強(qiáng)震區(qū)小流域泥石流發(fā)育特征研究——以四川省綿竹市羅家溝泥石流為例①

梁京濤，唐 川，王 軍，常 鳴

(1．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，四川成都610059;2．四川省地質(zhì)調(diào)查院，四川成都610081)

汶川地震后，流域內(nèi)發(fā)育的崩塌、滑坡為泥石流的活動(dòng)提供了豐富的松散固體物質(zhì)來源，使泥石流成為震后最為活躍的災(zāi)害，泥石流頻發(fā)給災(zāi)區(qū)重建和人民生活帶來嚴(yán)重威脅［1-4］。在這些泥石流中，小流域泥石流往往因流域面積小，常被人們忽略或未引起足夠的重視，卻造成較大災(zāi)害損失。研究表明［5-6］小流域泥石流暴發(fā)大規(guī)模及活動(dòng)特征，與流域內(nèi)豐富的物源條件和溝道堵塞的嚴(yán)重程度有關(guān)。在2010年“8．13”泥石流災(zāi)害中，羅家溝一次泥石流沖出總量達(dá)30萬(wàn)m3［7］，而羅家溝流域面積僅1．4 km2。本文在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查的基礎(chǔ)上，結(jié)合震后航空影像和“8．13”泥石流災(zāi)后無(wú)人機(jī)航空影像，分析了羅家溝泥石流溝的成因;討論了其形成、運(yùn)動(dòng)及堆積過程，并對(duì)其力學(xué)特征進(jìn)行了計(jì)算，為今后此類小流域泥石流災(zāi)害的預(yù)測(cè)和防治提供了參考。

1 羅家溝流域概況

羅家溝位于四川省綿竹市西北部清平場(chǎng)鎮(zhèn)北，溝口地理坐標(biāo)為 31°33′56．1″N，104°07′03．5″E。流域東西長(zhǎng) 2．55 km，南北寬 0．96 km，面積 1．4 km2。該溝在區(qū)域構(gòu)造上位于揚(yáng)子準(zhǔn)地臺(tái)四川臺(tái)地向斜西北部［8］，屬四川盆地西北部的龍門山推覆構(gòu)造帶前緣，溝口距離陳家坪-白云山斷裂(映秀-北川斷裂)不足1 km。受斷裂活動(dòng)影響，該處巖石破碎，出露地層由上往下依次為石炭系總長(zhǎng)溝組第一段(Cz1)，泥盆系上統(tǒng)沙窩子組(Ds)，泥盆系中統(tǒng)觀霧山組第二段(Dg2)，寒武系磨刀埡組(∈m)，寒武系清平組第三段(∈qp3)，巖性為灰?guī)r、白云巖及砂巖、粉砂巖。據(jù)震后修改的《中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》，羅家溝流域所處區(qū)域處于極震區(qū)內(nèi)，地震烈度高達(dá)Ⅺ度。

汶川地震之前，羅家溝未發(fā)生過泥石流;汶川地震當(dāng)時(shí)，也沒有激發(fā)泥石流。但地震使羅家溝中上游誘發(fā)大量崩塌、滑坡并堆積于溝道內(nèi)，使其成為一條潛在泥石流溝。并分別于2008年9月24日和2010年8月13日爆發(fā)兩次較大規(guī)模泥石流，造成嚴(yán)重?fù)p失。

表1 羅家溝支溝基本特征統(tǒng)計(jì)表

2 泥石流成因分析

2.1 降雨條件

根據(jù)設(shè)置在天池鄉(xiāng)雨量站的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，在“8．13”泥石流發(fā)生前的半個(gè)月時(shí)間內(nèi)，未發(fā)生泥石流，但前期累積雨量達(dá)到207 mm。2010年8月13日凌晨，羅家溝流域雨強(qiáng)達(dá)到70 mm/h，大規(guī)模泥石流暴發(fā)。羅家溝泥石流是前期累計(jì)雨量和短時(shí)強(qiáng)降雨共同作用的結(jié)果，對(duì)于震后羅家溝而言，短時(shí)強(qiáng)降雨對(duì)于泥石流的形成起著至關(guān)重要的作用。

2.2 地形條件

羅家溝流域溝谷呈V型，縱坡比降大，上游段及溝源處比降多在700‰以上。該溝由一條主溝和2條較大的支溝組成(表1)，溝內(nèi)兩側(cè)山體坡陡，＞35°的急陡坡占流域面積的57．86%，流域上游海拔1 700～1 900 m處為一陡崖，接近臨空;流域最高處海拔2 240 m，溝口海拔920 m，相對(duì)高差達(dá)1 320 m，巨大的地形高差使處于坡面和溝床內(nèi)的松散堆積物擁有較大的勢(shì)能，同時(shí)這種陡峻地形條件利于雨水的快速匯集，為泥石流提供動(dòng)力條件。

2.3 物源條件

受汶川地震影響，溝內(nèi)崩塌、滑坡異常發(fā)育。通過遙感解譯和野外實(shí)地調(diào)查，羅家溝流域內(nèi)物源分布呈現(xiàn)出以下特點(diǎn):①崩塌滑坡同時(shí)發(fā)育且發(fā)育數(shù)量多，分布面積大;②流域內(nèi)植被破壞嚴(yán)重，32%區(qū)域由植被覆蓋區(qū)轉(zhuǎn)化為巖土體裸露區(qū);③溝道物源集中分布在流域主溝道上游，高程范圍在1 100～1 700之間，溝道內(nèi)松散堆積堵塞溝谷，對(duì)泥石流規(guī)模起了間接放大作用。

通過對(duì)2008年5月18日拍攝的0．5 m分辨率的航空?qǐng)D像(圖1)進(jìn)行解譯，流域內(nèi)發(fā)育大小規(guī)模滑坡體共13處，滑坡面積為4．67×104m2，厚度變化較大，從3 m到20 m不等，估算滑坡體積可達(dá)55×104m3;發(fā)育大小崩塌56處，面積為33．98×104m2，平均厚度1～2 m左右，估算崩塌體積可達(dá)70×104m3;解譯溝道內(nèi)較大規(guī)模松散堆積9處，面積為6．23×104m2，厚度5～8 m不等，估算松散堆積物源方量31×104m3;由此估算流域內(nèi)物源總方量約156×104m3，流域內(nèi)豐富的物源是羅家溝發(fā)生泥石流災(zāi)害的根本原因。

圖1 航空影像遙感解譯(拍攝日期:2008年5月18日)

3 泥石流形成、運(yùn)動(dòng)及堆積特征

羅家溝流域從2010年8月12日午后開始降雨，16-18時(shí)轉(zhuǎn)為大雨，而后18-24時(shí)一直為小雨，8月13日零時(shí)開始，轉(zhuǎn)為大雨。據(jù)溝口鹽井村4組居民付世秀回憶，當(dāng)晚12:13分繡花結(jié)束后，剛剛上床休息，便聽到隆隆之聲，地面微微顫抖，起身后發(fā)現(xiàn)大量泥漿奔涌而下，部分已經(jīng)涌入家中，待其下樓時(shí)，屋內(nèi)泥石流已經(jīng)淤積約0．5 m深，無(wú)奈從鄰居家逃出一劫。在此期間泥石流與洪水流量呈很好的相關(guān)性，以陣流的形式一直持續(xù)到02:30分，水量減少，泥石流隨之結(jié)束。家住流域上游的鹽井村5組村民謝喜昌和鹽井村4組的馬亭員也回憶了泥石流發(fā)生時(shí)的情況，羅家溝先是主溝發(fā)生泥石流，0．5 h后支溝謝家溝也暴發(fā)泥石流，付家坡溝發(fā)生泥石流的時(shí)間要晚40 min左右，整個(gè)泥石流大概持續(xù)到2:30結(jié)束。因此，羅家溝泥石流發(fā)生的時(shí)間應(yīng)該在2010年8月13日00:15-02:30左右。圖2為2010年8月12日羅家溝泥石流發(fā)生后無(wú)人機(jī)航空影像。

羅家溝泥石流起動(dòng)首先是流域上游主溝溝道內(nèi)堆積的松散堆積體，形成山洪、泥石流過程。根據(jù)對(duì)泥石流溝上游物源區(qū)調(diào)查，泥石流起動(dòng)發(fā)生在海拔1 500 m～1 700 m處，海拔1 700 m處為鏈子崖斷層，該處上方地形陡峻，斜坡表面形成的水流經(jīng)200 m落差的急劇加速后，強(qiáng)烈沖刷溝道內(nèi)的松散物質(zhì)，受其影響，溝道內(nèi)物質(zhì)快速啟動(dòng)形成泥石流。在運(yùn)動(dòng)過程中主溝道內(nèi)的崩滑堆積體及其它松散固體物質(zhì)對(duì)泥石流運(yùn)動(dòng)造成堵塞，局部潰決后對(duì)泥石流規(guī)模間接放大，進(jìn)而攜帶更多的物質(zhì)向下游運(yùn)動(dòng)。泥石流運(yùn)動(dòng)至溝口處，由于瞬間堆積范圍擴(kuò)大，運(yùn)動(dòng)速度降低，使得物質(zhì)大量堆積，形成了長(zhǎng)440 m、最大寬度500 m、總面積為9．88×104m2的堆積扇。泥石流形成的堆積扇導(dǎo)致綿遠(yuǎn)河約200米寬的河道全部淤滿，堵斷河道，河水水位上漲。

根據(jù)該地區(qū)汶川震后2010年9月24日泥石流發(fā)生之前1:2 000地形圖和“8．13”泥石流后測(cè)繪的1:2 000地形圖，可以算出“8．13”泥石流后，羅家溝堆積區(qū)(綿遠(yuǎn)河河床)地形高度平均升高了8．4 m;采用Arcgis軟件對(duì)前后兩個(gè)DEM(圖3)進(jìn)行計(jì)算，堆積區(qū)共增加了83萬(wàn)m3堆積物(部分來源于綿遠(yuǎn)河上游泥石流溝)。如此大方量的堆積和河床快速抬升，說明汶川地震后，該地區(qū)泥石流異?；钴S且具有極強(qiáng)的搬運(yùn)能力，同時(shí)也說明汶川地震后泥石流在主河河床演變中起著重要作用。

圖2 無(wú)人機(jī)航空影像遙感解譯(拍攝日期:2010年11月23日)

圖3 羅家溝堆積區(qū)數(shù)字高程模型 (左:震后DEM，中:“8．13”后DEM，右:前后DEM變化)

圖4 顆粒分布曲線

表2 泥石流容重計(jì)算

4 泥石流力學(xué)特征

4.1 泥石流容重

根據(jù)調(diào)查時(shí)在羅家溝的取樣實(shí)驗(yàn)分析，繪制出泥石流堆積物顆粒分布曲線(圖4)，利用余斌(2008)提出粘性泥石流容重公式(1)［9］，對(duì)羅家溝泥石流的容重進(jìn)行計(jì)算:

式中:γD=粘性泥石流容重(g/cm3);γV=粘性泥石流最小容重(=2．0 g/cm3);γ0=泥石流最小容重(=1．5 g/cm3);P2≥2 mm的粗顆粒百分含量(小數(shù)表示);P05≤0．05 mm的粗顆粒百分含量(小數(shù)表示)。計(jì)算結(jié)果見表2。

野外調(diào)查時(shí)，筆者對(duì)羅家溝溝口段進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)取樣，并詢問曾見過泥石流發(fā)生性狀的村民，通過計(jì)算，羅家溝主溝泥石流重度為2．04 g/cm3，考慮到實(shí)際操作和取樣時(shí)存在誤差，實(shí)際容重值采用二者平均值 2．12 g/cm3，羅家溝“8．13”泥石流為粘性泥石流。

4.2 泥石流流量

本文按照雨洪法對(duì)其流量進(jìn)行計(jì)算。該方法假設(shè)泥石流與暴雨同頻率且同步發(fā)生，先按照水文方法計(jì)算出斷面不同頻率下小流域暴雨洪峰流量，然后選用堵塞系數(shù)，按式(2)計(jì)算泥石流流量［10］:

式中:QC為頻率為P的泥石流洪峰值流量(m3/s);QB為頻率為P的暴雨洪水設(shè)計(jì)流量(m3/s);DC為泥石流堵塞系數(shù)，此處取值2;φ為泥石流泥沙修正系數(shù)，此處取2．8;計(jì)算所得泥石流最大流量如表3所示。

表3 泥石流洪峰流量計(jì)算結(jié)果

4.3 一次泥石流過程總量

一次泥石流總量Q按泥石流暴漲暴落的特點(diǎn)，將其過程線概化成五角形，按式(3)計(jì)算［10］

一次泥石流沖出的固體物質(zhì)總量QH(m3)按式(4)計(jì)算:

式中:T為泥石流持續(xù)時(shí)間(=8 100 s)。

根據(jù)天池鄉(xiāng)雨量站的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，羅家溝“8．13”泥石流降雨強(qiáng)度為5年一遇，計(jì)算結(jié)果(表4)表明在5年一遇情況下，一次泥石流沖出總量為21．1萬(wàn)方，10年一遇情況下為33．6萬(wàn)方。對(duì)比實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，羅家溝“8．13”泥石流一次沖出總量為 30．2 萬(wàn) m3［7］，說明實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)值接近羅家溝10年一遇情況下的理論計(jì)算值。這表明雨洪法計(jì)算結(jié)果偏小于實(shí)測(cè)數(shù)值，究其原因應(yīng)該與地震后流域內(nèi)物源豐富、溝道堵塞較為嚴(yán)重情況有關(guān)。

表4泥石流一次過程總量及固體物質(zhì)沖出量計(jì)算結(jié)果

5 結(jié)論

(1)羅家溝泥石流物源豐富，據(jù)遙感解譯，流域內(nèi)發(fā)育滑坡13處，崩塌56處，較大規(guī)模松散堆積9處，估算流域內(nèi)物源總方量約156萬(wàn)m3，流域內(nèi)豐富的物源是羅家溝發(fā)生泥石流災(zāi)害的根本原因。

(2)羅家溝泥石流是前期累計(jì)雨量和強(qiáng)降雨共同作用的結(jié)果，對(duì)于震后羅家溝流域而言，短時(shí)強(qiáng)降雨對(duì)于泥石流的形成起著至關(guān)重要的作用。

(3)羅家溝泥石流暴發(fā)后形成了長(zhǎng)440 m、最大寬度500 m、總面積為9．88萬(wàn)m2的堆積扇，汶川地震后羅家溝堆積區(qū)地形高度平均升高了8．4 m，溝口堆積物共增加了83萬(wàn)m3，如此大方量的堆積和河床快速抬升，說明汶川地震后，該地區(qū)泥石流異?；钴S且具有極強(qiáng)的搬運(yùn)能力，同時(shí)也說明泥石流在主河河床演變中起著重要作用。

(4)羅家溝“8．13”泥石流降雨強(qiáng)度為5年一遇，泥石流容重在2．12 g·cm-3左右，為粘性泥石流;采用雨洪法對(duì)泥石流流量進(jìn)行計(jì)算后發(fā)現(xiàn)，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)值接近羅家溝10年一遇的理論計(jì)算值，說明雨洪法計(jì)算結(jié)果偏小于實(shí)測(cè)數(shù)值，這與地震后流域內(nèi)物源豐富、溝道堵塞較為嚴(yán)重的情況有關(guān)。

研究表明，汶川地震災(zāi)區(qū)小流域泥石流具有較強(qiáng)的隱蔽性和破壞力，此類泥石流溝內(nèi)物源豐富，溝道堵塞嚴(yán)重，在短時(shí)間強(qiáng)降雨作用下，容易爆發(fā)較大規(guī)模泥石流。因此，在對(duì)汶川震區(qū)泥石流開展調(diào)查和評(píng)估工作時(shí)，尤其應(yīng)注意小流域類泥石流調(diào)查，必要時(shí)應(yīng)進(jìn)行相應(yīng)的工程治理措施。

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［2］ 崔鵬，莊建琦，陳興長(zhǎng)，等．汶川地震區(qū)震后泥石流活動(dòng)特征與防治對(duì)策［J］．四川大學(xué)學(xué)報(bào):工程科學(xué)版，2010，42(5):10-19．

［3］ 唐川，梁京濤．汶川震區(qū)北川924暴雨泥石流特征研究［J］．工程地質(zhì)學(xué)報(bào)，2008，16(2):751-758．

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［7］ 重慶蜀通巖土工程有限公司．綿竹市清平鄉(xiāng)“8．13”羅家溝特大泥石流應(yīng)急補(bǔ)充勘查報(bào)告［R］．重慶:重慶蜀通巖土工程有限公司，2010．

［8］ 四川省地質(zhì)礦產(chǎn)局化探隊(duì)．1:5萬(wàn)清平幅區(qū)域地質(zhì)調(diào)查報(bào)告［R］．成都:四川省地質(zhì)礦產(chǎn)局，1995．

［9］ 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．

［10］ 四川省水利廳．四川省中小流域暴雨洪水計(jì)算手冊(cè)［Z］．成都:四川省水利廳，1984．