大流域泥石流成災(zāi)特征與形成機(jī)制
——以金川縣曾達(dá)溝“6.27”特大型泥石流為例

黃 洪，陳寧生，胡桂勝，劉恩龍，倪化勇

(1.中國科學(xué)院、水利部成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所，四川 成都 610041； 2.中國科學(xué)院山地災(zāi)害與地表過程重點(diǎn)實(shí)驗室，四川 成都 610041；3.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049； 4.四川大學(xué) 水利水電學(xué)院，四川 成都 610065； 5.中國地質(zhì)調(diào)查局成都地質(zhì)調(diào)查中心，四川 成都 610081)

泥石流是一種高濃度、寬級配的多項非均質(zhì)流體[1-2]。姚振國[3]等對392條泥石流溝統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，流域面積對于泥石流發(fā)育和形成起著控制作用，且泥石流易發(fā)流域面積多小于30 km2；已有研究表明大流域泥石流的形成主要是由于沿途的側(cè)蝕和揭底沖刷作用[4-7]。降雨是控制泥石流形成的最重要因素之一[8-11]，降雨分為前期降雨和激發(fā)雨強(qiáng)。前期降雨可通過改變土體結(jié)構(gòu)和降低泥石流的降雨閾值從而影響泥石流的發(fā)生[12]。陳寧等[1]在研究岷江流域暴發(fā)泥石流的降雨條件時發(fā)現(xiàn)前期降雨量在60 mm～110 mm左右，短歷時強(qiáng)降雨達(dá)到15 mm～45 mm就有可能發(fā)生泥石流，這說明隨著前期降雨的增大，激發(fā)泥石流所需的臨界降雨量隨之減?。换魰匝郲13]等發(fā)現(xiàn)當(dāng)前期降雨導(dǎo)致土壤飽和率從0.20分別增加到0.50和0.80時，激發(fā)泥石流的雨強(qiáng)分別減少13.7%～16.2%和26.8%～31.8%；此外，在前期降雨充足的情況下，地表將產(chǎn)生有利于泥石流暴發(fā)的超滲產(chǎn)流和超蓄產(chǎn)流[14]。在此背景下，本文以金川縣曾達(dá)溝“6.27”泥石流為例，通過分析泥石流災(zāi)害發(fā)生前的降雨特征，結(jié)合曾達(dá)溝工程治理措施與非工程治理措施，闡明了前期累計降雨如何對泥石流形成產(chǎn)生影響。本研究可為大流域泥石流災(zāi)害的預(yù)警預(yù)報和防治措施提供些許參考。

1 研究區(qū)概況

1.1 地形地貌特征

金川縣位于四川盆地與青藏高原東南緣的過渡地帶，地形切割劇烈，為高山峽谷地貌。曾達(dá)溝泥石流平面形態(tài)呈“梨”型，流域面積125.53 km2，溝口地理坐標(biāo)：N31°13′15″，E102°00′10″,主溝長16.9 km，主溝平均縱坡降介于50‰～685‰，總體上以深切割“V”和“U”體型谷為主，坡度陡峭，切坡深度大。曾達(dá)溝流域最高高程位于支溝龍谷溝為4 720 m，最低高程位于溝口為2 056 m，相對高差2 664 m，全流域平均縱坡降約126‰，總體呈現(xiàn)上游陡，中下游較緩。曾達(dá)溝內(nèi)支溝發(fā)育，各支溝整體呈魚排式分布于主溝兩側(cè)(圖1)。溝域內(nèi)從上至下共發(fā)育有較大支溝16條(表1)，支溝中下段溝道狹窄，溝道寬15 m～40 m，兩岸谷坡陡峻，坡度約35°～60°，局部基巖出露段坡度達(dá)70°以上。左岸支溝9條，右岸支溝7條，共計16條支溝。

表1 曾達(dá)溝特征參數(shù)表 Table 1 Zengda valley characteristic parameters

圖1 曾達(dá)溝流域全貌Fig.1 Zengda gully drainage basin

1.2 地質(zhì)背景

研究區(qū)內(nèi)新構(gòu)造運(yùn)動較強(qiáng)烈，區(qū)內(nèi)褶皺構(gòu)造發(fā)育，斷裂不發(fā)育，以擠壓緊密、軸部尖棱為特征的褶皺為主。區(qū)內(nèi)分布有三疊系地層、新生界第四系松散堆積和冰水堆積層。其中，三疊系雜谷腦組(T2z)，巖性為石英砂巖、凝灰質(zhì)砂巖、粉砂巖夾灰色粉砂質(zhì)板巖、炭質(zhì)板巖，主要分布在溝域兩側(cè)山脊及主溝中部區(qū)域；侏倭組(T3zh)巖性為薄變質(zhì)長石砂巖、石英砂巖、巖屑砂巖、細(xì)砂巖、粉砂巖與深灰色粉砂質(zhì)板巖、絹云母板巖、炭質(zhì)板巖不等厚互層產(chǎn)出，偶夾結(jié)晶灰?guī)r，在流域范圍內(nèi)廣泛分布；新都橋組(T3xn)巖性主要為變質(zhì)細(xì)砂巖夾少量板巖的砂巖段與深灰色砂質(zhì)板巖，炭質(zhì)板巖夾少量薄層變質(zhì)砂巖的板巖段互層，少量分布于支溝上游。第四系松散堆積和冰水堆積層巖性主要為板巖、砂巖。其中殘坡積層(Q4dl+el)為粉質(zhì)粘土夾碎塊石，主要分布于溝域斜坡區(qū)；坡堆積層(Q4del)為塊碎石土，分布于溝域不同區(qū)域，以主溝中段區(qū)舒家坡滑坡規(guī)模最大；崩坡積層(Q4col)為碎石，主要分布于支溝溝道及主溝局部兩側(cè)山體斜坡上；第四系沖洪積層(Q4al+pl)為粉質(zhì)粘土夾卵石，主要分布于主溝寬緩區(qū)段；泥石流堆積(Q4sef)為碎塊石土，塊石土，主要分布于支溝泥石流下游溝道內(nèi)及主溝縱坡較緩區(qū)域；第四系人工堆積(Q4ml)為碎石、塊石及采礦形成角礫石等，主要分布于波巖溝內(nèi)。研究區(qū)位于鮮水河地震帶和松潘地震帶之間，抗震設(shè)防烈度為Ⅶ度。

1.3 氣象水文特征

曾達(dá)溝所在區(qū)域氣候?qū)倜黠@的大陸性高原季風(fēng)氣候，全年氣候顯著特點(diǎn)是日溫差大，年溫差小，多年平均氣溫12.8℃，變幅在12.3～13.6℃，最冷月(1月)均溫2.5℃，變幅0.4～4.1℃之間，最熱月(7月)均溫20.7℃，變幅在19.3～22.2℃之間。曾達(dá)溝為金川縣大金川河左側(cè)一級支流，匯流面積125.53 km2，為常年流水溝道，常年平均流量約5～8 m3/s，遇強(qiáng)降雨時，汛期最大流量可達(dá)50 m3/s左右。研究區(qū)內(nèi)年平均降水量為621 mm，最大年降水858.1 mm，全年降雨分布不均，其中旱季(11月至翌年4月)降水稀少(占年降水量的9%)，濕季(5月至10月)降水顯著增加(占年降水量的91%)。曾達(dá)溝內(nèi)16條支溝當(dāng)中，11條支溝為常年流水溝，其余為季節(jié)性水溝。

2 “6.27” 曾達(dá)溝泥石流特征

2.1 泥石流成災(zāi)特征

據(jù)現(xiàn)場調(diào)訪發(fā)現(xiàn)，自20世紀(jì)90年代至今曾達(dá)溝曾暴發(fā)過5次山洪泥石流災(zāi)害，最近一次泥石流災(zāi)害發(fā)生于2014年6月28日。2019年6月27日22時45分許，曾達(dá)溝突發(fā)泥石流災(zāi)害，本次泥石流堆積區(qū)面積約510 000 m2，堆積厚度約1.5～3.5 m，一次性沖出大量泥石流固體物質(zhì)約150×104m3，泥石流沖出最大塊石塊徑約1.5×1.2×0.8 m。造成海子坪村、曾達(dá)村、壇罐窯村居民房屋受損156戶1 326間(圖2(b))，農(nóng)田受災(zāi)0.5 km2(圖2(c))，牲畜家禽2 258頭, 通鄉(xiāng)通村道路損毀25.1 km(圖2(a))，車輛受損6輛, 橋梁損毀17座(圖2(d ))，交通、電力、通訊全部中斷；此外此次特大型泥石流災(zāi)害造成已建地災(zāi)治理工程肋底槽前端齒墻基礎(chǔ)懸空，沖毀防洪堤335 m，橋涵改造工程3處部分損壞或完全破壞，造成經(jīng)濟(jì)損失達(dá)1.51億元。

值得注意的是群測群防體系在本次泥石流災(zāi)害中發(fā)揮重要作用，具體過程如下：6月27日晚19時曾達(dá)溝流域開始降雨，20時群測群防人員發(fā)現(xiàn)降雨持續(xù)加大，溝內(nèi)河水上漲較快伴有垮塌聲音，當(dāng)即判斷有泥石流暴發(fā)的可能，于是立即通知相關(guān)負(fù)責(zé)人拉響地災(zāi)警報，并組織鄉(xiāng)村干部于20時10分開始逐戶通知群眾按應(yīng)急避險預(yù)案和避險路線緊急轉(zhuǎn)移。20時30分龍古溝泥石流暴發(fā)，21:00時泥石流到達(dá)主溝，22時10分到達(dá)溝口。在此次泥石流災(zāi)害中，因預(yù)警預(yù)報信息及時發(fā)布，提前采取避讓措施，有效的避免了人員傷亡。

圖2 曾達(dá)溝泥石流破壞圖Fig.2 Destruction of debris flow in Zengda gully

2.2 泥石流運(yùn)動參數(shù)特征

2.2.1 泥石流容重

計算泥石流流體重度、流速、流量是評價泥石流性質(zhì)和規(guī)模的主要方法。然而，由于泥石流多發(fā)生于偏遠(yuǎn)山區(qū)，因其偶發(fā)性和災(zāi)害的快速性而難以觀測。因此，泥石流發(fā)生以后，在曾達(dá)溝主溝泥石流堆積區(qū)采取泥石流土樣, 并通過室內(nèi)試驗獲得土樣顆粒級配曲線(圖3)。泥石流重度的計算使用我國西南山區(qū)泥石流粘粒(粒徑<0.005 mm)含量數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析[15]。

γc=-1 320x7-513x6+891x5-55x4+34.6x3-67x2+12.5x+1.55.

(1)

圖3 曾達(dá)溝顆粒級配曲線Fig.3 Particle grading curve in Zengda gully

式中：γc為泥石流的重度(g/cm3),x為泥石流土樣中黏粒含量。

由顆粒分析得，根據(jù)式(1)求出泥石流容重為γc=1.65～1.84 g/cm3，平均容重為1.70 g/cm3。判斷此次泥石流為稀性泥石流。

2.2.2 泥石流流速和峰值流量

根據(jù)現(xiàn)場勘察和泥石流相關(guān)模型計算泥石流的流速和流量，曾達(dá)溝泥石流為稀性泥石流，對稀性泥石流采用以下公式計算：

(2)

式中:Vc為泥石流斷面平均流速(m/s)；γH為泥石流固體物質(zhì)容重(g/cm3)；1/n為清水河床糙率系數(shù)；R為水力半徑；I為泥石流水力坡度(‰)。計算參數(shù)和計算結(jié)果詳見表2。泥石流峰值流量計算公式如下：

Qc=WcVc.

(3)

式中:Qc為泥石流斷面峰值流量(m3/s)；Wc為泥石流過流斷面面積(m2)，溝道形態(tài)參數(shù)可通過調(diào)查測繪獲??；Vc為泥石流斷面平均流速(m/s)。計算參數(shù)和計算結(jié)果詳見表2。

表2 曾達(dá)溝泥石流流速和流量計算表Table 2 The velocity and flow of debris flow calculation table in Zengda gully

3 曾達(dá)溝泥石流成災(zāi)機(jī)制與運(yùn)動過程

3.1 前期累計降雨與短歷時強(qiáng)降雨共同作用激發(fā)泥石流形成

前期累計降雨量對于泥石流的形成影響巨大[16-17]，前期累計降雨量公式采用[18]：

(4)

其中：Pa為泥石流暴發(fā)前30d的有效降雨量；Pi為第i天的日降雨量；k為雨量遞減系數(shù)取0.9。

據(jù)現(xiàn)場調(diào)訪，當(dāng)?shù)鼐用穹磻?yīng)泥石流發(fā)生前一個月，幾乎每天都在下雨，前期降雨量十分豐富。通過收集金川縣曾達(dá)溝附近氣象站卡撒鄉(xiāng)山埂子村氣象臺站和太平橋鄉(xiāng)長勝店村氣象臺站(卡撒鄉(xiāng)山埂子村氣象臺站距離曾達(dá)溝直線距離約17.1 km, 太平橋鄉(xiāng)長勝店村氣象臺站距離曾達(dá)溝直線距離約12.6 km)泥石流發(fā)生前一個月的降雨數(shù)據(jù)，證實(shí)了這一說法。泥石流暴發(fā)前一個月卡撒鄉(xiāng)山埂子村氣象臺站和太平橋鄉(xiāng)長勝店村氣象臺站記錄的數(shù)據(jù)表明研究區(qū)內(nèi)前一個月未下雨天數(shù)僅為8 d(圖4)，前期累計降雨量達(dá)188 mm(卡撒鄉(xiāng)山埂子村氣象臺站)、148 mm(太平橋鄉(xiāng)長勝店村氣象臺站)，前期降雨時間長、雨量大。前期充沛的雨量，溝內(nèi)土體處于飽水狀態(tài)，更容易形成地表徑流，進(jìn)而導(dǎo)致泥石流的臨界降雨閾值降低[13,16]。前期降雨導(dǎo)致土體內(nèi)孔隙水壓力增大，土的抗剪強(qiáng)度減小[19-20]；在后續(xù)強(qiáng)降雨作用下，這種穩(wěn)定性差的飽和土體極易被地表徑流帶走，形成泥石流。泥石流暴發(fā)當(dāng)天的降雨總量約為6.7～52.6 mm，6月27日下午20:00曾達(dá)鄉(xiāng)范圍開始降雨，最大雨強(qiáng)出現(xiàn)在晚上22:45；20:30位于主溝左側(cè)的龍古溝泥石流暴發(fā)，21:00時泥石流到達(dá)主溝，22:10時到達(dá)溝口，泥石流持續(xù)時間約3 h，泥石流的暴發(fā)時間與暴雨最大雨強(qiáng)一致。因此，前期累計降雨與短歷時強(qiáng)降雨共同激發(fā)了此次泥石流的形成。

圖4 曾達(dá)溝泥石流暴發(fā)前一個月的日降雨數(shù)據(jù)圖Fig.4 Daily rainfall data of the month before the outbreak of the debris flow in Zengda gully

3.2 前期降雨量使溝道內(nèi)物源增加

溝道內(nèi)豐富的物源條件是山洪轉(zhuǎn)化為泥石流的基礎(chǔ)[21-22]。已有研究表明，前期降雨主要通過引發(fā)崩塌、滑坡和坡面坍塌的產(chǎn)生從而影響溝道內(nèi)松散固體物質(zhì)的數(shù)量[24]；雨水大量注入滑坡體，增加土體的含水量，使土體重度增加，降低巖體滑動抗剪強(qiáng)度[25-27]，進(jìn)而促使穩(wěn)定土體轉(zhuǎn)化為泥石流物源。曾達(dá)溝物源的計算采用現(xiàn)場勘察并用1∶1 000和1∶10 000作為手圖，并圈定集中物源、坡面物源、溝道物源的平面形態(tài)，平均厚度采用《泥石流防治指南》[23]中確定的松散固體物源儲量計算方法。對于集中物源的平均厚度采用公式：

(5)

式中，H1是崩塌的平均厚度，Lp是崩塌前緣與后壁間的水平距離，θ是坡角度。

表3 曾達(dá)溝物源統(tǒng)計表Table 3 Source statistics of Zengdagou

對于溝床上、中、下游松散固體物質(zhì)的斷面具有不同形狀，上游可能為V形，中游可能為梯形，下游可能為矩形。根據(jù)現(xiàn)場勘察確定了斷面形狀和尺寸之后，分別乘以各段長度予以估算。坡地上的松散固體物質(zhì)主要為殘坡積物、坡積物，崩塌散落體，自分水脊向溝床邊緣逐漸變厚，其剖面為三角形。求坡地上松散固體物質(zhì)儲量時，先求得這個斜坡三角形面積，再與這個坡形沿溝谷方向的長度相乘。動儲量的劃分：集中物源是以潛在滑動面，破裂角，天然休止角等作為其不穩(wěn)定面的界限，溝道物源以沖刷深度作為不穩(wěn)定的界面，坡面物源以現(xiàn)場調(diào)查的侵蝕深度作為不穩(wěn)定的界面。

根據(jù)現(xiàn)場勘察和計算結(jié)果，曾達(dá)溝內(nèi)松散固體物質(zhì)儲量較豐富，主要物源類型有溝道堆積物源、滑坡物源、崩塌物源、坡面侵蝕類物源和人工堆積物源(表3)。引發(fā)曾達(dá)溝泥石流的松散固體物質(zhì)主要來源于前期降雨導(dǎo)致的崩塌、滑坡，約占總物源的50%(圖5)。

圖5 曾達(dá)溝內(nèi)崩塌、滑坡物源Fig.5 Source of collapse and landslide in Zengda gully

3.3 曾達(dá)溝泥石流的運(yùn)動過程

6月27日22時45分許，在經(jīng)歷數(shù)小時強(qiáng)降雨之后，加上前期降雨充足，導(dǎo)致支溝中上游潛在物源發(fā)生大量崩塌、滑坡和坡面坍塌，與地表徑流混合形成泥石流，沿支溝道向下奔流，支溝溝道縱坡降大(特別是支溝下游溝口段縱坡降可達(dá)300‰-400‰)，奔流向主支溝交匯處時速度快，加之龍古溝與主溝近直角交匯，支溝泥石流撞擊到對岸坡面，泥石流體飛濺高度達(dá)30 m左右(圖6(a))，龍古溝泥石流進(jìn)入主溝后，與主溝道洪水混合，流速不斷加快以及沖擊力加強(qiáng)，導(dǎo)致主溝沿途鏟刮、溝道下切作用更為明顯(圖6(b))，越來越多的松散固體物質(zhì)參與到泥石流活動，加之支溝倪家坪溝、艾爾羅溝在強(qiáng)降雨的作用下也產(chǎn)生了不同規(guī)模的泥石流，使得主溝泥石流規(guī)模不斷加大，最終形成特大型泥石流。

支溝龍古溝暴發(fā)泥石流，攜帶大量砂石進(jìn)入下游溝道，在支溝艾爾羅溝溝口上游由于河道彎曲和縱坡相對平緩出現(xiàn)一定泥石流流體堆積，堆積體縱向長500 m左右，堆積量21.0×104m3(圖6(c))，泥石流向下流動至1#攔擋壩處，受壩體攔擋，壩后完全淤滿，堆積體縱向長250 m左右，堆積量3.7×104m3(圖6(d))，泥石流向下流動至肋底槽處受肋底槽阻攔出現(xiàn)一部分流體堆積，縱向長40 m，堆積量0.6×104m3(圖6(e))，泥石流流至溝口地帶受溝道變緩影響，多數(shù)流體堆積于近溝口原排洪溝道及兩側(cè)，部分流進(jìn)主河，溝口地帶部分原排洪溝槽淤滿，部分泥石流翻越防護(hù)堤，沖毀了兩側(cè)部分建筑及車輛，淤積長1 800 m左右，堆積量88.2×104m3(圖6(f))。

圖6 曾達(dá)溝泥石流運(yùn)動過程圖Fig.6 The movement process of the debris flow in Zengda gully

4 討論

本次泥石流應(yīng)急搶險是工程治理與非工程治理相結(jié)合的典范。在非工程治理方面：群測群防體系在曾達(dá)溝泥石流應(yīng)急搶險過程中發(fā)揮了至關(guān)重要的作用。近年來，金川縣以多種形式對地災(zāi)隱患點(diǎn)監(jiān)測人員及受地災(zāi)威脅的群眾開展地質(zhì)災(zāi)害宣傳培訓(xùn)工作(圖7(a))，與此同時，有針對性地開展應(yīng)急演練，確保監(jiān)測人員能夠熟練掌握山地災(zāi)害監(jiān)測方法，并能初步判斷山地災(zāi)害前兆性，及時報告地質(zhì)災(zāi)害險情，引導(dǎo)群眾有序地臨災(zāi)疏散。全面提高了當(dāng)?shù)厝罕娮R災(zāi)、報災(zāi)、避災(zāi)和相互協(xié)調(diào)聯(lián)動能力，增強(qiáng)了地質(zhì)災(zāi)害防范意識，提升了自救互救技能。在工程治理方面：在此次災(zāi)害中1#攔擋壩削峰減流作用明顯(圖7(b))，泥石流在海子坪-壇罐窯一帶開始淤積，砂石停淤在溝道內(nèi)及溝道兩側(cè)，導(dǎo)致1#壩完全滿庫，3#壩處于半庫狀態(tài)；海子坪-溝口一帶排導(dǎo)槽、停淤堤也發(fā)揮了重要疏導(dǎo)、引流作用(圖7(c))，有效減少了泥石流溢出量； 同時上游長約140 m的肋底槽(圖7(d))，有效穩(wěn)固舒家坡滑坡，消除了滑坡堵溝的可能。曾達(dá)溝泥石流治理工程在此次災(zāi)害中起到了積極的防災(zāi)成效，起到了較好的固源與引流作用，有效的疏導(dǎo)排泄泥石流，減緩了泥石流暴發(fā)速度，有力遏制了泥石流災(zāi)害的危害，保護(hù)了群眾生命安全，也為群眾有效轉(zhuǎn)移避險爭取了大量時間。因此，在未來的防災(zāi)減災(zāi)中應(yīng)當(dāng)多注重工程治理與非工程治理相結(jié)合。

圖7 工程治理與非工程治理成效圖Fig.7 Engineering measures and non-engineering measures effectiveness

5 結(jié)論

本文以“6.27”曾達(dá)溝泥石流為例，通過分析泥石流的運(yùn)動特征、形成條件，闡明了前期降雨對泥石流形成的影響。得出如下結(jié)論：

(1)曾達(dá)溝泥石流為稀性泥石流，容重為1.7 g/cm3，平均流速為8.55 m/s，峰值流量為1 567.56 m3/s。

(2)前期累計降雨結(jié)合短歷時強(qiáng)降雨是形成本次泥石流的關(guān)鍵因素。豐富的前期累計降雨使溝內(nèi)土體處于飽水狀態(tài)，更容易形成地表徑流。前期降雨使土體內(nèi)孔隙水壓力增加，土的抗剪強(qiáng)度降低，在后續(xù)強(qiáng)降雨作用下，這中穩(wěn)定性差的飽和土體被地表徑流帶走，形成泥石流。前期累計降雨誘發(fā)曾達(dá)溝內(nèi)崩塌、滑坡發(fā)生，為泥石流的暴發(fā)創(chuàng)造了良好的物源條件。據(jù)估算，崩塌、滑坡物源總量約為528.2×104m3，占總物源的50%。

(3)本次泥石流應(yīng)急搶險是工程治理與非工程治理相結(jié)合的典范。群測群防體系在曾達(dá)溝泥石流應(yīng)急搶險過程中發(fā)揮了至關(guān)重要的作用，使得本次泥石流災(zāi)害無人員傷亡。曾達(dá)溝工程治理措施起到了較好的固源與引流作用，有效的疏導(dǎo)排泄泥石流，減緩了泥石流暴發(fā)速度，有力遏制了泥石流災(zāi)害的危害，保護(hù)了群眾生命安全，也為群眾有效轉(zhuǎn)移避險爭取了大量時間。因此，在未來的防災(zāi)減災(zāi)中應(yīng)當(dāng)多注重工程治理與非工程治理相結(jié)合。