李 寧 唐 川 史青云 龔凌楓 亓 星

(①西華大學(xué)， 應(yīng)急學(xué)院， 成都 610039， 中國(guó))

(②地質(zhì)災(zāi)害防治與環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(成都理工大學(xué))， 成都 610059， 中國(guó))

(③中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局成都地質(zhì)調(diào)查中心， 成都 610081， 中國(guó))

(④四川輕化工大學(xué)， 土木工程學(xué)院， 自貢 643000， 中國(guó))

0 引 言

強(qiáng)烈地震導(dǎo)致山區(qū)地質(zhì)環(huán)境更加脆弱，震區(qū)的山體邊坡在震后長(zhǎng)期處于不穩(wěn)定狀態(tài)，發(fā)生次生災(zāi)害的可能性遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他地區(qū)(Wasowski et al.，2014； 魏昌利等， 2019)。同時(shí)，由于地震的強(qiáng)烈擾動(dòng)作用，泥石流溝域內(nèi)松散物質(zhì)的結(jié)構(gòu)較原始狀態(tài)更為松散，內(nèi)部孔隙度則更大，這使得松散物質(zhì)在降雨作用下更加不穩(wěn)定，從而參與到泥石流活動(dòng)之中，這也使得地震發(fā)生后，震區(qū)泥石流的臨界水力條件更低，也就是說，震后震區(qū)泥石流更容易發(fā)生，泥石流活動(dòng)更加強(qiáng)烈(Liu et al.，2014; 李寧等， 2020a)。

2017年8月8日，四川省九寨溝發(fā)生了MS7.0級(jí)地震(33.20°N， 103.82°E)(圖1)，震源深度約20km(戴嵐欣等， 2017)。此次地震導(dǎo)致震中附近九寨溝景區(qū)內(nèi)的山體發(fā)生了松動(dòng)，同時(shí)嚴(yán)重破壞了地質(zhì)環(huán)境，崩塌、滑坡及不穩(wěn)定斜坡大量發(fā)育，在降雨等驅(qū)動(dòng)力作用下極易暴發(fā)大規(guī)模地質(zhì)災(zāi)害(Fan et al.，2018； 許沖等， 2019； 佘金星等， 2021)。

圖1 研究區(qū)概況圖Fig. 1 Location map of the study area

2017年九寨溝“8·8”地震暴發(fā)后至今，震區(qū)每年雨季都暴發(fā)了泥石流災(zāi)害。2017年9月9日、9月14日及25日卓追溝、下季節(jié)海子溝暴發(fā)了小規(guī)模泥石流災(zāi)害，掩埋部分景區(qū)公路； 2018年6月28日暴發(fā)山洪泥石流災(zāi)害，導(dǎo)致大量基礎(chǔ)設(shè)施受損，并致使九寨溝景區(qū)一度關(guān)閉。

2019年6月20日晚20點(diǎn)左右，九寨溝地區(qū)普降大到暴雨，導(dǎo)致2019年6月21日，凌晨3點(diǎn)左右卓追溝、下季節(jié)海子溝、則查洼溝等多處暴發(fā)了泥石流。泥石流災(zāi)害造成多處停淤擋墻及攔砂壩損壞，并淤埋了景區(qū)內(nèi)的部分道路，造成了交通的短時(shí)間中斷，未造成人員傷亡。

1 流域概況

3條泥石流溝的流域特征及災(zāi)害史如表1所示。以上3條泥石流溝都屬于高頻泥石流，近10a內(nèi)均暴發(fā)過不同規(guī)模的泥石流，詳細(xì)的暴發(fā)歷史如表1所示。

表1 泥石流流域特征及災(zāi)害史匯總表Table 1 Catchment features and disaster history of debris flow hazards

2 泥石流形成條件分析

2.1 地形條件

2.1.1 卓追溝

卓追溝總體上為“U”型谷，中上游至上游段多呈“V”形，具有岸坡較陡，切割深度較大的特點(diǎn)。卓追溝中上游較為狹窄，溝底寬度一般為12～16m。中游溝底寬度一般為18～25m，局部段較窄，約10～15m。下游寬度一般可達(dá)20～40m，少量地段較為狹窄，約15～25m，形成寬窄相間的變化特點(diǎn)，溝道堆積和堵塞現(xiàn)象較為嚴(yán)重。

2.1.2 下季節(jié)海子溝

下季節(jié)海子溝整體地形陡峻，溝道橫截面以“V”型為主，屬于典型的急陡溝道型泥石流(李寧等， 2020b)。該流域內(nèi)約有1.66km2的區(qū)域?qū)儆谄露却笥?5°的陡坡地，占總面積的將近88.9%； 即流域內(nèi)主要以陡坡為主，溝谷縱坡較大，有利于降雨的匯集。此外，該溝縱坡降達(dá)到了593.22‰，極為陡峻，有利于泥石流的形成運(yùn)移。

2.1.3 則查洼溝

則查洼溝地形條件與下季節(jié)海子溝類似，整體地形同樣十分陡峻，同樣屬于急陡溝道泥石流，流域內(nèi)約有86.9%的區(qū)域都屬于坡度大于25°的陡坡地； 總體平面形態(tài)呈闊葉狀，匯流條件良好。在縱向上，呈現(xiàn)上陡下緩的特征，受此影響上游溝道以水流下切沖刷作用為主，而呈“V”型； 而下游溝段以側(cè)蝕及部分停淤運(yùn)動(dòng)為主，呈現(xiàn)“U”型，地形較上游相對(duì)寬緩。該溝流域特征如圖2所示，縱剖面圖如圖3所示。

圖2 泥石流流域特征及物源分布圖Fig. 2 Catchment features and distribution of source material of debris flows

圖3 泥石流主溝縱剖面圖Fig. 3 Longitudinal profile of main debris flow channel

2.2 物源條件

2.2.1 卓追溝

調(diào)查表明，卓追溝泥石流的物源類型主要分為崩滑堆積物源和溝道堆積物源，流域物源總量約為20.51×104m3，其中：崩滑堆積固體物源總量為8.36×104m3，動(dòng)儲(chǔ)量為3.76×104m3，物源分布如圖2所示，物源統(tǒng)計(jì)如表2所示。崩滑物源主要分布在中下游-中上游形成流通區(qū)溝道兩側(cè)，崩塌體積較大，堆積體主要以碎塊石為主，碎石粒徑為2～20cm，塊石多為20～50cm，部分地方基巖出露。溝道堆積固體物源在流域內(nèi)廣泛分布，總量為12.15×104m3，動(dòng)儲(chǔ)量為4.56×104m3，該類物源由歷年泥石流活動(dòng)累積以及岸坡崩滑堆積逐漸形成，同時(shí)泥石流直接沖刷侵蝕作用強(qiáng)烈，是此次泥石流事件的主要物質(zhì)來源。

2.2.2 下季節(jié)海子溝

調(diào)查發(fā)現(xiàn)，下季節(jié)海子溝流域內(nèi)賦存大量的松散固體物質(zhì)，其中主要包括沿溝床以及溝道兩岸堆積的大量松散堆積物質(zhì)、溝域內(nèi)廣泛分布的崩滑堆積體、主溝及支溝兩側(cè)的垮塌堆積體等。據(jù)統(tǒng)計(jì)，該溝內(nèi)共發(fā)育60.86×104m3松散固體物源，動(dòng)儲(chǔ)量約為23.48×104m3。其中：約為26.5×104m3的溝道松散物源，動(dòng)儲(chǔ)量約為13.68×104m3； 約有34.36×104m3崩滑物源，動(dòng)儲(chǔ)量為9.91×104m3； 具體統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2所示。

2.2.3 則查洼溝

調(diào)查發(fā)現(xiàn)，則查洼溝流域內(nèi)共有松散固體物源量54.71×104m3，可能參與泥石流活動(dòng)的動(dòng)儲(chǔ)量為23.38×104m3，具體統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2所示。

其中：約有34.43×104m3崩滑體物源，動(dòng)儲(chǔ)量為15.11×104m3； 約有20.28×104m3溝道物源，動(dòng)儲(chǔ)量約為8.27×104m3。從分布特征來看，該溝上游以崩滑物源為主，中下游則以溝道物源為主。

2.3 水源條件

據(jù)調(diào)查，連續(xù)的強(qiáng)降雨是誘發(fā)此次泥石流災(zāi)害的主要誘因，也就是說此次災(zāi)害屬于暴雨泥石流事件。通過查詢《四川省中小流域暴雨洪水計(jì)算手冊(cè)》可得該區(qū)域不同頻率下的降雨雨強(qiáng)等相關(guān)降雨參數(shù)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表3所示。結(jié)果顯示，誘發(fā)此次泥石流事件的降雨頻率屬于5%，也就是屬于該地區(qū)20年一遇的降雨條件。通過查表可知，在此降雨頻率條件下24h、6h、1h、1/6h的降雨強(qiáng)度可分別為60.8mm、46.29mm、28.8mm、17.68mm，而該降雨條件足以導(dǎo)致泥石流災(zāi)害的發(fā)生。

表3 研究區(qū)不同頻率下雨強(qiáng)值計(jì)算表Table 3 Calculation of rainfall for different return period

3 泥石流致災(zāi)過程機(jī)制分析

3.1 形成過程

3.1.1 卓追溝

野外調(diào)查發(fā)現(xiàn)，泥石流啟動(dòng)位置位于海拔3500～3800m段。位于主溝道左側(cè)斜坡的滑坡碎屑體在強(qiáng)降雨形成的地表徑流強(qiáng)烈沖刷下，迅速?zèng)_蝕形成溝道，并不斷對(duì)溝道兩側(cè)的坡積物形成側(cè)蝕而不斷形成垮塌，溝道隨后被拓寬加深，垮塌的松散堆積物被山洪裹挾而不斷聚集，并最終轉(zhuǎn)化為泥石流(圖4a)。

圖4 卓追溝泥石流流域全貌圖Fig. 4 Overview map of Zhuozhui debris flow catchment

3.1.2 下季節(jié)海子溝

3.1.3 則查洼溝

則查洼溝上游縱坡降介于538.67‰～724.62‰，坡降較大，匯水條件良好，在6月20日凌晨強(qiáng)降雨的作用下迅速形成山洪，溝道中堆積的大量地震和寒凍產(chǎn)生的崩滑堆積碎屑物質(zhì)在坡面侵蝕和坡腳掏蝕的共同作用下加入到洪水活動(dòng)中(圖6a， 圖6b)，形成小規(guī)模泥石流； 由于溝道較陡(平均坡度>40°)，小規(guī)模泥石流流經(jīng)中游溝道不斷攜帶兩側(cè)支溝沖出物質(zhì)，進(jìn)一步增加泥石流規(guī)模(圖3c，圖3d)； 部分固體物質(zhì)在流經(jīng)2號(hào)壩后停淤在壩后寬緩地帶，隨后更多的泥石流漫過壩頂，以強(qiáng)烈的“拉槽”方式侵蝕老泥石流堆積體(圖6g)，形成典型的“V”型溝道(圖6f)，傾瀉而下，沖毀了溝口的攔砂壩近8.2m，淤埋了溝口部分景區(qū)公路(圖6e)。據(jù)災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查結(jié)果，則查洼溝泥石流一次沖出物固體物質(zhì)總量約為2.67×104m3，沖毀溝口攔砂壩長(zhǎng)約8.2m，形成長(zhǎng)約312m、寬約125m、厚約1.7～2m的堆積扇，淤埋景區(qū)公路近300m。用現(xiàn)場(chǎng)配漿法測(cè)得泥石流體容重為1.85t·m-3，屬于中型規(guī)模黏性泥石流。

3.2 致災(zāi)機(jī)制分析

(1)物源主要以溝內(nèi)的滑坡或崩塌碎屑流堆積物為主(圖7a，圖7b)，地震誘發(fā)的大量松散巖土體以碎屑物堆積體滑動(dòng)的形式參與泥石流活動(dòng)。

(2)降雨形成徑流的以溝道沖刷作用為主，導(dǎo)致溝內(nèi)堆積物失穩(wěn)進(jìn)而參與泥石流活動(dòng)，在溝內(nèi)形成了深大、陡峻的“V”型溝道(圖7c)。

圖7 “6.21”泥石流形成過程特征照片F(xiàn)ig. 7 Erosion features along debris flow channels

(3)局部陣發(fā)性堵潰導(dǎo)致了災(zāi)害級(jí)聯(lián)效應(yīng)的產(chǎn)生(圖7d)，在溝道相對(duì)狹窄及彎道地段，泥石流沖蝕坡腳造成局部滑塌，并形成堵塞。據(jù)調(diào)查推測(cè)，堰塞體可能在短時(shí)間破壞，進(jìn)而形成潰決型泥石流，使其動(dòng)能大大增強(qiáng)，從而產(chǎn)生規(guī)模放大現(xiàn)象。

(4)泥石流下切侵蝕強(qiáng)烈，急促的束狀洪流裹挾起溝道內(nèi)的老泥石流堆積物共同參與泥石流活動(dòng)，極大地增加了此次泥石流的動(dòng)力特性及規(guī)模(圖7a，圖7c)。

(5)地震誘發(fā)了超過預(yù)估的泥石流物源動(dòng)儲(chǔ)量，進(jìn)而在強(qiáng)降雨的作用下導(dǎo)致泥石流規(guī)模及實(shí)際沖擊力超過規(guī)范設(shè)計(jì)值。

3.3 泥石流運(yùn)動(dòng)特征參數(shù)

3.3.1 重度計(jì)算

本次采取現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查試驗(yàn)法確定泥石流重度。在各個(gè)泥石流的堆積區(qū)各取1組土樣，通過配漿法配制泥石流體，測(cè)取相關(guān)參數(shù)，并按式(1)計(jì)算重度：

(1)

式中：V為體積(m3)；Gc為重量(t)；γc為重度(kN·m-3)。

表4 泥石流流體重度計(jì)算表Table 4 Computational table of the unit weight of the debris flow stream

3.3.2 動(dòng)力學(xué)參數(shù)計(jì)算

作為反映泥石流運(yùn)動(dòng)特性的重要參數(shù)，泥石流流速同時(shí)也是泥石流治理工程設(shè)計(jì)不可缺少的計(jì)算依據(jù)。目前常用的泥石流流速計(jì)算公式主要包括經(jīng)驗(yàn)和半經(jīng)驗(yàn)公式。充分考慮研究區(qū)內(nèi)泥石流的形成及致災(zāi)特征，采用《泥石流防治工程勘察規(guī)范(試行)》(T/CAGHP 006-2018)中推薦公式 I.15(c. 通用公式)(式 (2))進(jìn)行泥石流流速計(jì)算：

(2)

根據(jù)此次泥石流事件中體現(xiàn)出的暴發(fā)短促且集中等特點(diǎn)，選取《泥石流防治工程勘察規(guī)范(試行)》(T/CAGHP 006-2018)中推薦的方法計(jì)算一次泥石流過程固體物質(zhì)總量(式(3))：

Q=0.246TQc=KTQc

(3)

Wc為溝道橫截面積；Ic為溝道縱坡降；γc為固體物質(zhì)重度；Vc為泥石流斷面平均流速；Qc為泥石流峰值流量；T為泥石流歷時(shí)；Q為次泥石流過流總量；P為泥石流沖擊力

采用《泥石流防治工程勘察規(guī)范(試行)》(T/CAGHP 006-2018)推薦的形態(tài)調(diào)查法計(jì)算泥石流峰值流量(式(4))：

Qc=Wc×Vc

(4)

通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，分別在查洼溝、卓追溝、下季節(jié)海子溝3處泥石流溝的溝口，及中游防治工程后部測(cè)取斷面，用以計(jì)算泥石流動(dòng)力學(xué)參數(shù)，計(jì)算結(jié)果見 表5。

表5 泥石流動(dòng)力學(xué)參數(shù)計(jì)算結(jié)果匯總表Table 5 Calculation of dynamic parameters of debris flows

4 結(jié) 論

(2)卓追溝、下季節(jié)海子溝、則查洼溝流域內(nèi)松散物源以溝內(nèi)的崩塌-碎屑流堆積物為主，并在此次泥石流過程中以“拉槽”的方式發(fā)生下切侵蝕破壞，具有局部陣發(fā)性及級(jí)聯(lián)潰決的特點(diǎn)，同時(shí)地震誘發(fā)了超過預(yù)估的泥石流物源動(dòng)儲(chǔ)量，并以更低的泥石流啟動(dòng)條件增大了此次泥石流事件造成的危害。

此次調(diào)查表明，九寨溝地震導(dǎo)致泥石流活動(dòng)更頻繁，規(guī)模更大，而暴發(fā)于2019年6月21日的泥石流表明九寨溝震區(qū)泥石流已進(jìn)入新的活躍期。此次泥石流活動(dòng)沖出物僅占總物源量的4.88%～13.61%，表明流域內(nèi)仍賦存有大量的松散物源，在一定降雨條件下，可能誘發(fā)更多數(shù)量及更大規(guī)模的泥石流災(zāi)害，未來3～5a內(nèi)仍將處于泥石流的高活躍期。