汶川震后公路泥石流危害类型与活动特征分析

向灵芝，崔 鹏，陈洪凯，范玮佳

(1. 重庆交通大学 水利水运工程教育部重点实验室，重庆 400074；2. 重庆交通大学 岩土工程研究所，重庆 400074；3. 中国科学院成都山地灾害与环境研究所 中国科学院山地灾害与地表过程重点实验室，四川 成都 610041)

汶川震后公路泥石流危害类型与活动特征分析

向灵芝1，2，崔 鹏3，陈洪凯2，范玮佳1，2

(1. 重庆交通大学 水利水运工程教育部重点实验室，重庆 400074；2. 重庆交通大学 岩土工程研究所，重庆 400074；3. 中国科学院成都山地灾害与环境研究所 中国科学院山地灾害与地表过程重点实验室，四川 成都 610041)

以汶川县两条主要交通干线(都汶公路和省道303)沿线60条泥石流沟为研究对象，通过多次实地调查和室内试验分析，对汶川地震后泥石流的形成条件，危害类型及活动特征进行了分析。研究表明：震后地质地貌、岩土物质基础的不稳定性，以及高强度降雨与泥石流物源区的相互作用是震后泥石流的主要控制条件；公路沿线的泥石流危害以冲毁或淤埋公路，或堵塞、挤压河流，及形成灾害链等3种类型为主；地震后，泥石流流体以黏性为主；临界降雨量降低，发生于面积较小流域，并具有高频性与群发性特点。

道路工程；汶川地震；泥石流；危害类型；活动特征

0 引 言

汶川地处四川盆地向青藏高原过渡的第二级阶梯带，主要山脉为东部的龙门山体系及西和西南部邛崃山体系。海拔变化区间为800～6 220 m；地貌自西向东大致分为3级阶梯，从海拔3 500～5 000 m以上高山、极高山到海拔2 000～3 500 m高山、中山，再到海拔2 000 m以下中山、低山、河谷地区，最东边又分布中山、高山区。岩性与地形从高到低相对应，从坚硬的花岗岩、闪长岩到大理岩、灰岩、千枚岩再到软弱的片岩、砂岩、泥岩。区内主要河流为近南北走向的岷江及近东西走向的岷江支流渔子溪，与这两条河道近平行的交通干线分别为都汶公路和省道303。

映秀-北川活动断裂呈现北东-南西走向斜穿该区，自古以来地震频发，岩土地质基础不稳定，具备泥石流发育的地形地貌条件。2008年8.0级汶川地震震中位于汶川县映秀镇，该区地表受到强烈扰动，产生了大量的松散固体物质，为震后泥石流活动储存了充裕的物源。从震后数年来暴发泥石流的情况来看，其活动特征较震前发生了明显的变化，且呈大规模频发状态，造成了巨大危害。许多学者对汶川地震区的泥石流进行了集中研究[1-6]，包括形成机制、演化规律、泥石流危险性、风险评估等。

笔者以汶川县主要两条道路(都汶公路和省道303)沿线的泥石流沟为研究对象，通过对地震后公路沿线泥石流灾害的多次调查，系统地总结了震后泥石流的发育情况、形成条件和活动特征，为地震泥石流的持续研究以及灾后重建提供参考。

1 震后研究区泥石流发育概况

根据震后多次实地调查，汶川县域内大规模群发性泥石流集中分布在依岷江而建的都汶公路与与渔子溪走向平行的省道303沿线两侧。几乎每个雨季，这两条主要交通干线多次因暴雨泥石流的破坏造成交通中断。根据震后数次的调查结果，共确定道路沿线发育的60条泥石流沟，其基本地形地貌参数见表1。

表1 汶川主要道路沿线泥石流沟地貌基本特征

(续表1)

编号沟名面积/km2主沟长度/km比降/‰流域相对高差/m平均坡度/(°)沟谷密度/(km·km-2)43大阴沟23．518．05242．102840．00042．510．7444螃蟹沟0．691．42721．451407．62040．832．0745下盐水沟1．390．96488．381520．00040．070．6646上盐水沟2．401．95497．371826．84039．970．8047烧香沟7．434．51423．522580．00038．130．8848青岗沟3．222．73479．502235．81040．240．8449无名沟1．731．17537．521820．00043．390．6750上大水沟3．032．23443．841860．00035．380．7351油桌坪沟1．090．43505．651552．61044．570．3752七层楼沟21．136．83147．012380．00034．650．8253幸福沟32．859．51117．672620．00032．130．7654龙潭沟55．9512．23150．682940．00034．590．7155关门沟3．311．73403．931660．00042．560．7556周家沟8．984．48337．722376．91038．360．7357金豪沟3．753．35379．162100．49036．250．8958转经楼沟28．015．58120．811351．08029．240．7459觉磨沟34．4010．89196．563220．00036．960．7260花红树沟8．615．66301．552469．93033．510．77

2 震后泥石流形成条件

汶川大地震发生后，由于地震波对研究区岩土体的强烈作用，地形地貌与震前形成强烈对比，震后泥石流形成的环境背景条件也因此产生了显著的变化，主要体现于以下几点。

2.1 地质地貌条件

岷江河谷两岸地形陡峻，地面高差悬殊，致使两岸支沟以较大的沟谷纵坡与岷江交汇，为泥石流的活动提供了有利的地形条件。相关机构对地震后震中区域监测数据显示：此次地震引起震中区域监测点的水平位移量达238 cm，沉降量达到70 cm，隆起量达30 cm。震后流域微地貌变化明显，崩塌、滑坡体广泛分布于沟谷中，形成阶梯型陡坎等微地貌形态。大量的松散固体物很容易进入并堵塞沟道。

2.2 岩土体强度条件

研究区岩层受构造运动的作用，特别是地震的影响，岩石破碎、变质加深、节理发育、风化强烈，为泥石流发生发展提供了储量丰富的固体物质[7-9]。由于成岩时代的不同，岩石的物理力学性质也有较大差异。一般来说成岩时代较晚的，质地松散，抗剪强度低，易崩解，直接影响坡面稳定，易于产生崩塌、滑坡，并在暴雨洪水的掏蚀下转化为泥石流。根据遥感解译，研究区共诱发5 582处崩塌滑坡[10]，且主要沿着岷江两岸分布，正是震前泥石流沟集中分布区域。

2.3 气候条件

研究区地处青藏高原东面的横断山区，由于地形地势差异悬殊，汶川县可分为两个明显不同的自然气候区，大致以银杏乡梭坡店为界，县北的威州、绵虒一带，属岷江上游半干旱河谷地区，气候干燥，降水量少而稳定。县境南部漩口、映秀(含三江乡)一带，属川西多雨中心区，是暴雨常出现的地区，而此多雨区与地形上泥石流形成区(2 500～3 000 m)吻合。因此在季风气候影响下形成的一种短历时，高强度的局地性暴雨，成为岷江两岸泥石流频频暴发的最活跃的水动力激发因素。

3 震后泥石流危害类型

3.1 以冲毁和淤埋为主

据调查，震后泥石流活动的规模较震前明显增大，表现出大冲大淤等特点。泥石流直接危害对象包括道路、桥梁、居民房、土地以及灾害防治设施等，危害的方式主要以淤埋和冲毁为主(图1)。

图1 以冲毁和淤埋为主的类型Fig.1 Type of washing away and bury

3.2 严重堵塞或挤压主河

震后，因泥石流规模的增大以及泥石流沟出口大多数位于河流两侧，汶川县道路沿线的泥石流沟堵塞或挤压主河已成常态。位于汶川县银杏乡岷江右岸的磨子沟2和金竹林沟泥石流就曾多次挤压岷江，淤积河道(图2)。

图2 泥石流挤压岷江Fig.2 Extrusion of debris flow on Minjiang River

3.3 规模大链生灾害效应明显

由于松散物质快速增加，形成的泥石流规模也普遍较大。泥石流的规模增大，其危害就会增大，甚至形成灾害链。因此，震后泥石流成灾的方式除了冲毁和淤埋外，最大特点之一就是泥石流灾害的链生效应。泥石流灾害链的典型模式为：前期堆积在沟内的崩滑碎屑物质在降雨的激发下，汇流启动形成泥石流，泥石流体冲出沟口至主河道，挤压或堵塞河道，形成堰塞湖，在水流冲击下，堰塞体开始解体至完全溃决，洪水漫过堵塞体冲击河道下游。其典型案例如红椿沟特大泥石流。

2010年8月14日映秀发生强降雨，2 h降雨量达163 mm，降雨在岷江左岸的红椿沟内各支沟流域内迅速下渗、汇流，将堆积于沟内的大量松散碎屑体启动，形成了特大泥石流。此次泥石流一次冲出量高达70万m3，在沟口堆积30万m3，其余近40万m3冲入岷江河道内形成堆积体，顺河总长约3.2 km。震后重建的都汶高速和岷江左河道被堆积体覆盖阻断，致使水流向右岸冲顶，并迅速翻过右岸岸顶，冲向当时正在重建中的映秀集镇施工区，一楼全部被淹，平均水深约2～3 m。涌入映秀新镇的江水沿着河堤奔流直下，在堤岸上形成了一面“瀑布墙”。持续的降雨使得停积于红椿沟口的部分堆积物于8月18日再次启动，造成这次灾害链的二次洪涝灾害。映秀原河堤在高水位的浸泡和持续的水流冲压力下，在8月19日23:40，约60 m长的防洪堤垮塌，直接威胁截水大坝以及新镇安全。

4 震后泥石流活动特征

4.1 流体性质以黏性为主

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3种[11-12]。根据实地考察，震后新暴发的泥石流的流体性质较单一，大多以黏性为主。为进一步了解震后新发泥石流的性质和堆积物颗粒组成，在研究区采集有代表性的12个泥石流堆积物样品，并进行颗粒分析试验，结果如表2。由表2可见，研究区泥石流粉粒含量变化较大，在0.45%～15.65%之间，平均含量8.10%；黏粒含量变化也较大，在0.13%～4.28%之间，平均含量2.33%。康志成等[13]对蒋家沟泥石流堆积物样品和泥石流流体物质成分的对比研究发现，堆积物中细颗粒流失较大，尤其是粉粒和黏粒流失量最大，流失量近1/2。据此推算，研究区泥石流流体中黏粒平均含量可达5.0%左右，泥石流流体的性质主要以黏性为主，这与野外调查的结果一致。

表2 泥石流颗粒分析试验成果

Table 2 Experiment results of grain size for the debris flow

泥石流流体的性质通常也可以用其容重来表示。黏性泥石流的容重在19.5～23.0 kN/m3；过渡性泥石流的容重在17.0～19.5 kN/m3；稀性泥石流的容重在14.0～17.0 kN/m3之间[12]。泥石流的容重可采用实测法和现场调查法来确定[13-15]。但是，灾区泥石流暴发时，基本上没有目击者，无法通过目击者现场配制泥石流样来确定容重。

余斌[16]在杜榕桓等[17]和陈宁生等[18]的研究基础上，分析了泥石流组成颗粒中分别代表粗颗粒。细颗粒和粘粒颗粒的颗粒粒径，即2，0.05， 0.005 mm，以及它们的百分含量与泥石流容重的关系，提出了采用粗颗粒和细颗粒百分含量计算泥石流容重的方法:

(1)

式中：γD为计算的泥石流容重，kN/m3；P05为小于0.05 mm的细颗粒百分含量，此处用小数表示；P2为大于2 mm的粗颗粒百分含量，此处用小数表示；γV为黏性泥石流的最小容重，取20 kN/m3；γ0为泥石流的最小容重，取15 kN/m3。

根据式(1)利用采得的泥石流样品，分别计算了相应的泥石流容重，计算结果如表2。由表2可知，83%的泥石流属于黏性泥石流，其余两个(油卓坪沟和磨子沟)属过渡型泥石流。这充分说明研究区震后泥石流流体的性质较单一，主要以黏性泥石流为主，这与震后其他地区研究成果基本一致。

4.2 泥石流起动临界雨量降低且逐年回归

地震诱发的崩塌和滑坡在极重灾区形成了大量的松散固体物质。这些松散物质由于形成速度快，不仅结构松散，孔隙率大，而且大都处于不稳定状态。根据野外调查和分析发现，由地震形成的松散物质明显不同于因风化作用形成的残坡积松散物。残坡积物形成速度慢，呈面状分布，范围广，粒度较细孔隙度相对较小，需要足够的能量才能起动形成泥石流，而且在较陡的坡地很容易被雨水带走，难以聚集起来形成泥石流；而地震形成的松散堆积物，大都是快速堆积，呈点状堆积，甚至连成片，而且在陡坡带都有大量聚集，再加上部分松而未动或动而未滑的不稳定斜坡，在雨水作用下都很容易失稳、起动形成泥石流。

由于松散物质的增加，震后泥石流起动的临界雨量明显降低。唐川等[19]通过对地震前后泥石流发生临界雨量和雨强的初步分析发现，汶川地震后，该区域泥石流起动的前期累积雨量降低了14.8%～22.1%，小时雨强降低25.4%～31.6%。针对都汶公路区域，郭晓军等[20]的研究表明，震后泥石流的临界雨量较震前大幅降低，但随着松散碎屑物质逐渐固结，稳定性增大，泥石流的激发雨量在震后4 a内逐渐升高。

4.3 发生于面积较小流域

根据台湾“9.21”集集地震后泥石流的研究发现，在地震前泥石流大都发生在流域面积>0.1 km2的流域内，而震后在<0.03 km2的流域内也能形成泥石流[21]。震后泥石流更易于发生在较小面积的流域内，且越是极震区这种趋势越明显[22]。

根据笔者对研究区内确定的60条泥石流沟获取的基本参数(表1)，经过统计分析(图3)，可以发现：震后研究区内新发泥石流主要集中在面积较小的流域，其中流域面积<5.0 km2的泥石流沟共27条，占45%；<10 km2的泥石流沟共计38条，占63.3%；>10 km2的泥石流沟共计22条，占36.7%。从统计结果来看，震后新暴发泥石流沟的流域面积63.3%都<10.0 km2。需要说明的是，22条面积>10 km2的泥石流，有相当部分在震后前3年是其支沟暴发泥石流，而并未全流域暴发，而随着松散碎屑物逐渐向主沟汇集，在大暴雨的激发下，也发生了泥石流灾害。包括七盘沟、桃关沟、福堂坝沟、七层楼沟、幸福沟、龙潭沟等。因此，震后泥石流的活动主要集中于流域面积较小的小流域。

图3 不同流域面积泥石流沟数量统计Fig.3 Statistical map of the number of debris flow gullies in different river basins

从泥石流的发生条件来看，泥石流集中发生于面积较小流域，跟泥石流活动的物质供给和水动力条件密切相关。流域内松散固体物质越丰富，发生泥石流的可能性越大，而物质供给不仅与绝对数量有关，而且与物质的分布形式有关。若地震诱发的崩塌滑坡体成片状分布，则更利于土体的汇集启动。因此将60条泥石流沟流域内崩滑面积与流域面积的比例与流域面积进行曲线拟合(图4)，发现它们之间呈负相关，这也证明了流域面积越小，松散物源越容易启动的结果。

图4 流域面积与崩滑比例相关性统计Fig.4 Statistical chart of the correlation between the area of the river basin and the landslide proportion

因研究区内泥石流形成的松散物质条件在震后是充足的。区内多次暴发群发性泥石流灾害的事实也说明了这一点。另一方面，从泥石流形成的动力条件来分析，流域内纵坡降大意味着沟内松散物质具有更大的能量，加上沟内崩塌滑坡发育，所以更容易起动形成泥石流。将表1内60条沟的面积和纵坡比降进行拟合分析(图5)，发现沟谷比降与流域面积大体上是负相关的。面积较大的流域，其平均纵坡比降则相对较小。平均纵坡比降小意味着上游松散物质具有的势能梯度就小。此时如果要形成泥石流就需要更大的起动和输移能量，即需要更大的水动力条件。流域面积大的流域需要有更大的水动力条件，即更大的降雨强度，来起动和维持泥石流流动。

图5 流域面积与纵坡比降相关性统计Fig.5 Statistical chart of the correlation between the area of the river basin and the longitudinal gradient

4.4 高频性与群发性特点显著

研究区历史上就属于泥石流多发区，有泥石流活动记录的主要泥石流沟多达98条[23]。震后松散物质的急剧增加，地震灾区泥石流形成普遍转化为降雨控制型，只要降雨量达到一定强度，沟道松散物质便会起动形成泥石流。震后灾区频频暴发的泥石流沟，在震前大都是非泥石流沟或者是极低频(百年不遇)的泥石流沟。如高家沟，位于岷江右岸，在震后暴发过3场大规模泥石流，其中于2009年8月一场泥石流短时堵断岷江，迫使主河改道对岸，仅此一次洪水就瞬间冲毁了岷江左岸的几十亩农田，昔日的良田变成了乱石滩，岸边的河堤和民房也被冲毁〔图6(a)〕。2011年7月3日因暴雨的激发而暴发的大规模泥石流迫使岷江改道，强烈冲刷左岸都汶公路路基，重建完工的民房再次被冲毁，导致交通中断16 d〔图6(b)〕。因研究区崩塌滑坡物质集中分布于岷江两岸，因此，泥石流发生敏感区相对集中，在暴雨区与物源区相重叠，泥石流就沿着岷江及渔子溪沿岸成群暴发(图7)，其发生的频度与强降雨的频度基本一致。

图6 高家沟泥石流引发的灾害Fig.6 Debris flow disaster of Gaojia gully

图7 2010年8.13省道303群发性泥石流Fig.7 Debris flow disaster in group outbreak of provincial road 303 on August 13th, 2010

5 结 论

1)汶川地震释放的巨大能量造成震区微地貌形态的改变，及大量松散堆积体堵塞在沟道中给泥石流提供充足的物源，结合高强度暴雨的激发，称为泥石流形成的控制条件。

2)震后泥石流对公路的危害类型以冲毁或淤埋为主，或者冲入河道内挤压或堵塞河流，及形成堰塞湖灾害链。

3)震后泥石流多发生于面积较小的流域，新暴发泥石流沟的流域面积63.3%都小于10.0 km2；流体以黏性为主，启动临界雨量降低且逐年回归，并具有高频性与群发性。

地震泥石流的发展是一个长期过程，需要进一步对其控制因素和活动特征进行定量监测，建立其长期演化模式。

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Damage Types and Activity Characteristics of Debris Flow along Highway after Wenchuan Earthquake

XIANG Lingzhi1, 2, CUI Peng3, CHEN Hongkai2, FAN Weijia1, 2

(1. Key Laboratory of Hydraulic and Waterway Engineering of the Ministry of Education, Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074, P. R. China; 2. Institute of Geotechnical Engineering, Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074, P. R. China; 3. CAS Key Laboratory of Mountain Hazards and Surface Processes, Chengdu Institute of Mountain Hazards and Environment, Chinese Academy of Sciences, Chengdu 610041, Sichuan, P. R. China)

Sixty debris flow gullies along the main highway (Dujiangyan-Wenchuan highway and provincial highway 303) in Wenchuan County were chosen as the research objects. Through multiple field surveys and laboratory tests, the formation conditions, damage types and activity characteristics of debris flow after Wenchuan earthquake were analyzed. The analysis results show that, the instability of the geological landform and the material foundation of the rock and soil after earthquake, as well as the interaction between the high intensity rainfall and debris material source area is the main condition for the debris flow after earthquake. 3 main damage types of debris along highway include the damage or bury of highway, the plugging or squeezing of the river and the forming of disaster chain. After earthquake, the critical rainfall is reduced; debris flows occur in small watershed, most with viscous fluids and with the characteristics of high frequency and group outbreak.

highway engineering; Wenchuan earthquake; debris flow; damage types; activity characteristics

2015-10-20；

2016-01-17

重庆交通大学国家内河航道整治工程技术研究中心暨水利水运工程教育部重点实验室开放基金项目(SLK2015B07)；2013年度重庆高校创新团队建设计划项目(KJTD201305)；中国地质调查局国土资源大调查基金项目 (12120114035601)

向灵芝(1980—)，女，重庆人，讲师，博士，主要从事地质灾害防治方面的研究。E-mail：xlz1223xlz@sina.com。

10.3969/j.issn.1674-0696.2016.06.13

U416.1+65;P642.1

A

1674-0696(2016)06-060-08