浅谈土石山区泥石流发生机理与坍塌量模型

摘要：泥石流的坍塌量与降雨量、山坡坡度、集水面积、岩石种类等因子密切相关，根据对土石山区泥石流的调查，分析泥石流的发生机理，提出土石山区泥石流坍塌量模型。

关键词：泥石流 土石山区 发生机理 坍塌量模型

河北省山区面积占全省总面积的61％，约11.6万km2，由于山区复杂的地形、地貌和人类不合理的活动，使泥石流滑坡和坍塌等山地灾害不断发生。燕山土石山区是典型的泥石流多发区，1994—1997年连续4年频繁发生泥石流，冲毁农田、村庄被淹、交通堵塞，甚至造成大量的经济损失和人员伤亡。泥石流严重威胁着山区建设和人民生命财产的安全。

1 土石山区泥石流的类型及特点

1.1 土石山区泥石流的类型

泥石流具有动能和势能，在流动时25％～40％是固体物质，容重1.6～2.3 t/m3，泥石流固体物质的成分、数量及方式，决定了泥石流的类型。从泥石流的活动发育情况上看，可以归纳为8种类型，即：雨水泥石流、溃决泥石流、地下水泥石流、冰雪泥石流、滑坡泥石流、火山泥石流、地震泥石流和人为泥石流。燕山土石山区泥石流多属于雨水泥石流，雨水泥石流又可分为山坡型泥石流和沟谷型泥石流两种。据调查，山坡型泥石流多发生在2/3的山坡高度处，坡体形状为桃形较多，也有长方形和椭圆形，滑坡处小地形半径较小，前舌较大，滑坡体的组成上部为砂壤土腐殖质，厚度为20～30 cm；下部为坡积碎石，一般砾径为4～8 cm，堆积物厚度30～100 cm；底部为风化残积物和透水性较差的岩层。沟谷型泥石流也是由山坡泥石流转化形成，一般发生在山坡较高的坡位，多为三面环山，一面开口的地形，流通区纵坡较大，并有多级坡坎。

1.2 泥石流的特点

在燕山土石山区，民间对泥石流称为“水泡、龙扒”， 它由水、土、石混和而成，具有形成快、危害大、破坏力强的特点。一般说来，前期降雨历时长，土壤饱和，后期降雨强度大，易发生坡面泥石流和沟谷型泥石流，坡面泥石流具有产生范围大而冲击力小，沟谷型泥石流产生范围小，但冲击力大的特点，表层滑坡一般坡度为25～45°，相对危害性小；而顺层滑坡坡度一般为30～50°，危害性大。

2 泥石流的发生机理

通过对土石山区的承德县、宽城县、平泉县、兴隆等县的203处泥石流调查分析，泥石流是含有大量泥沙和石块突然爆发的一种流体，历时短，破坏力大，成因复杂，泥石流坍塌量与降雨量、降雨强度、集水范围、山坡坡度和坡向、植被、岩石种类和风化程度、山坡土层厚度等诸多因子密切相关，而且各因子之间也相互影响和制约。本文对泥石流坍塌量与降雨量、集水区面积、山坡坡度、岩石种类和土层厚度等主要因子作初步分析。

2.1 泥石流崩塌量与降雨量

燕山土石山区属大陆性季风气候带，多年平均降雨量542 mm，全年的降雨集中在7～9月份，占全年总降雨量的60％～70％，且多以暴雨形式出现(表1)。

由表可以看出，泥石流坍塌量与降雨量的大小有关，经计算分析，泥石流崩塌量与降雨量成对数关系(图1)，其公式为：

y=24769 Ln(x)－99408

2.2 泥石流坍塌量与集水面积

将调查的相同降雨量情况下的集水面积分别进行计算(表 2)。

泥石流坍塌量与集水面积的关系(图2)，泥石流坍塌量与集水面积成对数关系，其公式为：

y=5 016.3 Ln(x)＋16 253

2.3 泥石流坍塌量与山坡坡度

泥石流坍塌量与山坡坡度成指数关系(表3图3)，其公式为：

y=0.0 005x4.8018

2.4 泥石流坍塌量与山坡土层厚度

土石山区泥石流坍塌量与发生泥石流坡面的土层厚度有关(表4)。

由表4看出，山体为片麻岩、砂砾岩，覆盖厚度0.3～0.7 m时，泥石流坍塌体主要是白云岩和石灰岩；当覆盖厚度1～2 m时，坍塌体主要是白云岩、砂砾岩和片麻岩；当覆盖厚度大于2 m时，主要是页岩容易发生泥石流。在降雨相同的情况下，随着坡面土层厚度的变化，泥石流坍塌量在不断的加大。

2.5 泥石流坍塌量与岩石种类

调查中发现，泥石流坍塌量大小与所在山坡岩石种类有关(表5)。

从表5看出，白云岩泥石流坍塌量和片麻岩泥石流坍塌量，分别占泥石流总坍塌量的34.9％和32.6％，而砾岩的坍塌量较小，仅占泥石流坍塌总量的2％，岩性不同，在同样的暴雨激发下形成的泥石流坍塌量差异甚大。

3 泥石流坍塌量模型

如前所述，泥石流坍塌量与降雨量、集水面积、山坡坡度和岩石种类等密切相关，由此推出泥石流坍塌量模拟方程为：

W=Srsinα(736.294h－1.3979 h2－21 236.6)

式中：W为泥石流坍塌量；

S为集水面积（km2），适用范围0.007～12.3 km2；

r为岩石系数（根据岩石种类确定，白云岩系数为1.0）；

h为降雨量（mm），适用范围60～450 mm／日；

α为山坡坡度(度)。

4 结语

通过对土石山区泥石流的普查和重点调查，明确了泥石流发生类型区和发生机理，分析得出了泥石流坍塌量与降雨量、坍塌量与集水面积、坍塌量与山坡坡度、坍塌量与基岩种类等不同因子的相关关系，从而建立了土石山区泥石流坍塌量模拟方程，可供燕山土石山区泥石流坍塌量的计算时参考。

为减少暴雨泥石流灾害的危害程度，保护人民群众生命财产的安全，在分析泥石流坍塌量与上述各主要因子关系的基础上，应进一步找出与其它相关因子的关系，为燕山土石山区泥石流积累资料，使本模型不断充实和完善。

参考文献：

[1] 刘希林，等.泥石流危害区划探讨[J].灾害学，1989.

[2] 泥砂、泥流、滑坡、崩塌防治手册[M].科学文献出版社，1987.

[3] 孙玉科，等.受滑动断层控制的滑坡实例文集[M].中国铁道出版社，1989.

[4] 王继康.泥石流防治工程技术[M].中国铁道出版社，1996.

Debris Flow in the Earth－Rock Mountain Areas: Occurrence Mechanism and Its Slump Model

Abstract: Debris flow is a special carrier and its slump has a close relation with precipitation, gradient, collecting area and types of rock. Based on our survey on debris flow in the earth－rock mountain region, its occurrence mechanism is analyzed and slump model is set up.

Key words: Debris flow; earth－rock mountain region; occurrence mechanism; slump model