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。
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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