四川芦山震区大叶龙沟泥石流发育特征及危险度评价

王家柱，任光明，余天斌，高 波

(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

2013年4月20日，芦山发生7.0级地震，地震诱发芦山县、宝兴县、天全县等8个县(区)2515处崩塌、滑坡、泥石流灾害点，这些崩塌和滑坡形成的松散堆积物在暴雨作用下，为泥石流活动提供了丰富的松散物源。资料显示，在芦山县、宝兴县和天全县等重灾区已有灾害记录的主要泥石流沟有29条，其中芦山县2条、宝兴县20条、天全县7条。

泥石流灾害已成为灾区人民生命财产安全最潜在的威胁。研究震区泥石流动力学特征和危险度，是理解泥石流成因、特征以及工程设计参数的重要途径，可为泥石流治理提供科学的依据。

1 流域概况

大叶龙沟所在的天全县位于四川盆地周山区西缘，地处东经 102°16'至 102°55'，北纬 29°49'至 30°21'，处于二郎山东麓，青衣江之滨，东西距离约60 km，南北宽度约50 km。大叶龙沟所在流域属于打虎溪支流，该流域形态大致呈矩形，最高点高程为1538 m，最低点高程为880 m，高差658 m。流域内发育有5条支沟，其中大叶龙沟是唯一发生泥石流的支沟(图1)。

图1 大叶龙沟流域图Fig．1 Drainage of Dayelong debris flow

流域处于鲜水河断裂带南部与龙门山构造带的接触部位，既受鲜水河断裂带的控制，又受龙门山构造带的影响，地质构造复杂。区内出露的地层主要有:第四系残坡积、第四系泥石流堆积层及白垩系上统夹关组(K2j)、灌口组(K2g)基岩。

流域位于青藏高原东坡，东西海拔悬殊，气温差异大，具有垂直变化的山地气候特征;区内降水丰富，多集中在七、八、九三个月内，连续三个月降水量之和占全年降水量60% ～70%，雨季长达半年;旱季一般在十二月到次年一、二月份，降雨量之和仅占1% ～5%［1］。

2 泥石流形成条件及机制分析

地震诱发大量崩塌滑坡，为泥石流提供松散固体物质，有利于泥石流的发育和形成［2］。大叶龙沟泥石流灾害的形成主要受地形地貌、地层岩性、地质构造以及地震活动的控制，在强烈地震作用后，强降雨引发这场灾害性泥石流［3-4］。

2.1 泥石流形成条件

2.1.1 物源条件

受“5·12”汶川地震以及“4·20”芦山地震的双重影响，大叶龙沟流域内出现大量易于被水流侵蚀冲刷的松散堆积物，这是泥石流形成的重要条件。松散物源量的大小决定着泥石流的规模、流体性质、破坏强度等，是泥石流暴发的基础。

在大叶龙沟上游段，高程970～1020 m发育一大型崩塌体，崩塌大量堆积，松散物源量约为24.41×104m3，其中可参加泥石流的物源量为3.65×104m3，占动储量总量的38%;泥石流沟道堆积主要集中在沟道中游和下游，中游段沟道堆积物物源量为7.48×104m3，其中可参与泥石流物源量为4.05×104m3，下游段沟道堆积物物源量为0.93×104m3其中可参与泥石流物源量为0.37×104m3;坡面侵蚀物源广泛分布于该沟沟道内，松散物源量为1.88×104m3，其中可参与泥石流物源量为1.48×104m3，占动储量总量的15%。

2.1.2 地形地貌条件

大叶龙沟最高点高程1100 m，最低点高程840 m，平均纵比降233‰。其中高程1020～1100 m为泥石流形成区，平均纵比降为321‰，该段沟道纵比降较大，地貌上总体表现为斜坡地貌，植被覆盖较好;高程950～1020 m为泥石流流通区，平均纵比降247‰，该段物源量丰富，右岸斜坡相对较陡，横坡一般30°左右，局部基岩陡坎达70°，崩塌现象较为发育(图2);高程950 m以下为堆积区，平均纵比降152‰，该段沟道较为宽缓，泥石流活动中主要表现为淤积，堆积宽度在13～19 m。

图2 泥石流崩塌物源以及主要沟道图Fig．2 Colluvial product and channel map of Dayelong debris flow

2.1.3 降雨条件

大叶龙沟泥石流的发生，除了所处地质、地貌条件以及具备了丰富的物源条件以外，更主要的原因是强降雨。2013年7月4日15时至18时，流域内普降大雨，强降雨量达到101.4 mm，最强降雨时段出现在4日18时，此时段一小时降雨强度高达46.8 mm(图3)，强降水在形成区迅速形成地表径流，汇集到沟道，冲刷沟道及两岸固体松散物质，松散物质在陡峭的地形下加速积累、启动下滑形成泥石流。

2.2 形成机制

图3 泥石流暴发前后降雨累积曲线Fig．3 Rainfall cumulative curve before and after debris flow outbreak

通过资料分析，该沟道为一条非典型的泥石流沟，主沟打虎溪为一条清水沟，近一百年内没有出现泥石流，属于低频泥石流沟。支沟大叶龙沟平均纵坡降为233‰，沟道整体较缓，且无充足物源，不利于泥石流的形成。造成此次泥石流的主要原因是地震的双重作用以及降雨影响。“5·12”汶川之后，该流域内并未形成滑坡、崩塌，但岩体结构受到地震影响，稳定性降低，形成了大量不稳定斜坡和危岩体。天全县内丰富的降雨对岩体泥化、软化作用以及产生的孔隙水压力，进一步降低了斜坡体和危岩体的稳定性;另一方面，长期降雨，使得沟道内覆盖的第四系堆积层极不稳定，为泥石流的揭底冲刷和沟道侵蚀提供了有力条件。“4·20”芦山地震之后，在打虎溪支流，大叶龙沟流域上游段出现了大面积崩塌，这是此次泥石流主要物源之一。2013年7月4日15时至18时，该流域内降雨集中启动，造成沟道内汇水量迅速增加，同时沟床整体呈上游陡、下游趋缓的特点，非常有利于泥石流的搬运、堆积，为泥石流的形成提供了有利条件［5］。上游泥石流形成以后，沿沟道冲刷，由于泥石流“滚雪球”效应，使沟道侵蚀物源大大增加，最终形成了此次灾害性的泥石流。大叶龙沟泥石流演化过程为:地震—降雨—地震—崩塌、滑坡—降雨集中启动—泥石流。

此次泥石流发生以后，由于强烈的揭底冲刷和沟道侵蚀，沟道内堆积有大量松散物源，由于震区群发性泥石流具有“叠加-放大”的特点［6］，若遇强降雨，再次暴发泥石流的概率极大，必须予以重视。

3 泥石流动力学特征分析

为今后震区小流域泥石流治理工程设计提供参考，在形成区(P1)高程1040 m处，流通区(P2)高程960 m处，堆积区(P3)高程920 m处，分别选取了典型的泥痕断面对此次泥石流动力学特征进行计算。

3.1 容重

此次泥石流沟采用现场调查试验法计算容重，通过计算得知，此次泥石流容重为1.75 t/m3，属于粘性泥石流。

3.2 流速

对于粘性泥石流，采用粘性泥石流通用公式计算［7］。

计算公式为:

式中:Vc——泥石流断面平均流速/(m/s);

Hc——泥石流平均泥深/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，根据泥石流流体特征和沟道特征按规范查表确定。

计算结果见表1。

表1 泥石流流速计算表(通用公式)Table 1 Current velocity table of debris flow

3.3 流量

采用形态调查法进行计算，计算公式为［8］:

计算结果见表2。

表2 泥石流流量形态调查法计算表Table 2 Rate of flow’s table of debris flow

3.4 一次固体物质冲出量

一次泥石流过流总量计算按照公式［8］:

式中:Q——泥石流一次过流总量/m3;

T——泥石流历时(s)，“7·4”泥石流历时按调查访问的情况确定，现有条件下预测泥石流历时根据剩余物源动储量的削减比例估算;

Qc——泥石流最大流量/(m/s)。

一次泥石流固体冲出物计算按照公式:

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——泥石流重度/(t/m3);

γw——水的重度/(t/m3);

γH——泥石流固体物质的重度/(t/m3)。

根据上式计算，大叶龙沟在50年一遇暴雨频率下一次固体物质冲出量为3.58×104m3，100年一遇暴雨频率下一次固体物质冲出量为4.18×104m3，泥石流规模属于中型。

4 泥石流危险度评价及发展预测

4.1 泥石流发展阶段分析

影响泥石流发育的条件包括暴雨、地形和松散固体物源等，其中地形指标可分为沟床纵比降、流域平均坡度、流域面积、流域高差等。利用表征地貌发育期的流域面积-高程曲线(斯特拉勒曲线)及其积分(斯特拉勒积分)S来判别沟谷泥石流的活动性［9］。在直角坐标系中绘制大叶龙沟流域面积-高程曲线(图4)，并计算该曲线面积积分S=0.45。然而当S＞0.6时地貌发育阶段为幼年期;当0.35≤S≤0.6时地貌发育阶段为壮年期;当S＜0.35时地貌发育阶段为老年期。据此判断，大叶龙沟流域泥石流的发育处于壮年期，因此该沟暴发泥石流的几率较大。

图4 大叶龙沟流域高程曲线Fig．4 Hypsometric curve of Dayelong debris flow

4.2 泥石流危险度评价

函数赋值模型是20世纪90年代末由刘希林学者提出［10］。该评价方法己广泛应用于实践中，将以往的14个评价因子简化为7个评价因子，除主要内在因子泥石流规模和发生频率外，其他次要环境因子减少至5个，大大减少了工作量增加了实用性。七个评价因子分别是:泥石流规模M、泥石流频率F、泥石流面积S1、主沟长度S2、流域相对高差S3、流域切割密度S6、不稳定沟床比例S9。

其计算公式为:

式中 M、F、Sl、SZ、S3、S6、S9 分别为 m、f、s1、s2、s3、s6、s9的转换值，因子数值无量纲化。若计算值(H单)＜0.2，为极低危险;计算值在0.2～0.4为低度危险;计算值在0.4～0.6为中度危险;计算值在0.6～0.8为高度危险;计算值在0.8～1.0为极高危险。

通过计算，研究区内泥石流危险度为0.37属于中度危险。

5 结论

大叶龙沟泥石流为震区典型的诱发型泥石流，是震区常见的泥石流类型之一。通过野外实地调查，结合室内外试验、计算与分析，取得主要认识与结论如下:

(1)泥石流主要物源包括崩塌堆积物源、沟道堆积物源和坡面侵蚀物源三类，物源总量为34.7×104m3，其中可参与泥石流活动的动储量为9.55×104m3，大叶龙沟泥石流物源动储量主要为沟道堆积物源，占动储量总量的47%;其次为崩塌堆积物源，占38%;最后为坡面侵蚀物源，占15%。

(2)大叶龙沟泥石流的形成主要受汶川地震以及芦山地震的双重影响，属于中低频泥石流，形成演化过程为:地震→降雨→地震→崩塌、滑坡→降雨集中启动→泥石流。

(3)本文采用现场试验法和查表法综合取值，最终取1.75 t/m3为该泥石流沟的容重。沟域发展处于壮年期，再次暴发泥石流的可能性极大。

(4)本文采用本文运用刘希林、唐川提出的单沟泥石流危险度评价模型对大叶龙沟泥石流进行了20年一遇的危险度评价，得出该泥石流沟暴发20年一遇的泥石流危险性等级处于中度危险，具有较大危险。

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