的因素来看，地貌、地质和气候等基本因素，为泥石流的形成发展提供了必要条件，因此区内泥石流活动也将长期存在，而促进和激发区内泥石流发生的自然因素主要为强降雨，只要出现有利的激发条件，就可能再次引发泥石流发生。

该泥石流沟形成泥石流的地形及物源条件都十分充分，流域内泥石流松散固体物源较丰富，总量46.66×104m3，动储量为9.33×104m3，且物源主要集中于沟道及两岸地带，在遇暴雨乃至大暴雨激发作用下，会增加泥石流的物源量，这些物源在较大流量的洪水作用下启动，进而可能会产生新的突发性泥石流灾害，危害流域范围内居民生命财产安全。

5 结语

(1)研究区泥石流属由暴雨激发的坡面侵蚀型的、低频率的、水石型的、稀性的、沟谷型泥石流。

(2)通过野外调查、试验和计算，研究区泥石流容重为1.38t/m3，为稀性泥石流；泥石流流速2.95～4.48m/s，峰值流量为6.53～44.76m3/s，一次泥石流过流总量为14886.43m3，泥石流一次冲出的固体物质总量为9333.79m3,规模为小型，泥石流爬高0.71～1.64m，最大冲起高度为0.89～2.05m。

(3)综合分析研究，现阶段研究区泥石流易发程度为轻度易发，泥石流沟发展阶段为发展期，泥石流灾害趋于相对稳定，但一旦遭遇暴雨至特大暴雨，可能会再次引发泥石流地质灾害。

(4)建议在流域上游修建拦挡坝，下游修建排导槽，同时加强监测，搞好水土保持，实施合理耕作活动，全方位减弱泥石流灾害的发生。