汶川地震区特大泥石流物源集中启动模式和特征

郝红兵，赵松江，李胜伟，李德华，曹 楠

(1.中国地质科学院探矿工艺研究所，四川成都 611734;2.四川省地矿局成都水文地质工程地质中心，四川成都 610081)

自2008年“5.12”汶川特大地震以来，广大地震灾区频繁发生大规模的泥石流灾害，造成严重的人员伤亡和经济财产损失。如地处震源保护区的汶川县映秀镇的牛圈沟，在震后不久的2008年6月28日和2008年9月26日连续发生泥石流灾害，活动规模达15×104m3左右，造成原G213国道在抢险救灾期间多次中断［1］;2010年8月13—14日，地处极震区的棉竹市清平乡、汶川县映秀镇、都江堰市龙池镇等三大片区发生群发性大规模泥石流灾害［2～9］，其中清平乡文家沟泥石流规模达到450×104m3，映秀红椿沟泥石流规模达到80.5×104m3;2011年7月3日，都汶路映秀至汶川段、S303省道映秀至卧龙段、绵茂公路汉旺至清平段、北川县擂鼓至禹里公路等生命线沿线发生群发性泥石流灾害，造成多处交通中断;2013年7月4日，雅安市石棉县熊家沟［10］、马颈子沟［11］和广元堡后沟［12］同时暴发泥石流，活动规模分别达40×104m3、30×104m3和90.7×104m3;2013年7月10日，汶川县再次暴发群发性泥石流灾害，发生泥石流数十处，县城区七盘沟泥石流活动［13］规模达近百万立方米，草坡乡草坡河、金波河淤积泥石流物质达数千万立方米，G213国道和刚通车不久的映汶高速公路多处中断。

“5.12”震后泥石流活动表现出数量增加、易发性增强、容重提高、流量增大、冲淤能力增强、携带能力增强和暴发频率增大以及群发性等特征［14］。通过调查泥石流物源的集中活动特征，总结物源的集中启动模式，可指导泥石流的监测预警工作，并为针对性的制定防治措施，提高泥石流治理工程效果，具有重要的应用价值和现实意义。

1 集中启动模式

根据泥石流活动中物源集中启动的基本特征、发育规律和发育条件，归纳为归流拉槽、深切揭底和堵塞溃决等三种模式。

1.1 归流拉槽模式

1.1.1 基本特征

“归流拉槽”是由于降雨冲刷造成沟岸斜坡严重侵蚀并形成深大沟槽，以及坡面上大量松散堆积体启动参与泥石流活动的现象。它是坡面侵蚀中“沟蚀”的一种极端体现，其侵蚀深度和侵蚀量巨大，对斜坡区地质环境造成的破坏极其严重，远远超出常规的水土流失的范围。

“归流拉槽”形成大规模泥石流灾害的现象在汶川地震区较为常见，如红椿沟“8.14”泥石流主要由于其支沟甘溪铺沟上游H05崩滑体发生归流拉槽而形成，牛圈沟泥石流的早期活动多与震源区莲花心沟滑坡残余堆积体的归流拉槽启动有关，而烧房沟泥石流的形成则几乎均来自于其右岸H01大型滑坡堆积体的归流拉槽启动。

其中，红椿沟H05崩滑体位于红椿沟支沟甘溪铺沟上游右岸斜坡区，为老崩滑堆积体，体积约36×104m3，在“8.14”泥石流形成过程中，该崩滑堆积体出现强烈拉槽下切，分别于堆积体前缘、两侧和中部共形成4条深槽，启动物源约4.3×104m3(图1)。

由于“归流拉槽”形成的泥石流流体往往具有高位高速、重度较大、侵蚀能力强的特点，因而往往成为整个沟域泥石流链条中的“源头”。红椿沟H05的高位拉槽启动，造成对甘溪铺沟下游沟道物源的大量揭底以及甘溪铺沟与红椿沟汇合处的堵溃，并在溃决后对汇合口以下沟道物源的“揭中揭底”以及对下游H02、H03等物源的切脚冲刷，导致红椿沟“8.14”泥石流累计启动物源80.5×104m3。

烧房沟H01滑坡和牛圈沟莲花心沟滑坡的“归流拉槽”与红椿沟H05崩滑体也具有相似的特点，如图2～3所示。

1.1.2 发育规律

图1 红椿沟H05崩滑堆积体“归流拉槽”特征Fig.1 Features of“the stream induced slot”of the H05 accretions in the Hongchun gully

图2 烧房沟H01滑坡拉槽特征Fig.2 Slot features of the H01 landslide in the Shaofang gully

图3 牛圈沟莲花心沟滑坡拉槽特征Fig.3 Slot features of the Lianhuaxin landslide in the Niujuan gully

(1)由于崩滑体发生剧烈位移并撞击沟岸后制动，其前缘临沟侧为应力集中带，同时也是降雨汇水集中带，因而往往侵蚀下切发育，而前缘沟槽的形成，在崩滑体前缘形成新的临空面，局部滑塌强烈地段进而发生溯源侵蚀，形成垂直沟向拉槽发育的重要因素，如红椿沟H05崩滑体中部2#槽。

(2)由于崩滑体运动过程中于两侧形成侧壁，侧壁上段往往为负地貌，利于坡面水流汇集，且也是松散堆积体与原始斜坡接触的薄弱部位，成为“归流拉槽”发育的地段，如红椿沟H05崩滑体右侧1#槽、烧房沟H01滑坡右侧拉槽以及牛圈沟莲花心沟滑坡右侧拉槽。

(3)堆积体结构的不均一性对拉槽的发育起到重要控制作用，堆积体表面细粒、黏粒物质集中的地段往往成为拉槽发育地段。

(4)堆积体表面的原始地貌形态对拉槽发育具有控制作用，原始坡面中发育沟槽的地段往往是“归流拉槽”发育的地段。

(5)崩滑体后壁崩塌落石是形成坡面“归流拉槽”的重要因素，如红椿沟H05崩滑体左侧3#槽的形成即与后侧基岩陡壁崩塌落石有关，沿崩塌落石运动路径“犁”出一条沟槽。

1.1.3 发育条件

(1)降雨条件:前期长历时、中等强度的降雨是导致斜坡堆积体表层浸润饱和的重要因素，为“归流拉槽”奠定基础，而后期叠加的历时相对较短，但强度很高的降雨则成为激发拉槽的因素。

(2)地形条件:“归流拉槽”发育的斜坡多具有坡度大、临空条件好的特点，堆积体前缘冲沟纵坡降较大，形成坡面或沟谷的地表径流具有流速快，侵蚀能力强的特点。

(3)斜坡结构条件:由于斜坡结构松散且均一性差，为坡面侵蚀拉槽提供了薄弱点和突破口，并进而为“归流拉槽”的发育提供了基础条件。

1.2 深切揭底模式

1.2.1 基本特征

“深切揭底”为沟床内松散堆积物在过流洪水或泥石流的强烈侵蚀作用下大规模启动和参与泥石流活动的过程。它是沟道侵蚀的一种极端体现，由于强烈的下蚀作用导致沟道深度急剧增大，由于强烈的侧蚀作用导致沟道上部急剧拓宽，最终形成上宽下窄的尖锐V型槽谷。

“深切揭底”在汶川地震区泥石流活动中较为普遍。红椿沟“8.14”泥石流活动中支沟甘溪铺下游及甘溪铺沟与红椿沟汇合口以下段沟道揭底启动的物源量达16.7×104m3，侵蚀深度达3～8 m，伴随揭底冲刷引起H02、H03、B07等物源的切脚冲刷和沟岸滑塌等启动的物源量达29.2×104m3，成为参与泥石流活动的主要物质来源(图4)。文家沟“8.13”泥石流活动期间，滑坡碎屑流侵蚀下切深达5～20 m，最高处甚至达到75 m(图5);牛圈沟支沟莲花心沟滑坡碎屑流侵蚀下切深达10余米(图6)，主沟滑坡碎屑流侵蚀下切深度达1～3 m;2013年雅安市石棉县熊家沟、马颈子沟“7.4”泥石流中，沟床侵蚀深度达到3～6 m(图7)，“深切揭底”也是这些泥石流活动的主要物源补给方式。

按照沟道“深切揭底”的发育条件可划分为两种类型:一类是由于地震引发的滑坡碎屑流中发育的揭底冲刷，如文家沟和牛圈沟等，由于碎屑流堆积体厚度巨大，结构极其松散，因而揭底深度和启动物源数量惊人，往往形成巨大的泥石流灾害;另一类是老的沟道堆积物的揭底冲刷，如石棉县熊家沟、马颈子沟等，沟道堆积物相对密实，沟道本身是相对稳定的，在常规水流作用下难于启动，但在超常规降雨汇水、上游因高强度侵蚀作用甚至堵溃等因素条件下，形成高速度、高重度和强侵蚀能力的流体时才能造成沟道的深切揭底启动，其侵蚀深度相对较小。但由于只有侵蚀能力强的流体才能启动，一旦启动后又加剧流体的破坏性，因而危害也往往非常严重。

图4 红椿沟“8.14”泥石流揭底特征Fig.4 Features of the bottom in the Hongchun debris flow

图5 文家沟“8.13”泥石流揭底特征Fig.5 Features of the bottom in the Wenjia debris flow

1.2.2 发育规律

通常沟谷上游汇流流量和入汇流体重度较小，侵蚀能力较弱，且沟道堆积物较薄，因而侵蚀强度较小;沟谷中段，特别是“归流拉槽”和堵溃点下游汇流量较大，且流速较快，随着固体物质的加入，流体重度也不断增大，侵蚀能力增加，因而往往是揭底强度最大、启动物源数量最多的沟段;沟谷下游随着沟谷宽度增大，纵坡降减缓，流体流速变慢，有的甚至出现水石分离，随着部分固体物质的停积而重度降低，因而侵蚀能力减弱，沟道揭底侵蚀强度相应减小。

图6 牛圈沟“8.14”泥石流揭底特征Fig.6 Features of the bottom in the Niujuan debris flow

图7 马颈子沟“7.4”泥石流揭底特征Fig.7 Features of the bottom in the Majingzi debris flow

1.2.3 发育条件

(1)降雨条件:降雨对“深切揭底”的作用包括两个方面，一是前期降雨汇水造成沟道堆积体饱和和沟床基岩顶面地下水径流集中，二是在后期形成具有侵蚀能力的汇流流体，因此，通常情况下也是以前期长历时、中等强度降雨，后期叠加集中高强度降雨的情况对“深切揭底”的发育最为有利。

(2)汇流条件:具有一定的汇水面积，能形成较大的汇水流量，具有较为陡峻的地形和较大的沟谷纵坡降，有利于形成流速较快、重度较大、侵蚀能力较强的流体。

(3)沟道堆积物源结构和地下水活动:以透水性较强的块碎石土、角砾土及漂石等为主，由于下伏基岩透水性差，当地表水入渗堆积体时，于基岩顶面附近形成地下水活动集中带，地下水的浮托力、过流流体的重力、水压力和动水压力等的综合作用下，对堆积体造成严重的侵蚀。

(4)沟道两岸崩滑堆积体造成沟道局部堵塞是加剧揭底冲刷的重要因素，由于部分堵塞，这部分堆积体除受到泥石流过流水压力、动水压力等荷载的作用外，还直接受到泥石流整体冲压力和石块冲压力的作用，因而造成切脚冲刷，进而加剧揭底冲刷。

1.3 堵塞溃决模式

1.3.1 基本特征

“堵塞溃决”是将形成泥石流的松散固体物源、水源和能量蓄积在某一特定的空间范围内，随着其积聚达到一定程度后，突然突破该特定空间的束缚，并集中启动形成流量、流速和破坏力超出常规的泥石流的现象。在“堵溃”过程中，其物源、水源和能量蓄积和突然暴发的特定空间位置称为“堵溃点”。通常，崩滑堆积于沟道中的堰塞体为最典型的堵溃点(图8～9)。

图8 七盘沟老鹰岩堰塞体堵点特征Fig.8 The block features of the Laoyingyan dam in the Qipan debris flow

图9 牛圈沟碎屑流堵点及堰塞湖淤积Fig.9 Debris flow block and deposit in the Niujuan gully

1.3.2 发育规律

由于堰塞体的阻塞，其上游汇集的水源和固体物质不能沿沟道顺畅输送运移，而被阻塞于堰塞体上游。汇集和运动较快的水体首先形成堰塞湖，固体物质的搬移相对滞后，但逐渐淤塞堰塞湖，造成后期汇聚的流体过坝溢流，最终造成堰塞体的溃决和大规模泥石流的暴发。

这类堵点往往具有逐渐累积、突然溃决的特点。溃决前，堰塞体客观上起着防灾的作用，但溃决瞬间则造成严重灾害。

如七盘沟泥石流堵点形成于2008年的“5.12”地震，随着沟道的演变，首先是堰塞湖逐渐淤塞，堵点处物源越积越多，直到2013年“7.10”突发连续溃决，其发展演变过程较长，而溃决后造成的危害非常严重。

由于堵点所处沟道位置和沟道条件的差异，其“堵”和“溃”的特点也有所差异。通常主沟中下游平缓沟段的堵点库容较大且相对不易溃决，因而其“堵”的过程较长，聚集的物源较多，而启动的泥石流规模较大;而地处主沟上游或支沟陡峭狭窄段时，库容较小，但堰塞体更易集中启动，因而“堵”的过程较短，聚集和启动的物源数量相对较少，但常成为下游沟道“深切揭底”的重要因素。

与崩滑堰塞体堵溃点不同的是，支沟泥石流堵溃点的堵沟的物质来源主要为支沟泥石流携带和释放的固体物质。如红椿沟“8.14”泥石流活动中，其支沟甘溪铺沟由于前述“归流拉槽”和甘溪铺沟下游“深切揭底”启动形成较大规模泥石流，在汇口处随着流体与对岸的撞击和能量的释放，以及沟道纵坡降的减缓而停积于沟口并造成堵塞，并随着主沟上游汇流并产生溢流溃决。除堵沟的物质来源不同外，由于堆积体本身处于饱和软塑状态，其溃决所需的荷载相对较低，因而这类堵点相对崩滑堰塞体堵点堵塞时间较短，溃决更快。

此外，由于沟道弯道、卡口等的发育，也可能造成物源的局部集中和突然集中启动，但这类堵溃点积聚和集中启动的物源量规模一般较小。

1.3.3 发育条件

堵溃的发育必须具备两个方面的条件:一是固体物质占据沟道并造成物源的聚集和集中;二是具备溃决和集中启动的条件。

按照“堵”的特征，堵溃点可分为四种类型:一是崩滑体或地震引发高速远程滑坡碎屑流堆积占据和堵塞沟道形成的堰塞体部位，二是纵坡较大的泥石流支沟与纵坡较缓的主沟的交汇部位，三是沟谷弯道发育的地段，四是沟谷卡口段。

而按“溃”的特征，需三个条件:一是具备一定的沟道纵坡;二是堵点集中的物源结构松散，地下水的入渗和径流强烈;三是地表水过坝溢流。沟道纵坡越大，重力载荷沿沟道纵向弱面的分力越大，越有利于溃决的发生;而地下水的活动，为堰塞体溃决提供了浮托力和渗透压力等荷载，造成堰塞体的渗透变形;地表水的过坝溢流加剧对堆积体的侵蚀，为溃决提供动水压力、水压力和冲压力等荷载。

从地震灾区堵点发育情况看，大部分堵点都分布在岸坡陡峻、沟道纵坡较大沟段，堵点多为地震引发的崩滑堆积体，集中的物源除崩滑体本身外，还包括堵塞于堰塞体上游的泥石流堆积物，多结构松散，地下水沿堆积体径流活动强烈，因而大多具备溃决的条件。

2 启动模式与泥石流类型

前面将汶川地震区泥石流物源集中启动模式归纳为归流拉槽、深切揭底和堵塞溃决等三种，但实际泥石流活动中，往往可能是以其中某种方式为主，或者为多种模式的组合。根据主要模式或模式组合，可将汶川地震区泥石流概括成不同的类型。以下根据目前收集和掌握的资料，归纳了6种典型泥石流模型:

(1)烧房沟型:以“归流拉槽”为主要启动模式的泥石流类型。主要特点为，沟谷发育成熟度低，流域面积小且沟道纵坡降大，崩滑物源发育，崩滑体以“归流拉槽”方式大量启动，启动后于沟道内几乎没有停顿，而是持续加速运动至沟口堆积。

(2)文家沟型:以“深切揭底”为主要启动模式的泥石流类型。主要特点为，地震形成大规模滑坡碎屑流堆积体，降雨作用下，于上游滑源区汇流形成侵蚀能力强的高速流体，对中下游碎屑流堆积体造成强烈的揭底冲刷，继而形成大规模泥石流灾害。

(3)熊家沟型:以“深切揭底”为主要启动模式的泥石流类型。不同于“文家沟型”的是，其深切揭底不是发育于碎屑流堆积体，而是发育在多年聚集形成的老沟道堆积物内。其上游因为强烈的水土流失等因素，形成重度大、流速快、侵蚀能力强的流体，对中下游沟道造成强烈揭底冲刷，进而形成大规模泥石流灾害。

(4)七盘沟型:以“堵溃”为主要启动模式的泥石流类型。主要特点为，由于地震在沟道内形成多处堰塞体和堰塞湖，随着震后多次降雨的作用，逐渐造成堰塞湖的逐渐淤积和固体物源的集中，并最终发生连续溃决，形成规模巨大的泥石流灾害。

(5)红椿沟型:以“归流拉槽-深切揭底-支沟堵溃-深切揭底”的组合方式造成物源的大规模启动。即由于支沟甘溪铺沟的归流拉槽，造成甘溪铺沟下游沟道的深切揭底和甘溪铺沟口的堵溃，由于甘溪铺沟口的堵溃又造成主沟中下段的深切揭底和大规模泥石流灾害的形成。

(6)牛圈沟型:红椿沟型与七盘沟型的复合类型，即支沟莲花心沟及主沟下段泥石流灾害的发育特征与红椿沟相似，由于莲花心沟滑坡残余体的归流拉槽，造成莲花心沟和主沟下游滑坡碎屑流堆积体的深切揭底和大规模泥石流的发生，而主沟上游至莲花心沟汇合口堰塞体部位的发育特征则与七盘沟相似，虽目前尚未发展至大规模的连续溃决启动，但主沟内发育有B03、H01堰塞体和莲花心沟滑坡碎屑流堰塞体，一旦发生连续溃决启动，会加剧对主沟下游滑坡碎屑流堆积体的揭底冲刷，也可能形成巨大的泥石流灾害。

3 震区泥石流治理思路

“5.12”汶川特大地震对震区地质环境的破坏和影响是极其严重而深远的［15］，对震区泥石流的治理，应立足于震区的特殊情况，在深入研究震区地质环境发展变化规律和演化趋势的基础上，根据地质环境背景条件在不同发展阶段根据存在的不同特点分阶段确定治理思路。

汶川震区属于龙门山区，地质环境条件本就异常复杂，受地震振动作用，山体破裂严重，崩滑不良地质现象极其发育。从震后7年来地质环境的演化特征分析，斜坡和沟谷的侵蚀作用总体上是趋于增强的，因而崩滑灾害和沟谷泥石流灾害频发，导致大量泥沙向主干河流输送，主干河流的淤积速度远远大于侵蚀速度，造成近年来地震极震区诸如岷江及其支流草坡河、渔子溪、龙溪河、白沙河、沱江支流绵远河、涪江支流高川河等出现严重淤积抬升的现象，主河输沙能力因而大大减弱，而支沟输沙目前还处于发展增强的阶段，因而一定时期内，这种主河淤积抬升的趋势还可能进一步加剧，有的专家学者甚至提出了“悬河化”的预测。因此，在目前条件下，主干河流排导能力往往较差，对支沟泥石流应采取以固源和拦蓄调节为主的治理思路，结合拦挡调节工程的清淤维护，尽可能减少向主河的集中排泄，杜绝泥石流堵塞主河的现象，预防和避免灾难性泥石流的发生。其中，针对物源集中启动模式的拦固措施则显得尤为重要。

首先，针对“归流拉槽”的启动模式，由于崩滑体前缘与沟岸撞击接触部位为应力集中区和最易拉槽启动的部位，对垂直沟向拉槽的发育也有着重要影响，因此，控制前缘的拉槽下切往往具有重要的意义，具体的治理方案一般采用横沟向的拦挡工程起到减弱侵蚀的作用。而对坡面垂直沟向的拉槽，由于控制难度大，治理投资和施工难度也很大，因而通常将这部分物源放下来，于下游设坝削峰减势，避免其对下游沟道造成“深切揭底”即可。

针对“深切揭底”的启动模式，通常采用逐级设坝拦挡调节，逐级削峰减势的方案，通过拦蓄流体中的固体物质，减小流体重度和速度，降低其侵蚀能力，将泥石流的近似刨蚀的“深切揭底”模式调节和转化为常规洪流的侵蚀作用，达到防灾减灾目的。

针对“堵塞溃决”的治理思路一般有两种。一是加固的方式，即在堵溃点下游设坝加固，避免堵点的溃决，如红椿沟［16］、七盘沟、牛圈沟等泥石流的治理均采用了这样的思路。第二种是疏排的思路，于堰塞体上开挖沟槽导流，然后对沟槽边坡进行防护，如安县黄洞子沟老鹰岩堰塞体初期应急抢险时采用了这样的思路。但堵溃点的治理均具有较高风险，如七盘沟老鹰岩堰塞体下游加固工程和黄洞子沟老鹰岩堰塞体的疏排工程在2013年“7.10”泥石流期间都遭到破坏而失去作用，因此都必须引起高度的重视。

由于震区地处龙门山区地壳强抬升区，河流侵蚀下切将是区域的远期发展趋势，经过一定时期的发展，随着破裂山体地质环境的逐渐修复，支沟泥石流的活动将逐渐减弱，主干河流的淤积将逐渐减轻，并转化为侵蚀下切，相伴而生的河谷岸坡变形可能逐步取代支沟泥石流成为震区地质灾害的主流，主干河流的排导能力也将逐渐恢复和增强，从立足长远的角度，支沟泥石流防治中也应辅以必要的排导和防护措施。

4 结论

(1)“5.12”地震以来，大量松散固体物源的集中启动，是造成地震灾区泥石流活动规模巨大、灾情严重的关键因素。

(2)泥石流固体物源集中启动模式主要有归流拉槽、深切揭底和堵塞溃决等3种模式。

(3)“归流拉槽”模式是坡面侵蚀中“沟蚀”的极端体现，物源的高位的拉槽启动往往成为大规模泥石流灾害的“源头”。“深切揭底”模式是沟道侵蚀的极端体现，往往成为地震区大规模泥石流灾害的重要因素。“堵塞溃决”模式表现为物源积累和聚集的“堵塞”过程和突然大规模启动的“溃决”过程，常成为地震区灾难性泥石流的关键因素。

(4)地震区特大泥石流灾害往往是固体物源多种集中启动模式的组合，这种组合可为泥石流类型划分和防治方案的制定提供借鉴。

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