四川省石棉縣2013年“7·4”泥石流溝道侵蝕特征調(diào)查及研究

(四川建筑職業(yè)技術學院, 四川 德陽 618000)

1 研究背景

泥石流物源的溝道侵蝕是泥石流主要的侵蝕類型之一，而泥石流溝道侵蝕表現(xiàn)為上游洪流對泥石流溝床堆積物的沖刷搬運程度[1]。前人對泥石流溝道侵蝕的特征做了大量的研究，其中費萊施曼[2]認為泥石流溝道侵蝕是溝道固體顆粒遭受洪水沖刷搬運的過程，康志成[3]認為泥石流溝道侵蝕類似“揭底作用”或“滾雪球”。在此基礎上，前人通過對泥石流溝道物源起動機理的研究，得到了大量基于泥石流動力學參數(shù)的泥石流溝道侵蝕研究成果，其中包括泥石流侵蝕發(fā)生時的洪水流量特征[4-6]，以及泥石流溝道侵蝕發(fā)生時的溝道坡度特征[7]。

汶川地震后，泥石流溝道內(nèi)松散物儲量異常豐富，極大地增加了泥石流發(fā)育的可能性。在強降雨條件下，地震重災區(qū)發(fā)生上千處泥石流。震區(qū)泥石流具有沖出規(guī)模明顯增加、暴發(fā)頻度增加、起動臨界雨量降低[8-9]等特征。泥石流物源條件是泥石流發(fā)育的重要條件之一，泥石流物源的分布類型主要分為坡面物源和泥石流溝道物源。四川省石棉縣泥石流溝的溝道泥石流物源為總物源的64%以上，在石棉縣2013年“7·4”泥石流過程中，溝道泥石流物源侵蝕量為總泥石流物源侵蝕方量的85%以上。由此可知，泥石流溝道物源的侵蝕特征與泥石流發(fā)育規(guī)模有著重要的關系。為此，本文以四川省雅安市石棉縣典型泥石流溝(后溝、馬頸子溝、熊家溝)為例，根據(jù)泥石流不同剖面位置的溝道物源侵蝕厚度，分析泥石流溝道侵蝕特征。

2 研究區(qū)概況

2013年7月4日20時，四川省雅安市石棉縣暴發(fā)了特大規(guī)模泥石流，其中廣元堡后溝、馬頸子溝，回隆鄉(xiāng)熊家溝最為嚴重，泥石流沖出的物質(zhì)沖毀居民房屋，淤埋公路，堵塞河道等，造成多人傷亡。而后溝、馬頸子溝、熊家溝為相鄰的3條泥石流溝[10]，其地形地貌、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造等工程地質(zhì)條件相似，見圖1、圖2。

圖2 研究區(qū)典型泥石流溝地形特征Fig.2 Landform of typical debris flow gulliesin the study area

2.1 水文條件

石棉縣地處川西高原和四川盆地的過渡帶，地勢整體西高東低，呈西、南、北向中部傾斜。區(qū)內(nèi)多年平均氣溫10.7～18.0 ℃，最高溫度40.3 ℃，最低溫度-15.0 ℃。且研究區(qū)受太平洋、印度洋和青藏高原大氣環(huán)流的影響，多年平均降水量1 200.9 mm，降水分布不均，主要集中在每年的5—9月份，降水量約占全年降水量的86.4%，多以暴雨形式出現(xiàn)，如圖3所示。

圖3 研究區(qū)多年平均氣象資料統(tǒng)計Fig.3 Average meteorological data in the studyarea over years

2.2 降雨條件

2013年7月4日17時至次日7時，雅安市石棉縣境內(nèi)普降暴雨，暴雨中心位于廣元堡后溝、上河壩黑林溝、回隆鄉(xiāng)熊家溝區(qū)域。根據(jù)四川省石棉縣回隆聯(lián)合村雨量站2013年“7·4”降雨條件監(jiān)測數(shù)據(jù)可知，泥石流暴發(fā)過程中的最大雨強達43.7 mm/h，導致后溝、馬頸子溝、熊家溝等多處暴發(fā)了泥石流，其中后溝暴發(fā)泥石流時的降雨強度為36.6 mm/h，馬頸子溝、熊家溝暴發(fā)泥石流時的降雨強度均為15.7 mm/h,如圖4所示。

圖4 石棉縣“7·4”泥石流降雨特征Fig.4 Characteristics of rainfall inducing debris flowon July 4thin Shimian County

2.3 流域特征

石棉縣“7·4”泥石流過程中，后溝、馬頸子溝、熊家溝泥石流均屬于全堵江型泥石流，3條泥石流溝道特征如表1所示。

3 研究區(qū)泥石流溝

在研究區(qū)“7·4”泥石流野外調(diào)查過程中，采用圖帕斯200激光測距儀，對泥石流溝道剖面位置(麥哲倫探險家610—手持GPS)、溝道坡度、溝道寬度、溝道流向(DQL-8型地質(zhì)羅盤儀)以及泥石流泥深等參數(shù)進行測量。

表1 研究區(qū)典型泥石流溝溝道特征Table 1 Features of typical debris flow gullies in the study area

表2 熊家溝泥石流溝道物源堆積特征Table 2 Features of material sources for debris flow of Xiongjia Gully

注：侵蝕厚度為“-”表示堆積，其它為侵蝕；物源量所占比例=物源點物源儲量/總物源儲量；動儲量所占比例=物源點動儲量/總動儲量

3.1 泥石流溝流域概況

廣元堡后溝流域在1993，1998，2004年均暴發(fā)了中等規(guī)模的泥石流，而每年均有小規(guī)模的泥石流災害發(fā)生。因此，該泥石流的活動特征屬于高頻泥石流。且廣元堡后溝泥石流流體重度為16.5 kN/m3，屬于黏性泥石流。

2013年7月4日20時，強降雨條件下，馬頸子溝暴發(fā)了大規(guī)模泥石流過程，沖毀溝口7棟居民建筑物，堵塞馬頸子溝橋梁，淤埋108國道和楠埡河漫灘的耕地，沖垮楠埡河兩岸河堤，導致上游水位突然抬升5 m。

熊家溝流域面積約5.5 km2，主溝長約4.05 km。主溝兩岸支溝發(fā)育良好，共發(fā)育有5條小型支溝。由于流域面積較大，兩岸斜坡較陡，并具有強大的水動力條件，且溝谷平均縱坡235‰以上，縱坡降較大，溝域內(nèi)地質(zhì)環(huán)境條件復雜，區(qū)內(nèi)主要出露為晉寧區(qū)花崗巖和松散第四系殘坡積物、崩坡積物和泥石流堆積物等，導致沿溝松散物總儲量豐富、分布廣泛，為泥石流的發(fā)育提供了豐富的固體物源。受“4·20”蘆山地震影響，溝谷內(nèi)固體物質(zhì)被嚴重震松，增加了松散物源啟動的可能性。

3.2 泥石流溝物源

熊家溝泥石流溝中游上段—下游出山口段溝道共有6處溝道堆積物源，物源總量約25.74×104m3，動儲量為10.15×104m3。研究區(qū)泥石流物源總儲量為39.91×104m3,總動儲量為13.47×104m3。根據(jù)熊家溝泥石流溝道物源的現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)，從泥石流溝的溝口往泥石流的上游清水區(qū)共分布6處較大的溝道物源堆積體，編號分別為G01—G06。由表2可知，G01和G02溝道物源在“7·4”泥石流過程中處于堆積狀態(tài)，且堆積厚度分別增加了12.9 m和9.27 m；而G03—G06在“7·4”泥石流過程中處于侵蝕狀態(tài)，其中侵蝕厚度堆積為2.2～4.0 m。

研究區(qū)泥石流溝溝道泥石流物源成分主要為碎塊石夾砂土，其中塊石粒徑主要集中于0.3～0.9 m，塊石含量占75%～85%，砂土含量占15%～25%。這導致泥石流物源滲透系數(shù)高，堆積體間內(nèi)聚力低，物源的抗剪強度主要取決于物源的內(nèi)摩擦角。熊家溝、后溝、馬頸子溝的泥石流溝道物源物理性質(zhì)見表3。

表3 研究區(qū)典型泥石流溝道物源物理性質(zhì)Table 3 Physical features of material sources in typical debris flow gullies

表4 研究區(qū)熊家溝、后溝、馬頸子溝的溝道剖面特征Table 4 Profile features of typical debris flow gullies in the study area

注：流向差為溝道兩相鄰剖面間的流向與主溝道流向的差值，單位°；剖面間高差為溝道相鄰兩剖面間的高程差值，單位m；剖面間距離為溝道兩相鄰剖面間的水平距離，單位m；剖面間坡度為溝道兩相鄰剖面間的溝道坡度，單位°

3.3 泥石流溝道沖刷

泥石流溝道堆積物源主要為洪水或泥石流將坡面物源或崩滑堆積體搬運至溝道中堆積形成的松散堆積物。 其中， 溝道堆積物源參與泥石流活動的方式主要為溝床的揭底沖刷， 而泥石流溝道物源動儲量主要包括溝底拉槽下切物源儲量， 以及兩側(cè)岸坡失穩(wěn)參與泥石流的物源儲量， 即泥石流溝道沖刷和侵蝕厚度間接反映了泥石流溝道物源的侵蝕特征； 泥石流溝道物源沖刷和侵蝕厚度不僅與泥石流的流速、 流深等動力學參數(shù)相關， 而且與溝道幾何形態(tài)、 溝道堆積物顆粒級配及結(jié)構(gòu)特征等因素相關。 研究區(qū)典型溝道侵蝕剖面如圖5所示。

圖5 研究區(qū)典型泥石流溝侵蝕剖面Fig.5 Erosion of typical debris flow gullies inthe study area

3.4 泥石流溝溝道剖面

泥石流溝野外調(diào)查選取了不同的泥石流溝道剖面進行測量， 其中測量數(shù)據(jù)包括剖面的點位、 流向、溝道寬度、剖面坡度、兩側(cè)岸坡侵蝕厚度、 相鄰兩剖面間的坡度等參數(shù)。 剖面特征如表4所示。

4 溝道侵蝕特征

Sidorchuk[11]認為影響溝道侵蝕的因子包括流量、流速、水流紊動狀態(tài)、溫度、土壤特征及植被條件等，而何思明等[12]認為影響泥石流侵蝕速度的因子包括泥石流重度、流速、溝道坡降、土體強度等。泥石流溝道侵蝕方式主要包括下蝕、側(cè)蝕、溯源侵蝕、前進侵蝕和局部沖刷等[13]，泥石流的侵蝕與泥石流的匯水條件[14-15]等相關。

由于泥石流流體慣性作用，泥石流在運動過程中的流向、溝道坡度、溝道剖面高差變化時，泥石流將對溝道堆積物造成不規(guī)則侵蝕和不同程度的侵蝕。為了研究泥石流溝道堆積物侵蝕特征，本文分析泥石流溝道堆積物不同侵蝕剖面的流向、溝道寬度、剖面距離、左右岸侵蝕厚度等。

根據(jù)泥石流流向變化特征，定義流向差為泥石流剖面流向與主溝流向的關系，即泥石流溝道剖面流向減去泥石流主溝流向的流向差值(如圖6(a)所示)。研究區(qū)泥石流溝道物源最優(yōu)含水量剪切角大，且研究區(qū)溝道堆積物側(cè)向侵蝕面基本為基巖接觸面，為此，繪制研究區(qū)溝道侵蝕特征如圖6中(b)—(c)所示。

圖6 溝道侵蝕示意圖Fig.6 Schematic diagram of typical gully erosion

根據(jù)研究區(qū)熊家溝、后溝、馬頸子溝剖面的泥石流特征可知，整體上，泥石流流向差與左右岸泥石流侵蝕厚度差呈線性正相關(圖7(a))，左右岸泥石流的侵蝕厚度差與溝道剖面間流向差線性系數(shù)為0.02～0.60，平均值為0.06；泥石流溝道剖面間坡度與泥石流平均侵蝕厚度整體為正相關(圖7(b))，泥石流平均侵蝕厚度與泥石流溝道剖面坡度的線性系數(shù)為0.02～0.60，平均值為0.09；泥石流剖面侵蝕寬度與泥石流平均侵蝕厚度為負相關(圖7(c))；泥石流剖面間高差與泥石流溝道平均侵蝕厚度為正相關(圖7(d))，泥石流平均侵蝕厚度與剖面高差的線性系數(shù)為0.06～0.40，平均值為0.17。

圖7 研究區(qū)泥石流溝道剖面侵蝕與溝道幾何形態(tài)參數(shù)關系Fig.7 Relationship between erosion features andgeometric parameters of debris flow gully in study area

由上述可知，泥石流的侵蝕厚度與泥石流剖面的流向差、剖面坡度、剖面高差、溝寬等相關。為此，根據(jù)統(tǒng)計分析，得到單位距離的泥石流流深與泥石流平均侵蝕厚度、溝道寬度與泥石流單位距離侵蝕方量、泥石流平均侵蝕厚度與泥石流剖面流向差的函數(shù)關系,如圖8所示。

圖8 研究區(qū)泥石流溝道侵蝕特征Fig.8 Erosion characteristics of debrisflow gullies in the study area

根據(jù)統(tǒng)計分析，得到了研究區(qū)泥石流流深與泥石流平均侵蝕厚度、單位距離的侵蝕方量與剖面溝道寬度、泥石流平均侵蝕厚度與泥石流剖面間流向差的關系，如式(1)。

(1)

式中：h為泥石流的流深(m)；ΔH為泥石流平均侵蝕厚度(m)；ΔV為單位距離的侵蝕方量(m3)；D為泥石流剖面侵蝕寬度(m)；α為泥石流剖面的流向(°)，Δα為泥石流剖面與泥石流主溝的流向差(°)；R2為相關性系數(shù)；P為顯著性系數(shù)。

由圖8可知，泥石流溝的平均侵蝕厚度與泥石流的流深、溝道剖面寬度特征相關，即泥石流平均侵蝕厚度與泥石流的流深呈線性正相關，而泥石流的侵蝕方量與泥石流的平均侵蝕厚度呈冪函數(shù)關系。

泥石流流速差異和相鄰兩剖面間的流向差異使得溝道兩岸侵蝕厚度不同。由圖9(a)可知，泥石流溝的同一剖面左右岸侵蝕厚度差與泥石流流向和主溝流向的流向差為三次函數(shù)關系，即當剖面泥石流流向與主溝流向越相近(即接近0°和180°時)，泥石流溝的左右岸侵蝕厚度差值越小。而在流向差越大的位置，其侵蝕厚度差值越大，其原因主要為在溝道轉(zhuǎn)彎位置，泥石流流向發(fā)生改變，使得泥石流運動受阻，泥石流溝道岸坡堆積物在泥石流沖擊作用下失穩(wěn)起動。

由于野外溝道曲折加之泥石流的慣性運動，泥石流對溝道兩側(cè)堆積物的侵蝕程度不相同。在此基礎上，進一步研究了泥石流溝道左右岸的侵蝕流深差與流向差的關系，得到圖9(b)。

圖9 研究區(qū)泥石流左右岸侵蝕厚度差、流深差與流向差的關系Fig.9 Relationship between erosion thickness and flowdepth and flow direction difference ofdebris flow gullies in study area

由圖9可知：當剖面泥石流流向與主溝流向差相近(即接近0°和180°時)，泥石流左右岸的流深差和侵蝕厚度差與流向差呈正相關，泥石流溝左右岸的侵蝕厚度差及流深差越小；當泥石流剖面的流向與主溝的整體流向差增大時(即遠離0°和180°時)，侵蝕厚度差和流深差與流向差呈負相關，見式(2)。

(2)

式中：ΔHLR為泥石流剖面左右岸侵蝕厚度差(m)；ΔhLR為泥石流剖面左右岸流深差(m)。

5 結(jié) 論

研究區(qū)在2013年“7·4”降雨條件下，暴發(fā)了熊家溝、后溝、馬頸子溝泥石流。通過對研究區(qū)工程地質(zhì)條件研究分析可知，由于蘆山“4·20”地震作用，研究區(qū)泥石流溝道內(nèi)形成大量的泥石流物源，在強降雨條件下，誘發(fā)大規(guī)模的泥石流過程，并導致竹馬河和楠埡河被全部堵塞。

(1)根據(jù)野外泥石流溝道剖面的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)泥石流溝道物源的平均自然休止角約為43°，平均內(nèi)摩擦角約為25°，泥石流溝的左右岸平均侵蝕厚度與泥石流流向、泥石流流深、溝道寬度、剖面間坡度、剖面間高差等因素相關。在此基礎上，初步分析得到泥石流平均侵蝕厚度與泥石流流深、溝道剖面寬度與泥石流單位距離侵蝕方量、泥石流平均侵蝕厚度與泥石流剖面流向差的關系，其中泥石流平均侵蝕厚度ΔH與泥石流流深h關系為h=5ΔH+1.798×10-15，而泥石流平均侵蝕方量ΔV與泥石流的溝道寬度D關系為ΔV=6.845D0.625。

(2)泥石流溝道剖面的流向差與左右岸侵蝕厚度差為線性正相關，其中泥石流侵蝕厚度差與流向差的線性系數(shù)為0.02～0.60，平均值為0.06；泥石流平均侵蝕厚度與剖面間坡度的線性系數(shù)范圍為0.02～0.60，平均值為0.09；泥石流平均侵蝕厚度與剖面間高差的線性系數(shù)為0.06～0.40，平均值為0.17。泥石流溝道剖面左右岸流深差和泥石流侵蝕厚度均與泥石流剖面流向差相關，即當泥石流的流向差越小時，泥石流的平均侵蝕厚度越小，左右岸的侵蝕厚度差和流深差越小；當泥石流流向差越大時，泥石流平均侵蝕厚度、侵蝕厚度差和流深差越大。