隴南市文縣石雞壩鎮水磨溝泥石流發育特征及形成條件分析

代寶峰,劉晉文

(1.甘肅省地下水工程及地熱資源重點實驗室,甘肅 蘭州 730050;2.甘肅省地質環境監測院,甘肅 蘭州 730050)

2020年8月14日至18日,文縣境內連續發生多次強降雨,致使8月17日下午2時許水磨溝暴發特大山洪泥石流。山洪泥石流夾帶大塊石從溝道咆哮而下,沿程沖毀居民房屋和農田,沖毀道路、電力、通訊、河堤等設施,并直沖入白水江江道,堵塞白水江而形成堰塞湖。據統計,此次泥石流災害造成2人死亡、1人失蹤,直接經濟損失9 400萬元,造成水磨溝村、石雞壩村受災,受災人口276戶1 186人,泥石流造成道路、電力、通訊設施、河堤、農田等設施受損。此次泥石流災情之大、損失之嚴重在文縣罕見,因泥石流誘發次生災害,威脅之大,給石雞壩鎮險崖壩村、石雞壩村及白水江畔居民生命財產安全造成巨大損失,研究其發育特征及形成條件迫在眉睫。

1 地質環境概況

研究區所處的石雞壩鎮位于文縣中部,水磨溝為白水江左岸支溝,流域呈近東西向展布,總匯流面積31.26 km2。區內各地雨量分布不均,全縣多年平均降水量450～850 mm之間,降水總趨勢自東南向西北減少,資料顯示,災害發生時文縣境內連續發生多次強降雨,較大降水量出現在碧口(329.5 mm)、范壩(286.4mm)、馬家溝(279.6 mm)、凡昌(200.1 mm)、清水坪新村(198.3 mm)等地。水磨溝流域以東大部分地區為侵蝕構造高山山地地貌,侵蝕強烈、坡陡谷深,山峰海拔多在1 700～3 000 m之間,山體相對高差110～1 400 m,山梁多呈條形、鼻梁形,山坡坡度一般為25°～50°,部分為大于70°的陡坡、陡崖,或呈直立。水磨溝中、下游兩岸溝谷階地斷續、零星分布,局部坡積扇較大,階面及坡積扇面上為農田地、居民住地、果園等。研究區出露地層以第四系、二疊系及三疊系為主,其中第四系松散堆積物質分布廣泛,成因類型較多,厚度變化較大,主要分布于溝谷區兩側及較大支溝內,堆積坡度較陡,以碎石土為主,次為砂土,混雜堆積,物質松散,穩定性差,既是泥石流的重要補給物源,同時也是主要的災害群體之一。研究區屬石雞壩-觀音壩斷層的西延部分,是性質不明斷層及推測斷層,對水磨溝泥石流洪積扇的形成有一定作用。此外,石雞壩處在石坊-橋頭復背斜和范家壩-石坊斷裂帶上,并受鄰近松潘—平武地震帶的強烈影響,屬地震多發區。地震松動巖土坡體,一定程度上加大了水土流失強度,使流域內松散固體物質數量和累積速率有增大的趨勢,加重了研究區泥石流災害隱患。

2 泥石流形成特征

水磨溝泥石流為暴雨引發的溝谷型黏性泥石流,根據其形成、運移、堆積特征,從流域整體來看,可將其劃分為形成區、流通區、堆積區等三部分。形成區位于流域的上、中部,平面形態呈樹葉狀,面積為30.12 km2,占總面積的96.14%。谷坡坡度一般20°～65°。上游區內林草茂盛,植被發育良好,坡體上固體松散物質較少,多以面蝕的形式補給溝道,但補給量較少。中下游巖土體存在部分裸露區,植被條件相對較差,人為耕作及破壞植現象多見,坡面上松散的殘積坡積物分布,易被坡面洪流匯集后沖刷,且其上游具有一定的坡面匯流面積,產生泥石流的地形地貌條件和水動力條件優越,面狀侵蝕較為嚴重。本次所調查的滑坡、崩塌及小型泥石流等地質災害主要分布在該區,溝谷側蝕現象比較嚴重,固體松散物質儲量豐富,具備良好的松散固體物質補給條件。流通區位于流域的中、下游,主要包括梨樹地下至水磨溝村段、溫家溝至溝口段,面積為0.25 km2,占總面積的0.80%。該區主溝道寬達20～50 m,溝床縱坡降平均為13.42%。溫家溝段多見跌坎,水動力條件良好,各支溝溝口段常是多次暴發洪水、水石流最嚴重的危險區。堆積區位于流域水磨溝村至溫家溝村段、溝口洪積扇區,溝口堆積區平面形態呈掃帚形,面積為0.55 km2,占總面積的1.76%。該段主溝道寬達50 m,溝道多次抬升呈似臺階狀,發育溝谷階地,高出溝床地表達5～15 m,固體松散物質堆積較厚。河口段為白水江沖積物與水磨溝沖洪積物相互疊合而成,河床附近松散層剖面顯示平均厚度達5 m以上,該區是歷史上水磨溝流域主要的泥石流堆積區。目前為水磨新村現址,現代溝床中為洪沖積碎石土堆積,且為常年性地表流水,在暴發泥石流時堆積的固體物質,在下一次洪水過程中大部分被侵蝕到白水江河道中。該區是暴發流域型泥石流最嚴重的危險區(圖1)。

圖1 水磨溝泥石流流域分區

圖2 水磨溝泥石流遙感影像

水磨溝內松散固體物質主要集中于主溝的中、下游兩側坡面上,及各支溝的中下游坡腳一帶,暴雨期間,雨水順支溝及陡峻的坡面而下,迅速匯集于坡面支溝內,并沖刷攜帶坡面松散物質及坡面支溝溝床物質,使坡面支溝泥石流渲泄而下在主、支溝內匯合壯大,沿程沖蝕溝道物質,特別是主、支溝中下游集中分布的滑坡、崩塌等松散物質,及坡面殘積坡積松散物質的沖蝕匯入,迅速加大了泥石流的重度及流量,從而形成大規模泥石流。

3 泥石流形成條件分析

3.1 地形條件

水磨溝位于文縣石雞壩鎮水磨溝村,白水江左岸,為侵蝕高中山區內的侵蝕性溝谷,流域平面形態似樹葉狀,整個流域呈近東西向延伸,南北長6.3 km,東西寬達3.4 km,最大相對高差2 017 m,平均比降12.52%。主溝中上游溝床縱比降平均13.42%,溝坡坡度一般20°～65°,坡面上發育少量基巖崩塌及松散殘坡積層滑塌,對泥石流形成一定的補給。主溝中游溝道相對上游開闊,呈 “U”型及寬緩狀,溝谷寬達220～350 m,溝床縱比降平均10.19%,北側溝坡大部分基巖裸露陡立,南側多為沖洪積、殘積坡積松散地層,受筑路開挖斜坡、人工采砂,南、北側坡面上地質災害均相對發育,溝岸兩側松散碎石土堆積多,形成主溝泥石流豐富的物源。主溝下游溝道寬達250 m,平均溝床縱比降13.18%,再向下洪積扇堆積區,縱比降平均5.26%。該段為全流域洪沖積物近溝口的主堆積區,呈不規則長條形,溝谷橫剖面型態呈寬緩“U”型。北岸有溝谷高階地殘留,南岸多被松散殘積坡積物覆蓋,基巖體零星出露,兩岸滑坡、坡面型泥石流發育,植被覆蓋率最低,巖土體直接裸露,形成主溝泥石流的物源豐富。綜合上述,水磨溝流域內溝坡陡峻,溝道縱比降較大,流域形態極利于降水在短期內匯集,可為泥石流的形成和流動提供足夠的水動力條件。該溝地形條件有利于主溝及坡面型支溝泥石流的形成。

3.2 松散固體物質補給條件

現場調查,水磨溝泥石流松散物質來源主要有滑坡、崩塌堆積物、坡面侵蝕松散堆積物、溝岸側蝕、溝床淘蝕物。流域內發育5處滑坡、3處崩塌,在地震、暴雨的作用下極易發生滑動,滑坡的滑移將致使坡體前緣失去支撐而引發后緣更大的滑坡體失穩,滑坡體直接堆積于溝道內,其松散固體物質成分以風化剝落的石灰巖碎、塊石為主,受坡面長期自然風化的影響,崩滑堆積體結構松散,加之溝道內水流的長期下切掏蝕,堆積體臨空面不斷增大,為泥石流提供充足的固體物源。坡面侵蝕松散堆積物披覆于溝道東西兩側山體,山體頂部覆蓋黃土,中、下部覆蓋碎石類土,結構松散,受暴雨影響易沿坡面以面流、散流的形式進入溝道內。溝岸側蝕、溝床淘蝕物,在支溝中下游段溝道狹窄處,由于早期山體崩塌堆積于溝床中,為后期發生大規模泥石流提供了足夠的固體松散物質。

3.3 水動力條件

水磨溝為季節性流水溝谷,主要來源于大氣降水及地下水排泄補給。雨洪是泥石流的主要水源,泥石流的發生與降雨(特別是大雨、暴雨)密切相關。隴南市文縣多年平均降水量337.6 mm,夏秋多雨,占全年降水量的76.2%,而以7月份為多,其降水量占全年降水量的21%。暴雨強度最大值碧口達166.1 mm/d,城關達143.6 mm/d,一小時最大降雨量93.3 mm(2020年8月17日白水江流域),10 min最大降雨量30 mm。從1959-2000年文縣共出現59個暴雨日,平均每年1.4個暴雨日,最多年份3個。降水集中,暴雨多是區內降水的主要特點,可見,區內的水源極為豐富,為泥石流的爆發提供了有利的水源條件。

依據《泥石流災害防治工程勘查規范》附錄B

暴雨強度指標R的計算公式:

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

式中:K為前期降雨量修正系數;K=1.1(存在前期雨量)H24為24h最大降雨量mm;H1為1 h最大降雨量mm;H1/6為10 min最大降雨量mm;H24(D)、H1(D)、H1/6(D)為該區可能發生泥石流的24 h、1 h、10 min的界限雨值

H24(D)=30;H1(D)=15;H1/6(D)=6

根據統計綜合分析結果

R=18.43,R>10爆發泥石流的幾率大于0.8。

可見,區內的水源極為豐富,為水磨溝泥石流的爆發提供了有利的水源條件

4 結語

水磨溝泥石流發展具有一定的波動性,在其形成的三個基本條件中,地形條件的變化比較緩慢,降水條件受區域氣候變化規律控制,而松散固體物質補給量受地質條件、人類活動因素影響較大,所以流域內松散固體物質的狀態及其累積速率是控制其泥石流發展趨勢的重要因素。