呂 劍，任光明，王 杰

(地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護國家重點實驗室(成都理工大學(xué))，四川成都 610059)

0 引言

泥石流的形成主要是由地形地貌，物源條件及降雨所決定的。青海黃河上游流域為溫帶大陸性氣候，干旱干燥現(xiàn)象明顯，新構(gòu)造運動強烈［1］。該區(qū)域受黃河兩側(cè)一級支流侵蝕、切割強烈，故地形破碎、溝谷眾多［2］。

區(qū)內(nèi)黃土覆蓋面廣闊，由于黃土年代短、時代新、結(jié)構(gòu)松散［3］，侵蝕現(xiàn)象發(fā)育導(dǎo)致滑坡、崩塌等頻繁發(fā)生，在溝道中形成松散堆積物，在降雨集中的7～8月份極易發(fā)生泥石流，對下游居民生命財產(chǎn)及某水電站壩址區(qū)的施工與運營具有極大的危害性。據(jù)當(dāng)?shù)鼐用衩枋觯?012年7月9日凌晨3點，當(dāng)?shù)卦┌l(fā)了一次較大泥石流，沖毀了數(shù)個排導(dǎo)槽及部分民房，故對流域泥石流進行危險性評價具有重大意義。本文采用灰色理論結(jié)合模糊數(shù)學(xué)理論的方法對吳石溝進行危險度評價，明確判斷各種因素對泥石流共同作用的目的，得到更切實際的結(jié)果［4］。

1 泥石流形成條件分析

1.1 地形地貌

吳石溝流域呈“錐子”形(圖1)，流域三面環(huán)山，一面出口，面積約6.2 km2，地勢北西高、南東低，溝口高程約2025 m，相對高差約875 m，內(nèi)主溝延伸長度為3.87 km。形成流通區(qū)有大量黃土覆蓋，由于黃土抵抗侵蝕能力低，被雨水徑流切割，流域溝壑發(fā)育，垂直節(jié)理發(fā)育，細溝侵蝕現(xiàn)象明顯。

流域水系發(fā)育，支溝呈樹枝狀展布，主溝較為寬緩，其平均比降為156.3‰，最大達440.4‰。除主溝外，流域還發(fā)育克什曼溝、大灘溝等5條支溝，支溝溝谷特征見表1，支溝較陡，比降最大可達269.8‰。因此，流域溝床比降整體呈現(xiàn)出主溝較平緩、支溝較陡的特點。根據(jù)對我國泥石流溝谷比降統(tǒng)計的結(jié)果來看，流域支溝溝床比降條件對泥石流的形成和運動最為有利，有利于支溝形成泥石流并向主溝匯集，為典型的支溝群發(fā)匯集型泥石流溝谷地形條件。

表1 支溝溝谷地貌特征及比降Table 1 Tributary debris flow’s topographical features and slope

1.2 物源條件

吳石溝流域發(fā)育了大河家-關(guān)灘斷裂(F1)，該斷裂主體走向北西(345°)，傾角70°以上。斷層上盤出露地層為侵入巖，硬質(zhì)巖在干旱環(huán)境下物理風(fēng)化強烈，區(qū)內(nèi)崩塌極為發(fā)育;斷層下盤即泥石流形成流通區(qū)主要被第三系紅層和第四系風(fēng)積黃土所覆蓋(圖1)。由于黃土結(jié)構(gòu)松散，坡表植被覆蓋較少，流水侵蝕和重力侵蝕作用強烈［5-7］，垂直節(jié)理發(fā)育(圖2)在徑流作用下可為泥石流活動提供豐富的坡面松散物源及溝床物源，物源主要以坡面侵蝕物源為主(圖3)，經(jīng)過現(xiàn)場統(tǒng)計流域內(nèi)大型崩塌8處，滑坡3處(圖1)，坡面物源動儲量為59.07×104m3，其中坡面侵蝕物源為42.5×104m3，占區(qū)內(nèi)動儲量的72%。

圖2 支溝垂直節(jié)理形成的崩塌堆積體Fig．2 The tributary gully vertical joint development

圖3 支溝坡面侵蝕現(xiàn)象Fig．3 Slope erosion in the tributary gully

1.3 降水條件

研究區(qū)屬高原半干旱高寒型氣候區(qū)，常年干旱少雨，地下水不豐富。據(jù)統(tǒng)計，本區(qū)多年平均降水量373.0 mm，具有明顯的季節(jié)性變化，歷年最大降雨暴雨多集中在6～9月份，尤以7～8月最多，故此時流域內(nèi)坡面侵蝕現(xiàn)象最為嚴重。一日最大降水量一般為68.0～88.9 mm，24h最大雨強為142.5 mm，高強度的降雨為泥石流的形成提供了足夠的水動力條件，且暴雨主要發(fā)生在傍晚或夜間，使泥石流的暴發(fā)具有很強的突然性。

2 泥石流成災(zāi)機理分析

泥石流的啟動方式主要是由于暴雨過程形成的斜坡表層徑流導(dǎo)致懸掛于斜坡上的滑坡體表面和前緣松散物質(zhì)向下輸移，進入溝道后轉(zhuǎn)為泥石流的過程［8］。吳石溝流域內(nèi)匯集了五條小型泥石流支溝，為典型的支溝群發(fā)匯集型泥石流，其具體過程分為3個部分。

(1)支溝泥石流啟動階段。吳石溝流域大部分支溝后緣位于流域的清水區(qū)侵入巖出露地區(qū)，以比降大且狹窄的“V”型谷為主(圖4)。由于地形高差大，比降大，溝谷狹窄，水在高勢能的情況下產(chǎn)生強侵蝕性［9］。F1斷層附近，在地質(zhì)構(gòu)造和強侵蝕性共同作用下，岸坡形成多處大規(guī)模的坍塌及滑坡，產(chǎn)生碎石及崩坡堆積物堆積在溝道中。形成流通區(qū)內(nèi)黃土在降雨和流水作用下發(fā)生水蝕和重力侵蝕及交織在一起的混合侵蝕下，在地表徑流作用下大量黃土被搬運至溝道形成松散堆積，為泥石流提供了大量物源。當(dāng)暴雨強度達到一定程度，支溝泥石流啟動。

圖4 支溝“V”型谷Fig．4 V-shaped valley

(2)支溝群發(fā)匯集于主溝階段。在暴雨集中的情況下，巖土體質(zhì)量明顯降低，支溝上游產(chǎn)生的溝道徑流導(dǎo)致水流迅速集中，具有明顯的“消防水管效應(yīng)”。由于溝道狹窄，不利于塊碎石的搬運，部分塊碎石堆積在溝道形成跌水坎(圖5)，增加了泥石流的動能。隨著泥石流快速向下游搬運堆積于溝道中的小粒徑塊碎石及松散的黃土堆積，下切侵蝕作用加強，在下切深度增加的情況下泥石流的流量也隨之增大。支溝泥石流匯入主溝，在交匯處形成黃土堆積扇(圖6)或松散堆積體。

圖5 克什曼溝中下游泥痕Fig．5 The mud crack at the lower and middle reaches of Keshiman gully

(3)主溝泥石流輸移階段。主溝溝道較為寬緩，隨著支溝泥石流的發(fā)生并匯集于主溝，對主溝泥石流的流量進行補充并有一定的加速疊加效果。在支溝泥石流的不斷匯入過程中，不斷對岸坡進行側(cè)蝕、下切侵蝕、掏空侵蝕造成岸坡的失穩(wěn)同時也加速了坡面侵蝕，源源不斷的泥沙被多次搬運至下游。由于主溝較為直順寬緩，沒有太多大角度的拐彎，在支溝泥石流的匯集帶動下，主溝泥石流的流速達到了4.07 m/s，流量達到了168.83 m3/s，整體沖擊力達到了35.32 kPa。泥沙及部分小粒徑碎石經(jīng)多次搬運做長距離的輸移、堆積、再輸移，直至匯入鮑家溝。

3 泥石流成災(zāi)特征研究

3.1 泥石流活動特征分析

吳石溝流域上游溝谷狹窄、溝床坡度相對較大，溝床內(nèi)泥石流堆積物相對較少;流域中下游溝道整體較寬緩，泥石流堆積物在堆積區(qū)以及形成流通區(qū)的寬谷段廣泛分布，寬緩溝段及溝口區(qū)最多。流域支溝克什曼溝中下游明顯保留了兩期泥痕(圖5)，新近期厚度最大，說明支溝泥石流的近期活動性強烈。通過對支溝溝口堆積扇(圖6)的調(diào)查發(fā)現(xiàn)其發(fā)育逐步擠壓主河，新老扇疊置不明顯，結(jié)合區(qū)內(nèi)地形地貌及物源條件分析，在一定規(guī)模的高強降雨情況下有支溝隨時可能暴發(fā)泥石流。

主溝下游泥痕可見明顯見到三次泥石流活動的堆積物，受后期洪水泥石流活動沖刷，溝床左側(cè)各次泥石流堆積物呈臺階狀堆積序列(圖7)。通過現(xiàn)場調(diào)查，發(fā)現(xiàn)其中最早一期的泥石流堆積物厚度最大，活動最強烈，近期泥石流活動較弱，各次泥石流規(guī)模有減小的趨勢。通過對泥痕坡面的觀察，其具有明顯的石線構(gòu)造，延伸距離達到了幾十米，為稀性泥石流的典型宏觀構(gòu)造。通過支溝泥痕厚度和主溝泥痕厚度的對比可以看出支溝泥石流較主溝更為活躍。

圖6 支溝與主溝交匯處的堆積扇Fig．6 Debris flow fan in the tributary and main ditch

圖7 主溝下游泥痕Fig．7 The mud crack at the lower reaches of the main gully

3.2 泥石流堆積物特征

泥石流的粒度特征能充分反映泥石流的搬運介質(zhì)和運動方式的特點。利用現(xiàn)場采集的試樣，對吳石溝泥石流的不同位置、不同期次的堆積物顆粒特征做出分析，其中＞2 mm的顆粒含量為80.05% ～92.32%，＜2 mm的顆粒含量為7.68% ～19.95%，可以看出隨著溝底高程的降低，從上游往下游泥石流堆積物厚度、寬度逐漸增大，從堆積物成分來看泥質(zhì)、沙質(zhì)含量逐漸增多，塊石粒徑逐漸減小，級配逐漸變差，大塊石搬運距離有限，而小塊石和泥沙則一次搬運距離較長，進而形成了泥包石(圖8)。

對堆積物顆分試驗后粒徑小于2 mm的細顆粒物質(zhì)進行比重試驗，獲得吳石溝泥石流的堆積物的比重為2.72。這里采用水土比法換算泥石流容重，水土比值取6.7∶3.3，獲得的泥石流容重平均值為1.568 t/m3。根據(jù)獲得的容重、物質(zhì)組成和粒徑特征判定吳石溝泥石流為稀性、水石流類。稀性泥石流整體運動力差，固相和液相物質(zhì)速度不一致，泥沙和小粒徑塊石在運輸過程中形成含沙水流向下輸移，呈液相，一次運輸距離遠;而大粒徑的塊碎石則呈固相，搬運距離近且不利于多次搬運，所以在下游只能見到小粒徑的泥包石。

圖8 下游溝床中堆積的“泥包石”Fig．8 stones coated by mud at the lower reaches of the main gully

4 泥石流危險性評價

4.1 因子權(quán)重確定

本文選取平均比降、流域面積、相對高差、主溝長度、松散堆積物儲量及24 h最大降雨量作為主要因子，運用灰色理論作關(guān)聯(lián)度分析。其灰色系統(tǒng)理論充分利用系統(tǒng)中已經(jīng)掌握了的信息去解決只掌握了的部分信息，首先應(yīng)對各因子序列數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，再使用均值變換，使之化為數(shù)量級大體相近的無量綱數(shù)據(jù);先計算出序列差，在此基礎(chǔ)上求出兩極最大差和最小差，得到關(guān)聯(lián)系數(shù)。最終運用公式(1)得到各因子關(guān)聯(lián)度，根據(jù)關(guān)聯(lián)度計算結(jié)果，可得到各因子對危險度的影響程度。

對吳石溝泥石流的因子作關(guān)聯(lián)度分析時，采用了青海省黃河流域部分泥石流溝的具體特征參數(shù)(表2)。

表2 黃河上游地區(qū)泥石流溝特征參數(shù)Table 2 Characteristic parameters of the Yellow River upstream flow gully region

計算后得出各因子與主導(dǎo)因子的關(guān)聯(lián)度如下:

據(jù)關(guān)聯(lián)度計算結(jié)果，可得到各因子對危險度的影響程度依次為:泥石流溝平均比降＞相對高差＞24 h最大降水＞主溝長度＞流域面積＞松散物儲量，按此順序，將關(guān)聯(lián)度確定為各因素的權(quán)重，并將權(quán)重進行歸一化處理見表3。

表3 泥石流各因子權(quán)重表Table 3 Weight values of debris flow hazard assessment index

4.2 泥石流危險性等級

目前國內(nèi)對泥石流危險度的劃分主要為四級(表4)。因此，吳石溝泥石流的危險性劃分也采用四級邏輯判定，即Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ級，因此評價集V=(V1，V2，V3，V4)=(Ⅰ級、Ⅱ級、Ⅲ級、Ⅳ級)=(無危險，輕微危險，中等危險，高度危險)，其中各因子采用的評價標(biāo)準(zhǔn)見表5。

4.3 危險性模糊評價方法

模糊綜合判別法就是用模糊數(shù)學(xué)的方法來進行綜合評價，該方法首先考慮了單個因子對危險度等級的影響，再綜合考慮每個因子的影響作用，應(yīng)用模糊變換原理的最大隸屬原則最后確定危險度等級的最終歸屬。

表4 泥石流危險等級與泥石流活動特點Table 2 Debris flow hazard evaluation grades and flow characteristics

表5 泥石流危險度因子評價標(biāo)準(zhǔn)Table 5 Values of debris flow hazard assessment index

選取的6個泥石流危險度劃分的主要關(guān)聯(lián)因子中溝谷平均比降為主導(dǎo)因子。建立因子集合U為:

={泥石流溝平均縱比降，……，年平均降水量}設(shè)對因素的權(quán)重分配為U上的模糊子集A，記為:

式中:ai為第i個因素ui所對應(yīng)的權(quán)，且一般均規(guī)定:

對第i個因素的單因素模糊評判為V上的模糊子集:

于是單因素評判矩陣R為:

則對該評判對象的模糊綜合評判B是U上的模糊子集(表6)。

表6 吳石溝泥石流單因素評判矩陣Table 6 The single factor evaluation matrix of debris flow

利用最大隸屬度原則確定泥石流溝的危險性。

4.4 危險性模糊評價結(jié)果

5 結(jié)論

吳石溝為黃河上游典型泥石流，以坡面侵蝕物源為主;流域擁有數(shù)條支溝，匯流條件好，隨著降雨的持續(xù)，支溝暴發(fā)泥石流匯集于主溝，侵蝕量增大，為泥石流提供更多的松散物源。泥石流堆積物主要以碎塊石和泥沙為主，結(jié)構(gòu)松散，容重高，粗顆粒多，判斷吳石溝為稀性、水石流類泥石流，支溝泥石流較主溝泥石流活躍，物源經(jīng)過多次輸移向下游長距離輸送，對下游工程具有極大的危害。本文采用灰色關(guān)聯(lián)法結(jié)合模糊數(shù)學(xué)理論進行泥石流危險性分析，吳石溝處于中度危險，有可能發(fā)生大規(guī)模的泥石流。

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