高家溝泥石流和深溪溝泥石流災(zāi)害特征*

郭曉軍，向靈芝，2，周小軍，2，楊偉，2

(1．中國(guó)科學(xué)院山地災(zāi)害與地表過(guò)程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/中國(guó)科學(xué)院·水利部成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所，四川成都610041;2．中國(guó)科學(xué)院研究生院，北京100049)

高家溝泥石流和深溪溝泥石流災(zāi)害特征*

郭曉軍1，向靈芝1，2，周小軍1，2，楊偉1，2

(1．中國(guó)科學(xué)院山地災(zāi)害與地表過(guò)程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/中國(guó)科學(xué)院·水利部成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所，四川成都610041;2．中國(guó)科學(xué)院研究生院，北京100049)

汶川地震之后，泥石流成為災(zāi)區(qū)最為嚴(yán)重的災(zāi)害類(lèi)型之一，直接影響到災(zāi)后重建和災(zāi)區(qū)人民的生命財(cái)產(chǎn)安全。對(duì)汶川地震災(zāi)區(qū)7月初群發(fā)性泥石流進(jìn)行野外考察，重點(diǎn)分析了高家溝和深溪溝兩條泥石流的成因和特征。高家溝為由滑坡崩塌體引起的土力類(lèi)粘性泥石流，容重約為2.07 g/cm3，總量超過(guò)30萬(wàn)m3，分三次間歇性匯入主河，并堵斷1/2河道，迫使岷江持續(xù)沖刷對(duì)岸路基，損毀213國(guó)道長(zhǎng)達(dá)400 m;深溪溝為山洪沖刷河道引起的水力類(lèi)稀性泥石流，容重約在1.44～1.58 g/cm3之間，流量約在160～180 m3/s之間。對(duì)不同的泥石流溝應(yīng)采用不同的防災(zāi)減災(zāi)措施，可有效降低泥石流災(zāi)害對(duì)人民生命財(cái)產(chǎn)的威脅。

泥石流;山洪;溝床比降;溝道起動(dòng);汶川地震災(zāi)區(qū)

0 引言

汶川地震導(dǎo)致大量的松散固體物質(zhì)的產(chǎn)生，為泥石流形成創(chuàng)造了豐富的物質(zhì)條件，地震之后幾年的降雨期間，汶川地震區(qū)出現(xiàn)了高頻群發(fā)性泥石流，導(dǎo)致大量人員傷亡和基礎(chǔ)設(shè)施損壞，對(duì)災(zāi)區(qū)城鎮(zhèn)、村莊以及各種交通設(shè)施、水利水電設(shè)施、通訊設(shè)施、旅游風(fēng)景區(qū)等都造成了極為嚴(yán)重的破壞。例如，岷江右岸的磨子溝在2008年雨季共計(jì)暴發(fā)了6次泥石流，沖毀溝口的213國(guó)道橋梁，淤埋國(guó)道80 m，還一度堵斷岷江干流，形成長(zhǎng)15 m，高約20 m的堰塞壩，回水淹沒(méi)上游的一碗水村，迫使災(zāi)民搬遷［1］。2010年8月，災(zāi)區(qū)再次群發(fā)泥石流，都江堰龍溪河流域有27條溝谷同時(shí)暴發(fā)泥石流，雖未造成大量的人員傷亡，大量的泥沙淤積在河道中，抬高河床，將龍池鎮(zhèn)至豬槽溝約10 km的龍溪河道淤高4～7 m，沿河兩岸新修的旅游設(shè)施與建筑物幾乎全部被毀，給災(zāi)后重建帶來(lái)了嚴(yán)重的影響。崔鵬等人曾預(yù)言災(zāi)區(qū)泥石流已經(jīng)進(jìn)入了泥石流的活躍期，將持續(xù)10～20 年［2－4］。

2011年雨季伊始，汶川地震災(zāi)區(qū)已經(jīng)多處暴發(fā)泥石流，其中7月3日高家溝泥石流擠壓岷江河道，致使河流沖毀213國(guó)道路基，阻斷通往汶川縣城的交通生命線;臥龍國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)管理局境內(nèi)遭受暴雨，河水猛漲致交通、通信、電力中斷，泥石流、山體滑坡等次生災(zāi)害多處發(fā)生，共造成6 000余人受困，形成了耿達(dá)電站、耿達(dá)鄉(xiāng)、研究中心、臥龍鎮(zhèn)等“孤島”;理縣、小金縣多處發(fā)生泥石流，阻斷國(guó)道317線，山洪、泥石流等次生災(zāi)害迫使近萬(wàn)名群眾轉(zhuǎn)移。

目前汶川地震災(zāi)區(qū)各溝的泥石流整體處于活躍期，地形、物源具備，在持續(xù)降雨或短時(shí)高強(qiáng)度暴雨誘發(fā)下，泥石流極易再次暴發(fā)［2－4］?，F(xiàn)場(chǎng)調(diào)查表明，在2011年7月1日－7月3日強(qiáng)降雨的沖擊下，各溝發(fā)生泥石流的成因和性質(zhì)各有不同，本文以汶川縣境內(nèi)高家溝和都江堰虹口鄉(xiāng)境內(nèi)深溪溝為例，研究泥石流基本特征和成因，并提出相應(yīng)的對(duì)策建議，為災(zāi)區(qū)泥石流的研究做出貢獻(xiàn)。

1 高家溝泥石流

1.1 研究區(qū)概況

高家溝是岷江右岸的一條支溝，位于都汶公路中段，地處岷江上游河谷，溝內(nèi)新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)活躍，活動(dòng)斷裂構(gòu)造變形復(fù)雜，巖性主要是花崗巖。高家溝位于川西多雨區(qū)和干旱河谷的過(guò)渡地帶，往南的映秀、漩口和紫坪鋪河谷地帶，屬山地亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū)，屬川西多雨中心，年降雨量達(dá)1 200 mm左右;以北的綿篪、威州鎮(zhèn)河谷地帶屬于暖溫帶大陸性半干旱季風(fēng)氣候區(qū)，氣候干燥，降水量少而集中，年降水量約500 mm左右，且以暴雨為主。高家溝流域面積約3.60 km2，溝長(zhǎng)約2.86 km，流域內(nèi)最高海拔2 858 m，溝口海拔1 020 m，平均坡度為427.4‰，泥石流流通區(qū)溝床比降約為184.5‰。

1.2 泥石流成因

(1)物源條件

受地震的影響，高家溝內(nèi)崩塌、滑坡較為發(fā)育，是本次泥石流物質(zhì)的主要來(lái)源。另外，據(jù)調(diào)查，自從2008年汶川地震以后，高家溝及其支溝每年都會(huì)暴發(fā)泥石流，但都不曾形成大規(guī)模的沖積物沖出溝口，因此流通區(qū)內(nèi)堆積了大量的固體物質(zhì)，也為本次泥石流提供了部分物源。

(2)地形條件

高家溝主溝和此次暴發(fā)泥石流的支溝溝谷形態(tài)呈漏斗型(圖1，圖2)，上游寬闊，下游束窄，此種地形較易匯集上游水土，在下游形成大規(guī)模泥石流。該流域山體陡峻，源區(qū)平均坡度均超過(guò)500‰，溝床比降約為460.4‰，進(jìn)入高家溝主溝之后，流通區(qū)的溝床比降為184.5%，為泥石流提供有利的動(dòng)力條件。另外，本次暴發(fā)泥石流的支溝距離溝口和岷江河道僅約700 m，減少了流量和動(dòng)力的沿程損失。

圖1 2011年7月3日高家溝泥石流示意圖

圖2 高家溝支溝泥石流

(3)水源條件

具備豐富的固體物質(zhì)與有利的地形條件后，強(qiáng)降雨是泥石流最重要的觸發(fā)因子。參考距離高家溝較近的綿篪鎮(zhèn)、漁子溪和映秀鎮(zhèn)等雨量站雨量資料，本輪降雨從2011年7月1日開(kāi)始，到7月3日泥石流暴發(fā)前的累計(jì)前期降雨充沛，如漁子溪和映秀站資料均顯示，到泥石流暴發(fā)前，累積降雨量都超過(guò)100 mm。該流域面積較小，坡度較大，受這些自然條件的影響，降雨迅速匯流。

1.3 泥石流形成過(guò)程與性質(zhì)

(1)從2011年7月1日開(kāi)始，都汶公路段遭受強(qiáng)降雨，至7月3日晚上22:00左右，本區(qū)累積降雨量已超過(guò)100 mm，在豐沛的前期降雨和本次降雨的誘發(fā)下，高家溝支溝內(nèi)發(fā)生大規(guī)模崩塌、滑坡，形成泥石流，因此，本次泥石流是由崩塌、滑坡引起的土力類(lèi)泥石流。本次暴發(fā)泥石流的支溝內(nèi)平均坡度大、溝床比降大、距離高家溝流域出口近，受這些地形條件的影響，泥石流迅速匯流，并快速?zèng)_出溝口，匯入岷江。

(2)溝內(nèi)流通區(qū)的溝床比降超過(guò)180‰，這造成泥石流的速度和沖擊力極大，泥石流的搬運(yùn)能力驚人，長(zhǎng)徑超過(guò)3 m的巨石在堆積扇上緣和溝道下游比比皆是(圖3)，圖4所示為本次泥石流的顆粒級(jí)配曲線，從圖中可以看出，泥石流的顆粒級(jí)配分布曲線“兩頭大，中間小”，呈典型的雙峰型，d＞2 mm的顆粒占50.2%，d＜0.05 mm的顆粒占18.9%，粗細(xì)顆粒相差懸殊，結(jié)合泥石流現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，確定本次泥石流為高容重粘性泥石流。泥石流的容重采用式(1)來(lái)計(jì)算［5］，計(jì)算結(jié)果為2.07 g/cm3。

式中:γD表示計(jì)算的泥石流容重，單位為g/cm3;P0.05表示小于0.05mm的細(xì)顆粒的百分含量，此處用小數(shù)表示;P2表示大于2 mm的粗顆粒的百分含量，用小數(shù)表示;γV表示粘性泥石流的均值容重，取2.0 g/cm3;γ0表示泥石流的最小容重，取1.5 g/cm3。

圖3 高家溝泥石流中的大石塊

(3)通過(guò)形態(tài)調(diào)查法［6］計(jì)算分析，在溝口斷面，本次泥石流的峰值流量約為273m3/s，最大流速為12.07 m/s。泥石流從7月3日22:00左右開(kāi)始，至7月4日04:00結(jié)束，分三次呈間歇性匯向岷江，形成長(zhǎng)約250 m，寬約400 m，平均高度約5～6 m的堆積扇，并持續(xù)擠壓河道，使得岷江持續(xù)沖刷左岸路基，最終毀壞213國(guó)道路基長(zhǎng)達(dá)400 m，中斷交通16 d。

圖4 高家溝泥石流顆粒級(jí)配曲線

(4)受汶川地震的影響，高家溝內(nèi)崩塌、滑坡、不穩(wěn)定邊坡較為發(fā)育，地震之后，每年都會(huì)暴發(fā)泥石流，仍屬于降雨控制型泥石流溝，因此，在強(qiáng)降雨的沖擊下，主溝或者支溝極易再次暴發(fā)泥石流。另外，泥石流沿著高家溝左側(cè)溝道匯入岷江，并持續(xù)沖刷溝道，帶走大量溝床固體物質(zhì)，而右側(cè)河道中固體物質(zhì)依然存在在下一次強(qiáng)降雨中起動(dòng)的可能性(圖5)，據(jù)估計(jì)，該溝流通區(qū)(圖1)面積約為0.85 km2，固體儲(chǔ)量超過(guò)50萬(wàn)m3。

2 深溪溝泥石流

2.1 研究區(qū)概況

深溪溝位于四川省都江堰市虹口鄉(xiāng)，溝口地理坐標(biāo) 103°37'39.362″E，31°5'35.557″N，是岷江支流白沙河右岸的一條支溝。深溪溝位于龍門(mén)山構(gòu)造帶中南段，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，溝內(nèi)出露的巖性主要是中元古代花崗巖，部分地區(qū)出露有震旦系的灰?guī)r、粉砂巖和砂礫巖。流域面積約23.3 km2，主溝長(zhǎng)度約10.35 km，最高海拔2 900 m，溝口海拔890 m，相對(duì)落差達(dá)2 010 m。本研究區(qū)內(nèi)降雨充沛，多年平均降水量超過(guò)1 200 mm，但季節(jié)分配不均。從2011年6月30日起，都江堰虹口鄉(xiāng)遭受長(zhǎng)時(shí)間降雨，7月1日，深溪溝暴發(fā)大規(guī)模山洪，進(jìn)而引發(fā)泥石流(圖6，圖7，圖8)。山洪泥石流多處中斷、毀壞溝內(nèi)道路，迫使大量群眾轉(zhuǎn)移，嚴(yán)重威脅當(dāng)?shù)厝嗣竦纳睢?/p>

圖5 高家溝溝口

圖6 深溪溝泥石流示意圖

圖7 溝內(nèi)被沖倒的電線桿

圖8 溝內(nèi)原來(lái)的道路變成現(xiàn)在的河道

2.2 泥石流成因

(1)物源條件

汶川地震造成在坡面上產(chǎn)生大量的固體松散物質(zhì)，在強(qiáng)降雨的作用下，多次形成泥石流，如2010年8月14日強(qiáng)降雨造成該溝大規(guī)模泥石流。由于溝道較長(zhǎng)，因此以前的泥石流沿程堆積，經(jīng)過(guò)洪水和雨水沖刷，形成以粒徑大于2 mm的顆粒為主的沿途堆積物，這些固體物質(zhì)是本次泥石流的主要固體物質(zhì)來(lái)源。

(2)地形條件

深溪溝流域平均坡度約293.5‰，流域上游平均坡度達(dá)431.5‰，清水匯流區(qū)面積為20.16 km2，流通區(qū)的平均溝床比降約為64.8‰。

2.3 泥石流性質(zhì)與形成過(guò)程

2008年地震之后，深溪溝曾多次暴發(fā)泥石流，在溝道內(nèi)遺留了大量的固體松散物質(zhì)。根據(jù)野外實(shí)地考察和當(dāng)?shù)厝罕姺磻?yīng)，7月1日，在強(qiáng)降雨作用下，深溪溝流域形成山洪，進(jìn)入流通區(qū)之后帶走沿途豐富的固體物質(zhì)，進(jìn)而形成泥石流，所以本次泥石流為水力類(lèi)的稀性泥石流。

為了詳細(xì)說(shuō)明本次泥石流的形成及運(yùn)動(dòng)過(guò)程，在溝內(nèi)選擇三個(gè)典型斷面進(jìn)行測(cè)量(斷面形狀見(jiàn)圖9)，分別確定山洪和泥石流的過(guò)流量，同時(shí)通過(guò)計(jì)算來(lái)確定泥石流的容重和泥石流的性質(zhì)。示意圖見(jiàn)圖9。

斷面1:

斷面2:

斷面3:

圖9 深溪溝斷面示意圖

斷面1位于清水匯流區(qū)末端，斷面1以下無(wú)徑流匯入，斷面2和斷面3位于泥石流流通區(qū)，根據(jù)當(dāng)?shù)厝罕娞峁┑男畔ⅲ瑪嗝?為山洪斷面，斷面2和斷面3為泥石流斷面，因此，對(duì)斷面1用水力學(xué)公式進(jìn)行流速計(jì)算，而對(duì)斷面2和斷面3，選擇鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司［7－9］的稀性泥石流流速經(jīng)驗(yàn)公式(式(2))來(lái)計(jì)算本次泥石流的流速和流量，對(duì)于稀性泥石流暴發(fā)之后的野外調(diào)查來(lái)說(shuō)，很難準(zhǔn)確估計(jì)固體顆粒的體積濃度Sv，因此分別計(jì)算體積濃度Sv為0.2、0.3、0.4時(shí)本次泥石流的流速和流量。

式中:h為水深(m);J為溝床比降;a是修正系數(shù)，可以用表1查出，計(jì)算結(jié)果為:斷面1流速Uc=12 m/s，洪峰流量為120 m3/s;斷面2和斷面3流速和流量見(jiàn)表2。

表1 泥石流體積比濃度Sv與修正系數(shù)a的關(guān)系

表2 深溪溝不同體積比濃度下的流速和流量

由表2中流量計(jì)算結(jié)果再反求固體濃度，結(jié)果表明，在在0.2～0.3之間時(shí)，反求的結(jié)果與假設(shè)的結(jié)果相符。因此，可確定本次泥石流是由山洪沖刷溝道內(nèi)固體物質(zhì)形成的水力類(lèi)稀性泥石流，固體物質(zhì)體積濃度在0.2～0.3之間，泥石流流速在5～6 m/s之間，流量在160～180 m3/s之間，密度在1.44～1.58 g/cm3之間。另外，本次泥石流之后，溝道內(nèi)依然有大量的固體松散物質(zhì)存在，據(jù)估計(jì)，深溪溝溝道內(nèi)流通區(qū)面積約為3.14 km2，動(dòng)土儲(chǔ)量超過(guò)60萬(wàn)m3。

3 泥石流防治建議

對(duì)于災(zāi)區(qū)泥石流溝來(lái)說(shuō)，防治工程的作用顯著，2010年8月，都江堰市龍池鎮(zhèn)27條泥石流溝群發(fā)，使主溝內(nèi)房屋幾乎全部被毀壞，重創(chuàng)當(dāng)?shù)芈糜螛I(yè)，泥石流在溝口形成了大規(guī)模的堆積扇區(qū)，淤積至龍溪河口，導(dǎo)致溝口處多戶(hù)居民房屋嚴(yán)重?fù)p毀，大量群眾被轉(zhuǎn)移，造成了重大的經(jīng)濟(jì)損失。2011年在強(qiáng)降雨的影響下，山洪危害依舊巨大，沖毀南苑橋，但在防治工程的作用下，幾乎無(wú)泥石流暴發(fā)。

依據(jù)泥石流的危險(xiǎn)性和被保護(hù)對(duì)象的重要程度，建議對(duì)不同的流域采用不同的減災(zāi)防災(zāi)方案。如，對(duì)于深溪溝等以溝道物質(zhì)起動(dòng)為特點(diǎn)的流域，在河床內(nèi)修建谷坊壩，抬高河床，降低溝床比降即可減緩泥石流災(zāi)害。對(duì)于高家溝這種面積小，坡降大，崩塌、滑坡豐富的流域，除了應(yīng)在泥石流流通區(qū)和物源區(qū)修建谷坊壩以控制物源，穩(wěn)定溝床意外，還應(yīng)該在在溝口采用排導(dǎo)措施，以規(guī)范泥石流流向，減小泥石流溝與主溝的入?yún)R角，避免堵河。

4 結(jié)論

在分析高家溝泥石流流域特征和形成條件的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)對(duì)泥石流的容重、流量和形成過(guò)程進(jìn)行分析:

(1)高家溝泥石流為豐富的前期降雨和當(dāng)次降雨共同作用，導(dǎo)致支溝內(nèi)發(fā)生滑坡、崩塌而引發(fā)的粘性泥石流，容重約為2.07 g/cm3，分三次間歇性匯向岷江，最大峰值流量為273 m3/s，沖出固體物質(zhì)總量超過(guò)30萬(wàn)m3，持續(xù)擠壓河道，致使岷江左側(cè)不斷沖刷，并最終沖毀213國(guó)道路基。

(2)深溪溝泥石流為山洪沖刷溝道內(nèi)固體物質(zhì)而形成的稀性泥石流，泥石流流速在5～6 m/s之間，容重在1.44～1.58 g/cm3之間，泥石流流量約在160～180 m3/s之間。

(3)高家溝內(nèi)仍有大量的崩塌、滑坡和不穩(wěn)定邊坡，仍屬于降雨控制型泥石流溝。另外，由于受地震和震后泥石流的影響，高家溝和深溪溝溝道內(nèi)都有大量的松散物質(zhì)，在有充足降雨的情況下，極有可能再次暴發(fā)較大的泥石流。

［1］莊建琦．汶川震后孕災(zāi)環(huán)境下泥石流形成機(jī)理試驗(yàn)研究［D］．成都:中國(guó)科學(xué)院成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所，2011．

［2］崔鵬，韋方強(qiáng)，何思明，等．5·12汶川地震誘發(fā)的山地災(zāi)害及減災(zāi)措施［J］．山地學(xué)報(bào)，2008，26(3):280－282．

［3］Cui Peng，Chen Xiaoqing，Zhu Yinyan，et al．The Wenchuan Earthquake(May 12 2008)，Sichuan Province，China，and Resulting Geohazards［J］．Nat Hazards，2009，DOI0.1007/s11069－009－9392－1．

［4］謝洪，鐘敦倫，矯震，等．2008年汶川地震重災(zāi)區(qū)的泥石流［J］．山地學(xué)報(bào)，2009，27(4):501－509．

［5］余斌．根據(jù)泥石流沉積物計(jì)算泥石流容重的方法研究［J］．沉積學(xué)報(bào)，2008，26(5):789－796．

［6］國(guó)土資源部．DZ/T0220－200泥石流災(zāi)害防治工程勘查規(guī)范［S］．北京:國(guó)土資源部，2006

［7］費(fèi)祥俊，舒安平．泥石流運(yùn)動(dòng)機(jī)理與災(zāi)害防治［M］．北京:清華大學(xué)出版社，2004:114－116．

［8］康志成，李焯芬，馬藹乃，等．中國(guó)泥石流研究［M］．北京:科學(xué)出版社，2004:111－114．

［9］鐵道部第三設(shè)計(jì)院．鐵路設(shè)計(jì)手冊(cè)(橋涵水文)［M］．北京:人民鐵道出版社，1965:90－232．

Research on the Debris Flow Hazards in Gaojia Gully and Shenxi Gully in 2011

Guo Xiaojun1，Cui Peng1，Xiang Lingzhi1，2，Zhou Xiaojun1，2and YangWei1，2
(1．Key Laboratory of Mountain Hazards and Land Surface Progress/Institute of Mountain Hazards and Environment，CAS，Chengdu 610041，China;2．Graduate University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China)

Debris flows have become one of themost disastrous natural disasters in Wenchuan earthquake hit area since 2008，which have affected the re-construction and threatened lives and properties of local people．Field investigation on the July 3 group debris flows in 2011 ismade in this area and debris flow parameters，formation conditions and processes in Gaojia Gully and Shenxi Gully are analyzed respectively．Gaojia Gully debris flow is a gravity viscous debris flow and formed by rock avalanches and landslides in the branch gully．It rushed into Minjiang River intermittently for three times，with a density of around 2.07 g/cm3and total amountabout300 thousands cubicmeters．The debris flow blocked half of Minjiang River，squeezed it constantly and finally damaged the national highway 213 for 400 m．Shenxi Gully debris flow was induced by hydraulic non-cohesive debris flow caused bymountain torrent and its bulk density is between 1.44～1.58 g/cm3．Its discharge is between 160－180 m3/s．Taking different controlmeasures according to different debris flow characteristics can effectively reduce the threat of debris flows on people's lives and property．

debris flow;mountain torrent;slope gradient;initiation;Wenchuan earthquake

TU457

A

1000－811X(2012)03－0081－05

2012－01－17

2012－02－24

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究(“九七三”)項(xiàng)目(2011CB409902);國(guó)家自然科學(xué)基金(40801009)

郭曉軍(1985－)，男，山西運(yùn)城人，碩士，研究實(shí)習(xí)員，主要研究方向?yàn)樯降厮膶W(xué)和泥石流．E-mail:sblong2003@yahoo.com.cn