世界核地质科学稿件信息
川南红层地区泥石流形成过程与动力特征研究
---以四川省屏山县牛儿包泥石流为例
张彦锋1，2，3 ，铁永波3 ，白永健3
（1. 中国地质大学，北京100083；2.中国地质科学研究院，北京100037；3.中国地质调查局成都地质调查中心，四川 成都610081）
摘 要：红层地区泥石流因受典型的地层岩性及气候条件等影响[1]，发育分布数量较少，探索这类特殊孕灾背景条件下的泥石流成因及特征具有一定的减灾意义。文章以四川省屏山县牛儿包沟泥石流为例，通过对该泥石流沟流域的地形条件、水源条件及物源条件特征分析，探索了红层地区泥石流的成因和特征，综合分析了泥石流的动力特征。研究表明：（1）流域地形高差大，沟道狭窄，沟谷较陡，沟道纵比降较大，为泥石流的形成提供了有利地形条件；（2）流域汇水面积较大，降雨集中短时间内为泥石流的形成提供了充足的水源条件；（3）流域内物源集中，短时间内能为泥石流发生提供充足的物源条件。最后通过泥痕法计算了上一次泥石流发生时的流量，并对计算了不同暴雨频率条件下泥石流的流量，提出了针对性的泥石流防治建议，为牛儿包沟泥石流灾害防治提供了可靠的数据。
关 键 词：红层；泥石流；特征；成因机制
文献标识码： 中图分类号： 文章编号：
Dynamic Characteristics and Formation process Research of Debris flow in the Red Zone, Southern Sichuan
--Take Niuerbao Valley in Pinshan County as an Example
ZHANG Yanfeng1,2,3, TIE Yongbo3, BAI Yongjian3
（1. China University of Geosciences, Beijing 100083, China；2. Chinese Academy of Geological Sciences, Beijing 100037, China；3. Chengdu Center of China Geological Survey, Chengdu 610081, China）
Abstract：Due to the effect of typical stratum lithology and climatic conditions, the debris flow in the red zone has a small number of development and distribution. It is of significance to reduce the cause and characteristics of debris flow under the background of special pregnancy. Taking the Niuerbao valley debris flow in Pingshan County of Sichuan Province as an example, through the analysis of the topographic conditions, water source conditions and provenance conditions of the debris flow basin, the genesis and characteristics of the debris flow in the red layer are explored, and the dynamics of the debris flow is comprehensively analyzed. feature. The research shows that: (1) the terrain topographic height difference is large, the channel is narrow, the valley is steep, and the channel longitudinal ratio drops greatly, which provides favorable terrain conditions for the formation of debris flow; (2) the catchment area of the basin is large, and the rainfall is concentrated. In a short period of time, sufficient water source conditions are provided for the formation of debris flow; (3) The concentration of sources in the basin can provide sufficient source conditions for the occurrence of debris flow in a short time. Finally, the flow rate of the last debris flow was calculated by the mud mark method. The flow of debris flow under different storm frequency conditions was calculated. The targeted debris flow prevention and control suggestions were put forward, which provided reliable data for the prevention and control of the Niuerbao valley debris flow disaster.
Key words：Red layer；debris flow；feature；formation mechanism
川南红层主要由侏罗系、白垩系非海相陆源碎屑物地层，岩性以泥岩、砂岩、粉砂岩互层为主。岩体在内外地质营力作用下，易损伤劣化，结构破碎[2]，且红层中泥岩等软质岩石遇水易软化、泥化，形成软弱层，强度整体较低，饱和单轴抗压强度一般小于30MPa[3]。因此，川南红层地区易发生滑坡、崩塌等地质灾害，但泥石流发育的数量则相对较少。
此次研究以川南红层区屏山县境内的牛儿包泥石流为例，川南地区主要分布侏罗系泥岩、砂岩地层，产状30°∠68°，表面风化严重，岩体破碎，节理裂隙发育。调查发现，屏山县境内发育有少量的泥石流，虽然泥石流的数量较少，且流域面积不大，但往往在发生后极易造成灾害，极为典型。因此对红层地区泥石流的研究，可以为该类型泥石流灾害减灾防灾提供理论依据。
牛儿包沟于2016年8月发生泥石流，损毁沟口房屋，於埋中下游农田,於埋厚度约4-12m。泥石流松散物质主要以砂岩块石为主，含量80%，粒径约10～40cm，最大可达2.3m。通过现场勘测，由于沟口处民房的拦挡作用，主要停淤于房屋后面，面积约1726m2，平均厚约4m，总量约0.7
104m³。目前该泥石流沟无任何防治措施，一旦再次发生泥石流，将对沟口的民房、公路、农田构成威胁，风险极高。因此，开展牛儿包沟泥石流形成过程及动力学参数特征研究可为泥石流防治工程设计及减灾规划提供科学依据。
1.流域地质环境概况
牛儿包泥石流位于四川省屏山县中都镇，地理位置：E:103°51′34.46"，N:28°46′26.28"。流域面积0.49km²，沟道长1.87km，沟口海拔510m，最高海拔1520m，为中都河左岸支沟。
研究区属红层山地地貌，总体上宽下窄，沟道在平面上呈“Y”字型，可分为大沟和小沟（图1）。由于流域属深切割中低山区以及砂岩、泥岩岩性强度及抗风化能力差异大，因此，多形成高峻的陡壁，峡谷多表现为深切“V”型谷，山势险峻，高差较大，两侧斜坡陡峭。
研究区位于川滇南北构造带”与“新华夏系沉降带”四川盆地接壤部位，中都断裂影响范围内，五指山背斜西南翼。新构造运动强烈，受多期构造活动影响，岩体节理裂隙发育，岩体破碎。为泥石流的形成提供了充足物源条件。
研究区属中亚热带湿润型季风气候，年平均气温18.1℃，极端最高温度37.1℃，极端最低气温-14.3℃。由于接凉山山脉之尾，沟谷交错，垂直高差大，气温垂直分带明显，一般每上升100m，温度递减0.5～0.6℃。
区内年均降雨量961.1mm，降雨量最多年1617.9mm，降雨量最少年805.9mm，相差812.0mm。5～10月降雨量可达101～904mm，占年降雨量的85％，11月至次年4降雨量多为82～181mm，占年降雨量的15％，降雨主要集中在夏、秋季。降雨量在空间上差较明显，总趋势为北坡大于南坡，迎风坡大于背风坡，高山大于山后谷地。
牛儿包沟泥石流流域面积0.49km²。根据泥石流分区方法，流域分为清水区、物源区、流通区、堆积区，清水区分布于支沟的上游段（海拔790m以上），植被覆盖率达50％，以高大乔木、灌木为主，人类工程活动较弱，汇水面积较大，第四系残坡积薄，汇水条件好。物源区分布于海拔716～790m，主要为居民区，斜坡体大部分被开垦为旱地，植被覆盖率30％，以灌木、草丛为主，物源主要为大沟与小沟交汇处的滑坡，滑坡体可以短时间为泥石流的发生提供充足的物源。流通区从大沟小沟交汇（海拔716m）处开始到主沟中下游（海拔563m）处，，两侧岸坡植被覆盖率30％～50％，以灌木、草丛为主。堆积区从主沟中下游（海拔563m）处一直延伸到中都河，呈扇状分布，长约200m，宽2.7～22.28m，面积约1912m²。
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图1 牛儿包沟流域平面图
2.牛儿包泥石流形成条件
2.1 泥石流形成的地形条件
牛儿包沟流域地形总体上呈上陡下缓，海拔510m～1520m，最大相对高差1010m，平均沟床纵比降532‰。各区地形特征如下。
清水区由于红层岩体的特点，一般多形成陡峭的地形，局部地区见有陡崖，斜坡平均自然坡度50°（图2），沟谷较陡，平均沟床纵比降880‰，植被覆盖率较低，高陡的地形条件及较低的植被覆盖率，有利于地表径流的快速汇聚，从而为泥石流的发生提供良好的水源条件。
|
图 2 牛儿包沟沟道纵剖面图
物源区斜坡体地形呈陡--缓--陡形态，上部坡度约35°，中部缓坡坡度约10°，下部坡度约35°，平均自然坡度25°，平均纵比降264‰；由于大沟水流对小沟斜坡体坡脚处冲刷以及小沟斜坡体下部较陡的地形条件，从而使斜坡体下部失稳，发生滑动形成滑坡体，为泥石流的形成提供充足的物源。
流通区沟道较陡，平均纵比降325‰，沟道狭窄，呈深切割的“V”型谷（图3），两侧谷坡坡度40°～60°，谷底宽6～10m，陡峭的地形为泥石流的流动提供了足够的势能，高速的泥石流在冲出过程中对沟底及两侧斜坡坡脚冲刷。
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图 3 流通区沟道横剖面图
堆积区沟道变宽变缓，呈“U”字型（图4），谷底宽10～20m，两侧谷坡坡度20°～45°，平均纵比降161‰。平缓开阔的地形条件及沟口民房的拦挡作用，泥石流固体物质基本堆积于房屋后，仅有少量冲出堆积于中都河。
综上，牛儿包流域各支沟陡峻的山坡坡度，较陡的沟道，良好的雨水汇流条件为泥石流的发育提供了良好的地形条件。
图 4 堆积区沟道横剖面图
2.2泥石流形成的水源条件
调查表明，牛儿包沟流域内多发育季节性冲沟，水源主要为降雨补给，虽然主沟常年有水，但仅在夏季流量相对较大，其它季节水量较小。由于牛儿包泥石流沟附近无降雨观测站，无法获取最近一次泥石流发生时的雨量数据。为了能说明这一地区泥石流发生与暴雨的关系，故通过对研究区近五十年24h最大降雨量，1h最大降雨量，10min最大降雨量的分析，获得该流域降雨特征及发生泥石流所需的临界降雨量。流域的暴雨强度指标R采用下面公式：
(1)
式中K--前期降雨修正系数，无前期降雨时
=1，有前期降雨时
＞1，由于流域无前期资料，
按平均值1.0计算；
--24h最大降雨量（mm）；
--1h最大降雨量（mm）；
--10min最大降雨量；中都镇24h、1h、10min最大降雨量分别为：201.1mm、76.8mm、21.4mm。
，
分别为该地区24h、1h、10min发生泥石流降雨量界限，区域取值分别为45mm，17mm，5mm。代入公式（1）计算得流域暴雨强度指标：
R=1.0*（201.1/45+76.8/17+21.4/5）=13
＜3.1安全雨情；≥3.1可能发生泥石流的
雨情；
=3.1～4.2发生几率小于0.2；
=4.2～10发生几率0.2～0.8；
＞10发生几率＞0.8。
计算结果表明：牛儿包沟所处地区发生可能诱发泥石流的暴雨机率大于0.8，为高频率暴雨范围区。该流域的降雨条件满足形成泥石流的临界降雨强度。
2.3泥石流形成的物源条件
流域内出露地层为侏罗系上统遂宁组（J3sn）、侏罗系中统上沙溪庙组（J2s2）红层砂岩、泥岩，为一种软硬相间的多元层状结构。砂岩刚度较大，均质性较好，抗风化能力强，在区内新构造应力及风化作用下，易产生节理裂隙（如图5a）；泥岩强度小，抗风化能力弱，抗水性弱，透水性差，软化性强，在红层地区高陡地形条件下易产生崩塌及滑坡，崩塌及滑坡堆积物堆积于沟道中，为泥石流的发生提供充足的物源条件。
从成因上看，牛儿包沟泥石流物源主要分为3类：滑坡堆积物源，坡面侵蚀物源和沟道堆积物源。从空间分布上看，滑坡堆积物集中位于小沟下游与主沟交汇处（如图5d），主要为第四系块碎石土，粒径5～150cm，均一性差，体积约为2.53
104m³，是牛儿包沟泥石流的主要物源，调查统计表明，此处可提供泥石流物源的土体动储量约为0.81
104m³。坡面侵蚀类物源主要分布于主沟中上游沟道旁农田处，局部可见有塌滑现象（图3），这些地段植被稀少，坡面侵蚀类物源体积约为0.56
104m³。沟道堆积物主要分布于大沟中游及主沟中下游处沟道内，多为大块石（图5c），粒径多介于30cm～100cm，这些地段沟道相对较缓，块石均一性差，体积约为0.05
104m³。总体上看，牛儿包沟物源主要来自滑坡形成的松散土体，沟道物源和坡面侵蚀土体规模较小，对泥石流总体规模影响不大（见表1）。
表1 牛儿包沟流域各类物源分布特征
104m³
|
沟名 |
滑坡堆积物源 |
坡面侵蚀物源 |
沟道堆积物源 |
合计 |
||||
|
物源总量 |
动储量 |
物源总量 |
动储量 |
物源总量 |
动储量 |
物源总量 |
动储量 |
|
|
牛儿包沟 |
2.53 |
0.81 |
0.56 |
0.10 |
0.05 |
0.04 |
3.14 |
0.95 |
调查发现，牛儿包沟流域内分布的滑坡土体以及坡面侵蚀类物源在暴雨作用下可直接启动成为泥石流物源，沟道堆积物源在泥石流的动过程中被侵蚀，使得部分不稳定岸坡局部或整体失稳，为泥石流提供更多的松散物质（见图3）。
（a）清水区特征 （b）堆积区特征
（c）主沟沟口於埋民房 （d）滑坡物源
图5 牛儿包沟沟道及物源特征
综合对以上泥石流形成条件的分析，牛儿包沟泥石流属于水力类启动机制的泥石流。通过对牛儿包沟流域的地形、水源及物源特征分析，牛儿包沟泥石流形成机制可推测为：位于小沟沟口的斜坡由于雨水的加载及大沟水流对斜坡坡脚的冲刷作用从而使斜坡失稳滑动，滑坡体滑动到主沟形成堰塞体，当流域汇流的流量逐渐增大且大于堰塞体渗流量时就形成溃决，溃决后土石和水混合冲出形成泥石流[6-7]，然后强烈冲刷沟床，揭底沟道内的松散堆积物源，并将两侧沟岸松散固体物质带走，当流到主沟沟口时沟道变宽，加之沟口民房的阻挡作用，泥石流携带的松散固体物质便在沟口和民房之间堆积，并形成扇状堆积地貌。
3.牛儿包泥石流的运动及动力特征
对泥石流运动特征和动力特征的定性分析，是认识泥石流和对其防治工程设计的基本依据。由于无泥石流发生时的实际观测数据，对牛儿包沟泥石流动力学参数的计算与分析主要依据现场调查所获取的泥痕剖面（图3A--A'、B--B'）及堆积扇实测数据为准资料。
3.1泥痕法计算泥石流的流速、流量及冲出量
牛儿包沟泥石流的流量和规模可以通过泥痕法计算得出。选用粘性泥石流平均速度公式计算流速[8-9]，一次泥石流过程总量的计算方法采用水量平衡分析出的概化过程线：
（2）
（3）
（4）
式中：
——泥石流断面平均流速（m/s）；
—— 泥石流表面（或沟床）纵比降；
——粘性泥石流的河床糙率；
—— 计算断面的平均泥深（m）；
为泥石流流过断面面积（m2）；
为泥石流的流量（m³/s）；
为泥石流持续时间，取300s；
为一次泥石流总量（m³）（见表2）。
表2 牛儿包沟各断面泥石流的流速
|
位置 |
|
|
|
|
|
|
|
|
主沟沟口 |
1.58 |
0.04 |
12.00 |
3.26 |
25.56 |
83.33 |
6600 |
表2为牛儿包沟各剖面泥石流的流速、流量及总量的计算结果。表中可以看出泥石流在冲出过程中流速随着河床变宽，变缓逐渐减小。通过形态调查法计算出此次一次泥石流总量为6600m³，实地测量泥石流堆积总量为7000m³。形态调查法计算的结果与现场调查测得泥石流堆积总量较一致，说明形态调查法计算的结果较可靠。
3.2雨洪法泥石流流量计算
为了泥石流沟的防治，需设计不同频率条件下的泥石流流量，雨洪法通过对流量的计算，具有较好的预测性质。先根据《四川省中小流域暴雨洪水计算手册》计算出断面不同频率下的小流域暴雨洪峰流量[10]，然后选用堵塞系数。计算公式如下：
（5）
式中：
——频率为P的泥石流洪峰值流量（m³/s）；
——频率为P的暴雨洪水设计流量（m³/s）；
——泥石流堵塞系数；
——泥石流泥砂修正系数，采用公式（2）计算；
（6）
式中：
——泥石流重度（t/m³），取1.9t/m³；
——清水重度（t/m³），取1t/m³；
——泥石流中固体物质重度（t/m³），取2.3t/m³（见表3）。
表3 牛儿包沟雨洪法计算所得泥石流峰值流量
|
位置 |
频率（%） |
|
|
|
|
|
主沟沟口 |
5 |
1.5 |
2.25 |
21.32 |
71.96 |
|
2 |
1.8 |
2.25 |
27.58 |
111.70 |
|
|
1 |
2.0 |
2.25 |
30.51 |
137.30 |
表3为牛儿包沟在不同的设计频率条件下计算出泥石流峰值流量，表中可以看出，主沟中游和沟口在P=5%的设计泥石流峰值流量分别为102.51m³/s，71.96m³/s，与形态调查法计算的109.00m³/s，83.33m³/s很相近。所以，用雨洪法计算的设计泥石流的峰值流量较可靠。
3.3泥石流冲击力计算
泥石流冲击力计算采用《中华人民共和国地质矿产行业标准——泥石流灾害防治工程设计规范》（DZ/T0239-2004）。泥石流冲击力计算包括整体冲击力和单块最大冲击力，通过对泥石流冲击力的计算对房屋的建设具有很大的意义。
整体冲击力计算公式为：
（7）
式中：
——泥石流整体冲击力（kN/m³）；
——重力加速度，取9.8m／s2；
——受力面与泥石流冲击力方向所加的角度，取90°；
——受力体形态系数，方形为1.47，矩形为1.33，圆形、尖端、圆端形为1.00。
单块块石的最大冲击力公式为：
（8）
式中:
——单块巨石的撞击力（kN）；
——动能折减系数，取0.3；
——受力面与泥石流撞击面撞击角，取90°；
、
——巨石与建筑物的弹性变形系数，
取0.005；
——块石重量（kN），取100.47kN。计算结果见表4：
表4 牛儿包沟泥石流冲击力计算结果
|
流速 |
整体冲击力 |
单块最大冲击力 |
|
1.65 |
30.29 |
138.63 |
4.结论及防治建议
⑴牛儿包沟流域属于红层地区，流域内为软硬相间泥岩、砂岩互层，岩体破碎，易形成滑坡和崩塌，为泥石流形成提供丰富的固体物质。目前流域上游仍分布大量的滑坡松散堆积体，在今后暴雨条件下仍容易再次发生泥石流的趋势，具有潜在的地质灾害风险。因此对红层地区泥石流的研究具有重要意义。
⑵牛儿包沟泥石流属于暴雨沟谷型泥石流，具有水力类泥石流的启动机理：即位于陡峻流域上游暴雨产生沟道径流如同“消防水管”导致水流快速集中，并强烈冲刷和侵蚀堆积于小沟下游与主沟交汇处的滑坡堆积物，于是滑坡堆积物启动并形成泥石流。从发生频率看属于低频泥石流，从流体性质看属于粘性泥石流。
⑶根据调查及分析，该泥石流的形成过程伴随着沟道滑坡的堵溃现象，即泥石流爆发前会伴随着沟道断流的现象，这种特征可作为下次泥石流发生时监测预警的重要判别依据，具有较为实际的防灾减灾意义。
⑷通过泥痕法计算的泥石流总量与现场调查泥石流堆积体的对比，推算了牛儿包沟上一次泥石流发生时的流量为83.33m³/s。并对该泥石流在不同频率暴雨条件下的流量做了计算，得到了牛儿包沟主沟沟口泥石流峰值流量：P=5%、2%、1%时分别为71.96m³/s、111.70m³/s、137.30m³/s。
⑸鉴于牛儿包沟可能再次发生泥石流的危险，严重威胁沟口民房、公路安全，建议尽快对其实施治理措施。位于小沟沟口的滑坡可以修建挡墙以减少泥石流物源、坡面排水工程以及植树造林减少物源量；主沟的中上游修建谷坊坝，拦截泥石流固体物质；流通段修建排导槽，使泥石流顺畅下排；沟口堆积区处修建停於场。
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