汶川強(qiáng)震區(qū)都江堰市雙養(yǎng)子溝泥石流調(diào)查

吳雨夫，余斌，馬煜，張惠惠，褚勝名，李麗

(成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，610059，成都)

2010年8月13日，“5·12”汶川地震強(qiáng)震區(qū)內(nèi)的都江堰市龍池鎮(zhèn)突遇特大降雨天氣，區(qū)域內(nèi)的龍溪河流域多處發(fā)生泥石流、滑坡和崩塌等地質(zhì)災(zāi)害，給當(dāng)?shù)卦斐闪司薮蟮慕?jīng)濟(jì)損失。其中，位于龍池鎮(zhèn)南岳村七組的雙養(yǎng)子溝爆發(fā)的泥石流，造成了耕地、經(jīng)濟(jì)林及溝口通往龍池湖景區(qū)的旅游公路被毀等災(zāi)害。

“5·12”汶川地震后，強(qiáng)震區(qū)頻繁爆發(fā)泥石流。2008年9月22—24日，地震區(qū)北川、汶川和安縣等地大范圍爆發(fā)泥石流，2010年8月7日，地震區(qū)甘肅舟曲爆發(fā)特大規(guī)模泥石流，2010年8月13日，地震區(qū)汶川映秀鎮(zhèn)、都江堰市龍池鎮(zhèn)和綿竹市清平鎮(zhèn)等地爆發(fā)大規(guī)模泥石流，這些泥石流災(zāi)害都造成了人員傷亡和巨大的經(jīng)濟(jì)損失。唐川［1］、崔鵬等［2］和謝洪等［3］等學(xué)者都認(rèn)為，受汶川地震影響，地震后10 a內(nèi)，震區(qū)泥石流的活動(dòng)趨勢(shì)會(huì)持續(xù)加強(qiáng)。截至2010年10月19日，雙養(yǎng)子溝流域內(nèi)滑坡崩塌體依然十分發(fā)育，松散固體物質(zhì)仍然非常豐富，如遇強(qiáng)降雨，可能會(huì)再次爆發(fā)泥石流。筆者通過對(duì)雙養(yǎng)子溝泥石流災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)的調(diào)查成果，分析泥石流災(zāi)害特征、成災(zāi)原因和成災(zāi)過程，探討泥石流的發(fā)展趨勢(shì)，以期為規(guī)避地震災(zāi)區(qū)泥石流災(zāi)害及認(rèn)識(shí)強(qiáng)震區(qū)泥石流的發(fā)育特征提供參考。

1 雙養(yǎng)子溝流域特征

雙養(yǎng)子溝位于都江堰市龍池鎮(zhèn)境內(nèi)，溝口地理坐標(biāo)為 E 103°33'2.1″，N 31°6'2.9″，距龍池場(chǎng)鎮(zhèn)直線距離5 km，屬于岷江支流龍溪河右岸的一級(jí)支溝。雙養(yǎng)子溝流域面積2.45 km2，主溝長2.9 km，平均縱比降379‰。流域相對(duì)高差1 380 m，主體流向由西向東(圖1)。雙養(yǎng)子溝發(fā)育有2條支溝:1號(hào)支溝流域面積0.30 km2，溝長0.63 km，相對(duì)高差650 m，平均縱比降675‰;2號(hào)支溝流域面積0.81 km2，溝長0.72 km，相對(duì)高差860 m，平均縱比降687‰。

圖1 雙養(yǎng)子溝流域圖Fig.1 Drainage basin of Shuangyangzi gully

1.1 地形地貌

雙養(yǎng)子溝在地貌上屬中山構(gòu)造侵蝕地貌。主溝發(fā)育于流域峽谷區(qū)，岸坡陡峻，坡度一般在40°～60°之間，局部達(dá)到 80°，溝谷切割深，跌水坎多，橫斷面中上游呈V字型，下游呈U字型，這些特征都為泥石流的暴發(fā)提供了有利的地形條件。

1.2 地質(zhì)

在地質(zhì)構(gòu)造上，雙養(yǎng)子溝流域地處虹口映秀斷裂北西側(cè)，距離“5·12”汶川地震的宏觀震中—牛圈溝的直線距離為12.3 km。虹口映秀斷裂為龍門山中央北川—映秀斷裂的一部分，長40 km，斷層面向北西傾斜，傾向 300°～330°，傾角 50°～60°。雙養(yǎng)子溝流域內(nèi)可見地層出露，主要有元古界晉寧—澄江期的第四期的花崗巖，震旦系下統(tǒng)火山巖組的灰綠色安山巖、凝灰?guī)r及安山玄武巖，以及堆積在溝口龍溪河階地上新生界第四系河流相堆積物。

2008年汶川地震后，雙養(yǎng)子溝流域內(nèi)滑坡崩塌體發(fā)育強(qiáng)烈，經(jīng)過震后3個(gè)雨季的影響，大量崩滑體失穩(wěn)，在溝道兩側(cè)堆積了大量松散固體物質(zhì)?！?·13”泥石流爆發(fā)后，雙養(yǎng)子溝流域內(nèi)形成了不少天然堆石壩，溝床內(nèi)也富集了很多松散固體物質(zhì)(圖2)。據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查統(tǒng)計(jì)，溝內(nèi)松散固體物質(zhì)達(dá)12.4萬m3，這些豐富的固體物源為泥石流的爆發(fā)提供了有利的物質(zhì)條件。

圖2 雙養(yǎng)子溝溝床、崩滑體堆積物及天然堆石壩Fig.2 Gully bed，landslide deposits and natural dam in Shuangyangzi gully

1.3 降雨

龍池鎮(zhèn)屬于亞熱帶濕潤氣候區(qū)，通過對(duì)該區(qū)1957至2006年的降雨資料統(tǒng)計(jì)分析，區(qū)內(nèi)降水充沛，降雨時(shí)間分布不均勻，主要集中在每年的5—9月份，其中8月份降雨量最大。年平均降雨量達(dá)到1 134.8 mm，月平均降雨量最多的8月份達(dá)289.9 mm。10 a一遇1 h降雨強(qiáng)度為71.3 mm，20 a一遇1 h降雨強(qiáng)度為74.8 mm［4］，豐富的降雨為泥石流的形成提供了水源和動(dòng)力條件，對(duì)泥石流的形成非常有利。

都江堰龍池鎮(zhèn)查關(guān)村氣象站降水資料(圖3)顯示，2010-08-13 T 16:00:00開始降雨，最初雨量較小，17:00:00降雨量最大，降雨強(qiáng)度達(dá)75 mm/h，為20 a一遇強(qiáng)降雨，降雨持續(xù)至2010-08-14 T 00:00:00，累計(jì)降雨量達(dá)156.9 mm。2010-08-18 T 13:00:00開始降雨，持續(xù)至08-19 T 06:00:00，累計(jì)降雨量達(dá)252.2 mm，最大降雨強(qiáng)度達(dá)69.0 mm/h，為10 a一遇降雨。雙養(yǎng)子溝08-13 T 16:00:00開始爆發(fā)泥石流，17:20:00泥石流停止，共歷時(shí)70 min。而在08-19，降雨強(qiáng)度為10 a一遇，但是沒有形成泥石流。

圖3 都江堰龍池查關(guān)村降雨資料Fig.3 Rainfall data in Chaguan Village，Dujiangyan City

2 泥石流特征及起動(dòng)機(jī)制分析

2.1 “8·13”泥石流特征

在汶川“5·12”地震前，雙養(yǎng)子溝近百年未曾發(fā)生過泥石流，歷史上應(yīng)屬于非泥石流溝。地震發(fā)生后，溝內(nèi)山體松動(dòng)，崩塌滑坡發(fā)育強(qiáng)烈，并在溝道兩側(cè)聚集了大量松散固體物質(zhì)，雙養(yǎng)子溝演變成為一條潛在泥石流溝。2010-08-13 T 16:00:00，受到強(qiáng)降雨的激發(fā)，雙養(yǎng)子溝爆發(fā)了泥石流，形成為一條活動(dòng)性泥石流溝。

雙養(yǎng)子溝發(fā)生泥石流后，流域內(nèi)地貌發(fā)生了很大的變化，下游溝床被抬升1～2 m，同時(shí)溝道被顯著拓寬，寬度由原來的3～4 m變化為28～35 m，變化幅度巨大。在中上游溝道，溝床粗糙，大石塊較多，并形成多處跌水坎和天然堆石壩。此外，雙養(yǎng)子流域溝道內(nèi)顆粒粒徑從形成區(qū)到堆積區(qū)的分布也很有特點(diǎn)，先是形成區(qū)的大小顆?；祀s，然后順著流通區(qū)與堆積區(qū)逐漸變小(表1)。造成這種現(xiàn)象的主要原因是溝道的彎曲，以及溝內(nèi)存在的大石塊對(duì)泥石流產(chǎn)生了消能減速的結(jié)果，進(jìn)而出現(xiàn)不同粒徑石塊沿溝道分選沉降。也正是由于溝道彎曲和天然堆石壩的影響，雙養(yǎng)子溝泥石流在主溝第2個(gè)彎道處便開始淤積。溝道內(nèi)平均淤積厚度1.5 m，寬度30 m，呈長方形堆積，總量約2萬m3;溝口堆積區(qū)呈橢圓形(圖4)，左側(cè)較小，整體向溝口右側(cè)發(fā)育，淤積厚度約2 m，總量約3.8萬m3。

表1 雙養(yǎng)子溝流域顆粒平均粒徑分布Tab.1 Distribution of particles average size in Shuangyangzi gully

圖4 雙養(yǎng)子溝流域泥石流溝道與部分堆積區(qū)Fig.4 Channel of debris flow and part deposition area of Shuangyanzi gully

2.2 泥石流起動(dòng)機(jī)制分析

對(duì)于震區(qū)泥石流起動(dòng)方式，有學(xué)者［5］認(rèn)為主要有2種:一是由于暴雨過程形成的斜坡表層徑流導(dǎo)致懸掛于斜坡上的滑坡體表面和前緣松散物質(zhì)向下輸移，進(jìn)入溝道后轉(zhuǎn)為泥石流過程;二是“消防水管效應(yīng)”使溝道水流快速集中，并強(qiáng)烈沖刷溝床中松散固體物質(zhì)，導(dǎo)致溝床物質(zhì)起動(dòng)并形成泥石流過程。也有學(xué)者［6］認(rèn)為，流域內(nèi)滑坡堵塞溝道，在強(qiáng)大洪水作用下潰決形成泥石流。經(jīng)過對(duì)雙養(yǎng)子溝實(shí)地調(diào)查發(fā)現(xiàn)，震后溝道兩側(cè)的崩滑體十分發(fā)育，溝岸的堆積物松散，坡度大多處于臨界休止角，多數(shù)處于不穩(wěn)定狀態(tài)，極易滑動(dòng)進(jìn)入溝床導(dǎo)致溝道堵塞。其中距離溝口1.2 km處的滑坡體(圖5，將該滑坡命名為H1)就是形成此次泥石流的主要原因。H1滑坡體高90 m，底端長120 m，坡度35°，遺留溝道左側(cè)，堆積堤高2.5 m。堵塞體方量約8 500 m3。H1滑坡體現(xiàn)存堆積物與左岸堆積堤物巖性一致，顆粒級(jí)配一致，這2處堆積物都是H1滑坡的物質(zhì)。經(jīng)過訪問當(dāng)?shù)卮迕竦弥?010-08-13之前，雙養(yǎng)子溝流域內(nèi)未見溝道堵塞情況?？梢酝茰y(cè)，在爆發(fā)“8·13”泥石流之前，H1滑坡體在強(qiáng)降雨作用下失穩(wěn)發(fā)生滑動(dòng)，然后堵塞溝道形成了堰塞壩。之后在巨大洪水的作用下，該堰塞壩潰決形成了此次泥石流。

圖5 滑坡體H1斷面圖Fig.5 Cross-section of Landslide H1

3 雙養(yǎng)子溝泥石流靜動(dòng)力學(xué)特征

泥石流的靜力學(xué)和動(dòng)力學(xué)特征是泥石流的重要特征參數(shù)。對(duì)雙養(yǎng)子泥石流流通區(qū)和堆積區(qū)的沉積特征調(diào)查結(jié)果可知，沿流通區(qū)溝道走向，粗化層顆粒的粒徑逐漸變小，具有明顯溝道分選特征，堆積區(qū)是弱分選沉積，判定雙養(yǎng)子溝“8·13”泥石流為過渡性泥石流。根據(jù)調(diào)查時(shí)在雙養(yǎng)子溝堆積區(qū)提取的小樣顆粒粒徑分布曲線圖(圖6)，去掉亞黏性泥石流中大于20 mm的粗顆粒后，再由顆粒分布曲線計(jì)算出過渡性泥石流的密度［7］:

圖6 顆粒粒徑分布曲線Fig.6 Particle distributions of sediment in debris flow

式中:γD為過渡性泥石流密度，g/cm3;γV為黏性泥石流最小密度(為2.0 g/cm3);γO為泥石流最小密度(為1.5 g/cm3);P2為＞2 mm的粗顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)(小數(shù)表示);P05為＜0.05 mm的細(xì)顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)(小數(shù)表示)，計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 計(jì)算泥石流密度Tab.2 Densities of debris flow

雙養(yǎng)子溝“8·13”泥石流的流量和規(guī)?？梢酝ㄟ^泥痕法計(jì)算得出。在流通區(qū)中段測(cè)量的洪痕斷面為一復(fù)式斷面，各參數(shù)值見表3。

表3 洪痕斷面特征Tab.3 Characteristics of cross-section

泥石流的運(yùn)動(dòng)速度是泥石流動(dòng)力學(xué)參數(shù)中最重要的參數(shù)，根據(jù)雙養(yǎng)子溝泥石流特征，選用過渡性泥石流平均速度公式［8］計(jì)算流速，由于本次泥石流為潰決型泥石流，一次泥石流過程總量的計(jì)算方法采用水量平衡原理分析出的概化過程線［9］。

式中:v為泥石流斷面平均流速，m/s;g為重力加速度，9.81 m/s2;R為水力半徑，m;I為泥石流表面(或溝床)縱比降;D50為泥石流泥沙顆粒中比例小于50%的顆粒粒徑(D50=11 mm);D10為泥石流泥沙顆粒中比例小于10%的顆粒粒徑(D10=0.3 mm);A為泥石流過流斷面積，m2;Q為泥石流流量，m3/s;t為泥石流持續(xù)時(shí)間(t=4 200 s)，W為泥石流總量，m3。表4為泥石流流速、流量及總量的計(jì)算結(jié)果。

表4 雙養(yǎng)子溝泥石流流速、流量及總量的計(jì)算結(jié)果Tab.4 Calculation results of velocity，discharge and volume of debris flow in Shuangyangzi gully

結(jié)果顯示，雙養(yǎng)子溝“8·13”泥石流總量約6.6萬m3，與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的泥石流沖出物質(zhì)量5.8萬m3比較接近，因此，由式(2)、(3)和(4)計(jì)算的雙養(yǎng)子溝2010年8月泥石流的特征值較準(zhǔn)確。

4 結(jié)論與趨勢(shì)分析

1)雙養(yǎng)子溝流域原本不是泥石流溝，經(jīng)過“5·12”汶川地震及震后3個(gè)雨季的作用，演變成為一條活動(dòng)性泥石流溝。

2)雙養(yǎng)子溝流域“8·13”泥石流是過渡性泥石流，密度在1.83 g/cm3左右，沖出的泥石流物質(zhì)總量為5.8萬m3。

3)雙養(yǎng)子溝流域“8·13”泥石流為潰決性泥石流。流域內(nèi)H1滑坡體在20 a一遇強(qiáng)降雨作用下失穩(wěn)滑動(dòng)進(jìn)入溝道，形成堰塞壩，然后在洪水的強(qiáng)力作用下堰塞壩潰決進(jìn)而形成泥石流。

4)雙養(yǎng)子溝流域發(fā)生泥石流后，溝道內(nèi)形成有較多的跌水坎及天然堆石壩，溝床固體物源分布豐富，溝道兩側(cè)的崩滑體非常發(fā)育，物源總量達(dá)12.4萬m3。在10 a一遇降雨條件下，雙養(yǎng)子溝未發(fā)生泥石流，而在20 a一遇的強(qiáng)降雨(最大降雨強(qiáng)度達(dá)75 mm/h)作用下爆發(fā)泥石流，同時(shí)根據(jù)溝內(nèi)豐富的物源條件，預(yù)測(cè)如果爆發(fā)20 a一遇的降雨或比20 a一遇更大的降雨，可能會(huì)爆發(fā)泥石流。

［1］唐川.汶川地震區(qū)暴雨滑坡泥石流活動(dòng)趨勢(shì)預(yù)測(cè)［J］.山地學(xué)報(bào)，2010，28(13):341-349

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［8］余斌.粘性泥石流的平均運(yùn)動(dòng)速度研究［J］.地球科學(xué)進(jìn)展，2008，23(5):524-532.

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