甘肅南部典型小流域泥石流災變鏈預測研究

張鵬 劉春娟 馬金珠

摘要：基于前人對災害鏈的研究及實地勘察，分析山地災害鏈的發育類型與結構，采用SINMAP斜坡穩定性分析模型，進行小流域斜坡穩定性數值模擬，分析流域內不穩定區域分布特征。利用多重災種鏈式演化模式中的聚焦型模型，分析典型小流域泥石流溝漢林溝鏈首地質災害發育特征，結果表明其鏈首災種為地裂縫、崩塌、滑坡、坡面泥石流及溝谷泥石流。由于漢林溝溝口相對狹窄，溝道的排導能力較弱，在極端降雨或其他地球外營力下形成的大型溝谷泥石流，極易形成堰塞湖，堰塞湖壩體在無法承受巨大的泥石流體沖擊時，極易發生壩體漬決，形成大型山洪災害，因此漢林溝流域發生泥石流災害后最終形成的災害鏈為山洪災變鏈。

關鍵詞：災害鏈;泥石流;滑坡;鏈首;山洪

中圖分類號：P642.23

文獻標志碼：A

doi：10.3969/j .issn. 1000- 1379.2019.01.020

隨著全球防災減災研究的不斷深入，泥石流災害的發生發展及可能形成的災變鏈受到了國際社會越來越廣泛的關注。目前，研究災變鏈的成果較多，如王建秀等[1]災變鏈式機制的研究，文傳甲[2-3]大氣災害鏈及廣義災害鏈的研究，李明等[4]、宋志等[5]滑坡、泥石流地質災害鏈形成機理的研究，韓金良等[6]地質災害鏈的研究，吳瑾冰等[7]巨災鏈的研究，肖盛燮[8]生態環境災變鏈的研究，徐夢珍等[9]山地災變鏈的研究等。這些研究雖處于初步探索階段，但對學科的發展和減災防災都具有重要意義。

山地災害近年來在我國山區頻發，常形成大規模的山地災變鏈。山地災變鏈是由多種山地災害組成的線狀或帶狀災害，是山地災害的物質、能量和信息在特定條件下相互傳遞、相互滲透、相互作用和相互轉化的結果[10-11]。山地災害發育的地質環境復雜，致災因素有地球的內營力作用、外營力作用和人為作用等多種，因此山地災害種類多，由其構成的山地災變鏈的類型也多種多樣[12]。甘肅南部小流域泥石流溝災變鏈類型與結構主要是由地球外營力作用形成的。強降水極易形成山地災變，導致山地災變鏈的形成。以降水致災災種為鏈首的山地災變鏈種類繁多，結構復雜，共有23種形式[13]。人類活動致災的山地災變鏈的類型與結構主要是人類過度開發利用資源造成的，其鏈首復雜，往往為水土流失、崩塌、滑坡和坡面泥石流以及容易造成山洪和人工堰塞湖的壩堤潰決等。

根據山地災變鏈的發育類型與結構，筆者結合前期基于水動力模型的漢林溝泥石流數值模擬研究[14]，利用SINMAP數值模型分析典型小流域不穩定區域分布情況，并運用多重災種鏈式演化模式中的聚焦型模型，分析甘肅南部典型小流域泥石流鏈首災種發育特征，預測其災變鏈。

1 研究區概況

甘肅省南部典型小流域漢林溝位于隴南武都區漢林鄉，屬嘉陵江三級支流，主溝長6.34 km，流域面積為33.88 km，平均比降為10.5%。主溝常年流水，平時流量為0.002～ 0.011 m/s，暴雨時會伴隨泥石流發生，其暴發頻率約每年一次，屬稀性一黏性綜合型泥石流。該小流域形成區為圓弧形，植被覆蓋一般，主要為人工林地和草地，溝腦坡體坡角為40°～ 45°。流通區兩側山體不穩定，左岸基巖出露，風化強烈，中上游坡角為60°～ 70°，巖石破碎，以千枚巖、片巖為主;右岸松散堆積物以黃土為主，流水侵蝕強烈，坡體極不穩定。流通區有兩個滑坡，新滑坡面積較大且滑動明顯，為泥石流提供了充足的物源，溝床寬5—15 m，利于溝內松散物質到達堆積區。堆積區溝床為V形，溝道兩側以耕地為主，植被發育較好。

漢林溝受流域內發育的大型滑坡、地裂縫、崩塌及溝谷泥石流等鏈首的嚴重影響，極易爆發大型泥石流災害。因此，針對漢林溝泥石流各鏈首進行野外調查與分析，預測其災變發生的可能性，有重要的現實意義。

2 研究內容與方法

首先對小流域泥石流溝災變鏈的鏈首進行野外調查及室內分析，預測其可能形成的次生災變：然后綜合分析小流域泥石流溝鏈首災變演化過程，預測可能形成的災變鏈。

以野外調查為基礎，采用SINMAP（ Stability IndexMapping，穩定指數映射）模型進行小流域斜坡穩定性數值模擬，分析流域不穩定區域分布特征，利用多重災種鏈式演化模式[12]中的聚焦型模型預測小流域泥石流溝的災變鏈。

SINMAP模型是基于無限邊坡穩定模型提出的一個基于地形的水文穩態模型，其斜坡穩定性指數計算公式為[15-16]：

根據現場采樣和室內試驗結果，參考以前的試驗成果[15]，選取有關參數值（見表1），其中：R=q/a（R為穩態補給流量，q為側向流量，a為集水區面積），T為土壤的導水系數。

多重災種鏈式演化聚焦型模型是由若干鏈首災種在發展演化過程中集成的綜合型災變模型[17-18].在各個鏈首災種發生演變并集中迸發時形成具有巨大破壞作用的災害效應，其演化如圖1所示。

3 結果與分析

3.1 斜坡穩定性數值模擬分析

流域內的土壤飽和程度分布較有規律，飽和區基本在溝道內，干燥區分布于流域分水嶺一帶及支溝之間的山梁兩側，不飽和區主要分布于主溝及支溝溝腦一帶，大部分集中在支溝的溝腦兩側，分布范圍集中，見圖2（a）。山坡極不穩定區為圖2（b）的紅色區域，經實地調查，溝口段右岸的極不穩定區為松散碎石土堆積形成的滑坡災害點，流域中段的極不穩定區為溝道常年流水沖蝕形成的黃土體陡坎及碎石土體崩塌，而流域中段山坡上的極不穩定區為集中分布的正在發生蠕動變形的小型土質滑坡群，流域上段的極不穩定區為巖質崩塌體。由此可見，流域上游的泥石流由崩塌體及部分山坡滑體組成，從而形成稀性泥石流，而到了中下游，大型土質滑坡處于不穩定狀態，使中下游的支溝形成黏性泥石流，最終匯至溝道下游形成由稀性轉化為黏性的大型泥石流。對比發現，崩塌、滑坡點都位于流域不穩定區內，由SINMAP模型模擬得到的不穩定區域評價結果基本上與現有滑坡點分布一致，表明模擬結果是可靠的。

3.2 鏈首災種分析

流域斜坡穩定性分析和實地勘察表明，漢林溝流域發育有鏈首災害點69處，其中地裂縫10條、滑坡17處、崩塌12處、坡面泥石流溝7條及溝谷泥石流溝21條。流域內有3處大型一特大型滑坡災種，4處較大型溝谷泥石流災種，其他鏈首災種規模均較小。漢林溝流域災變鏈鏈首地質災害發育類型及分布情況見圖3。

3.2.1 滑坡

漢林溝滑坡發育較多，是山地災變鏈中典型的鏈首災種，本文以流域內最為發育的三家地特大型滑坡Hl為例進行滑坡災種鏈首分析。三家地滑坡的發育發展嚴重影響漢林溝泥石流的發生和發展。

三家地滑坡主體巖層為中厚層的新近系紫紅色泥巖和砂質泥巖夾砂巖，總體厚度為300—500 m，受漢林盆地南部邊界草山梁長期強烈上升的影響，巖層總體向北傾斜，傾角由南部山頂區的200左右逐漸向溝底變為50左右，部分地段近水平。該滑坡為漢林新近系向斜構造的南翼，局部發育輕微撓曲。表層主要為馬蘭黃土和離石黃土。地貌形態為臺階狀斜坡，地質結構為黃土一泥巖順向坡。由于坡體基礎性巖層為新近系泥巖，成巖程度低，屬軟弱易滑巖層，上覆黃土強度低，抗沖蝕能力差，屬易滑土體，因此決定了三家地斜坡的穩定性較差。區內新構造運動強烈、地震頻繁，在溝道長期下切侵蝕等地質作用下，滑坡非常發育，區內及周圍地區不同規模、不同時期的滑坡成群成帶分布，在6.75 km的范圍內形成了大型滑坡群。據現場調查，該特大型滑坡群共發育有大小滑坡體57處。

在大型滑坡體中，黃土一泥巖順層滑坡（見圖4）最多且規模較大，土質滑坡有黃土滑坡（見圖5）和混雜的古老滑坡體的復活滑動，其中部分滑坡為“5·12”汶川地震擾動引發的。大型黃土一泥巖順層滑坡分布在陳李溝以南的整個斜坡區，在長期溝道徑流側蝕及下蝕作用下，極易發生滑動，形成溝谷泥石流。中小型滑坡主要受沖溝長期強烈下切侵蝕的影響，沿溝道兩側發育，是溝谷泥石流良好的物源補給區。

三家地滑坡是以古滑坡為基礎的新近特大型滑坡，是歷史地震長期擾動形成的。較差的地質結構和地層巖性條件是三家地滑坡形成的主要因素，其外部影響因素是沿落水洞人滲的水體以及漢林溝對滑坡前緣的不斷侵蝕下切，“5·12”汶川地震是滑坡活動的直接誘發因素和動力來源。牽引性發展是三家地滑坡形成、復活滑動方式的特點，老滑坡體后部的支撐力受到前部滑坡體滑動的影響，極不穩定，向上逐級牽引發展，使三家地老滑坡的穩定性不斷惡化，形成滑坡一溝谷泥石流災變鏈，威脅三家地村莊的安全。

3.2.2 地裂縫

漢林溝流域受“5·12”汶川地震強烈影響，產生了大量的地裂縫，較為發育的地裂縫有10余條，主要集中在三家地滑坡體上，最為突出的是三家地村莊南部L1裂縫和三家地滑坡群前緣的3處大規模裂縫，這與流域斜坡穩定性數值模擬結果是一致的。

L1裂縫大致依附于Ⅱ級滑坡體后緣區，即老滑坡主滑壁下部與老滑體的交匯處，裂縫長520 m.寬0.4～1.6 m，最大下錯1.2 m。該裂縫使得附近民房、窯洞、道路和農田出現錯斷現象。上部Ⅱ級滑坡體受到不斷滑動的三家地老滑坡下部Ⅲ級滑坡體影響，其支撐力不斷削弱，牽引向上發展，受地震影響，Ⅱ級滑坡體的穩定性急劇降低，產生復活蠕動，逐漸形成L1裂縫。

/2裂縫呈南西一北東走向，與L1裂縫相接于南端，裂縫長175 m，寬0.1～ 0.3 m。地震過程中，東西兩塊老滑坡體的差異運動形成了該地裂縫。

L3裂縫位于Ⅲ級滑坡后部，長145 m，寬0.4～ 1.5m，下錯0.3～4.0 m。

L1～L3地裂縫發育規模大、延伸距離長，在長期降水及地下水的侵蝕作用下，極可能影響各級滑坡體的穩定性，引發滑坡災害。因此，地裂縫的長期發展極可能促使老滑坡復活，發生滑動，進而引發溝谷泥石流，形成地裂縫一滑坡一溝谷泥石流災變鏈。

3.2.3 崩塌

漢林溝流域崩塌主要有黃土崩塌和泥巖崩塌兩類，主要由地震引發滑坡崩滑形成。漢林溝中上游溝岸陡峭，有的近乎直立，主要由黃土、老滑坡堆積體等組成，穩定性差，有較多的土質崩塌，崩塌體一般體積在數百立方米至數千立方米，松散破碎，且堆積于谷底，甚至堵塞溝道，被強大的集中水流侵蝕沖刷，極易補給泥石流。漢林溝中游溝道右岸崩塌（Bl）位于漢林鄉公路靠山坡處（見圖6），崩塌所處地形為高陡土質邊坡，坡腳為公路，邊坡高約13 m，寬約50 m，坡角550，坡面土體松散，風化強烈，裂縫極為發育，土體破碎呈大小不等的塊狀，處于斜坡不穩定區，在地震、降水等外力作用下極易產生崩塌，威脅過往行人及車輛安全。

導致該處易發生崩塌的主要因素：一是地形條件，該處屬于易侵蝕中山谷地貌，山坡整體較陡，有較大的臨空面，坡面坡角可達500以上;二是陡坎高、坡面陡、巖體破碎、裂隙發育，利于降水入滲，形成潤滑面;三是人類活動對斜坡形態的改造，在坡腳進行切坡削方筑路，改變了原始斜坡狀態，增大了坡體臨空面，形成了陡坡。上述因素對該坡體穩定性影響較大，在地震、爆破震動、暴雨沖刷等外力作用下極易產生失穩，發生崩塌災害，崩滑于溝道內形成溝谷泥石流災變，從而形成崩塌一溝谷泥石流災變鏈。

3.2.4 溝谷泥石流

漢林溝流域地形起伏、溝谷發育且坡降大，由滑坡、崩塌等產生的松散物極為豐富，致使泥石流災害較發育。泥石流不但破壞生態環境、造成地質災害，而且長期對坡腳強烈侵蝕、沖刷及搬運，易引發老滑坡復活產生滑坡。滑坡、泥石流二者相伴互生、相互影響，易形成滑坡一泥石流惡性循環的地質災變鏈。

漢林溝支溝陳李溝主溝道長3.1 km.相對高差511m，溝床平均比降16，5%。陳李溝分為東溝和西溝兩部分，溝谷大致呈V形，切割深度為20～ 60 m，溝岸坡角一般為35°，溝底狹窄，寬一般為4—10 m，上部平緩，下部陡峭，溝底一般較為陡直。根據實地調查并結合采樣分析，按泥石流流體性質，陳李溝泥石流屬黏性泥石流。

陳李溝兩岸滑坡、崩塌發育。受三家地滑坡前緣長期滑動、推擠的影響，陳李溝主溝道的下游段變窄變淺，甚至溝形不明顯。陳李溝子流域各沖溝發育的基本特征見表2。

據調查，滑坡、崩塌及溝道堆積物為陳李溝流域固體松散物質的來源，以滑坡堆積物為主體，按地形形態屬溝谷型泥石流。陳李溝流域滑坡轉換為泥石流固體物質成分的主要方式：①兩側滑坡擠壓溝道，形成溝道堵塞，致使溝道變窄變淺，形成狹窄的溝槽地形，滑坡物質被泥石流直接沖蝕、側蝕和搬運;②滑坡前緣及側緣逐次坍塌進入溝道，被泥石流沖蝕、搬運，構成泥石流堆積體：③在降雨作用下，滑坡表層及側緣松散物被沖蝕帶人溝道，補給溝谷型泥石流。

據歷史資料，陳李溝泥石流按水源類型屬暴雨型泥石流，當降雨強度達到25 mm/h.或10 min降雨量達到10 mm時，極易暴發大規模泥石流。研究區降水集中，暴雨頻率高、強度大，1 h最大降雨量為40 mm.10 min最大降雨量為16.2 mm.均大于泥石流發生的臨界降雨量，極易發生暴雨型泥石流。

陳李溝流域處于斷裂交匯地帶，新構造運動強烈、地震頻繁，斜坡坡體結構多為黃土、泥巖或黃土泥巖順層結構，部分出露基巖地區，節理裂隙非常發育，巖石異常破碎，這些都為泥石流發育提供了條件。而大規模鄉村修路及生活、建筑垃圾等堵塞泥石流排洪道，鄉村道路的修建使岸坡坡腳不斷被挖掘而失穩，大量滑坡、崩塌發生，增加泥石流物源，有利于泥石流災害發生發展。

綜上，漢林溝流域特定地質條件和特殊的地理環境是泥石流形成的內在因素。軟弱、破碎的砂質泥巖及第四系崩坡積物為強烈頻繁的泥石流活動提供基礎，溝谷坡度陡峻為泥石流產生提供地形條件，強度大、頻率高的降雨是產生泥石流的動力條件，森林植被破壞、不合理利用土地、大規模修路及生活建筑垃圾排放起著加劇泥石流活動的作用，極易形成小型溝谷泥石流一大型溝谷泥石流一山洪災變鏈。

3.3 綜合災變鏈預測

根據漢林溝小流域地質災害發育特征分析，流域內發育的鏈首災種主要有崩塌、滑坡、地裂縫、坡面泥石流及溝谷泥石流5種。流域內發育有3處大型一特大型滑坡（三家地、漢坪村、山虎嶺），4處較大型溝谷泥石流（陳李溝西溝、陳李溝東溝、陳李溝主溝、香椿溝），其他鏈首災種規模均較小。根據斜坡穩定性數值模擬結果，該區域屬不穩定狀態，在極端降水或地震擾動下，這幾處大型滑坡均有可能發生失穩而滑動，形成大型滑坡一大型溝谷泥石流災變。根據實地勘察及區域斜坡穩定性分析，溝道下段右岸的Bl處崩塌處于不穩定狀態，發生崩塌可能性較大，在人類活動干擾或強降水、地震影響下，崩塌坡腳極易被破壞而發生崩塌災害，由此發生大型崩塌一大型泥石流災變。由SINMAP模型模擬結果可知，溝道中游的幾處災害點處于潛在不穩定狀態，可能發生較大型溝谷泥石流，在極端降水條件下，極易形成堰塞湖，堰塞湖壩體一旦潰決，將形成大型山洪災變鏈。綜上，對漢林溝泥石流溝災變鏈預測結果見圖7。

由于漢林溝溝口相對狹窄，北峪河主河道在該段較為狹窄，溝道的排導能力較弱，因此在極端降水或其他地球外營力下一旦發生大型溝谷泥石流，極易形成堰塞湖，堰塞湖壩體在無法承受巨大的泥石流體沖擊時，壩體潰決，極易形成大型山洪災害，因此預測漢林溝流域發生泥石流災害后最終形成的災變鏈為山洪災變鏈。對比筆者前期對漢林溝泥石流基于FLO -2D模型數值模擬其沖淤結果[14]，二者較為一致。

4 結語

通過對典型小流域漢林溝斜坡穩定性分析及泥石流災變鏈預測，其鏈首為地裂縫、崩塌、滑坡、坡面泥石流及溝谷泥石流，這些鏈首災害的分布特征與SINMAP模型模擬的斜坡穩定性情況是一致的。根據多重災種鏈式演化聚焦型模型的分析預測，在極端降水或其他地球外營力下一旦發生大型溝谷泥石流，極易形成堰塞湖，堰塞湖壩體在無法承受巨大的泥石流體沖擊時，壩體潰決，極易形成大型山洪災害。因此，綜合預測漢林溝流域發生泥石流災害后極有可能形成的災變鏈為山洪災變鏈。

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