汶川強(qiáng)震區(qū)“8·20”登溪溝泥石流發(fā)育特征與致災(zāi)機(jī)理研究

寧 友 云，劉 波，文 強(qiáng)

(1.汶川縣自然資源局，四川 阿壩州 623000；2. 西南交通大學(xué)地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，四川 成都 611756)

1 概 述

“5·12”汶川大地震之后，強(qiáng)震區(qū)的地質(zhì)災(zāi)害逐漸從崩塌、滑坡災(zāi)害為主轉(zhuǎn)為以泥石流災(zāi)害為主。相關(guān)研究表明，強(qiáng)震區(qū)地質(zhì)災(zāi)害受地震影響的持續(xù)時間可達(dá)20年之久[1]。因此，為了預(yù)防和減少震后泥石流，對其進(jìn)行有效評價十分迫切。震后泥石流一般是由極端暴雨誘發(fā)，并在陡峻的地形、坡面和溝道侵蝕這些因素的綜合作用下產(chǎn)生的[2]。相比于震前，震后泥石流的降雨閾值明顯降低，但隨著時間的推移，其降雨閾值在不斷地回升[3-4]。2019年8月20日3時，在持續(xù)暴雨作用下，登溪溝暴發(fā)泥石流，在完全淤滿登溪溝大壩后，迅速沿溝道向下延伸，其巨大的瞬時流量溢出防護(hù)堤，摧毀了周邊約10棟房屋，攜帶大量固體物沖出溝口，在溝口形成一個250 m×150 m的堆積扇，其扇形前緣向前擠壓岷江。結(jié)合遙感影像發(fā)現(xiàn)，其活動期仍在進(jìn)行，如果不采取進(jìn)一步措施，仍然潛在很大的威脅。

2 登溪溝基本特征

登溪溝位于汶川縣綿虒鎮(zhèn)三官廟村，距綿虒鎮(zhèn)約2.0 km，溝口地理坐標(biāo)為東經(jīng)103°30′42″，北緯31°22′13″。都汶高速公路和G213國道從堆積區(qū)前緣經(jīng)過。如圖1所示，登溪溝流域形態(tài)呈窄扇形，流域面積43.74 km2，流域主溝長度16.07 km。流域內(nèi)水系呈樹枝狀分布，最高點(diǎn)位于流域北西側(cè)山脊部位，高程4 893 m，最低點(diǎn)位于登溪溝溝口，高程1 203 m，相對高差3 690 m，溝域內(nèi)發(fā)育有10條支溝，流域平均比降約229.62‰。

松散固體物源量約2479.50×104m3。

圖1 登溪溝流域形態(tài)衛(wèi)星平面圖(來源于Google earth)

登溪溝流域處于九頂山華夏系構(gòu)造帶，登溪溝流域地形總體上屬深切割構(gòu)造侵蝕低山和中山地形，流域內(nèi)地形陡峻，地形臨空條件發(fā)育[5]。對研究區(qū)影響最大的是映秀-北川斷裂帶，斷面傾向300°～315°，傾角20°～71°。流域位于龍門山地層分區(qū)與馬爾康地層分區(qū)的接觸帶，由于受多次構(gòu)造運(yùn)動，巖性破碎，地質(zhì)構(gòu)造較復(fù)雜，崩塌、滑坡等不良地質(zhì)現(xiàn)象較為發(fā)育。

圖2 登溪溝構(gòu)造特征

登溪溝流域地形總體上屬深切割構(gòu)造侵蝕低山和中山地形，流域內(nèi)地形陡峻，地形臨空條件發(fā)育，流域內(nèi)崩塌、滑坡、不穩(wěn)定斜坡等不良地質(zhì)現(xiàn)象的發(fā)育為泥石流松散固體物源的匯集提供了有利條件。溝內(nèi)水流湍急，且動態(tài)變化較大，具陡漲陡落的山溪溝谷特征。流通堆積區(qū)長約3.4 km，平均寬約60 m，平均堆積厚度約3 m。沖積扇區(qū)的堆積厚度3～12 m左右，扇區(qū)泥石流堆積物方量約3.8×105m3，擠壓岷江成凸岸。

3 登溪溝“8·20”泥石流暴發(fā)特征

登溪溝由典型的震后泥石流溝發(fā)展為危害性大、規(guī)模大、頻率高的泥石流溝。這些震后泥石流在起動方式、破壞過程、堆積過程、泥石流強(qiáng)度和頻率等方面具有共性[6]。

3.1 持續(xù)時間長

根據(jù)汶川震后泥石流的統(tǒng)計，一般泥石流的持續(xù)過程小于1.5 h，而登溪溝泥石流的整個過程持續(xù)時間約3 h。盡管泥石流持續(xù)時間的長短與泥石流的流域面積有關(guān)，但最主要還是由于溝內(nèi)物源豐富且累積降雨量充足。

3.2 堆積距離長

登溪溝“8·20”泥石流還有一個典型特征是其流通區(qū)不明顯，除了部分泥石流沖出溝口，仍有大部分泥石流堆積于主溝道內(nèi)，登溪溝的流通堆積區(qū)長度約3.4 km。

3.3 流量放大效應(yīng)

一般采用一次沖出量和峰值流量來判斷泥石流強(qiáng)度，根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查測量，登溪溝在“8·20”泥石流事件中的沖出量超過3.8×105m3，峰值流量約407.54 m3/s，重度為1.75 g/cm3。由于登溪溝的溝道卡口較多，泥石流在這些地方容易形成暫時的堵潰，根據(jù)規(guī)范，對這種堵潰進(jìn)行了系數(shù)的放大。對于登溪溝，當(dāng)堵塞系數(shù)取值為2.5時，計算結(jié)果與現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果較為吻合。因此，汶川地震和隨后的滑坡堆積物明顯放大了泥石流的規(guī)模。

圖3 登溪溝“8·20”泥石流的四個災(zāi)害鏈群

3.4 災(zāi)害鏈效應(yīng)

汶川強(qiáng)震區(qū)由于山高谷深，因此，大多數(shù)村莊坐落于較為寬緩的泥石流老堆積扇上，同時公路線路也難免會跨過泥石流溝口。震后泥石流的災(zāi)害鏈效應(yīng)已被廣泛驗(yàn)證[7]。登溪溝其獨(dú)特的地形地貌特征，溝口泥石流的排導(dǎo)槽順原溝道拐彎，且下方國道跨過泥石流排導(dǎo)槽溝口。同時，國道G213在登溪溝溝口以高架橋方式斜跨岷江，與登溪溝流動方向斜交。

登溪溝的災(zāi)害鏈主要包括以下模式：

(1)泥石流峰值流量過大—溢出排導(dǎo)槽—沖毀兩側(cè)建筑物；

(2)泥石流沖出的固體物攜帶巨大的沖擊力沖毀溝口公路—向岷江對岸堆積—沖毀溝口的高速公路；

(3)泥石流擠壓河道—岷江水位雍高、流速增大—沖毀下游其他地區(qū)建筑物；

(4)泥石流阻斷河道—形成一個臨時堰塞湖—岷江向上游回水并淹沒上游的建筑物。

這些災(zāi)難鏈如圖3所示。許多建筑物被泥石流掩埋和沖毀，包括房屋、道路、農(nóng)田。

4 登溪溝泥石流成災(zāi)機(jī)理

一般來說，泥石流形成的三個先決條件是陡峭的地形、豐富的松散物質(zhì)和強(qiáng)烈的降水[8]。然而，這些因素對地震后泥石流的形成起著不同的作用。由于登溪溝泥石流在“7·10”和“8·20”兩次群發(fā)性泥石流事件中一次性沖出規(guī)模大，且十分典型，因此，本文以登溪溝為例，對震后泥石流進(jìn)行研究。通過野外調(diào)查和遙感解譯，我們認(rèn)為登溪溝泥石流是地震和局部強(qiáng)降雨共同作用的結(jié)果(圖4)。前者是泥石流形成的基本條件，提供了豐富的松散固體物質(zhì)，后者則是攜帶這些物質(zhì)的觸發(fā)因素。

圖4 登溪溝泥石流形成過程

4.1 地震與物源

一般認(rèn)為地震對泥石流的影響主要是產(chǎn)生豐富的松散固體物質(zhì)，從而為泥石流的長期活躍提供物源。但這種理解也帶來一個問題，為何這類泥石流在保持高頻的同時還有如此豐富的沖出物質(zhì)。通過野外調(diào)查和遙感解譯，地震對泥石流的影響包括兩個方面。第一個方面是2008年5月12日，汶川地震發(fā)生后，產(chǎn)生大量滑坡和碎屑流，這些物質(zhì)堆積在溝道內(nèi)，在臨界暴雨條件下很容易滑動。另一方面，地震可使山體深層破碎，由表及里在巖體中形成強(qiáng)破碎帶、中破碎帶和微破碎帶，這些破碎帶主要出現(xiàn)在山脊或山體突出部位。這些破碎的山體(簡稱震裂山體)在暴雨等誘發(fā)因素下，可以持續(xù)性產(chǎn)生破壞，源源不斷地為泥石流的發(fā)生補(bǔ)給物源。

4.2 降 雨

降雨是地質(zhì)災(zāi)害的主要誘發(fā)因素，降水的入滲既可增加坡體自重，又會降低土的抗剪強(qiáng)度[9]。暴雨的作用可以分為持續(xù)性暴雨和峰值降雨，由于地理位置的不同，降雨量具有明顯差異。汶川縣森林覆蓋率為56.9%、岷江出境流量超過2 300 m3/秒s，在土壤飽和度較高，前期降雨量較大的情況下，山洪泥石流更容易爆發(fā)。據(jù)汶川縣氣象部門統(tǒng)計，2019年入汛以來，盆地西部和川西高原降雨普遍偏多5成以上。而地處川西北高原與川西盆地交界處的汶川，境內(nèi)分布著漩口至映秀的“映-漩暴雨區(qū)”，降雨也超過多年同期。汶川縣水磨鎮(zhèn)白石村累積降雨量為764.7毫米，超出汶川多年平均降雨量。過大的累計降雨量導(dǎo)致當(dāng)?shù)氐纳襟w、土壤被反復(fù)浸泡，反復(fù)曝曬，很容易出現(xiàn)災(zāi)害。

據(jù)都江堰地面氣象站數(shù)據(jù)(圖5)顯示，引發(fā)“8·20”汶川山洪泥石流災(zāi)害的暴雨自8月19日20∶00時至次日9∶00結(jié)束，最大小時雨強(qiáng)為19日21∶00降雨達(dá)28.5 mm，累積降雨量165.3 mm。20日凌晨3時爆發(fā)泥石流，泥石流激發(fā)小時雨強(qiáng)為24 mm。泥石流爆發(fā)前的累積降雨量為117.6 mm。因此，汶川地震后隨著時間的推移，泥石流啟動降雨閾值逐漸升高，但目前還遠(yuǎn)沒回升到震前水平。震前數(shù)據(jù)表明，汶川區(qū)域泥石流發(fā)生的前期累積雨量320～350 mm，泥石流發(fā)生的臨界雨強(qiáng)為55～60 mm/h。汶川強(qiáng)震區(qū)當(dāng)前的閾值約為震前的1/2。

圖5 研究區(qū)“8·20”泥石流降雨量

4.3 治理思路

由于本次泥石流沖出規(guī)模較大，溝口受影響居民達(dá)10戶46人，且國道G213和都汶高速公路從溝口通過。因此，登溪溝治理工程采用“以攔固為主，排導(dǎo)為輔”的治理思路?？蛇x擇有利部位修建攔固工程，攔擋大部分物源。此外，在溝口處設(shè)置單邊防護(hù)堤對攔砂壩排出的細(xì)顆粒物質(zhì)和水流進(jìn)行歸流排導(dǎo)，保護(hù)下游居民安全。

5 結(jié) 語

登溪溝是汶川強(qiáng)震區(qū)“8·20”泥石流事件中典型的由暴雨誘發(fā)的大型災(zāi)害性泥石流，持續(xù)時間達(dá)3 h，堆積長度達(dá)3.4 km，在溝口形成四個典型災(zāi)難鏈，給溝口建筑、居民、公路及岷江上下游都帶來了嚴(yán)重影響。

登溪溝泥石流的形成主要受強(qiáng)降雨和地震影響，地震為登溪溝泥石流提供了充足的物源，降雨誘發(fā)泥石流的啟動，在運(yùn)動過程中將溝內(nèi)固體物質(zhì)不斷帶走，最終發(fā)展為災(zāi)害性泥石流。筆者在充分現(xiàn)場調(diào)查的基礎(chǔ)上，結(jié)合遙感衛(wèi)星影像，從地震、降雨、物源和溝道侵蝕等方面揭示登溪溝泥石流的形成和發(fā)展過程，可提高對強(qiáng)震區(qū)泥石流的認(rèn)識，有助于對其形成更為科學(xué)的治理方案，從而達(dá)到更為有效的治理效果。