科氏力對汶川地震堰塞體形成的影響

杜紅宇，雷鎮(zhèn)宇，王啟元

科氏力對汶川地震堰塞體形成的影響

杜紅宇，雷鎮(zhèn)宇，王啟元

（四川農(nóng)業(yè)大學(xué)水利水電學(xué)院，四川 雅安 625014）

針對在野外調(diào)查過程中發(fā)現(xiàn)汶川地震區(qū)各流域右岸發(fā)生滑坡形成堰塞體的比例普遍高于左岸，河谷坡度明顯右岸大于左岸的現(xiàn)象，經(jīng)提取研究區(qū)滑坡前河谷斷面的有關(guān)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，計算出河谷坡度和不對稱系數(shù)等河谷特征指標(biāo)，發(fā)現(xiàn)研究區(qū)近七成河谷右岸坡度大于左岸，“左傾型”河谷的占比超過半數(shù)，這與科氏力在北半球?qū)\(yùn)動質(zhì)點的作用結(jié)果一致，得出科氏力與汶川地震堰塞體形成有一定的相關(guān)性。

汶川地震；科氏力；堰塞體

現(xiàn)有研究對堰塞體成因的研究大多數(shù)集中于最主要的影響因素，如地震烈度，降雨，地質(zhì)條件，構(gòu)造作用等，而討論堰塞體的成因與兩岸山體地形地貌的差異性相關(guān)的較少。

目前，莊梅英和阮在勤（1995）研究了科氏力對河道演變的影響，得到了科氏力對河流沖刷的累積作用；周振冬研究了河流沖刷作用與科氏力的關(guān)系，科氏力對形成三角洲、海底扇產(chǎn)狀和形態(tài)的影響（周振冬，1985）。除了研究科氏力對地形地貌的影響，專家在其他方面也有所突破，從虛位移原理方面研究了科氏力對質(zhì)點系的作用力大小，得到了流體受到科氏力作用會發(fā)生形態(tài)的變化（金明德，1988）；王志剛等研究了科氏力對導(dǎo)彈彈著點偏差計算，在北半球發(fā)射導(dǎo)彈，因受科氏力的作用，導(dǎo)彈總是沿前進(jìn)方向的右側(cè)發(fā)生偏差（王志剛等，2001）?？傮w上，科氏力對河道演變方面的研究較多，將科氏力與堰塞體形成原因聯(lián)系在一起的很少。

堰塞體是震后次生災(zāi)害威脅性最大的部分，堰塞體形成后會對下游造成極大的威脅，隨著堰塞湖的水位不斷增高，堰塞湖潰決的可能性也不斷增高，潰決的危害不亞于地震滑坡帶來的直接危害（周志東等，2019），所以研究堰塞體的形成原因相當(dāng)必要。本文將定性定量分析汶川地震區(qū)河谷斷面形態(tài)，從而探討科氏力與地震堰塞體形成的相關(guān)性，可對以后工程實踐如河道整治、河岸加固、通航和防洪抗災(zāi)等具有一定的指導(dǎo)意義。

1 科氏力簡介

科氏力，全稱科里奧利力，是由法國數(shù)學(xué)家Coriolis提出的，他指出在非慣性參考系下，運(yùn)動的物體會受到科氏力的作用，從而改變運(yùn)動的方向。

圖1 汶川地震堰塞湖的分布圖

某一質(zhì)點科氏力的方程為：

科氏力是一個長久作用力，具有累積效應(yīng)，在河道演變中，科氏力具有舉足輕重作用，例如北半球河流在流經(jīng)地面時，受到科氏力影響改變水位高程，形成右高左低，導(dǎo)致沖刷河岸左右岸的程度不同；在北半球，自西向東方向的河流，其入海口左右岸泥沙淤積程度不同以及入海方向逐漸偏向赤道；受科氏力影響，河流右岸的水流產(chǎn)生擠壓，在累積效應(yīng)下河流彎曲形成蜿蜒形流向，對河道彎曲有著重要影響（殷瑞蘭，2002）。

2 汶川地震堰塞體概況

汶川地震觸發(fā)了大量的滑坡阻塞河道形成堰塞體，存留時間14天以上的堰塞湖 256處（崔鵬等，2009）。眾多堰塞湖的險情不盡相同，根據(jù)滑坡體巖性、堵塞河道規(guī)模、蓄水量和上游集水面積等因子，將35個滑坡堰塞湖按險情等級劃分為5類，即潰堰型險情、高危險情、次高危險情、一般險情和無險情等。其中，潰堰型險情1處即唐家山堰塞湖；高危險情5處，即苦竹壩下游、肖家橋、南壩、黑洞崖和石板溝（潘世兵，2009）。其中唐家山、肖家橋、南壩、黑洞崖和石板溝等堰塞體，均是右側(cè)山體垮塌，形成左岸低、右岸高的堰塞體。由汶川地震堰塞湖分布圖可知，汶川地震區(qū)形成的堰塞體并非左右岸分布均等。

表1 左/右岸發(fā)生滑坡的堰塞體數(shù)量

3 河道兩岸坡度差異現(xiàn)象

經(jīng)過對汶川地震中形成的堰塞體的統(tǒng)計，以及對每座堰塞體分布進(jìn)行了準(zhǔn)確地記錄，得出了左岸發(fā)生滑坡形成的堰塞體數(shù)量占比42.2%，右岸發(fā)生滑坡形成的堰塞體數(shù)量占比57.8%，滑坡發(fā)生在右岸的概率明顯大于左岸。按四川流域分布于右岸滑坡統(tǒng)計，沱江流域占63.5%，嘉陵江流域占58.1%，岷江流域占54.7%，湔江流域占54.3%。各流域右岸發(fā)生滑坡在54%～64%。由此，推測堰塞體滑坡與左右岸分布有關(guān)。

通過對石板溝堰塞體、南壩堰塞體等處的河道實地考察，發(fā)現(xiàn)在河流左右蜿蜒數(shù)目相等的基礎(chǔ)上，河道左右岸坡度并未呈現(xiàn)一致性，右岸坡度多數(shù)大于左岸坡度，多數(shù)堰塞體是由于右側(cè)山體滑坡形成。例如石板溝堰塞體，左岸山體坡度約為45°，右岸山體坡度約為55°，且滑坡發(fā)生在右岸；南壩堰塞體，左岸山體坡度約55°，右岸山體坡度約69°，滑坡發(fā)生在右岸。為了驗證考察結(jié)論的準(zhǔn)確性和普遍性，即汶川地震堰塞體滑坡發(fā)生在右岸數(shù)量大于左岸，與河道左右岸坡度有一定相關(guān)性。團(tuán)隊對記錄的兩百余個堰塞體所在的河道，滑坡前的兩岸坡度分流域進(jìn)行提取，如圖2，圖3，圖4。

圖2 沱江流域左右岸坡度差（右岸坡度減左岸坡度）柱狀圖

圖3 嘉陵江流域左右岸坡度差（右岸坡度減左岸坡度）柱狀圖

上述表格中采用右岸坡度與左岸坡度差值為統(tǒng)計數(shù)據(jù)，縱坐標(biāo)為正值，則表明右岸坡度大于左岸坡度。經(jīng)統(tǒng)計，沱江流域縱坐標(biāo)為正值的數(shù)據(jù)點為62個，占總數(shù)的66.7%，嘉陵江流域縱坐標(biāo)為正值的數(shù)據(jù)點為49個，占總數(shù)的64.5%，岷江流域縱坐標(biāo)為正值的數(shù)據(jù)點為35個，占總數(shù)的60.3%?？v觀三個流域，右岸坡度大于左岸坡度的河谷占比為64.3%。由此可見，汶川地震堰塞體滑坡發(fā)生在右岸的數(shù)量大于滑坡發(fā)生在左岸的數(shù)量，且與河道左右岸坡度有一定相關(guān)性，這一結(jié)論具有準(zhǔn)確性和一定的普遍性，且此現(xiàn)象在科氏力及其對河道演變的影響（莊梅英和阮在勤，1995）中也被研究過，在北半球科氏力造成河流對河道右岸沖刷更嚴(yán)重，導(dǎo)致右岸坡度普遍大于左岸。

在眾多的堰塞體中，馬槽灘堰塞體最為典型，該堰塞體處于石亭江上游的直道段，被評定為中危性質(zhì)。該堰塞體由左右岸山體滑坡和右岸崩塌形成，以右岸山體滑塌為主，堆積體右岸高，左岸低，由右岸向左岸緩降，右岸有一淺小V形缺口（王淑建，2010）。截取該堰塞體的橫斷面，并對兩岸坡度進(jìn)行提取，如圖5，左岸坡度約為43°，右岸坡度約為58°，左右岸坡度比約1∶1.35，馬槽灘河谷岸坡右岸明顯大于左岸，且右岸發(fā)生滑坡崩塌。諸如此類的堰塞體均驗證了汶川地震堰塞體滑坡發(fā)生在右岸的數(shù)量大于滑坡發(fā)生在左岸的數(shù)量，且與河道左右岸坡度有一定相關(guān)性。

圖4 岷江流域左右岸坡度差（右岸坡度減左岸坡度）柱狀圖

圖5 馬槽灘堰塞湖剖面圖

4 科氏力與汶川地震堰塞體形成的相關(guān)性

河道邊坡坡度差異將會導(dǎo)致兩岸山體穩(wěn)定不同，在地震的強(qiáng)有力作用下，不穩(wěn)定山體將滑坡或崩塌，堵塞河道形成堰塞湖。如果河道邊坡僅僅受到諸如地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造、構(gòu)造運(yùn)動、巖性、地下水活動或降雨等因素的影響，由于這些因素對河谷兩岸來說都是隨機(jī)的，不會造成河谷左右岸傾斜度有明顯差別，那么河流兩岸坡角應(yīng)當(dāng)大致相等，但通過對岷江上游（汶川-都江堰）、涪江（平武-江油）嘉陵江上游等地的考察，發(fā)現(xiàn)河道邊坡坡度呈現(xiàn)明顯的差異性，河谷右岸坡度多數(shù)大于左岸坡度。

圖 6 河谷橫斷面簡圖

為了進(jìn)一步定量分析河谷斷面形態(tài)，本文引入橫斷面不對稱系數(shù)（S）：A.J.Milne用該系數(shù)描述河流的橫斷面形態(tài)（Milne, J. A，1979），本文引申該概念來描述河谷橫斷面形態(tài)，面向河谷下游截取未發(fā)生滑坡前的河谷橫斷面，以坡高相對較低的山脊為頂點做水平線，從河谷最低點向水平線作垂線，其交點的左右兩側(cè)線段長度之比則為橫斷面不對稱系數(shù)S=L1/L2，若S=1，則定義為“對稱型”河谷，若S>1則定義為“左傾型”河谷（左岸緩，右岸陡峭），反之則定義為“右傾型”河谷。統(tǒng)計汶川地震區(qū)流域的河谷不對稱系數(shù)S值（表2），并作出散點圖（圖7）。

從表二中可以看出，各流域中“左傾型”河谷，則S >1的比例達(dá)60%左右；在總量上，“左傾型”河谷所占比例為61.6%，其中湔江流域 S最大值為7.027，該處河谷斷面呈現(xiàn)近L狀，形成此斷面最主要的原因是特殊地質(zhì)構(gòu)造，最值不能反映數(shù)據(jù)的全面性，平均值則能反映數(shù)據(jù)的整體情況?？v觀各流域，不平均系數(shù)S的均值高達(dá)1.26，若河谷邊坡僅受地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造、巖性、地下水活動或降雨等因素的影響，上述因素對河道左右岸作用應(yīng)大致相同，那么各流域河谷應(yīng)近似“對稱型”河谷，即S=1，經(jīng)過數(shù)據(jù)統(tǒng)計，各流域S平均值處于1.25左右，顯然多數(shù)河谷呈現(xiàn)左傾型河谷，即河谷右岸坡度較左岸坡度更陡峭。左右岸坡角顯示出明顯的差異性，證明出河谷邊坡除了受以上因素的影響，導(dǎo)致其存在差異性還另有原因。

表2 汶川地震區(qū)流域的橫斷面S值統(tǒng)計

基于上述結(jié)論，我們建立起科氏力和河谷不對稱系數(shù)的聯(lián)系，河谷邊坡坡度與科氏力的長期作用的結(jié)果具有相同的規(guī)律性，由于科氏力在北半球?qū)\(yùn)動物體會產(chǎn)生向右偏轉(zhuǎn)的微小力，經(jīng)過長時間的累積，科氏力對河流的作用不可小覷。在北半球河流對右岸沖刷比左岸更嚴(yán)重，61.6%的河谷為“左傾型”，右岸邊坡相對左岸更加陡峭，汶川地震區(qū)的堰塞體更易于右岸滑坡形成，由此可證明科氏力與汶川地震堰塞體的形成有一定的相關(guān)性。這一規(guī)律在北半球都是一致的，劉新利通過收集數(shù)據(jù)和科學(xué)計算研究了北半球河流對右岸沖刷比左岸更嚴(yán)重這一現(xiàn)象（劉新利，1997）。宋向陽通過數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析研究了科里奧利力對城市與河流關(guān)系的影響（宋向陽，2016）指出科里奧利力加重了北半球河流右岸的沖刷，使河流右岸比較陡峭，由于水深岸陡，易建設(shè)港口，便利交通，所以北半球城市多分布于江河右岸。

圖7 S值散點圖

5 結(jié)論

通過對汶川地震區(qū)的河谷斷面形態(tài)特征進(jìn)行定性定量研究，各流域形成的堰塞體位于右岸的占比處于54%～64%之間，各流域河谷右岸坡度大于左岸坡度的河谷占比為64.3%，“左傾型”河谷占比61.6%，提出由科氏力對河流長期的累積作用，在分析堰塞體形成的原因，建議在制定河道邊坡防護(hù)方案，將科氏力作用考慮在內(nèi)，加強(qiáng)防護(hù)，防止堰塞體形成。

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Influence of Coriolis Force on the Formation of Barrier Body from the Wenchuan Earthquake

DU Hong-yu LEI Zhen-yu WANG Qi-yuan

(College of Water Resources and Hydropower, Sichuan Agricultural University)

Geological survey indicates that the proportion of landslide in the right bank of rivers in the Wenchuan earthquake-stricken area is higher than that in the left bank. The calculation shows that the slope on the right bank of rivers of the Wenchuan earthquake-stricken area is larger than that on the left bank. It is consistent with the effect of Coriolis force on moving particles in the northern hemisphere which indicates that there is a certain correlation between the Coriolis force and the formation of the barrier body from the Wenchuan earthquake.

Wenchuan earthquake; Coriolis force; barrier body

P642.2

A

1006-0995（2021）03-0453-04

10.3969/j.issn.1006-0995.2021.03.020

2020-09-16

杜紅宇（1998—），女，四川成都人，本科，水利水電工程專業(yè)