鄱阳湖流域暴雨型泥石流形成机制与动力特征——以江西修水县卢庄沟泥石流为例

甘建军，袁良浍，李 明，唐 春，颜 龙

(1．鄱阳湖流域水工程安全与资源高效利用国家地方联合工程实验室，南昌工程学院，江西 南昌330099；2.江西省勘察设计研究院,江西 南昌 330000)

鄱阳湖流域暴雨型泥石流形成机制与动力特征
——以江西修水县卢庄沟泥石流为例

甘建军1，袁良浍2，李 明2，唐 春1，颜 龙1

(1．鄱阳湖流域水工程安全与资源高效利用国家地方联合工程实验室，南昌工程学院，江西 南昌330099；2.江西省勘察设计研究院,江西 南昌 330000)

对鄱阳湖流域暴雨型泥石流形成机制与动力特征进行研究，旨在为此类山洪灾害防治及流域水工程安全提供借鉴。以江西省修水县卢庄沟暴雨型泥石流为例，通过现场调查和室内试验，对其发育特征及动力学特征进行分析。研究结果揭示该泥石流长6.25 km，流域面积4.27 km2，物源62.46万km3，主沟坡降大(524.1‰)，高差约1 160 m地形易于汇水且泥石流动力足。江西省修水县卢庄沟泥石流形成机制和动力特征可总结为：暴雨-滑坡-松散堆积体搬运-老泥石流沟冲刷复活-泥石流形成。

鄱阳湖流域；泥石流；形成机制；动力特征；卢庄沟；江西省修水县

鄱阳湖流域面积约16.22万m2，包括“五江一湖”，即赣江、抚河、饶河、信河、修水五大河流及鄱阳湖，在此流域内汇集了3 700多条流域面积超过10 km2的支流。这些河流经过历史的演变形成构造完整的水流切割地貌，特别是在鄱阳湖盆地周边与山区接壤的中低山地区，地形地貌复杂，构造作用较强烈，极端降雨频繁，形成了众多崩滑流松散堆积体。这些丰富的松散崩坡积物为流域泥石流提供了充足的物源，极易发生山洪泥石流灾害。1998年，江西铜鼓县塔下村泥石流毁房15幢，农林约14 hm2；2008年，江西宜春上洞村泥石流毁房3栋，死亡5人；2010年，流域内发生泥石流47起。2015年，流域内又发生泥石流24起，因灾死亡12人，直接经济损失超过8 500万元；其中，位于流域西北方的修水县卢庄沟历史上曾经3次改道，为多发性泥石流沟，其泥石流形成机制具有代表意义[1]。

2011年6月10日，在局地短历时强降雨的诱发下，江西修水县卢庄村平石寺-黄龙山区域暴发了大型泥石流，冲出方量25.13万m3，摧毁农田17 hm2，冲毁公路桥梁3座、人行桥5座、公路5 km、河堤3 km、水堰26座，损毁当地居民39间房屋，直接经济损失1 081万元。

1 研究区概况

卢庄村泥石流沟位于江西省与湖北省、湖南省交界的九江市修水县黄龙乡卢庄村黄龙山南东面沟谷，属于鄱阳湖流域的修水流域。区内发育泥石流多条支沟，呈树枝分叉状，支沟平常纵坡较大，流量较小，一旦发生特大暴雨和连续降雨，沟内水流会呈陡涨陡落的山溪性运动特性。该区属于深切割构造侵蚀中低山和低山丘陵地貌，区内最高山黄龙山高1 506 m，泥石流沟口邓坊高程310 m，主沟相对高差1 196 m。区内罗家(500 m)以上的沟域，以坡度35°～60°的陡坡地貌为主，岸坡植物生产较茂盛，地形圈椅状，有利于汇水。罗家(500m)以下沟域两岸为相对平缓的种植地(图1)。

图1 江西修水县卢庄沟流域及分区示意图

研究区位于华东新华夏系第二隆起带西侧，淮阳山字型构造南侧，坐落于九岭山-万洋山新华夏复式隆起带、赣北东西向构造带及北东向构造带的交叉部位。区内岩层受老构造运动挤压变形，岩层中褶皱、褶曲等次生构造较为发育，致使岩石破碎，裂隙发育，为泥石流的发育及发生提供了有利的地质条件。

鄱阳湖流域拥有山地沟谷面积超过6.0万 km2,约占全省总面积的36%，流域内自1950年代以来发育的3 329条泥石流主要分布在“五江一湖”流经的修水、庐山、武夷山中北段、罗霄山、九岭山及怀玉山等中低山区支沟两侧，给当地居民生命财产、生产及生活造成较大的威胁。流域两侧山体多为花岗岩化的红粘土，受沟谷冲刷或冲刷作用，物源多为崩滑岩土体(约占81.63)。区内沟谷多呈“V”形，谷坡坡度在30°～70°，其形态极有利于雨水的汇集。鄱阳湖流域从规模上分，中型、小型泥石流分占17.47%、80.32%，沟谷型泥石流约占总数的52.57%；从时间看，雨季(4-9月)发生的泥石流约占总数的97.78%；从物性上分，稀性泥石流约占总数的87.2%。2011年6月10日爆发的卢庄沟泥石流具有典型中低山沟谷性暴雨型泥石流特征，因此，选取该沟作为研究对象具有较好的代表性[2]。

2 流域暴雨型泥石流的形成条件

2.1 形成区的基本特征

2.2 流通区的基本特征

流通区由平石寺至卢庄村，高程530～850 m，呈“U”型沟谷地貌。区域内沟长1.53 km，首尾高差320 m，平均纵坡降226.7‰，流域面积约4.65 km2，地貌上属中低山，地垒式断块中山、地堑式丘陵、河谷盆地交互叠加，具有强烈的河床揭底及河岸侵蚀冲刷作用。该沟段两岸岸坡较形成区平缓，沟道弯曲度较大，宽度8～40 m，支沟发育少。受“6·10”泥石流冲刷影响，该段沟域共发育17处漂砾石为主的泥石流堆积体和16处岸坡不稳定松散堆积体，松散堆积体物源约38.33万m3，堆积体最厚超过10 m，是修水县卢庄沟泥石流70%物源所在。

表1 江西省修水县黄龙乡卢庄沟泥石流特征值

注：该特征值据2011年6月10日和6月17日泥石流调查和计算得出定[3]。

图2 卢庄沟泥石流形成机制剖面示意图

2.3 堆积区的基本特征

3 卢庄沟泥石流的形成机制及动力特征

3.1 碎裂岩石的风化与崩解反应

3.2 雨水的汇聚与搬运作用

研究区位于赣北中低山区，沟域两侧汇水面积较大，沟谷岸坡较陡，支流较为发育，且常出现小气候环境内的局部性暴雨。据气象资料，黄龙乡2011年6月10日日最大降雨量182.2 mm，当月降雨量611.7 mm，其中1 h最大雨强为91.9 mm。卢庄沟主沟上游有大坳沟等三条一级支流，平石寺以下依次又有中塅沟(左岸)、桥下垄沟(右岸)、太阳垄沟(右岸)等多条一级支流汇聚，呈树枝状水流向主干集中(见图1)。

卢庄沟内常年平均水深不大，仅0.3～1.2 m，上下游水位变化也只有1～3 m。沟口处丰水期(4～9月)流量仅1.5～2.0 m3/s，20年一遇洪峰流量却达12.8 m3/s；但由于上游集雨面积>7 km2、沟长>6 km2、坡降大(>496‰)，洪水具有量大、峰高、历时短、水动力条件差异性明显，这也为不同沟段的颗粒级配成果所验证。据勘查和室内试验，下游沟口段土石比为13.1∶87.1，上游土石为2.2∶97.8，表明细小颗粒大部分被洪水带走。此外，上游平石寺老堆积扇总长度300 m，前缘宽度达70 m，堆积平均厚度达8 m以上，方量达15万m3，下游罗家老堆积扇总长度300 m，前缘宽度达130 m，堆积平均厚度达15 m以上，方量达50万m3，表明泥石流河道曲折地形影响，搬运过程随地形变化，具有分段性特征，在平石寺和罗家平缓地段分段堆积，其余河段以薄层淤积为主(见图1)。

表2 泥石流流速计算表

3.3 卢庄沟泥石流的运动与动力特性

卢庄沟属于典型的中低山区沟谷型泥石流，由于上游以碎块状的花岗岩为主，颗粒粒径大，所以研究泥石流的运动及动力参数至关重要，其中卢庄沟泥石流的运动速度、冲击能力等参数决定了该区域泥石流的运动特征。为此，本文根据此沟灾后泥石流勘查实验数据，结合不同频率降雨量频率和地形资料，利用相关理论及公式对这些参数进行计算分析。

3.3.1 泥石流的流速计算

根据形态调查表及实际地形地貌、气象资料，卢庄沟在不同剖面的动力学特征参数见表2[1]。

从表2中可以看出，该泥石流流速到地形影响，在平石寺沟口流速就达到5.9m/s，到罗家受到沟口大坳沟、中塅沟、桥下垄沟、太阳垄沟处的补给，流速增大到最大值6.4m/s，到下游汪平岭和官桥村受平缓地形影响，流速又逐渐减少。

3.3.2 泥石流流量计算

根据泥石流历时T和泥石流流量Qc，因山区泥石流陡起陡降的特点，主要考虑一次暴发泥石流的总量，将其过程概化为“三角形”，通过以公式(1)计算泥石流的总量Wc，以公式(2)计算一次冲出固体物质的总量[5]。

Q=19TQc/72；

(1)

(2)

式中：Q为一次泥石流过程总量(m3)；T为泥石流历时(取5 400s)；Qc为泥石流最大流量(m/s)；QH为一次泥石流冲出固体物质总量(m3)；γc为泥石流重度(取1.662t/m3)；γw水的重度(取1.0t/m3)；γH为泥石流固体物质的重度(取2.65t/m3)。据此，对不同断面的泥石流一次总量和固体物质冲出量进行预测(表3)。

表3 卢庄沟官桥村断面泥石暴发总量预测

根据形成调查法和雨洪法比分析，卢庆沟官桥村出口断面泥石流流量值与雨洪法P=2%的流量计算结果相当，因此，泥石流峰值流量选取10.08万m3[4]。对比“6.10”降雨量，从本次降雨时间(90 min)雨量分析，表明此次降雨频率大致相当于10年一遇，但从泥石流最后形成规模(堆积物达32.78万m3)看，上述预测明显偏小。其原因主要是在平缓地带，泥石流堆积体沿着河道堆积和淤积，还有一些古泥石流堆积体被冲刷淘蚀但运移过一段时间沿线淤积。

3.3.3 泥石流冲击力及冲起高度

泥石流整体冲击力决定了碎石的起运、搬运和冲刷能力，因此，结合一次性流量、地形资料、沟道大小和泥石流规范计算公式，算出卢庄沟在平石寺、罗家、汪家岭、官桥村的设计流速、整体冲击力和单块最大冲击力，见表4。

表4 卢庄沟泥石流冲击力计算表

从计算结果看，该沟泥石流冲击力最大是在罗家附近，到下游冲击力变小，实现调查中罗家附近沟道泥石流冲蚀切割深度1～3.5 m，远高于其他沟段，这与计算结果比较相符[5]。

3.3.4 泥石流复发性的危害与评价

卢庄沟内灾后固体松散物源储量超过30万m3，相当于2011年卢庄泥石流冲出物质的3倍，受强降雨和地形地貌、地层岩性的影响，泥石流仍有可能再次激发，且激发泥石流的临界雨强可能降低。因此，结合卢庄沟河道的宽度、弯曲程度、汇流情况、汇水面积、松散物贮量、雨强及历时，综合判定卢庄沟泥石流为中高频泥石流，其不同频率条件一次性泥石流发展预测范围如图1所示。

据泥石流勘查规范，将卢庄沟泥石流影响范围划分为3个区。极危险区：平石寺沟岸至罗家的古泥石流堆积扇，面积2.08万m2。危险区：罗家以及官桥村的沟道两侧区域，面积3.35万m2。影响区：高于危险区与危险区相邻的地区，包括官桥桥到下游沙塅村的广大区域，一旦遇到20年以上一遇的强降雨，有可能再遇到泥石流危害，面积5.35万m2。

4 结论与讨论

(1)卢庄沟泥石流是受特大暴雨而诱发的沟谷型、低频率、稀性泥石流，目前正处于发展期(壮年期)。因风化作用、构造运动和差异性地壳抬升导致卢庄沟崩滑残坡积物及沟道古泥石流堆积物丰富，沟内尚有松散堆积物源32.78万m3，一旦再次遭遇强降雨或连续降雨，极有可能再次暴发泥石流。地形地貌上，卢庄沟具有与鄱阳湖流域上游中低山沟谷的典型特征，即地形呈圈椅状、支流呈叶脉状，汇水面积大，主沟坡降大，相对高差超过800 m以上，易聚水，水动力条件足。

(2)卢庄沟泥石流沟口流速最大超过6.1 m/s，泥石流冲击力最高超过900 kN/m2，导致“6.10”泥石流冲毁了卢庄沟口部分建筑物，表明鄱阳湖流域中低山地区泥石流危害不容忽视。计算分析表示，卢庄沟一旦遇到20年一遇以的强降雨，其影响范围更大，将危及到下游官桥村小学及两侧水库的安全。

(3)该泥石流经历风化碎裂、崩滑堆积、暴雨汇聚、松散堆积体搬运洗刷、老泥石流沟冲刷复活等过程，最终形成暴雨型泥石流。其中风化物堆积是基础，雨水迅速汇聚是诱因，高陡边坡及充足水动力条件是诱因，因此，要加强对此泥石流沟的监测与治理，对黄龙山恢复植被、拦挡停淤、水石分治，对沟口居民建议搬迁避让，并在官桥村的沟谷左岸一侧设置混凝土挡土墙防冲护坡，引导水流或泥石流沿主沟安全排泄，在沟口堆积扇恢复植被，开展坡面植物防护，防止水土流失，同是开展土地整理，并还耕于当地农民。

[1] 江西省勘察设计研究院.江西省修水县黄龙乡卢庄村平石寺泥石流治理工程勘查报告[R].南昌：江西省勘察设计研究院,2013.

[2] 高波,王佳运,张成航,等.青海省玉树州高原暴雨型泥石流形成机制——以称多县拉隆沟泥石流为例[J].水土保持通报，2016,36(2):28-31.

[3] 曾昭华.江西省地质灾害的形成及其分布规律[J].地质与勘探,1996,33(4):17-20.

[4] 胡卸文,吕小平,黄润秋,等.唐家山堰塞湖大水沟泥石流发育特征及堵江危害性研究[J].岩石力学与工程学报， 2009， 28(4):850-858.

[5] Masami Saito, Tohru Araya and Futoshi Nakamura. Sediment production and storage processes associated with earthquake-induced landslides in Okushiri Island, 1993[J]. Sabo Gakkaishi, 1993,47 (6):32-37.

Formation Mechanism and Dynamic Characteristics ofRainstorm-induced Debris Flow in Poyang Lake Valley ofJiangxi Province

GAN Jianjun1, YUAN Liangkuai2, GUI Faliang1, LI Ming2, TANG Chun1and YAN Long1

(1.National-LocalJointEngineeringLaboratoryofWaterEngineeringSafetyandEfficientUtilizationofResourcesinPoyangLakeWatershed,NanchangInstituteofTechnology,Nanchang330099,China; 2.SurveyandDesignInstituteofJiangxiProvince,Nanchang330099,China)

Theformationmechanismanddynamiccharacteristicsofrainstorm-induceddebrisflowinPoyanglakevalleyofJiangxiProvinceisresearched,whichwasexpectedtoprovideareferenceforthiskindofmountaintorrentdisasterandsafetyofriverbasinwaterproject.Throughfieldinvestigationandlaboratorytest,LuzhuangdebrisflowofHuanglongCountyinJiujiangCitywasselectedasanexample,andthedevelopmentcharacteristicsandkineticscharacteristicswereanalyzed.Themainchannellengthofthedebrisflowisabout6.25km,thecatchmentareais4.270km2.Thesupplyofsourcewascomparativelyabundant(about62.46×104km3),thelongitudinalgradientis524.1‰andtheheightdifferencesis1160m,thetopographyiseasytocatchment.Theprocessofrainstorm-induceddebrisflowinthestudyareacanbedividedinto4stages:debrisflow-sourceformation;looseaccumulationcarry;olderlandslideresurrectionanddebrisflowinitiation.

PoyangLakeBasin;debrisflow;formationmechanism;dynamiccharacteristics;LuzhuangDitch;XiushuiCountyinJiangxiProvince

10.3969/j.issn.1000-811X.2017.02.027.]

2016-09-20

2016-11-09

江西省自然科学基金“江西红壤砂岩区暴雨诱发型深基座滑坡形成机理研究”(20161BBG70051)；江西省教育厅科技项目“降雨型砂岩区类土质滑坡GMD预测模型研究”(GJJ151124)；南昌工程学院2015年教改重点教改课题(2015JG001)

甘建军(1975-)，男，江西永新人，博士，工程师，讲师，主要从事岩土工程和边坡稳定性的研究和实践工作. E-mail: scdkj2006@126.com

袁良浍(1970-)，男，江西泰和人，高级工程师，主要从事地质灾害形成机制及治理研究.E-mail:2433231019@qq.com

X43；P642

A

1000-811X(2017)02-0154-05

10.3969/j.issn.1000-811X.2017.02.027

甘建军，袁良浍，李明，等. 鄱阳湖流域暴雨型泥石流形成机制与动力特征——以江西修水县卢庄沟泥石流为例[J]. 灾害学，2017，32(2)：154-158. [GAN Jianjun, YUAN Liangkuai, GUI Faliang,et al. Formation Mechanism and Dynamic Characteristics of Rainstorm-induced Debris Flowin Poyang Lake Valley of Jiangxi Province [J]. Journal of Catastrophology，2017，32(2)：154-158.