四川汶川县映秀镇红椿沟“8.14”特大泥石流形成条件与运动特征分析

李德华，许向宁，郝红兵

（四川省华地建设工程有限责任公司，四川成都 6 10031）

0 引言

“5.12”汶川特大地震后，位于震中的映秀镇地质环境受到严重破坏，山体震伤严重，地震裂缝异常发育，岩土体结构松动，诱发形成的滑坡、崩塌和泥石流地质灾害数量众多，隐患异常严重，一旦在极为不利因素的作用下，暴发大规模地质灾害可能性极大。红椿沟就是属于上述风险极大的老泥石流沟，地震后成为映秀镇主要的地质灾害隐患点之一。

2010年8月12～14日，汶川县映秀镇发生强降雨，红椿沟暴发特大泥石流灾害，冲出固体物源总量达80.5×104m3，其中40×104m3物源进入岷江并堵断河道，江水受挤压向右岸改道，水位迅速抬升淹没刚刚建成的映秀镇新区（图1），此外还淤埋了沟口213国道公路400m，掩埋了在建映（秀）-汶（川）高速公路引线路基及多个桥墩，泥石流灾害造成17人失踪。

本文根据对红椿沟“8.14”特大泥石流灾害后的调查，分析形成泥石流的三大条件及其启动成灾机理，反算泥石流运动特征参数，预测其发展趋势。

1 流域概况

红椿沟所在的映秀镇属于中山河谷地区，位于四川台地的边缘与龙门山准地槽南延部分的过渡带上，是低山褶皱区逐渐过渡为高山的强烈断裂和岩浆浸入区的“龙门山深断裂”，即映秀—北川大断裂。

图1 泥石流堆积物堵断岷江危害映秀新区Fig.1 Debris flow deposit produced a natural dam in the watercourse of the Minjiang River，endangered the new Yingxiu town

红椿沟为岷江左岸一级支沟，流域形态为扇形，流域地形属深切割构造侵蚀低山和中山地形，总体上具有岸坡陡峻，切割深度较大的特点。沟域面积5.35km2，主沟纵长3.6km，沟域相对高差1288.4m，主沟平均纵坡降约358‰。

红椿沟水系特征呈树枝状，主要发育有右岸甘溪铺沟、大水沟和新店子三条较大支沟，沟内崩滑不良地质现象发育，松散固体物源极为丰富，为红椿沟泥石流重要物源分布区，三条支沟在“8.14”强降雨时均发生了泥石流灾害；左岸则分布有龙家沟和一号支沟，支沟植被较为发育，松散固体物源较少，总体上属清水沟。流域特征分布见图2。

图2 红椿沟流域特征及物源分布图Fig.2 Layout map of provenance and the valleys character of Hongchun valley

2 泥石流形成条件分析

2.1 地形条件

红椿沟流域内两岸山高坡陡，平均坡度在35°以上，沟谷纵坡较大，特别是主沟上游段及各支沟纵坡多在400‰以上，有利于降雨的汇集，为泥石流水源的汇流集中提供了基础。

红椿沟沟谷多呈V型谷，纵坡比降大，沟道上游跌坎多，显出新构造运动期间山体强烈抬升的特征。特别是汶川地震后，沟谷地形发生了明显变化，沟道堆积和堵塞现象严重，物源区扩大。由于红椿沟沟域地形陡峻，较大的地形高差，使处于斜坡高处的风化岩体具有较大势能，为形成崩塌、滑坡创造了有利临空条件；在地震影响下，陡急的山坡和沟床为坡面和沟床松散堆积物能量的释放和势能转化为动能提供了有利条件，为沟中洪水强烈冲刷坡面和沟床松散堆积物、形成高速泥石流汇流形成了巨大的动能条件。

2.1.1 上游三条泥石流支沟地形条件

甘溪铺沟：为红椿沟最大一条支沟，流域形态呈扇形，流域面积约1.44km2，沟长1.85km，沟道平均纵坡373‰，两岸坡度在30°～50°，“8.14”泥石流时中、下段物源参与量较大，拉槽下切非常严重。

大水沟：流域形态呈长条形，面积约0.33km2，沟长1.26km，流域相对高差 750m，沟道平均纵坡595‰。地形为陡坡地貌，岸坡坡度一般为30°～35°，“8.14”时临沟侧地形切割较强烈。

新店子沟：流域形态呈椭圆形，沟流域面积0.51km2，沟长1.26km，相对高差758.4m，沟道平均纵坡463‰。新店子沟内以陡坡为主，中下段主要为老冲洪积扇，地形相对平缓，沟道在堆积扇上摆动较强烈，“8.14”时原沟道右岸冲刷掏蚀较强烈。

参与泥石流活动的三条支沟基本特征统计见表1。

表1 上游三条支沟泥石流特征统计表Table 1 Debris flow digenvalue table about the three tributary at the upriver

2.1.2 主沟地形条件

根据支沟与主沟的交汇关系，主沟分为三段：

主沟上段：为大水沟汇合口至甘溪铺沟口段。该段多数呈 U型谷，沟宽20～40m，沟道平均纵坡232‰。由于沟道宽度较大，沟道纵坡较缓，且沟道总体较顺直，弯道和跌水不发育，在“8.14”泥石流过程中，上游泥石流来量也不大，因此该段揭底冲刷不强烈。

主沟中段：甘溪铺沟口至B06崩塌堆积体前缘段。该段呈V型谷，沟宽10～40m，沟道平均纵坡231‰，“8.14”泥石流发生前，H02和 H03滑坡在此段堵塞沟道形成一个较大的雍塞体，在泥石流活动过程中，受甘溪铺沟冲下高动能的泥石流作用，将该雍塞体冲溃，很大程度上起到了放大流量的作用。

主沟下段：分布于红椿沟下游B06崩塌堆积体至岷江段。该段平均纵坡139‰，由于沟道宽度增大，纵坡减缓，泥石流运动特征以淤积为主。

2.2 物源条件

2.2.1 “5.12”地震前后物源

红椿沟为老泥石流沟，曾于1962年发生过泥石流，冲出量约 2×104m3，未造成灾害。1962年至“5.12”地震前，流域内物源总量约200×104m3，以分散坡面堆积物和老的沟道堆积物为主，沟道堵塞现象不发育，46年来未发生泥石流。“5.12”地震后物源总量大增，因地震引发新增物源达150×104m3，以崩滑类物源为主，造成沟道严重堵塞，强降雨易引发泥石流灾害。

根据“5.12”地震后对沟域的调查，沟域内共计有物源点52处，物源总量358.1×104m3，物源类型以崩滑类物源和沟道堆积物源为主，有少量坡面堆积物源分布。其中，崩滑类物源点37个，物源量183×104m3，沟道堆积物源点 12个，物源量 169.2×104m3，坡面物源点3个，物源量5.9×104m3；从物源分布来看，支沟及主沟均有分布。

震后物源总量的增加，特别是崩滑类物源数量的激增以及对沟道造成堵塞，为红椿沟“8.14”特大泥石流的孕育和发生提供了条件。震后物源类型及分布见表2。

表2 物源类型及分布统计表Table 2 Statistics of provenance type and provenance distribution

2.2.2 “8.14”泥石流启动量

在“8.14”特大泥石流中，启动的物源点共计37处，启动物源量共计80.5×104m3，在启动的物源点中，崩滑类物源启动量51.2×104m3，沟道堆积物源启动量29.3×104m3，坡面物源基本未进入沟道参与泥石流活动；从启动物源分布来看，主沟中段启动物源量最多，甘溪铺沟物源量第二，主沟上段启动量最少。红椿沟主、支沟物源启动分布见图2。

“8.14”泥石流后，流域内剩余固体物源量尚有310.14 ×104m3，动储量 98.4 ×104m3，主要为崩滑物源和沟道堆积物源；巨大的物源量，为红椿沟可能再次暴发泥石流提供了先决条件。

2.3 水源条件

泥石流后，根据唐川等收集的映秀气象站的实测数据［1］，红椿沟泥石流发生的前期降雨量总计达162.1mm。可能最终诱发红椿沟泥石流的激发降雨出现在8月14日凌晨2∶00～3∶00，其小时最大雨强仅为16.4mm。

降雨对泥石流的激发作用，也即泥石流发生的临界雨量问题，很多学者进行了大量研究，谭万沛等（1992）对四川省泥石流发生的临界雨量进行的研究表明，龙门山地区泥石流发生的临界雨量为80～100mm，小时雨强为30～50mm［2］。

根据降雨量分析，激发红椿沟泥石流的原因为：一方面由于前期降雨历时长、雨量大，导致流域内崩滑堆积体及沟道堆积的松散物源处于饱水状态，不利条件下极易启动；二是由于前期降雨过程较长，流域地面包气带饱和，随着后期雨强增大，更易汇流形成地表径流，启动泥石流灾害。

综上所述，“5.12”地震后红椿沟沟域内泥石流活动的物源量大增，沟域岸坡陡峻、沟道纵坡较大，为水流汇集、沟内松散堆积物启动提供了有利条件；因此，在“8.14”强降雨过程中，红椿沟暴发了大规模泥石流灾害。

3 泥石流启动机理和运动特征分析

3.1 启动机理分析

根据实地调查后可知，红椿沟泥石流暴发特点是沟内多点堵溃、拉槽下切集中启动物源。先是支沟泥石流溃决启动，向下运移过程中不断刨蚀中下游沟道物质，在进入主沟前已形成强大的龙头，进入主沟后由于主支沟交汇角度大，泥石流发生短时堵塞最后溃局，拉槽下切主沟内的大规模崩滑体，于岷江河道堰塞后部分回淤停积于扇区。

现以本次启动量最大，过流特征最为明显的甘溪铺沟为例，从启动源头至堆积区就其启动机理和运动模式分析如下：支沟启动-支沟拉槽下切-主支沟堵溃-主沟拉槽集中启动-岷江河道淤堵成灾。

3.1.1 支沟启动溃决

甘溪铺沟中段H05崩滑体的启动是红椿沟泥石流大规模启动的主要源头。泥石流发生前，映秀镇降雨历时较长，一方面导致H05崩滑堆积区松散土层呈饱水状态，同时滑坡区后侧基岩陡壁区岩体裂隙充水，震后形成的危岩体稳定性降低并发生崩塌，崩落的巨大块石沿H05崩滑堆积上游侧滚落，由于崩滑体松散层饱水，抗剪强度降低，大块石顺坡滚动过程中在松散坡体表面形成强烈的拉槽下切，巨大块石、拉槽后松散土体和汇聚的洪水向甘溪铺沟下游汇流，成为泥石流的启动因素。且拉槽下切后产生的泥石流堆积体在沟道内形成短时堵塞，并发生溃决。

3.1.2 支沟拉槽下切

泥石流启动后，沿甘溪铺沟向下游运动，于H05崩滑堆积体前缘和沟道中、下游区均拉槽下切，并发生侧蚀，导致沟岸滑塌强烈。H05崩滑体前缘沟道下切后并追溯滑塌体表面发展形成另两条深槽，物源进一步补充到泥石流中，使泥石流流量和规模增大。由于H05崩滑堆积物源区高程为1450～1700m左右，相对红椿沟汇口高程880m高处约600m以上，且甘溪铺沟沟道纵坡较陡，H05崩滑堆积物源启动后，迅速以高势能转化为高动能，形成破坏力极强的流体，对甘溪铺沟中、下游G04、G05沟道物源形成强烈的拉槽下切，G04沟道堆积物质几乎被完全掏蚀携带，泥石流物质继续得到补充，流量和规模均不断增大。

3.1.3 主支沟交汇区堵溃

甘溪铺沟泥石流汇入主沟道后，由于支沟与主沟交角达到了65°，不利于泥石流的顺利排导，因此于汇口附近形成堵塞，而上游大水沟和新店子沟“5.12”地震后松散固体物源也较丰富，降雨作用下也形成规模相对较小的泥石流向下游运动和汇集，到与甘溪铺沟汇合处受到甘溪铺沟泥石流堆积体阻挡，规模不断增大，并最后溃决，形成大规模的泥石流继续向主沟中游运动。

3.1.4 主沟拉槽集中启动

当泥石流运动至H02、H03滑坡堆积体上游时，由于上游甘溪铺汇口处溃决下来的泥石流破坏力极强，对堆积在沟道内的H02、H03滑坡堆积体、B07崩塌堆积体及该段沟道（G02、G03）堆积物形成强烈拉槽下切，并引发岸坡松散物质发生滑塌参与泥石流活动，形成巨大的泥石流龙头。

3.1.5 岷江河道淤堵成灾

泥石流过主沟中游后，已形成流量巨大、破坏力极强的流体，以极快的流速向岷江汇流，最终形成规模约40×104m3的堰塞体，造成主河岷江堵塞成灾，后续的泥石流流体受到阻挡，其余约40.5×104m3回淤堆积于沟口扇区。

可见，在泥石流形成和运动过程中，于H05崩滑堆积体上游边界拉槽处、甘溪铺沟与红椿沟汇合口等处发生堵塞和溃决，最终形成了流量和规模巨大的泥石流灾害。泥石流启动运动机理过程见图3。

图3 泥石流运动机理过程分布图Fig.3 Distribution map of the process of debris flow movement mechanism

3.2 运动特征参数反算

“8.14”泥石流后，对其运动特征参数进行反算，计算主要选择调查到的泥石流过流特征和泥痕，采用配浆法确定流体重度，采用形态调查法对流速、流量进行计算。

3.2.1 重度计算

(1)工程准备阶段：编报监理技术方案并审查项目实施方案，完成生产技术设计书并出具书面意见。(2)工程实施阶段：根据项目的进展，落实监理技术方案，部署各个专业监理组实施具体的监理工作。主要工作有：编制监理阶段性实施计划，检查生产过程中的资源投入、质量、进度、措施落实等情况，定期举行监理例会进行总结，向业主汇报项目的进度、质量情况并提交监理简报、月报告或专项报告。(3)报验成果阶段：签署项目报验申请，采取现场监督、旁站监理、资料审核、核查分析等方式来跟踪验证项目验收意见是否落实和整改，确认工程质量、进度、资源投入的符合性和有效性，协调生产单位汇交工程项目资料，编制“监理报告”并完成汇交工作。

（1）实验和计算方法

泥石流暴发后，在主沟及支沟各区段对泥石流堆积物配合沟水搅拌泥石流浆体浓度并进行称重，量测浆体体积，计算泥石流流体重度，其计算公式［3］为：

式中：γc——泥石流重度（t/m3）；

Gc——配制泥浆重量（t）；

V——配制泥浆体积（m3）。

（2）现场实验结果

计算结果如表3，泥石流重度为1.79～2.05 t/m3。

配浆实验成果与“8.14”泥石流实际情况吻合，结果可靠。

表3 泥石流流体重度计算表Table 3 Computational table of the unit weight of the debris flow stream

根据调查和计算的泥石流重度结果可知，支沟及主沟泥石流流体性质为粘性泥石流，采用粘性泥石流流速通用公式［3］计算复核各断面“8.14”泥石流流速。

（1）计算公式及取值

式中Vc：——断面平均流速（m/s）；

Hc——平均泥深（m）；

Ic——泥位纵坡率，以沟道纵坡率代替；

nc——粘性泥石流沟床糙率。

考虑泥石流流体呈整体运动，河床比较粗糙，石块较多，弯道、跌水较发育，当泥深小于1.5m时取值0.05，泥深大于1.5m时取值0.067。

据上式，计算参数和计算结果详见表4。

表4 泥石流流速计算表Table 4 Computational table of the debris flow velocity

（2）计算结果分析

泥石流流速计算结果是根据野外调查时获取的泥位和沟道特征求得的，能反映沟道特征对泥石流流速的控制作用，计算结果与实际情况相对较为吻合。

3.2.3 流量计算

（1）计算与结果

根据调查的沟道宽度、泥位深度，结合流速计算结果，采用形态调查法进行流量计算，计算公式［3］：

Qc=WcVc

式中：Qc——断面峰值流量（m3/s）；

Wc——过流断面面积（m2）；

Vc——断面平均流速（m/s），采用前述计算结果。

据此求得各断面位置泥石流峰值流量，计算结果详见表5。

表5 泥石流流量形态调查法计算表Table 5 Computational table of debris flow form survey

（2）计算结果的可靠性分析

采用形态调查法求得的峰值流量计算结果与泥石流发生时实际情况一致，其在主沟1#、2#坝位、甘溪铺沟口区计算流量较大，与泥石流发生时沟内曾发生沟道堵塞造成流量放大相吻合，特别是甘溪铺沟下游大量沟道物源和主沟中段H02、H03、B07等大量松散固体物源堵溃并放大流量。

3.2.4 一次过流总量及固体物质冲出量计算

（1）计算公式

一次泥石流过流总量计算公式［3］：

Q=0.264TQc

式中：Q——泥石流一次过流总量（m3）；

T——历时（s），“8.14”历时按调查结果确定，9900s；

Qc——最大流量（m/s）。

一次泥石流固体冲出物计算公式［3］：

QH=Q（γc- γw）/（γH- γw）

式中：QH——一次泥石流冲出固体物质总量（m3）；

Q——一次泥石流过程总量（m3）；

γc——重度（t/m3）；

γw——水的重度（t/m3）；

γH——固体物质的重度（t/m3）。

（2）计算结果

根据上式，取沟口扇区断面和主沟拟设1#坝位断面计算泥石流一次冲出量和固体物质总量。计算结果详见表6。

表6 泥石流过流总量和固体物质冲出量计算表Table 6 Computational table of debris flow total volume and solid matter volume

由表可见，下游1#坝位区泥石流固体物质冲出量为80.47×104m3；沟口区泥石流固体物质冲出量为43.22×104m3，即为入江泥石流固体物质量；下游1#坝位区与沟口之间固体物质冲出量之差为37.25×104m3，即为停积于堆积扇区的固体物质量，计算结果与调查到的数据基本吻合。

综上，“8.14”泥石流后，通过实地调查到的沟道特征、现场重度试验和访问的过流时间等数据，反算出了泥石流暴发时的特征参数，其计算结果与实际发生情况基本吻合。

4 发展趋势预测

4.1 “8.14”泥石流前后形成条件的对比分析

“8.14”泥石流发生后，流域范围、面积、主支沟水系特征等未发生大的变化，流域仍然表现出山高坡陡、地形纵比降大的特点，有利于泥石流物源和水源的汇聚，具有泥石流发生的地形条件。但流域内局部微地貌特征则产生了较大变化，如局部沟道变陡、跌坎增多，部分沟段以冲刷下切为主，致使崩滑堆积物源前缘临空，稳定性降低，其启动参与泥石流活动的可能性增大。

“8.14”泥石流启动物源量为80.5×104m3，仅占原物源总量358.1×104m3的21％左右，沟道内剩余物源量仍然巨大，且物源类型组成结构与“8.14”泥石流发生前相当，仍以沟道堆积物源和崩滑类物源为主，通过类比分析，红椿沟有再次发生大规模泥石流灾害的物源条件。

4.2 泥石流易发程度分析

“8.14”泥石流后，形成泥石流的沟道条件、物源条件和水源条件仍然十分充分，根据泥石流灾害防治工程勘查规范［3］标准进行评分，得分为116分，易发程度仍属极易发；红椿沟再次发生较大规模泥石流灾害的可能性仍然较大。

4.3 泥石流发展趋势预测

经过“8.14”泥石流后，沟内松散物源易启动量还有98.4×104m3，沟道内剩余物源量仍然巨大；流域范围、面积、主支沟水系特征等未出现大的变化，仍然表现出山高坡陡，地形纵比降大的特点，有利于泥石流物源和水源的汇聚，红椿沟流域在特定降雨条件下，势必再次引发大规模的泥石流灾害。

5 结论

（1）汶川县映秀镇红椿沟在强降雨作用下引发了特大泥石流灾害，冲出固体物质80.5×104m3，对映秀新区、在建映汶高速公路造成了极大危害。

（2）红椿沟泥石流为近几年暴发的较典型泥石流沟，地震诱发的集中物源特别丰富，“8.14”暴发泥石流时一次冲出固体物质量巨大，其运动特征也异于一般泥石流沟，沟内存在多点堵溃、拉槽下切启动集中物源的特征，由此造成了一次冲出量巨大，危害也特别巨大的灾害。

（3）泥石流后，通过实地调查到的沟道特征、现场重度试验等数据，反算泥石流暴发时的特征参数，其计算结果与实际发生情况基本吻合。

（4）“8.14”泥石流后，沟域内松散固体物质较丰富，沟道利于沟域水流汇集，在特定降雨条件下，再次发生大规模泥石流的可能性较大。

（5）红椿沟泥石流是近年国内罕见的特大泥石流灾害，沟内地震物源量巨大、沟道陡峻，治理难度较大，其启动机理分析与运动特征参数反算模式对地震灾区众多泥石流沟勘查设计具有一定的指导意义。

［1］唐川，李为乐，丁军，等.汶川震区映秀镇“8.14”特大泥石流灾害调查研究［J］.地球科学，2011（1）：25-31.TANG Chuan，LI Weile，DING Jun，et al.Field investigation and research on giant debris flow on august 14，2010 in Yingxiu Town，Epicenter of Wenchuan Earthquake［J］.Engineering Geology，2011（1）：25-31.

［2］谭万沛，韩庆玉.四川省泥石流预报的区域临界雨量指标研究.灾害学，1992，7（2）：37-42.TAN Wanpei，HAN Qinyu.Study on regional critical rainfall induced debris flow in Sichuan province.Journal of Catastrophology，1992，7（2）：37-42.

［3］中华人民共和国国土泥石流灾害防治工程勘查规范［S］.中华人民共和国国土资源部.2006.Specification of geological investigation for debris flow stabilization［S］.Ministry of Land and Resources of the People’s Republic of China，2006.