平武縣石坎河小流域震后泥石流活動特征及工程防治建議

郭岐山,肖建兵,關(guān)新芳

(1.青海工程勘察院，青海 西寧 810016; 2.河北省第一測繪院，河北 石家莊 050031;3.河北省第三測繪院，河北 石家莊 050031)

0 引言

汶川地震是新中國成立以來破壞性最強(qiáng)、波及范圍最廣、誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害最為嚴(yán)重的一次特大地震。地震發(fā)震斷裂-映秀—北川斷裂帶上有5 個錯列段或轉(zhuǎn)折部位，即耿達(dá)-映秀段、小魚洞段、紅白-茶坪段、擂鼓-陳家壩段和青川的東河口-南壩段，汶川地震觸發(fā)的近百個巨型、大型滑坡和大規(guī)模群發(fā)性泥石流災(zāi)害無一例外的都分布在些段上，石坎河小流域位于青川的東河口-南壩段上，強(qiáng)震后流域內(nèi)滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害顯著增強(qiáng)，目前人們已經(jīng)基本摸清了流域內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)育分布規(guī)律、形成機(jī)理，但對流域內(nèi)泥石流的演化趨勢、持續(xù)時間、防治工程效果尚不明確且研究甚少[1-3]。本文通過長期的追蹤調(diào)查與研究，結(jié)合流域內(nèi)地質(zhì)環(huán)境條件、震后泥石流活動特征，預(yù)測流域內(nèi)泥石流的發(fā)展演化趨勢，討論其工程防治的最佳時機(jī)，為今后這種在地震中泥石流形成的三大主控因素中，最重要因子由震前的短歷時降雨量變?yōu)樗缮⒐腆w物質(zhì)量了震區(qū)泥石流工程防治提供借鑒，并有利于汶川地震災(zāi)區(qū)系統(tǒng)研究[1-3]。

1 自然環(huán)境背景

1.1 流域概況

石坎河流域位于平武縣東南部，南距市府綿陽128 km，西南至成都216 km，與汶川地震震中映秀鎮(zhèn)直線距離僅有145 km(圖1)。流域內(nèi)地形蜿蜒起伏，總體地勢呈東北高、西南低，流域面積74.11 km2，主溝總長8.62 km(將石坎河主溝石坎場鎮(zhèn)以上部分洪溪河定為一級支溝，且只取至牛圈溝)，較大的一級支溝有洪溪河(主溝長12.93 km)、興坪溝(主溝長4.95 km)、杏子樹溝(主溝長2.96 km)、遠(yuǎn)門子溝、螞蟥溝、壽堂溝和花石子溝等7條，共發(fā)育流域面積大小不一的泥石流溝 10處(圖2～3、表1)。

圖1 石坎河流域位置圖Fig.1 Scope of Shikan River Basin

1.2 地形地貌

石坎河所在地位于揚(yáng)子準(zhǔn)地臺、西秦嶺褶皺帶，以及松潘-甘孜褶皺帶三大一級大地構(gòu)造單元的結(jié)合部位，屬構(gòu)造侵蝕中切割低中山—中山地貌、斜坡沖溝地形，流域內(nèi)山巒綿延，層嶺疊障，地形陡峻，為崩塌、滑坡、不穩(wěn)定斜坡等不良地質(zhì)現(xiàn)象的發(fā)育孕育了良好的地形條件。該流域總體地勢呈東北高、西南低，東北部最高處板板巖海拔3 010 m，西南部最低石坎河與涪江交匯處海拔685 m，兩地高差2 325 m，主溝中下游相對較平坦，溝道平均縱比降75‰；兩岸支溝地勢陡峭，坡度多在25°～45°之間，支溝平均縱比降均在300‰以上。

圖2 石坎河流域全貌影像圖Fig.2 The image of Shikan River Basin

圖3 石坎河流域平面圖Fig.3 Drainage map of Shikan River Basin

編號名稱岸別規(guī)模等級相對最大高差/m流域面積/km2主溝長度/km主溝縱坡降/‰暴發(fā)泥石流次數(shù)N01文家壩村梨子壩泥石流右岸中型5400.611.015353N02文家壩村花石子泥石流右岸中型6960.751.235663N03文家壩村壽堂溝泥石流右岸小型8050.871.415712N04建康村螞蟥溝泥石流右岸中型8222.112.113904N05建康村李家溝泥石流左岸小型13583.523.583794N06建康村杏子樹溝泥石流右岸小型9541.752.773449N07興坪溝泥石流左岸大型59412.964.9512010N08建全村大水溝泥石流左岸小型5020.350.955283N09健全村巖兒子溝泥石流右岸大型6890.881.644201N10洪溪村竹林溝泥石流左岸小型8152.532.583162

1.3 地層巖性

流域內(nèi)出露最老地層是組成基底構(gòu)造層的前震旦系通木梁群細(xì)碧角斑巖建造；上震旦統(tǒng)碎屑巖—碳酸巖建造及下寒武統(tǒng)含錳硅質(zhì)巖建造組成蓋層的下部，奧陶系僅殘留有少量中統(tǒng)寶塔組泥質(zhì)結(jié)晶灰?guī)r；流域內(nèi)變質(zhì)巖以三疊系西康群為主，巖性主要為變質(zhì)砂巖、砂質(zhì)板巖，次為結(jié)晶灰?guī)r、千枚巖等；志留系茂縣群組，巖性以變質(zhì)砂巖為主，少量板巖、硅質(zhì)巖、結(jié)晶灰?guī)r等。第四系松散堆積物分布廣泛，且第四紀(jì)經(jīng)歷過多期冰川活動，冰川地貌遺跡、冰磧、冰水堆積較多。

1.4 地質(zhì)構(gòu)造

石坎河位于揚(yáng)子準(zhǔn)地臺、西秦嶺褶皺帶、松潘—甘孜褶皺帶三大一級大地構(gòu)造單元的結(jié)合部位，經(jīng)歷晉寧—澄江運(yùn)動、印支運(yùn)動、燕山運(yùn)動、喜山運(yùn)動等多次構(gòu)造變動，形成了不同特征的構(gòu)造體系。流域內(nèi)分布了龍門山中央斷裂、青川-古城斷裂和虎牙斷裂三條主要斷裂，南壩-關(guān)莊斷裂線上(龍門山中央斷裂，走向北48°東，向西北，傾角35°～ 45°)沿石坎河主河道展布，構(gòu)造活動強(qiáng)烈。

1.5 氣象水文

石坎河位于青藏高原向四川盆地過渡的東緣地帶，受東南、西南季風(fēng)和青藏高原冷空氣雙重影響，氣候要素隨著海拔高度的變化而呈垂直分布,流域內(nèi)屬亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，多年平均氣溫14.7 ℃，最高值15.1 ℃，最低值13.9 ℃，極端最高溫37 ℃，極端最低溫-7 ℃；多年平均降水量為806.0 mm，具明顯的冬干、春旱、夏澇、秋淋的特點(diǎn)，5～9月降水量占全年降水量的80%，降水的入滲既可增加坡體自重，又會軟化土體降低土的抗剪強(qiáng)度。石坎河水量豐沛，洪水期與枯水期流量變化大，而年際變化卻較小，年平均流量約12.8 m3/s，年平均徑流總量約為6.8×108m3，涪江平均流量153 m3/s，平均徑流總量47×108m3/a。

2 流域內(nèi)泥石流活動情況

“5·12”汶川地震前，石坎河流域內(nèi)生態(tài)環(huán)境較好，地質(zhì)災(zāi)害不發(fā)育，近20年從未發(fā)生過泥石流災(zāi)害，但流域內(nèi)人類工程活動較強(qiáng)烈，構(gòu)筑物多依山而建，地基多須做削坡或填方處理，四川省平武錳業(yè)(集團(tuán))有限公司石坎錳礦(年產(chǎn)量3×104t)在流域內(nèi)大量開采錳礦，修建大量了礦山公路、采礦隧洞。石坎河流域處極震區(qū)，地震烈度高達(dá)11度，震后山河巨變，流域內(nèi)巖體變得破碎、褶皺發(fā)育，碎屑物質(zhì)變得豐富，第四系沖洪積、殘坡積、崩坡積土、重力堆積、沖洪積等成因類型的松散土體廣泛分布(圖4)。據(jù)震后地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急排查項(xiàng)目成果顯示，汶川地震致使石坎河流域內(nèi)成群產(chǎn)生100余處山體滑坡、崩塌(圖5)，強(qiáng)震還導(dǎo)致流域內(nèi)出現(xiàn)兩處大型堰塞湖：水觀鄉(xiāng)鳳鶴村馬鞍石堰塞湖、南壩鎮(zhèn)文家壩堰塞湖(圖6)，馬鞍石堰塞湖壩高50 m，蓄水達(dá)6.50×106m3，文家壩堰塞湖壩高40 m，蓄水達(dá)5.50×106m3。

圖4 鄭家山滑坡群Fig.4 Photo of Zhengjiashan Landslide group

震后流域內(nèi)首次暴發(fā)泥石流災(zāi)害是在2008年9月24日，在50(p=2%)年一遇的大暴雨后石坎河及其支溝興坪溝、洪溪溝同時暴發(fā)泥石流，造成重大經(jīng)濟(jì)財(cái)產(chǎn)損失，暴雨還導(dǎo)致地震誘發(fā)的多處滑坡進(jìn)一步活動并進(jìn)入主溝，主河河床受支溝泥石流輸沙影響，河床底被大幅度提高。2009年7月15日～16日凌晨，流域內(nèi)普降暴雨，降雨量超過200 mm，暴雨造成大面積山體滑坡和泥石流，致使石坎、水觀鄉(xiāng)成為孤島，主河河床受支溝泥石流輸沙影響，河床底被進(jìn)一步提高。2010年8月13日，石坎河流域內(nèi)日降雨量達(dá)223.3 mm、1小時最大降雨量達(dá)60 mm，強(qiáng)降雨匯聚的地表水挾帶山體表層松散體沿2009年“9·24”泥石流形成的沖溝徑流，揭底下切各支溝溝底和掏蝕切割兩岸松散堆積體，在流體的動力作用下往主溝運(yùn)動，在運(yùn)動過程中不斷攜帶沿途松散物質(zhì)，產(chǎn)生滾雪球效應(yīng)，多支溝發(fā)生大規(guī)模泥石流災(zāi)害。

圖5 石坎河流域震后地災(zāi)分布圖Fig.5 The disaster distribution map of Shikan River Basin after earthquake

2011年5月9日至8月31日石坎河流域內(nèi)歷經(jīng)了10次50 mm以上降雨量，單次最大降雨總量達(dá)180 mm，小時最大降雨量達(dá)54.5 mm，其中“8·20”暴雨，石坎河流域降雨量達(dá)118 mm，流域內(nèi)多條支溝暴發(fā)泥石流。2012年雨季，由于總體降雨量偏少，最大降雨的強(qiáng)度偏低，石坎流域的泥石流活動較弱，未造成大的經(jīng)濟(jì)財(cái)產(chǎn)損失。2013年7月9日晚至10日清晨，石坎河流域內(nèi)普降暴雨，累計(jì)降雨量800至1 150 mm，石坎河流域暴發(fā)群發(fā)性泥石流(7.9洪災(zāi))，此次群發(fā)泥石流規(guī)模是震后流域內(nèi)最大的一次泥石流災(zāi)害，沖毀大量房屋、工廠。2014年7月10日，石坎河片區(qū)降雨量達(dá)75.6 mm，暴雨造成流域內(nèi)新增地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)或致原有地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)變形加劇，受持續(xù)降雨影響，石坎河流域內(nèi)多條道路受到嚴(yán)重?fù)p毀，多處發(fā)生大面積垮方。2015年和2016年汛期，流域內(nèi)暴發(fā)多次小規(guī)模泥石流，主河道也進(jìn)一步被淤高。統(tǒng)計(jì)分析區(qū)內(nèi)近年來發(fā)生的多起泥石流災(zāi)害，石坎河流域內(nèi)泥石流活動特征有：(1)震前石坎河流域每年汛期多暴雨，但泥石流災(zāi)害不發(fā)育。汶川地震后，該區(qū)域泥石流起動的前期累積雨量降低15.8%～20.1%，小時雨強(qiáng)降低26.4%～33.6%，且每年雨季流域內(nèi)都有不同規(guī)模的泥石流發(fā)生，泥石流啟動雨量、雨強(qiáng)降低、暴發(fā)頻率增大；(2)多次強(qiáng)降雨作用下幾乎每個支流每個支溝都有不同規(guī)模的泥石流發(fā)生，呈群發(fā)性；(3)“5·12”地震致使流域內(nèi)溝道兩側(cè)產(chǎn)生大量崩滑體堆積于溝道內(nèi)堵塞形成卡口，在強(qiáng)降雨條件下，溝道內(nèi)的水流量大于了壩體滲漏量，產(chǎn)生積水潰決，為泥石流等的暴發(fā)提供了更利的水動力條件，因此震后泥石流的首次暴發(fā)多具堵潰特點(diǎn)；(4)由于石坎河流域支溝縱坡降較大，主溝縱坡降相對較小，所以經(jīng)過多次泥石流災(zāi)害后支溝溝道多下切，主河道淤積嚴(yán)重；(5)泥石流運(yùn)動過程中對溝谷兩側(cè)山體沖刷，導(dǎo)致溝谷兩側(cè)山體失穩(wěn)，滑坡體滑入河床，補(bǔ)充泥石流物源，災(zāi)害疊加，災(zāi)害規(guī)模增大，危害增加，災(zāi)害疊加放大效應(yīng)明顯[6-9]。

圖6 文家壩堰塞湖Fig.6 Photo of Wenjiaba Landslide dam

汶川地震誘發(fā)的崩塌、滑坡堆積的穩(wěn)定性很差，在通常情況下，斜坡上的堆積體會有一個不斷壓密、調(diào)整的過程，并可能伴隨小規(guī)模的失穩(wěn)現(xiàn)象，在雨季連續(xù)的強(qiáng)降雨下，斜坡上的堆積物在水流的作用下，穩(wěn)定性惡化，會出現(xiàn)較大規(guī)模的失穩(wěn)，并以滑坡、坡面泥石流的形式向溝谷中匯集，這是一個長期演變的過程，只是在雨季時，斜坡堆積物向溝道匯集得多，匯集速度快，而在平時，轉(zhuǎn)移慢，匯集少，2008～2013年的5年，流域內(nèi)滑坡極為活躍，保持了較高的滑坡強(qiáng)度，期間流域內(nèi)的泥石流活動強(qiáng)度也異?；钴S。泥石流形成主要有三大因素：豐富的松散固體物質(zhì)來源、足夠泥石流運(yùn)動的地形坡度和水源條件等，如何認(rèn)識和評價汶川地震后流域內(nèi)泥石流發(fā)展趨勢，實(shí)際就是看泥石流流域內(nèi)地形改變情況、物源減少情況、排水暢通情況，因此對汶川地震災(zāi)區(qū)泥石流發(fā)展趨勢評價應(yīng)與地震地質(zhì)災(zāi)害后效應(yīng)分析相結(jié)合[4]。

2008年6月流域內(nèi)共有物源點(diǎn)56個，物源類型主要包括崩滑堆積物源、溝道堆積物源和坡面侵蝕物源等三類,各個物源點(diǎn)的物源并不是全部參與泥石流活動，只有在足夠強(qiáng)度的降雨條件下，可用的松散物源體才可能在洪水或泥石流卷動、裹挾下參與泥石流的活動，其它部分則可能在寬緩地帶或溝中相對平緩溝段內(nèi)停積下來，不會參與整個泥石流的活動，因此，可能參與泥石流活動的物源量并各個物源點(diǎn)的物源量的簡單相加，各個物源點(diǎn)提供的物源量應(yīng)為參與溝槽的泥石流活動，并運(yùn)移至溝口堆積區(qū)一帶為有效物源量，統(tǒng)計(jì)計(jì)算得出溝域內(nèi)松散固體物源總量為1.588×107m3(表2)。參照近期大的泥石流活動(2008年9月24日泥石流、2009年7月15日、2010年8月13日泥石流、2011年8月20日、2013年7月9日泥石流)情況，其固體物質(zhì)沖出總量約為3.559×106m3，占流域動儲量的22.4%，同時在泥石流運(yùn)動過程中，隨著溝道縱比降和寬度的變化，有的地段發(fā)生水沙分離，必然有相當(dāng)部分固體物質(zhì)沿溝道發(fā)生堆積，而不會沖出泥石流溝，因此，從石坎河流域地形改變情況、物源減少情況、排水暢通情況可以看出，該流域內(nèi)暴發(fā)泥石流的規(guī)模會逐漸減小，即未來該溝暴發(fā)的泥石流規(guī)模一般不會再超過2013年7月9日的泥石流規(guī)模，但鑒于每年汛期流域內(nèi)部分支溝還有小規(guī)模泥石流災(zāi)害發(fā)生且近年震裂山體災(zāi)害頻發(fā)(都江堰三溪村滑坡、茂縣新磨村滑坡)，推測流域內(nèi)的地質(zhì)災(zāi)害將持續(xù)更長時間，因此要將泥石流的破壞性完全消除，就必須進(jìn)一步對泥石流溝采取適宜工程措施進(jìn)行防治，同時開展群測群防工作，充分利用群測群防的優(yōu)勢來監(jiān)測泥石流，及時報(bào)道雨情、雨季加強(qiáng)對泥石流溝及其兩側(cè)谷坡的監(jiān)測，加強(qiáng)溝域植被保護(hù)和和水土保持，加強(qiáng)震后植被破壞嚴(yán)重區(qū)段的植被恢復(fù)，進(jìn)一步減少泥石流活動物源，對于興坪溝、杏子樹溝應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注[5-8]。

表2 石坎河主溝及各支溝泥石流物源情況匯總統(tǒng)計(jì)表

3 工程防治建議

為了充分保障地震區(qū)人民生命財(cái)產(chǎn)、交通通訊設(shè)施和重大工程設(shè)施的安全，選擇合適的時機(jī)對泥石流進(jìn)行防治是非常必要的，否則可能得到事倍功半的結(jié)果，陳曉清等[5]通過研究震后泥石流的發(fā)展趨勢定性上認(rèn)為，在極重災(zāi)區(qū)不宜在震后3年內(nèi)實(shí)施大量的泥石流防治工程，而應(yīng)在震后3～5 年實(shí)施工程防治；在重災(zāi)區(qū)和一般災(zāi)區(qū)，可以在震后立即實(shí)施泥石流工程防治。石坎河流域連續(xù)多年暴發(fā)規(guī)模不一的泥石流災(zāi)害，給流域內(nèi)帶來了巨大損失，期間投入了大量人力、物力、財(cái)力對流域內(nèi)的泥石流災(zāi)害進(jìn)行防治(圖7)，流域內(nèi)地形改變情況、物源固化情況、排水暢通情況均改變明顯，但也有很大一部分泥石流治理工程未取得預(yù)期效果。對于一特定的泥石流溝，其工程防治時機(jī)合適與否涉及到多個因素的綜合，本文首先采用泥石流防治工程效果綜合后評價模型，對石坎河流域內(nèi)的泥石流防治工程進(jìn)行模糊綜合評判，結(jié)果顯示石坎河流域內(nèi)的泥石流治理工程效果為優(yōu)秀的1處、良好的4處、一般的1處、差的2處(表3)，再將結(jié)果與治理時間對比發(fā)現(xiàn)治理工程效果較好的都是竣工時間在2013年以后的點(diǎn)，2013年前治理的點(diǎn)大多在2013年7月9日泥石流災(zāi)害中損毀，特別是主河道文家壩段前期治理工程，經(jīng)歷過前期幾次泥石流災(zāi)害后，大多數(shù)人認(rèn)為石坎河流域不會在暴發(fā)大規(guī)模泥石流災(zāi)害，在主河道文家壩段修建了一長約800 m，高2～3 m的單邊防護(hù)提，并在河道右側(cè)修建工廠，2013年7月9日泥石流災(zāi)害損毀單邊防護(hù)提并沖毀工廠，造成重大經(jīng)濟(jì)財(cái)產(chǎn)損失，由此可見不當(dāng)?shù)姆乐喂こ滩粌H不能起到治理效果，反而會加劇災(zāi)害危害，結(jié)合后期幾次泥石流災(zāi)害及目前流域內(nèi)地形、物源、排水等情況，初步判定石坎河流域泥石流工程防治最佳時機(jī)應(yīng)為2013年7月9日泥石流災(zāi)害過后。

圖7 興坪溝泥石流治理工程Fig.7 The landslide control project of Shikan

工程名稱工程概況竣工時間有效性興坪溝泥石流治理工程防護(hù)提、攔沙壩2011良好竹林溝泥石流治理工程攔沙壩、排導(dǎo)槽2009差杏子樹溝泥石流治理工程攔沙壩、排導(dǎo)槽2011良好大水溝泥石流治理工程單邊防護(hù)堤2010一般李家溝泥石流治理工程排導(dǎo)槽2014良好梨子壩溝泥石流治理工程單邊防護(hù)堤2015優(yōu)秀主溝文家壩段泥石流治理工程單邊防護(hù)堤2010差主溝文家壩段泥石流2期治理工程單邊防護(hù)堤2015良好

4 結(jié)論

(1)汶川地震后，每年汛期石坎河流域都有不同規(guī)模的泥石流暴發(fā)，泥石流啟動雨量、雨強(qiáng)降低、暴發(fā)頻率增大，且震后泥石流的首次暴發(fā)多具堵潰特點(diǎn)。

(2)石坎河流域支溝縱坡降較大，主溝縱坡降相對較小，所以暴發(fā)多次泥石流災(zāi)害后支溝溝道多下切，主河道淤積嚴(yán)重，災(zāi)害疊加放大效應(yīng)明顯。

(3)石坎河流域暴發(fā)多次泥石流災(zāi)害后河谷變寬地形改變較大、物源減少明顯、排水暢通情況較好，流域內(nèi)暴發(fā)泥石流的規(guī)模逐漸減小，未來該暴發(fā)的泥石流規(guī)模一般不會再超過2013年7月9日的泥石流規(guī)模，但鑒于每年汛期流域內(nèi)部分支溝還有小規(guī)模泥石流災(zāi)害發(fā)生且近年震裂山體災(zāi)害頻發(fā)(都江堰三溪村滑坡、茂縣新磨村滑坡)，推測流域內(nèi)的地質(zhì)災(zāi)害將持續(xù)更長時間。

(5)下一步防治建議：進(jìn)一步對泥石流溝采取適宜工程措施進(jìn)行防治，同時開展群測群防工作，充分利用群測群防的優(yōu)勢來監(jiān)測泥石流，及時報(bào)道雨情、雨季加強(qiáng)對泥石流溝及其兩側(cè)谷坡的監(jiān)測，加強(qiáng)溝域植被保護(hù)和和水土保持，加強(qiáng)震后植被破壞嚴(yán)重區(qū)段的植被恢復(fù)，進(jìn)一步減少泥石流活動物源。