强震区急陡沟道泥石流特征研究

屈永平，肖 进

(四川建筑职业技术学院，四川 德阳 618000)

0 引言

目前对泥石流的分类主要基于泥石流的流域面积、沟道坡度、山体坡度流域相对高差等参数，其中根据泥石流沟地形地貌条件主要分为坡面型泥石流和沟谷型泥石流，二者特征见表1。

表1 坡面泥石流与沟谷泥石流形态特征

汶川强震区部分泥石流沟具有沟谷型泥石流的特征，与此同时也具有坡面型泥石流的特征。根据国内研究可知，坡面泥石流多发育于30°以上的边坡[1]。泥石流形成区发育在斜坡中、上部且有一定汇水条件的凹型坡面[2]，没有明显的流通区，由于坡面较长[3-4]，山坡覆盖层厚度一般为0.5～4 m，流域面积小(≤0.4 km2)。坡面泥石流是一种发生在有碎屑堆积物的陡坡上，由降雨引发的高浓度碎屑与水的混合物沿坡面运动的现象[5-6]。

沟谷型泥石流有明显的汇水流域，泥石流流域可以分为形成区、流通区、堆积区等。一般意义上：沟道泥石流的沟床纵坡降越大，越有利于泥石流的起动，且沟道泥石流的纵比降在10%～30%(5°～17°)范围时的暴发频率最高，而在5%～10%(2.5°～5°)和30%～40%(17°～22°)范围内暴发频率相对较低。其中，沟谷型泥石流和坡面型泥石流的形态对比见表2。

国内外，对于此类同时具有坡面型泥石流和沟谷型泥石流的泥石流已有大量的研究[7-9]。坡面泥石流是由降雨诱发的高重度两相流体，且泥石流的冲出距离短[10]。坡面泥石流形成过程主要包括：1)降雨条件下，斜坡滑坡失稳[11]；2)滑坡体液化，形成高容重的两相流体[12]。而对于小流域大比降的泥石流沟，具有泥石流流域汇流时间短，流速快等特点[13]。

沟谷型泥石流有明显的汇水流域，泥石流流域基本上可以分为形成区、流通区、堆积区等3个区，泥石流的诱发机制主要为降水汇流冲蚀起动泥石流物源的过程。一般意义上来说：沟道泥石流的沟床纵坡降越大，越有利于泥石流的发生。

坡面泥石流没有明显的汇水区域，且泥石流的地形陡峭，泥石流主要为降雨诱发的高重度两相流体，泥石流的冲出距离短。坡面泥石流形成过程主要包括：1)降雨条件下，斜坡滑坡失稳；2)滑坡体液化，形成高容重的两相流体。对于小流域大比降的泥石流沟，具有泥石流流域汇流时间短、流速快等特点。

表2 坡面泥石流与沟谷泥石流形态特征

根据前人研究可知，一般意义上的沟谷型泥石流的主沟道的纵比降主要集中于15%～40%(8～22°)之间，流域面积在1 km2以上。沟谷型泥石流的流域面积较大，流域分区明显。沟道泥石流的起动模式与沟道坡度密切相关，即由于沟道坡度及其沟道物质的堆积坡度，使得泥石流物源的失稳破坏方式和泥石流起动模式不同。

1 强震区泥石流特征

汶川强震区为中高山侵蚀地貌，泥石流沟道两岸陡峭，泥石流沟道纵比降大，泥石流流域内分布着大量的滑坡、崩塌堆积体，且泥石流流域有明显的形成区、流通区和堆积区等分区。汶川强震区泥石流类型多样复杂，根据地形条件，泥石流可以初步分为坡面型泥石流、沟谷型泥石流、狭陡型泥石流[14]，而汶川强震区还包括了一大部分具有流域面积小、沟道纵比降大、沟两岸陡峭等特点的泥石流沟。汶川强震区泥石流流域的坡度分布特征如图1所示。

1.1 震区泥石流流域面积特征

根据震区泥石流沟地形条件的遥感分析和野外调查，泥石流沟的流域坡度大(平均沟道坡度>400‰)，其中震区的泥石流沟流域面积、沟道纵比降、泥石流形状系数等参数如图2～5所示，泥石流沟的地形坡度多在35°以上，泥石流沟形成区的沟道坡度在30°以上。

泥石流流域面积条件间接地反映了泥石流沟的汇水条件，汶川震区泥石流沟主要集中于1～8 km2，而泥石流沟的平均流域面积为10 km2，震区泥石流流域面积相对较小，汶川震区泥石流流域面积特征如图2所示。

图1 汶川地区泥石流坡度特征

图2 震区泥石流流域面积

1.2 震区泥石流沟道纵比降特征

泥石流流域沟道纵比降直接反映了泥石流沟在汇流条件下的流速、冲击力条件等，汶川地区的泥石流沟沟道纵比降主要集中于200‰～600‰之间，而泥石流沟道的平均纵比降为400‰(约为21°)，汶川震区泥石流沟道纵比降如图3所示。

图3 震区泥石流沟的沟道坡度

1.3 震区泥石流沟的形状系数

形状系数小于1时，集水区狭长，但是此类泥石流沟的沟道两岸坡度大，极易形成滑坡崩塌堆积[15]，汶川地区泥石流沟的形状系数范围主要集中于0.1～0.4之间，平均形状系数值为0.26，其中汶川震区泥石流流域的形状系数分布特征如图4所示。

(F=A/L2；其中，A为流域面积/m2；L为泥石流沟长度/m)图4 震区泥石流沟的形状系数

泥石流沟的形成区坡度和泥石流沟流域坡度等特征决定了降雨条件下的汇水时间，即形成区坡度越陡泥石流沟汇水时间越短，震区泥石流沟的形成区坡度主要集中于35°～40°之间，泥石流形成区的平均坡度为35.9°，而泥石流形成区坡度与泥石流主沟道的坡度差值反映了泥石流汇水过程中的能量转换特征，即能量损失与坡度差呈正相关(坡度差越大导致能量损失越多)，泥石流沟的形成区坡度比其主沟道坡度大3°～27°不等(如图5)。

图5 震区泥石流主沟沟道坡度及其与形成区坡度关系特征

2 急陡沟道泥石流特征对比分析

根据汶川震区泥石流沟的几何参数分析可知，泥石流沟流域平均面积为10 km2，泥石流沟道平均坡度400‰，泥石流沟的沟道平均长度为5 742 m，泥石流沟的平均相对高差为1 843.6 m，泥石流沟形成区平均坡度为36°。震区泥石流沟的流域特征见表3。

表3 强震区泥石流沟流域特征值

通过统计分析得到了泥石流流域面积与泥石流沟道纵比降的关系为反函数关系(如图6)，即泥石流的流域面积越小，其沟道泥石流的纵比降越大。

图6 强震区泥石流纵比降与面积关系

根据急陡沟道泥石流描述可知，急陡沟道泥石流为沟道纵比降≥400‰的沟谷型泥石流沟，通过震区145条泥石流平均纵坡降筛选，得到了震区急陡沟道泥石流的流域特征见表4。

表4 震区急陡沟道泥石流沟流域特征值

通过震区急陡沟道泥石流的调查可知，急陡沟道泥石流的流域面积在0.3～10 km2之间，而平均的流域面积在3 km2；急陡沟道泥石流沟的纵比降分布范围为400‰～927‰，而平均沟道纵比降为554‰(≈30°)；急陡沟道泥石流的相对高差范围值为896～2 586 m，其中平均相对高差为1 669 m。

根据急陡沟道泥石流的流域面积和沟道纵比降的统计分析可知，急陡沟道泥石流的流域面积与沟道纵比降之间的规律同震区泥石流的规律相同，即急陡沟道泥石流流域面积和沟道纵比降呈反函数关系。

3 典型急陡沟道泥石流沟特征分析

3.1 福堂沟泥石流特征

福堂沟的流域形态近似矩形，流域面积约为1.12 km2，主沟道长度约为0.78 km，主沟纵比降约为625‰，受构造控制，整个泥石流域分布不对称。沟域的最高点位于沟谷山脊地带。根据遥感分析，福堂泥石流沟道坡度在30°以上，泥石流形成区沟道坡度在30°以上，流通区两岸坡度也在50°以上(图7)。

图7 福堂沟流域特征

3.2 烧房沟泥石流特征

烧房沟总体为深切割构造侵蚀地形，沟域面积为0.61 km2，沟道长度为1.58 km(何元宵等，2014)。烧房沟沟域形态成柳叶形，且泥石流的沟谷呈不对称V形，两岸坡度为30°～80°，平均纵坡降为464.97‰。根据遥感分析，烧房沟的沟道坡度在30°以上，而泥石流形成区坡度在30°以上，流通区坡度也在50°以上(图8)。

图8 映秀镇烧房沟流域以及泥石流防治工程分布照片

3.3 小岗剑沟泥石流特征

小岗剑流域地势总体呈北东高，南西低，流域顶部相对较平坦，主沟及两岸地势陡峭，主沟沟床坡降大，海拔1 500 m以上为清水区，沟道平均纵比降为361‰，汇水面积为0.61 km2；形成—流通区的沟道坡降为506‰。根据小岗剑泥石流沟的流域遥感分析，流域整体坡度平均坡度在30°以上，局部在50°以上。泥石流沟道坡度平均坡度在30°以上，泥石流流通区下游陡坎位置的坡度在50°以上(图9)。

图9 小岗剑泥石流沟遥感图和野外照片

4 结语

震区泥石流的流域面积相对较小，泥石流的沟道纵比降大，物源主要分布于泥石流的沟道内，在强降雨汇流条件下形成较大流速的地表径流，冲蚀泥石流物源形成泥石流过程，泥石流的类型与泥石流的流域特征密切相关。震区泥石流特征为：

1)泥石流流域沟道纵比降直接反映了泥石流沟在汇流条件下的流速、冲击力等条件，汶川地区的泥石流沟沟道纵比降主要集中于200‰～600‰，而泥石流沟道的平均纵比降为400‰(约为21°)。

2)泥石流流域面积条件间接地反映了泥石流沟汇水条件，汶川震区泥石流沟的主要集中于1～8 km2，而泥石流沟的平均流域面积为10 km2，震区泥石流流域面积相对较小。

3)通过震区急陡沟道泥石流的调查可知，急陡沟道泥石流的流域面积在0.3～10 km2之间，而平均的流域面积在3 km2；急陡沟道泥石流沟的纵比降分布范围为400‰～927‰，而平均沟道纵比降为554‰(≈30°)；急陡沟道泥石流的相对高差范围值为896～2 586 m，其中平均相对高差为1 669 m。