绿春县半坡乡某村泥石流发育特征及危险性评价

易思材 ，张明文

(1.昆明理工大学国土资源工程学院，昆明 650093；2.云南有色地质局三○八地质队，昆明 650217)

泥石流是我国致灾规模最大、危害及分布最为集中的地质灾害之一[1]。西南地区由于特殊的地形地貌、气候环境以及破碎的岩土体，为泥石流的发育提供了有利的地形、丰富的物源及强烈的水动力条件[2-4]。泥石流造成的损失巨大，因而近年来许多学者对泥石流防治做了深入研究，危险性评价作为泥石流灾害防治的关键环节[5]，对泥石流防治及风险评价具备重大意义。危险性评价早期采用荒溪分类及危险区制图指数法[6]，后来是层次分析法[7-8]、递进分析理论与方法[9]、模糊综合评判法[10]、灰色系统理论法[11]、神经网络法[12]、数学概率论法[13]、信息量法[14]、逻辑回归法[15]、机器学习[15]等方法。不同工程应采取相对应的评价方法进行研究判断。

受2014年6月29日绿春3.4级地震及持续强降雨影响，2014年8月20日，绿春县半坡乡某村后山直线距离1.5 km处的居哈梁子出现大面积山体滑坡，并形成泥石流漫淤进沟口的研究区，造成农贸市场及其46个铺面160个摊位、33间民房，市政道路被淹没，冲毁一个养猪场，沿途沟壑约20 hm2橡胶树、0.2 hm2橡胶苗受毁，淹埋农田21.88 hm2。受灾面积43.3 hm2，受灾群众达142户686人，直接经济损失达1 200余万元，危害性为大型；经调查研究区滑坡引发泥石流威胁对象主要为沟口两岸居民、乡卫生院、半坡中学、胶厂的道路、房屋、农贸市场、商铺等。直接威胁人口大于1 000人，威胁资产9 000万元以上，潜在危险性等级为特大型，严重危害研究区当地居民的正常生产生活及生命安全。

本文结合大量现场调查资料及相关遥感数据，对泥石流的发育特征、形成条件进行分析。并且对动力学特征进行详细计算，同时辅以危险性分析，希望为该区域此类泥石流提供预警和防治参照。

1 研究区概况

研究区泥石流(图1)位于李仙江土卡河电站水库左岸，地形属山间河谷地貌。总体地势北东高南西低，分水岭居哈梁子海拔1 130 m左右，李仙江土卡河水电站水面最低仅365 m，高差悬殊大。区内气候差异明显，历年平均气温21.9 ℃，历年平均降雨量2 262.6 mm(降雨量占全年的73.33%)，多集中于5～10月。研究区分布于川滇经向构造带中段附近，主要为南北向构造所控制，另有“歹”字型构造东带和北东向构造插入及新老东西向构造并存，使区内断裂纵横，地层破碎。分布有古生界二叠系下统栖霞组，中生界三叠系上统一碗水组及新生界第四系冲积、洪积、泥石流堆积、残坡积、滑坡堆积等地层。研究区位于哀牢山深大断裂和红河大断裂南西侧，新构造运动及地震活动较频繁。

图1 研究区泥石流全貌(2020年3月27日卫星影像)

2 泥石流发育特征及形成条件

2.1 泥石流发育特征

(1) 物源区

物源区主要分布于左、右支沟，高程730 m以上地带，沟长约0.85 km， 相对高差约378 m，汇流面积约1.05 km2，沟床平均坡降445‰。地貌上均主要表现为陡峻的斜坡地貌，通常坡度为35°～60°之间，沟谷切割较深。在右支沟源头的哈居梁子一带已发生松散土体的滑坡和崩塌，为泥石流的形成提供了主要的固体物源。此外，由于该区地形陡峻，加之发生大面积滑坡后，地表岩土体、基岩裸露，斜坡对降雨的滞水作用较小，降雨易于汇集于沟谷。总体上看，该区在泥石流形成过程中主要起到汇聚水源和通过滑坡和崩塌提供松散固体物源的作用。

(2) 流通区

流通区长约1.7 km，相对高差约350 m，沟床坡降206‰。流通区总的表现为流通区范围小，径流较短，沟谷横断面呈“U”或“V”形，切割较深，两侧沟坡坡度20°～40°，局部陡峻。高程470～730 m段沟道较狭窄，呈“V”形，一般宽1～3 m。高程380～470 m段沟道经泥石流淤积，沟道相对宽阔，一般宽10～20 m。流通区沟床堆积物较多，为粘性土、砾砂等松散土体与碎石混杂，直径一般1～10 cm，最大可达0.6 m左右，局部地段基岩出露，偶见跌水坎、卡口。流通区沟谷两岸坡以第四系残坡积层为主，局部跌水坎、卡口段为基性深层侵入坚硬岩石辉长岩。受人类工程活动影响较大，沟两侧大多开垦成橡胶林地。流通区沟床、沟岸泥石流堆积物，在大洪水也可启动为泥石流沟提供丰富的固体松散物源。

(3) 堆积区

堆积区主要分布于李仙江土卡河电站库区左岸，由于研究区泥石流沟呈不规则的长条形，大部分泥石流物质沿沟岸堆积，汇于堆积区的物质只占小部分。相对高差约20 m，沟道长约285 m，平均坡降约71‰。上窄下宽，上部宽一般20～40 m，下部宽一般150～180 m，面积约0.35 km2。堆积扇整体呈不规则“喇叭”状。堆积区堆积物粒径相对均匀，堆积物岩性为第四系泥石流堆积层(Qsef)粘性土、砂性土充填，夹块卵石、碎块石土等，松散-中密，块卵石、碎块石成份以页岩、粉砂岩、泥质粉砂岩、灰岩为主。表部2～3 m厚度范围内，土体松散，碎块石含量高，粒径相对较大，深度3 m以下，土体呈稍密状，碎石含量相对少，粒径相对小。在横向上，外围两侧堆积物砾径比近沟心段砾径稍小。因沟口两岸为居民住宅、农贸市场等，可见淤积(图2)，经排导堆积于李仙江土卡河电站库区内，并在水库中形成堆积扇(图1)。堆积扇整体呈不规则“喇叭”状，分布长度约40 m，前缘最大宽度约60 m，实测堆积体面积约0.15×104m2，平均堆积厚度7 m，沟口扇泥石流堆积物总量约1.1×104m3。

图2 淤埋农贸市场及淤埋道路

2.2 泥石流形成条件

2.2.1 地形条件

研究区泥石流流域整体呈不规则长条状，上游源头哈居梁子的山坡坡度大致为30°～60°，2014年发生滑坡，为地貌上的幼年期，流域坡面上植被已被破坏，径流侵蚀作用较强，目前已形成“漏斗状”地形(图3)，更有利于水、松散固体物质汇集，流域产流能量条件较好。流域高差大，达765 m，平均坡降267‰，具备水动力条件。从形成区到堆积区的纵坡降逐渐变缓，从流通区到沟口地形逐渐开阔，沟床变宽，由“U”型过渡为扇面，是极为有利的地形条件。

图3 漏斗地形

2.2.2 物源条件

研究区泥石流物源有滑坡堆积物源、沟床堆积物源和坡面侵蚀物源3类。研究区有1处滑坡物源(图4)，呈现为2个滑坡，坡体物质主要由第四系坡残积层组成，主要为含-混碎石粉质黏土，坡体表面物质结构较松散，其中H1滑坡的方量估计约46×104m3， H2滑坡为H1滑坡堆积体的二次滑动，方量估计约为42.3×104m3,H1、H2滑坡合计估算方量为88.3×104m3，可活动的方量估计约为44.88×104m3。

图4 滑坡堆积物源

泥石流沟床堆积物源(图5)呈带状分布，松散层厚度0.5～10 m不等，平均厚6.0 m，沟床宽10～30 m，平均宽约20 m，堆积长度约0.95 km，主要物质含碎块石、卵石的碎石土层，块石粒径一般在1～10 cm，最大可达0.3 m左右，结构松散，局部地段为稍密-中密。沟床堆积物总量估计约9.12×104m3。

图5 沟床堆积物源

研究区大多坡度相对较缓，植被覆盖好，坡面侵蚀不强烈，侵蚀强度以轻度为主，此外还零星分布中度侵蚀区(图6)。中度侵蚀区包括零星分布的坡耕地以及滑坡堆积体前缘的细沟侵蚀及沟谷溯源侵蚀、侧蚀区。根据实地调查，面积约0.15 km2。表层残坡积层粘性土，厚0.5～5.0 m，下伏为全-强风化页岩、泥质粉砂岩、粉砂岩等。松散物质平均厚约1.5 m，松散固体物质的总量为22.5×104m3，动储量估计为2.25×104m3。轻度侵蚀区面积约1.30 km2，主要为林地。表层残坡积层含砾粉质粘土、粘土厚1.0～5.0 m，局部基岩出露，下伏基岩为全-强风化页岩、泥质粉砂岩、粉砂岩、辉长岩松散物质平均厚约2.0 m，松散物质的储量估计为260×104m3，动储量估计为26×104m3。经统计，该沟泥石流物源储量379.92×104m3，动储量75.93×104m3，物源条件丰富(表1)。

图6 中度及轻度坡面侵蚀物源

表1 研究区泥石流沟物源统计

2.2.3 水源条件

降雨是致使泥石流发生的主要因素。研究区泥石流流域属绿春县极多雨区。据绿春县气象局1990～2015年气象资料(图7)，多年的平均降雨量达2 262.6 mm，多年的日最大平均降雨量为100.633 mm。研究区5月到10月为雨季，呈现降雨集中且经常经历暴雨甚至大暴雨，2014年日降水量最大为136.4 mm，1 h降水量最大为56.8 mm，10 min降水量最大为23.4 mm，提供了极为有利水源条件。

图7 绿春县1990～2015年降雨柱状图

根据单沟泥石流暴雨强度指标计算公式[16]，可计算该沟暴雨强度：

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

式中,K为前期降雨量修正系数；H24为24 h最大降雨量(mm)；H24(D)为24 h界限降雨量(mm)；H1为1 h最大降雨量(mm)；H1(D)为1 h界限降雨量(mm)；H1/6为10 min最大降雨量(mm)；H1/6(D)为10 min界限降雨量(mm)。研究区年降雨量大于1 200 mm区域，H24(D)为100 mm ，H1(D)为40 mm，H1/6(D)为12 mm。K值取1.1，经计算R=5.2，R在4.2～10.0暴发泥石流的几率0.2～0.8，发生泥石流可能性极大。

3 泥石流运动学特征

3.1 泥石流粒度分配及容重

据现场调查，泥石流淤积物以碎块石及砾石、粘性土为主，成分以页岩、泥质粉砂岩、粉砂岩、辉长岩为主，空间上分布略具分选性。上游地段淤积物以碎块石为主，呈次棱角状，粒径一般大于2 cm，至下游段颗粒直径明显减少，一般在2～200 mm粒径占优，呈亚圆状，淤积物分选差或中等，级配较好，个别直径大于0.5 m。

对泥石流堆积物颗粒组成采用现场测绘综合调查法及取样测试法，选择具有代表性地段对颗粒组成进行调查和采取体积法取样分析，然后结合收集资料进行综合分析，最终确定各流域内的堆积物颗粒组成。泥石流堆积物颗粒组成见图8。

图8 堆积区粒度分配曲线

泥石流流体容重(γc)的确定采用现场配方法和查表法确定，计算公式如下：

式中,γc为泥石流容重；mc为配制泥浆的质量；v为配制泥浆的体积。

通过现场调查并2个试样点配方(表2)，求解取值为1.70 t/m3，同时结合现场村民描述泥石流流体特征及运动状态，该泥石流流体呈稀粥状，查表容重为1.60～1.80 t/m3。综合取用γc=1.7 t/m3。

表2 现场配方表

3.2 泥石流流速及流量

根据《泥石流灾害防治工程勘查规范》，研究区泥石流属于粘性泥石流，采用通用粘性泥石流公式[17]计算：

式中,Vc为泥石流流速(m/s)；nc为粘性泥石流河床糙率系数；R为水力半径(m)；I为泥石流水力坡度或沟床纵坡(‰)。

根据规范并结合现场调查资料，粘性泥石流河床糙率系数取值为0.125，水力半径按照不同实测值为准，泥石流水力坡度或沟床纵坡按照不同位置实测值为准，计算流速表见表3。

表3 不同位置流速计算表

泥石流流量计算采用东川泥石流公式[17]，如下：

Qc=Qw(1+φ)Dc

式中,Qc为泥石流流量(m3/s)；Qw为设计清水流量(m3/s)；泥石流堵塞系数，按《泥石流防治工程设计规范》[18]取值；φ为泥石流修正系数，φ=(ρc-1)/(ρH-ρc),ρc为泥石流流体密度(t/m3),ρH为泥石流固体颗粒密度(t/m3)。

3.3 一次泥石流冲出总量

一次泥石流总量Q可根据泥石流历时T(s)和最大流量Qc(m3/s)进行概算，公式[17]为：

Q=KTQc

式中,F<5 km2，K=0.202，T取3 600 s。

一次泥石流冲出的固体物质总量公式[17]为：

QH=Q(ρc-ρw)/(ρH-ρw)

式中,ρw为清水的重度，取ρw=1 t/m3。

经详细计算，泥石流冲出量关键特征参数结果见表4。由表可知，在10～100 a 一遇洪水过程中，该沟泥石流不同位置暴发规模一般为中型，若强降雨暴发时间间隔较长时，即使是10 a 一遇洪水，也可能使一次固体物质冲出量大于计算值。

表4 不同频率下的关键特征参数计算表

4 泥石流危险性评价

4.1 泥石流堵塞李仙江分析

影响泥石流堵河的主要因素有泥石流的性质和规模、主支沟流量、主支沟交汇角等[18]。具体判别式如下:

CF=lnFR-0.883(1-cosθ)2-2.567γ<-8.572

FR=QM/QB

γ=γc/γm

式中，CF为堵河判别系数；QM为河流单宽流量(m3/s)；QB为泥石流单宽流量(m3/s)；θ为河流与泥石流沟流向夹角；γc为泥石流容重；γm为水流容重。

研究区泥石流位于李仙江左岸，沟口与河道近似垂直，故θ取90°。由于沟口距离戈兰滩电站、土卡河电站较远，影响较小，本次计算采用李仙江多年平均流量409.06 m3/s作为单宽流量，泥石流堵江的可能性值见表5。结果表明，在不同频率下，泥石流堵江的概率较小。但可抬高河道1～2 m，需定期对入口堆积物进行清理。

表5 不同频率下的堵江可能性判别

4.2 基于组合权重法的泥石流危险性评价

根据研究区泥石流特征、分布及规模结合经验公式计算，划分为3个区，即极危险区、危险区、影响区，其中极危险区(图9)面积达0.103 5 km2，会对研究区的人民、公路及建筑造成巨大威胁。

图9 极危险区范围

极危险区分布于李仙江土卡河电站回水线上至沟谷沟口和沟源滑坡区，该区地质环境条件差。泥石流穿越集镇，为洪水、泥石流能直接到达的地区，也是泥石流危害对象的集中分布区，其危害程度大。另H1、H2滑坡阻断盘山公路危害程度大。

危险区分布于主沟沟口至沟源滑坡前缘沟谷段，该区地质环境条件差，极易诱发地质灾害，堵塞沟道，掩没橡胶林，易为泥石流提供固体松散物源，其危害程度中等。

影响区分布于研究区沿分水岭线汇水区大部分地带，该区坡面侵蚀及冲沟溯源侵蚀等不良地质作用影响强烈下，为泥石流提供固体松散物源。

考虑研究区泥石流主要受雨强的影响，本文采用侯兰功[19]提出的模型进行危险度评价，公式如下：

H=(∑GiDj)1/p

式中,Gi为评价因子权重；Dj为危险系数；p为降雨强度级别。

本文结合研究区泥石流沟的实际情况，选用一次冲出量Y1、发生频率Y2作为主要评价指标；沟谷流域面积Y3、主沟长度Y4、流域相对高差Y5、24 h最大降雨量Y6、不稳定沟床比例Y7及松散物源量Y8作为次要评价指标。

本文考虑采用灰色关联度法[20-21]或层次分析法(AHP)进行危险性评价，存在一定的缺陷。因此考虑采用组合权重[22-23]进行分析。因灰色关联度法和层次分析法原理较为成熟，本文不再累述。评价因子的危险系数取值表见表6[24]，灰色关联法权重及相关参数见表7，层次分析法构造矩阵及权重见表8。

表6 评价因子的危险系数取值表

表7 灰色关联法权重及相关参数表

表8 层次分析法(AHP)构造矩阵及权重表

组合权重公式如下：

d(w1-w2)2=(α-β)2

α+β=1

w=αw1+βw2

计算得α=β=0.5，组合权重值见表9。

表9 组合权重表

将降雨强度分级(中雨10～25 mm强度值为1；大雨25～50 mm强度值为2；暴雨≥50 mm强度值为3)[19]、权重值和危险系数代入公式计算结果见表10。

表10 不同降雨强度危险性表

绿春县地质灾害的诱因几乎都与降雨有关。通过对研究区泥石流沟的危险分区结合危险性计算结果，表明在中雨情况属于该沟危险性系数0.357 3，属于中度危险泥石流沟；在大雨情况下，危险性系数0.597 8，直接升至为高危险；在暴雨情况下，危险性系数0.709 6，此时该沟属于极危险泥石流沟。结合此次研究区泥石流发生时的暴雨天气，暴雨情况下的预测结果与实际相符合，属于极危险。因此需要对泥石流的发展趋势进行预测以便于制定防灾减灾对策。

4.3 泥石流发展趋势预测

据调查，该沟泥石流暴发于2014年8月20日，此前未暴发该类规模的泥石流灾害。依据堆积特征及侵蚀痕迹判断，研究区泥石流沟在后续时间暴发过多次小规模泥石流。以上表明该沟是一条现代泥石流沟，在近期进入了一个相对活跃时段，今后依然可能会发生泥石流。

从流域发展阶段来看，流域源头滑坡2014年才发生，地貌上处于幼年期，滑坡现阶段为不稳定状态，将继续发展，也将为泥石流不断提供物源，导致流石流将继续发展。沟流域面积仅1.6 km2，但源头滑坡区已呈保龄球形，汇流条件相对较好，加之流域处于极多雨区，泥石流规模有加大的可能。

同时流域内大部分的基岩为页岩、泥质粉砂岩，容易提供大量的松散物质，沟源头发育有大型滑坡，有大量的崩滑堆积物，流域位于7度地震烈度区内，地震的作用可使沟坡松散物进一步松动，产生新的滑坡、崩塌等，为泥石流的诱发提供丰富的物质基础。

综上所述，强降雨条件下，研究区泥石流沟还可能暴发泥石流。此外，在暴雨、地震、滑坡等地质条件下，该沟还可能暴发更大规模的泥石流。

5 结论及建议

5.1 结论

研究区泥石流沟是一条现代泥石流沟，“8.20”后小规模泥石流多次发生，目前泥石流正处于壮年期，类型为高频粘性泥石流。经过野外勘察并结合遥感数据分析，有以下几点认识：

(1) 受“6.29”地震的影响，研究区泥石流沟松散物质储量进一步增大，动储量达75.03×104m3，占总物质储量的19.99%，并且绿春属于极多雨区，经常发生暴雨，加之有利的地形条件，该沟泥石流活动性有进一步加强的可能性。

(2) 研究区泥石流容重为1.70 t/m3，流速为3.47 m/s。经计算p=1情况下峰值流量为58.49 m3·s-1，一次冲出物总量为4.25×104m3，一次冲出固体物质总量为2.36×104m3。极高危险区面积达0.103 5 km2，会对研究区的村民、公路及建筑构成巨大威胁。

(3) 根据堵江判别分析，在不同频率下堵江的可能性较低。采用层次分析法(AHP)加灰色关联法的组合权重进行危险性分析，避免单一分析方法存在的缺陷，在一定程度上提高了精准度。经分析，中雨情况该沟为中度危险，在大雨及暴雨情况，该沟呈现高危险-极高危险，并且暴雨情况与实际情况相符。

5.2 建议

(1) 该泥石流沟潜在危害性为特大型，建议采用拦挡坝及排导槽相结合进行治理，坝能起到拦挡和护坡作用，同时减缓泥石流速度，进而使得泥石流发生的可能性降低。排导槽建议按照30 a 一遇设计，增强排泄能力，同时建议定期对排导槽及河床进行清淤处理。

(2) 考虑绿春属于极多雨区，地质灾害频发，建议使用高精度仪器或遥感数据加强物源区变形监测。该沟在暴雨情况下，处于极高危险，建议加强雨季的气象实时监测，便于实时预警。