都江堰市龍池鎮(zhèn)李泉太溝泥石流災(zāi)害研究

廖彬 常鳴

摘要：“5·12”汶川地震后，位于地震災(zāi)區(qū)的四川都江堰龍池鎮(zhèn)暴發(fā)了群發(fā)性泥石流，給災(zāi)后重建工作帶來(lái)很大的難度。選擇其中的李泉太溝泥石流作為研究對(duì)象，通過(guò)野外調(diào)查、室內(nèi)分析和泥石流靜動(dòng)力學(xué)參數(shù)計(jì)算，如屈服應(yīng)力、流量、容重、沖出總量等計(jì)算，認(rèn)為地震產(chǎn)生的大量崩滑體為泥石流提供了直接物源，在暴雨條件下非常容易導(dǎo)致泥石流的產(chǎn)生；另外溝道陡峭、流量大、暴發(fā)隱蔽是李泉太泥石流的主要特征；李泉太泥石流的容重較大，屈服應(yīng)力較大，不僅能夠摧毀公路等基礎(chǔ)設(shè)施，還能夠造成堵江等次生災(zāi)害。根據(jù)研究結(jié)果，建議重點(diǎn)敏感地區(qū)采取相應(yīng)的工程措施，并且充分利用降雨閾值，對(duì)李泉太泥石流進(jìn)行監(jiān)測(cè)預(yù)警。

關(guān)鍵詞：降雨；泥石流；地震；都江堰

中圖分類(lèi)號(hào)：P642.23文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：

16721683（2014）02010205

Characteristics of Debris Flow Hazard of the Liquantai Gully in Longchi

Town of Dujiangyan County，Sichuan Province

LIAO Bin1，CHANG Ming2

（1.Sichuan investment group company of LTD，Chengdu 610015，China；

2.State Key Laboratory for GeoHazard

Prevention and GeoEnvironment Protection，Chengdu University of Technology，Chengdu 610059，China）

Abstract：After the May 12th Wenchuan Earthquake，the rainstorm caused the group debris flow hazards in Longchi Town of Dujiangyan County，Sichuan Province，which brought a lot of difficulty to the postdisaster reconstruction work.The Liquantai gully debris flow located in Longchi town was selected in the study，and its characteristics were determined through the field investigation，laboratory analysis，and calculation of static and dynamic parameters of debris flow such as the stress yield，flow rate，bulk density，and total outflow.The results showed that （1） the Wenchuan Earthquake generated lots of landslides，which were the supply for debris flow，especially under rainstorm conditions；（2） the Liquantai gully debris flow had the features such as steep channel，large flow，and concealed occurrence；and （3） the bulk density and stress yield of the Liquantai gully debris flow were large，which can not only cause damages to the infrastructure but also generate secondary disaster such as blocking river.The results indicated that the engineering measures need to be performed at the elevation range of 1400 to 1600 m，and the threshold value of precipitation was used for the monitoring and earlywarning of the Liquantai gully debris flow.

Key words：rainfall；debris flow；earthquake；Dujiangyan

2010年8月12-14日在汶川地震重災(zāi)區(qū)普降大暴雨，導(dǎo)致四川省都江堰市龍池鎮(zhèn)暴發(fā)群體性泥石流[2]，其中李泉太溝在下午16∶00發(fā)生大規(guī)模泥石流，對(duì)溝口民居及道路造成嚴(yán)重?fù)p壞，見(jiàn)圖1。野外調(diào)查發(fā)現(xiàn)，李泉太泥石流沖出物總量約8×104 m3，泥石流堆積體將溝口主干道路沖毀，掩埋部分房屋，部分固體顆粒沖入龍溪河，間接影響下游的紫坪鋪水庫(kù)安全。李泉太泥石流地處汶川地震重災(zāi)區(qū)，是泥石流活動(dòng)頻繁暴發(fā)的區(qū)域[1]，區(qū)內(nèi)溝壑極為發(fā)育，地震產(chǎn)生的大量崩滑體堆積在溝道兩側(cè)和溝道中，為泥石流提供了大量的松散物源。在泥石流堆積物的影響下河床整體都抬升了，直接造成了河水的堵塞和改道，從而為研究區(qū)的災(zāi)后重建、道路修復(fù)及工農(nóng)業(yè)復(fù)蘇帶來(lái)了很多不利的影響。

有研究表明[34]，地震過(guò)后的5～10年是泥石流高發(fā)階段，且具有群發(fā)、大規(guī)模的特點(diǎn)。本文通過(guò)李泉太溝泥石流的野外調(diào)查情況和遙感影像解譯的結(jié)果，分析李泉太泥石流的形成因素、基本特征，并詳細(xì)計(jì)算該泥石流的靜動(dòng)力學(xué)參數(shù)，例如容重、屈服應(yīng)力、流量、沖出總量等，為今后的重建工作提供依據(jù)和防治建議。

圖1李泉太溝全貌

Fig.1Full view of the of Liquantai gully

1研究區(qū)概況

李泉太溝泥石流位于龍池鎮(zhèn)南岳村，岷江一級(jí)支流龍溪河的左岸，距離龍池鎮(zhèn)約4 km，溝口地理坐標(biāo)為N 31°5′17″，E 103°33′42″。

根據(jù)都江堰市1957年-2008年的降雨資料，研究區(qū)多年平均降水量約為1 1348 mm，最少降雨量是1974年的7135 mm，最多降雨量是1978年的1 6054 mm；全年降水量的80%集中在5月-9月，其中8月為平均降水量最多的月份（平均2899 mm），1月為平均降水量最少的月份（平均127 mm）；李泉太溝1小時(shí)的最大降水量為839 mm，10分鐘的最大降水量為283 mm。因此研究區(qū)降雨總體特征表現(xiàn)為短時(shí)間、強(qiáng)度高和暴雨頻繁，非常利于泥石流等地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)育。

龍池鎮(zhèn)在地質(zhì)構(gòu)造上屬于華夏構(gòu)造體系龍門(mén)山構(gòu)造帶的中南段，處于映秀—北川斷裂帶的西北側(cè)。研究區(qū)新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈，地區(qū)性不均勻升降和斷裂活動(dòng)頻繁，地震頻發(fā)，巖石裂隙、斷裂和褶皺構(gòu)造非常發(fā)育，巖體破碎。根據(jù)《四川、甘肅、陜西部分地區(qū)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖（2008）》，該區(qū)域地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期是040 s，地震烈度可以達(dá)到XI度，地震動(dòng)峰值的加速度為020 g。

圖2李泉太溝地質(zhì)圖

Fig.2Geological map of Liquantai gully

李泉太溝流域內(nèi)第四系松散堆積物主要包括洪積物（Q4pl）、崩滑堆積物（Q4del）、崩坡堆積物（Q4e+dl），分布在泥石流溝的堆積區(qū)和流通區(qū)；震旦系下統(tǒng)火山巖組（Za）由灰綠色安山巖、凝灰?guī)r及安山玄武巖構(gòu)成，主要分布在泥石流形成區(qū)。另外，以砂巖、泥巖為主的三疊系須家河組（T3x）也有少量分布[5]（圖2）。

2.1地形因子

李泉太溝泥石流區(qū)屬于中山地貌，地表遭受切割風(fēng)化嚴(yán)重。泥石流發(fā)育區(qū)溝谷基本情況見(jiàn)表1，堆積區(qū)呈扇狀分布，面積約032 km2，相對(duì)高差660 m左右；形成區(qū)長(zhǎng)約630 m，高差約460 m，平均坡度30°，最大約40°；流通區(qū)長(zhǎng)約220 m，相對(duì)高差約120 m，平均坡度19°，最大約29°。地勢(shì)相對(duì)高陡的地區(qū)既有利于降雨匯流，又有利于松散堆積固體顆粒下滑。為了詳細(xì)觀察崩滑體自身的變化特征及演變規(guī)律，利用唐川提供的強(qiáng)震區(qū)滑坡體厚度及體積的計(jì)算公式得到研究區(qū)滑坡體的體積[6]。

t=1.432 Ln（SL）-4.985（1）

V=SL·t（2）

式中：t為滑坡體的厚度（m）；SL為滑坡體的面積（m2）；V為滑坡體的體積（m3）。

通過(guò)ERDAS軟件進(jìn)行分析，得到在不同高程條件下滑坡面積及體積在各個(gè)區(qū)間上所占滑坡體面積的比例（表2），發(fā)現(xiàn)在高程為1 400～1 600 m之間崩滑體最豐富，可以為泥石流提供充足的物源。

2.2坡度因子

根據(jù)研究區(qū)的地形地貌特征，利用Arcgis進(jìn)行坡度分析，得出李泉太泥石流溝的崩滑體體在不同坡度分級(jí)區(qū)間上的分布特征，見(jiàn)圖4及表3。

從表3可以看出，滑坡體在40°～60°的區(qū)間內(nèi)大量分布，在李泉太泥石流溝治理工程中必須注意這個(gè)坡度段的崩滑體分布情況。

圖3李泉太溝高程圖

Fig.3Elevation map of Liquantai gully

圖4李泉太溝坡度圖

Fig.4Slope map of Liquantai gully

2.3降水因子

2010年8月13日14∶00開(kāi)始，龍池鎮(zhèn)開(kāi)始持續(xù)降雨，8月13日16∶00左右李泉太泥石流開(kāi)始形成，持續(xù)約40 min。根據(jù)都江堰紫坪埔鎮(zhèn)降雨站資料，統(tǒng)計(jì)出泥石流暴發(fā)當(dāng)日的降雨強(qiáng)度和累積降雨量，見(jiàn)圖5。暴發(fā)前的累積降雨量為572 mm，8月13日17∶00達(dá)到最大小時(shí)降雨量，為75 mm。

圖5小時(shí)降雨和累積降雨

Fig.5Hourly and accumulated precipitation

根據(jù)Caine[7]和Jibson[8]的降雨持續(xù)時(shí)間和雨強(qiáng)關(guān)系，見(jiàn)表4，確定了泥石流暴發(fā)降雨閾值。

李泉太泥石流“8·13”最大小時(shí)降雨強(qiáng)度可以達(dá)75 mm，遠(yuǎn)高于由Caine公式得出的1482 mm和Jibson公式得出的3053 mm，超過(guò)了泥石流暴發(fā)的臨界閾值。降雨閾值可以為李泉太泥石流災(zāi)害提供預(yù)警依據(jù)。

2.4物源因子

李泉太泥石流距離“5·12” 汶川地震的震中區(qū)直線距離大約為48 km。地震形成許多滑坡體，使得大量的松散物質(zhì)堆積于泥石流溝道、坡麓兩側(cè)，為李泉太泥石流的形成提供了直接物源，見(jiàn)圖6。

圖6溝道中的物源

Fig.6The material sources in the debris flow gully

另外，在斜坡體的表面尤其是坡腳地段風(fēng)化現(xiàn)象特別嚴(yán)重， 風(fēng)化層在汶川地震過(guò)程中的變得松動(dòng)，極易沿溝道滑動(dòng)。

震前、震后組織進(jìn)行實(shí)地野外調(diào)查，發(fā)現(xiàn)地震前幾乎沒(méi)有崩滑體產(chǎn)生，地震后產(chǎn)生了大量的崩滑體，并且有很多的崩滑體隨著泥石流沖入龍溪河。具體采用震前2007年9月融合后分辨率15 m的TM影像和震后2010年4月分辨率25 m的Spot影像進(jìn)行分析研究，具體見(jiàn)圖7。

圖7地震后流域內(nèi)物源情況

Fig.7The material sources in the debris flow gully

3李泉太泥石流參數(shù)特征

為了分析李泉太泥石流的破壞力機(jī)理，對(duì)其靜動(dòng)力學(xué)參數(shù)進(jìn)行了計(jì)算分析。

3.1泥石流容重

通過(guò)對(duì)野外采集的李泉太泥石流的樣本進(jìn)行在實(shí)驗(yàn)室篩分實(shí)驗(yàn)，得出顆粒分布曲線，重點(diǎn)用來(lái)計(jì)算泥石流容重，見(jiàn)圖8。李泉太泥石流堆積區(qū)堆積物分選性極差，溝道中最大塊石的長(zhǎng)為10 m，寬為07 m，高為05 m，碎塊石中充填有大量細(xì)粒砂土。

利用公式（1）[9]，計(jì)算得到李泉太溝泥石流容重為191 g/cm3 。

γD=γO+P2P050.35γV（1）

式中：γD為黏性泥石流容重（g/cm3）；γO為泥石流的最小容重，取15 g/cm3；P2為大于2 mm的粗顆粒含量， 取0542；P05為小于005 mm的細(xì)顆粒含量（小數(shù)表示），取006；γV為黏性泥石流最小容重，取20 g/cm3。

根據(jù)研究經(jīng)驗(yàn)，在不同的地方取的樣品會(huì)出現(xiàn)不同的容重值。又根據(jù)李泉太泥石流野外的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，決定將其容重修正值為20 g/cm3。因此，李泉太泥石流溝屬于黏性泥石流。

圖8顆粒分布曲線

Fig.8The curve of grain size distribution

3.2泥石流屈服應(yīng)力

反映黏性泥石流特征的一個(gè)非常重要的參數(shù)就是泥石流的屈服應(yīng)力。研究表明，泥石流容重、泥石流最大淤積厚度、淤積坡度與泥石流體屈服應(yīng)力之間有著密切的關(guān)系[10]。

τB=γ′gh sinθ（2）

式中：τB為泥石流屈服應(yīng)力（Pa）；γ′為泥石流相對(duì)容重，γ′=γC-γ0（kg/m3）；γC為泥石流容重，取2 000 kg/m3；γ0為環(huán)境容重，γ0≈0（陸面），γ0=1 000 kg/m3（水中）；g為重力加速度，取981 m/s2；θ為坡度，取5°；h為泥石流的最大堆積厚度，取25 m。

利用公式（2）計(jì)算得到泥石流屈服應(yīng)力為4 276 Pa，說(shuō)明李泉太泥石流的屈服應(yīng)力較大，能夠有效地抵抗河流對(duì)堆積區(qū)泥沙固體的沖刷。

3.3泥石流動(dòng)力學(xué)參數(shù)

為了確定李泉太泥石流的洪峰斷面面積，泥石流的流速、流量、沖出量等參數(shù)，在泥石流流通區(qū)選擇了一個(gè)斷面進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)表5。

李泉太泥石流的平均運(yùn)動(dòng)速度采用余斌[11]提出的公式（3）進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)表5。

V=1.1（gR）1/2s1/3D50 D101/4（3）

式中：V為黏性泥石流平均運(yùn)動(dòng)速度（m/s）；g為重力加速度（m/s2）；R為黏性泥石流水力半徑；s為黏性泥石流運(yùn)動(dòng)縱比降；D50為泥沙顆粒中百分比小于50%的顆粒直徑，取18 mm；D10泥沙顆粒中百分比小于10%的顆粒直徑，取012 mm。

利用公式（4）計(jì)算李泉太泥石流的流量，結(jié)果見(jiàn)表5。

Q= V×A（4）

式中：Q為李泉太泥石流的洪峰流量（m3/s）；V為李泉太泥石流平均流速（m/s）；A為李泉太泥石流洪峰斷面面積（m2）。

利用公式（5）[12]計(jì)算洪峰流量的泥石流沖出量。

W=0.264×T×Q（5）

式中：W為泥石流沖出量（m3）；Q為李泉太泥石流洪峰流量（m3/s）；T為李泉太泥石流的持續(xù)時(shí)間，取2 400 s。

計(jì)算得到李泉太泥石流固體沖出物與野外實(shí)際調(diào)查的數(shù)據(jù)基本符合。由此可以看出李泉太泥石流具有很高的破壞力，能夠沖出大量的松散固體顆粒，足以對(duì)溝口處的都汶公路及附近的居民造成嚴(yán)重威脅。

4結(jié)論與建議

（1）“5·12”汶川地震造成大量的崩滑體滯留在高程1 400～1 600 m，坡度40°～60°的溝道中，直接為李泉太溝泥石流提供了豐富的物源。因此在治理李泉太泥石流時(shí)，應(yīng)在敏感區(qū)范圍內(nèi)重點(diǎn)采取相應(yīng)的工程措施。

（2）暴雨天氣是誘發(fā)李泉太泥石流的另一主要因素。因此遭遇極端降雨時(shí)，要充分利用降雨雨強(qiáng)-持續(xù)時(shí)間關(guān)系確定的降雨閾值，對(duì)李泉太泥石流進(jìn)行監(jiān)測(cè)預(yù)警。

（3）計(jì)算結(jié)果表明，李泉太泥石流的容重較大，屈服應(yīng)力較大，不僅能夠摧毀公路等基礎(chǔ)設(shè)施，還能夠造成堵江等次生災(zāi)害。因此必須加強(qiáng)監(jiān)測(cè)預(yù)警，及時(shí)提供防災(zāi)避險(xiǎn)信息，并對(duì)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)進(jìn)行工程治理，最大限度的減少損失。

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