黃 海，石勝偉，謝忠勝

（1．中國地質調查局 地質災害防治技術中心，成都611734；2．中國地質科學院 探礦工藝研究所，成都611734）

坡面泥石流主要發(fā)育在具有匯流條件的自然斜坡上，微地貌形態(tài)主要表現為發(fā)育初期的淺溝、細溝和沖溝，一般其長度小于1km，匯水面積小于0．5 km2，縱比降大于600‰。國內學者主要對坡面泥石流的定義、分類及外部發(fā)育條件開展了大量研究工作。姚一江［1］將坡面泥石流定義為發(fā)育于無明顯溝谷形態(tài)的斜坡上的小型沖溝內的泥石流災害，從災害發(fā)育的地形地貌條件上與溝谷泥石流相區(qū)分，并根據物源類型對其進行了分類，徐剛［2］、劉成［3］、彭濤［4］等以重慶北碚區(qū)為研究對象，對坡面泥石流的特點、發(fā)育地貌條件、植被等因素進行了總結。黃勇［5］、黃慧［6］等對危害公路、鐵路等線性工程的坡面泥石流的成因進行了描述，并提出了有效的防治措施。這些研究對坡面泥石流的三大發(fā)育條件進行了定性分析和較為系統的總結，但對決定泥石流特征的土體啟動的力學過程分析較少，缺乏對坡面泥石流起動機理和致災過程的定量描述。理論研究的不足導致坡面泥石流防治技術與災害發(fā)育機理、致災過程產生脫節(jié)。

雜谷腦河下游干旱河谷氣候區(qū)具有山高坡陡的地貌特點，干濕交替和降雨集中的氣候特征以及褶皺斷層發(fā)育的地質構造，歷來為泥石流災害高易發(fā)區(qū)［7－8］。由于泥石流堆積扇是高山峽谷中的人們生產生活的主要區(qū)域，因此前人針對該區(qū)的泥石流災害研究更多偏重于溝谷型泥石流，對具有發(fā)育面積廣、單次災害規(guī)模小、單點災害危險性小的坡面泥石流研究相對較弱。隨著社會經濟的發(fā)展，雜谷腦河河谷區(qū)域人類活動越來越強烈，近年相繼投資建設的大量基礎工程，如G317國道改造、汶（川）—馬（爾康）高速公路以及當地的新農村建設等，給研究區(qū)的坡面泥石流災害防治提出了新的要求。

本文擬通過分析雜谷腦河下游坡面泥石流災害的成災機理，提出基于土體啟動的力學過程的坡面泥石流防治思路，初步分析坡面泥石流防治工程的適宜性，為包括雜谷腦河、黑水河、大金川上游、岷江松潘縣至汶川縣段的川西北干旱河谷區(qū)的坡面泥石流災害的防治提供理論支撐。

1 泥石流發(fā)育條件

1．1 固體物源條件

泥石流災害的物源主要受區(qū)域內地質構造影響，活躍的新構造運動加速了斜坡演化，為泥石流災害提供了豐富的松散物質。雜谷腦河地處龍門地震帶中段，地質構造復雜，發(fā)育有薛城S型構造，研究區(qū)主要受中段和北東段控制。區(qū)內地層巖性復雜，以泥盆系危關群和志留系茂縣群的千枚巖、砂巖為主，河谷兩側斜坡主要覆蓋有殘坡積層，高海拔區(qū)域還分布有冰水堆積（圖1）。在雜谷腦河強烈下切及區(qū)域新構造運動強烈的抬升作用下，河谷兩岸松散堆積邊坡具有高陡臨空面，為其土體失穩(wěn)提供了良好的地形條件，尤其受“5．12”汶川地震影響，斜坡發(fā)育大量表層溜滑、坡面侵蝕、崩塌滑坡等不良地質現象，這也是區(qū)內坡面泥石流災害點急劇增加的直接因素。受地震影響，斜坡土體結構更加松散，植被進一步被破壞，因此未來坡面泥石流將進入新的活躍期［9］。

圖1 研究區(qū)地質構造

1．2 水力條件

雜谷腦河流域位于川西北山區(qū)，屬岷江上游半干旱河谷地區(qū)，氣候受地形影響顯著，年降水量在四川境內屬偏少的地區(qū)。氣候垂直分帶明顯，總體氣候干燥，降水量少且季節(jié)分配不均，干雨季分明，雨季集中于5—9月。從理縣縣城雜谷腦鎮(zhèn)至桃坪鄉(xiāng)，降雨量呈減小趨勢，且降雨的集中度呈增加趨勢，7—9月的降雨量占全年的70%以上，越往雜谷腦河下游，降雨的集中程度越高［10］。

據吳積善［11］的研究成果，川西北山區(qū)泥石流激發(fā)雨量一般為一次雨量48～50mm左右或10min雨量8～12．2mm，1min雨強0．8～1．2mm 左右。研究區(qū)降雨集中，20a一遇的頻率下10min雨強均在20mm以上，其暴雨雨強能夠滿足激發(fā)泥石流的條件，暴雨是泥石流的主要誘發(fā)因素。

1．3 地形地貌條件

研究區(qū)地貌類型屬于侵蝕深切河谷區(qū)，沿雜谷腦河谷呈條帶狀分布，河谷呈V型，兩岸坡度35°～60°，其中45°以上的坡一般基巖裸露，物源補給以崩塌為主；35°～45°的斜坡則主要發(fā)育著滑坡、坡面侵蝕等不良地質現象。區(qū)內斜坡相對高差200～450 m。斜坡平面上可分為凹形、凸型以及平直型三類，下凹狀坡面主要為泥石流的匯流區(qū)域，上凸狀區(qū)域則主要為老滑坡崩塌等形成的堆積斜坡，平面型為斜坡演化初級階段，溝谷下切與斜坡堆積基本處于平衡階段。斜坡的形態(tài)與坡面泥石流災害的規(guī)模密切相關。研究區(qū)內典型坡面泥石流地貌特性如表1所示。

1．4 植被因素

植被對坡面淺表層土體的穩(wěn)定性有較大的影響，主要表現在泥石流的水源匯流和固體物質補給兩方面。良好的植被覆蓋具有涵養(yǎng)水源，減小降雨產流等作用，植被越好，地表徑流峰值流量越小，對斜坡作用力越??；另一方面，降雨稀少區(qū)域的植物根系非常發(fā)育，根系對淺表層土體具有明顯的錨固作用，有利于土體的穩(wěn)定性和整體性。地表若缺少了植物的覆蓋保護，降雨的侵蝕作用強烈、徑流匯流過程短暫且峰值流量大時，為泥石流的形成提供了良好的水力條件［12］；同時，植被具有延緩土體物理分化過程的作用。裸露土體溫度上升和下降均非常迅速，晝夜溫差大，加速了土體的物理風化過程，并使土層干濕循環(huán)速度加快，破壞土體細觀穩(wěn)定結構，在徑流作用下，易啟動形成補給泥石流。

表1 研究區(qū)典型坡面泥石流地貌特性

研究區(qū)屬于干旱河谷，植被覆蓋差，以灌叢和低覆蓋草地為主。以薛城鎮(zhèn)為分界線，下游段河谷兩岸以裸露土石為主，僅海拔2 400m以上的高山區(qū)及部分陰坡面零星有森林分布；上游段則由草甸、灌叢過渡到森林，總體植被覆蓋好于河谷下游，坡面泥石流空間分布上也表現為隨著植被覆蓋率的增加，泥石流活動越來越弱。

2 坡面泥石流分類及特征

2．1 坡面泥石流類型

坡面泥石流是坡面松散物質在地表徑流的作用下啟動，并與水流混合形成泥石流體的過程［13］。不同類型的泥石流其松散物質的分布及與水流混合的過程均有差異，根據固體物質特征將坡面泥石流劃分為面蝕型、沖蝕型、坡面侵蝕型和崩滑型四種類型（表2）。

2．2 坡面泥石流的特征

面蝕型坡面泥石流發(fā)育與沖溝不發(fā)育的平面型斜坡上，下覆地層主要為崩坡積堆積或殘積等松散土體。受上部匯集的地表徑流運動的侵蝕作用，形成小型沖蝕細溝，松散物質與水混合形成坡面泥石流，本類型的泥石流具有粘度高，流速緩，流量小等運動特征。在空間分布上，表現為在一段斜坡上密集平行發(fā)育，一個完整的匯水區(qū)斜坡一般發(fā)育3～5條面蝕型坡面泥石流。隨著坡面的演化，細溝進一步發(fā)育，形成較大沖溝，則面蝕型坡面泥石流將向沖蝕型轉化。泥石流基本特征如圖2a所示。

表2 坡面泥石流分類統計

沖蝕型坡面泥石流的主要物源為溝岸兩側的覆蓋層在徑流侵蝕作用下發(fā)育的小規(guī)?？逅Ｆ旅鏇_溝的縱比降較大，溝內徑流流速大，且受粗糙溝床的影響，徑流紊動強烈，沖刷能力強。溝道往下切蝕加深，和溝谷側向侵蝕加寬的過程中，岸坡土層將產生垮塌進入溝道，混合徑流后即形成泥石流。當溝道橫向擴展至一定程度后，相同流量下，溝內徑流流深減小，流速減小，紊動強度也相應減小，造成總體沖刷能力和挾沙能力均降低，此時，因溝道的沖蝕作用形成泥石流的可能性很小，泥石流發(fā)育特征向坡面侵蝕型轉化。泥石流基本特征如圖2c所示。

坡面侵蝕型與崩滑型坡面泥石流兩者發(fā)育特征具有較大的相似性，區(qū)別在于兩者的固體物質來源不同，分別如圖2b和圖2d所示。前者為因坡面重力侵蝕堆積于溝道內的松散物質，后者則為沖溝匯水區(qū)域內發(fā)育的崩塌滑坡堆積體。崩滑型泥石流主要受滑坡崩塌災害點控制，規(guī)模取決于崩滑體解體的方量。其具有突發(fā)性、規(guī)模頻次隨時間呈減小趨勢等特點。坡面侵蝕型泥石流則具有明顯的周期性，主要原因為其固體物源的匯集需要一定的時間。周期的長短主要與區(qū)域新構造運動和地震等災變因素密切相關，如研究區(qū)的坡面侵蝕型坡面泥石流受“5．12”汶川地震影響，其暴發(fā)頻率明顯提高。

由以上分析可知，四種類型坡面泥石流是斜坡和溝道演化過程中的不同階段的表現，從地質年代看，其演化的先后順序為：面蝕型—沖蝕型—坡面侵蝕型。而崩滑型則為溝道形成后，在人類活動或構造影響下的突變偶然事件。

3 啟動機理及致災方式

在降雨和地表徑流的作用下，坡面松散土體的整體性和穩(wěn)定性遭受破壞［14］，啟動并與水體混合形成泥石流的過程中，其力學模式有三種：整層土體所受的下滑力大于其抗剪強度，從而產生滑動；土體在流體的側蝕作用下形成凹腔而懸空，懸空部分土體重力大于其粘結力，以墜落式運動至溝道內與水體混合形成泥石流體；土體（塊石）基座被破壞，在自重作用下運動。

3．1 整層土體啟動

當土體微元厚度為H，斜坡表層水體向下滲透，使整個土層達到飽和，土體容重增加，φ與c減小，出現τ＞τL，發(fā)生整層下滑，力學模式見公式（1）和（2），受力狀態(tài)如圖3所示。

式中：τ——土體微元受到的向下的剪切力；τL——土體微元臨界剪力；H——土層厚度；γs——土體中固體顆粒的比重；γw——水體的比重；θ——斜坡或溝床的坡度；ho——超滲薄層表面徑流深度；γm——雨滴發(fā)生濺蝕產生的渾水容重；Ne——土體孔隙度；c——土體所受的粘結力；F——徑流運動對土體產生的沖刷力。

圖3 土層整體啟動時受力分析圖

土體受到的沿坡面的下滑力τ包含土體自重產生的下滑分力和地表徑流對土體的沖刷作用力，其中自重部分的力是固定的，而沖刷力則為土體受到的主要外營力，包含徑流的自重、徑流運動的沖擊力、徑流流動的摩擦力。其下滑力主要受地表徑流的影響，當地表徑流為清水時，溝道中土層所受下滑力有限，表現為溝道中局部土體啟動，而當溝道中徑流為高含沙水流或泥石流體時，其作用在土體上的力大大超過清水，啟動溝道中的土層作用非常明顯，現實中主要表現為泥石流的規(guī)模以“滾雪球”式不斷增大。

3．2 沖溝側蝕溝岸

沖溝溝床在地表徑流沖蝕作用下，產生向下的揭底侵蝕和向兩側擴展的側蝕，兩側溝岸底部土體被徑流攜帶后，形成懸空凹腔［15］（圖4）。懸空部分土體主要以粘結力與母體連接，當土體重力和地表徑流壓力大于破裂界面的粘結力時，發(fā)生滑動或墜落從而補給溝道流體。整個啟動過程可分為4個階段：沖溝側蝕；土體產生凹腔；懸空部分土體產生裂隙；土體墜落溝道，混合溝道內流體形成泥石流［7］。

圖4 溝道沖蝕示意圖

3．3 塊石基座破壞啟動

斜坡上的塊石主要由上部崩塌滑坡體產生，本身其受力狀態(tài)較差，外部給予一個極小的外力即可能造成力學狀態(tài)的不平衡，塊石將向下運動。在暴雨時期，地表徑流翻越塊石后，強烈的沖刷作用將在塊石下部產生沖刷坑，減小維持塊石平衡的反力，在地表徑流給予向下的沖擊力時，將誘發(fā)塊石沿坡面滾落，進入沖溝后，將隨著溝內地表徑流或泥石流流體一起向下運動。其對下部建筑物產生的巨大沖擊力，是坡面泥石流中破壞性最大的方式。塊石基座破壞啟動示意圖見圖5。

3．4 坡面泥石流啟動過程

實際上，坡面泥石流的固體物質的這三種啟動方式并不是單獨存在的，災害體往往是一個復雜的過程，包含了多種啟動模式。根據物源的空間位置和物質組成，將四種類型坡面泥石流的啟動方式概化為三種力學組合（表3）。

圖5 地表徑流造成塊石下部基座破壞示意圖

表3 坡面泥石流啟動的力學模式

4 防治模式

針對泥石流災害受災對象的不同，一般采取不同的防治模式。線路工程如公路、鐵路一般采用“被動避讓”的防治思路，以泥石流災害體順利通過工程而不損害工程為防治目標，主要工程措施有棚洞、渡槽、排導槽等［8］，具體可根據實際地形地貌選擇工程種類。針對居民點等點狀保護對象一般采取“攔排結合”的治理思路，以避免房屋、耕地等遭受泥石流於埋和沖擊為防治目標，主要工程措施有排導槽、單側防護堤、谷坊壩等。針對流域綜合治理則采取“固源防沙”的防治思路，主要工程措施有谷坊壩群、植樹造林、停淤場等［16］，通過多種治理措施的組合預防斜坡松散土體啟動形成泥石流，如王道杰［17］提出的谷坊與植物結合的坡面泥石流防治方法。對于不同類型的坡面泥石流災害，由于其啟動模式的區(qū)別和致災方式的不同，其災害防治的原則也有所區(qū)別。綜合致災模式和保護對象兩個因素的防災對策如表4統計。

表4 坡面泥石流的防治措施分析

5 結 論

（1）雜谷腦河流域干旱河谷區(qū)地形平均坡度35°～60°，且上緩下陡，為泥石流的固體物質形成和啟動提供了良好的地形條件和動力條件；降雨集中，雨強大，P＝5%頻率10min雨強在20mm以上，為泥石流形成提供了良好的水力條件；區(qū)內地質構造復雜，新構造運動強烈，坡體松散，為泥石流形成提供了豐富的松散固體物質；干旱的氣候導致坡體上植被覆蓋稀少，為地表徑流提供了良好的匯流條件。

（2）根據固體物質空間分布和物質組成的不同，將干旱河谷區(qū)坡面泥石流分為崩滑型、溝道沖蝕型、坡面侵蝕型和面蝕型四種類型，四種類型的坡面泥石流是斜坡溝谷發(fā)育不同階段的表現。

（3）研究表明，地表徑流對土體啟動的三種力學模型均有決定性作用，因此通過生物措施增大斜坡植被覆蓋率可有效減小坡面泥石流的暴發(fā)規(guī)模和頻次。

（4）坡面泥石流固體物源的啟動可概化為三種力學模式：整層土體啟動、沖溝側蝕溝岸和塊石基座破壞啟動，分別對應於埋、於埋＋沖擊、沖擊三種致災模式，四種類型的坡面泥石流的啟動機理可通過三種力學模式的組合來描述。

（5）坡面泥石流的防治主要與保護對象密切相關，線性工程主要采取被動防護如棚洞、明洞等措施，而綜合治理則主要利用穩(wěn)固工程如谷坊壩群、停淤場、植樹造林等措施。具體工程措施的選擇由坡面泥石流的類型及啟動的力學過程決定。

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