劉清華 唐 川 馬 煜

（1.地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國家重點實驗室（成都理工大學(xué)），成都610059；2.成都理工大學(xué) 工程技術(shù)學(xué)院，四川 樂山614000）

2008年5月12日，四川省發(fā)生汶川特大地震，都江堰市是地震重災(zāi)區(qū)之一。龍池鎮(zhèn)位于都江堰市西北部的山區(qū)，面積約90km2。受地震影響，龍池鎮(zhèn)龍溪河兩岸山體發(fā)生多處崩塌和滑坡，形成大量松散固體物質(zhì)，為形成泥石流提供了充足的物源條件［1］。2010年8月12日～14日，四川省部分地區(qū)出現(xiàn)大暴雨，致使包括都江堰市龍池鎮(zhèn)在內(nèi)的多處“5·12”汶川地震災(zāi)區(qū)暴發(fā)了群發(fā)性泥石流，統(tǒng)稱為四川省“8·13”特大泥石流災(zāi)害［2］。此次泥石流災(zāi)害導(dǎo)致龍池鎮(zhèn)龍溪河的河床整體抬升近5m，對地震后重建的民房、鄉(xiāng)鎮(zhèn)基礎(chǔ)設(shè)施以及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)均造成了嚴(yán)重影響甚至破壞。

蜂桶巖泥石流是龍池“8·13”群發(fā)泥石流中的新增災(zāi)害點，主要造成淤埋溝口民房（圖1），房屋最大淤埋泥深達(dá)6m，淤埋公路長度約100m；泥石流沖出物部分進(jìn)入龍溪河，迫使河流擠向?qū)Π?，威脅對岸民房（圖2）。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查資料，“8·13”蜂桶巖泥石流沖出物總體積約為7.4×104m3。

地震后地震災(zāi)區(qū)泥石流的暴發(fā)具有激發(fā)條件降低、群發(fā)和規(guī)模增大等特點［1－4］，有至少5～10 a的相對活躍期［1，3］。蜂桶巖泥石流是典型的地震后發(fā)型泥石流，發(fā)生隱蔽，流域面積小，泥石流規(guī)模相對較大，研究其形成條件和暴發(fā)特征對深入認(rèn)識地震災(zāi)區(qū)泥石流災(zāi)害特點有重要意義。本文根據(jù)“8·13”蜂桶巖泥石流的現(xiàn)場調(diào)查資料和室內(nèi)實驗數(shù)據(jù)，分析了災(zāi)害的形成背景、成災(zāi)條件及特點，計算了泥石流容重、屈服應(yīng)力、流量、沖出物總量等靜動力學(xué)參數(shù)，并提出防災(zāi)減災(zāi)建議，以期為同類研究提供參考資料。

圖1 泥石流溝口受損房屋Fig.1 Damaged houses at the mouth of the debris flow gully（A）溝口右；（B）溝口左

圖2 泥石流溝口對岸房屋Fig.2 Houses on the other side of the river facing the debris flow gully

1 形成背景

蜂桶巖溝位于龍池鎮(zhèn)南岳村6社，岷江一級支流龍溪河左岸，溝口地理坐標(biāo)為 N 31°5′58″，E 103°33′41″，與龍池鎮(zhèn)直線距離約5km。

龍池地區(qū)在地質(zhì)構(gòu)造體系上為龍門山構(gòu)造帶的中南段，屬華夏構(gòu)造體系，在大地構(gòu)造上分別屬揚(yáng)子準(zhǔn)地臺和青藏地槽區(qū)，在區(qū)域構(gòu)造上位于映秀—北川斷裂的西北側(cè)。映秀—北川斷裂為龍門山后山北川—中灘鋪斷裂的一部分，為北東向壓扭性深大斷裂。龍池地區(qū)地層產(chǎn)狀變化大，巖層破碎，巖石裂隙發(fā)育。

區(qū)域地層除缺失奧陶系、泥盆系、白堊系、侏羅系及第三系外，從元古界到第四系均有出露。該區(qū)屬于中山剝蝕侵蝕山谷地貌（海拔高度1100 m以上），多由花崗巖、閃長巖、安山巖、凝灰?guī)r及部分變質(zhì)巖構(gòu)成，表層為第四系殘坡積物、崩坡積物及沖洪積物。

流域?qū)偎拇ㄅ璧刂衼啛釒駶櫦撅L(fēng)氣候區(qū)，根據(jù)都江堰市氣象局1957～2008年的降雨資料［5］，區(qū)域年平均降雨量為1134.8mm，月平均降雨最多的8月份降雨量為289.9mm，月平均降雨最少的1月份降雨量為12.7mm；最大月降雨量為592.9mm，最大日降雨量達(dá)233.8mm，最大1h降雨量為83.9mm，最大10min降雨量為28.3mm；一次連續(xù)最大降雨量為457.1mm。降雨主要集中在5～9月份，這5個月的降雨量占全年總降雨量的80%以上。龍池地區(qū)降雨相對集中、雨強(qiáng)大、暴雨頻率高等特點有利于泥石流災(zāi)害的發(fā)育。

圖3為Google Earth截圖，其中A圖攝于2007年9月14日，B圖攝于2008年6月28日，反映了“5·12”汶川地震前后蜂桶巖溝的環(huán)境概況。地震前，蜂桶巖地區(qū)植被茂密（圖3－A）；地震后，流域內(nèi)產(chǎn)生了明顯的崩塌和滑坡（圖3－B）。根據(jù)對當(dāng)?shù)卮迕竦脑L問，與蜂桶巖溝相距約500 m的核桃樹溝于2008年6月14日暴發(fā)過泥石流，因此推測蜂桶巖地區(qū)在2008年6月有過降雨，但未誘發(fā)泥石流，降雨產(chǎn)生的水流帶著部分松散固體物質(zhì)順著地勢相對下凹處侵蝕地表形成洪水溝（圖3－B）。從地震到2010年8月13日的2年多時間里，蜂桶巖溝一直沒有暴發(fā)過泥石流。

2 形成條件

2.1 降雨條件

根據(jù)龍池山頂北斗站的降雨監(jiān)測資料，誘發(fā)龍池“8·13”泥石流的降雨主要集中在2010年8月13日，降雨過程和累計降雨量見圖4。蜂桶巖泥石流大約于8月13日16：00時開始，持續(xù)時間約40min。根據(jù)圖4，蜂桶巖泥石流發(fā)生時的1h降雨量為53.8mm（16：00時），此次降雨過程的最大1h降雨量為55.8mm（17：00時），8月13日全天降雨總量為209.8mm。

圖3 蜂桶巖溝流域邊界Fig.3 Valley boundary of the Fengtongyan gully（A）震前；（B）震后

圖4 2010－08－13單位時間降雨量和累計降雨量Fig.4 Hourly and accumulated precipitation on August 13，2010

根據(jù)《四川省中小流域暴雨洪水計算手冊》［6］，龍池地區(qū)十年一遇降雨的最大1h降雨量為53.6mm，最大24h降雨量為223.6mm。因此得出，誘發(fā)“8·13”蜂桶巖泥石流的降雨頻率約為十年一遇。

2.2 物源條件

區(qū)域斷裂和褶皺發(fā)育，泥石流物源的發(fā)育條件較好，“5·12”汶川地震導(dǎo)致的崩塌和滑坡直接為形成泥石流提供了大量的松散固體物源。

龍池鎮(zhèn)與“5·12”汶川地震震中映秀鎮(zhèn)僅一山之隔，直線距離約5km?！?·12”汶川地震的發(fā)震斷層從龍池鎮(zhèn)水鳩坪處通過。受地震影響，蜂桶巖溝流域內(nèi)形成了單處體積從0.2×104～2.3×104m3不等的多個崩滑體［7］，其形成的松散固體物質(zhì)為蜂桶巖泥石流的形成提供了直接的物源（圖3－B，圖5）。另外，地震產(chǎn)生的劇烈震動使流域山體表面特別是斜坡地段的風(fēng)化帶或表層松散物整體更為松動，在強(qiáng)降雨過程中突然過度飽和，極易順坡下泄形成泥石流。

圖5 形成區(qū)崩滑體Fig.5 Collapses and landslides in the forming area

2.3 地形條件

蜂桶巖溝流域地處中山地形，侵蝕切割較深。流域總體呈櫟葉形，面積約0.3km2，相對高差700m左右。匯水形成區(qū)高差約560m，平均坡度36°，最大坡度約49°。流通區(qū)長約250m，相對高差約120m，平均坡度22°，最大坡度約33°。相對高陡的地形為匯水提供了強(qiáng)大的水動力條件，也為崩滑體松散堆積物的運(yùn)動提供了充足的動能。

3 “8·13”蜂桶巖泥石流特征

3.1 形成過程及特征分析

“5·12”汶川地震前，蜂桶巖溝流域內(nèi)植被茂密，無現(xiàn)成的深切流通溝道；但在地震后的2年多時間里，懸掛于坡體的松散固體物質(zhì)在降水的作用下沿地勢相對下凹處向溝下游流動，并在流動過程中侵蝕地表，破壞植被，形成洪水溝。經(jīng)過多次降水的沖刷作用，洪水溝的溝道加深，流域內(nèi)的部分松散固體物質(zhì)逐漸匯集到溝道內(nèi)。

在“8·13”強(qiáng)降雨和高陡地形提供強(qiáng)勢能的作用下，坡體上大量的松散固體物質(zhì)隨水流迅速下泄，并與洪水溝道內(nèi)的松散堆積物一同起動形成泥石流。剛開始的小部分泥石流沖出物主要沿之前的洪水溝流動，且與右側(cè)另一泥石流沖出物匯合；但之后受局部淤高的影響，蜂桶巖泥石流總體向左擺動，且在運(yùn)動過程中強(qiáng)烈侵蝕地表，沖刷出一條深切的泥石流溝道（圖6）。泥石流沖出物淤埋公路后進(jìn)入龍溪河，河流局部向?qū)Π陡牡?，威脅溝口對岸民房（圖2，圖7）。

圖6 蜂桶巖泥石流溝全貌Fig.6 Picture of the Fengtongyan debris flow gully

泥石流發(fā)生后流通區(qū)段形成的溝道切割明顯，最大深度約10m，最大寬度約7m，溝道近“U”形，平均縱比降為480‰，溝道雙側(cè)坡度近乎垂直。堆積區(qū)呈扇形，最大堆積厚度約9m，最小堆積厚度約2.5m，平均堆積厚度約7m，堆積扇長約80m，寬約120m。堆積物粒徑在40～50 cm的居多，最大粒徑4.5m。堆積扇保存的沖出物體積約為6.7×104m3，考慮到約10%體積的泥石流沖出物進(jìn)入龍溪河且已部分被水流帶走，折算后“8·13”蜂桶巖泥石流沖出物總體積約為7.4×104m3。

“8·13”蜂桶巖泥石流沖出物主要來源于雨水沖刷的坡體松散固體物質(zhì)、洪水溝內(nèi)匯集的松散堆積物質(zhì)以及泥石流運(yùn)動過程中侵蝕溝道的侵蝕物質(zhì)?！?·13”蜂桶巖泥石流具有流通區(qū)較短、發(fā)生隱蔽、沖出量相對較大的特點。本文資料現(xiàn)場調(diào)查時間是2010年8月下旬和10月，“8·13”蜂桶巖泥石流發(fā)生后，該地區(qū)在8月16日和18日又遭遇了大暴雨，但此溝未再次發(fā)生泥石流。圖6所示的泥石流溝道除了“8·13”泥石流的作用外，還有后期雨水的沖刷作用，溝道深切。

圖7 蜂桶巖溝特征及泥石流危害范圍Fig.7 Features of the Fengtongyan gully and hazard area of debris flow

3.2 容重

根據(jù)蜂桶巖泥石流堆積物樣品的篩分實驗數(shù)據(jù)，得到顆粒分布曲線如圖8。

圖8 顆粒分布曲線Fig.8 Curve of grain size distribution

據(jù)現(xiàn)場觀察，蜂桶巖泥石流堆積扇上有典型的泥包石現(xiàn)象，塊石間未直接接觸，充填有大量細(xì)粒砂土，堆積物總體表現(xiàn)為分選性差的混雜堆積。由堆積物的特征判斷蜂桶巖泥石流為強(qiáng)黏性的黏性泥石流，其容重在2.0g／cm3以上，實際泥石流容重值按公式（1）計算［8］。

式中：γD為黏性泥石流容重（g／cm3）；γ0為泥石流的最小容重（取1.5g／cm3）；w2為＞2mm 的粗顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)（小數(shù)表示），w2＝0.72；w05為＜0.05mm的細(xì)顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)（小數(shù)表示），w05＝0.02；γV為黏性泥石流最小容重（取2.0g／cm3）。

由公式（1）計算出的“8·13”蜂桶巖泥石流容重為1.88g／cm3?？紤]到蜂桶巖泥石流堆積現(xiàn)場黏性泥石流特征明顯，而泥石流的堆積特征更能反映泥石流的真實類型，因為即使是同一泥石流的泥石流容重也會受取樣地點和部位的影響而不同，甚至可能會有跨越一種泥石流類型的偏差［8］；此外，本文的顆粒分析數(shù)據(jù)來源于小樣實驗分析，小樣容重相比于更接近實際的大樣容重偏?。?］。因此，本文將“8·13”蜂桶巖泥石流的容重值修正為2.0g／cm3。

3.3 屈服應(yīng)力

屈服應(yīng)力是反映黏性泥石流特征的重要參數(shù)。根據(jù)對泥石流最大淤積厚度與泥石流容重、淤積坡度及泥石流屈服應(yīng)力之間關(guān)系的研究，黏性泥石流屈服應(yīng)力的計算可按公式（2）進(jìn)行［10］。

式中：τB為泥石流屈服應(yīng)力（Pa）；γ′＝γc－γ0，為泥石流相對容重（kg／m3）；γc為泥石流容重，γc＝2000kg／m3；γ0為環(huán)境容重，在陸面γ0≈0，在水中γ0＝1000kg／m3；g為重力加速度，g＝9.81 m／s2；θ為坡度，θ＝3°；δ為泥石流的最大堆積厚度，δ＝4.9m。

由公式（2）計算得到τB＝4999Pa。由此可見，“8·13”蜂桶巖泥石流具有較大的屈服應(yīng)力，泥石流固體物質(zhì)具有較強(qiáng)的抵御洪水沖刷的能力，這是泥石流在局部的淤積厚度達(dá)9m的主要原因。

3.4 動力學(xué)參數(shù)

泥石流運(yùn)動速度和流量采用泥痕法計算。

在蜂桶巖泥石流溝流通區(qū)較順直的溝道處選取1個斷面（圖7），以確定泥石流洪峰斷面面積。所取洪痕斷面特征參數(shù)值如表1。

泥石流運(yùn)動速度是泥石流動力學(xué)參數(shù)中的重要參數(shù)。根據(jù)“8·13”蜂桶巖泥石流特征，流速選用黏性泥石流運(yùn)動平均速度的通用計算公式計算［11］

式中：v為黏性泥石流的平均流速（m／s）；g為重力加速度，g＝9.81m／s2；r為黏性泥石流運(yùn)動水力半徑，r＝1.03m；I為黏性泥石流運(yùn)動縱比降，I＝0.51；d50為泥沙顆粒中質(zhì)量分?jǐn)?shù)＜50%的顆粒直徑，d50＝6mm；d10為泥沙顆粒中質(zhì)量分?jǐn)?shù)＜10%的顆粒直徑，d10＝0.32mm。

表1 斷面特征及泥石流的流速和流量Table 1 Features of the cross－section，velocity and discharge of debris flow

泥石流的流量計算公式式中：Q為泥石流洪峰流量（m3／s）；v為泥石流斷面平均流速（m／s）；A為泥石流洪峰斷面面積（m2）。

“8·13”蜂桶巖泥石流的流速和流量計算結(jié)果見表1。

泥石流總體積計算［12］

式中：U為泥石流總體積（m3）；Q為泥石流的流量（m3／s）；t為泥石流持續(xù)時間，t＝2400s。

根據(jù)公式（5），得到“8·13”蜂桶巖泥石流總體積為6.6×104m3。該計算結(jié)果與現(xiàn)場調(diào)查沖出物總體積為7.4×104m3較為接近。104m3／s可以作為“8·13”蜂桶巖泥石流的洪峰流量。

4 結(jié)論

a.“5·12”汶川地震在蜂桶巖溝流域內(nèi)誘發(fā)了多處崩塌和滑坡，為形成泥石流提供了豐富的松散固體物源。地震后降雨產(chǎn)生的水流帶動坡體上部分松散固體物質(zhì)沿地勢下凹處向下流動，侵蝕地表形成洪水溝，多次降雨的沖刷作用使洪水溝的溝道加深，部分松散固體物質(zhì)堆積于溝道內(nèi)。在2010年8月13日的強(qiáng)降雨誘發(fā)下，坡體上大量的松散固體物質(zhì)隨水流沿洪水溝下泄，與溝道內(nèi)的松散堆積物質(zhì)一同起動形成泥石流，并在運(yùn)動過程中強(qiáng)烈侵蝕溝道。

b.根據(jù)推算，誘發(fā)“8·13”蜂桶巖泥石流的降雨頻率約為十年一遇。

c.“8·13”蜂桶巖泥石流容重為2.0g／cm3，泥石流屈服應(yīng)力為4999Pa，洪峰流量為104m3／s，沖出物總體積為7.4×104m3。

d.相對于0.3km2的流域面積，“8·13”蜂桶巖泥石流沖出物總量相對較大，該泥石流的流通區(qū)較短，速度較快，屬于新發(fā)泥石流。發(fā)生前流通區(qū)無深切溝道且植被覆蓋較好，其發(fā)生具有一定的隱蔽性。

e.經(jīng)過“8·13”泥石流災(zāi)害后，蜂桶巖溝有了典型的泥石流流通溝道，形成區(qū)也還存在一定量的松散固體物源，且崩塌和滑坡可能還會發(fā)生，有一定的后備物源，在強(qiáng)降雨的條件下，具有再發(fā)生泥石流的可能，溝口兩側(cè)一定區(qū)域不再適宜作為居民建設(shè)用地，也存在發(fā)生泥石流堵河的風(fēng)險，應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)管。值得注意的是，“8·13”蜂桶巖泥石流淤埋或威脅的民房主要為“5·12”汶川地震災(zāi)后新建房屋，這說明地震災(zāi)區(qū)災(zāi)后重建中建設(shè)用地適宜性評價工作有待完善和加強(qiáng)，對鄉(xiāng)村散戶民房的建設(shè)選址應(yīng)給予科學(xué)指導(dǎo)，特別應(yīng)加強(qiáng)一些具有一定隱蔽性的泥石流災(zāi)害點的排查，為鄉(xiāng)鎮(zhèn)建設(shè)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供科學(xué)的指導(dǎo)，避免不必要的損失。

本文部分照片由四川省地質(zhì)工程勘察院魯科提供，作者在此向魯科表示衷心感謝。

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