茂縣刁花溝泥石流特征及形成條件分析

李世川，付琪智，黃遠(yuǎn)斌，陳廷芳，羅 承

(1.西南科技大學(xué) 環(huán)境與資源學(xué)院，四川 綿陽 621010； 2.四川省宜賓地質(zhì)工程勘察院，四川 宜賓 644002)

“5·12”汶川地震在震區(qū)造成了嚴(yán)重的人員和財產(chǎn)損失，還誘發(fā)了大量直接威脅人員安全的滑坡、崩塌、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害。研究表明，震區(qū)滑坡、崩塌、泥石流等會有10～20年的活動期[1]，地震使泥石流的形成條件和活動特征發(fā)生了明顯改變，尤其震區(qū)溝道內(nèi)崩塌、滑坡發(fā)育，形成了極為豐富的松散物源[2]，極易誘發(fā)形成泥石流。刁花溝位于汶川震區(qū)，是一條低頻溝谷型泥石流溝。受汶川地震影響，溝道內(nèi)松散物源增多。2014年9月11日在強(qiáng)降雨的作用下，刁花溝暴發(fā)了泥石流，泥石流固體物質(zhì)沖出量約有2.97萬m3，導(dǎo)致一級電站蓄水庫全部淤滿，電站上方攔水壩被沖毀，農(nóng)房、耕地及牲畜損失約1 000萬元，基礎(chǔ)設(shè)施損失約200萬元。本研究以茂縣刁花溝泥石流為研究對象，通過大量的現(xiàn)場調(diào)查與地質(zhì)勘測，詳細(xì)分析了刁花溝泥石流的形成條件、發(fā)育特征及其動力學(xué)特征，并探討了震后泥石流的暴發(fā)機(jī)理，希望能為震后泥石流的治理提供參考。

1 研究區(qū)地質(zhì)環(huán)境條件

茂縣地處青藏高原向川西平原過渡地帶，高山聳峙，河谷深邃，是青藏高原東緣和長江上游生態(tài)環(huán)境十分脆弱的高山峽谷區(qū)的典型代表。區(qū)內(nèi)大部分屬邛崍山系岷山山脈，其中：東南部屬龍門山系尾段，群山連綿，峰巒起伏，谷坡險峻陡峭，河谷狹窄，河流深切；西部與理縣交界處的萬年雪山，海拔5 230 m，為全縣最高峰；西北部相對高差1 000～2 500 m；東南部相對高差500～1 500 m，區(qū)內(nèi)土門河下游黃公坪河壩海拔890 m，是全縣最低點(diǎn)；北部谷坡下部較為陡峭，地勢狹窄，但向下游漸趨寬坦，是高山狹谷向山原的過渡地帶。縣境內(nèi)地貌類型主要為東部剝蝕侵蝕中山，中南部剝蝕侵蝕高中山，西北部高山、極高山，岷江河谷，以及茂縣河、土門河兩岸的第四系堆積地貌。

研究區(qū)內(nèi)出露地層主要為第四系殘坡積層、第四系崩坡積層、全新統(tǒng)沖洪積層、泥石流堆積層、古生界泥盆系危關(guān)群下組，主要分布于陡坡、坡腳及主溝溝口區(qū)域。巖層表面風(fēng)化嚴(yán)重，母巖成分主要為強(qiáng)風(fēng)化—中風(fēng)化的千枚巖、灰?guī)r、石英巖。境內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造主要為較場山字形構(gòu)造帶和石大關(guān)弧形構(gòu)造帶、龍門山華夏系構(gòu)造帶，斷層主要有茂汶斷層、九頂山斷層，褶皺主要有九頂山向斜等。該區(qū)位于石大關(guān)弧形構(gòu)造的外弧部位，處于南北地震帶的中段即龍門山地震帶和松潘地震帶，歷史上經(jīng)歷了多次地震活動，按照四川省地震烈度分區(qū)圖，研究區(qū)地震動峰值加速度為0.2g，特征周期0.35 s，地震基本烈度為Ⅷ度。

2 流域概況及泥石流活動特征

刁花溝位于茂縣三龍鄉(xiāng)納呼村卡玉組，屬岷江水系，為三龍河右岸支流之一，由一條主溝和兩條支溝組成。刁花溝溝口地理坐標(biāo)為北緯31°47′33.77″、東經(jīng)103°33′15.13″，溝口有公路通過。溝域前部形態(tài)呈V字形，后部相對寬緩，整個溝段呈漏斗狀，主溝長5.23 km，1號支溝長3.81 km，2號支溝長4.4 km。刁花溝流域面積為32 km2，溝床縱比降為67‰～400‰，豐水季節(jié)有洪水自溝口流出，枯水期流量較小，水流匯入三龍河(表1)。刁花溝從地形地貌上能區(qū)分出泥石流形成區(qū)、形成流通區(qū)、流通堆積區(qū)和堆積區(qū)(圖1)。

表1 刁花溝溝道特征

圖1 刁花溝溝道分區(qū)示意

調(diào)查走訪得知，刁花溝在1958、2014年曾發(fā)生過泥石流。1958年發(fā)生的泥石流事件無相關(guān)記載，資料缺失嚴(yán)重。2014年9月11日，在歷時約2 h前期強(qiáng)降雨后，刁花溝暴發(fā)了中型稀性潰決型泥石流，形成了共計6處泥石流堆積區(qū)，堆積方量約2.97萬m3。泥石流暴發(fā)過程大致為：9月11日19:30左右泥石流到達(dá)溝口養(yǎng)豬場位置，在養(yǎng)豬場上方拐彎處部分泥石流沖出溝道，形成高達(dá)1.7 m的爬高溢流，同時掩埋養(yǎng)豬場，造成養(yǎng)豬場內(nèi)近千頭豬死亡，部分泥石流淤積于養(yǎng)豬場內(nèi)，養(yǎng)豬場內(nèi)淤積物約0.63萬m3；部分泥石流拐過彎道后，繼續(xù)對下游進(jìn)行沖擊，并最終沖入村口三龍河內(nèi)，淤積于下游近百畝(15畝=1 hm2)耕地、納呼村居民聚居地內(nèi)。經(jīng)調(diào)查訪問，“9·11”泥石流洪峰流量持續(xù)時間大約為9月11日19:30至21:40，隨后泥石流流量逐漸減小，轉(zhuǎn)為水石流，并一直持續(xù)至9月12日9:00左右，在溝口堆積扇堆積松散物質(zhì)約1.65萬m3?！?·11”泥石流共淤埋28戶居民房屋、2座電站，沖毀約13 hm2農(nóng)田、2處養(yǎng)豬場，所幸未造成人員傷亡，但造成的經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)1 200萬元。

3 泥石流形成條件

3.1 地形地貌條件

刁花溝為一常年性溪流，源于流域南端的龍池梁子。刁花溝流域海拔最高點(diǎn)位于流域南端的龍池梁子(海拔4 213 m)，最低點(diǎn)位于匯入三龍河河口處(海拔2 039 m)，相對高差達(dá)2 174 m，整體南高北低，山脈走向SW向。地貌類型屬于構(gòu)造剝蝕和部分冰川刨蝕深切割高中山區(qū)，3 800 m高程以上冰蝕地貌明顯，角峰、鰭脊、冰斗發(fā)育，溝谷多呈V形和U形；3 000 m高程以下溝谷地形主要為深切割高中山峽谷，溝谷多呈V形。刁花溝呈葉脈狀散開，發(fā)育2條主要支溝，由于構(gòu)造運(yùn)動強(qiáng)烈，因此溝域侵蝕下切強(qiáng)烈，溝谷中寬谷和狹谷相間分布，這樣的地形有利于松散固體物源、雨水、地下水匯集。

3.2 物源條件

流域經(jīng)歷多次構(gòu)造變動，伴以巖漿活動與變質(zhì)作用，巖體節(jié)理裂隙發(fā)育，同時研究區(qū)冬季長，凍融作用破壞巖體結(jié)構(gòu)，造成巖體風(fēng)化破裂，在重力和動水壓力作用下常形成滑坡、崩塌等，為泥石流的形成提供了固體物源。1933年疊溪7.5級地震，1976年8月16日松潘平武7.2級地震，特別是2008年5月12日汶川8.0級地震誘發(fā)大量崩塌、滑坡，松散物質(zhì)堆積在溝床形成壅塞，為泥石流暴發(fā)儲存了豐富物源。物源主要由溝道內(nèi)物源、坡面物源、坡腳侵蝕物源及水土流失物源四部分組成。調(diào)查期間查明已有物源點(diǎn)25個，其中坡面物源8個、溝道內(nèi)物源17個。各類型物源量見表2。

表2 刁花溝泥石流物源統(tǒng)計

3.3 水源條件

刁花溝流域內(nèi)地下水較豐富，調(diào)查期間(12月下旬)溝內(nèi)有流水，但流量較小，僅為5～12 L/s。因此，引發(fā)泥石流的水源主要來自大氣降水，暴雨形成的地表徑流是引發(fā)泥石流的動力條件。據(jù)茂縣氣象站觀測資料，茂縣多年平均降水量為484.1 mm，年最大降水量為560.6 mm，年最小降水量為335.5 mm，月最大降水量為168.1 mm，日最大降水量為104.2 mm(1989年7月24日)；冬春季節(jié)降水量嚴(yán)重偏少，常發(fā)生冬干連春旱，夏秋季降水偏多，且各月分配不均，4—10月降水集中，降水量占年降水量的91.8%，10月至次年3月降水量僅占年降水量的8.2%，同時降水分布呈現(xiàn)隨海拔升高而增大的趨勢。

4 泥石流動力特征

4.1 泥石流容重

刁花溝溝道堆積物以粗顆粒為主，上、中游形成區(qū)溝道內(nèi)碎石最大直徑約5 m。自上游至下游大型塊石含量逐漸減少，細(xì)顆粒物含量逐漸增加。容重的確定是泥石流性質(zhì)判定必不可少的因素。根據(jù)現(xiàn)場配漿得到泥石流的容重小于1.6 t/m3，確定為稀性泥石流。后期對溝口堆積扇進(jìn)行顆粒級配測定，繪制粒徑曲線圖，根據(jù)粗、細(xì)顆粒物的百分含量對溝道內(nèi)的泥石流容重進(jìn)行計算，計算公式[3]為

γD=P050.35P2γV+γX

(1)

式中：γD為稀性泥石流容重，t/m3；P05為粒徑<0.05 mm的顆粒百分含量；P2為粒徑>2 mm的顆粒百分含量；γV為黏性泥石流最小容重，本次取值2 t/m3；γX為泥石流最小容重，本次取值1.4 t/m3。

最終計算得到泥石流的容重為1.509 t/m3。

4.2 泥石流流速計算

由于泥石流區(qū)沒有觀測設(shè)備，在實(shí)際觀測資料的基礎(chǔ)上，利用西南地區(qū)(鐵二院)泥石流流速經(jīng)驗(yàn)公式對流速進(jìn)行統(tǒng)計回歸分析。計算公式為

(2)

φ=(γC-γW)/(γS-γC)

式中：VC為泥石流斷面平均流速，m/s；MC為稀性泥石流糙率系數(shù)；α為阻力系數(shù)；RC為水力半徑，m；IC為泥石流水力坡度，‰；γC為泥石流流體物質(zhì)的容重，t/m3；γW為水的容重，t/m3；γS為泥石流固體物質(zhì)容重，本次取值2.65～2.70 t/m3；φ為泥石流泥沙修正系數(shù)，本次取值0.475。

通過實(shí)地勘測，利用形態(tài)調(diào)查法選取了5個代表性泥石流斷面進(jìn)行相應(yīng)的取值計算，計算出各斷面的泥石流流速(表3)，結(jié)果表明： 形成區(qū)泥石流流速最大，為7.07 m/s；流通堆積區(qū)泥石流流速最小，為4.18m/s；而在溝口流速再次增大為4.63 m/s，原因是在流通堆積區(qū)到溝口之間發(fā)生匯流，具有再次加速效應(yīng)。

表3 各斷面泥石流流速

4.3 泥石流流量計算

根據(jù)上節(jié)選取的泥石流斷面的流痕和溝道確定了泥石流的泥位線，測定流面比降、斷面高度、面積等參數(shù)，再對各個斷面的泥石流流量進(jìn)行計算，結(jié)果見表4。

表4 泥石流峰值流量計算結(jié)果

5 泥石流形成機(jī)制探討

刁花溝泥石流形成條件分析結(jié)果表明，該泥石流溝的物源條件、水源條件和地形條件都有利于泥石流的發(fā)生和活動，但泥石流發(fā)生與否及其規(guī)模主要取決于降雨強(qiáng)度、地震烈度及人類工程活動的強(qiáng)度等。刁花溝于2014年9月11日16:30左右開始出現(xiàn)降水，降雨強(qiáng)度在5 mm/h以下，隨后在17:00左右變?yōu)閺?qiáng)降雨，降雨強(qiáng)度達(dá)到30 mm/h以上，達(dá)到50年一遇頻率，之后轉(zhuǎn)為暴雨，降雨量逐漸減少，降雨一直持續(xù)至9月12日6:30左右。在此期間，溝內(nèi)水量激增，刁花溝1、2號支溝內(nèi)物源在暴雨作用下大量失穩(wěn)。1、2號支溝兩岸陡立，支溝泥石流、坡面泥石流、崩塌等在失穩(wěn)后高速沖入支溝溝道內(nèi)，高勢能轉(zhuǎn)化為強(qiáng)大的動能，在支溝溝道內(nèi)產(chǎn)生底蝕、側(cè)蝕，并攜帶底蝕、側(cè)蝕物質(zhì)向下游高速運(yùn)動，同時造成溝道兩岸的滑坡、不穩(wěn)定斜坡等進(jìn)一步發(fā)展、失穩(wěn)，加入泥石流運(yùn)動；當(dāng)上游1、2號支溝形成的泥石流高速運(yùn)動至流通區(qū)時，這些堆積體一部分直接以松散物質(zhì)形式參與泥石流運(yùn)動，另一部分則對泥石流形成瞬間的堰塞效應(yīng)，但終因泥石流來勢兇猛，堰塞效應(yīng)瞬間失效，被挾裹著繼續(xù)向下游運(yùn)動，而且瞬時堰塞效應(yīng)、底蝕、側(cè)蝕造成流通區(qū)地質(zhì)災(zāi)害體、溝底及兩側(cè)堆積體大量失穩(wěn)，并參與泥石流運(yùn)動，泥石流流體在此過程中呈滾雪球之勢不斷壯大，在歷時約2 h前期強(qiáng)降雨后，刁花溝泥石流全面暴發(fā)。刁花溝內(nèi)松散固體物源較豐富，堆積體較松散，已發(fā)生過的兩次泥石流規(guī)模均在3萬m3左右，但僅占可參與泥石流活動的松散固體物源的4.7%，在強(qiáng)降雨條件下再次發(fā)生泥石流的概率較大。

6 結(jié) 語

刁花溝構(gòu)造作用強(qiáng)烈，在地震作用、冰川凍融和風(fēng)化作用下物源條件豐富；坡度陡峻、流域范圍大，有利于地表徑流形成，且流速相對較大，為泥石流的形成提供了匯集水源和水動力條件。本研究通過對茂縣刁花溝的實(shí)地走訪調(diào)查和動力特征計算分析，得到以下結(jié)論：

(1)刁花溝流域?qū)儆诟咧猩絼兾g構(gòu)造地貌和山間侵蝕堆積地貌，其地形條件、物源條件和水源條件都有利于泥石流的發(fā)生和活動，強(qiáng)降雨則是泥石流暴發(fā)的主要激發(fā)因素。

(2)刁花溝泥石流屬于低容重低頻溝谷型稀性泥石流，溝道上、下游的溝道物源主要為千枚巖、變質(zhì)砂巖風(fēng)化碎塊石，上游區(qū)碎石最大直徑約5 m，下游碎石直徑達(dá)1.2 m。泥石流的容重為1.509 t/m3，流速最大值為7.07 m/s，泥石流最大流量為324.29 m3/s。

(3)刁花溝內(nèi)松散固體物源較豐富，堆積體較松散，已發(fā)生過的兩次泥石流帶出的松散固體物源僅占可參與泥石流活動的松散固體物源的4.7%，在強(qiáng)降雨條件下再次發(fā)生泥石流的概率較大。