薄土層高植被蓋度區(qū)域低頻泥石流成因分析

摘要：2021年6月1日桂東縣局部強降雨導(dǎo)致侃大村發(fā)生了大型泥石流，造成了侃大河淤堵、房屋沖毀、農(nóng)田被淹等重大損失。針對侃大村特殊的地理條件，通過現(xiàn)場調(diào)查和試驗，可知該泥石流的發(fā)生，強降雨是主要誘發(fā)因素；但是，區(qū)域內(nèi)溝谷發(fā)育，多為“V”型谷或“U”型谷，且切割較深，為水源、物源的匯集提供了有利的地形條件；植被的存在降低了邊坡的穩(wěn)定，泥石流沖刷邊坡坡腳，導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)，滑坡涌現(xiàn)，滑坡又給泥石流提供了大量的物源，加大了泥石流的規(guī)模；流通區(qū)溝道平緩，發(fā)生的滑坡、小型泥石流使得溝底儲存了大量的堆積物，是本次泥石流造成較大影響的累計因數(shù)。對類似地理、地質(zhì)條件下泥石流減災(zāi)防災(zāi)具有重要參考意義。

關(guān)鍵詞：石英砂巖; 地質(zhì)災(zāi)害; 低頻泥石流; 淺層滑坡

中國分類號：P642.23A

［定稿日期］2022-04-06

［基金項目］中南大學(xué)研究生科研創(chuàng)新項目（項目編號：1053320192490）

［作者簡介］魏凌浩（1997—），男，在讀碩士，研究方向為巖土工程。

0 引言

泥石流災(zāi)害對人民的生命和財產(chǎn)安全具有極大的威脅［1-3］。我國是泥石流多發(fā)國家，根據(jù)國家統(tǒng)計局統(tǒng)計2020年我國共發(fā)生泥石流899起。因此泥石流研究一直是地質(zhì)災(zāi)害防治領(lǐng)域的熱點問題，關(guān)于泥石流的研究主要在誘發(fā)機制、成災(zāi)過程、防治技術(shù)幾個方面。楊瀛等［4］提出林火會導(dǎo)致泥石流發(fā)生概率提高。殷啟睿等［5］將提出了暴雨泥石流二階段DEA模型對泥石流進行危險性評價。栗帥等［6］提出采用“階梯+消力墩”排導(dǎo)槽治理大坡降溝道泥石流。孫昊等［7］指出透過型攔砂壩的粒徑調(diào)節(jié)是其容重調(diào)節(jié)的作用。泥石流的空間分布具有典型的地域性，主要分布在四川、甘肅地區(qū)，湖南省等華中地區(qū)的大型泥石流較為罕見，其成災(zāi)機理及防治研究顯得很有必要。

2021年6月1日，郴州市桂東縣漚江鎮(zhèn)遭遇局部暴雨，3 h累計雨量達到111.1 mm，導(dǎo)致侃大村突發(fā)泥石流災(zāi)害，造成房屋毀壞4棟、農(nóng)田14.6 hm2被淹、道路毀壞2.5 km、河道毀壞3.2 km等，直接經(jīng)濟損失約907萬元，威脅桂東縣漚江鎮(zhèn)侃大村及附近村組135戶約580人的生命財產(chǎn)安全，潛在經(jīng)濟損失達5 000余萬元。該泥石流成因復(fù)雜，具有較高的代表性，其誘發(fā)機制和防治措施具有重要的研究意義。

1 研究區(qū)概況

1.1 地質(zhì)條件

研究區(qū)于湖南省東南邊陲，地處南嶺山地北翼、羅霄山脈南端。侃大河為研究區(qū)內(nèi)主要河流，發(fā)源于侃大村西北面山林深處，注入漚江。侃大村位于耕熟嶺—四都—東坪斷褶帶與橋頭—寨前—東洛斷隆帶交接地帶，主構(gòu)造帶發(fā)育在沿沉積（變質(zhì)）區(qū)與花崗巖區(qū)之接觸界線上，主要是受白塘-蘭嶺斷層、上洞-侃大坳斷層和諸廣山復(fù)式隆起帶的影響和控制。區(qū)域內(nèi)出露主要巖層為寒武紀(jì)石英砂巖，邊坡表層多為第四系松散土層。

研究區(qū)屬于低山侵蝕與剝蝕地貌，區(qū)內(nèi)海拔標(biāo)高最高點位于西北山頂，海拔1 685 m，最低點侃大河，海拔790 m，相對高差約895 m。溝域整體呈西北-東南向發(fā)育，如圖1所示，溝谷上游山體坡度為40°～60°，多呈“V”型溝谷，區(qū)內(nèi)溝谷發(fā)育，坡體植被發(fā)育，多為杉樹，次為雜草等；下游地形較開闊，地勢相對較平坦，多為農(nóng)田、耕地及居民區(qū)。侃大河常年有流水，河床寬5～8 m，平均縱坡23‰，平均流量4.2 m3/s。

1.2 泥石流災(zāi)害概況

根據(jù)走訪調(diào)查，研究區(qū)內(nèi)發(fā)生過3次泥石流：第一次發(fā)生于1954年，由于時間久遠，爆發(fā)規(guī)模以及危害程度已無從查起；第二次發(fā)生于1996年8月，堆積體總量約2×105 m3，造成3.3 hm2水田被掩埋，無人員傷亡；第三次發(fā)生于2021年6月1日，一次堆積體總量約為4×105 m3。該泥石流溝第一次到第二次的發(fā)生泥石流的間隔為42年，第二次到第三次的發(fā)生泥石流的間隔為25年，泥石流爆發(fā)的時間間隔越來越短，爆發(fā)規(guī)模越來越大。

本次泥石流群流域面積約15.9 km2，植被蓋度在95%以上，形成區(qū)山體覆蓋層較薄，堆積區(qū)地形平坦開闊。如圖2所示，區(qū)域內(nèi)主要有3條泥石流主溝，物源總量達160.58×104 m3。

2 泥石流成因分析

根據(jù)調(diào)查分析，6月1日的強降雨是導(dǎo)致侃大泥石流發(fā)生的主要原因；泥石流形成區(qū)為中山溝谷地貌，邊坡陡峻，坡度在35°～55°之間，支溝眾多，地形切割強烈，有利于泥石流的匯集；大量的山體滑坡形成的崩滑堆積物和溝道堆積物是泥石流的主要物源。

2.1 降雨條件

侃大村泥石流的水源主要來源于大氣降水。2021年6月1日傍晚開始，桂東縣出現(xiàn)強降雨強對流天氣，根據(jù)當(dāng)?shù)貧庀笳颈O(jiān)測：6月1日08時—6月2日08時全縣平均降雨量為59.6 mm，共出現(xiàn)25～49.9 mm 5站、50～99.9 mm 8站、100～149.9 mm 4站、150 mm以上3站，降水量最大為168.9 mm。此次暴雨的局地性特征非常明顯，圍繞侃大村流域范圍形成集中降雨區(qū)，為本次泥石流提供了豐富的水源。

2.2 物源條件

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查及統(tǒng)計估算，侃大村泥石流的物源以滑坡、崩塌堆積物為主，其次是坡面侵蝕物和溝道堆積物，泥石流物源占比如圖3所示。

形成區(qū)及流通區(qū)基巖以寒武紀(jì)石英砂巖為主，表層覆蓋第四系殘坡積層，厚度為1～3 m。流域范圍內(nèi)山高坡陡，地形切割強烈，節(jié)理裂隙非常發(fā)育，且覆蓋層較薄，易發(fā)生沿巖土分界面的滑動，在暴雨條件下，易形成滑坡或崩塌。根據(jù)統(tǒng)計，流域內(nèi)發(fā)生滑坡和崩塌共128處，由此提供的物源量約100.25×104 m3，占物源總量的62.43 %。

侃大村泥石流最大泥位線高達4.5 m，峰值流量最大為139.439 m3/s，水動力大。再加上各支溝坡度較陡，坡面第四系殘坡積土易被水流帶入主溝道，成為主要物源。根據(jù)統(tǒng)計，坡面侵蝕物物源量達39.89×104 m3，占物源總量的24.84%。

3條泥石流溝的溝道均比較長，最長的1號溝長約3 880 m。如圖4所示，溝道堆積物的磨圓度有明顯的漸變性，說明溝道堆積物的產(chǎn)生是持續(xù)性的，而非一次泥石流堆積。在往年的降雨中，滑坡、崩塌堆積物持續(xù)產(chǎn)生，溝道通過自身的調(diào)節(jié)，降低水動力，避免了泥石流的形成，但是滑坡、崩塌堆積物在溝道堆積，日積月累形成了大量溝道堆積物。據(jù)統(tǒng)計，溝道堆積物源量達20.44×104 m3，占物源總量的12.73%。

2.3 地形條件

地形是影響泥石流發(fā)生的重要因素。地形地貌通過高差來實現(xiàn)勢能到動能的轉(zhuǎn)換，從而提供泥石流的水動力［8］。流域內(nèi)溝谷平面形態(tài)呈樹枝狀，流域面積為16.04 km2，匯水面積大，地勢總體西北高東南低，區(qū)域內(nèi)海拔標(biāo)高最高點位于西北山頂。流域整體呈西北—東南向發(fā)育，共發(fā)育3條泥石流溝，溝谷上游及各支溝山體坡度為40°～60°，多呈“V”型溝谷，為滑坡、崩塌的形成提供了內(nèi)在條件，為水源和泥沙的匯聚及松散固體物質(zhì)的搬運提供了有利的地形地貌條件。徑流匯集在主溝，形成具有一定沖刷力的地表洪流。

3 泥石流特征分析

3.1 植被特征

通常情況下，植被是有利于邊坡穩(wěn)定的［9-10］，但是植物根系的存在有時也對邊坡存在不利影響。如在黃土高原上，植物根系可能會導(dǎo)致淺層土壤中含水量增加，形成優(yōu)先入滲徑流，從而導(dǎo)致滑坡侵蝕［11］。植被對邊坡穩(wěn)定性的影響存在兩面性 ［12］，植物護坡是否有利于邊坡穩(wěn)定主要取決于哪種作用占主導(dǎo)地位。喬木根系的錨固效應(yīng)在一定條件下確實能使邊坡穩(wěn)定性增強，但是同時樹木由于自身重量及風(fēng)載荷的傳遞使邊坡穩(wěn)定性降低。在50°～60° 的坡度下，植被的不利影響會較大 ［13］。因此在陡峭的山區(qū)，過于茂盛的植被會對邊坡穩(wěn)定性造成破壞［14-15］。

侃大村泥石流流域范圍內(nèi)植被覆蓋度超過95%，主要為杉樹。植物的根系需要穿過潛在滑裂面，才能對邊坡的穩(wěn)定性起到較明顯的作用。而在研究區(qū)內(nèi)，第四系殘坡積層較薄，滑坡多為淺層滑坡，滑動面大致與巖土分界面重合。如圖5所示，流域上游巖層以寒武紀(jì)石英砂巖為主，植物根系難以進入巖層，大多沿著巖面生長，植物的根系幾乎沒有穿過滑裂面，對邊坡穩(wěn)定性的加固作用微弱。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查分析，形成區(qū)的坡度在40°～60°，這種情況下自身重力和風(fēng)荷載的不利影響較大。該地區(qū)茂密的杉樹會降低流域內(nèi)邊坡的穩(wěn)定性導(dǎo)致滑坡，間接增加泥石流的物源。

3.2 薄土層滑坡-泥石流成災(zāi)特征

侃大村泥石流流域內(nèi)覆蓋土層較薄，作為基巖的石英砂巖滲透性差，但是植被茂密，蓄水能力優(yōu)秀。一旦發(fā)生降雨，土層含水率會迅速升高，導(dǎo)致巖層和土層之間出現(xiàn)軟弱面，邊坡穩(wěn)定性降低。根據(jù)統(tǒng)計，侃大村泥石流流域內(nèi)提供物源的滑坡總共128個，提供物源量達100.25×104 m3，滑坡是泥石流最主要的物料來源。流域內(nèi)大部分滑坡都是由于坡腳失穩(wěn)導(dǎo)致的，而坡腳失穩(wěn)的主要原因是泥石流的沖刷作用。如圖6所示，滑坡與泥石流在暴雨的激發(fā)條件下，產(chǎn)生循環(huán)往復(fù)的相互作用，泥石流沖刷邊坡坡腳使得邊坡加速失穩(wěn)發(fā)生滑坡，滑坡產(chǎn)生物源擴大泥石流規(guī)模。

4 結(jié)論

（1）侃大村泥石流的主要原因是西南暖濕氣流輻合引起的區(qū)域性強降雨，由于流域地形陡峻，匯水面積廣，形成的規(guī)模龐大。流通區(qū)的溝道狹長而平緩，往年在調(diào)節(jié)微-小型泥石流的同時也在此堆積了大量的固體物，隨著時間的推移，溝道堆積物越來越多，溝道自身的調(diào)節(jié)能力在減弱，泥石流暴發(fā)的頻率越來越高。

（2）侃大村泥石流流域內(nèi)覆蓋土層較薄，作為基巖的石英砂巖滲透性差；植被茂密，蓄水能力優(yōu)秀。一旦出現(xiàn)降雨，土層含水率會迅速提高，邊坡易形成軟弱面從而發(fā)生淺層滑坡，滑動面常為巖土分界面。喬木根系難以進入巖層，無法有效的對邊坡進行加固，并且植被自身重力荷載和風(fēng)荷載的不利影響會在這一類地質(zhì)條件中得到擴大，從而促進滑坡的產(chǎn)生。

（3）根據(jù)該泥石流的災(zāi)害鏈特征分析，滑坡、崩塌和泥石流在侃大村泥石流災(zāi)害鏈中起相互促進的作用，因此通過加固坡腳等方式提高邊坡穩(wěn)定性，降低滑坡發(fā)生概率，可以減小泥石流發(fā)生的概率和規(guī)模。

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