汶川強震區(qū)泥石流起動模型試驗分析

陳懷強，鄧 輝，李文智，司攀華，賈智丹，王景宏

(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)

0 前言

“5·12”汶川特大地震孕育了不計其數(shù)的滑坡、崩塌及潛在不穩(wěn)定斜坡等不良地質(zhì)體，為震區(qū)內(nèi)泥石流的孕育及發(fā)生提供了有利條件。據(jù)震區(qū)44個重災(zāi)縣(市)的次生地質(zhì)災(zāi)害排查結(jié)果顯示，震區(qū)發(fā)育有潛在泥石流溝873條，其中潛在的巨型泥石流溝90條、大型泥石流溝91條、中型泥石流溝300條、小型泥石流溝355條。據(jù)國土資源系統(tǒng)組織的震后次生地質(zhì)災(zāi)害排查和巡查，四川震區(qū)有24座縣級城市遭受潛在泥石流隱患點的直接威脅，此外，還有100余處集鎮(zhèn)受到不同程度威脅。2008年9月24日，僅距“5·12”汶川地震四個多月，在這次地震的主要震區(qū)北川、汶川等縣境內(nèi)爆發(fā)了區(qū)域性的泥石流災(zāi)害，共造成40余人遇難或失蹤，數(shù)千畝良田及房屋被沖毀和淤埋的重大災(zāi)情，震區(qū)泥石流規(guī)模之大、破壞力之強，是其它地區(qū)泥石流災(zāi)害無法比擬的［1］。地震后的泥石流已成為地震引發(fā)的主要的次生山地地質(zhì)災(zāi)害，而關(guān)于這方面的研究也比較多。為了探求泥石流的形成和運動機理，美國、日本、新西蘭和中國的泥石流專家們在模擬泥石流理論模型時，對泥流、水石流、泥石流都進行了大量的研究工作，并提出了二維不恒定流模型，但這些試驗和結(jié)論都局限在泥流、水石流這兩個比較極端的模型上。介于這兩種模型之間的泥石流，因其顆粒范圍廣等因素，顯得更為復(fù)雜。因此對震區(qū)泥石流的評價與分析顯得較為困難，所需時間較長?，F(xiàn)在利用經(jīng)驗和理論方法在解釋粗顆粒在泥石流體流變行為中的作用或影響時，所涉及泥石流的數(shù)學(xué)模型，多半是通過低粘度介質(zhì)［2］、顆粒范圍較窄或由塑料粉末模擬粘粒、玻璃球模擬沙粒等試驗來驗證模型［3］。對于在中國分布較多的高濃度、顆粒范圍廣、含有較高粘粒的泥石流，其模型研究剛剛起步［4-6］，而將野外現(xiàn)場觀測和樣品試驗的同步進行，并運用于模型的驗證等研究還很缺乏。而且經(jīng)過大量的查閱資料，我們還發(fā)現(xiàn)現(xiàn)在所研究的泥石流多為降水型泥石流，對震后形成的泥石流的起動機制研究也是眾說紛紜。要實現(xiàn)對強震區(qū)泥石流直觀簡單評價，就必須對泥石流的起動形成系統(tǒng)的認(rèn)識。

1 研究區(qū)基本情況

我們選定映秀地震災(zāi)區(qū)的燒火坪側(cè)溝和牛圈溝兩個地點來進行強震區(qū)的泥石流起動機制的研究，映秀鎮(zhèn)燒火坪測溝:31°04'11.34″N，103°28'16.15″E 海拔944m;映秀鎮(zhèn)牛圈溝:31°02'42.95″N，103°28'22.25″E，海拔890m(圖1、圖2)。通過對局部地區(qū)的調(diào)查研究，分析綜合并進行推廣。

圖1 燒火坪側(cè)溝衛(wèi)星圖Fig.1 Flat side ditch that the satellite image

圖2 牛圈溝衛(wèi)星圖Fig.2 Satellite image the bull ring groove

泥石流地區(qū)的巖體大多為比較容易風(fēng)化而且發(fā)育有較厚的風(fēng)化殼，或者發(fā)育有大量的節(jié)理裂隙而使得其結(jié)構(gòu)較松散，這種巖體很容易在水的浸潤下、水介質(zhì)中、地震之后發(fā)生位移崩塌、滑坡或漂移［7］。形成泥石流的物源為寬級配土體，小于60mm的顆粒中，粘土顆粒的含量5%左右:土體的大規(guī)模滑溜是土體起動產(chǎn)生泥石流的核心步驟。中等顆粒含量的土體最容易滑流和起動產(chǎn)流。而顆粒含量過少和過多均不利于大規(guī)模土體的滑溜和起動產(chǎn)流。最有利的顆粒含量為5% ～10%［8］。

“汶川地震”泥石流土源有利條件為寬級配礫石土，其粘土顆粒含量大都在5%左右。

“5·12”汶川地震導(dǎo)致燒火坪側(cè)溝上游山體發(fā)生滑坡并形成碎屑流，使得溝谷中留下了多達6×96m3的松散堆積物，最大堆積厚度近75m，而地震導(dǎo)致走牛圈溝泥石流物源也多達5×1136m3。這些不穩(wěn)定物源的存在已經(jīng)決定了泥石流發(fā)生的規(guī)模。

2 室內(nèi)試驗

2.1 顆粒篩分實驗

顆粒粒徑大于60mm的固體物在野外測定其粒徑并分析其巖性。小于60mm的進行室內(nèi)顆分試驗，使用振篩機(圖3)，篩分時間為每組樣5min，篩分粒徑為0.074～20mm粒徑范圍，樣品試驗之前進行5h的烘干操作。綜合整體數(shù)據(jù)，計算出不同粒徑段所占所有采集樣本的百分比(顆粒級配)、粘土和顆粒的比重、巖石巖性，畫出相應(yīng)的級配曲線。

圖3 振篩機Fig.3 Vibration sieve machine

2.2 泥石流起動實驗

試驗采用變頻泥漿抽水泵將水從水池抽出后通過水管運送到水槽上方的自制噴頭處(圖4)。

圖4 成都理工大學(xué)泥石流試驗裝置簡圖Fig.4 Chengdu university of technology debris flow test unit diagram

試驗設(shè)備采用成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害重點試驗室的泥石流室內(nèi)模擬起動裝置，其水槽長1m，寬0.2m，高0.2m。水槽上方用與基座相連，使水槽能沿基座進行坡度調(diào)節(jié)，上端離地面高度為0.25m，水槽底部設(shè)置一個能調(diào)節(jié)高度的單支撐桿，用螺帽與水槽基座相連，底部水槽放一橫桿，用于平衡底部基座。這樣便能通過螺帽的調(diào)節(jié)來進行坡度的調(diào)節(jié)，本實驗坡度有范圍的變化，必須采用多組坡度數(shù)據(jù)才能更好的研究泥石流的起動機制。我們設(shè)想在一個槽上堆積不同坡度的物料，但是結(jié)果并不成功(泥石流起動坡度只與其實際坡度有關(guān)，并不與物料坡度關(guān)系太大，其沖溝的坡度是主要決定因素)。其可調(diào)坡度定在0°～35°，不能調(diào)節(jié)的高度用墊磚頭來實現(xiàn)。水槽槽體兩側(cè)為鋼化玻璃，便于試驗觀測。頂端設(shè)一檔水壁，高0.2m，一是用于阻止噴頭水量的流失，二是為了對泥石流實驗土體進行一個初期飽水的處理。當(dāng)土體有一個飽水的措施后，不會因為突然的降雨而流失土體，后緣積水面積為20mm×14mm規(guī)格。

在試驗中，為了能充分并且更準(zhǔn)確的模擬現(xiàn)場坡體，我們在水槽上布置磨砂紙，水槽的末端放置一個塑料盆，在實驗初期觀察其隨著雨強的增加，顆粒流失的大小及其含量，做一個現(xiàn)象描述。通過實驗，我們發(fā)現(xiàn)，隨著雨強的增加，盆中顆粒由細(xì)變粗，濃度也越來越大。在泥石流表面流形成的時候，將塑料盆取下，放置一邊。當(dāng)泥石流起動的時候，用塑料盆取部分泥石流發(fā)生后的土樣，再進行后續(xù)分析，此步驟為每條坡取兩組數(shù)據(jù)。

斜坡模型土樣通過填筑土體的體積與原狀土體的干密度來制所需土體重量，分層筑，不同層之間刨毛，并將斜坡靜置三天使土體恢復(fù)部分結(jié)構(gòu)性后才進行降雨試驗。

3 泥石流起動條件

3.1 樣品分析

燒火坪側(cè)溝顆粒粒徑大于60mm的固體物的分布特征折線圖(圖5):

圖5 燒火坪側(cè)溝顆粒粒徑大于60mm分布的折線曲線Fig.5 Flat side ditch that the distribution of particle size greater than 60 mm line curve

3.2 物源與泥石流起動關(guān)系

3.2.1 采用燒火坪側(cè)溝與牛圈溝進行對比，控制等坡度分析，選取燒火坪側(cè)溝和牛圈溝實驗組坡度為13.3°進行對比。

為了能更直觀的反應(yīng)兩條溝在物源上的對比(圖 6)。

圖6 兩條實驗溝物源比較Fig.6 Two comparative experiment ditch source

從圖6分析，兩條溝顆粒粒徑大于1mm含量相差并不大，牛圈溝顆粒粒徑小于0.5mm含量較燒火坪側(cè)溝大。同時結(jié)合比較在相同坡度下，泥石流起動流量的柱狀圖分析如圖7。

圖7 相同坡度下不同物源泥石流起動流量對比Fig.7 The same slope under different provenance mudslides starting flow contrast

根據(jù)柱形圖的階段分析，三階段(初始雨量階段，表面流形成階段，泥石流起動階段)對比可見，表面流形成階段相關(guān)關(guān)系并不太明顯。但在起動階段，對比相當(dāng)明顯。初始雨強只是一個參照作用，研究意義不大。分析可得，在顆粒粒徑大于1mm含量相差不大的情況下，顆粒粒徑小于0.5mm的顆粒含量與泥石流起動雨強成正相關(guān)。這對泥石流的發(fā)生可起一定的參照作用。

兩條泥石流溝根據(jù)顆粒級配比出的物源量如表1。

3.2.2 在不同物源、相同坡度條件下，燒火坪側(cè)溝與牛圈溝在泥石流起動速度的分析速度取兩條溝起動的平均流速，分析柱狀圖如圖8:

表1 兩條實驗溝配比百分含量相關(guān)關(guān)系列表Table 1 Two experimental groove matching percentage

圖8 兩條泥石流溝的起動速度Fig.8 The two starting velocity of debris flow gully

可見，牛圈溝的起動速度較燒火坪側(cè)溝起動速度快，牛圈溝在物源方面主要是小于1mm的顆粒較多。綜合分析，在粒徑大于1mm的顆粒含量相差不多的情況下，如果粒徑小于1mm的顆粒含量增多，會很明顯的影響泥石流的起動條件，將會對泥石流的起動起一個促進作用。

3.3 坡度與泥石流起動關(guān)系

試驗采集樣本的地區(qū):燒火坪側(cè)溝，0°～28°，牛圈溝，3°～37.5°，將兩條溝分開來研究。

燒火坪側(cè)溝分六組坡度:8.63°，13.3°，14.48°，16.26°，19.88°，25.48°。

牛圈溝三組:13.3°，19.27°，22.3°。

坡度主要通過試驗水槽下端的支撐桿和墊磚塊來進行調(diào)節(jié)。

3.3.1 在相同物源下，不同坡度與泥石流起動的流量相關(guān)關(guān)系

燒火坪側(cè)溝實測6組坡度，坡度范圍在5°～30°之間，泥石流只會在坡度小于30°以下形成，坡度大于30°后就算滑坡，其對本研究相關(guān)性不大。圖9為燒火坪側(cè)溝在不同坡度下泥石流的起動關(guān)系。

由圖9可得，隨著坡度的增加，在相同物源條件下，泥石流表面流的形成流量及起動流量都相應(yīng)的降低?？梢姡谀嗍髌饎釉试S的坡度內(nèi)，泥石流起動雨強與坡度成負(fù)相關(guān)。下面再將牛圈溝的三組實驗做一個對照(圖10)。

圖9 燒火坪側(cè)溝泥石流起動與坡度的關(guān)系Fig.9 The fire ping side slope gully starting with the relationship

圖10 牛圈溝泥石流起動與坡度的關(guān)系Fig.10 Bull ring gully starting the relationship with the slope

通過分析可得，兩條坡的泥石流與坡度的相關(guān)關(guān)系基本一致，即在泥石流起動允許的坡度內(nèi)，泥石流起動流量(或雨強)與坡度成負(fù)相關(guān)關(guān)系。泥石流起動流量與坡度的關(guān)系較表面流的形成流量與坡度的關(guān)系明顯，表面流形成流量并不完全遵照圖10牛圈溝泥石流起動與坡度的關(guān)系，其與人為操作，實驗儀器的精準(zhǔn)程度以及對實驗的設(shè)計方法有一定關(guān)系，這些因素可以采取多組實驗的方法彌補。實驗前后我組一共進行了9組試驗，總體關(guān)系較明顯。

3.3.2 在相同物源下，不同坡度與泥石流起動的速度相關(guān)關(guān)系

圖11為燒火坪側(cè)溝泥石流起動速度與坡度的相關(guān)關(guān)系圖:

圖11 燒火坪側(cè)溝泥石流起動速度與坡度的關(guān)系Fig.11 The fire flat side slope gully starting speed and relationship

圖12為牛圈溝泥石流起動速度與坡度的相關(guān)關(guān)系圖:

圖12 牛圈溝泥石流起動速度與坡度的關(guān)系Fig.12 Cow circle gully starting velocity and gradient relationship

從燒火坪側(cè)溝和牛圈溝的實驗數(shù)據(jù)來看，其線性關(guān)系并不太明顯，其中有上下波動的情況，但從整個曲線的走勢上來看，是一個上升的趨勢。由圖可得，在泥石流起動允許坡度的范圍內(nèi)，泥石流的速度會逐漸增加。在實際的泥石流起動中，流通區(qū)可達幾百米甚至幾千米，在一個較小的初速度內(nèi)，會隨著向堆積區(qū)流動的過程中速度越來越大，其存在一個較大的加速過程。通過查閱相關(guān)資料，在坡度大于25°時候，泥石流起動加速度為0.4g，通過計算，達到堆積區(qū)的速度可以增加到幾十米每秒，這是相當(dāng)嚇人的。

3.4 與普通泥石流的對比

選取與映秀鎮(zhèn)震中距離358.25km的西昌市瑯環(huán)鄉(xiāng)，2008年9月19日拖郎河發(fā)生嚴(yán)重泥石流。當(dāng)日零時5分四川西昌市瑯環(huán)鄉(xiāng)發(fā)生泥石流，鄉(xiāng)政府所在的整個場鎮(zhèn)房屋幾乎全部被泥石流淹沒、20多間房屋瞬間垮塌、幾百名群眾被困。對于本研究項目而言，此處對比意義較大。

從上述兩組圖能很清晰的反應(yīng)出兩條溝泥石流在起動機制上的區(qū)別，在相同坡度條件下，明顯非強震區(qū)泥石流起動的臨界流量較大。在相同條件下，更不容易發(fā)生泥石流。我們可以直接采用他們的雨強柱狀圖對比(圖13):

圖13 普通泥石流區(qū)與強震區(qū)泥石流的雨強條件對比Fig.13 Ordinary landslide area compared with the rainfall intensity condition of strong earthquake debris flow

雨強的柱形圖可以看出，非強震區(qū)泥石流起動雨強遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于強震區(qū)。為此，我們必須對地震區(qū)的降雨進行詳細(xì)監(jiān)測和預(yù)報，強震區(qū)泥石流由于其起動雨強較小，所以非常易發(fā)。對國家和人民的人身安全和財產(chǎn)安全造成巨大的威脅。

4 結(jié)論

對汶川地震的震中映秀地區(qū)的兩條泥石流溝進行了研究。通過野外調(diào)查掌握了燒火坪側(cè)溝和牛圈溝的地形地貌、地層巖性、水文地質(zhì)條件等，并采集了泥石流堆積區(qū)的樣本。根據(jù)樣本的篩分實驗所得的顆粒級配和自制的泥石流發(fā)生裝置進行了室內(nèi)模擬實驗。通過控制坡度、降雨量、物源以及與非強震區(qū)泥石流的比較來進行強震區(qū)泥石流起動機制的分析。論文的主要內(nèi)容和結(jié)論有以下幾點:

(1)研究區(qū)泥石流物源異常豐富，地震作用造成物源分布范圍廣、數(shù)量大、穩(wěn)定性極差，這為泥石流的發(fā)生提供了有利的條件。泥石流將是該地區(qū)長時間持續(xù)的地質(zhì)災(zāi)害之一。

(2)室內(nèi)人工降雨模擬實驗研究的結(jié)果表明:①在顆粒粒徑大于1mm含量相差不大的情況下，顆粒粒徑小于0.5mm的顆粒含量與泥石流起動雨強成正相關(guān)。這對泥石流的發(fā)生可起一定的參照作用。②在粒徑大于1mm的顆粒含量相差不多的情況下，如果粒徑小于1mm的顆粒含量增多，會很明顯的影響泥石流的起動條件，將會對泥石流的起動起一個促進作用。③隨著坡度的增加，在相同物源條件下，泥石流表面流的形成流量及起動流量都相應(yīng)的降低。在泥石流起動允許的坡度內(nèi)，泥石流起動雨強與坡度成負(fù)相關(guān)。在泥石流起動允許坡度的范圍內(nèi)，泥石流的速度也會隨坡度逐漸增加。

(3)非強震區(qū)泥石流起動的于強遠(yuǎn)遠(yuǎn)小雨強震區(qū)。其原因除了當(dāng)?shù)氐墓こ痰刭|(zhì)環(huán)境外，主要是強震區(qū)泥石流物源異常豐富且穩(wěn)定性極差。因此對強震區(qū)泥石流的評價監(jiān)測和預(yù)測預(yù)報至關(guān)重要。

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