祁連縣牛心山北坡刺疙瘩泥石流發育特征及危險性評價

曾磊，韓國平

祁連縣牛心山北坡刺疙瘩泥石流發育特征及危險性評價

曾磊，韓國平

（四川省冶金地質勘查局六0五大隊，四川 彭山 620860）

祁連縣牛心山北坡刺疙瘩泥石流，嚴重威脅溝口附近人民生命財產安全。通過詳細勘查，綜合分析泥石流的形成條件、發育特征及形成機制；評價動力學特征；運用單溝泥石流危險性評價中灰色關聯法，將泥石流規模、頻率、流域面積、主溝長度、流域相對高差、流域切割密度和不穩定溝床比作為評價因子，對泥石流危險性進行評價。結果表明：刺疙瘩泥石流泥石流容重1.76t/m3，為粘性泥石流；泥石流流速：3.03m/s；泥石流危險度0.47，屬于中度危險。

泥石流；發育特征；灰色關聯法；危險性評價；祁連

泥石流災害風險評價是泥石流災害評價、監測預警和防災減災的重要內容和決策依據。已成為國內外泥石流研究熱點（寧娜等，2014）。

祁連縣位于黃土高原與青藏高原間過渡帶，地質環境條件復雜，經常發生塌方，滑坡，泥石流等地質災害。近年由于降雨頻繁，不穩定黃土質斜（邊）坡發育，黃土濕陷加劇，導致邊坡失穩，誘發溝坡塌岸、小規模滑坡、泥石流發生，加大該區水土流失。祁連縣牛心山北坡泥石流流域早期泥石流堆積扇發育深切沖溝，沖溝側壁多期泥石流堆積特征。溝道堆積了大量松散物源，直接威脅流域內牧場、溝口居民的安全和鄉村公路安全。在強降雨作用下，可能再次發生泥石流災害（溫清茂和鐘東，2019）。分析泥石流發育特征，評價其風險性，對該地區泥石流的預警、預報和防治具有重要意義。

圖1 研究區地質簡圖與泥石流活動分區圖

1 泥石流形成條件分析

1.1 基本地質條件

研究區位于青藏高原東北部祁連山脈南側牛心山北坡，泥石流上游到下游依次跨越侵蝕構造高山地貌、侵蝕構造中山地貌、河谷沖積平原地貌三種類型。出露中寒武統（∈2）花崗巖、閃長巖、英安巖以及第四系（Q）砂礫石層、沖洪積、滑坡堆積及泥石流堆積物等（圖1）。牛心山上部巖體較破碎，完整性較差，有利于形成松散固體源條件。

1.2 地形及溝道條件

流域面積2.48km2，主溝長4.31km，主溝平均坡率178.25‰，流域最高點4585m，最低點2790m，相對高差1795m，溝谷整體狹長。沖溝中上游為U型谷，中下游為V型谷。兩側岸坡坡度30°～70°，溝道一般為牛心山冰雪融水，山勢陡峻，匯水及水源條件較好。河谷高差大，為溝道徑流、泥石流發生提供了地形條件（王家柱等，2015）。

圖2 祁連縣氣象站1960—2017年降水量曲線圖

1.3 水源條件

根據祁連縣氣象臺1960—2017年降雨特征統計，年內降水分布極不均勻。降水量主要集中在6—9月，占全年降水量89.7%，降水量年際變化較大，年降水量最大573.1mm（1998年），最小年降水量63.2mm（1984年）。差異9.1倍（圖2）。根據1960—2017年最大日降水量資料，最大日降水量40.5mm，1小時最大降水量21.9mm。區內無暴雨，大、中雨多發，24小時降水量大于50mm。25mm以上暴雨發生24次，20mm以上暴雨41次。暴雨發生與泥石流發生基本一致。

表1 流域內主要物源特征

本區50年內每年出現一次大雨天氣幾率35.19%。區內雨量集中，雨強可以滿足激發泥石流條件，暴雨是泥石流主要引發因素。

1.4 物源條件

野外調查，刺疙瘩滑坡（泥石流）盆地為泥石流暴發提供滑坡物源、溝道堆積物源和岸坡侵蝕物源三種類型。各產地統計見表1。

1.5 泥石流成因機制分析

該流域近幾十年未暴發過大的泥石流，中上游區溝道泥石流物源形成區卡口以上區域，每年凍融季和雨季交替發生不同規模泥石流。由于水動力條件不足，溝床地形變窄，流水沖刷溝道內的松散堆積物，造成部分河道堵塞，發生短期淤積和小規模潰壩，產生再放大效應，泥石流流速和流量加大。由于形成區地形坡陡，物源豐富，暴雨作用下，可形成泥石流。將流通區溝道松散堆積物轉化為泥石流。涌向下游堆積區。因此，該泥石流為雨（雪）融引發溝道粘性潰決性泥石流（熊沖沖等，2021）。

圖3 流域物源特征

2 泥石流特征值

2.1 泥石流容重

采用現場配漿試驗，按下式計算出泥石流容重：

表2 泥石流容重計算

c為泥石流容重（t/m3）；P1為桶與泥石流體總重（g）；P2為空桶重量（g）；V為桶內所盛泥石流體體積（cm3）。

參照相關泥石流分類規范，按公式計算的泥石流堆積密度1.76t/m3，屬粘性泥石流（劉洪濤等，2018）。

2.2 泥石流流速

粘性泥石流流速計算公式主要有三種：改進的泥石流流速公式、武都地區粘性泥石流流速計算公式和通用公式。本報告選用通用公式：

VC=1/nc·HC2/3·IC1/2

式中：VC為泥石流斷面平均流速（m/s）；HC為計算斷面的平均泥深（m）；IC為泥石流水力坡度（‰）；nc為泥石流溝床糙率。

從表3可見，泥石流的流速為3.03m/s。

表3 泥石流流速計算

2.3 泥石流流量

按雨洪法計算，依據公式如下：

QC=[1+（γc-1）/（γH-γc）]K a i Φ F·DC

式中：QC為泥石流流量（m3/s）；DC為泥石流堵塞系數。γc為泥石流容重；γH為泥沙顆粒容重。K為單位換算系數；a為洪峰徑流系數。i為造峰時段內平均雨強；Φ為最大共時徑流面積系數，計算結果見表4。

表 4 不同頻率下泥石流流量特征

表5 泥石流流量計算

2.4 一次泥石流總量及固體物質沖出量

根據實測泥石流和泥位線，計算一次泥石流總量和沖刷固體物量，按下式計算：

Q=K·T·Qc

QH=Q（γc－γw）/（γH－γw）

表6 泥石流危險性評價相關指標及數據

K值隨流域面積（F）的大小而變化。

T為泥石流持續時間（s）；Qc為最大流量（m3/s）；γH為泥石流固體物質的比重（t/m3）；堆積密度（c）；γw為水體積密度（t/m3）。

3 泥石流危險性評價

采用灰色關聯度法對泥石流危險性進行評估（白云等，2019；朱東東，2018；常文娟等，2018；周偉等，2012；范榮全等，2018；孫哲，2017；劉希林和唐川，1995）。

3.1 泥石流危險度指標及取值

本文在參考前人研究成果的基礎上，選取泥石流規模m/（104m3）、泥石流發生頻率f/100年、流域面積等評價指標：S1/km2，主溝長：S2/km，流域相對高差：S3/km，流域切割密度：S4/km-1，不穩定溝床比：S5。表6為該泥石流評價因子詳細數據。

劉希林等提出了單溝泥石流風險的計算方法[12]：

H單＝0.29M＋0.29F＋0.14S1＋0.09S2＋0.06S3＋0.11S4＋0.03S5（1）

式（1）的M、F、S1、S2、S3、S4、S5的相應因子在依據表7進行轉換后的數值。

3.2 泥石流危險性評價結果

表7 單溝泥石流危險度評價因子轉換函數

表8 危險性評價因子轉化結果

將表8泥石流評價因子轉化結果，代入式（1）：

H單＝0.29×0.22＋0.29×0.70＋0.14×0.35＋0.09×0.66＋0.06×1＋0.11×0.11＋0.03×0.75=0.47

計算得危險度為0.47，按泥石流危險性分級標準（表9）可知，該泥石流為中度危險。

表9 泥石流危險性分級

4 結論

通過對刺疙瘩泥石流的野外現場勘查、室內綜合研究，得到如下結論與認識：

1）流域固體物源主要有滑坡源、溝道堆積源和溝道岸坡侵蝕物源。總儲量84.22×104m3。其中，不穩定源23.42×104m3，動儲量占27.81%。

2）刺狀泥石流具有阻塞性，重度1.76t/m3，流速3.03m/s。

3）泥石流危險性0.47，屬中等風險。

4）采用灰色關聯分析法，數據獲取簡單。風險評價結果存在爭議。可以采用多種方法進行比較，進一步優化。

寧娜，舒和平，劉東飛，馬金珠．2014．基于熵權和模糊評判的單溝泥石流危險性評價[J]．蘭州大學學報(自然科學版)，50(03)：369-375．

溫清茂，鐘東．2019．推薦一種泥石流坡面侵蝕物源量的計算方法[J]．四川地質學報，39(02)：289-293+298．

王家柱，任光明，余天斌，高波．2015．四川蘆山震區大葉龍溝泥石流發育特征及危險度評價[J]．中國地質災害與防治學報，26(04)：1-5．

熊沖沖，胡卸文，劉丁毅，賀書恒．2021．基于RAMMS鋤頭溝泥石流運動過程模擬[J]．四川地質學報，41(01)：107-111+122．

劉洪濤，劉曉欽，吳浩，張瀟敏．2018．“4·25”地震災區瓊母溝泥石流形成條件研究[J]．四川地質學報，38(03)：498-501．

白云，曾磊，陳毅．2019．祁連縣小東索泥石流成因及危險度評價[J]．資源信息與工程，34(05)：102-105．

朱東東．2018．涪江上游石坎河流域泥石流發育特征及危險性評價[D]．成都理工大學．

常文娟，任光明，李暢，劉騰．2018．青海某溝谷“8·21”泥石流發育特征及危險性評價[J]．中國地質災害與防治學報，29(06)：33-39+52．

周偉，唐川，周春花．2012．汶川震區暴雨泥石流激發雨量特征[J]．水科學進展，23（5）：650-655．

范榮全，李惠民，任光明，李暢，余天彬．2018．基于GIS的流域地質災害危險性區劃及評價[J]．工程勘察，46(03)：59-63．

孫哲．2017．青藏高原多年凍土區熱融滑塌對土壤凍融侵蝕影響[D]．蘭州大學．

劉希林，唐川．1995．泥石流危險性評價[M]．北京：科學出版社．

Development Characteristics and Risk Assessment of the Cigeda Debris Flow in the Northern Slope of the Niuxin Mountain in Qilian

ZENG Lei HAN Guo-ping

(The 605th Geological Party, Sichuan Bureau of Metallurgical Geological Exploration, Pengshan, Sichuan 620860)

The Cigeda debris flow in the northern slope of the Niuxin Mountain in Qilianis a serious threat to the lives and property of people near the mizoguchi. This paper has a discussion on forming conditions, developmental characteristics, genetic mechanism, dynamic characteristics of this debris flow and makesthe assessment for hazard degree of the debris flow by means of grey correlation method for hazard assessment of debris flow in single gully and assessment factors such as debris flow scale, frequency, gully area, main gully length, relative elevation difference and cutting density of the watershed and unstable trench to bed ratio. The results yield density of debris flow of 1.76t/m3, debris flow velocity of 3.03m/s and danger degree of the debris flow of 0.47. The Cigeda debris flow is aviscous debris flow of medium danger degree.

debris flow; developmental characteristic; risk assessment; grey correlation method; Qilian

2020-07-21

曾磊（1988— ）男，四川資陽人，碩士研究生，工程師，主要從事工程地質、巖土工程與地質災害等方面工作

P643.23

A

1006-0995（2021）02-0273-04

10.3969/j.issn.1006-0995.2021.02.018