陇南市文县石鸡坝镇水磨沟泥石流发育特征及形成条件分析

代宝峰,刘晋文

(1.甘肃省地下水工程及地热资源重点实验室,甘肃 兰州 730050;2.甘肃省地质环境监测院,甘肃 兰州 730050)

2020年8月14日至18日,文县境内连续发生多次强降雨,致使8月17日下午2时许水磨沟暴发特大山洪泥石流。山洪泥石流夹带大块石从沟道咆哮而下,沿程冲毁居民房屋和农田,冲毁道路、电力、通讯、河堤等设施,并直冲入白水江江道,堵塞白水江而形成堰塞湖。据统计,此次泥石流灾害造成2人死亡、1人失踪,直接经济损失9 400万元,造成水磨沟村、石鸡坝村受灾,受灾人口276户1 186人,泥石流造成道路、电力、通讯设施、河堤、农田等设施受损。此次泥石流灾情之大、损失之严重在文县罕见,因泥石流诱发次生灾害,威胁之大,给石鸡坝镇险崖坝村、石鸡坝村及白水江畔居民生命财产安全造成巨大损失,研究其发育特征及形成条件迫在眉睫。

1 地质环境概况

研究区所处的石鸡坝镇位于文县中部,水磨沟为白水江左岸支沟,流域呈近东西向展布,总汇流面积31.26 km2。区内各地雨量分布不均,全县多年平均降水量450～850 mm之间,降水总趋势自东南向西北减少,资料显示,灾害发生时文县境内连续发生多次强降雨,较大降水量出现在碧口(329.5 mm)、范坝(286.4mm)、马家沟(279.6 mm)、凡昌(200.1 mm)、清水坪新村(198.3 mm)等地。水磨沟流域以东大部分地区为侵蚀构造高山山地地貌,侵蚀强烈、坡陡谷深,山峰海拔多在1 700～3 000 m之间,山体相对高差110～1 400 m,山梁多呈条形、鼻梁形,山坡坡度一般为25°～50°,部分为大于70°的陡坡、陡崖,或呈直立。水磨沟中、下游两岸沟谷阶地断续、零星分布,局部坡积扇较大,阶面及坡积扇面上为农田地、居民住地、果园等。研究区出露地层以第四系、二叠系及三叠系为主,其中第四系松散堆积物质分布广泛,成因类型较多,厚度变化较大,主要分布于沟谷区两侧及较大支沟内,堆积坡度较陡,以碎石土为主,次为砂土,混杂堆积,物质松散,稳定性差,既是泥石流的重要补给物源,同时也是主要的灾害群体之一。研究区属石鸡坝-观音坝断层的西延部分,是性质不明断层及推测断层,对水磨沟泥石流洪积扇的形成有一定作用。此外,石鸡坝处在石坊-桥头复背斜和范家坝-石坊断裂带上,并受邻近松潘—平武地震带的强烈影响,属地震多发区。地震松动岩土坡体,一定程度上加大了水土流失强度,使流域内松散固体物质数量和累积速率有增大的趋势,加重了研究区泥石流灾害隐患。

2 泥石流形成特征

水磨沟泥石流为暴雨引发的沟谷型黏性泥石流,根据其形成、运移、堆积特征,从流域整体来看,可将其划分为形成区、流通区、堆积区等三部分。形成区位于流域的上、中部,平面形态呈树叶状,面积为30.12 km2,占总面积的96.14%。谷坡坡度一般20°～65°。上游区内林草茂盛,植被发育良好,坡体上固体松散物质较少,多以面蚀的形式补给沟道,但补给量较少。中下游岩土体存在部分裸露区,植被条件相对较差,人为耕作及破坏植现象多见,坡面上松散的残积坡积物分布,易被坡面洪流汇集后冲刷,且其上游具有一定的坡面汇流面积,产生泥石流的地形地貌条件和水动力条件优越,面状侵蚀较为严重。本次所调查的滑坡、崩塌及小型泥石流等地质灾害主要分布在该区,沟谷侧蚀现象比较严重,固体松散物质储量丰富,具备良好的松散固体物质补给条件。流通区位于流域的中、下游,主要包括梨树地下至水磨沟村段、温家沟至沟口段,面积为0.25 km2,占总面积的0.80%。该区主沟道宽达20～50 m,沟床纵坡降平均为13.42%。温家沟段多见跌坎,水动力条件良好,各支沟沟口段常是多次暴发洪水、水石流最严重的危险区。堆积区位于流域水磨沟村至温家沟村段、沟口洪积扇区,沟口堆积区平面形态呈扫帚形,面积为0.55 km2,占总面积的1.76%。该段主沟道宽达50 m,沟道多次抬升呈似台阶状,发育沟谷阶地,高出沟床地表达5～15 m,固体松散物质堆积较厚。河口段为白水江冲积物与水磨沟冲洪积物相互叠合而成,河床附近松散层剖面显示平均厚度达5 m以上,该区是历史上水磨沟流域主要的泥石流堆积区。目前为水磨新村现址,现代沟床中为洪冲积碎石土堆积,且为常年性地表流水,在暴发泥石流时堆积的固体物质,在下一次洪水过程中大部分被侵蚀到白水江河道中。该区是暴发流域型泥石流最严重的危险区(图1)。

图1 水磨沟泥石流流域分区

图2 水磨沟泥石流遥感影像

水磨沟内松散固体物质主要集中于主沟的中、下游两侧坡面上,及各支沟的中下游坡脚一带,暴雨期间,雨水顺支沟及陡峻的坡面而下,迅速汇集于坡面支沟内,并冲刷携带坡面松散物质及坡面支沟沟床物质,使坡面支沟泥石流渲泄而下在主、支沟内汇合壮大,沿程冲蚀沟道物质,特别是主、支沟中下游集中分布的滑坡、崩塌等松散物质,及坡面残积坡积松散物质的冲蚀汇入,迅速加大了泥石流的重度及流量,从而形成大规模泥石流。

3 泥石流形成条件分析

3.1 地形条件

水磨沟位于文县石鸡坝镇水磨沟村,白水江左岸,为侵蚀高中山区内的侵蚀性沟谷,流域平面形态似树叶状,整个流域呈近东西向延伸,南北长6.3 km,东西宽达3.4 km,最大相对高差2 017 m,平均比降12.52%。主沟中上游沟床纵比降平均13.42%,沟坡坡度一般20°～65°,坡面上发育少量基岩崩塌及松散残坡积层滑塌,对泥石流形成一定的补给。主沟中游沟道相对上游开阔,呈 “U”型及宽缓状,沟谷宽达220～350 m,沟床纵比降平均10.19%,北侧沟坡大部分基岩裸露陡立,南侧多为冲洪积、残积坡积松散地层,受筑路开挖斜坡、人工采砂,南、北侧坡面上地质灾害均相对发育,沟岸两侧松散碎石土堆积多,形成主沟泥石流丰富的物源。主沟下游沟道宽达250 m,平均沟床纵比降13.18%,再向下洪积扇堆积区,纵比降平均5.26%。该段为全流域洪冲积物近沟口的主堆积区,呈不规则长条形,沟谷横剖面型态呈宽缓“U”型。北岸有沟谷高阶地残留,南岸多被松散残积坡积物覆盖,基岩体零星出露,两岸滑坡、坡面型泥石流发育,植被覆盖率最低,岩土体直接裸露,形成主沟泥石流的物源丰富。综合上述,水磨沟流域内沟坡陡峻,沟道纵比降较大,流域形态极利于降水在短期内汇集,可为泥石流的形成和流动提供足够的水动力条件。该沟地形条件有利于主沟及坡面型支沟泥石流的形成。

3.2 松散固体物质补给条件

现场调查,水磨沟泥石流松散物质来源主要有滑坡、崩塌堆积物、坡面侵蚀松散堆积物、沟岸侧蚀、沟床淘蚀物。流域内发育5处滑坡、3处崩塌,在地震、暴雨的作用下极易发生滑动,滑坡的滑移将致使坡体前缘失去支撑而引发后缘更大的滑坡体失稳,滑坡体直接堆积于沟道内,其松散固体物质成分以风化剥落的石灰岩碎、块石为主,受坡面长期自然风化的影响,崩滑堆积体结构松散,加之沟道内水流的长期下切掏蚀,堆积体临空面不断增大,为泥石流提供充足的固体物源。坡面侵蚀松散堆积物披覆于沟道东西两侧山体,山体顶部覆盖黄土,中、下部覆盖碎石类土,结构松散,受暴雨影响易沿坡面以面流、散流的形式进入沟道内。沟岸侧蚀、沟床淘蚀物,在支沟中下游段沟道狭窄处,由于早期山体崩塌堆积于沟床中,为后期发生大规模泥石流提供了足够的固体松散物质。

3.3 水动力条件

水磨沟为季节性流水沟谷,主要来源于大气降水及地下水排泄补给。雨洪是泥石流的主要水源,泥石流的发生与降雨(特别是大雨、暴雨)密切相关。陇南市文县多年平均降水量337.6 mm,夏秋多雨,占全年降水量的76.2%,而以7月份为多,其降水量占全年降水量的21%。暴雨强度最大值碧口达166.1 mm/d,城关达143.6 mm/d,一小时最大降雨量93.3 mm(2020年8月17日白水江流域),10 min最大降雨量30 mm。从1959-2000年文县共出现59个暴雨日,平均每年1.4个暴雨日,最多年份3个。降水集中,暴雨多是区内降水的主要特点,可见,区内的水源极为丰富,为泥石流的爆发提供了有利的水源条件。

依据《泥石流灾害防治工程勘查规范》附录B

暴雨强度指标R的计算公式:

R=K(H24/H24(D)+H1/H1(D)+H1/6+H1/6(D))

式中:K为前期降雨量修正系数;K=1.1(存在前期雨量)H24为24h最大降雨量mm;H1为1 h最大降雨量mm;H1/6为10 min最大降雨量mm;H24(D)、H1(D)、H1/6(D)为该区可能发生泥石流的24 h、1 h、10 min的界限雨值

H24(D)=30;H1(D)=15;H1/6(D)=6

根据统计综合分析结果

R=18.43,R>10爆发泥石流的几率大于0.8。

可见,区内的水源极为丰富,为水磨沟泥石流的爆发提供了有利的水源条件

4 结语

水磨沟泥石流发展具有一定的波动性,在其形成的三个基本条件中,地形条件的变化比较缓慢,降水条件受区域气候变化规律控制,而松散固体物质补给量受地质条件、人类活动因素影响较大,所以流域内松散固体物质的状态及其累积速率是控制其泥石流发展趋势的重要因素。