汶川震區(qū)龍門山鎮(zhèn)高架子溝“8·18”泥石流災(zāi)害機理與特征

余天彬，任光明，王 猛，王 杰，高 波，蒙明輝

(1.成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護國家重點實驗室，四川成都610059;2.四川省地質(zhì)調(diào)查院，四川成都610059)

0 引言

2012年8月17日晚9∶00到18日早晨5∶00，彭州市龍門山鎮(zhèn)地區(qū)普降50a一遇的特大暴雨，致使胥家溝以北的湔江上游地區(qū)三十多條溝谷同時暴發(fā)泥石流，并引發(fā)多處滑坡、崩塌等地質(zhì)災(zāi)害，造成多處公路淤堵或被錯斷，泥石流沖毀大量房屋、淤埋河道等，再次對銀廠溝景區(qū)造成極大的損失。在本次泥石流災(zāi)害中，以高架子溝泥石流規(guī)模最大，危害最嚴重，沖毀12戶農(nóng)家樂，房屋280間，沖毀銀白公路約300m，於塞河道約300m，并使主河改道，直接經(jīng)濟損失約4000萬元。

高架子溝所在的龍門山鎮(zhèn)地區(qū)屬于地震高烈度區(qū)，“5·12”汶川地震在區(qū)內(nèi)誘發(fā)大量滑坡和崩塌等松散固體物質(zhì)，為泥石流活動提供了豐富的物源。據(jù)訪問，震后的5個汛期內(nèi)銀廠溝內(nèi)每年都發(fā)生過泥石流災(zāi)害，其中以2012年8月18日泥石流規(guī)模最大，災(zāi)情最嚴重。本文通過對高架子溝“8·18”泥石流災(zāi)害的兩次現(xiàn)場調(diào)查資料的基礎(chǔ)上，分析了該溝泥石流的形成條件、發(fā)育特征、形成機制和災(zāi)害過程，探討了泥石流發(fā)展趨勢，為該溝泥石流預(yù)防和治理提供一定參考，同時對地震災(zāi)區(qū)類似溝谷泥石流的科學(xué)認識、評價和防治提供參考。

1 流域的地質(zhì)環(huán)境條件

高架子溝位于四川省彭州市龍門山鎮(zhèn)九峰村，距龍門山鎮(zhèn)13km，流域?qū)儆阢恿鞯闹Я靼姿佑野吨Я?，屬于龍門山構(gòu)造帶的中段。龍門山斷裂帶主要由三條主干斷裂構(gòu)成［1-3］:茂汶斷裂、北川-映秀斷裂、都江堰-安昌-江油斷裂。映秀-北川斷裂(中央斷裂)從高架子泥石流溝流域中下部通過，該斷裂為一條現(xiàn)今仍在活動的壓扭性逆沖斷層，斷裂總體走向 NE30°～50°，傾向北西，傾角 30°～53°。

龍門山斷裂帶是龍門山地區(qū)的主要地質(zhì)構(gòu)造帶，對該區(qū)的地層發(fā)育起著控制作用［4］，總體上，該區(qū)域地層發(fā)育較齊全，自中元古界至第四系均有出露。高架子溝流域中下段地層為三疊系上統(tǒng)須家河組下段(T3x1)，巖性主要泥質(zhì)灰?guī)r夾黑灰色炭質(zhì)頁巖和砂巖、頁巖，均為軟巖組;流域中上段主要為元古界黃水河群(Pthn)以及晉寧-澂江期的巖漿巖等，巖性主要為石英片巖、花崗巖和閃長巖等;流域內(nèi)緩坡面上及溝道兩側(cè)分布大量第四系全新統(tǒng)崩塌堆積層殘坡積層)、滑坡堆積層，溝道內(nèi)停集大量泥石流堆積層)、沖洪積層)。

2 高架子溝泥石流形成條件分析

強震作用下產(chǎn)生大量松散堆積體，為泥石流爆發(fā)創(chuàng)造豐富的物源條件［5］。高架子溝泥石流災(zāi)害的形成主要受到地形地貌、地震活動和地質(zhì)構(gòu)造的控制，地震后由于強降雨作用引發(fā)了這次大規(guī)模泥石流災(zāi)害。

2.1 流域特征

高架子溝流域面積 1.32km2，海拔 1360～2780m，高差 1420m，主溝長 2.46km，平均縱比降533.59‰，支溝不發(fā)育，流域形態(tài)呈“長條形”，長軸線方向近NE，流域形態(tài)指數(shù)0.46(圖1)?？傮w來說，流域主溝具有溝道順直、溝道狹窄、比降大、呈V型等特點，結(jié)合良好的匯水條件為洪水下切侵蝕創(chuàng)造了有利條件。

圖1 高架子溝流域圖Fig.1 Drainage basin of Gaojiazi gully

2.2 降雨條件

龍門山地區(qū)是四川省三大暴雨中心之一，具有年降雨量大，降雨集中，多暴雨等特點;年降雨量最大可達2000mm，最大24h雨量可達250mm，最大1h雨量可達65mm;暴雨頻率在80%～87%間。根據(jù)彭州市氣象局資料統(tǒng)計，縣內(nèi)多年降雨量在1300～1600mm間，降水集中在下半年(6～9月)，占全年降水量的72%，全年降雨又呈單峰型分布，7、8月份是降水高峰期，11月至次年4月為枯水期。2012年8月17日21時至18日5時，龍門山鎮(zhèn)地區(qū)12小時最大降雨量達到247mm。

2.3 物源條件

“5·12”汶川地震的主斷裂(映秀—北川斷裂)在高程1500m附近橫穿整個流域，汶川地震誘發(fā)大量的滑坡、崩塌，為泥石流形成提供重要的松散物質(zhì)，這些滑坡、崩塌堆積體膠結(jié)和固結(jié)都很差，在流水沖刷下極易產(chǎn)生底蝕和側(cè)蝕。

圖2 2010年2月8日的Quick Bird衛(wèi)星影像圖反映高架子溝流域特征及物源特征Fig.2 The Quick Bird satellite photograph taken on 8 February，2010 show the drainage of the Gaojiazi and characterization of the source

通過對2010年2月8日Quick Bird衛(wèi)星遙感影像圖解譯結(jié)合現(xiàn)場驗證，高架子溝流域主要物源類型有震前老堆積物、地震誘發(fā)的滑坡和崩塌堆積體。據(jù)現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)流域內(nèi)老堆積物主要分布在高程1700m以下溝道內(nèi)及高程1500m以下溝道兩側(cè)坡面上，主要成分為卵石、碎塊石、粗砂及少量粘土，主要為震前的崩坡積、殘坡積、沖積物，震前流域內(nèi)植被覆蓋率高溝道表層較穩(wěn)定，加之流域中上部物源極少，所以這部分物源未參與泥石流活動。解譯結(jié)果顯示流域內(nèi)分布滑坡2處，小型溜滑6處，崩塌4處(圖2)。物源總體積約257×104m3，動儲量約 150×104m3。其中滑坡物源體積112×104m3，崩塌堆積體物源體積31×104m3，堆積區(qū)泥石流堆積體積約33×104m3，老期堆積體71×104m3，即流域內(nèi)以震積形成的滑坡物源為主體，距溝口350m高差以上流域總物源量約207×104m3，約占流域總物源量的80.5%，物源分布位置高，可轉(zhuǎn)化勢能大，高位特征明顯。地震誘發(fā)的滑坡、崩塌成主要分布在流域溝底高程2300m以上，該段位于北川-映秀斷裂上盤，相對位置高，說明上盤效應(yīng)和高程效應(yīng)對坡體的穩(wěn)定性影響明顯。溝底高程2320m處，在地震作用下發(fā)育一大型基巖滑坡H1，滑坡光壁明顯，滑坡主體形態(tài)呈散粒狀沿溝底高程1700～2300m溝段鋪滿溝床，堆積體以塊碎石土為主，其中溝底高程1900～2300m段堆積物塊碎石粒徑相對較小，越往低高程堆積體粒徑逐漸變大，巨塊石越多，在溝底高程1700～1900m段堆積中巨石較多，可見最大粒徑6m×4m×3.5m，堆積體厚度約10～20m。

3 泥石流發(fā)育特征及啟動機制分析

高架子溝在汶川“5·12”地震前近百年未發(fā)生過泥石流，歷史上應(yīng)屬于非泥石流溝，主要缺少提供泥石流活動的可動物源。地震在流域內(nèi)誘發(fā)大量崩塌和滑坡，尤其在流域后緣坡體上誘發(fā)一個大型滑坡和大量崩塌，滑坡和崩塌堆積體沿溝道堆積，為泥石流活動提供了大量松散固體物質(zhì)，高架子溝演變成為一條潛在泥石流溝。高架子溝泥石流的演化過程為:地震→滑坡、崩塌→降雨→泥石流。至2012年震后后四年間，高架子溝每年雨季均會發(fā)生不同規(guī)模的泥石流活動，據(jù)不完全統(tǒng)計震后至今共發(fā)生11次不同規(guī)模的泥石流，其中以“8·18”泥石流規(guī)模最大。

3.1 高架子溝“8·18”泥石流特征

“8·18”泥石流暴發(fā)后流域地貌發(fā)生了巨大變化，溝源段是H1滑體和后緣崩塌體的主要堆積場所，該段主溝地形呈不對稱“V”型谷，主溝偏向下游側(cè)，在泥石流侵蝕后，松散堆積體主要殘留在上游側(cè)(圖3)。由于形成流通區(qū)溝道縱比降大，特別是溝源以下的加速段比降超過了500‰，泥石流形成后經(jīng)過加速段加速后(圖4)，形成強大的沖切力，對下段溝道產(chǎn)生強烈的沖切和鏟刮，在高程1650m以下形成深切拉槽，下切深度在8～18m之間。泥石流在溝道高程1500m處發(fā)生改道，此次泥石流以前主溝道為光明宛溝，本次泥石流主溝道為偏向上游側(cè)的高架子溝。在高程1400m處主溝道變寬變緩，泥石流開始沿坡面堆積，堆積扇前緣延伸至大海子河流河道中央，堆積長度235m。泥石流的快速堆積使得上游側(cè)的地形偏高，泥石流開始向下游側(cè)擺動，泥石流偏向下游沿坡腳堆積。受到地形影響，堆積扇厚度變化較大，前緣堆積厚度1.1m，最大堆積厚度可達7.5m，堆積扇近似“Γ”形，本次泥石流沖出量約25×104m3。

圖3 泥石流啟動區(qū)的溝道侵蝕特征Fig.3 The channel features after eroded in the debris flow initiation area

圖4 高架子溝主溝分段特征Fig.4 The characteristic of different fields of Gaojiazi gully

3.2 高架子溝“8·18”泥石流成災(zāi)過程及起動機制分析

對于震區(qū)泥石流起動方式，有學(xué)者［5］認為主要有2種:一是由于暴雨過程形成的斜坡表層徑流導(dǎo)致懸掛于斜坡上的滑坡體表面和前緣松散物質(zhì)向下輸移，進入溝道后轉(zhuǎn)為泥石流過程;二是“消防水管效應(yīng)”［6-7］使溝道水流快速集中，并強烈沖刷溝床中松散固體物質(zhì)，導(dǎo)致溝床物質(zhì)起動并形成泥石流過程。也有學(xué)者［7］認為，流域內(nèi)滑坡堵塞溝道，在強大洪水作用下潰決形成泥石流。高架子溝主溝縱坡呈“陡—緩—陡—緩”的階梯形，流域呈漏斗狀，匯水條件好，流域物源量大、分布位置高，且分布較集中。因此在暴雨過程中，后緣光壁上的水流快速匯集于溝道中，強烈沖刷溝道中松散堆積體而形成泥石流。從流域泥石流的形成條件出發(fā)，結(jié)合“8·18”泥石流后現(xiàn)場對物源區(qū)、流通區(qū)及堆積區(qū)的泥石流活動特點調(diào)查，大體可將高架子溝“8·18”泥石流成災(zāi)過程及形成機制分為四個階段:

(1)泥石流啟動階段，在強降雨條件下，溝源段坡表(漏斗壁)地表徑流攜帶細顆粒物質(zhì)快速向地勢相對低緩的主溝(頸口位置)匯集，該段主溝地形呈不對稱“V”型谷，主流偏向下游側(cè)，溝道下游側(cè)堆積物受到水流的侵蝕下切，隨著匯集的洪流量不斷增大，下切深度也增大，上游側(cè)滑坡堆積體臨空程度變大，在洪流的側(cè)蝕作用下失穩(wěn)形成泥石流向下游輸移。

(2)流通區(qū)泥石流加速階段，物源區(qū)泥石流啟動后向下游進入下一個陡-緩相接階梯，由于該段溝道比降大(500‰以上)，加上溝道本身束窄，泥石流在該段輸移過程中高位勢能快速轉(zhuǎn)化為動能，而發(fā)生極強的鏟刮效應(yīng)［8-10］，深切流通區(qū)溝床形成基巖谷，并形成多處跌水坎，在加速段底端形成一高約8m的跌水坎。

(3)泥石流深切拉槽階段，經(jīng)過加速段后的泥石流對相對變緩的溝道下切侵蝕，泥石流進入山前老堆積區(qū)后，地勢變平緩，該段原始溝道沿老扇下游側(cè)從光明苑溝沖出，由于前階段泥石流對上游溝道的下切作用，在老堆積體頂部出山口陡-緩相接處，泥石流溝道略低于原溝床，上游泥石流沖出受阻而形成龍頭堆積，巨石堵塞原溝床(圖5)而迫使泥石流改道向上游側(cè)地勢較低的高架子溝運動，由于形成流通區(qū)泥石流動能大，溝床急劇變緩，其動能不能立即消散而發(fā)生堆積，在溝道內(nèi)形成局部堆積壩，隨著流量的增大，堆積壩逐漸失穩(wěn)潰決，龍頭繼續(xù)向前推移，在溝道轉(zhuǎn)彎處又發(fā)生堵塞，泥石路向溝道兩側(cè)漫溢堆積，從圖6中可以看出本次泥石流漫溢堆積高度約1.2m。在堆積壩蓄能加大后逐步潰決，泥石流龍頭不斷向溝口推進，之后下切貫通，逐步切割老堆積體形成深達8～18m深拉槽。在泥石流流動過程中是一個堵潰下切過程，泥石流表現(xiàn)為陣發(fā)性。

圖5 “8·18”泥石流主溝發(fā)生改道Fig.5 The channel was changed during the“8·18”debris flow

圖6 “8·18”泥石流主溝下切斷面特征Fig.6 The characterization of the deep incision during“8·18”debris flow

(4)泥石流堆積階段，泥石流龍頭從老扇上游側(cè)前緣沖出，在大海子河床位置發(fā)生堆積，隨著沖出物的不斷增加，泥石流逐漸向主河下游堆積，於埋溝口公路、景區(qū)農(nóng)家樂數(shù)家并堵塞河床，泥石流堆積體最終漫流至下游電站位置，并於埋電站。從堆積體的特征來看，堆積厚度后緣大，深約5～7m，扇前緣厚度較薄，約1.2～2m。初步估計堆積體積約25×104m3，堆積物成分中細顆粒物質(zhì)較多，粘粒含量大，其次為花崗巖風(fēng)化碎粒，局部可見巨塊石堆積，最大塊徑4m×3.5m×2.5m，本次泥石流為典型粘性泥石流。

4 結(jié)論

(1)高架子溝在地震前是一條非泥石流溝，受到“5·12”汶川地震作用及震后強降雨共同作用，演變成一條降雨型高頻泥石流溝高，其演化過程為:地震→滑坡、崩塌→降雨→泥石流。

(2)高架家溝“8·18”泥石流啟動方式為“消防水管效應(yīng)”使溝道水流快速集中，并強烈沖刷溝床中松散固體物質(zhì)，導(dǎo)致溝床物質(zhì)起動并形成泥石流過程。

(3)高架家溝“8·18”泥石流成災(zāi)過程及形成機制可分為四個階段:泥石流啟動階段、流通區(qū)加速階段、泥石流下切拉槽階段、泥石流堆積階段。

(4)震后至2012年底高架子溝共發(fā)生11次泥石流活動，其中以“8·18”泥石流規(guī)模最大，沖出體積約25×104m3，為典型的粘性泥石流。據(jù)2010年衛(wèi)星影像圖解譯分析，流域內(nèi)物源總方量約257×104m3，動儲量約150×104m3。流域內(nèi)物源豐富，溝谷發(fā)育處于壯年期，如果不采取及時的處理措施，今后仍然會發(fā)生大規(guī)模的泥石流。

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