泥石流地質災害的動力學發育特征及成災演化過程分析

［關鍵詞］泥石流；發育分布；力學特征值；成災演化

泥石流發育具有突然性和暴發性，通常難以預測，一旦暴發將導致大規模毀滅性災難[1]，目前，國內的研究熱點集中于泥石流的危險性評價[2]、發育特征[3]、地質災害鏈[4]等方面，泥石流監測預報[5]、參數計算方法[6] 、模型分析[7]等有可能成為我國泥石流災害研究領域未來的核心主題。本文以興義穆家坡泥石流為例，總結地質災害的發育特征，概化泥石流發育演化模型，力求為多災種地質災害的防治開拓思路。

1. 泥石流的發育特征

穆家坡泥石流溝2016、2017年暴雨時，均有不同程度的變形，2017年7月8日清晨，穆家坡泥石流在暴雨誘發下突發變形，造成4棟房屋損壞，多處道路中斷，所幸未造成人員傷亡。

穆家坡泥石流溝及其兩側次級沖溝發育，主溝溝道全長泥石流溝主滑向210°，寬度2～6 m，溝道全長814.86 m，高差287.65 m，縱坡降約353‰，區域匯水面積為0.222km²。區內植被覆蓋率低，暴雨激發下，泥石流溝內滑塌、潛在不穩定斜坡等頻發，其沖溝兩側斜坡上第四系松散層覆蓋較厚，含粉砂、礫、塊各級粒度，粒度很不均勻，且結構較為松散，斜坡自然穩定性較差。經配方試驗泥石流重度（γ_c）達到1.46 t/m³，固體松散物容重2.68 t/m³，經綜合分析，該泥石流地質災害屬暴雨-崩滑-溝谷-低頻-稀性泥石型泥石流。

1.1地形地貌條件分析

穆家坡泥石流溝屬剝蝕低中山溝谷地貌，地勢上東北高西南低，流域北側主要有三條沖溝匯入，山體地形坡度35°～40°。該泥石流溝兩側均為高陡斜坡地形，溝谷橫斷面多呈狹窄“V”字型，地形起伏較大，溝谷切割強烈。坡體第四系松散堆積體較厚，植被覆蓋率15%左右，水土流失嚴重，為泥石流的形成提供了有利的地形條件和水動力條件[8]。

1.2物源條件分析

泥石流物源主要由松散的第四系殘坡積層（Q^dl+el）、沖洪積層（Q₄^al+pl）及泥石流堆積層（Q₄^sef）組成，物源區主要下伏基巖為三疊系下統飛仙關組（T₁f）粉砂巖夾頁巖細砂巖夾泥質灰巖頁巖及二疊系上統龍潭組（P₃l）雜色粉砂巖、灰色黏土質細砂巖、黏土巖夾白云質灰巖，透水性相對較弱，堆積區內黃褐色粉土夾碎石，結構松散，透水性一般，磨圓度一般，碎石含量40%～60%，粒徑1～15 cm，塊石塊徑一般20～30 cm，最大可達1 m。為泥石流的暴發提供了豐富的物源，使泥石流長期處于活躍期，極易受暴雨誘發復活[9]。

1.3水源條件分析

興義市頂效鎮年平均降水量1352.8 mm，最大年降雨量2047.8 mm，最小年降雨量737.1 mm。降雨集中在每年5～9月。根據1981～2010年該區域降雨量統計，降雨集中在7月，平均降雨量299 mm，2016年6月20日發生特大降雨，單日降雨量達264 mm（百年一遇），雨季豐沛的降雨對邊坡的穩定性產生不利影響[10]。

2. 成災演化過程分析

從泥石流發育過程中歸納泥石流成災演化發生的本質原因為切割強烈、高差大溝谷地形、多種地質災害形成的豐富物源條件[11]，在暴雨作用下的水—泥耦合[12]，沖溝內堆積體受暴雨沖刷和多處垮塌物源的外動力作用下不斷產生應力調整和軟化現象[9]，在山洪共同作用下產生突發變形，推測泥石流成災演化概念模型如下所示：

（1）初始階段：小范圍多發的地質災害形成堆積體，產生能量累積作用，并形成豐富物源[4]；

（2）徐變階段：隨著時間演化，溝內垮塌等進一步發育，產生沿層面方向的應力傳遞；

（3）臨界階段：發展到一定程度后，受局部地形或垮塌堆積體阻擋，無法繼續沿層面向前破壞，在前緣部位產生應力集中作用，隨時間演化緩慢向前擴展；

（4）破壞階段：當集中應力超過鎖固段巖土體的極限抗剪強度時，滑體在暴雨作用下發生突發性破壞[13]，并對滑體上人類工程造成破壞。

3. 泥石流動力學特征值分析

3.1 清水洪峰流量計算

根據興義市氣象站統計42年的年最大日降雨資料計算，假設泥石流的暴發與暴雨同頻率，根據貴州省《年最大24小時點雨量均值等值線圖》、貴州省《年最大24小時點雨量Cv值等值線圖》，取H₂₄=110mm、Cv=0.40，貴州省年最大24小時點雨量Cs=1.40作為計算值[14]。結合流域特性，取設計頻率為：10年一遇（10%）、20年一遇（5%）、50年一遇（2%）、100年一遇（1%），在四個不同頻率下的日最大降雨量（表1）。

4. 泥石流溝道及橋涵過流能力分析

根據現場調查，勘查區流域內人類工程活動強烈，溝口段緊鄰納省—卡路鄉道沿線、分布有多處房屋等設施，由于2016年、2017年暴雨作用造成多處斜坡變形垮塌，并引發泥石流，沖毀溝口道路。

現對橋涵及排水溝道進行泥石流過流能力計算，流量參照各溝道50年一遇各代表性剖面計算流量進行復核，按照100年一遇進行校核[17]，計算結果見表7。

根據實地勘查及室內計算結果可知，泥石流溝下部排導槽可滿足10年、20年一遇過流量、不能滿足50、100年一遇過流量，但目前泥石流溝道有淤積情況，突發泥石流時，局部溝道將溢出，向兩側漫延。計算結果與勘查期間訪問村民指認描述暴發泥石流時情況基本一致，在溝道較窄、彎道地段溝道溢出，部分溝道能正常排泄。

5 . 結論

通過前期系統性調查分析了穆家坡泥石流發育特征，結合現場堆積體特征和破碎程度，總體為初始階段、徐變階段、臨界階段、破壞階段，計算了泥石流在破壞階段不同暴雨頻率下的峰值流量、泥石流流速、一次過流總量，對泥石流溝下游排導槽過流能力進行分析，泥石流溝下游排導槽可滿足10年、20年一遇過流量；不能滿足50、100年一遇過流量，需對該區域泥石流采取進一步防治措施，分析結果為小區域內泥石流的防治方案設計提供了思路。