汶川地震極震區(qū)泥石流動力特征及參數(shù)研究
——以安縣高川鄉(xiāng)為例*

裴 鉆, 裴向軍, 張 雄, 顧文濤,鄭海君

(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)

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汶川地震極震區(qū)泥石流動力特征及參數(shù)研究
——以安縣高川鄉(xiāng)為例*

裴 鉆, 裴向軍, 張 雄, 顧文濤,鄭海君

(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)

2008年汶川8.0級地震發(fā)生以來，極震區(qū)泥石流爆發(fā)頻率有增無減且規(guī)模越來越大，破壞性越來越強，嚴重威脅災(zāi)區(qū)人民生命財產(chǎn)安全。對比采取現(xiàn)場勘查、遙感圖像分析、歷史資料對比分析等方法，分析了極震區(qū)泥石流動力特征受地形、地層、物源等因素的影響，特別是泥石流爆發(fā)過程中深侵蝕和潰決對泥石流動力特征的影響。針對四川安縣高川鄉(xiāng)流域泥石流溝的調(diào)查和分析，建立泥石流流量-沖刷模型，分析了常規(guī)地區(qū)泥石流峰值流量與極震區(qū)泥石流峰值流量差別，推導(dǎo)出極震區(qū)峰值流量及沖刷深度定量計算公式。通過實例分析，理論與實際具有較好的一致性，對極震區(qū)泥石流動力參數(shù)計算具有較好適用性和有效性。

極震區(qū)；泥石流；動力特征；參數(shù); 汶川地震；四川安縣

汶川8.0級大地震發(fā)生以來的大量事實表明，汶川震區(qū)崩塌、滑坡、泥石流活動仍極為旺盛[1-2]，尤其是極震區(qū)泥石流不斷地造成大量的人員傷亡及財產(chǎn)損失，如2008年北川縣“9.24”暴雨泥石流災(zāi)害致42人死亡，重要基礎(chǔ)設(shè)施損毀嚴重；2010年“8.13”強降雨使龍池鎮(zhèn)50余條溝同時爆發(fā)泥石流，進入龍溪河的固體物源總量達到1×107m3； 2013年“7.8”強降雨使安縣近100條溝同時爆發(fā)泥石流，導(dǎo)致該縣2萬余人受災(zāi)，失蹤10余人，尤其該縣高川鄉(xiāng)暴雨期間溝溝爆發(fā)泥石流，整個鄉(xiāng)鎮(zhèn)交通中斷成為孤島。震后規(guī)模不大或未造成重大人員傷亡的泥石流災(zāi)害更是不勝枚舉，經(jīng)歷6個雨季后，為什么汶川震區(qū)泥石流爆發(fā)頻率是有增無減且規(guī)模和危害性越來越大？

震后較多個國內(nèi)專家對汶川震區(qū)的研究表明在強降雨極端氣候的影響下，震后較長一段時間發(fā)生大規(guī)模地質(zhì)災(zāi)害是必然的，且難以杜絕。崔鵬認為“汶川震區(qū)地質(zhì)災(zāi)害將活躍維持20～30年”[3]；唐川認為“至少在10年內(nèi)，滑坡和泥石流活動趨勢是強烈的，之后將會經(jīng)歷恢復(fù)期，直至斜坡穩(wěn)定”[4]，謝洪等認為“可能持續(xù)10～30年，甚至更長時間”[5]。對于災(zāi)區(qū)目前來看泥石流是一種威脅及其嚴重的災(zāi)種，而且持續(xù)時間較長。尤其目前震后泥石流的特征研究主要集中在雷發(fā)洪等的震后泥石流激發(fā)雨量研究[6]，梁京濤等的強震區(qū)小流域泥石流發(fā)育特征研究[7]，劉洋等的龍池地區(qū)群發(fā)性泥石流物源敏感性分析[8]，然而對極震區(qū)動力參數(shù)研究較少，目前計算暴雨型泥石流動力特征參數(shù)研究的方法主要有形態(tài)調(diào)查法、配方法、綜合成因法和地區(qū)性統(tǒng)計經(jīng)驗公式法。其中在配方法中考慮堵塞因素，就是線性雨洪法[9]，是目前運用最廣泛的流量計算方法。對于沖刷深度目前針對水對建筑物沖刷深度進行研究相對較多，但對于泥石流沖刷深度研究較少，僅朱興華等對稀性泥石流的沖刷歸納成3種不同的模式，并分別推導(dǎo)了這3種不同沖刷條件下，河床面沖刷深度的計算方法進行了研究[10]。但對極震區(qū)泥石流動力特征及參數(shù)目前并沒有相應(yīng)的計算方法。傳統(tǒng)泥石流的動力參數(shù)計算公式不能滿足震后極震區(qū)泥石流計算要求，本文通過震后安縣高川鄉(xiāng)泥石流爆發(fā)前后現(xiàn)場勘查、遙感圖像分析、歷史資料對比等方法，具體分析了該區(qū)域泥石流的動力成因、流量、流速、侵蝕深度等動力因素，概括了受地震強烈影響區(qū)域的泥石流的一些動力特征及其適合震后泥石流動力參數(shù)的公式。

1 研究區(qū)概況

高川鄉(xiāng)位于四川省綿陽市安縣西北部，成都以北120km。出露地層有震旦系、寒武系、泥盆系、石炭系、二疊系、三疊系及新生界第四系松散堆積層。研究區(qū)為四川龍門山褶斷帶與四川盆地結(jié)合部，分屬兩個一級構(gòu)造單元：以大光包斜沖斷層為界，西北部屬龍門山地槽、東南部屬川西坳陷區(qū)；按構(gòu)造型式分為北東向擠壓帶、太平場旋轉(zhuǎn)構(gòu)造及綿陽帚狀構(gòu)造。該地區(qū)構(gòu)造發(fā)育，映秀-北川斷裂，是導(dǎo)致汶川8.0級地震活動的斷層，為推覆逆沖斷層, 斷層傾向NW, 傾角60°～70°(圖1)。

圖1 高川鄉(xiāng)泥石流溝分布圖

研究區(qū)震后多次發(fā)生泥石流，尤其在2013年7月8日21時至9日05時，安縣高川一帶受50年不遇的暴雨，總降雨量為341.7mm，4h(即8日22時至9日01時)降雨量為293.7mm，1h(8日23時)最大降雨量為99.3mm，超該區(qū)50年一遇雨強。暴雨形成洪流，攜帶大量堆積于溝谷、斜坡上的松散物質(zhì)，沖出溝谷，形成多條泥石流。其中主要泥石流溝包括：茶園溝、塘房溝、三叉溝、火石溝、水磨溝、鋤把溝、枇杷溝、洞子溝、甘溝，進入高川河的固體物源總量達到5×106m3其高川鄉(xiāng)典型泥石流溝分布見圖1。

2 研究區(qū)泥石流特征

通過震后極震區(qū)泥石流勘查、遙感圖像分析，極震區(qū)泥石流的動力參數(shù)的異常，主要是受極震區(qū)泥石流的特征影響，下面從高川鄉(xiāng)泥石流發(fā)生時地形特征、物源特征、侵蝕特征、潰決特征對極震區(qū)泥石流動力參數(shù)的影響進行分析。

(1)地形特征

高川鄉(xiāng)所在區(qū)域總體屬深切割構(gòu)造侵蝕中山地形，地勢北西高南東低，最高海拔為大光包3 047m，最低海拔約1 000m，地形陡峻，溝谷狹窄，坡度一般在30°～50°。一般情況認為地形越陡越容易產(chǎn)生滑坡和崩塌，但李忠生[11]認為在我國西南地區(qū),最容易觸發(fā)滑坡的坡度為 35°～45°之間;據(jù)統(tǒng)計，目前高川鄉(xiāng)93%滑坡發(fā)生在30°～40°地形坡度上，此坡度為汶川地震滑坡發(fā)育最為敏感的坡度，在此坡度上地震波對巖土體損傷也是最為嚴重，此類地形上潛在不穩(wěn)定斜坡較為發(fā)育，為暴雨工況下泥石流發(fā)生提供了大量的物源。

(2)物源特征

地震過程中地震觸發(fā)了數(shù)萬計的崩塌與滑坡，產(chǎn)生了巨量的松散物源。據(jù)地質(zhì)災(zāi)害詳細調(diào)查統(tǒng)計數(shù)據(jù)，在數(shù)量上汶川地震誘發(fā)的滑坡以小型、中型為主，而物源統(tǒng)計比例上以大型、巨型滑坡所占比例最多，總體上為坡頂巨型或大型滑坡較多，坡腳中型及小型滑坡較多，原因在于坡體下部高程低，體波傳遞過程耗能少，到達坡表后產(chǎn)生的面波能量大，同時可以結(jié)合地表傳來的面波，造成向上傳播的面波能量大于向下傳播的面波能量[12]。通過面波沿坡面向坡頂傳播，能量不斷地在山頂疊加，從而在頂部形成地震放大效應(yīng)。通過高川各溝域調(diào)查統(tǒng)計表明，在每條溝的頂部均有一個體積較大的崩滑體，如甘溝泥石流坡頂還有10×104m3殘余體，是主要的泥石流物源，如火石溝頂有300×104m3崩滑堆積體。研究區(qū)高程在800～1 600m范圍內(nèi)，地震放大效應(yīng)不明顯，在高程1600-1800m區(qū)間后凸顯，溝域內(nèi)高程1 800～2 100m范圍內(nèi)滑坡個數(shù)有所降低，但總體積與平均體積均突變，斜坡高程放大效應(yīng)明顯。由于溝頂多發(fā)育有大型高位滑坡，極震區(qū)泥石流溝頂松散物源異常豐富泥石流發(fā)作持續(xù)年份長，動力較大，破壞性極強。

(3)侵蝕特征

在強震作用下泥石流溝道頂部山體內(nèi)部損傷形成大量裂隙，由于后期降雨的作用，雨水沿巖體裂隙下滲形成靜水壓力，再加上自身重力作用，導(dǎo)致震裂面的延伸、擴展和貫穿，從而破壞巖體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，巖土體失穩(wěn)形成高位能體積型滑坡，滑坡堆積物進入溝道和強大的地表徑流一起下泄形成泥石流。強震泥石流對于溝道侵蝕主要有溝床侵蝕、溝岸侵蝕和溯源侵蝕3種[13-14]。此類泥石流運動中表現(xiàn)出了強大的侵蝕能力, 流體攜帶的巨大石塊強烈沖蝕、鏟刮溝岸和溝床,使溝道普遍加寬,溝床下切深度加大。此外,泥石流過程也產(chǎn)生了溯源侵蝕,泥石流的下切侵蝕迅速加深溝谷后,溝谷源頭因重力侵蝕作用加強而不斷向分水嶺方向后退,使溝谷長度不斷增加,形成溯源侵蝕。上述侵蝕作用表現(xiàn)在坡面泥石流的形成也很典型,發(fā)生在高川火石溝的高位堆積體泥石流,由于強大的水流侵蝕,在松散的滑坡堆積體表面下切形成細溝,隨著溝道的不斷加深拓寬和溯源侵蝕,最后塑造成典型的堆積體泥石流。因此具有高動能和高勢能的泥石流在下泄過程中，不斷地侵蝕溝道和溝道兩側(cè)斜坡，因此泥石流在運動過程中對運移過程存在強烈的刮鏟效應(yīng)[15]。據(jù)統(tǒng)計高川鄉(xiāng)泥石流溝90%的溝域產(chǎn)生溝床及溝岸侵蝕。

(4)潰決特征

地震崩滑體滑動后形成負地形，流域匯水能力顯著增強，雨水快速匯集，洪流如同“消防水管”快速集中對坡面松散體形成拉槽，對槽的兩側(cè)進行掏蝕，雨水混合松散體形成具有一定粘度的洪流。泥石流在溝道一定部位產(chǎn)生淤塞，隨著上游泥石流的不斷襲來，堰塞壩承受的推力逐漸增大，壩體浸潤線上升，孔隙水壓力升高，進而潰決[16]。產(chǎn)生的大流量高能量泥石流，對沿途崩滑堆積產(chǎn)生強大的掏蝕帶動作用，對溝道物源將產(chǎn)生揭底鏟刮作用，使泥石流流量進一步擴大。隨溝道的“陡緩“泥石流將表現(xiàn)“沖淤”的特征，部分溝道表現(xiàn)出多次潰決的現(xiàn)象。根據(jù)安縣高川鄉(xiāng)甘溝地震前后觸發(fā)泥石流臨界日降雨量的統(tǒng)計表明，該溝震前臨界日降雨量為297.8mm，震后臨界日降雨量為53.4mm，泥石流觸發(fā)條件降低了82.1%。震后泥石流的啟動及物源的帶動主要經(jīng)歷：匯流溝床侵蝕—堵塞—潰決—揭底。據(jù)調(diào)查高川鄉(xiāng)甘溝、火石溝、塘房溝、三叉溝等泥石流溝屬于潰決型泥石流。

綜上所述，極震區(qū)的地形、高位物源、侵蝕、潰決等特征，對泥石流動力特征影響較大，目前僅從定性的角度進行分析，下面對具體通過動力學(xué)的分析方法建立了泥石流沖刷模型，對極震區(qū)泥石流動力特特征參數(shù)進行定量分析。

3 泥石流動力參數(shù)計算

通過對極震區(qū)泥石流的特征分析，極震區(qū)泥石流動力參數(shù)與常規(guī)地區(qū)泥石流動力參數(shù)有較大的差別，利用泥石流沖刷過程中動量守恒作為基礎(chǔ)對泥石流的流量及沖刷深度進行定量計算。

3.1 峰值流量計算公式

梁至勇[17]利用動量守恒為基礎(chǔ)，對泥石流沖刷率的表達式進行了推導(dǎo)。本文依據(jù)泥石流在運動過程中能量的轉(zhuǎn)換，建立了一個基于動力學(xué)計算泥石流峰值流量的模型(圖2)。泥石流在運動過程中，流體必定會克服運動過程中流體和地表的阻力而消耗自身能量，同時阻力對溝床表面的物質(zhì)做正功，一旦流體摩擦阻力大于溝道顆粒之間的內(nèi)摩擦力，溝道中的物質(zhì)將隨著流體一起被帶走，流量不斷增加，從而導(dǎo)致下游的沖刷加劇。因此本文考慮到流量和沖刷率必然的關(guān)系，對溝道泥石流流量的公式進行推導(dǎo)。未考慮侵蝕作用(進入單元前流量沒有變化時)，第1和第2斷面能量守恒。

圖2 泥石流溝道侵蝕沖刷示意圖

(1)

由式(1)得：

(2)

考慮侵蝕作用，溝道流量變化，斷面1和2能量守恒：

γsQ(t)tanαv(t)t2+Fv(t)t+γsQtanαv(t)Δt2，

(3)

(4)

等式(2)～(4)得：

(5)

令溝床比降J=tanα，式(5)可改成：

(6)

(7)

令V1+V2=KV代入式(7)中得：

(8)

化簡為：

(9)

(10)

對微分方程(10)進行求解可得：

Q(t)()QB。

(11)

考慮到泥石流啟動時的初始流量，由式(11)可得峰值流量Qc：

Qc=Q(t)+χ()QB+χ。

(12)

Qc=ηA+χ。

(13)

式中：ρ′和γs分別指泥石流密度(kg/m3)和容重(N/m3)；Q1和Q2分別是泥石流沖刷前流量(m3/s)和沖刷后流量(m3/s)；Q表示沖刷過程中流量變化量；V表示流量變化部分的速度；F1和F2分別表示沖刷前和沖刷后泥石流受到的阻力(N)；χ為極震區(qū)初始流量修正值。

圖3 流量和A的關(guān)系曲線(頻率p=2%和5%)

由A和Qc的擬合結(jié)果表1可知，擬合的R2=0.963，由式(13)可得η=2 628且χ=30.89。

代入式(12)可以得到泥石流峰值流量：

(14)

表1 高川鄉(xiāng)典型泥石流溝流量擬合參數(shù)

3.2 沖刷深度計算公式

據(jù)梁至勇研究可知，沖刷面積BΔh與流量、最大渾水密度和洪水傳播速度之積存在一定的關(guān)系。

從圖4可得出：ρCQc=188.3BΔh。

圖4 沖刷深度與 擬合曲線

將上面Qc的公式代入到(14)得到：

(15)

4 計算實例與模型分析

以高川鄉(xiāng)的塘房溝、茬樹溝和鋤把溝為例(特征參數(shù)見表3)，對本文極震區(qū)泥石流流量計算公式進行驗算。從資料分析的結(jié)果看，用實測流量數(shù)據(jù)和本文式(14)計算的泥石流流量QcΔh進行分析比較。從表3可以看出，實測泥石流流量值及沖刷深度比雨洪法計算值大，并且放大倍數(shù)較大，說明雨洪法并沒有考慮放大因子、溝道寬度等因素，造成該方法在計算極震區(qū)泥石流流量不適用；而本文提出的計算方法計算的結(jié)果和實測流量有較高的吻合度，誤差都小于10%，可見本文方法的正確性和優(yōu)越性。

表2 高川鄉(xiāng)典型泥石流溝沖刷深度的擬合參數(shù)

表3 計算和實測流量及沖刷深度的對比

5 結(jié)論

(1)高川鄉(xiāng)93%滑坡發(fā)生在30°～40°地形坡度上，大-巨型滑坡均發(fā)生在該地形的高位，泥石流發(fā)生過程中產(chǎn)生的侵蝕和堵潰決作用，導(dǎo)致高川鄉(xiāng)泥石流的動力特征的異常。

(2)極震區(qū)泥石流通過動量守恒原理，建立了一個基于動力學(xué)計算泥石流峰值流量的模型，通過擬合極震區(qū)泥石流現(xiàn)場調(diào)查特征數(shù)據(jù)，得到了泥石流流量及沖刷深度的計算公式。再通過對實例分析計算得到的結(jié)果顯示誤差率都小于10%，計算的流量值和實際流量值有較好的吻合，說明本文方法的正確性和優(yōu)越性。

(3)該方法運用在汶川地區(qū)、北川地區(qū)、綿竹地區(qū)等汶川地震中地震烈度達到Ⅸ度的極震區(qū)中規(guī)模較大流域的泥石流流量計算具有一定的適用性。

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DynamicCharacteristicsandParametersofDebrisFlowsinWenchuanEarthquakeMeizoseismalArea——ACaseStudyonGaoChuaninAnxianCounty

Pei Zuan, Pei Xiangjun, Zhang Xiong, Gu Wentao and Zheng Haijun

(StateKeyLaboratoryofGeo-hazardPreventionandGeo-environmentProtection,ChengduUniversityofTechnology,Chengdu610059,China)

SinceM8.0Wenchuanearthquakein2008,theoutbreakfrequencyofdebrisflowsinthemeizoseismalareaisincreasingbothinnumberandscale,imperilinglifeandpropertysafetiesofpeopleinthedisasterareaseriously.Weusefieldexploration,remotesensingimageanalysis,historicaldataanalysisandothermethodstoanalyzetheinfluenceofdebrisflowdynamiccharacteristicsaffectedbyterrain,stratum,source,etcinmeizoseismalarea,especiallytheaffectionofdebrisflowintheprocessoflandslideoutbreakanderosion.AccordingtotheinvestigationandanalysisoftheGaochuanvalleydebrisflowgully,weestablishaflow-flushingmodeltoanalyzethedifferenceoflandslidedynamicparametersinthemeizoseismalareaandnormalregion,anddeducethequantitativecalculationformulaofpeakflowandscourdepthinmeizoseismalarea.Throughthecaseanalysis,wefoundthetheoryhasagoodconsistencywithpractice,whichhasagoodapplicabilityandeffectivenessincalculatingdynamicparametersofdebrisflowinthemeizoseismalarea.

meizoseismalarea;debrisflow;dynamiccharacteristic;parameter;Wenchuanearthquake;AnxianCountyinSichuan

2014-12-24 修改日期：2015-03-02

科技支撐計劃(2011BAK12B03)；四川省科技創(chuàng)新團隊項目(2011JTD012)

裴鉆(1980—)，男，四川渠縣人，博士，主要從事地質(zhì)災(zāi)害研究. E-mail: 27825683@qq.com

P642.2；X43

A

1000-811X(2015)03-0021-05

10.3969/j.issn.1000-811X.2015.03.004

裴鉆, 裴向軍, 張雄，等. 汶川地震極震區(qū)泥石流動力特征及參數(shù)研究——以安縣高川鄉(xiāng)為例[J].災(zāi)害學(xué), 2015,30(3):021-025. [Pei Zuan, Pei Xiangjun, Zhang Xiong，et al. Debris flow dynamic characteristics and parameters In Magistoseismic Areas[J].Journal of Catastrophology, 2015,30(3)：021-025.]