汶川强震区泥石流起动模型试验分析

陈怀强，邓 辉，李文智，司攀华，贾智丹，王景宏

(成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，四川成都 610059)

0 前言

“5·12”汶川特大地震孕育了不计其数的滑坡、崩塌及潜在不稳定斜坡等不良地质体，为震区内泥石流的孕育及发生提供了有利条件。据震区44个重灾县(市)的次生地质灾害排查结果显示，震区发育有潜在泥石流沟873条，其中潜在的巨型泥石流沟90条、大型泥石流沟91条、中型泥石流沟300条、小型泥石流沟355条。据国土资源系统组织的震后次生地质灾害排查和巡查，四川震区有24座县级城市遭受潜在泥石流隐患点的直接威胁，此外，还有100余处集镇受到不同程度威胁。2008年9月24日，仅距“5·12”汶川地震四个多月，在这次地震的主要震区北川、汶川等县境内爆发了区域性的泥石流灾害，共造成40余人遇难或失踪，数千亩良田及房屋被冲毁和淤埋的重大灾情，震区泥石流规模之大、破坏力之强，是其它地区泥石流灾害无法比拟的［1］。地震后的泥石流已成为地震引发的主要的次生山地地质灾害，而关于这方面的研究也比较多。为了探求泥石流的形成和运动机理，美国、日本、新西兰和中国的泥石流专家们在模拟泥石流理论模型时，对泥流、水石流、泥石流都进行了大量的研究工作，并提出了二维不恒定流模型，但这些试验和结论都局限在泥流、水石流这两个比较极端的模型上。介于这两种模型之间的泥石流，因其颗粒范围广等因素，显得更为复杂。因此对震区泥石流的评价与分析显得较为困难，所需时间较长。现在利用经验和理论方法在解释粗颗粒在泥石流体流变行为中的作用或影响时，所涉及泥石流的数学模型，多半是通过低粘度介质［2］、颗粒范围较窄或由塑料粉末模拟粘粒、玻璃球模拟沙粒等试验来验证模型［3］。对于在中国分布较多的高浓度、颗粒范围广、含有较高粘粒的泥石流，其模型研究刚刚起步［4-6］，而将野外现场观测和样品试验的同步进行，并运用于模型的验证等研究还很缺乏。而且经过大量的查阅资料，我们还发现现在所研究的泥石流多为降水型泥石流，对震后形成的泥石流的起动机制研究也是众说纷纭。要实现对强震区泥石流直观简单评价，就必须对泥石流的起动形成系统的认识。

1 研究区基本情况

我们选定映秀地震灾区的烧火坪侧沟和牛圈沟两个地点来进行强震区的泥石流起动机制的研究，映秀镇烧火坪测沟:31°04'11.34″N，103°28'16.15″E 海拔944m;映秀镇牛圈沟:31°02'42.95″N，103°28'22.25″E，海拔890m(图1、图2)。通过对局部地区的调查研究，分析综合并进行推广。

图1 烧火坪侧沟卫星图Fig.1 Flat side ditch that the satellite image

图2 牛圈沟卫星图Fig.2 Satellite image the bull ring groove

泥石流地区的岩体大多为比较容易风化而且发育有较厚的风化壳，或者发育有大量的节理裂隙而使得其结构较松散，这种岩体很容易在水的浸润下、水介质中、地震之后发生位移崩塌、滑坡或漂移［7］。形成泥石流的物源为宽级配土体，小于60mm的颗粒中，粘土颗粒的含量5%左右:土体的大规模滑溜是土体起动产生泥石流的核心步骤。中等颗粒含量的土体最容易滑流和起动产流。而颗粒含量过少和过多均不利于大规模土体的滑溜和起动产流。最有利的颗粒含量为5% ～10%［8］。

“汶川地震”泥石流土源有利条件为宽级配砾石土，其粘土颗粒含量大都在5%左右。

“5·12”汶川地震导致烧火坪侧沟上游山体发生滑坡并形成碎屑流，使得沟谷中留下了多达6×96m3的松散堆积物，最大堆积厚度近75m，而地震导致走牛圈沟泥石流物源也多达5×1136m3。这些不稳定物源的存在已经决定了泥石流发生的规模。

2 室内试验

2.1 颗粒筛分实验

颗粒粒径大于60mm的固体物在野外测定其粒径并分析其岩性。小于60mm的进行室内颗分试验，使用振筛机(图3)，筛分时间为每组样5min，筛分粒径为0.074～20mm粒径范围，样品试验之前进行5h的烘干操作。综合整体数据，计算出不同粒径段所占所有采集样本的百分比(颗粒级配)、粘土和颗粒的比重、岩石岩性，画出相应的级配曲线。

图3 振筛机Fig.3 Vibration sieve machine

2.2 泥石流起动实验

试验采用变频泥浆抽水泵将水从水池抽出后通过水管运送到水槽上方的自制喷头处(图4)。

图4 成都理工大学泥石流试验装置简图Fig.4 Chengdu university of technology debris flow test unit diagram

试验设备采用成都理工大学地质灾害重点试验室的泥石流室内模拟起动装置，其水槽长1m，宽0.2m，高0.2m。水槽上方用与基座相连，使水槽能沿基座进行坡度调节，上端离地面高度为0.25m，水槽底部设置一个能调节高度的单支撑杆，用螺帽与水槽基座相连，底部水槽放一横杆，用于平衡底部基座。这样便能通过螺帽的调节来进行坡度的调节，本实验坡度有范围的变化，必须采用多组坡度数据才能更好的研究泥石流的起动机制。我们设想在一个槽上堆积不同坡度的物料，但是结果并不成功(泥石流起动坡度只与其实际坡度有关，并不与物料坡度关系太大，其冲沟的坡度是主要决定因素)。其可调坡度定在0°～35°，不能调节的高度用垫砖头来实现。水槽槽体两侧为钢化玻璃，便于试验观测。顶端设一档水壁，高0.2m，一是用于阻止喷头水量的流失，二是为了对泥石流实验土体进行一个初期饱水的处理。当土体有一个饱水的措施后，不会因为突然的降雨而流失土体，后缘积水面积为20mm×14mm规格。

在试验中，为了能充分并且更准确的模拟现场坡体，我们在水槽上布置磨砂纸，水槽的末端放置一个塑料盆，在实验初期观察其随着雨强的增加，颗粒流失的大小及其含量，做一个现象描述。通过实验，我们发现，随着雨强的增加，盆中颗粒由细变粗，浓度也越来越大。在泥石流表面流形成的时候，将塑料盆取下，放置一边。当泥石流起动的时候，用塑料盆取部分泥石流发生后的土样，再进行后续分析，此步骤为每条坡取两组数据。

斜坡模型土样通过填筑土体的体积与原状土体的干密度来制所需土体重量，分层筑，不同层之间刨毛，并将斜坡静置三天使土体恢复部分结构性后才进行降雨试验。

3 泥石流起动条件

3.1 样品分析

烧火坪侧沟颗粒粒径大于60mm的固体物的分布特征折线图(图5):

图5 烧火坪侧沟颗粒粒径大于60mm分布的折线曲线Fig.5 Flat side ditch that the distribution of particle size greater than 60 mm line curve

3.2 物源与泥石流起动关系

3.2.1 采用烧火坪侧沟与牛圈沟进行对比，控制等坡度分析，选取烧火坪侧沟和牛圈沟实验组坡度为13.3°进行对比。

为了能更直观的反应两条沟在物源上的对比(图 6)。

图6 两条实验沟物源比较Fig.6 Two comparative experiment ditch source

从图6分析，两条沟颗粒粒径大于1mm含量相差并不大，牛圈沟颗粒粒径小于0.5mm含量较烧火坪侧沟大。同时结合比较在相同坡度下，泥石流起动流量的柱状图分析如图7。

图7 相同坡度下不同物源泥石流起动流量对比Fig.7 The same slope under different provenance mudslides starting flow contrast

根据柱形图的阶段分析，三阶段(初始雨量阶段，表面流形成阶段，泥石流起动阶段)对比可见，表面流形成阶段相关关系并不太明显。但在起动阶段，对比相当明显。初始雨强只是一个参照作用，研究意义不大。分析可得，在颗粒粒径大于1mm含量相差不大的情况下，颗粒粒径小于0.5mm的颗粒含量与泥石流起动雨强成正相关。这对泥石流的发生可起一定的参照作用。

两条泥石流沟根据颗粒级配比出的物源量如表1。

3.2.2 在不同物源、相同坡度条件下，烧火坪侧沟与牛圈沟在泥石流起动速度的分析速度取两条沟起动的平均流速，分析柱状图如图8:

表1 两条实验沟配比百分含量相关关系列表Table 1 Two experimental groove matching percentage

图8 两条泥石流沟的起动速度Fig.8 The two starting velocity of debris flow gully

可见，牛圈沟的起动速度较烧火坪侧沟起动速度快，牛圈沟在物源方面主要是小于1mm的颗粒较多。综合分析，在粒径大于1mm的颗粒含量相差不多的情况下，如果粒径小于1mm的颗粒含量增多，会很明显的影响泥石流的起动条件，将会对泥石流的起动起一个促进作用。

3.3 坡度与泥石流起动关系

试验采集样本的地区:烧火坪侧沟，0°～28°，牛圈沟，3°～37.5°，将两条沟分开来研究。

烧火坪侧沟分六组坡度:8.63°，13.3°，14.48°，16.26°，19.88°，25.48°。

牛圈沟三组:13.3°，19.27°，22.3°。

坡度主要通过试验水槽下端的支撑杆和垫砖块来进行调节。

3.3.1 在相同物源下，不同坡度与泥石流起动的流量相关关系

烧火坪侧沟实测6组坡度，坡度范围在5°～30°之间，泥石流只会在坡度小于30°以下形成，坡度大于30°后就算滑坡，其对本研究相关性不大。图9为烧火坪侧沟在不同坡度下泥石流的起动关系。

由图9可得，随着坡度的增加，在相同物源条件下，泥石流表面流的形成流量及起动流量都相应的降低。可见，在泥石流起动允许的坡度内，泥石流起动雨强与坡度成负相关。下面再将牛圈沟的三组实验做一个对照(图10)。

图9 烧火坪侧沟泥石流起动与坡度的关系Fig.9 The fire ping side slope gully starting with the relationship

图10 牛圈沟泥石流起动与坡度的关系Fig.10 Bull ring gully starting the relationship with the slope

通过分析可得，两条坡的泥石流与坡度的相关关系基本一致，即在泥石流起动允许的坡度内，泥石流起动流量(或雨强)与坡度成负相关关系。泥石流起动流量与坡度的关系较表面流的形成流量与坡度的关系明显，表面流形成流量并不完全遵照图10牛圈沟泥石流起动与坡度的关系，其与人为操作，实验仪器的精准程度以及对实验的设计方法有一定关系，这些因素可以采取多组实验的方法弥补。实验前后我组一共进行了9组试验，总体关系较明显。

3.3.2 在相同物源下，不同坡度与泥石流起动的速度相关关系

图11为烧火坪侧沟泥石流起动速度与坡度的相关关系图:

图11 烧火坪侧沟泥石流起动速度与坡度的关系Fig.11 The fire flat side slope gully starting speed and relationship

图12为牛圈沟泥石流起动速度与坡度的相关关系图:

图12 牛圈沟泥石流起动速度与坡度的关系Fig.12 Cow circle gully starting velocity and gradient relationship

从烧火坪侧沟和牛圈沟的实验数据来看，其线性关系并不太明显，其中有上下波动的情况，但从整个曲线的走势上来看，是一个上升的趋势。由图可得，在泥石流起动允许坡度的范围内，泥石流的速度会逐渐增加。在实际的泥石流起动中，流通区可达几百米甚至几千米，在一个较小的初速度内，会随着向堆积区流动的过程中速度越来越大，其存在一个较大的加速过程。通过查阅相关资料，在坡度大于25°时候，泥石流起动加速度为0.4g，通过计算，达到堆积区的速度可以增加到几十米每秒，这是相当吓人的。

3.4 与普通泥石流的对比

选取与映秀镇震中距离358.25km的西昌市琅环乡，2008年9月19日拖郎河发生严重泥石流。当日零时5分四川西昌市琅环乡发生泥石流，乡政府所在的整个场镇房屋几乎全部被泥石流淹没、20多间房屋瞬间垮塌、几百名群众被困。对于本研究项目而言，此处对比意义较大。

从上述两组图能很清晰的反应出两条沟泥石流在起动机制上的区别，在相同坡度条件下，明显非强震区泥石流起动的临界流量较大。在相同条件下，更不容易发生泥石流。我们可以直接采用他们的雨强柱状图对比(图13):

图13 普通泥石流区与强震区泥石流的雨强条件对比Fig.13 Ordinary landslide area compared with the rainfall intensity condition of strong earthquake debris flow

雨强的柱形图可以看出，非强震区泥石流起动雨强远远高于强震区。为此，我们必须对地震区的降雨进行详细监测和预报，强震区泥石流由于其起动雨强较小，所以非常易发。对国家和人民的人身安全和财产安全造成巨大的威胁。

4 结论

对汶川地震的震中映秀地区的两条泥石流沟进行了研究。通过野外调查掌握了烧火坪侧沟和牛圈沟的地形地貌、地层岩性、水文地质条件等，并采集了泥石流堆积区的样本。根据样本的筛分实验所得的颗粒级配和自制的泥石流发生装置进行了室内模拟实验。通过控制坡度、降雨量、物源以及与非强震区泥石流的比较来进行强震区泥石流起动机制的分析。论文的主要内容和结论有以下几点:

(1)研究区泥石流物源异常丰富，地震作用造成物源分布范围广、数量大、稳定性极差，这为泥石流的发生提供了有利的条件。泥石流将是该地区长时间持续的地质灾害之一。

(2)室内人工降雨模拟实验研究的结果表明:①在颗粒粒径大于1mm含量相差不大的情况下，颗粒粒径小于0.5mm的颗粒含量与泥石流起动雨强成正相关。这对泥石流的发生可起一定的参照作用。②在粒径大于1mm的颗粒含量相差不多的情况下，如果粒径小于1mm的颗粒含量增多，会很明显的影响泥石流的起动条件，将会对泥石流的起动起一个促进作用。③随着坡度的增加，在相同物源条件下，泥石流表面流的形成流量及起动流量都相应的降低。在泥石流起动允许的坡度内，泥石流起动雨强与坡度成负相关。在泥石流起动允许坡度的范围内，泥石流的速度也会随坡度逐渐增加。

(3)非强震区泥石流起动的于强远远小雨强震区。其原因除了当地的工程地质环境外，主要是强震区泥石流物源异常丰富且稳定性极差。因此对强震区泥石流的评价监测和预测预报至关重要。

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