张鹏 刘春娟 马金珠

摘要：基于前人对灾害链的研究及实地勘察，分析山地灾害链的发育类型与结构，采用SINMAP斜坡稳定性分析模型，进行小流域斜坡稳定性数值模拟，分析流域内不稳定区域分布特征。利用多重灾种链式演化模式中的聚焦型模型，分析典型小流域泥石流沟汉林沟链首地质灾害发育特征，结果表明其链首灾种为地裂缝、崩塌、滑坡、坡面泥石流及沟谷泥石流。由于汉林沟沟口相对狭窄，沟道的排导能力较弱，在极端降雨或其他地球外营力下形成的大型沟谷泥石流，极易形成堰塞湖，堰塞湖坝体在无法承受巨大的泥石流体冲击时，极易发生坝体渍决，形成大型山洪灾害，因此汉林沟流域发生泥石流灾害后最终形成的灾害链为山洪灾变链。

关键词：灾害链;泥石流;滑坡;链首;山洪

中图分类号：P642.23

文献标志码：A

doi：10.3969/j .issn. 1000- 1379.2019.01.020

随着全球防灾减灾研究的不断深入，泥石流灾害的发生发展及可能形成的灾变链受到了国际社会越来越广泛的关注。目前，研究灾变链的成果较多，如王建秀等[1]災变链式机制的研究，文传甲[2-3]大气灾害链及广义灾害链的研究，李明等[4]、宋志等[5]滑坡、泥石流地质灾害链形成机理的研究，韩金良等[6]地质灾害链的研究，吴瑾冰等[7]巨灾链的研究，肖盛燮[8]生态环境灾变链的研究，徐梦珍等[9]山地灾变链的研究等。这些研究虽处于初步探索阶段，但对学科的发展和减灾防灾都具有重要意义。

山地灾害近年来在我国山区频发，常形成大规模的山地灾变链。山地灾变链是由多种山地灾害组成的线状或带状灾害，是山地灾害的物质、能量和信息在特定条件下相互传递、相互渗透、相互作用和相互转化的结果[10-11]。山地灾害发育的地质环境复杂，致灾因素有地球的内营力作用、外营力作用和人为作用等多种，因此山地灾害种类多，由其构成的山地灾变链的类型也多种多样[12]。甘肃南部小流域泥石流沟灾变链类型与结构主要是由地球外营力作用形成的。强降水极易形成山地灾变，导致山地灾变链的形成。以降水致灾灾种为链首的山地灾变链种类繁多，结构复杂，共有23种形式[13]。人类活动致灾的山地灾变链的类型与结构主要是人类过度开发利用资源造成的，其链首复杂，往往为水土流失、崩塌、滑坡和坡面泥石流以及容易造成山洪和人工堰塞湖的坝堤溃决等。

根据山地灾变链的发育类型与结构，笔者结合前期基于水动力模型的汉林沟泥石流数值模拟研究[14]，利用SINMAP数值模型分析典型小流域不稳定区域分布情况，并运用多重灾种链式演化模式中的聚焦型模型，分析甘肃南部典型小流域泥石流链首灾种发育特征，预测其灾变链。

1 研究区概况

甘肃省南部典型小流域汉林沟位于陇南武都区汉林乡，属嘉陵江三级支流，主沟长6.34 km，流域面积为33.88 km，平均比降为10.5%。主沟常年流水，平时流量为0.002～ 0.011 m/s，暴雨时会伴随泥石流发生，其暴发频率约每年一次，属稀性一黏性综合型泥石流。该小流域形成区为圆弧形，植被覆盖一般，主要为人工林地和草地，沟脑坡体坡角为40°～ 45°。流通区两侧山体不稳定，左岸基岩出露，风化强烈，中上游坡角为60°～ 70°，岩石破碎，以千枚岩、片岩为主;右岸松散堆积物以黄土为主，流水侵蚀强烈，坡体极不稳定。流通区有两个滑坡，新滑坡面积较大且滑动明显，为泥石流提供了充足的物源，沟床宽5—15 m，利于沟内松散物质到达堆积区。堆积区沟床为V形，沟道两侧以耕地为主，植被发育较好。

汉林沟受流域内发育的大型滑坡、地裂缝、崩塌及沟谷泥石流等链首的严重影响，极易爆发大型泥石流灾害。因此，针对汉林沟泥石流各链首进行野外调查与分析，预测其灾变发生的可能性，有重要的现实意义。

2 研究内容与方法

首先对小流域泥石流沟灾变链的链首进行野外调查及室内分析，预测其可能形成的次生灾变：然后综合分析小流域泥石流沟链首灾变演化过程，预测可能形成的灾变链。

以野外调查为基础，采用SINMAP（ Stability IndexMapping，稳定指数映射）模型进行小流域斜坡稳定性数值模拟，分析流域不稳定区域分布特征，利用多重灾种链式演化模式[12]中的聚焦型模型预测小流域泥石流沟的灾变链。

SINMAP模型是基于无限边坡稳定模型提出的一个基于地形的水文稳态模型，其斜坡稳定性指数计算公式为[15-16]：

根据现场采样和室内试验结果，参考以前的试验成果[15]，选取有关参数值（见表1），其中：R=q/a（R为稳态补给流量，q为侧向流量，a为集水区面积），T为土壤的导水系数。

多重灾种链式演化聚焦型模型是由若干链首灾种在发展演化过程中集成的综合型灾变模型[17-18].在各个链首灾种发生演变并集中迸发时形成具有巨大破坏作用的灾害效应，其演化如图1所示。

3 结果与分析

3.1 斜坡稳定性数值模拟分析

流域内的土壤饱和程度分布较有规律，饱和区基本在沟道内，干燥区分布于流域分水岭一带及支沟之间的山梁两侧，不饱和区主要分布于主沟及支沟沟脑一带，大部分集中在支沟的沟脑两侧，分布范围集中，见图2（a）。山坡极不稳定区为图2（b）的红色区域，经实地调查，沟口段右岸的极不稳定区为松散碎石土堆积形成的滑坡灾害点，流域中段的极不稳定区为沟道常年流水冲蚀形成的黄土体陡坎及碎石土体崩塌，而流域中段山坡上的极不稳定区为集中分布的正在发生蠕动变形的小型土质滑坡群，流域上段的极不稳定区为岩质崩塌体。由此可见，流域上游的泥石流由崩塌体及部分山坡滑体组成，从而形成稀性泥石流，而到了中下游，大型土质滑坡处于不稳定状态，使中下游的支沟形成黏性泥石流，最终汇至沟道下游形成由稀性转化为黏性的大型泥石流。对比发现，崩塌、滑坡点都位于流域不稳定区内，由SINMAP模型模拟得到的不稳定区域评价结果基本上与现有滑坡点分布一致，表明模拟结果是可靠的。

3.2 链首灾种分析

流域斜坡稳定性分析和实地勘察表明，汉林沟流域发育有链首灾害点69处，其中地裂缝10条、滑坡17处、崩塌12处、坡面泥石流沟7条及沟谷泥石流沟21条。流域内有3处大型一特大型滑坡灾种，4处较大型沟谷泥石流灾种，其他链首灾种规模均较小。汉林沟流域灾变链链首地质灾害发育类型及分布情况见图3。

3.2.1 滑坡

汉林沟滑坡发育较多，是山地灾变链中典型的链首灾种，本文以流域内最为发育的三家地特大型滑坡Hl为例进行滑坡灾种链首分析。三家地滑坡的发育发展严重影响汉林沟泥石流的发生和发展。

三家地滑坡主体岩层为中厚层的新近系紫红色泥岩和砂质泥岩夹砂岩，总体厚度为300—500 m，受汉林盆地南部边界草山梁长期强烈上升的影响，岩层总体向北倾斜，倾角由南部山顶区的200左右逐渐向沟底变为50左右，部分地段近水平。该滑坡为汉林新近系向斜构造的南翼，局部发育轻微挠曲。表层主要为马兰黄土和离石黄土。地貌形态为台阶状斜坡，地质结构为黄土一泥岩顺向坡。由于坡体基础性岩层为新近系泥岩，成岩程度低，属软弱易滑岩层，上覆黄土强度低，抗冲蚀能力差，属易滑土体，因此决定了三家地斜坡的稳定性较差。区内新构造运动强烈、地震频繁，在沟道长期下切侵蚀等地质作用下，滑坡非常发育，区内及周围地区不同规模、不同时期的滑坡成群成带分布，在6.75 km的范围内形成了大型滑坡群。据现场调查，该特大型滑坡群共发育有大小滑坡体57处。

在大型滑坡体中，黄土一泥岩顺层滑坡（见图4）最多且规模较大，土质滑坡有黄土滑坡（见图5）和混杂的古老滑坡体的复活滑动，其中部分滑坡为“5·12”汶川地震扰动引发的。大型黄土一泥岩顺层滑坡分布在陈李沟以南的整个斜坡区，在长期沟道径流侧蚀及下蚀作用下，极易发生滑动，形成沟谷泥石流。中小型滑坡主要受冲沟长期强烈下切侵蚀的影响，沿沟道两侧发育，是沟谷泥石流良好的物源补给区。

三家地滑坡是以古滑坡为基础的新近特大型滑坡，是历史地震长期扰动形成的。较差的地质结构和地层岩性条件是三家地滑坡形成的主要因素，其外部影响因素是沿落水洞人渗的水体以及汉林沟对滑坡前缘的不断侵蚀下切，“5·12”汶川地震是滑坡活动的直接诱发因素和动力来源。牵引性发展是三家地滑坡形成、复活滑动方式的特点，老滑坡体后部的支撑力受到前部滑坡体滑动的影响，极不稳定，向上逐级牵引发展，使三家地老滑坡的稳定性不断恶化，形成滑坡一沟谷泥石流灾变链，威胁三家地村庄的安全。

3.2.2 地裂缝

汉林沟流域受“5·12”汶川地震强烈影响，产生了大量的地裂缝，较为发育的地裂缝有10余条，主要集中在三家地滑坡体上，最为突出的是三家地村庄南部L1裂缝和三家地滑坡群前缘的3处大规模裂缝，这与流域斜坡稳定性数值模拟结果是一致的。

L1裂缝大致依附于Ⅱ级滑坡体后缘区，即老滑坡主滑壁下部与老滑体的交汇处，裂缝长520 m.宽0.4～1.6 m，最大下错1.2 m。该裂缝使得附近民房、窑洞、道路和农田出现错断现象。上部Ⅱ级滑坡体受到不断滑动的三家地老滑坡下部Ⅲ级滑坡体影响，其支撑力不断削弱，牵引向上发展，受地震影响，Ⅱ级滑坡体的稳定性急剧降低，产生复活蠕动，逐渐形成L1裂缝。

/2裂缝呈南西一北东走向，与L1裂缝相接于南端，裂缝长175 m，宽0.1～ 0.3 m。地震过程中，东西两块老滑坡体的差异运动形成了该地裂缝。

L3裂缝位于Ⅲ级滑坡后部，长145 m，宽0.4～ 1.5m，下错0.3～4.0 m。

L1～L3地裂缝发育规模大、延伸距离长，在长期降水及地下水的侵蚀作用下，极可能影响各级滑坡体的稳定性，引发滑坡灾害。因此，地裂缝的长期发展极可能促使老滑坡复活，发生滑动，进而引发沟谷泥石流，形成地裂缝一滑坡一沟谷泥石流灾变链。

3.2.3 崩塌

汉林沟流域崩塌主要有黄土崩塌和泥岩崩塌两类，主要由地震引发滑坡崩滑形成。汉林沟中上游沟岸陡峭，有的近乎直立，主要由黄土、老滑坡堆积体等组成，稳定性差，有较多的土质崩塌，崩塌体一般体积在数百立方米至数千立方米，松散破碎，且堆积于谷底，甚至堵塞沟道，被强大的集中水流侵蚀冲刷，极易补给泥石流。汉林沟中游沟道右岸崩塌（Bl）位于汉林乡公路靠山坡处（见图6），崩塌所处地形为高陡土质边坡，坡脚为公路，边坡高约13 m，宽约50 m，坡角550，坡面土体松散，风化强烈，裂缝极为发育，土体破碎呈大小不等的块状，处于斜坡不稳定区，在地震、降水等外力作用下极易产生崩塌，威胁过往行人及车辆安全。

导致该处易发生崩塌的主要因素：一是地形条件，该处属于易侵蚀中山谷地貌，山坡整体较陡，有较大的临空面，坡面坡角可达500以上;二是陡坎高、坡面陡、岩体破碎、裂隙发育，利于降水入渗，形成润滑面;三是人类活动对斜坡形态的改造，在坡脚进行切坡削方筑路，改變了原始斜坡状态，增大了坡体临空面，形成了陡坡。上述因素对该坡体稳定性影响较大，在地震、爆破震动、暴雨冲刷等外力作用下极易产生失稳，发生崩塌灾害，崩滑于沟道内形成沟谷泥石流灾变，从而形成崩塌一沟谷泥石流灾变链。

3.2.4 沟谷泥石流

汉林沟流域地形起伏、沟谷发育且坡降大，由滑坡、崩塌等产生的松散物极为丰富，致使泥石流灾害较发育。泥石流不但破坏生态环境、造成地质灾害，而且长期对坡脚强烈侵蚀、冲刷及搬运，易引发老滑坡复活产生滑坡。滑坡、泥石流二者相伴互生、相互影响，易形成滑坡一泥石流恶性循环的地质灾变链。

汉林沟支沟陈李沟主沟道长3.1 km.相对高差511m，沟床平均比降16，5%。陈李沟分为东沟和西沟两部分，沟谷大致呈V形，切割深度为20～ 60 m，沟岸坡角一般为35°，沟底狭窄，宽一般为4—10 m，上部平缓，下部陡峭，沟底一般较为陡直。根据实地调查并结合采样分析，按泥石流流体性质，陈李沟泥石流属黏性泥石流。

陈李沟两岸滑坡、崩塌发育。受三家地滑坡前缘长期滑动、推挤的影响，陈李沟主沟道的下游段变窄变浅，甚至沟形不明显。陈李沟子流域各冲沟发育的基本特征见表2。

据调查，滑坡、崩塌及沟道堆积物为陈李沟流域固体松散物质的来源，以滑坡堆积物为主体，按地形形态属沟谷型泥石流。陈李沟流域滑坡转换为泥石流固体物质成分的主要方式：①两侧滑坡挤压沟道，形成沟道堵塞，致使沟道变窄变浅，形成狭窄的沟槽地形，滑坡物质被泥石流直接冲蚀、侧蚀和搬运;②滑坡前缘及侧缘逐次坍塌进入沟道，被泥石流冲蚀、搬运，构成泥石流堆积体：③在降雨作用下，滑坡表层及侧缘松散物被冲蚀带人沟道，补给沟谷型泥石流。

据历史资料，陈李沟泥石流按水源类型属暴雨型泥石流，当降雨强度达到25 mm/h.或10 min降雨量达到10 mm时，极易暴发大规模泥石流。研究区降水集中，暴雨频率高、强度大，1 h最大降雨量为40 mm.10 min最大降雨量为16.2 mm.均大于泥石流发生的临界降雨量，极易发生暴雨型泥石流。

陈李沟流域处于断裂交汇地带，新构造运动强烈、地震频繁，斜坡坡体结构多为黄土、泥岩或黄土泥岩顺层结构，部分出露基岩地区，节理裂隙非常发育，岩石异常破碎，这些都为泥石流发育提供了条件。而大规模乡村修路及生活、建筑垃圾等堵塞泥石流排洪道，乡村道路的修建使岸坡坡脚不断被挖掘而失稳，大量滑坡、崩塌发生，增加泥石流物源，有利于泥石流灾害发生发展。

综上，汉林沟流域特定地质条件和特殊的地理环境是泥石流形成的内在因素。软弱、破碎的砂质泥岩及第四系崩坡积物为强烈频繁的泥石流活动提供基础，沟谷坡度陡峻为泥石流产生提供地形条件，强度大、频率高的降雨是产生泥石流的动力条件，森林植被破坏、不合理利用土地、大规模修路及生活建筑垃圾排放起着加剧泥石流活动的作用，极易形成小型沟谷泥石流一大型沟谷泥石流一山洪灾变链。

3.3 综合灾变链预测

根据汉林沟小流域地质灾害发育特征分析，流域内发育的链首灾种主要有崩塌、滑坡、地裂缝、坡面泥石流及沟谷泥石流5种。流域内发育有3处大型一特大型滑坡（三家地、汉坪村、山虎岭），4处较大型沟谷泥石流（陈李沟西沟、陈李沟东沟、陈李沟主沟、香椿沟），其他链首灾种规模均较小。根据斜坡稳定性数值模拟结果，该区域属不稳定状态，在极端降水或地震扰动下，这几处大型滑坡均有可能发生失稳而滑动，形成大型滑坡一大型沟谷泥石流灾变。根据实地勘察及区域斜坡稳定性分析，沟道下段右岸的Bl处崩塌处于不稳定状态，发生崩塌可能性较大，在人类活动干扰或强降水、地震影响下，崩塌坡脚极易被破坏而发生崩塌灾害，由此发生大型崩塌一大型泥石流灾变。由SINMAP模型模拟结果可知，沟道中游的几处灾害点处于潜在不稳定状态，可能发生较大型沟谷泥石流，在极端降水条件下，极易形成堰塞湖，堰塞湖坝体一旦溃决，将形成大型山洪灾变链。综上，对汉林沟泥石流沟灾变链预测结果见图7。

由于汉林沟沟口相对狭窄，北峪河主河道在该段较为狭窄，沟道的排导能力较弱，因此在极端降水或其他地球外营力下一旦发生大型沟谷泥石流，极易形成堰塞湖，堰塞湖坝体在无法承受巨大的泥石流体冲击时，坝体溃决，极易形成大型山洪灾害，因此预测汉林沟流域发生泥石流灾害后最终形成的灾变链为山洪灾变链。对比笔者前期对汉林沟泥石流基于FLO -2D模型数值模拟其冲淤结果[14]，二者较为一致。

4 结语

通过对典型小流域汉林沟斜坡稳定性分析及泥石流灾变链预测，其链首为地裂缝、崩塌、滑坡、坡面泥石流及沟谷泥石流，这些链首灾害的分布特征与SINMAP模型模拟的斜坡稳定性情况是一致的。根据多重灾种链式演化聚焦型模型的分析預测，在极端降水或其他地球外营力下一旦发生大型沟谷泥石流，极易形成堰塞湖，堰塞湖坝体在无法承受巨大的泥石流体冲击时，坝体溃决，极易形成大型山洪灾害。因此，综合预测汉林沟流域发生泥石流灾害后极有可能形成的灾变链为山洪灾变链。

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