北川湔江河段“7·10”特大山洪泥石流灾害特征与成因分析

2014-01-02刘剑葛永刚张建强陈容

中国水土保持科学 2014年4期

刘剑，葛永刚，张建强，陈容

(1.中国科学院水利部成都山地灾害与环境研究所，中国科学院山地灾害与地表重点实验室，610041，成都;2.中国科学院大学，100049，北京)

2013 年7 月8 日—7 月12 日，北川湔江段遭遇持续强降雨，诱发了沿江群发性山洪、泥石流等山地灾害，造成了大量人员伤亡和财产损失。崔鹏等［1］认为，震区次生地质灾害在汶川地震后10 年内会保持高频趋势，北川属于“5·12”地震重灾区，也是震后次生山地灾害频繁发生的场所。笔者以北川湔江河段“7·10”群发性特大山洪泥石流为研究对象展开实地调查，重点分析此次群发山地灾害特征、成灾模式及其成因，并提出针对性减灾建议，以期对灾后重建选址和减灾避灾有所帮助。

1 研究区概况

北川湔江段全长47.9 km，流域面积455.80 km2，平均比降约为4.2‰，多年平均径流量为102.7 m3/s，年均径流总量为3.26 亿m3［2］。研究区属亚热带湿润季风气候为基带的山地气候，雨量充沛，集中在6—9 月，年平均降雨量1 399.1 mm，年最大降雨量2 340 mm(1967 年)［3］。研究区断层较多，主要的大断层有北川—映秀深断裂带，总体走向北东，倾向北西［4］，历史上曾多次活动并引发破坏性地震［3］，如著名的“5·12”汶川M8.0 地震。地层从古生代寒武系至新生代第四系均有出露，绝大部分灾点集中在断层两侧的志留系、泥盆系、二叠系、三叠系和第四系等地层上，岩性主要为中软的千枚岩、粉砂质板岩、石英砂岩、砂质灰岩、碎屑岩、泥页岩、砂泥岩等［4］，经历多次构造运动，形成了较厚的松散风化层，为泥石流等灾害提供了丰富的物源。

研究区地处四川盆地与青藏高原东南部过渡地带的盆周山地区，为河谷深切割地貌，地形起伏较大，北高南低，最大相对高差1 760 m。微地貌以山地为主，约有近70%的微地貌为陡坡和陡崖，平坝仅在河谷有少许分布。在已发现的80 处山地灾害中，只有4 处灾点位于缓坡或平台，其余灾点全部位于陡坡上。

2 研究方法

2.1 泥石流密度计算方法

由于研究区泥石流是由强降雨激发的后发型震后泥石流，物源以地震次生崩塌、滑坡体为主，决定了泥石流固体堆积物中粗粒组含量较高，细粒组含量较低，属过渡型泥石流。为了验证以上推断，采用余斌［5］关于泥石流密度的经验计算公式对区内的6条典型泥石流堆积物进行取样和颗粒分布分析。计算公式为

式中:rd为泥石流密度，g/cm3;ro为泥石流最低密度，取1.5 g/cm3;rv为黏性泥石流的最低密度，取2.0 g/cm3;w05和w2分别为泥石流物质中＜0.05 mm 的细颗粒物质质量分数和＞2 mm 的粗颗粒物质质量分数，%。

2.2 泥石流流量计算方法

为了对比地震前后泥石流流量变化特征，根据其过流断面现场调查数据，分别用泥痕法和雨洪法计算获得5 条典型沟谷震后泥石流流量和震前泥石流流量。

泥痕法计算泥石流流量公式为

式中:Qc为泥石流流量，m3/s;Sc为过流断面面积，m2;vc为泥石流断面平均流速，m/s;nc为沟床糙率;h为泥位，m;I 为沟床坡降。

雨洪法计算泥石流流量公式为

式中:φ 为泥石流泥沙修正系数;Qb为某一频率条件下洪水流量，m3/s，参照四川省中小流域暴雨洪水手册计算获得;q 为堵塞放大系数，取2.5;rc为泥石流密度，t/m3;rb为泥石流中固体物质密度，取2.65 t/m3。

3 结果与分析

3.1 群发性特征

受持续强降雨激发，北川湔江两岸山洪、滑坡、崩塌和泥石流群体大量发生。据不完全统计，共有灾点79 处，其中山洪2 处，滑坡8 处，崩塌2处，泥石流67 处(冲沟泥石流18 处，坡面泥石流12 处，沟谷泥石流37 处)。受汶川地震影响及地质构造与岩性控制，区内滑坡、崩塌均有发生，规模以中小型为主。山洪活跃于整个流域，泥石流表现出空间分布上的不均匀性，主要分布于断裂周围，受岩性和松散物质量控制，泥石流的发生与降雨强度关系密切。此外，受新建泥石流治理工程拦挡作用的影响，泥石流数量较以往有所减少，一些往年同等雨量条件下常常暴发的泥石流并没有发生，表现出一定的不均衡性。崩塌、滑坡的分布亦受降雨、物源等的控制。

3.2 泥石流密度特征

泥石流密度计算结果见表1。可知，泥石流密度集中在1.69 ～1.91 g/cm3之间，根据泥石流流体的性质，泥石流可分为黏性、过渡性和稀性泥石流［6］，按照过渡性泥石流标准定义范围［7］(1.70 ～1.95 g/cm3)判定，区内泥石流大部分属于过渡性泥石流(张家湾泥石流除外)。与地震灾区其他地区的泥石流密度(1.85 ～2.25 g/cm3)［8］相比，研究区泥石流密度较低。这可能与松散物质细颗粒含量较少，导致泥石流黏度系数和侵蚀搬运能力较低有关。

表1 泥石流粒度组成与密度Tab.1 Grain size and density of debris flow

由粒度分析曲线图(图1)可知，细颗粒物质(0.05 mm)和黏粒(＜0.005 mm)质量分数偏低，分别为0.23%～1.89%和0.09%～0.43%，＞2 mm 的粗颗粒物质质量分数普遍大于73%，符合震后泥石流特征［9］。

图1 粒度分析曲线图Fig.1 Particle size analysis graph

3.3 泥石流流量特征

泥石流流量计算结果见表2。结果表明，震后泥石流流量较震前有明显的放大效应，约为震前条件下的1.9 ～8.5 倍，这主要是由沟谷中地震引起的松散物源以及崩塌、滑坡等松散堆积物在强降雨作用下堵溃放大和大流量高速泥石流沟床起动补给的共同作用造成的。

表2 典型泥石流地震前后泥石流流量对比Tab.2 Contrast of typical debris flows’flux before and after the earthquake

3.4 灾害链效应特征

此次群发性特大山洪泥石流灾害具有明显的灾害链效应。主要有以下几类。1)滑坡—坡面泥石流型:受连续强降雨的影响，滑坡体沿滑面向下运动，在这个过程中，滑体变得松散饱水，最终演化为泥石流体，形成坡面泥石流。2)山洪(小流域)—滑坡—泥石流型:强降雨在小流域内产汇流形成山洪，山洪沿程冲刷斜坡坡脚，坡体失稳下滑堆积在沟道中，含水率不断增大，最终形成泥石流，如金子沟泥石流。3)山洪泥石流—河道淤高型:受山洪和泥石流汇入主河的影响，河水含沙量剧增，河道淤高，水位抬升。4)山洪—堰塞坝溃决—特大山洪泥石流型:受唐家山堰塞坝拦截影响，水位不断抬升，水压增大，堰塞坝体最终发生溃决，坝体碎屑物随堰塞湖水一泻而下，规模放大，形成特大山洪泥石流，如唐家山堰塞湖溃决泥石流。

3.5 山洪泥石流产输沙特征

山洪泥石流伴随着强烈的水土流失、泥沙输移和淤积，受其影响，湔江主河河道明显抬升，严重威胁河道两岸的乡镇和农田。如北川老县城曲山镇，泥沙淤积严重，河床淤高约4 m(图2)。至8 月1日，王家岩滑坡以下部分仍被水淹没，景区道路完全中断(图3)，地震遗址无法正常运营。湔江上游东溪村与北川—茂县公路交叉口处河床受泥石流淤积影响平均抬高2 ～3 m，部分河段高出原河床约5 m。河床和水位的抬高，大大扩大了山洪泥石流的危害范围。

图2 北川老县城完全被水淹Fig.2 Completely flooded Old Beichuan

3.6 成灾模式分析

图3 王家岩滑坡下方全被水淹Fig.3 Flooded Wangjiayan slide bottom

3.6.1 道路受灾模式研究区公路受山地灾害损毁严重，根据现场调查与分析，山地灾害破坏道路模式有以下几种:1)沿河公路路基受山洪泥石流的强烈冲刷，底部容易被掏蚀淘空，造成路基受损，路面下沉、悬空甚至完全损毁，如曲山镇北茂公路路基就被山洪泥石流完全毁坏，造成公路中断长达530 m(图4);2)受泥沙淤积河床的影响，湔江水位大大抬升，后续的山洪泥石流可以轻松冲上路面，其携带的砂石淤泥大量淤积，公路路面完全消失;3)松散堆积物常常冲破防护工程，冲淤到公路路面，阻断交通，威胁行人与过往车辆的安全，如禹里—茂县公路被滑坡淤埋，十里碑隧道口处被泥石流堆积物阻塞。

3.6.2 建筑物受灾模式本次群发性山洪泥石流对建筑物的影响较大，民房、办公楼、水电站、桥梁等是主要的受灾对象，其受损模式可归纳为以下几类:1)淤埋破坏，建筑物受损的主要方式，这些建筑大都位于泥石流堆积区，泥石流流速小，冲击破坏力也较小，对建筑物的损毁有限，整体保存较好，结构受到的破坏小，如张家沟泥石流堆积区附近的房屋和桥梁表现为淤埋或半淤(图5);2)冲击破坏，位于泥石流流通区两侧及山洪沿岸的建筑物是冲击破坏的主要对象，流经的山洪泥石流往往具有较大的流速和冲击力，破坏力强，容易对建筑物的结构和功能造成毁灭性损伤;3)山洪淹没，快速淤高的河床大大改变了山区河谷地貌条件，造成洪水水位抬升，淹没范围增大，严重威胁河道两岸村舍、水电站等建筑物的安全，如唐家山堰塞坝上游。

图4 北—茂路路基被毁坏长达530 mFig.4 Roadbed of Beichuan-Mao County was completely destroyed up to 530 m

图5 张家沟泥石流淤埋房屋和桥梁Fig.5 Houses and bridges were buried by Zhangjiagou debris flow

4 典型灾害分析——唐家山堰塞湖溃坝

据不完全统计，2013 年7 月8 日开始的强降雨共诱发北川湔江河段68 条沟道发生泥石流，大量的泥沙顺沟道输入至湔江干流河道中，受唐家山堰塞湖的影响，大部分淤积于堰塞湖内。洪水受堰塞坝相对拦蓄的影响(泄流口流量小于上游来水流量)，水位迅速抬升。至9 日08:00 左右，旋坪乡堰塞湖水位升高约8 m，泄流口水位升高7 ～8 m，而禹里乡湔江大桥水位升高约11 m，洪水水位距离桥面不足1 m，严重威胁着禹里乡的安全。与此同时，唐家山堰塞坝泄流口受大流量洪水冲刷，控制基座损毁，最终形成溃决洪水，堰塞湖水位开始下降，至13 日，堰塞湖水位较原有水位下降9 ～10 m，较洪峰时的水位下降约17 ～18 m(图6)，禹里大桥洪水水位下降8 m 左右，8 月1 日，水位继续下降，旋坪乡洪水水位下降13 ～14 m，禹里大桥水位下降11 m，唐家山下游黄家坝湔江大桥洪峰水位高约8 m。湔江主要洪水参数变化见表3。

图6 唐家山堰塞湖溃口Fig.6 Lake breach of Tangjia Mountain

表3 湔江洪水水位Tab.3 Flood water level of Jian River m

用Stocks 公式［10］计算唐家山堰塞湖的溃决洪峰流量

过水断面最大流速

式中:g 为重力加速度，9.8 m/s2;B 为坝体宽度，m;b 为决口宽度，m;H 为坝前水深，m。

按8 月1 日实测溃口数据，B 取221 m，b 取51 m，H 取20 m(实测坝顶至水面高度为17 m，水面以下水深按3 m 计)。计算得出最大洪峰流量约为6 100 m3/s，过流断面最大流速为6 m/s，接近2008年6 月10 日泄流时峰值流量6 500 m3/s［11］，与此次溃决目击者估计与泄洪流量相当的描述相吻合，也印证了计算的正确性。

溃决洪水强烈冲刷唐家山堰塞坝体以及下游沿岸坡体物质，形成溃决型泥石流，水沙向下游输移，造成唐家山至北川老县城段河床淤高不等，苦竹坝段河床淤高5 ～6 m，北川老县城平均淤高3 ～4 m，山洪将整个曲山镇淹没，地震遗址损毁严重，高位洪水漫过河堤，淹没了下游沙坝、邓家、张家湾等村的耕地及民房，大流量洪水淘蚀两岸坡体，造成沿河多段路基垮塌，损失惨重。

5 成因分析

5.1 丰富的物源条件和产汇流条件的改变

研究区地处汶川地震极震区，区内有“5·12”主震断裂穿过，系震后次生地质灾害极为发育的地区，据不完全统计，震后北川共有地质灾害点1 754 个，新增次生灾点就有1 500 个［3］，灾点密度高达0.61个/km2，这些灾点主要分布于支沟和山体中，为震后泥石流等灾害提供了充足的松散物源。此外，研究区植被覆盖率在震后也大幅下降，以曲山镇至擂鼓镇“5·12”大地震前后2 h 相的遥感影像显示，震前研究区域植被覆盖度较高，85%以上的区域属中等植被覆盖率以上级别，震后植被覆盖度大于30%的土地面积急剧减少，说明地震引起的地质灾害对植被造成了严重破坏［12］。植被覆盖率的变化不仅会降低对松散土体的固持作用，更重要的会导致产汇流条件的改变，使得泥石流等灾害的启动条件发生改变。持续的强降雨为山地灾害的发生提供了充分条件，加之研究区内物源富含黏土矿物等物质，吸水性和可塑性较大，与降水结合后，局部土体达到饱和，地表积水排泄不畅，孔隙水压力陡增，土体抗剪强度快速消减，非常容易形成滑坡、泥石流等灾害。

5.2 降雨因素

通过收集研究区及周边30 个雨量站在次生山地灾害发生前后(07-07 T 21:00—07-12 T 20:00)共5 d 的120 h 内的降雨数据进行差值计算和制图，得到降雨强度分布图(图7)，发现区内普降大雨(24 h内降雨量25 ～49.9 mm)到暴雨(24 h 内降雨量50 ～99.9 mm)，灾点全部位于300 ～500 mm 降雨区间范围内，与一般大于25 mm/次降雨都会诱发灾害［13］相符，仅有2 处灾点(2.5%)位于300 ～350 mm 降雨区间内，6 处灾点(7.5%)位于350 ～400 mm 降雨区间内，56 处灾点(70%)位于400 ～450 mm 降雨区间内，剩余的16 处灾点(20%)位于450 ～500 mm 降雨区间内，次生山地灾害的发生有随降雨量增大而易发生的趋势，但当突破临界饱和雨量后，降雨量对山地灾害的诱发性有所降低。