宋亞兵, 賀 拿, 胡桂勝, 王 濤, 倪化勇

(1.河南理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，河南 焦作 454000；2.中國(guó)科學(xué)院 水利部 成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所，中國(guó)科學(xué)院山地災(zāi)害與地表過(guò)程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610041；3.機(jī)械工業(yè)勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，西安 710043；4.高原科學(xué)與可持續(xù)發(fā)展研究院，西寧 810016；5.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局 探礦工藝研究所，成都 611734)

泥石流是沿自然坡面或壓力坡流動(dòng)的松散土體與水、氣的混合體，常發(fā)生在山區(qū)小流域，是一種包含大量泥沙石塊和巨礫的固液氣三相流體，呈黏性層流或稀性紊流等運(yùn)動(dòng)狀態(tài)[1]。在小流域內(nèi)，滑坡和泥石流通常相伴而生、互為因果，具有強(qiáng)烈的沖擊、破壞作用[2]。泥石流作為一種山區(qū)特有的具有重大危害的地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)象，嚴(yán)重威脅著山區(qū)道路的修建及運(yùn)營(yíng)維護(hù)[3-6]。中國(guó)的泥石流主要發(fā)育在喜馬拉雅山、念青唐古拉山、橫斷山、天山和祁連山等山脈的地質(zhì)構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈地帶，制約著區(qū)域內(nèi)G318、G317、G214和G30等多條交通要道的正常運(yùn)營(yíng)[7]。以川藏公路(G317、G318)和天山公路為例，據(jù)統(tǒng)計(jì)，川藏公路沿線共有泥石流溝1 036條，坡面泥石流700余處，截至1993年，全線共發(fā)生泥石流1 300次，中斷行車1 500余天，34條泥石流溝造成多次橋梁損毀，48座永久性橋梁中已有17座被毀，200多座涵洞被沖毀或堵塞，占總數(shù)的70%[8-10]；天山公路是連接南北疆的交通運(yùn)輸線，長(zhǎng)期遭受坡面型泥石流病害，年均中斷交通15～30天[11]。由此可見，公路沿線泥石流災(zāi)害研究對(duì)于公路建設(shè)和正常運(yùn)營(yíng)的重要性不言而喻。

沖溝泥石流是介于溝谷泥石流和坡面泥石流之間的一種災(zāi)害性地貌過(guò)程，主要發(fā)生于斜坡上的紋溝或切溝等處于幼年期的侵蝕溝內(nèi)，水系發(fā)育不完整，多無(wú)支溝，匯水區(qū)不明顯，有的流域周界不明顯，流域面積較小，多呈長(zhǎng)條形，侵蝕溝深度一般不超過(guò)數(shù)米，縱比降大，溝床比降與山坡坡度接近，溝源一般距離斜坡頂部山脊線具有一定距離，因流域地貌和侵蝕特征不同于溝道與坡面，其啟動(dòng)機(jī)理也存在差異[12]。倪化勇[13]通過(guò)人工降雨與泥石流啟動(dòng)模擬實(shí)驗(yàn)研究了強(qiáng)降雨條件下沖溝泥石流形成機(jī)理及其與降雨的響應(yīng)。甘建軍等[14]以原位監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)作為模型，開展了流槽試驗(yàn)，對(duì)沖溝泥石流演化過(guò)程進(jìn)行模擬。R.M.Iverson[15]用庫(kù)倫混合流方程描述了滑坡直接轉(zhuǎn)化泥石流的全過(guò)程。馮自立等[16]總結(jié)了國(guó)內(nèi)外滑坡轉(zhuǎn)化為泥石流機(jī)理的研究，認(rèn)為關(guān)于滑坡轉(zhuǎn)化為溝谷型泥石流的條件、機(jī)制和預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)模型研究是今后研究的重點(diǎn)。誠(chéng)然，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)該類崩滑型沖溝泥石流進(jìn)行了大量研究，但是考慮沖溝坡面凹槽土體匯流對(duì)坡體穩(wěn)定性影響的研究較少。沖溝泥石流的坡度大，導(dǎo)致強(qiáng)降雨情況下短時(shí)間內(nèi)易形成較大的匯流，沖溝匯流不僅對(duì)坡體具有強(qiáng)烈的沖刷作用(拖拽力)，其水體自重還影響土體的穩(wěn)定性，故對(duì)沖溝泥石流啟動(dòng)機(jī)理的研究應(yīng)考慮匯流自重。

本文以尼洋河流域G318沿線的朗嘎村溝崩滑型沖溝泥石流為例，分析其運(yùn)動(dòng)特征與形成演化機(jī)制，考慮凹槽土體匯流對(duì)斜坡穩(wěn)定性的影響，并提出崩滑型沖溝泥石流的災(zāi)害防治對(duì)策，為川藏公路及其他山區(qū)道路沿線崩滑型沖溝泥石流災(zāi)害防治提供理論和技術(shù)支撐。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于西藏自治區(qū)林芝市工布江達(dá)縣境內(nèi)，東側(cè)為橫斷山脈，西側(cè)為念青唐古拉山，南側(cè)為喜馬拉雅山脈，地勢(shì)西高東低，呈高山峽谷地貌，平均海拔高度3.6 km。該區(qū)域地處拉薩-波密褶皺帶，為東西向構(gòu)造體系，即帕米爾-喜馬拉雅“夕”字形構(gòu)造東翼，其構(gòu)造特征是一系列近東西方向的斷裂和褶皺，構(gòu)造單元屬于岡底斯-騰沖微陸地塊，新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)下呈現(xiàn)強(qiáng)烈的垂直隆升和塊體的水平滑動(dòng)[17-18]。在此復(fù)雜的地質(zhì)活動(dòng)和構(gòu)造下，區(qū)域地震活動(dòng)較為強(qiáng)烈，位于藏中地震帶，地震峰值加速度為0.15g(g=9.8 m/s2)，地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期為0.45 s，潛在震源的震級(jí)上限為6.5。該流域地表為第四紀(jì)殘坡積層，主要為風(fēng)化作用下的坡積黏土，含大量碎石，坡面生長(zhǎng)著大量的高寒灌木叢；下伏基巖以斷層為界，分為下二疊統(tǒng)-上石炭統(tǒng)的來(lái)姑組和下石炭統(tǒng)的諾錯(cuò)組，巖性均為灰色和灰黑色絹云板巖、千枚巖、變質(zhì)石英砂巖(圖1)。此外，來(lái)姑組還含有含礫板巖、夾變質(zhì)石英質(zhì)砂礫巖、變質(zhì)含礫砂巖和大理巖等。

圖1 朗嘎村溝區(qū)域位置及地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)圖Fig.1 Location and geological structures of the Langga Village gully

朗嘎村溝位于尼洋河流域，因地質(zhì)構(gòu)造形成的特殊地形地貌，使得該流域受印度洋暖濕氣候和大陸性干冷季風(fēng)氣候共同作用，形成了高原溫帶半濕潤(rùn)氣候，雨量充沛。流域內(nèi)極端最高氣溫為30.5℃，極端最低氣溫為-18.7℃，年平均氣溫為7.6℃[19]，氣溫隨著海拔升高而降低，具有明顯的季節(jié)性變化。流域內(nèi)多年平均降雨為658 mm，主要集中在夏秋汛期6-9月份，占年降雨量的78.4%[19]，具有降雨量大、雨強(qiáng)小、季節(jié)性差異明顯等特點(diǎn)。

朗嘎溝泥石流發(fā)育于坡面侵蝕沖溝，流域面積較小，為0.94 km2，溝源距山脊線453 m，溝床較淺，水系發(fā)育不完整，后端凹槽土體匯流，形狀為長(zhǎng)條形，溝床比降同山體坡度相似，平均坡度約34°，溝源和岸坡均有崩滑物源，經(jīng)分析，將朗嘎溝定義為崩滑型沖溝泥石流。按其地形地貌和溝床比降可將流域劃分為形成區(qū)、流通區(qū)和堆積區(qū)(圖2)。形成區(qū)位于溝口上游716 m處以上段，面積約為0.49 km2，縱坡比降為775‰，坡度為42°，植被較為發(fā)育，地表為第四紀(jì)風(fēng)化作用形成的殘坡積物，覆蓋較厚。后端凹槽匯水位于形成區(qū)，面積為0.13 km2，陡峭的地形和后端匯流為泥石流啟動(dòng)提供了水動(dòng)力條件。流通區(qū)位于溝口至溝口上游716 m以內(nèi)，溝道是泥石流物源補(bǔ)給的重要通道，縱比降為612‰，坡度為37°，面積約為0.31 km2，溝道較寬，泥石流具有明顯的漫流改道和堆積痕跡，為泥石流提供了較大的動(dòng)力條件和固體物源。堆積區(qū)位于溝口以下段，為一個(gè)較為完整的偏向下游的扇面，擴(kuò)散角為94°，扇徑為323 m，面積為0.15 km2，無(wú)固定溝道，土層覆蓋較厚，植被生長(zhǎng)茂盛。

圖2 朗嘎村溝泥石流分區(qū)Fig.2 Debris flow division in Langga Village gully

2 泥石流運(yùn)動(dòng)參數(shù)

朗嘎村溝于2020年8月10日爆發(fā)泥石流，淤埋G318道路約53 m，淤埋最大厚度約1.1 m，淤埋平均厚度約0.7 m(圖3)?，F(xiàn)場(chǎng)勘查表明，本次泥石流具有較大沖擊勢(shì)能，改變了扇面原有泥石流溝道并在扇面上形成了兩條泥石流溝道；堆積扇上豐富的植被減緩了泥石流的沖擊力，泥石流全部沖入G318道路；G318道路下方的林拉公路因修建了明洞、排導(dǎo)和攔擋工程，未造成危害。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)勘查，暴雨是朗嘎村溝沖溝泥石流形成的主要因素。在無(wú)實(shí)測(cè)流量資料情況下，暴雨是推算設(shè)計(jì)洪峰流量和泥石流流量的最基本依據(jù)。由暴雨引發(fā)的泥石流，假設(shè)暴雨洪峰流量均轉(zhuǎn)化為泥石流，計(jì)算暴雨情況下泥石流峰值流量、最大沖起高度和沖擊力，為防治工程設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

圖3 朗嘎村溝泥石流堆積體Fig.3 Debris flow fan in Langga Village gully

2.1 泥石流容重

在泥石流堆積扇處取樣，采用顆粒篩分試驗(yàn)和馬爾文試驗(yàn)，分析泥石流的物質(zhì)組成、顆粒級(jí)配及黏粒含量。顆粒級(jí)配曲線顯示：樣品顆粒直徑范圍較大，但呈臺(tái)階形，說(shuō)明缺乏某一粒徑的土顆粒，級(jí)配不連續(xù)，該土樣為級(jí)配不良土(圖4)。通過(guò)采用基于黏土顆粒含量的泥石流容重計(jì)算公式和粗顆粒含量的泥石流容重計(jì)算公式確定泥石流容重[20]。

圖4 顆粒篩分曲線Fig.4 Particle screening curve

基于泥石流堆積體的黏土顆粒含量的泥石流容重計(jì)算公式為

γc=-1.32×103w7-5.13×102w6+

8.91×102w5-55w4+36.4w3-

67w2+12.5w+1.55

(1)

式中：γc為泥石流容重；w為黏粒質(zhì)量占粒徑<60 mm顆粒質(zhì)量的百分比(質(zhì)量分?jǐn)?shù))。

基于泥石流堆積體的顆粒粗細(xì)質(zhì)量含量的泥石流容重計(jì)算公式為

γc=(0.175+0.743w2)(ρs-1)+1

(2)

式中：w2為直徑>2 mm顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；ρs為粗顆粒的相對(duì)密度，一般取2.7 kg/m3。

經(jīng)計(jì)算，泥石流堆積體基于黏粒含量的容重為1.81 kg/m3，基于粗顆粒質(zhì)量含量公式的容重計(jì)算結(jié)果為2.10 kg/m3，兩者取平均值為1.95 kg/m3，故本次泥石流為黏性泥石流。

2.2 流速與流量

泥石流堆積物全部堆積在G318公路上，溝道內(nèi)沖刷痕跡明顯。選取扇面溝道典型泥痕斷面，計(jì)算斷面處泥石流的流速和流量。

結(jié)合泥石流容重和溝床坡度不完全相似理論，采用達(dá)西-韋斯巴赫阻力系數(shù)的流速估算公式(泥石流固體顆粒體積分?jǐn)?shù)需大于0.19)計(jì)算典型斷面處泥石流的流速[21]。

(3)

式中：v為斷面處泥石流的速度；Ic為溝床比降；Cv為泥石流固體顆粒的體積分?jǐn)?shù)；g為重力加速度，取9.8 m/s2；h為泥石流的泥痕高度。

形態(tài)調(diào)查法是基于斷面面積和流速為基礎(chǔ)的一種流量計(jì)算方法[1]，采用形態(tài)調(diào)查法計(jì)算斷面處泥石流流量。

Qc=Ac×v

(4)

式中：Qc為過(guò)流斷面流量；Ac為過(guò)流斷面面積；

v為泥石流斷面平均流速。

因泥石流堆積體全部淤埋在G318公路上，故采用直接觀測(cè)測(cè)量法計(jì)算泥石流一次沖出總體積。直接測(cè)量法是通過(guò)泥石流堆積體面積和平均厚度，確定固體物質(zhì)的總體積；再依據(jù)泥石流容重，估算一次泥石流流體的總體積[20]。

Vs=Sd×δd

(5)

Vs=V(γc-γw)/(ρs-γw)

(6)

式中：Vs為一次泥石流固體物質(zhì)沖出總體積；Sd為堆積體平面面積，約800.3 m2；δd為泥石流平均堆積厚度，約0.7 m；V為一次泥石流總體積；γw為清水容重。

經(jīng)計(jì)算，泥石流一次沖出的固體物質(zhì)總體積為560.2 m3，流體總體積為1 002.5 m3。由于扇面形成了兩個(gè)溝道(圖5)，故分別測(cè)量典型斷面參數(shù)并計(jì)算斷面泥石流的流速和流量，計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 朗嘎村溝泥石流斷面流量計(jì)算結(jié)果Table 1 Calculation results of section flow of debris flow in Langga Village gully

圖5 泥石流溝道典型斷面示意圖Fig.5 Schematic diagram of typical section of debris flow channel(斷面高度即為泥痕高度,圖中長(zhǎng)度和高度的單位為“米”)

2.3 不同頻次下泥石流峰值流量

2.3.1 暴雨洪峰流量

暴雨洪峰流量計(jì)算是采用中國(guó)水利科學(xué)院水文研究所的“小流域暴雨洪峰流量計(jì)算方法”，該方法適用面積廣，對(duì)于無(wú)實(shí)測(cè)水文資料條件下，有很好的參考價(jià)值[22]。推理公式法計(jì)算小流域設(shè)計(jì)洪水的公式為

QP=0.278ψAs/τn

(7)

式中：τn=f(m,s,I,L);ψ=f(μ,τn);QP表示頻率為P的暴雨洪水設(shè)計(jì)流量；ψ為洪峰徑流系數(shù)(可查表得到)；s為單位時(shí)間內(nèi)的降雨量；n為暴雨指數(shù)；A為流域面積；I為平均比降；L為溝道長(zhǎng)度；τ為流域匯流時(shí)間；μ為入滲強(qiáng)度；m為匯流參數(shù)。

根據(jù)《中國(guó)暴雨統(tǒng)計(jì)參數(shù)圖集》[23]統(tǒng)計(jì)的多年暴雨資料，利用線性插值獲得研究區(qū)各時(shí)段的最大點(diǎn)雨量均值和變差系數(shù)(表2)，參考中國(guó)西南山區(qū)相關(guān)參數(shù)資料，計(jì)算出不同頻率不同時(shí)段的設(shè)計(jì)暴雨，利用暴雨資料計(jì)算地表產(chǎn)流與凹槽土體匯流，得到研究區(qū)暴雨洪水峰值流量；最后校核計(jì)算結(jié)果，采用誤差較小的10～60 min的洪水峰值流量。計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表2 研究區(qū)各時(shí)段暴雨參數(shù)Table 2 Rainstorm parameters of each period in the study area

表3 研究區(qū)不同頻率下暴雨洪水流量Table 3 Rainstorm flood flow at different frequencies in the study area

2.3.2 泥石流峰值流量

雨洪法是目前計(jì)算暴雨泥石流峰值流量的基本方法。該方法是泥石流與暴雨同頻率且同步發(fā)生，并且假設(shè)暴雨洪水峰值流量全部轉(zhuǎn)化為泥石流的前提下建立的泥石流峰值流量的計(jì)算方法[20]。該方法的計(jì)算步驟是先按水文方法計(jì)算出不同頻率下小流域的暴雨洪峰流量，考慮溝道的堵塞情況，選用堵塞系數(shù)[20]，按下式計(jì)算泥石流峰值流量，計(jì)算結(jié)果如表4所示。

Qc=(1+φ)QPDc

(8)

φ=(γc-γw)/(ρs-γc)

(9)

式中：Qc表示頻率為P的泥石流峰值流量；φ為泥石流泥沙修正系數(shù)；Dc為泥石流堵塞系數(shù)。

表4 研究區(qū)不同頻率下泥石流峰值流量Table 4 Peak flow of rainstorm debris flow at different frequencies in the study area

2.4 泥石流最大沖起高度

泥石流最大沖起高度是防治工程設(shè)計(jì)的重要依據(jù)，無(wú)實(shí)測(cè)泥痕資料下，采用公式(10)計(jì)算泥石流最大沖起高度[20]

Δhc=v2/(2g)

(10)

采用已測(cè)量計(jì)算的泥石流典型斷面流速，經(jīng)計(jì)算得到泥石流最大沖起高度為2.08 m。

2.5 泥石流沖擊力

泥石流沖擊力是設(shè)計(jì)防治工程強(qiáng)度的重要依據(jù)，主要包含了泥石流整體的沖擊壓力和塊石的沖擊力。采用原鐵道部第二勘察設(shè)計(jì)院推薦的成昆、東川兩線的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算泥石流整體沖擊壓力和塊石對(duì)墩的沖擊力公式計(jì)算大塊石的沖擊力[20]。

p=λv2sinθ·γc/g

(11)

(12)

式中：p為泥石流整體沖擊壓力；λ為建筑物形狀系數(shù)，圓形建筑物取1.0，矩形建筑物取1.33，方形建筑物取1.47；θ為建筑物受力面與泥石流沖壓力方向的夾角；F為塊石的沖擊力；r為動(dòng)能折減系數(shù)，取0.3；W為石塊重量；c1、c2為石塊、橋墩的彈性變形系數(shù)，兩者之和為0.005 m/kN。

經(jīng)計(jì)算，假設(shè)防治工程為矩形建筑且泥石流沖壓力方向與建筑物受力面垂直，野外測(cè)得此次泥石流最大石塊大小為0.9 m×0.7 m×0.8 m。經(jīng)計(jì)算，泥石流整體沖擊壓力為 10 839.8 Pa，塊石的沖擊力為 3 135.6 kN。

3 朗嘎村溝泥石流啟動(dòng)機(jī)理與形成演化過(guò)程

3.1 泥石流形成條件

朗嘎村泥石流溝位于G318林芝至拉薩段道路右側(cè)，流域面積約為0.94 km2，流域內(nèi)地形起伏較大，為典型的高山峽谷地貌，降雨充沛，植被覆蓋率較高，土層覆蓋較厚。流域內(nèi)海拔高度最大為4 332 m，最小為3 216 m，相對(duì)高差1 116 m；平均溝床比降為587‰，形成區(qū)和流通區(qū)地形更為陡峭，縱比降為600‰～1000‰。形成區(qū)溝道右側(cè)發(fā)育一條支溝，面積為0.31 km2，溝長(zhǎng)約750 m，縱比降為700‰，于流通區(qū)匯入主溝。流域呈狹長(zhǎng)狀，形成區(qū)具有較大的面積，縱比降較大；形成區(qū)和流通區(qū)的最大比降可達(dá)到1000‰，這不僅為泥石流啟動(dòng)提供了充足的水源，還為泥石流啟動(dòng)提供了巨大的勢(shì)能條件。此外，由于較陡的山坡使斜坡體處于不穩(wěn)定狀態(tài)，外界環(huán)境作用下易發(fā)生滑坡和崩塌等地質(zhì)災(zāi)害，可為泥石流提供豐富的物源。

朗嘎村溝具有豐富的松散固體物源，主要來(lái)源為第四紀(jì)殘坡積物，分布在流域坡面和溝道。坡面雖植被覆蓋良好，但下伏地層來(lái)姑組和諾錯(cuò)組含有大量的變質(zhì)巖，加之?dāng)鄬幼饔?，巖體較為破碎，易發(fā)生滑坡和崩塌。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘查，泥石流的固體物質(zhì)主要來(lái)源于崩滑堆積體、溝道侵蝕和岸坡侵蝕?；挛镌次挥跍峡谏嫌?92 m處，面積約3 879 m2，根據(jù)模擬計(jì)算法估算崩滑體平均厚度為20.3 m[20]，體積為78 743.7 m3，為朗嘎溝泥石流物質(zhì)的主要來(lái)源(圖6)。溝道侵蝕與岸坡侵蝕常相伴而生，溝道侵蝕主要發(fā)生在泥石流形成區(qū)和流通區(qū)，表現(xiàn)為泥石流對(duì)溝床的下切侵蝕。在泥石流下切侵蝕作用下，岸坡體常處于不穩(wěn)定狀態(tài)，溝道下切伴隨著溝道拓寬，岸坡發(fā)生不同程度的崩滑，增大了泥石流的規(guī)模。

圖6 朗嘎村溝縱剖面圖Fig.6 Longitudinal profile of Langa gully

降雨是朗嘎村沖溝泥石流啟動(dòng)的激發(fā)條件。流域內(nèi)降雨量較為充沛，主要集中在夏秋汛期。根據(jù)《中國(guó)暴雨統(tǒng)計(jì)參數(shù)圖集》(2006版)[23]，研究區(qū)內(nèi)10 min降雨量4～8 mm，60 min降雨量為10～15 mm， 故研究區(qū)發(fā)生短歷時(shí)強(qiáng)降雨的概率較小。根據(jù)遙感解譯和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)訪，朗嘎村溝坡面植被良好，該溝至少于10年前首次爆發(fā)泥石流，推測(cè)由概率較小的強(qiáng)降雨導(dǎo)致的泥石流發(fā)生(缺乏相關(guān)降雨資料)。由于首次泥石流爆發(fā)后，斜坡表面完整性遭到破壞，地層裸露，缺少了植被的固土截流，降雨作用下，其后多年間多次爆發(fā)泥石流。

3.2 朗嘎村溝泥石流啟動(dòng)機(jī)理

朗嘎村溝斜坡由于較為破碎的地層和較陡的坡度，使得斜坡處于不穩(wěn)定狀態(tài)。斜坡剪切力由匯流對(duì)坡面的拖拽力和土體自重沿斜面分力組成，抗剪強(qiáng)度由黏聚力和土體摩擦力組成。強(qiáng)降雨情況下，坡面產(chǎn)流和凹槽土體匯流，沖刷坡面，易使斜坡失穩(wěn)。匯流是關(guān)于降雨量和斜坡地形地貌的函數(shù)，持續(xù)降雨情況下，匯流影響著斜坡體的穩(wěn)定，主要表現(xiàn)為：

a.匯流提供較大的拖拽力，侵蝕坡面

匯流對(duì)坡面的拖拽力受匯流水位、斜坡比降和坡面粗糙程度等三個(gè)因素控制。朗嘎村溝坡面比降不變的情況下，匯流水位越大，斜坡體所受拖拽力越大；坡體表面生長(zhǎng)著大量的高寒灌木叢，增大了坡體表面的粗糙程度，使得斜坡體所受拖拽力增大。匯流沖刷坡面，改變了土體的應(yīng)力狀態(tài)，使土體更容易失穩(wěn)。因此，強(qiáng)降雨情況下，斜坡更容易發(fā)生滑坡或泥石流。

b.匯流水位影響著土體強(qiáng)度

匯流水位決定著水力梯度，土體滲透壓力和下滲系數(shù)是水力梯度的函數(shù)。匯流水位越大，水力梯度越大，土體的滲透壓力和下滲速度增加，土體含水率增加，黏聚力和內(nèi)摩擦角降低[24-25]，土體抗剪強(qiáng)度降低，斜坡易發(fā)生剪切破壞。匯流作用下，滑坡體逐漸液化解體形成泥石流。

3.3 朗嘎村溝泥石流演化過(guò)程

朗嘎村溝泥石流是崩滑型沖溝泥石流，溝源處發(fā)生滑坡，隨后土體在降雨條件下液化解體，逐漸轉(zhuǎn)化為泥石流；泥石流沖刷溝道和岸坡，使得規(guī)模逐漸增大。結(jié)合朗嘎村溝泥石流現(xiàn)場(chǎng)勘查和已有研究成果[1,25]，將朗嘎村溝滑坡型沖溝泥石流形成過(guò)程分為四個(gè)階段(圖7)。第一階段為雨水入滲和地表產(chǎn)流，朗嘎村溝具有較陡的坡度和較大的匯水面積這一特性決定了降雨條件下坡面容易在短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生大量的地表徑流，沖刷坡體，雨水入滲；第二階段為坡體失穩(wěn)，匯流沖刷與雨水入滲降低了土體抗剪強(qiáng)度，增大了下滑力，土體于滑動(dòng)面發(fā)生剪切破壞；第三階段滑坡體液化解體形成泥石流，滑坡體在匯流的作用下孔隙水壓力升高，土體液化解體，逐步轉(zhuǎn)化為泥石流；第四階段泥石流運(yùn)動(dòng)堆積，形成后的泥石流侵蝕溝道和岸坡，規(guī)模持續(xù)增大，淤埋G318公路。

圖7 朗嘎村溝崩滑型沖溝泥石流演化過(guò)程示意圖Fig.7 Schematic diagram of evolution process of gully landslide in Langga Village

此外，筆者分析了多期遙感影像，發(fā)現(xiàn)朗嘎村溝至少于10年前首次爆發(fā)泥石流(2010年影像十分模糊，僅能看到坡面破壞)。2013年和2014年影像為新G318修建之前朗嘎村溝流域的影像，溝床坡面凹槽土體滑坡，坡面完整性遭到破壞，但溝槽較淺，且坡面植被較為良好(圖8-A、B)；2015年和2018年影像為新G318和林拉高速修建之后的影像，較之前期影像，坡面侵蝕加速，植被覆蓋程度降低，溝床逐漸加深(圖8-C、D)。

圖8 朗嘎村溝歷史影像Fig.8 Historical images of Langga gully

朗嘎村溝自坡面完整性遭到破壞，細(xì)溝逐漸演變?yōu)闆_溝，沒(méi)有了植被的固土截流，降雨條件下坡體更容易失穩(wěn)滑動(dòng)，幾乎每年都會(huì)爆發(fā)泥石流(調(diào)訪資料)，爆發(fā)規(guī)模取決于降雨強(qiáng)度和降雨歷時(shí)，災(zāi)害發(fā)生時(shí)間與雨季同期，推測(cè)未來(lái)該溝會(huì)持續(xù)爆發(fā)泥石流，淤埋公路。

4 沖溝泥石流防治模式探討

4.1 朗嘎村溝沖溝泥石流防治對(duì)策探討

4.1.1 朗嘎村溝沖溝泥石流防治工程現(xiàn)狀

朗嘎村溝泥石流的直接威脅對(duì)象為G318和林拉公路。由于G318修建較早，除護(hù)坡外未修建任何泥石流防治措施；2019年完工的林拉高速公路修建了明洞和排導(dǎo)槽，然而沖溝泥石流扇面改道使得林拉公路的防治措施部分失效，公路再次受到威脅(圖9)。

圖9 泥石流防治工程現(xiàn)狀Fig.9 Present situation of debris flow prevention and control project

4.1.2 朗嘎村溝沖溝泥石流防治對(duì)策

朗嘎村沖溝泥石流是由自然作用引發(fā)的泥石流，堆積扇前緣為G318和林拉公路，坡體形成區(qū)和流通區(qū)均具有較大的坡度和溝床比降，坡面植被發(fā)育良好，溝源滑坡是泥石流的主要來(lái)源，溝源坡體完整性已經(jīng)破壞，殘坡積物裸露。結(jié)合泥石流防治的“穩(wěn)攔排”理念，現(xiàn)對(duì)朗嘎村沖溝泥石流提出以下防治對(duì)策：

a.朗嘎村溝沖溝泥石流的物源主要來(lái)自溝源滑坡和岸坡崩塌，但由于斜坡較陡，難以采用生物措施固土穩(wěn)坡，故結(jié)合工程防治措施，對(duì)崩滑區(qū)采用錨桿和柔性防護(hù)網(wǎng)固土過(guò)流，減少泥石流物源，防止形成泥石流。

b.由于G318和林拉公路位于堆積扇前緣，為避免泥石流淤埋公路，結(jié)合避讓和排導(dǎo)原則，在泥石流流通區(qū)末端修建攔渣壩，同時(shí)下方修建排導(dǎo)槽防止泥石流改道，結(jié)合林拉公路明洞和排導(dǎo)槽于G318上方修建明洞和排導(dǎo)槽，使泥石流流向尼洋河。

4.2 線性工程沖溝泥石流防治模式探討

4.2.1 沖溝泥石流對(duì)線性工程的危害方式

通過(guò)崩滑型沖溝泥石流的運(yùn)動(dòng)特征與泥石流背景環(huán)境分析，結(jié)合線性工程與泥石流流域的相對(duì)位置，提出沖溝泥石流對(duì)線性工程的5種危害方式(圖10)。

圖10 線性工程危害模式Fig.10 Linear engineering hazard pattern

4.2.2 沖溝泥石流防治模式探討

崩滑型沖溝泥石流是由物源主導(dǎo)的泥石流，減少物源能夠有效阻止泥石流的形成。首先，結(jié)合生物措施和工程措施，固土穩(wěn)坡，減少物源，如植樹造林和安裝錨桿與防護(hù)網(wǎng)等；其次，流通區(qū)修建攔渣壩和格柵壩，攔截較大石塊，減少泥石流的沖擊勢(shì)能；最后，堆積區(qū)修建排導(dǎo)槽，防止扇面漫流和改道。

對(duì)于線性工程(公路、鐵路)而言，主要結(jié)合攔擋、排導(dǎo)和避讓等思路設(shè)計(jì)防治工程。沖溝泥石流普遍為小規(guī)模、流速快和沖擊力較大的泥石流，若線性工程位于流通區(qū)或堆積區(qū)是以橋梁方式通過(guò)，則考慮泥石流對(duì)橋墩的沖擊，避免橋墩位于溝道內(nèi)，同時(shí)壘砌橋墩保護(hù)工程和修建排導(dǎo)槽；若線性工程是以隧道下穿方式經(jīng)過(guò)堆積區(qū)時(shí)，采用排導(dǎo)槽防止泥石流下切侵蝕和坡面漫流，減少泥石流對(duì)洞頂和洞門的影響；若線性工程位于堆積區(qū)扇面，考慮泥石流對(duì)工程的沖擊和淤埋，應(yīng)在流通區(qū)修建攔渣壩，攔渣壩下方修建排導(dǎo)槽，線性工程上方修建明洞，使得泥石流沿排導(dǎo)槽流過(guò)明洞，達(dá)到防治的目的。

5 結(jié) 論

本文采用遙感解譯、野外調(diào)查、室內(nèi)試驗(yàn)和模擬計(jì)算等方法研究了朗嘎村沖溝泥石流運(yùn)動(dòng)特征與形成機(jī)理，得出以下結(jié)論：

a.朗嘎村沖溝泥石流是后端凹槽匯水、松散軟弱破碎的地層和強(qiáng)降雨綜合作用的結(jié)果。后端凹槽匯水為泥石流提供了水動(dòng)力條件，松散軟弱破碎的地層為泥石流提供了物源條件，強(qiáng)降雨是泥石流形成的激發(fā)條件。自朗嘎村溝首次爆發(fā)泥石流破壞了坡面完整性，該溝已發(fā)展為一條降雨型小規(guī)模高頻黏性泥石流溝。

b.朗嘎村溝泥石流的形成是降雨作用下，凹槽土體匯流自重增大了土體下滑力，降低了土體抗剪強(qiáng)度，坡體被剪切破壞發(fā)生滑坡，滑坡液化解體形成了泥石流。

c.對(duì)朗嘎村沖溝泥石流應(yīng)該以工程防治為主，物源區(qū)采用錨桿和柔性防護(hù)網(wǎng)固土過(guò)流，采用攔渣壩、排導(dǎo)槽和明洞避免泥石流對(duì)公路的沖擊和淤埋。

d.線性工程以不同方式通過(guò)泥石流的不同區(qū)域時(shí)，應(yīng)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際與泥石流防治工程設(shè)計(jì)原則，實(shí)施相應(yīng)的防治工程。