茂县刁花沟泥石流特征及形成条件分析

李世川，付琪智，黄远斌，陈廷芳，罗 承

(1.西南科技大学 环境与资源学院，四川 绵阳 621010； 2.四川省宜宾地质工程勘察院，四川 宜宾 644002)

“5·12”汶川地震在震区造成了严重的人员和财产损失，还诱发了大量直接威胁人员安全的滑坡、崩塌、泥石流等地质灾害。研究表明，震区滑坡、崩塌、泥石流等会有10～20年的活动期[1]，地震使泥石流的形成条件和活动特征发生了明显改变，尤其震区沟道内崩塌、滑坡发育，形成了极为丰富的松散物源[2]，极易诱发形成泥石流。刁花沟位于汶川震区，是一条低频沟谷型泥石流沟。受汶川地震影响，沟道内松散物源增多。2014年9月11日在强降雨的作用下，刁花沟暴发了泥石流，泥石流固体物质冲出量约有2.97万m3，导致一级电站蓄水库全部淤满，电站上方拦水坝被冲毁，农房、耕地及牲畜损失约1 000万元，基础设施损失约200万元。本研究以茂县刁花沟泥石流为研究对象，通过大量的现场调查与地质勘测，详细分析了刁花沟泥石流的形成条件、发育特征及其动力学特征，并探讨了震后泥石流的暴发机理，希望能为震后泥石流的治理提供参考。

1 研究区地质环境条件

茂县地处青藏高原向川西平原过渡地带，高山耸峙，河谷深邃，是青藏高原东缘和长江上游生态环境十分脆弱的高山峡谷区的典型代表。区内大部分属邛崃山系岷山山脉，其中：东南部属龙门山系尾段，群山连绵，峰峦起伏，谷坡险峻陡峭，河谷狭窄，河流深切；西部与理县交界处的万年雪山，海拔5 230 m，为全县最高峰；西北部相对高差1 000～2 500 m；东南部相对高差500～1 500 m，区内土门河下游黄公坪河坝海拔890 m，是全县最低点；北部谷坡下部较为陡峭，地势狭窄，但向下游渐趋宽坦，是高山狭谷向山原的过渡地带。县境内地貌类型主要为东部剥蚀侵蚀中山，中南部剥蚀侵蚀高中山，西北部高山、极高山，岷江河谷，以及茂县河、土门河两岸的第四系堆积地貌。

研究区内出露地层主要为第四系残坡积层、第四系崩坡积层、全新统冲洪积层、泥石流堆积层、古生界泥盆系危关群下组，主要分布于陡坡、坡脚及主沟沟口区域。岩层表面风化严重，母岩成分主要为强风化—中风化的千枚岩、灰岩、石英岩。境内地质构造主要为较场山字形构造带和石大关弧形构造带、龙门山华夏系构造带，断层主要有茂汶断层、九顶山断层，褶皱主要有九顶山向斜等。该区位于石大关弧形构造的外弧部位，处于南北地震带的中段即龙门山地震带和松潘地震带，历史上经历了多次地震活动，按照四川省地震烈度分区图，研究区地震动峰值加速度为0.2g，特征周期0.35 s，地震基本烈度为Ⅷ度。

2 流域概况及泥石流活动特征

刁花沟位于茂县三龙乡纳呼村卡玉组，属岷江水系，为三龙河右岸支流之一，由一条主沟和两条支沟组成。刁花沟沟口地理坐标为北纬31°47′33.77″、东经103°33′15.13″，沟口有公路通过。沟域前部形态呈V字形，后部相对宽缓，整个沟段呈漏斗状，主沟长5.23 km，1号支沟长3.81 km，2号支沟长4.4 km。刁花沟流域面积为32 km2，沟床纵比降为67‰～400‰，丰水季节有洪水自沟口流出，枯水期流量较小，水流汇入三龙河(表1)。刁花沟从地形地貌上能区分出泥石流形成区、形成流通区、流通堆积区和堆积区(图1)。

表1 刁花沟沟道特征

图1 刁花沟沟道分区示意

调查走访得知，刁花沟在1958、2014年曾发生过泥石流。1958年发生的泥石流事件无相关记载，资料缺失严重。2014年9月11日，在历时约2 h前期强降雨后，刁花沟暴发了中型稀性溃决型泥石流，形成了共计6处泥石流堆积区，堆积方量约2.97万m3。泥石流暴发过程大致为：9月11日19:30左右泥石流到达沟口养猪场位置，在养猪场上方拐弯处部分泥石流冲出沟道，形成高达1.7 m的爬高溢流，同时掩埋养猪场，造成养猪场内近千头猪死亡，部分泥石流淤积于养猪场内，养猪场内淤积物约0.63万m3；部分泥石流拐过弯道后，继续对下游进行冲击，并最终冲入村口三龙河内，淤积于下游近百亩(15亩=1 hm2)耕地、纳呼村居民聚居地内。经调查访问，“9·11”泥石流洪峰流量持续时间大约为9月11日19:30至21:40，随后泥石流流量逐渐减小，转为水石流，并一直持续至9月12日9:00左右，在沟口堆积扇堆积松散物质约1.65万m3。“9·11”泥石流共淤埋28户居民房屋、2座电站，冲毁约13 hm2农田、2处养猪场，所幸未造成人员伤亡，但造成的经济损失高达1 200万元。

3 泥石流形成条件

3.1 地形地貌条件

刁花沟为一常年性溪流，源于流域南端的龙池梁子。刁花沟流域海拔最高点位于流域南端的龙池梁子(海拔4 213 m)，最低点位于汇入三龙河河口处(海拔2 039 m)，相对高差达2 174 m，整体南高北低，山脉走向SW向。地貌类型属于构造剥蚀和部分冰川刨蚀深切割高中山区，3 800 m高程以上冰蚀地貌明显，角峰、鳍脊、冰斗发育，沟谷多呈V形和U形；3 000 m高程以下沟谷地形主要为深切割高中山峡谷，沟谷多呈V形。刁花沟呈叶脉状散开，发育2条主要支沟，由于构造运动强烈，因此沟域侵蚀下切强烈，沟谷中宽谷和狭谷相间分布，这样的地形有利于松散固体物源、雨水、地下水汇集。

3.2 物源条件

流域经历多次构造变动，伴以岩浆活动与变质作用，岩体节理裂隙发育，同时研究区冬季长，冻融作用破坏岩体结构，造成岩体风化破裂，在重力和动水压力作用下常形成滑坡、崩塌等，为泥石流的形成提供了固体物源。1933年叠溪7.5级地震，1976年8月16日松潘平武7.2级地震，特别是2008年5月12日汶川8.0级地震诱发大量崩塌、滑坡，松散物质堆积在沟床形成壅塞，为泥石流暴发储存了丰富物源。物源主要由沟道内物源、坡面物源、坡脚侵蚀物源及水土流失物源四部分组成。调查期间查明已有物源点25个，其中坡面物源8个、沟道内物源17个。各类型物源量见表2。

表2 刁花沟泥石流物源统计

3.3 水源条件

刁花沟流域内地下水较丰富，调查期间(12月下旬)沟内有流水，但流量较小，仅为5～12 L/s。因此，引发泥石流的水源主要来自大气降水，暴雨形成的地表径流是引发泥石流的动力条件。据茂县气象站观测资料，茂县多年平均降水量为484.1 mm，年最大降水量为560.6 mm，年最小降水量为335.5 mm，月最大降水量为168.1 mm，日最大降水量为104.2 mm(1989年7月24日)；冬春季节降水量严重偏少，常发生冬干连春旱，夏秋季降水偏多，且各月分配不均，4—10月降水集中，降水量占年降水量的91.8%，10月至次年3月降水量仅占年降水量的8.2%，同时降水分布呈现随海拔升高而增大的趋势。

4 泥石流动力特征

4.1 泥石流容重

刁花沟沟道堆积物以粗颗粒为主，上、中游形成区沟道内碎石最大直径约5 m。自上游至下游大型块石含量逐渐减少，细颗粒物含量逐渐增加。容重的确定是泥石流性质判定必不可少的因素。根据现场配浆得到泥石流的容重小于1.6 t/m3，确定为稀性泥石流。后期对沟口堆积扇进行颗粒级配测定，绘制粒径曲线图，根据粗、细颗粒物的百分含量对沟道内的泥石流容重进行计算，计算公式[3]为

γD=P050.35P2γV+γX

(1)

式中：γD为稀性泥石流容重，t/m3；P05为粒径<0.05 mm的颗粒百分含量；P2为粒径>2 mm的颗粒百分含量；γV为黏性泥石流最小容重，本次取值2 t/m3；γX为泥石流最小容重，本次取值1.4 t/m3。

最终计算得到泥石流的容重为1.509 t/m3。

4.2 泥石流流速计算

由于泥石流区没有观测设备，在实际观测资料的基础上，利用西南地区(铁二院)泥石流流速经验公式对流速进行统计回归分析。计算公式为

(2)

φ=(γC-γW)/(γS-γC)

式中：VC为泥石流断面平均流速，m/s；MC为稀性泥石流糙率系数；α为阻力系数；RC为水力半径，m；IC为泥石流水力坡度，‰；γC为泥石流流体物质的容重，t/m3；γW为水的容重，t/m3；γS为泥石流固体物质容重，本次取值2.65～2.70 t/m3；φ为泥石流泥沙修正系数，本次取值0.475。

通过实地勘测，利用形态调查法选取了5个代表性泥石流断面进行相应的取值计算，计算出各断面的泥石流流速(表3)，结果表明： 形成区泥石流流速最大，为7.07 m/s；流通堆积区泥石流流速最小，为4.18m/s；而在沟口流速再次增大为4.63 m/s，原因是在流通堆积区到沟口之间发生汇流，具有再次加速效应。

表3 各断面泥石流流速

4.3 泥石流流量计算

根据上节选取的泥石流断面的流痕和沟道确定了泥石流的泥位线，测定流面比降、断面高度、面积等参数，再对各个断面的泥石流流量进行计算，结果见表4。

表4 泥石流峰值流量计算结果

5 泥石流形成机制探讨

刁花沟泥石流形成条件分析结果表明，该泥石流沟的物源条件、水源条件和地形条件都有利于泥石流的发生和活动，但泥石流发生与否及其规模主要取决于降雨强度、地震烈度及人类工程活动的强度等。刁花沟于2014年9月11日16:30左右开始出现降水，降雨强度在5 mm/h以下，随后在17:00左右变为强降雨，降雨强度达到30 mm/h以上，达到50年一遇频率，之后转为暴雨，降雨量逐渐减少，降雨一直持续至9月12日6:30左右。在此期间，沟内水量激增，刁花沟1、2号支沟内物源在暴雨作用下大量失稳。1、2号支沟两岸陡立，支沟泥石流、坡面泥石流、崩塌等在失稳后高速冲入支沟沟道内，高势能转化为强大的动能，在支沟沟道内产生底蚀、侧蚀，并携带底蚀、侧蚀物质向下游高速运动，同时造成沟道两岸的滑坡、不稳定斜坡等进一步发展、失稳，加入泥石流运动；当上游1、2号支沟形成的泥石流高速运动至流通区时，这些堆积体一部分直接以松散物质形式参与泥石流运动，另一部分则对泥石流形成瞬间的堰塞效应，但终因泥石流来势凶猛，堰塞效应瞬间失效，被挟裹着继续向下游运动，而且瞬时堰塞效应、底蚀、侧蚀造成流通区地质灾害体、沟底及两侧堆积体大量失稳，并参与泥石流运动，泥石流流体在此过程中呈滚雪球之势不断壮大，在历时约2 h前期强降雨后，刁花沟泥石流全面暴发。刁花沟内松散固体物源较丰富，堆积体较松散，已发生过的两次泥石流规模均在3万m3左右，但仅占可参与泥石流活动的松散固体物源的4.7%，在强降雨条件下再次发生泥石流的概率较大。

6 结 语

刁花沟构造作用强烈，在地震作用、冰川冻融和风化作用下物源条件丰富；坡度陡峻、流域范围大，有利于地表径流形成，且流速相对较大，为泥石流的形成提供了汇集水源和水动力条件。本研究通过对茂县刁花沟的实地走访调查和动力特征计算分析，得到以下结论：

(1)刁花沟流域属于高中山剥蚀构造地貌和山间侵蚀堆积地貌，其地形条件、物源条件和水源条件都有利于泥石流的发生和活动，强降雨则是泥石流暴发的主要激发因素。

(2)刁花沟泥石流属于低容重低频沟谷型稀性泥石流，沟道上、下游的沟道物源主要为千枚岩、变质砂岩风化碎块石，上游区碎石最大直径约5 m，下游碎石直径达1.2 m。泥石流的容重为1.509 t/m3，流速最大值为7.07 m/s，泥石流最大流量为324.29 m3/s。

(3)刁花沟内松散固体物源较丰富，堆积体较松散，已发生过的两次泥石流带出的松散固体物源仅占可参与泥石流活动的松散固体物源的4.7%，在强降雨条件下再次发生泥石流的概率较大。