四川省汶川縣簇頭溝“7.10”泥石流災(zāi)害成因與特征分析*

嚴 炎，葛永剛，張建強，曾超

（1.中國科學(xué)院山地災(zāi)害與地表過程重點實驗室／中國科學(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.中國科學(xué)院大學(xué)，北京100049）

四川省汶川縣簇頭溝“7.10”泥石流災(zāi)害成因與特征分析*

嚴 炎1，2，葛永剛1，張建強1，曾超1，2

（1.中國科學(xué)院山地災(zāi)害與地表過程重點實驗室／中國科學(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.中國科學(xué)院大學(xué)，北京100049）

簇頭溝是岷江右岸一條低頻泥石流溝，受2013年7月極端暴雨的影響，暴發(fā)特大泥石流。結(jié)果顯示，汶川地震造成流域內(nèi)的坡面和溝道堆積的大量的松散物質(zhì)是泥石流形成的物源，流域上游暴雨及其形成的山洪是此次泥石流形成的激發(fā)因子?！?.10”泥石流為過渡性泥石流，泥石流容重約為1.8～1.9 t／m3，溝口處最大流速為9.2 m／s，峰值流量為515 m3／s，沖擊力達到3 657 t，輸沙總量約為50×104m3。泥石流過程表現(xiàn)為為暴雨（山洪）—滑坡（坡面泥石流）—泥石流—堰塞湖—潰決洪水。對震后低頻泥石流危險性認識不足、防治工程設(shè)計標(biāo)準偏低是此次災(zāi)害造成重大損失的主要原因。在未來災(zāi)害防治工程設(shè)計中，應(yīng)合理估計災(zāi)害規(guī)模和潛在風(fēng)險。

低頻泥石流；成因；特征；堰塞湖；簇頭溝；四川汶川

自2008年汶川8.0級地震以來，都江堰－汶川公路（以下簡稱都汶公路）沿線多次暴發(fā)泥石流，給沿線人民生活生產(chǎn)造成了巨大威脅［1－4］，如2010年8月14日，紅椿溝泥石流堵斷岷江，形成堰塞湖，迫使岷江洪水沖向映秀鎮(zhèn)，導(dǎo)致災(zāi)后重建的城鎮(zhèn)被淹，洪水泛濫造成13人死亡、59人失蹤，受災(zāi)群眾8 000余人被迫避險轉(zhuǎn)移［5］；2011年7月3日高家溝泥石流堆積扇擠壓河道，導(dǎo)致岷江沖毀對面路基，中斷交通十余天［6］。

汶川地震也造成一些非泥石流溝轉(zhuǎn)化成泥石流溝，如臨近綿虒鎮(zhèn)的簇頭溝等。2013年7月以來，汶川縣境內(nèi)持續(xù)強降雨，導(dǎo)致岷江沿岸數(shù)十條溝暴發(fā)泥石流災(zāi)害。其中簇頭溝泥石流持續(xù)約3 h，泥石流完全沖毀溝道內(nèi)斷面面積約25 m2，長約500 m的排導(dǎo)槽，造成溝道兩側(cè)的羌鋒村39戶農(nóng)房嚴重損毀，3人死亡、1人重傷、1人失蹤。泥石流還造成都汶高速公路綿虒段損壞5處，近100 m長的公路路面被泥石流堆積物淤埋，一度中斷交通。下游泥石流堆積物幾乎阻斷岷江，形成長約400 m的堰塞湖，導(dǎo)致水位升高約6 m，淹沒上游部分耕地與基礎(chǔ)設(shè)施，河床抬升的同時對都汶公路跨江大橋構(gòu)成威脅。

本文基于野外調(diào)查，重點分析“7.10”簇頭溝泥石流成因與成災(zāi)特征，為此類低頻泥石流災(zāi)害的預(yù)防提供借鑒。

1 研究區(qū)概況

簇頭溝位于岷江右岸，距綿虒鎮(zhèn)2 km（圖1），流域面積21.8 km2，主溝縱長約7.8 km，流域最高點海拔4 074 m，溝口海拔1 180 m，相對高差2 894 m，流域平均比降約420‰，主溝比降約為260‰。流域地形總體上屬深切割中高山地形，岸坡陡峻。出露地層主要為前震旦系黃水河群、下元古－太古界康定群、中元古代晉寧期，巖性主要以花崗巖、砂泥巖、斜長角閃巖為主。簇頭溝自1935年以來未曾發(fā)生過泥石流，溝口修建有羌鋒村，流域內(nèi)修建有排導(dǎo)槽一座。

據(jù)對簇頭溝泥石流災(zāi)害的訪問調(diào)查，該溝是一條老泥石流溝，1930年初期曾發(fā)生過一次規(guī)模較小的泥石流過程，未造成災(zāi)害。汶川地震后，簇頭溝溝道兩側(cè)斜坡變形破壞嚴重，溝內(nèi)物源增加，原溝道堵塞嚴重，極易發(fā)生規(guī)模較大的泥石流。

圖1 簇頭溝流域地形與測量斷面

2 簇頭溝“7.10”泥石流成因與物理特征

2.1 泥石流形成原因

2.1.1 降雨條件

由于本次強降雨過程中，綿虒雨量站的降雨數(shù)據(jù)部分缺失，因此采用距離簇頭溝10 km的桃關(guān)雨量站的數(shù)據(jù)資料來說明簇頭溝的降雨過程（圖2）。本次降雨從2013年7月8日開始，主要集中在7月9－10日。根據(jù)野外調(diào)查訪問，簇頭溝泥石流暴發(fā)于7月10日早上05：00左右，降雨開始到泥石流暴發(fā)之前的累積降雨為148.1 mm，激發(fā)雨強為18.6 mm／h。

圖2 桃關(guān)雨量站降雨過程示意圖

值得注意的是，由于地形較為復(fù)雜，山區(qū)降雨存在著很大的不均勻性，且與局部氣候差異有關(guān)，如本次7月10日降雨過程中，汶川縣城雨量站的峰值雨強為1.1 mm／h，草坡雨量站的峰值雨強為4.7 mm／h，桃關(guān)雨量站的峰值雨強為18.6 mm／h，而作者在映秀附近洱溝內(nèi)安裝的雨量站顯示的峰值雨強為23.8 mm／h。由此可見，本次都汶公路沿岸的降雨峰值雨強從南到北依次減小，因此，可推測簇頭溝溝口峰值雨強小于18.6 mm／h。同時，作者安裝在洱溝上游的雨量站，能客觀說明泥石流溝物源區(qū)的雨量，而桃關(guān)站等雨量站安裝在河谷地帶，僅能說明泥石流溝口及堆積區(qū)的雨量，對上游雨量缺乏客觀的記錄，因此僅能作為參考。

2.1.2 松散固體物質(zhì)供給

簇頭溝流域地處汶川8.0級地震極震區(qū)，流域內(nèi)崩塌、滑坡、滾石及不穩(wěn)定邊坡廣布，溝谷和山坡上形成大量的固體松散物質(zhì)，為泥石流的發(fā)育提供了豐富的物質(zhì)基礎(chǔ)。簇頭溝內(nèi)崩塌、滑坡體面積約為5.76 km2，坡降大于16°所占面積約為19.38 km2，松散物方量約為1 108×104m3，泥石流總量約為40×104m3［7］，物源區(qū)70%以上的溝道都堆積了大量松散堆積物，這些大量的松散固體物質(zhì)是泥石流的重要補給來源。

2.2 泥石流物理性質(zhì)

2.2.1 泥石流容重

泥石流在堆積扇上形成了大量的泥石流堆積物，表層顆粒有一定的分選，混雜堆積狀不明顯。本次野外調(diào)查在簇頭溝流域內(nèi)采集泥石流樣品2個（圖1），采樣地點1在泥石流流通區(qū)，溝道順直，泥石流整體呈沖刷特征，兩岸有堆積的泥石流體；采樣地點2位于泥石流堆積扇，因此樣品1和2分別可以代表泥石流流通和堆積過程的顆粒情況。泥石流顆粒分布曲線見圖3，根據(jù)對泥石流的現(xiàn)場調(diào)查和采集樣品的分析，本次泥石流的容重約為1.8～1.9 t／m3，為過渡性泥石流。

圖3 顆粒分布曲線

2.2.2 泥石流流速和流量

泥石流流速是決定泥石流動力特征和防治設(shè)計中最重要的參數(shù)之一。在簇頭溝內(nèi)選取2個斷面（圖1），分別測量斷面幾何參數(shù)，應(yīng)用形態(tài)調(diào)查法計算泥石流流速［8］、流量［9］，計算公式見式（1）和式（2），計算結(jié)果見表1。

表1 各洪峰斷面參數(shù)值

式中：Vc為泥石流過流斷面平均流速（m／s）；nc為泥石流溝床糙率；H為泥石流泥位（m）；I為泥石流斷面溝床坡降；Wc為泥石流過流斷面面積（m2）；Qc為泥石流流量（m3／s）。

1號斷面位于泥石流流通區(qū)，溝道順直，為峽谷地形，溝谷兩側(cè)岸坡急陡，溝床縱坡大，泥石流流速較大，1號斷面計算得泥石流峰值流量為645.0 m3／s；而2號斷面區(qū)域地勢較為平緩開闊，峰值流量為515.2 m3／s。

2.2.3 泥石流沖擊力

泥石流的沖擊力，特別是泥石流中巨石的沖擊力是造成建筑物毀壞的主要原因。本次泥石流搬運能力極強，堆積區(qū)內(nèi)粒徑超過1 m的巨石隨處可見，其中最大石塊長4.4 m，寬3.5 m，高2 m，如圖4所示。應(yīng)用式（3）計算泥石流的沖擊力［10］達3 657 t，可見其破壞力的巨大。這是簇頭溝內(nèi)工程措施損壞的一個重要原因。

式中：C1為縱波波速；Ad為石塊與被撞物體的接觸面積（m2），接觸面積按堆積扇上最大石塊的中、短徑所在平面面積的10%計算；F為石塊沖擊力（N）；Vd為石塊運動速度（m／s），dmax為石塊的最大粒徑；ρd為石塊密度（kg／m3）。

圖4 泥石流搬運的最大石塊

2.3 泥石流堆積物質(zhì)總量

根據(jù)溝道寬度和泥石流堆積厚度，堆積區(qū)從上到下可以分為A、B、C、D四段（圖5）。A段溝道順直，溝道平均寬度50m，溝道長度約1 000m，堆積物平均厚度2～3 m；B段河道較寬，溝道平均寬度約為80 m，長度約為800 m，堆積物厚度約為2～3 m；C段溝道較窄，為主要建筑物掩埋區(qū)，溝道寬度約為50 m，長度約為800 m，堆積厚度2～3 m；簇頭溝主溝內(nèi)泥石流堆積物平均厚度約為2～3 m，堆積面積約15×104m2，得出簇頭溝泥石流主溝淤積量約為30×104m3。D段為泥石流形成的堆積扇，堆積扇上緣寬約45 m，下緣寬210 m，長度約為150 m，淤積厚度約為8～10 m，得出溝口堆積量約為20×104m3，本次泥石流的堆積總量約為50×104m3，但由于泥石流直接匯入主河，大量沖出物質(zhì)被河水帶走，因此，本次泥石流的總量超過50×104m3，僅占簇頭溝溝內(nèi)松散物質(zhì)堆積體總量的4.5%，現(xiàn)在簇頭溝溝道內(nèi)仍然有大量的可以形成泥石流的堆積體。

圖5 泥石流堆積區(qū)示意圖

3 泥石流成災(zāi)特點

3.1 泥石流形成特點

簇頭溝泥石流具有明顯的鏈生過程與效應(yīng)，鏈生過程為暴雨（山洪）－滑坡－泥石流－堰塞湖－潰決洪水。強降雨產(chǎn)生超滲產(chǎn)流，由于水力作用，松散堆積坡體表面形成沖溝，隨著水流作用增強，沖溝展寬，造成兩側(cè)土體垮塌和溝底進一步侵蝕，侵蝕搬運松散土體。坡面溝道的形成不僅加快洪峰的到達，同時沖出的固體物質(zhì)淤高河床，抬升主溝洪水水位。隨著暴雨和山洪的持續(xù)進行，溝道兩側(cè)的滑坡松散堆積物前緣在徑流的強烈沖刷侵蝕下失穩(wěn)，形成泥石流。山洪或泥石流快速向下輸移的同時，起動溝床物質(zhì)，進一步擴大泥石流規(guī)模。泥石流堆積扇擠壓岷江河道，形成堰塞湖，造成主河水位升高。

3.2 沖刷破壞

快速運動的泥石流，尤其是其中的巨石具有很大的動能，能沖毀橋梁、堤壩、房屋等設(shè)施，本次簇頭溝泥石流搬運的最大石塊長、寬、高分別為4.4 m×3.5 m×2.0 m，具有強烈的沖擊力。泥石流強烈下切和橫向侵蝕主溝兩側(cè)的殘坡積物、階地，在得到沿途固體物質(zhì)的補給的同時也嚴重威脅和破壞溝道兩側(cè)民房與設(shè)施，造成排導(dǎo)槽側(cè)墻垮塌、排導(dǎo)槽槽底磨蝕破壞與揭底破壞（圖6），進而造成工程兩側(cè)或溝道兩側(cè)的39戶農(nóng)房被泥石流沖擊損壞。

圖6 泥石流沖毀排導(dǎo)槽

3.3 淤埋破壞

淤埋破壞是泥石流主要的破壞形式，多發(fā)生于泥石流溝溝口或地形寬緩區(qū)。都汶高速公路橫穿過簇頭溝溝道下游堆積區(qū)，由于橋涵設(shè)計凈空不足，阻礙泥石流的流通，泥石流運動的直進性導(dǎo)致其遇阻爬高，淤埋高速公路路面100 m。泥石流向下游運動時，淤塞溝口高速公路橋涵（圖7），造成下游河床抬升，威脅都汶公路跨江大橋。

圖7 泥石流淤塞都汶高速公路大橋

3.4 對耕地的破壞

在本次災(zāi)害中，羌鋒村總計25 hm2耕地損毀，如圖8所示。其中6 hm2耕地受到泥石流沖刷掏蝕，部分喪失耕作價值；19 hm2耕地被泥石流淤埋，造成農(nóng)作物絕收。耕地的破壞方式主要表現(xiàn)為：在簇頭溝上游流通區(qū)，泥石流沖刷、掏蝕溝道兩側(cè)耕地臺地，造成耕地垮塌；在簇頭溝下游堆積區(qū)，由于地形較平緩，泥石流流速降低，大量泥石流匯淤積，淤埋河谷耕地。

圖8 泥石流毀壞耕地

3.5 對居民點的破壞

沖擊和淤埋是此次泥石流對建筑物的主要破壞方式，本次泥石流共造成羌鋒村39戶農(nóng)房嚴重損毀，其中以沖擊作用為主致結(jié)構(gòu)破壞的房屋共33戶，另有6戶被泥石流攜帶的泥沙部分淤積。當(dāng)沖擊能量高于建筑物抵抗能力時，泥石流將摧毀建筑物，同時將部分動能轉(zhuǎn)化為建筑物形變產(chǎn)生的能量；當(dāng)泥石流動能不足以破壞建筑物主體結(jié)構(gòu)時，泥石流物質(zhì)會進入室內(nèi)導(dǎo)致淤埋破壞，即物質(zhì)積聚的過程；在此次泥石流，上述兩種情況都有發(fā)生，且受沖擊作用為主的建筑物破壞程度較淤積作用更為嚴重（圖9）。

圖9 泥石流沖毀房屋

3.6 對河道的影響

簇頭溝泥石流活動對河道的影響主要表現(xiàn)為泥石流沖入主河，堵塞、阻斷岷江，形成堰塞湖。泥石流在堆積區(qū)流速變緩、輸沙能力降低，大量淤積，形成最大寬度210 m，長150 m，厚度8～10 m的堆積扇。堆積扇強烈頂托岷江水流向?qū)Π镀?，形成回水長約400 m的堰塞湖。原本130 m寬的河道被泥石流堆積扇擠壓60 m，河水水位抬高6 m。

4 泥石流成災(zāi)原因

4.1 泥石流防治工程標(biāo)準偏低

本次泥石流災(zāi)害發(fā)生之前，簇頭溝流域內(nèi)僅修建有一座用于疏通小規(guī)模山洪災(zāi)害，保護村莊和農(nóng)田的排導(dǎo)槽，寬7 m、高3.5 m。汶川地震以后，主溝上游溝道內(nèi)產(chǎn)生豐富的松散物質(zhì)堆積，但卻未采取相應(yīng)的穩(wěn)坡固土措施，采取工程措施以有效調(diào)控、攔防泥石流。主溝下游都汶高速公路橋涵設(shè)計寬度為20 m，深5 m，可過流量為400 m3／s，而根據(jù)現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)，泥石流實際流量約為500 m3／s，表明橋涵凈空設(shè)計不足［11］，不能滿足泥石流正常流通，導(dǎo)致泥石流沖高淤埋路面，堵塞橋涵，造成巨大損失。

4.2 風(fēng)險估計不足

對泥石流發(fā)生位置、規(guī)模、危險程度認識不足，是導(dǎo)致建在溝口泥石流危險區(qū)的羌鋒村造成重大損失的重要原因。強降雨作用下，泥石流流量、規(guī)模大幅度增加，危害程度和范圍明顯增大（圖10）。原本修建在溝口兩側(cè)的居民設(shè)施擋住了泥石流的流路，導(dǎo)致30余戶民房被淤埋和損毀，泥石流對穿越泥石流堆積區(qū)的都汶高速公路和國道G213線也造成了很大危害。由于簇頭溝本身是一條低頻泥石流溝，且泥石流暴發(fā)前后，溝內(nèi)居民區(qū)降雨量偏小，因此居民的防災(zāi)意識不足，采取的防災(zāi)措施不充分，加重了災(zāi)害損失。

圖10 簇頭溝泥石流危險區(qū)示意圖

5 結(jié)論與討論

5.1 結(jié)論

（1）汶川地震后，簇頭溝溝道兩側(cè)斜坡變形破壞嚴重，溝谷和山坡上形成大量的固體松散物質(zhì)，為泥石流的發(fā)育提供了豐富的物質(zhì)基礎(chǔ)，在持續(xù)的較大降雨條件下，松散物質(zhì)可以源源不斷地被洪水起動形成規(guī)模巨大的泥石流。

（2）簇頭溝泥石流為過渡性泥石流，泥石流容重約為1.8～1.9 g／cm3，溝口處最大流速為9.2 m／s，峰值流量為515 m3／s，沖擊力達到3 657 t，泥石流的總量超過50×104m3。

（3）“7.10”簇頭泥石流沖出物質(zhì)總量僅占簇頭溝溝內(nèi)松散物質(zhì)堆積體總量的4.5%，泥石流暴發(fā)后簇頭溝溝道內(nèi)仍然有大量的可以形成泥石流的堆積體。簇頭溝在較大降雨下仍然可能暴發(fā)泥石流災(zāi)害，因此有必要對簇頭溝泥石流進行治理。

5.2 討論

（1）依據(jù)此類低頻泥石流活動特點進行泥石流防治工程的設(shè)計，適當(dāng)提高設(shè)防標(biāo)準。針對簇頭溝流域內(nèi)地形陡峻、溝內(nèi)松散物質(zhì)堆積量大等特點，實施以排為主，穩(wěn)、攔結(jié)合的防治措施。應(yīng)認真復(fù)核泥石流的參數(shù)，特別是泥石流容重、流速、流量等與工程設(shè)計密切相關(guān)的參數(shù)［12］，保證設(shè)計流量及沖出量計算的合理性。

（2）加強對都汶公路沿線地質(zhì)災(zāi)害隱患點的詳細排查工作，進一步研究泥石流的發(fā)育特征、形成條件和演化規(guī)律，在泥石流危險性評價和危險范圍預(yù)測時，應(yīng)考慮此類低頻泥石流的新特點。

（3）根據(jù)本次泥石流災(zāi)害的經(jīng)驗和教訓(xùn)，應(yīng)加強重點溝谷的監(jiān)測預(yù)警設(shè)施，強化簇頭溝溝口居民的減災(zāi)意識與基本技能培訓(xùn)，完善泥石流監(jiān)測預(yù)警體系和預(yù)案，提高防災(zāi)能力，減少損失。

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Research on the Debris Flow Hazards in Cutou Gully，Wenchuan County on July 10，2013

Yan Yan1，2，Ge Yonggang1，Zhang Jianqiang1and Zen Chao1，2
（1．Key Laboratory of Mountain Hazards and Earth Surface Progress，Chinese Academy of Scinces／Institute of Mountain Hazards and Environment，CAS，Chengdu 610041，China；2．University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China）

The catastrophic debris flow in Cutou gully resulted from extreme rainstorms，which is a low frequency debris flow gully on the right of Mingjiang river.The incompact substance in the gully is themain reason of the catastrophic debris flow；however，the rainfall and mountain torrent are the inducing factors.Debris flows are featured with sub-viscous debris flows，the density of1.8～1.9 t／m3，themaximum velocity of9.2 m／s，the peak discharge of 515 m3／s，the impact force of 3 657 t and the volume of 50×104m3.Debris flow induced disaster chains，including the process of rainstorm-landslide-debris flow-dammed lake-outburst flood.The shortage of dangerous low frequency debris flow gullies assessement and the destruction of debris flow control constructions leaded to huge property losses.It is strongly suggested for mitigation that estimated the scale of hazards resonably，strengthened assessement of the dangerous debris flow gullies.

low frequency debris flow；causes；characteristics；dammed-lakes；Cutou Gully；Wenchuan in Sichuan

TU457；X4

A

1000－811X（2014）03－0229－05

10.3969／j.issn.1000－811X.2014.03.042

嚴炎，葛永剛，張建強，等.四川省汶川縣簇頭溝“7.10”泥石流災(zāi)害成因與特征分析［J］.災(zāi)害學(xué)，2014，29（3）：229－234.［Yan Yan，Ge Yonggang，Zhang Jianqiang，etal.Research on the Debris Flow Hazards in Cutou Gully，Wenchuan County on July 10，2013［J］.Journal of Catastrophology，2014，29（3）：229－234.］

2013－11－25

2014－01－09

國家科技支撐項目（2012BAK10B04）；中國科學(xué)院重點部署項目（KZZD－EW－05－01）

嚴 炎（1989－），男，漢族，四川攀枝花人，碩士研究生，主要研究方向為泥石流監(jiān)測預(yù)警.

E－mail：yanyanyale＠foxmail.com