汶川強(qiáng)震區(qū)都江堰虹口小溝地震泥石流災(zāi)害調(diào)查研究

張惠惠 馬 煜 張健楠 李 麗 余 斌

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

2008年5月12日14點(diǎn)28分,四川龍門(mén)山及周邊地區(qū)發(fā)生8級(jí)強(qiáng)烈地震,震中位于汶川縣映秀鎮(zhèn),震中烈度達(dá)Ⅺ度。地震誘發(fā)了多處泥石流災(zāi)害,這類(lèi)由地震震動(dòng)誘發(fā)的泥石流體稱(chēng)為地震泥石流。地震泥石流特指在地震區(qū)內(nèi)由地震誘發(fā)形成的泥石流,主要分布在烈度≥Ⅶ度的地區(qū)[1]。地震泥石流絕大多數(shù)由暴雨激發(fā),但在同一地區(qū),激發(fā)泥石流的降雨條件在地震前后變化很大,地震后同樣的暴雨條件所激發(fā)泥石流不僅數(shù)量多,而且規(guī)模也明顯增大。按地震與泥石流暴發(fā)的時(shí)間順序,可以將地震泥石流分為同發(fā)型地震泥石流和后發(fā)型地震泥石流。同發(fā)型地震泥石流指在發(fā)生地震的同時(shí)暴發(fā)泥石流,如1970年5月31日秘魯發(fā)生強(qiáng)烈地震引發(fā)特大泥石流;1974年5月11日云南省永善-大關(guān)地區(qū)發(fā)生7.1級(jí)地震時(shí),長(zhǎng)房溝和馬家彎溝等處暴發(fā)了溝谷泥石流,小巖坊和蒿子壩等處暴發(fā)了坡面泥石流[2]。后發(fā)型地震泥石流指在發(fā)生地震后由暴雨、堰塞湖潰決等誘發(fā)因素激發(fā)產(chǎn)生的泥石流,如1858年飛驒-越中地震等都不同程度地激發(fā)了泥石流的強(qiáng)烈活動(dòng);1973年2月6日四川省爐霍地區(qū)發(fā)生7.9級(jí)地震,震區(qū)內(nèi)絕大多數(shù)的地震泥石流是地震后暴發(fā)的[1,2],即后發(fā)型地震泥石流。5.12汶川地震后在強(qiáng)震區(qū)內(nèi)2008年9月24日北川縣城附近的72條泥石流溝暴發(fā)泥石流[3],2009年7月17日都江堰虹口鄉(xiāng)暴發(fā)的小溝(圖1)和大干溝泥石流等,都是典型的后發(fā)型地震泥石流。

泥石流的發(fā)生由3個(gè)主要條件控制,物源、水源和溝床條件。地震后,這3個(gè)條件都發(fā)生了變化?；潞捅浪a(chǎn)生了大量的松散固體物質(zhì),且山坡植被受到破壞,強(qiáng)降雨時(shí)坡面徑流嚴(yán)重沖刷坡面,這都為泥石流的發(fā)生提供了更多的物源;而地震破壞了新老滑坡體的穩(wěn)定性,誘發(fā)滑坡產(chǎn)生堰塞湖,儲(chǔ)藏了更豐富的水源,極大地改變了流域內(nèi)的水源條件;在震區(qū)泥石流溝內(nèi),崩塌和滑坡束窄堵塞溝道,溝床條件發(fā)生變化,更容易匯水形成更強(qiáng)大的洪水進(jìn)而形成泥石流。地震是誘發(fā)滑坡災(zāi)害的動(dòng)力成因之一,強(qiáng)烈地震發(fā)生后,斜坡產(chǎn)生變形破壞,導(dǎo)致大面積山體失去原有的穩(wěn)定性和地裂縫,這又為孕育新的滑坡創(chuàng)造了條件。因此,在強(qiáng)震區(qū),地震后相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)期內(nèi),崩塌滑坡連綿不斷,滑坡的活動(dòng)尤為突出,在震后5～10 a泥石流活動(dòng)轉(zhuǎn)為旺盛[4],如西藏察隅地震后,古鄉(xiāng)溝自1953年暴發(fā)泥石流后40年內(nèi),間斷暴發(fā)特大、大、中、小規(guī)模不等的泥石流近 1 000次[5,6]。

圖1 四川都江堰虹口鄉(xiāng)小溝泥石流淤埋建筑物Fig.1 Buried buildings for Xiaogou gully debris flows in Dujiangyan,Sichuan

國(guó)內(nèi)外對(duì)地震泥石流的研究始于20世紀(jì)70年代初期,對(duì)于地震后泥石流活動(dòng)的研究主要以區(qū)域泥石流活動(dòng)規(guī)律研究為主。震后的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn),僅2008年雨季,在岷江干流就累計(jì)有12條溝暴發(fā)泥石流,地震后泥石流的暴發(fā)頻率和規(guī)模都在增加[7]。本文通過(guò)對(duì)2009年7月17日小溝地震泥石流的調(diào)查研究,分析小溝的典型地震泥石流的發(fā)生條件和特征,研究在強(qiáng)震作用下地震泥石流的活動(dòng)趨勢(shì),為強(qiáng)震區(qū)泥石流的預(yù)測(cè)、防災(zāi)減災(zāi)提供理論依據(jù)。

1 虹口鄉(xiāng)小溝流域概況

小溝位于四川省都江堰市虹口鄉(xiāng)八角廟村,屬于岷江支流白沙河左岸的一條支溝,距都江堰市區(qū)18.8 km。在地質(zhì)構(gòu)造方面,小溝流域地處北東向龍門(mén)山斷裂褶皺帶的東段,溝口恰好位于北東-南西向的映秀-北川斷裂帶上[8],并鄰近映秀斷裂。斷裂破碎帶寬100 m,由壓碎巖、糜棱巖、斷層泥組成。溝內(nèi)出露地層較為單一,主要為元古代晉寧-澄江期的第四期花崗巖和第三期的輝長(zhǎng)巖、閃長(zhǎng)巖,巖石類(lèi)型主要有鉀長(zhǎng)花崗巖、灰白色的斜長(zhǎng)花崗巖、和灰黑色的閃長(zhǎng)巖等。此外,尚有輝綠巖脈穿插發(fā)育于花崗巖中,屬硬質(zhì)巖地區(qū)。白沙河斷續(xù)發(fā)育有一級(jí)階地、二級(jí)階地,階地上堆積了第四系河流相堆積物和泥石流堆積物等。

小溝流域面積8.8 km2,主溝長(zhǎng)5.9 km,主溝平均縱比降為21.1% 。溝口海拔高度1 063 m,最高點(diǎn)海拔高度2 298 m,流域相對(duì)高差1 235 m。此流域主要由3條支溝組成,分別為小溝、死人溝和白果溝(圖2)。2009年7月17日小溝支溝死人溝和白果溝暴發(fā)了泥石流,發(fā)生泥石流的流域面積為0.8 km2。死人溝溝谷形態(tài)呈狹窄的“V”字形,形成區(qū)山坡平均坡度為 20°,溝長(zhǎng)1.7 km,最高點(diǎn)海拔高度1 685 m。白果溝長(zhǎng)度0.8 km,溝道平均縱比降39.1%,形成區(qū)為“V”字形溝谷。這次泥石流堆積區(qū)位于東經(jīng) 103°41′33.40″,北緯 31°09′8.86″,海拔高度 1 140 m 。

圖2 四川省都江堰小溝(部分)及支溝泥石流流域圖Fig.2 The drainage basin of Xiaogou gully(part)and its branch gully debris flow in Dujiangyan,Sichuan

虹口鄉(xiāng)屬于四川盆地亞熱帶濕潤(rùn)氣候區(qū)。區(qū)內(nèi)降水時(shí)間分布不均勻,降水主要集中在夏季,其中7月份降水量最大。多年平均降水量為1 225.7 mm,7月份平均降水量為237.3 mm。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)訪問(wèn)調(diào)查,小溝近100 a來(lái)未暴發(fā)過(guò)泥石流,為低頻率泥石流溝;只是在1958年和1983年的7月份發(fā)生過(guò)2次較大洪水,其降雨量和強(qiáng)度均大于2009年7月17日的降雨量和強(qiáng)度,洪水持續(xù)時(shí)間約2～3 h。據(jù)都江堰氣象站降水資料,2009年7月15～17日連續(xù)降雨,降雨量為21.6 mm,其中在17日的降雨量為15.3 mm(圖3);但根據(jù)汶川地震斷裂帶科學(xué)鉆探隊(duì)資料,虹口鄉(xiāng)17日凌晨3～6時(shí)降雨量達(dá)到220 mm,最大降雨量 134 mm/h,全天總降雨量達(dá) 336 mm[9]。小溝流域距都江堰市區(qū)18.8 km,激發(fā)泥石流點(diǎn)的高度比都江堰市區(qū)高了約1 000 m,因此,都江堰的降雨資料僅能參考;汶川地震斷裂帶科學(xué)鉆探隊(duì)降雨觀測(cè)點(diǎn)位于泥石流堆積區(qū),觀測(cè)的降雨資料更符合當(dāng)天的實(shí)際降雨情況。

圖3 四川都江堰氣象局2009年7月17日降雨資料Fig.3 Rainfall data on July 17,2009 from Dujiangyan meteorological station,Sichuan

2 地震泥石流災(zāi)害調(diào)查

小溝為低頻率泥石流溝,地處硬質(zhì)巖地區(qū),故形成泥石流的物源很少,需要很長(zhǎng)時(shí)間的積累[10]。地震前沒(méi)有大量滑坡活動(dòng),溝道內(nèi)僅有零星固體物質(zhì)存在,即使在1958年和1983年2次比2009年這次更大的降雨條件下該溝都沒(méi)有形成泥石流,說(shuō)明該溝的固體物質(zhì)積累在地震前很少,降雨只能引起洪水。

在2008年5.12汶川強(qiáng)震后,地震造成的大量滑坡為泥石流提供了豐富的物源,有的山體強(qiáng)烈變形后已非常松散,如果有適當(dāng)降雨激發(fā)就會(huì)引起整體下滑或局部崩塌至溝道,參與泥石流過(guò)程。2009年7月17日虹口地區(qū)強(qiáng)降雨,小溝于17日凌晨5點(diǎn)左右暴發(fā)泥石流,持續(xù)時(shí)間約40 min。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查,本次泥石流在死人溝和白果溝同時(shí)暴發(fā),小溝主溝沒(méi)有參與泥石流過(guò)程。該次泥石流為典型的后發(fā)型地震泥石流。

小溝內(nèi)3條支溝的不同地質(zhì)地形條件決定了這次小溝暴發(fā)泥石流的區(qū)域。小溝主溝上游溝道顆粒粒徑偏大,松散堆積物質(zhì)很少,小溝主溝溝道內(nèi)(堆積區(qū)上游)有巨石堆積(圖4),巨石處兩側(cè)山坡有少量松散坡面堆積物,斷面寬約13 m,縱坡8°,沿途兩岸多為基巖。因?yàn)樾现鳒蠝系纼?nèi)巨石林立,若有較大洪水或泥石流在上游形成,也很難沖出溝道,這也是2009年7月17日小溝泥石流中小溝主溝未暴發(fā)泥石流的原因。即使今后遭遇較大的降雨,小溝主溝也很難形成泥石流災(zāi)害。

圖4 小溝主溝溝道巨石Fig.4 The giant stones in the main channel of Xiaogou gully

白果溝支溝上游有大量的滑坡堆積物和已失去原有穩(wěn)定性的新老滑坡體。形成區(qū)溝道內(nèi)堆積物表面顆粒粒度偏小,粒徑多在10 cm左右(圖5,圖6),溝道斷面寬約 9 m,縱坡20°。目前在形成區(qū)溝谷的兩岸各有一滑坡,總量為0.6×104m3。其次上游沿岸還有一些小滑坡,加之下游的一些零星滑坡和崩坡積物,白果溝內(nèi)固體物質(zhì)總量達(dá)5.3×104m4。由于白果溝內(nèi)形成區(qū)物源豐富,溝床表面粗化層粒徑較小,坡度大,溝道窄,在中小規(guī)模降雨條件下,都很容易再次激發(fā)泥石流。

圖5 小溝泥石流顆粒分析曲線圖Fig.5 Grain size distributions of sediment particles in debris flows of Xiaogou gully

圖6 小溝支溝白果溝形成區(qū)Fig.6 The forming region of debris flow in the Baiguo branch gully of the Xiaogou gully

死人溝支溝形成區(qū)為3條小支溝匯合地,上游有2個(gè)跌水坎,且有巨石阻擋,形成窄口,易堵塞再發(fā)生潰決。跌水坎上游的右岸有滑坡活動(dòng),并參與了2009年7月17日的泥石流,也是下次泥石流活動(dòng)的重要形成因素。顆粒粒度較白果溝支溝粒度大,顆粒中徑20 cm左右(圖5,圖7)。溝道斷面寬約11 m,縱坡11°。形成區(qū)下段,右岸基巖裸露,有少量崩坡積物,左岸為松散坡積物并有2個(gè)較大滑坡,加上形成區(qū)上下游兩岸其他零星滑坡崩塌,死人溝內(nèi)的固體物質(zhì)總量約4.8×104m3。

從白果溝與死人溝交匯處到兩支溝匯入小溝主溝處為此次泥石流的流通區(qū)。流通區(qū)堆積大量物質(zhì),堆積厚度2 m左右,中段洪痕斷面為復(fù)式斷面,面積為19.2 m2,縱坡11°。2009年7月17日泥石流主要堆積區(qū)原為某單位的運(yùn)動(dòng)場(chǎng),坡度較緩,底坡僅為1.2°,因此堆積厚度很大,最大淤積厚度達(dá)5 m(圖8)。泥石流在堆積扇的總量為5.3×104m3,加上沖到下游的泥石流體(占總量的20%),本次泥石流的總量為6.6×104m3,屬中型泥石流。

圖7 小溝支溝死人溝形成區(qū)Fig.7 The forming region of debris flow in the Siren branch gully of Xiaogou gully

由于堆積區(qū)堆積厚度很大,發(fā)生溯源淤積,在流通區(qū)甚至形成區(qū)都堆積了大量的泥石流堆積物,總量1.3×104m3。故流域內(nèi)(白果溝和死人溝形成區(qū)固體物質(zhì)以及流通形成區(qū)的溝道堆積物)現(xiàn)有固體物質(zhì)總量達(dá)11.4×104m3,物源豐富,在較大的降雨條件下,足以再次暴發(fā)同樣規(guī)模泥石流。

圖8 小溝泥石流在運(yùn)動(dòng)場(chǎng)淤積Fig.8 The silted deposits of debris flow on the sports field of the Xiaogou gully

3 泥石流災(zāi)害特征

根據(jù)調(diào)查時(shí)在小溝的取樣(小樣),由顆粒分布曲線(圖5)可以計(jì)算出黏性泥石流的容重[11]

式中：γD為黏性泥石流容重;γV為黏性泥石流最小容重(2.0 g/cm3);γ0為泥石流最小容重(1.5 g/cm3);φ2為＞2 mm的粗顆粒的體積分?jǐn)?shù);φ05為＜0.05 mm的細(xì)顆粒的體積分?jǐn)?shù),計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 泥石流容重計(jì)算Table 1 Caculation of bulk densities of debris flows

表1中泥石流容重約為2.07 g/cm3,泥石流為黏性泥石流。

小溝支溝泥石流的流量和規(guī)?？梢酝ㄟ^(guò)對(duì)流通區(qū)和堆積區(qū)的調(diào)查計(jì)算得出。流通區(qū)中段測(cè)量的洪痕斷面為一復(fù)式斷面,各參數(shù)值如表2。

表2 洪痕斷面特征Table 2 Feature of the cross-section

3.1 流量計(jì)算

根據(jù)泥石流災(zāi)害防治工程勘察規(guī)范(DZ/T 0220-2006)[12]中關(guān)于黏性泥石流流速計(jì)算公式,綜合西藏古鄉(xiāng)溝、東川蔣家溝、武都火燒溝的通用公式

東川泥石流改進(jìn)公式

黏性泥石流運(yùn)動(dòng)平均速度計(jì)算公式[11]

式中：n為黏性泥石流的河床糙率,用內(nèi)插法查表(1/n=16);v為黏性泥石流斷面平均流速;r為水力半徑;I為泥石流表面(或溝床)縱比降;K為黏性泥石流流速系數(shù)(這里取值為10);g為重力加速度(9.81 m/s2);為泥石流泥沙顆粒中百分比＜50%的顆粒粒徑(流通區(qū)洪痕斷面泥石流沉積物=26 mm);為泥石流泥沙顆粒中百分比小于10%的顆粒粒徑(流通區(qū)洪痕斷面泥石流沉積物=0.15 mm)。

洪峰流量由洪峰流速和洪痕斷面面積計(jì)算

式中：A為泥石流洪峰斷面面積;Q為泥石流洪峰流量。

泥石流流速和流量的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 泥石流流速和流量的計(jì)算結(jié)果Table 3 Calculated results of velocities and discharges of debris flows in gullies

3種算法流速相差不大,公式(2)與(3)的適用范圍較窄;公式(4)的適用范圍較廣,更符合此次小溝支溝泥石流的流速計(jì)算,因此本文選擇公式(4)的計(jì)算結(jié)果。

3.2 泥石流總量計(jì)算

一次泥石流總量V可通過(guò)泥石流歷時(shí)(40 min)和最大流量Q,按泥石流暴漲暴落的特點(diǎn),將其過(guò)程線概化成五角形按下式計(jì)算[13]

式中：t為泥石流歷時(shí)。

因?yàn)楸敬文嗍鬟^(guò)程屬于潰決型泥石流,由于潰決型泥石流的峰值出現(xiàn)于過(guò)程線的開(kāi)端,因此泥石流總量的計(jì)算采用水量平衡原理分析出的概化過(guò)程線計(jì)算[14]

公式(6)和(7)計(jì)算的結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 小溝泥石流總量計(jì)算Table 4 Calculation of total volume of debris flows

公式(7)計(jì)算結(jié)果7.5×104m3與由現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的泥石流在洪痕斷面的下游沖出物體積6.6×104m3相差不大,因此公式(4),(5)和(7)計(jì)算的小溝支溝2009年7月17日泥石流的特征值較準(zhǔn)確,泥石流的洪峰流量為157 m3/s。

4 小溝泥石流發(fā)展趨勢(shì)

近100 a來(lái)小溝未發(fā)生泥石流,只發(fā)生過(guò)2次較大洪水,為低頻率泥石流溝,形成泥石流的固體物質(zhì)需要長(zhǎng)時(shí)間的積累。2008年5月12日的汶川大地震破壞了流域內(nèi)溝道兩岸的滑坡體的穩(wěn)定,在2009年7月17日強(qiáng)降雨誘發(fā)作用下滑入溝道,阻塞束窄溝道,后被強(qiáng)大的洪水沖開(kāi)潰決形成泥石流,屬于典型的后發(fā)型地震泥石流。小溝流域參與本次泥石流的僅有2條小支溝,面積較小,但是溝內(nèi)形成區(qū)坡度較大。除了在堆積區(qū)有大量的泥石流堆積物外,形成區(qū)和流通區(qū)也堆積了大量的泥石流沉積物。目前形成區(qū)仍有大量的滑坡和潛在不穩(wěn)定斜坡,可參與下次泥石流活動(dòng)的固體物質(zhì)總量有11.4×104m3,小溝具備足夠再次暴發(fā)同樣規(guī)模泥石流的物源條件。

2009年7月17日小溝泥石流之后,泥石流不僅在堆積區(qū)大量堆積,在流通區(qū)甚至形成區(qū)也堆積了大量的泥石流堆積物,這些泥石流堆積物可以成為下一次泥石流的固體物源,并且還會(huì)使泥石流運(yùn)動(dòng)堆積到更遠(yuǎn)的地區(qū),直接危害汶川地震斷裂帶科學(xué)鉆探2號(hào)鉆孔的安全。白果溝支溝形成區(qū)的顆粒粒度較小,坡度很大,溝道也很狹窄,很容易被洪水啟動(dòng),在中小降雨條件下也會(huì)形成小規(guī)模泥石流。

5.12 汶川地震時(shí)汶川縣的茶園溝由于強(qiáng)烈地震作用產(chǎn)生滑坡體堵塞溝道形成堰塞湖,目前已有不同程度的潰決?，F(xiàn)階段因堰塞湖潰決引發(fā)泥石流的危險(xiǎn)性比地震后剛形成堰塞湖時(shí)降低了,但是由于溝道內(nèi)的物源增多,茶園溝相比地震前發(fā)生泥石流的危險(xiǎn)性增大了[15]。同樣位于汶川縣的七盤(pán)溝由于地震作用山體崩塌阻塞溝道形成堰塞湖,由于其顆粒主要為大塊石灰?guī)r,堰塞湖的潰決條件很高,經(jīng)過(guò)兩個(gè)雨季基本沒(méi)有變化,因此該堰塞湖潰決形成泥石流的可能性較低。與茶園溝和七盤(pán)溝相比,小溝支溝在地震時(shí)沒(méi)有立即造成滑坡阻塞溝道,僅形成高危潛在滑坡體,在強(qiáng)降雨作用下形成滑坡并阻塞溝道,最終暴發(fā)泥石流。由于小溝是一條低頻率泥石流溝,很容易被人們忽略其危險(xiǎn)性[16],在5.12地震后又沒(méi)有發(fā)現(xiàn)流域內(nèi)的潛在滑坡體,2009年暴發(fā)的小溝泥石流具有一定的隱蔽性。這類(lèi)既是低頻率泥石流溝,又在地震后未發(fā)現(xiàn)流域內(nèi)滑坡的明顯活動(dòng),泥石流的活動(dòng)事前不易被發(fā)覺(jué),其危險(xiǎn)性更大。

5 結(jié)論

根據(jù)調(diào)查研究可以得出以下結(jié)論：

a.小溝為低頻率泥石流溝,由于汶川地震破壞了流域內(nèi)滑坡體的穩(wěn)定性,在2009年7月17日強(qiáng)降雨條件下滑坡體運(yùn)動(dòng)進(jìn)入溝道,在洪水沖刷下潰決進(jìn)而形成泥石流,屬于典型的后發(fā)型地震泥石流。

b.2009年7月17日泥石流暴發(fā)后的小溝流域內(nèi),在中小降雨條件下,以小顆粒為主的白果溝還有可能啟動(dòng),形成小規(guī)模泥石流;若再次遭遇強(qiáng)降雨,已活動(dòng)的滑坡體還會(huì)繼續(xù)運(yùn)動(dòng)至溝道內(nèi),阻塞溝道,并由洪水沖刷發(fā)生潰決,形成同樣規(guī)模的泥石流。

c.小溝泥石流溝為低頻泥石流溝,在5.12汶川地震時(shí)又沒(méi)有直接造成滑坡阻塞溝道,僅形成高危潛在滑坡體,未引起人們的注意,這次泥石流的暴發(fā)具有一定的隱蔽性。震后流域內(nèi)大量未運(yùn)動(dòng)至溝道內(nèi)的失穩(wěn)滑坡體,在強(qiáng)降雨條件下,還會(huì)運(yùn)動(dòng)至溝道中,形成泥石流。這種泥石流事前不易被發(fā)覺(jué),具有更大的危險(xiǎn)性。

致謝：本文的氣象資料由成都高原氣象所劉興華副研究員提供,在此表示衷心的感謝。

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