都江堰市龙池镇“8·13”蜂桶岩泥石流灾害特征

2012-08-01刘清华

成都理工大学学报（自然科学版） 2012年6期

刘清华唐川马煜

（1.地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室（成都理工大学），成都610059；2.成都理工大学工程技术学院，四川乐山614000）

2008年5月12日，四川省发生汶川特大地震，都江堰市是地震重灾区之一。龙池镇位于都江堰市西北部的山区，面积约90km2。受地震影响，龙池镇龙溪河两岸山体发生多处崩塌和滑坡，形成大量松散固体物质，为形成泥石流提供了充足的物源条件［1］。2010年8月12日～14日，四川省部分地区出现大暴雨，致使包括都江堰市龙池镇在内的多处“5·12”汶川地震灾区暴发了群发性泥石流，统称为四川省“8·13”特大泥石流灾害［2］。此次泥石流灾害导致龙池镇龙溪河的河床整体抬升近5m，对地震后重建的民房、乡镇基础设施以及农业生产均造成了严重影响甚至破坏。

蜂桶岩泥石流是龙池“8·13”群发泥石流中的新增灾害点，主要造成淤埋沟口民房（图1），房屋最大淤埋泥深达6m，淤埋公路长度约100m；泥石流冲出物部分进入龙溪河，迫使河流挤向对岸，威胁对岸民房（图2）。根据现场调查资料，“8·13”蜂桶岩泥石流冲出物总体积约为7.4×104m3。

地震后地震灾区泥石流的暴发具有激发条件降低、群发和规模增大等特点［1－4］，有至少5～10 a的相对活跃期［1，3］。蜂桶岩泥石流是典型的地震后发型泥石流，发生隐蔽，流域面积小，泥石流规模相对较大，研究其形成条件和暴发特征对深入认识地震灾区泥石流灾害特点有重要意义。本文根据“8·13”蜂桶岩泥石流的现场调查资料和室内实验数据，分析了灾害的形成背景、成灾条件及特点，计算了泥石流容重、屈服应力、流量、冲出物总量等静动力学参数，并提出防灾减灾建议，以期为同类研究提供参考资料。

图1 泥石流沟口受损房屋Fig.1 Damaged houses at the mouth of the debris flow gully（A）沟口右；（B）沟口左

图2 泥石流沟口对岸房屋Fig.2 Houses on the other side of the river facing the debris flow gully

1 形成背景

蜂桶岩沟位于龙池镇南岳村6社，岷江一级支流龙溪河左岸，沟口地理坐标为 N 31°5′58″，E 103°33′41″，与龙池镇直线距离约5km。

龙池地区在地质构造体系上为龙门山构造带的中南段，属华夏构造体系，在大地构造上分别属扬子准地台和青藏地槽区，在区域构造上位于映秀—北川断裂的西北侧。映秀—北川断裂为龙门山后山北川—中滩铺断裂的一部分，为北东向压扭性深大断裂。龙池地区地层产状变化大，岩层破碎，岩石裂隙发育。

区域地层除缺失奥陶系、泥盆系、白垩系、侏罗系及第三系外，从元古界到第四系均有出露。该区属于中山剥蚀侵蚀山谷地貌（海拔高度1100 m以上），多由花岗岩、闪长岩、安山岩、凝灰岩及部分变质岩构成，表层为第四系残坡积物、崩坡积物及冲洪积物。

流域属四川盆地中亚热带湿润季风气候区，根据都江堰市气象局1957～2008年的降雨资料［5］，区域年平均降雨量为1134.8mm，月平均降雨最多的8月份降雨量为289.9mm，月平均降雨最少的1月份降雨量为12.7mm；最大月降雨量为592.9mm，最大日降雨量达233.8mm，最大1h降雨量为83.9mm，最大10min降雨量为28.3mm；一次连续最大降雨量为457.1mm。降雨主要集中在5～9月份，这5个月的降雨量占全年总降雨量的80%以上。龙池地区降雨相对集中、雨强大、暴雨频率高等特点有利于泥石流灾害的发育。

图3为Google Earth截图，其中A图摄于2007年9月14日，B图摄于2008年6月28日，反映了“5·12”汶川地震前后蜂桶岩沟的环境概况。地震前，蜂桶岩地区植被茂密（图3－A）；地震后，流域内产生了明显的崩塌和滑坡（图3－B）。根据对当地村民的访问，与蜂桶岩沟相距约500 m的核桃树沟于2008年6月14日暴发过泥石流，因此推测蜂桶岩地区在2008年6月有过降雨，但未诱发泥石流，降雨产生的水流带着部分松散固体物质顺着地势相对下凹处侵蚀地表形成洪水沟（图3－B）。从地震到2010年8月13日的2年多时间里，蜂桶岩沟一直没有暴发过泥石流。

2 形成条件

2.1 降雨条件

根据龙池山顶北斗站的降雨监测资料，诱发龙池“8·13”泥石流的降雨主要集中在2010年8月13日，降雨过程和累计降雨量见图4。蜂桶岩泥石流大约于8月13日16：00时开始，持续时间约40min。根据图4，蜂桶岩泥石流发生时的1h降雨量为53.8mm（16：00时），此次降雨过程的最大1h降雨量为55.8mm（17：00时），8月13日全天降雨总量为209.8mm。

图3 蜂桶岩沟流域边界Fig.3 Valley boundary of the Fengtongyan gully（A）震前；（B）震后

图4 2010－08－13单位时间降雨量和累计降雨量Fig.4 Hourly and accumulated precipitation on August 13，2010

根据《四川省中小流域暴雨洪水计算手册》［6］，龙池地区十年一遇降雨的最大1h降雨量为53.6mm，最大24h降雨量为223.6mm。因此得出，诱发“8·13”蜂桶岩泥石流的降雨频率约为十年一遇。

2.2 物源条件

区域断裂和褶皱发育，泥石流物源的发育条件较好，“5·12”汶川地震导致的崩塌和滑坡直接为形成泥石流提供了大量的松散固体物源。

龙池镇与“5·12”汶川地震震中映秀镇仅一山之隔，直线距离约5km。“5·12”汶川地震的发震断层从龙池镇水鸠坪处通过。受地震影响，蜂桶岩沟流域内形成了单处体积从0.2×104～2.3×104m3不等的多个崩滑体［7］，其形成的松散固体物质为蜂桶岩泥石流的形成提供了直接的物源（图3－B，图5）。另外，地震产生的剧烈震动使流域山体表面特别是斜坡地段的风化带或表层松散物整体更为松动，在强降雨过程中突然过度饱和，极易顺坡下泄形成泥石流。

图5 形成区崩滑体Fig.5 Collapses and landslides in the forming area

2.3 地形条件

蜂桶岩沟流域地处中山地形，侵蚀切割较深。流域总体呈栎叶形，面积约0.3km2，相对高差700m左右。汇水形成区高差约560m，平均坡度36°，最大坡度约49°。流通区长约250m，相对高差约120m，平均坡度22°，最大坡度约33°。相对高陡的地形为汇水提供了强大的水动力条件，也为崩滑体松散堆积物的运动提供了充足的动能。

3 “8·13”蜂桶岩泥石流特征

3.1 形成过程及特征分析

“5·12”汶川地震前，蜂桶岩沟流域内植被茂密，无现成的深切流通沟道；但在地震后的2年多时间里，悬挂于坡体的松散固体物质在降水的作用下沿地势相对下凹处向沟下游流动，并在流动过程中侵蚀地表，破坏植被，形成洪水沟。经过多次降水的冲刷作用，洪水沟的沟道加深，流域内的部分松散固体物质逐渐汇集到沟道内。

在“8·13”强降雨和高陡地形提供强势能的作用下，坡体上大量的松散固体物质随水流迅速下泄，并与洪水沟道内的松散堆积物一同起动形成泥石流。刚开始的小部分泥石流冲出物主要沿之前的洪水沟流动，且与右侧另一泥石流冲出物汇合；但之后受局部淤高的影响，蜂桶岩泥石流总体向左摆动，且在运动过程中强烈侵蚀地表，冲刷出一条深切的泥石流沟道（图6）。泥石流冲出物淤埋公路后进入龙溪河，河流局部向对岸改道，威胁沟口对岸民房（图2，图7）。

图6 蜂桶岩泥石流沟全貌Fig.6 Picture of the Fengtongyan debris flow gully

泥石流发生后流通区段形成的沟道切割明显，最大深度约10m，最大宽度约7m，沟道近“U”形，平均纵比降为480‰，沟道双侧坡度近乎垂直。堆积区呈扇形，最大堆积厚度约9m，最小堆积厚度约2.5m，平均堆积厚度约7m，堆积扇长约80m，宽约120m。堆积物粒径在40～50 cm的居多，最大粒径4.5m。堆积扇保存的冲出物体积约为6.7×104m3，考虑到约10%体积的泥石流冲出物进入龙溪河且已部分被水流带走，折算后“8·13”蜂桶岩泥石流冲出物总体积约为7.4×104m3。

“8·13”蜂桶岩泥石流冲出物主要来源于雨水冲刷的坡体松散固体物质、洪水沟内汇集的松散堆积物质以及泥石流运动过程中侵蚀沟道的侵蚀物质。“8·13”蜂桶岩泥石流具有流通区较短、发生隐蔽、冲出量相对较大的特点。本文资料现场调查时间是2010年8月下旬和10月，“8·13”蜂桶岩泥石流发生后，该地区在8月16日和18日又遭遇了大暴雨，但此沟未再次发生泥石流。图6所示的泥石流沟道除了“8·13”泥石流的作用外，还有后期雨水的冲刷作用，沟道深切。

图7 蜂桶岩沟特征及泥石流危害范围Fig.7 Features of the Fengtongyan gully and hazard area of debris flow

3.2 容重

根据蜂桶岩泥石流堆积物样品的筛分实验数据，得到颗粒分布曲线如图8。

图8 颗粒分布曲线Fig.8 Curve of grain size distribution

据现场观察，蜂桶岩泥石流堆积扇上有典型的泥包石现象，块石间未直接接触，充填有大量细粒砂土，堆积物总体表现为分选性差的混杂堆积。由堆积物的特征判断蜂桶岩泥石流为强黏性的黏性泥石流，其容重在2.0g／cm3以上，实际泥石流容重值按公式（1）计算［8］。

式中：γD为黏性泥石流容重（g／cm3）；γ0为泥石流的最小容重（取1.5g／cm3）；w2为＞2mm 的粗颗粒的质量分数（小数表示），w2＝0.72；w05为＜0.05mm的细颗粒的质量分数（小数表示），w05＝0.02；γV为黏性泥石流最小容重（取2.0g／cm3）。

由公式（1）计算出的“8·13”蜂桶岩泥石流容重为1.88g／cm3。考虑到蜂桶岩泥石流堆积现场黏性泥石流特征明显，而泥石流的堆积特征更能反映泥石流的真实类型，因为即使是同一泥石流的泥石流容重也会受取样地点和部位的影响而不同，甚至可能会有跨越一种泥石流类型的偏差［8］；此外，本文的颗粒分析数据来源于小样实验分析，小样容重相比于更接近实际的大样容重偏小［9］。因此，本文将“8·13”蜂桶岩泥石流的容重值修正为2.0g／cm3。

3.3 屈服应力

屈服应力是反映黏性泥石流特征的重要参数。根据对泥石流最大淤积厚度与泥石流容重、淤积坡度及泥石流屈服应力之间关系的研究，黏性泥石流屈服应力的计算可按公式（2）进行［10］。

式中：τB为泥石流屈服应力（Pa）；γ′＝γc－γ0，为泥石流相对容重（kg／m3）；γc为泥石流容重，γc＝2000kg／m3；γ0为环境容重，在陆面γ0≈0，在水中γ0＝1000kg／m3；g为重力加速度，g＝9.81 m／s2；θ为坡度，θ＝3°；δ为泥石流的最大堆积厚度，δ＝4.9m。

由公式（2）计算得到τB＝4999Pa。由此可见，“8·13”蜂桶岩泥石流具有较大的屈服应力，泥石流固体物质具有较强的抵御洪水冲刷的能力，这是泥石流在局部的淤积厚度达9m的主要原因。

3.4 动力学参数

泥石流运动速度和流量采用泥痕法计算。

在蜂桶岩泥石流沟流通区较顺直的沟道处选取1个断面（图7），以确定泥石流洪峰断面面积。所取洪痕断面特征参数值如表1。

泥石流运动速度是泥石流动力学参数中的重要参数。根据“8·13”蜂桶岩泥石流特征，流速选用黏性泥石流运动平均速度的通用计算公式计算［11］

式中：v为黏性泥石流的平均流速（m／s）；g为重力加速度，g＝9.81m／s2；r为黏性泥石流运动水力半径，r＝1.03m；I为黏性泥石流运动纵比降，I＝0.51；d50为泥沙颗粒中质量分数＜50%的颗粒直径，d50＝6mm；d10为泥沙颗粒中质量分数＜10%的颗粒直径，d10＝0.32mm。

表1 断面特征及泥石流的流速和流量Table 1 Features of the cross－section，velocity and discharge of debris flow

泥石流的流量计算公式式中：Q为泥石流洪峰流量（m3／s）；v为泥石流断面平均流速（m／s）；A为泥石流洪峰断面面积（m2）。

“8·13”蜂桶岩泥石流的流速和流量计算结果见表1。

泥石流总体积计算［12］

式中：U为泥石流总体积（m3）；Q为泥石流的流量（m3／s）；t为泥石流持续时间，t＝2400s。

根据公式（5），得到“8·13”蜂桶岩泥石流总体积为6.6×104m3。该计算结果与现场调查冲出物总体积为7.4×104m3较为接近。104m3／s可以作为“8·13”蜂桶岩泥石流的洪峰流量。

4 结论

a.“5·12”汶川地震在蜂桶岩沟流域内诱发了多处崩塌和滑坡，为形成泥石流提供了丰富的松散固体物源。地震后降雨产生的水流带动坡体上部分松散固体物质沿地势下凹处向下流动，侵蚀地表形成洪水沟，多次降雨的冲刷作用使洪水沟的沟道加深，部分松散固体物质堆积于沟道内。在2010年8月13日的强降雨诱发下，坡体上大量的松散固体物质随水流沿洪水沟下泄，与沟道内的松散堆积物质一同起动形成泥石流，并在运动过程中强烈侵蚀沟道。

b.根据推算，诱发“8·13”蜂桶岩泥石流的降雨频率约为十年一遇。

c.“8·13”蜂桶岩泥石流容重为2.0g／cm3，泥石流屈服应力为4999Pa，洪峰流量为104m3／s，冲出物总体积为7.4×104m3。

d.相对于0.3km2的流域面积，“8·13”蜂桶岩泥石流冲出物总量相对较大，该泥石流的流通区较短，速度较快，属于新发泥石流。发生前流通区无深切沟道且植被覆盖较好，其发生具有一定的隐蔽性。

e.经过“8·13”泥石流灾害后，蜂桶岩沟有了典型的泥石流流通沟道，形成区也还存在一定量的松散固体物源，且崩塌和滑坡可能还会发生，有一定的后备物源，在强降雨的条件下，具有再发生泥石流的可能，沟口两侧一定区域不再适宜作为居民建设用地，也存在发生泥石流堵河的风险，应加强监管。值得注意的是，“8·13”蜂桶岩泥石流淤埋或威胁的民房主要为“5·12”汶川地震灾后新建房屋，这说明地震灾区灾后重建中建设用地适宜性评价工作有待完善和加强，对乡村散户民房的建设选址应给予科学指导，特别应加强一些具有一定隐蔽性的泥石流灾害点的排查，为乡镇建设和农业生产提供科学的指导，避免不必要的损失。

本文部分照片由四川省地质工程勘察院鲁科提供，作者在此向鲁科表示衷心感谢。

［1］谢洪，钟敦伦，矫震，等.2008年汶川地震重灾区的泥石流［J］.山地学报，2009，27（4）：501－509.

［2］许强.四川省8.13特大泥石流灾害特点、成因与启示［J］.工程地质学报，2010，18（5）：596－608.

［3］唐川.汶川地震区暴雨滑坡泥石流活动趋势预测［J］.山地学报，2010，28（3）：341－349.

［4］崔鹏，庄建琦，陈兴长，等.汶川地震区震后泥石流活动特征与防治对策［J］.四川大学学报：工程科学版，2010，42（5）：10－19.

［5］马煜，余斌，吴雨夫，等.四川都江堰龙池“8.13”八一沟大型泥石流灾害研究［J］.四川大学学报：工程科学版，2011，43（增刊）：92－98.

［6］四川省水利电力厅.四川省中小流域暴雨洪水计算手册［K］.1984.

［7］四川省地质工程勘察院.四川省都江堰市龙池镇“8.13”暴雨地质灾害排查报告［R］.成都：四川省地质工程勘察院，2010.

［8］余斌.根据泥石流沉积物计算泥石流容重的方法研究［J］.沉积学报，2008，26（5）：789－796.

［9］马煜.粘土矿物成份与泥石流屈服应力的关系研究［D］.成都：成都理工大学档案馆，2011.

［10］余斌.不同容重的泥石流淤积厚度计算方法研究［J］.防灾减灾工程学报，2010，30（2）：207－211.

［11］余斌.粘性泥石流的平均运动速度研究［J］.地球科学进展，2008，23（5）：524－532.