都江堰市龍池鎮(zhèn)“8·13”蜂桶巖泥石流災(zāi)害特征

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(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(duì)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(diǎn)，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(duì)岸民房（圖2）。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)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(diǎn)［1－4］，有至少5～10 a的相對(duì)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(duì)較大，研究其形成條件和暴發(fā)特征對(duì)深入認(rèn)識(shí)地震災(zāi)區(qū)泥石流災(zāi)害特點(diǎn)有重要意義。本文根據(jù)“8·13”蜂桶巖泥石流的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查資料和室內(nèi)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析了災(zāi)害的形成背景、成災(zāi)條件及特點(diǎn)，計(jì)算了泥石流容重、屈服應(yīng)力、流量、沖出物總量等靜動(dòng)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(duì)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(jí)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(tái)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(gè)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(duì)集中、雨強(qiáng)大、暴雨頻率高等特點(diǎn)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(duì)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(cè)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(shì)相對(duì)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(shí)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(cè)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(jì)降雨量見圖4。蜂桶巖泥石流大約于8月13日16：00時(shí)開始，持續(xù)時(shí)間約40min。根據(jù)圖4，蜂桶巖泥石流發(fā)生時(shí)的1h降雨量為53.8mm（16：00時(shí)），此次降雨過程的最大1h降雨量為55.8mm（17：00時(shí)），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(shí)間降雨量和累計(jì)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(jì)算手冊(cè)》［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。“5·12”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(gè)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(dòng)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(dòng)，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(duì)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(duì)高差約120m，平均坡度22°，最大坡度約33°。相對(duì)高陡的地形為匯水提供了強(qiáng)大的水動(dòng)力條件，也為崩滑體松散堆積物的運(yùn)動(dòng)提供了充足的動(dòng)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(shí)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(shì)相對(duì)下凹處向溝下游流動(dòng)，并在流動(dòng)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(shì)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(dòng)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(dòng)，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(dòng)，且在運(yùn)動(dòng)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(duì)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(dòng)過程中侵蝕溝道的侵蝕物質(zhì)。“8·13”蜂桶巖泥石流具有流通區(qū)較短、發(fā)生隱蔽、沖出量相對(duì)較大的特點(diǎn)。本文資料現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查時(shí)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(shí)驗(yàn)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(chǎng)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(shí)際泥石流容重值按公式（1）計(jì)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(jì)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(chǎng)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(shí)類型，因?yàn)榧词故峭荒嗍鞯哪嗍魅葜匾矔?huì)受取樣地點(diǎn)和部位的影響而不同，甚至可能會(huì)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(shí)驗(yàn)分析，小樣容重相比于更接近實(shí)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(duì)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(jì)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(duì)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(jì)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(dòng)力學(xué)參數(shù)

泥石流運(yùn)動(dòng)速度和流量采用泥痕法計(jì)算。

在蜂桶巖泥石流溝流通區(qū)較順直的溝道處選取1個(gè)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(dòng)速度是泥石流動(dòng)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(dòng)平均速度的通用計(jì)算公式計(jì)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(dòng)水力半徑，r＝1.03m；I為黏性泥石流運(yùn)動(dòng)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(jì)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(jì)算結(jié)果見表1。

泥石流總體積計(jì)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(shí)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(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)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(dòng)坡體上部分松散固體物質(zhì)沿地勢(shì)下凹處向下流動(dòng)，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(dòng)形成泥石流，并在運(yùn)動(dòng)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(duì)于0.3km2的流域面積，“8·13”蜂桶巖泥石流沖出物總量相對(duì)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(huì)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(xiǎn)，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(píng)價(jià)工作有待完善和加強(qiáng)，對(duì)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(diǎn)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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