北川湔江河段“7·10”特大山洪泥石流災(zāi)害特征與成因分析

劉劍，葛永剛，張建強(qiáng)，陳容

(1.中國科學(xué)院水利部成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所，中國科學(xué)院山地災(zāi)害與地表重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，610041，成都;2.中國科學(xué)院大學(xué)，100049，北京)

2013 年7 月8 日—7 月12 日，北川湔江段遭遇持續(xù)強(qiáng)降雨，誘發(fā)了沿江群發(fā)性山洪、泥石流等山地災(zāi)害，造成了大量人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。崔鵬等［1］認(rèn)為，震區(qū)次生地質(zhì)災(zāi)害在汶川地震后10 年內(nèi)會(huì)保持高頻趨勢(shì)，北川屬于“5·12”地震重災(zāi)區(qū)，也是震后次生山地災(zāi)害頻繁發(fā)生的場(chǎng)所。筆者以北川湔江河段“7·10”群發(fā)性特大山洪泥石流為研究對(duì)象展開實(shí)地調(diào)查，重點(diǎn)分析此次群發(fā)山地災(zāi)害特征、成災(zāi)模式及其成因，并提出針對(duì)性減災(zāi)建議，以期對(duì)災(zāi)后重建選址和減災(zāi)避災(zāi)有所幫助。

1 研究區(qū)概況

北川湔江段全長(zhǎng)47.9 km，流域面積455.80 km2，平均比降約為4.2‰，多年平均徑流量為102.7 m3/s，年均徑流總量為3.26 億m3［2］。研究區(qū)屬亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候?yàn)榛鶐У纳降貧夂?，雨量充沛，集中?—9 月，年平均降雨量1 399.1 mm，年最大降雨量2 340 mm(1967 年)［3］。研究區(qū)斷層較多，主要的大斷層有北川—映秀深斷裂帶，總體走向北東，傾向北西［4］，歷史上曾多次活動(dòng)并引發(fā)破壞性地震［3］，如著名的“5·12”汶川M8.0 地震。地層從古生代寒武系至新生代第四系均有出露，絕大部分災(zāi)點(diǎn)集中在斷層兩側(cè)的志留系、泥盆系、二疊系、三疊系和第四系等地層上，巖性主要為中軟的千枚巖、粉砂質(zhì)板巖、石英砂巖、砂質(zhì)灰?guī)r、碎屑巖、泥頁巖、砂泥巖等［4］，經(jīng)歷多次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，形成了較厚的松散風(fēng)化層，為泥石流等災(zāi)害提供了豐富的物源。

研究區(qū)地處四川盆地與青藏高原東南部過渡地帶的盆周山地區(qū)，為河谷深切割地貌，地形起伏較大，北高南低，最大相對(duì)高差1 760 m。微地貌以山地為主，約有近70%的微地貌為陡坡和陡崖，平壩僅在河谷有少許分布。在已發(fā)現(xiàn)的80 處山地災(zāi)害中，只有4 處災(zāi)點(diǎn)位于緩坡或平臺(tái)，其余災(zāi)點(diǎn)全部位于陡坡上。

2 研究方法

2.1 泥石流密度計(jì)算方法

由于研究區(qū)泥石流是由強(qiáng)降雨激發(fā)的后發(fā)型震后泥石流，物源以地震次生崩塌、滑坡體為主，決定了泥石流固體堆積物中粗粒組含量較高，細(xì)粒組含量較低，屬過渡型泥石流。為了驗(yàn)證以上推斷，采用余斌［5］關(guān)于泥石流密度的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式對(duì)區(qū)內(nèi)的6條典型泥石流堆積物進(jìn)行取樣和顆粒分布分析。計(jì)算公式為

式中:rd為泥石流密度，g/cm3;ro為泥石流最低密度，取1.5 g/cm3;rv為黏性泥石流的最低密度，取2.0 g/cm3;w05和w2分別為泥石流物質(zhì)中＜0.05 mm 的細(xì)顆粒物質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)和＞2 mm 的粗顆粒物質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%。

2.2 泥石流流量計(jì)算方法

為了對(duì)比地震前后泥石流流量變化特征，根據(jù)其過流斷面現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查數(shù)據(jù)，分別用泥痕法和雨洪法計(jì)算獲得5 條典型溝谷震后泥石流流量和震前泥石流流量。

泥痕法計(jì)算泥石流流量公式為

式中:Qc為泥石流流量，m3/s;Sc為過流斷面面積，m2;vc為泥石流斷面平均流速，m/s;nc為溝床糙率;h為泥位，m;I 為溝床坡降。

雨洪法計(jì)算泥石流流量公式為

式中:φ 為泥石流泥沙修正系數(shù);Qb為某一頻率條件下洪水流量，m3/s，參照四川省中小流域暴雨洪水手冊(cè)計(jì)算獲得;q 為堵塞放大系數(shù)，取2.5;rc為泥石流密度，t/m3;rb為泥石流中固體物質(zhì)密度，取2.65 t/m3。

3 結(jié)果與分析

3.1 群發(fā)性特征

受持續(xù)強(qiáng)降雨激發(fā)，北川湔江兩岸山洪、滑坡、崩塌和泥石流群體大量發(fā)生。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，共有災(zāi)點(diǎn)79 處，其中山洪2 處，滑坡8 處，崩塌2處，泥石流67 處(沖溝泥石流18 處，坡面泥石流12 處，溝谷泥石流37 處)。受汶川地震影響及地質(zhì)構(gòu)造與巖性控制，區(qū)內(nèi)滑坡、崩塌均有發(fā)生，規(guī)模以中小型為主。山洪活躍于整個(gè)流域，泥石流表現(xiàn)出空間分布上的不均勻性，主要分布于斷裂周圍，受巖性和松散物質(zhì)量控制，泥石流的發(fā)生與降雨強(qiáng)度關(guān)系密切。此外，受新建泥石流治理工程攔擋作用的影響，泥石流數(shù)量較以往有所減少，一些往年同等雨量條件下常常暴發(fā)的泥石流并沒有發(fā)生，表現(xiàn)出一定的不均衡性。崩塌、滑坡的分布亦受降雨、物源等的控制。

3.2 泥石流密度特征

泥石流密度計(jì)算結(jié)果見表1。可知，泥石流密度集中在1.69 ～1.91 g/cm3之間，根據(jù)泥石流流體的性質(zhì)，泥石流可分為黏性、過渡性和稀性泥石流［6］，按照過渡性泥石流標(biāo)準(zhǔn)定義范圍［7］(1.70 ～1.95 g/cm3)判定，區(qū)內(nèi)泥石流大部分屬于過渡性泥石流(張家灣泥石流除外)。與地震災(zāi)區(qū)其他地區(qū)的泥石流密度(1.85 ～2.25 g/cm3)［8］相比，研究區(qū)泥石流密度較低。這可能與松散物質(zhì)細(xì)顆粒含量較少，導(dǎo)致泥石流黏度系數(shù)和侵蝕搬運(yùn)能力較低有關(guān)。

表1 泥石流粒度組成與密度Tab.1 Grain size and density of debris flow

由粒度分析曲線圖(圖1)可知，細(xì)顆粒物質(zhì)(0.05 mm)和黏粒(＜0.005 mm)質(zhì)量分?jǐn)?shù)偏低，分別為0.23%～1.89%和0.09%～0.43%，＞2 mm 的粗顆粒物質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)普遍大于73%，符合震后泥石流特征［9］。

圖1 粒度分析曲線圖Fig.1 Particle size analysis graph

3.3 泥石流流量特征

泥石流流量計(jì)算結(jié)果見表2。結(jié)果表明，震后泥石流流量較震前有明顯的放大效應(yīng)，約為震前條件下的1.9 ～8.5 倍，這主要是由溝谷中地震引起的松散物源以及崩塌、滑坡等松散堆積物在強(qiáng)降雨作用下堵潰放大和大流量高速泥石流溝床起動(dòng)補(bǔ)給的共同作用造成的。

表2 典型泥石流地震前后泥石流流量對(duì)比Tab.2 Contrast of typical debris flows’flux before and after the earthquake

3.4 災(zāi)害鏈效應(yīng)特征

此次群發(fā)性特大山洪泥石流災(zāi)害具有明顯的災(zāi)害鏈效應(yīng)。主要有以下幾類。1)滑坡—坡面泥石流型:受連續(xù)強(qiáng)降雨的影響，滑坡體沿滑面向下運(yùn)動(dòng)，在這個(gè)過程中，滑體變得松散飽水，最終演化為泥石流體，形成坡面泥石流。2)山洪(小流域)—滑坡—泥石流型:強(qiáng)降雨在小流域內(nèi)產(chǎn)匯流形成山洪，山洪沿程沖刷斜坡坡腳，坡體失穩(wěn)下滑堆積在溝道中，含水率不斷增大，最終形成泥石流，如金子溝泥石流。3)山洪泥石流—河道淤高型:受山洪和泥石流匯入主河的影響，河水含沙量劇增，河道淤高，水位抬升。4)山洪—堰塞壩潰決—特大山洪泥石流型:受唐家山堰塞壩攔截影響，水位不斷抬升，水壓增大，堰塞壩體最終發(fā)生潰決，壩體碎屑物隨堰塞湖水一瀉而下，規(guī)模放大，形成特大山洪泥石流，如唐家山堰塞湖潰決泥石流。

3.5 山洪泥石流產(chǎn)輸沙特征

山洪泥石流伴隨著強(qiáng)烈的水土流失、泥沙輸移和淤積，受其影響，湔江主河河道明顯抬升，嚴(yán)重威脅河道兩岸的鄉(xiāng)鎮(zhèn)和農(nóng)田。如北川老縣城曲山鎮(zhèn)，泥沙淤積嚴(yán)重，河床淤高約4 m(圖2)。至8 月1日，王家?guī)r滑坡以下部分仍被水淹沒，景區(qū)道路完全中斷(圖3)，地震遺址無法正常運(yùn)營(yíng)。湔江上游東溪村與北川—茂縣公路交叉口處河床受泥石流淤積影響平均抬高2 ～3 m，部分河段高出原河床約5 m。河床和水位的抬高，大大擴(kuò)大了山洪泥石流的危害范圍。

圖2 北川老縣城完全被水淹Fig.2 Completely flooded Old Beichuan

3.6 成災(zāi)模式分析

圖3 王家?guī)r滑坡下方全被水淹Fig.3 Flooded Wangjiayan slide bottom

3.6.1 道路受災(zāi)模式 研究區(qū)公路受山地災(zāi)害損毀嚴(yán)重，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查與分析，山地災(zāi)害破壞道路模式有以下幾種:1)沿河公路路基受山洪泥石流的強(qiáng)烈沖刷，底部容易被掏蝕淘空，造成路基受損，路面下沉、懸空甚至完全損毀，如曲山鎮(zhèn)北茂公路路基就被山洪泥石流完全毀壞，造成公路中斷長(zhǎng)達(dá)530 m(圖4);2)受泥沙淤積河床的影響，湔江水位大大抬升，后續(xù)的山洪泥石流可以輕松沖上路面，其攜帶的砂石淤泥大量淤積，公路路面完全消失;3)松散堆積物常常沖破防護(hù)工程，沖淤到公路路面，阻斷交通，威脅行人與過往車輛的安全，如禹里—茂縣公路被滑坡淤埋，十里碑隧道口處被泥石流堆積物阻塞。

3.6.2 建筑物受災(zāi)模式 本次群發(fā)性山洪泥石流對(duì)建筑物的影響較大，民房、辦公樓、水電站、橋梁等是主要的受災(zāi)對(duì)象，其受損模式可歸納為以下幾類:1)淤埋破壞，建筑物受損的主要方式，這些建筑大都位于泥石流堆積區(qū)，泥石流流速小，沖擊破壞力也較小，對(duì)建筑物的損毀有限，整體保存較好，結(jié)構(gòu)受到的破壞小，如張家溝泥石流堆積區(qū)附近的房屋和橋梁表現(xiàn)為淤埋或半淤(圖5);2)沖擊破壞，位于泥石流流通區(qū)兩側(cè)及山洪沿岸的建筑物是沖擊破壞的主要對(duì)象，流經(jīng)的山洪泥石流往往具有較大的流速和沖擊力，破壞力強(qiáng)，容易對(duì)建筑物的結(jié)構(gòu)和功能造成毀滅性損傷;3)山洪淹沒，快速淤高的河床大大改變了山區(qū)河谷地貌條件，造成洪水水位抬升，淹沒范圍增大，嚴(yán)重威脅河道兩岸村舍、水電站等建筑物的安全，如唐家山堰塞壩上游。

圖4 北—茂路路基被毀壞長(zhǎng)達(dá)530 mFig.4 Roadbed of Beichuan-Mao County was completely destroyed up to 530 m

圖5 張家溝泥石流淤埋房屋和橋梁Fig.5 Houses and bridges were buried by Zhangjiagou debris flow

4 典型災(zāi)害分析——唐家山堰塞湖潰壩

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，2013 年7 月8 日開始的強(qiáng)降雨共誘發(fā)北川湔江河段68 條溝道發(fā)生泥石流，大量的泥沙順溝道輸入至湔江干流河道中，受唐家山堰塞湖的影響，大部分淤積于堰塞湖內(nèi)。洪水受堰塞壩相對(duì)攔蓄的影響(泄流口流量小于上游來水流量)，水位迅速抬升。至9 日08:00 左右，旋坪鄉(xiāng)堰塞湖水位升高約8 m，泄流口水位升高7 ～8 m，而禹里鄉(xiāng)湔江大橋水位升高約11 m，洪水水位距離橋面不足1 m，嚴(yán)重威脅著禹里鄉(xiāng)的安全。與此同時(shí)，唐家山堰塞壩泄流口受大流量洪水沖刷，控制基座損毀，最終形成潰決洪水，堰塞湖水位開始下降，至13 日，堰塞湖水位較原有水位下降9 ～10 m，較洪峰時(shí)的水位下降約17 ～18 m(圖6)，禹里大橋洪水水位下降8 m 左右，8 月1 日，水位繼續(xù)下降，旋坪鄉(xiāng)洪水水位下降13 ～14 m，禹里大橋水位下降11 m，唐家山下游黃家壩湔江大橋洪峰水位高約8 m。湔江主要洪水參數(shù)變化見表3。

圖6 唐家山堰塞湖潰口Fig.6 Lake breach of Tangjia Mountain

表3 湔江洪水水位Tab.3 Flood water level of Jian River m

用Stocks 公式［10］計(jì)算唐家山堰塞湖的潰決洪峰流量

過水?dāng)嗝孀畲罅魉?/p>

式中:g 為重力加速度，9.8 m/s2;B 為壩體寬度，m;b 為決口寬度，m;H 為壩前水深，m。

按8 月1 日實(shí)測(cè)潰口數(shù)據(jù)，B 取221 m，b 取51 m，H 取20 m(實(shí)測(cè)壩頂至水面高度為17 m，水面以下水深按3 m 計(jì))。計(jì)算得出最大洪峰流量約為6 100 m3/s，過流斷面最大流速為6 m/s，接近2008年6 月10 日泄流時(shí)峰值流量6 500 m3/s［11］，與此次潰決目擊者估計(jì)與泄洪流量相當(dāng)?shù)拿枋鱿辔呛?，也印證了計(jì)算的正確性。

潰決洪水強(qiáng)烈沖刷唐家山堰塞壩體以及下游沿岸坡體物質(zhì)，形成潰決型泥石流，水沙向下游輸移，造成唐家山至北川老縣城段河床淤高不等，苦竹壩段河床淤高5 ～6 m，北川老縣城平均淤高3 ～4 m，山洪將整個(gè)曲山鎮(zhèn)淹沒，地震遺址損毀嚴(yán)重，高位洪水漫過河堤，淹沒了下游沙壩、鄧家、張家灣等村的耕地及民房，大流量洪水淘蝕兩岸坡體，造成沿河多段路基垮塌，損失慘重。

5 成因分析

5.1 豐富的物源條件和產(chǎn)匯流條件的改變

研究區(qū)地處汶川地震極震區(qū)，區(qū)內(nèi)有“5·12”主震斷裂穿過，系震后次生地質(zhì)災(zāi)害極為發(fā)育的地區(qū)，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，震后北川共有地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)1 754 個(gè)，新增次生災(zāi)點(diǎn)就有1 500 個(gè)［3］，災(zāi)點(diǎn)密度高達(dá)0.61個(gè)/km2，這些災(zāi)點(diǎn)主要分布于支溝和山體中，為震后泥石流等災(zāi)害提供了充足的松散物源。此外，研究區(qū)植被覆蓋率在震后也大幅下降，以曲山鎮(zhèn)至擂鼓鎮(zhèn)“5·12”大地震前后2 h 相的遙感影像顯示，震前研究區(qū)域植被覆蓋度較高，85%以上的區(qū)域?qū)僦械戎脖桓采w率以上級(jí)別，震后植被覆蓋度大于30%的土地面積急劇減少，說明地震引起的地質(zhì)災(zāi)害對(duì)植被造成了嚴(yán)重破壞［12］。植被覆蓋率的變化不僅會(huì)降低對(duì)松散土體的固持作用，更重要的會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)匯流條件的改變，使得泥石流等災(zāi)害的啟動(dòng)條件發(fā)生改變。持續(xù)的強(qiáng)降雨為山地災(zāi)害的發(fā)生提供了充分條件，加之研究區(qū)內(nèi)物源富含黏土礦物等物質(zhì)，吸水性和可塑性較大，與降水結(jié)合后，局部土體達(dá)到飽和，地表積水排泄不暢，孔隙水壓力陡增，土體抗剪強(qiáng)度快速消減，非常容易形成滑坡、泥石流等災(zāi)害。

5.2 降雨因素

通過收集研究區(qū)及周邊30 個(gè)雨量站在次生山地災(zāi)害發(fā)生前后(07-07 T 21:00—07-12 T 20:00)共5 d 的120 h 內(nèi)的降雨數(shù)據(jù)進(jìn)行差值計(jì)算和制圖，得到降雨強(qiáng)度分布圖(圖7)，發(fā)現(xiàn)區(qū)內(nèi)普降大雨(24 h內(nèi)降雨量25 ～49.9 mm)到暴雨(24 h 內(nèi)降雨量50 ～99.9 mm)，災(zāi)點(diǎn)全部位于300 ～500 mm 降雨區(qū)間范圍內(nèi)，與一般大于25 mm/次降雨都會(huì)誘發(fā)災(zāi)害［13］相符，僅有2 處災(zāi)點(diǎn)(2.5%)位于300 ～350 mm 降雨區(qū)間內(nèi)，6 處災(zāi)點(diǎn)(7.5%)位于350 ～400 mm 降雨區(qū)間內(nèi)，56 處災(zāi)點(diǎn)(70%)位于400 ～450 mm 降雨區(qū)間內(nèi)，剩余的16 處災(zāi)點(diǎn)(20%)位于450 ～500 mm 降雨區(qū)間內(nèi)，次生山地災(zāi)害的發(fā)生有隨降雨量增大而易發(fā)生的趨勢(shì)，但當(dāng)突破臨界飽和雨量后，降雨量對(duì)山地災(zāi)害的誘發(fā)性有所降低。

圖7 研究區(qū)120 h 累積降雨量分布圖Fig.7 Distribution of 120 h cumulative rainfall in the study area

6 結(jié)論與建議

1)北川湔江河段“7·10”特大山洪泥石流災(zāi)害在空間上表現(xiàn)出一定的群發(fā)性，災(zāi)害類型多樣，規(guī)模以中小型為主，各類型災(zāi)害之間形成明顯的災(zāi)害鏈效應(yīng)。

2)北川湔江河段“7·10”特大山洪泥石流細(xì)顆粒和黏粒含量偏低，泥石流密度集中在1.69 ～1.91 g/cm3之間，大部分屬過渡型泥石流。

3)震后泥石流流量約為震前泥石流流量的1.9 ～8.5 倍，震后泥石流流量放大效應(yīng)明顯。

4)豐富的物源、震后產(chǎn)匯流條件的改變以及強(qiáng)降雨是北川湔江河段“7·10”群發(fā)性山地災(zāi)害的主要成因。

針對(duì)泥石流特征與成因，提出以下建議。

1)開展震后山洪泥石流產(chǎn)輸沙過程、特征、規(guī)律、機(jī)制及河道沿程演變的研究，為重建選址提供依據(jù)。

2)松散裸露土體產(chǎn)匯流條件的改變對(duì)山洪泥石流等災(zāi)害的形成和臨界起動(dòng)條件影響很大，研究地震前后產(chǎn)匯流條件的變化有益于監(jiān)測(cè)預(yù)警。

3)做好河道清淤、岸堤防護(hù)和加固工作，最大程度上保護(hù)沿岸公路免受山洪破壞。

4)定期維護(hù)防護(hù)工程，遏制老災(zāi)點(diǎn)的復(fù)活。

5)建立震區(qū)次生災(zāi)害年度例行調(diào)查制度，強(qiáng)化當(dāng)?shù)鼐用竦臏p災(zāi)意識(shí)，展開基本技能培訓(xùn)和定期逃生演練，并建立相關(guān)預(yù)案，提高防災(zāi)減災(zāi)能力。