四川省石棉县2013年“7·4”泥石流沟道侵蚀特征调查及研究

(四川建筑职业技术学院, 四川 德阳 618000)

1 研究背景

泥石流物源的沟道侵蚀是泥石流主要的侵蚀类型之一，而泥石流沟道侵蚀表现为上游洪流对泥石流沟床堆积物的冲刷搬运程度[1]。前人对泥石流沟道侵蚀的特征做了大量的研究，其中费莱施曼[2]认为泥石流沟道侵蚀是沟道固体颗粒遭受洪水冲刷搬运的过程，康志成[3]认为泥石流沟道侵蚀类似“揭底作用”或“滚雪球”。在此基础上，前人通过对泥石流沟道物源起动机理的研究，得到了大量基于泥石流动力学参数的泥石流沟道侵蚀研究成果，其中包括泥石流侵蚀发生时的洪水流量特征[4-6]，以及泥石流沟道侵蚀发生时的沟道坡度特征[7]。

汶川地震后，泥石流沟道内松散物储量异常丰富，极大地增加了泥石流发育的可能性。在强降雨条件下，地震重灾区发生上千处泥石流。震区泥石流具有冲出规模明显增加、暴发频度增加、起动临界雨量降低[8-9]等特征。泥石流物源条件是泥石流发育的重要条件之一，泥石流物源的分布类型主要分为坡面物源和泥石流沟道物源。四川省石棉县泥石流沟的沟道泥石流物源为总物源的64%以上，在石棉县2013年“7·4”泥石流过程中，沟道泥石流物源侵蚀量为总泥石流物源侵蚀方量的85%以上。由此可知，泥石流沟道物源的侵蚀特征与泥石流发育规模有着重要的关系。为此，本文以四川省雅安市石棉县典型泥石流沟(后沟、马颈子沟、熊家沟)为例，根据泥石流不同剖面位置的沟道物源侵蚀厚度，分析泥石流沟道侵蚀特征。

2 研究区概况

2013年7月4日20时，四川省雅安市石棉县暴发了特大规模泥石流，其中广元堡后沟、马颈子沟，回隆乡熊家沟最为严重，泥石流冲出的物质冲毁居民房屋，淤埋公路，堵塞河道等，造成多人伤亡。而后沟、马颈子沟、熊家沟为相邻的3条泥石流沟[10]，其地形地貌、地层岩性、地质构造等工程地质条件相似，见图1、图2。

图2 研究区典型泥石流沟地形特征Fig.2 Landform of typical debris flow gulliesin the study area

2.1 水文条件

石棉县地处川西高原和四川盆地的过渡带，地势整体西高东低，呈西、南、北向中部倾斜。区内多年平均气温10.7～18.0 ℃，最高温度40.3 ℃，最低温度-15.0 ℃。且研究区受太平洋、印度洋和青藏高原大气环流的影响，多年平均降水量1 200.9 mm，降水分布不均，主要集中在每年的5—9月份，降水量约占全年降水量的86.4%，多以暴雨形式出现，如图3所示。

图3 研究区多年平均气象资料统计Fig.3 Average meteorological data in the studyarea over years

2.2 降雨条件

2013年7月4日17时至次日7时，雅安市石棉县境内普降暴雨，暴雨中心位于广元堡后沟、上河坝黑林沟、回隆乡熊家沟区域。根据四川省石棉县回隆联合村雨量站2013年“7·4”降雨条件监测数据可知，泥石流暴发过程中的最大雨强达43.7 mm/h，导致后沟、马颈子沟、熊家沟等多处暴发了泥石流，其中后沟暴发泥石流时的降雨强度为36.6 mm/h，马颈子沟、熊家沟暴发泥石流时的降雨强度均为15.7 mm/h,如图4所示。

图4 石棉县“7·4”泥石流降雨特征Fig.4 Characteristics of rainfall inducing debris flowon July 4thin Shimian County

2.3 流域特征

石棉县“7·4”泥石流过程中，后沟、马颈子沟、熊家沟泥石流均属于全堵江型泥石流，3条泥石流沟道特征如表1所示。

3 研究区泥石流沟

在研究区“7·4”泥石流野外调查过程中，采用图帕斯200激光测距仪，对泥石流沟道剖面位置(麦哲伦探险家610—手持GPS)、沟道坡度、沟道宽度、沟道流向(DQL-8型地质罗盘仪)以及泥石流泥深等参数进行测量。

表1 研究区典型泥石流沟沟道特征Table 1 Features of typical debris flow gullies in the study area

表2 熊家沟泥石流沟道物源堆积特征Table 2 Features of material sources for debris flow of Xiongjia Gully

注：侵蚀厚度为“-”表示堆积，其它为侵蚀；物源量所占比例=物源点物源储量/总物源储量；动储量所占比例=物源点动储量/总动储量

3.1 泥石流沟流域概况

广元堡后沟流域在1993，1998，2004年均暴发了中等规模的泥石流，而每年均有小规模的泥石流灾害发生。因此，该泥石流的活动特征属于高频泥石流。且广元堡后沟泥石流流体重度为16.5 kN/m3，属于黏性泥石流。

2013年7月4日20时，强降雨条件下，马颈子沟暴发了大规模泥石流过程，冲毁沟口7栋居民建筑物，堵塞马颈子沟桥梁，淤埋108国道和楠垭河漫滩的耕地，冲垮楠垭河两岸河堤，导致上游水位突然抬升5 m。

熊家沟流域面积约5.5 km2，主沟长约4.05 km。主沟两岸支沟发育良好，共发育有5条小型支沟。由于流域面积较大，两岸斜坡较陡，并具有强大的水动力条件，且沟谷平均纵坡235‰以上，纵坡降较大，沟域内地质环境条件复杂，区内主要出露为晋宁区花岗岩和松散第四系残坡积物、崩坡积物和泥石流堆积物等，导致沿沟松散物总储量丰富、分布广泛，为泥石流的发育提供了丰富的固体物源。受“4·20”芦山地震影响，沟谷内固体物质被严重震松，增加了松散物源启动的可能性。

3.2 泥石流沟物源

熊家沟泥石流沟中游上段—下游出山口段沟道共有6处沟道堆积物源，物源总量约25.74×104m3，动储量为10.15×104m3。研究区泥石流物源总储量为39.91×104m3,总动储量为13.47×104m3。根据熊家沟泥石流沟道物源的现场调查发现，从泥石流沟的沟口往泥石流的上游清水区共分布6处较大的沟道物源堆积体，编号分别为G01—G06。由表2可知，G01和G02沟道物源在“7·4”泥石流过程中处于堆积状态，且堆积厚度分别增加了12.9 m和9.27 m；而G03—G06在“7·4”泥石流过程中处于侵蚀状态，其中侵蚀厚度堆积为2.2～4.0 m。

研究区泥石流沟沟道泥石流物源成分主要为碎块石夹砂土，其中块石粒径主要集中于0.3～0.9 m，块石含量占75%～85%，砂土含量占15%～25%。这导致泥石流物源渗透系数高，堆积体间内聚力低，物源的抗剪强度主要取决于物源的内摩擦角。熊家沟、后沟、马颈子沟的泥石流沟道物源物理性质见表3。

表3 研究区典型泥石流沟道物源物理性质Table 3 Physical features of material sources in typical debris flow gullies

表4 研究区熊家沟、后沟、马颈子沟的沟道剖面特征Table 4 Profile features of typical debris flow gullies in the study area

注：流向差为沟道两相邻剖面间的流向与主沟道流向的差值，单位°；剖面间高差为沟道相邻两剖面间的高程差值，单位m；剖面间距离为沟道两相邻剖面间的水平距离，单位m；剖面间坡度为沟道两相邻剖面间的沟道坡度，单位°

3.3 泥石流沟道冲刷

泥石流沟道堆积物源主要为洪水或泥石流将坡面物源或崩滑堆积体搬运至沟道中堆积形成的松散堆积物。 其中， 沟道堆积物源参与泥石流活动的方式主要为沟床的揭底冲刷， 而泥石流沟道物源动储量主要包括沟底拉槽下切物源储量， 以及两侧岸坡失稳参与泥石流的物源储量， 即泥石流沟道冲刷和侵蚀厚度间接反映了泥石流沟道物源的侵蚀特征； 泥石流沟道物源冲刷和侵蚀厚度不仅与泥石流的流速、 流深等动力学参数相关， 而且与沟道几何形态、 沟道堆积物颗粒级配及结构特征等因素相关。 研究区典型沟道侵蚀剖面如图5所示。

图5 研究区典型泥石流沟侵蚀剖面Fig.5 Erosion of typical debris flow gullies inthe study area

3.4 泥石流沟沟道剖面

泥石流沟野外调查选取了不同的泥石流沟道剖面进行测量， 其中测量数据包括剖面的点位、 流向、沟道宽度、剖面坡度、两侧岸坡侵蚀厚度、 相邻两剖面间的坡度等参数。 剖面特征如表4所示。

4 沟道侵蚀特征

Sidorchuk[11]认为影响沟道侵蚀的因子包括流量、流速、水流紊动状态、温度、土壤特征及植被条件等，而何思明等[12]认为影响泥石流侵蚀速度的因子包括泥石流重度、流速、沟道坡降、土体强度等。泥石流沟道侵蚀方式主要包括下蚀、侧蚀、溯源侵蚀、前进侵蚀和局部冲刷等[13]，泥石流的侵蚀与泥石流的汇水条件[14-15]等相关。

由于泥石流流体惯性作用，泥石流在运动过程中的流向、沟道坡度、沟道剖面高差变化时，泥石流将对沟道堆积物造成不规则侵蚀和不同程度的侵蚀。为了研究泥石流沟道堆积物侵蚀特征，本文分析泥石流沟道堆积物不同侵蚀剖面的流向、沟道宽度、剖面距离、左右岸侵蚀厚度等。

根据泥石流流向变化特征，定义流向差为泥石流剖面流向与主沟流向的关系，即泥石流沟道剖面流向减去泥石流主沟流向的流向差值(如图6(a)所示)。研究区泥石流沟道物源最优含水量剪切角大，且研究区沟道堆积物侧向侵蚀面基本为基岩接触面，为此，绘制研究区沟道侵蚀特征如图6中(b)—(c)所示。

图6 沟道侵蚀示意图Fig.6 Schematic diagram of typical gully erosion

根据研究区熊家沟、后沟、马颈子沟剖面的泥石流特征可知，整体上，泥石流流向差与左右岸泥石流侵蚀厚度差呈线性正相关(图7(a))，左右岸泥石流的侵蚀厚度差与沟道剖面间流向差线性系数为0.02～0.60，平均值为0.06；泥石流沟道剖面间坡度与泥石流平均侵蚀厚度整体为正相关(图7(b))，泥石流平均侵蚀厚度与泥石流沟道剖面坡度的线性系数为0.02～0.60，平均值为0.09；泥石流剖面侵蚀宽度与泥石流平均侵蚀厚度为负相关(图7(c))；泥石流剖面间高差与泥石流沟道平均侵蚀厚度为正相关(图7(d))，泥石流平均侵蚀厚度与剖面高差的线性系数为0.06～0.40，平均值为0.17。

图7 研究区泥石流沟道剖面侵蚀与沟道几何形态参数关系Fig.7 Relationship between erosion features andgeometric parameters of debris flow gully in study area

由上述可知，泥石流的侵蚀厚度与泥石流剖面的流向差、剖面坡度、剖面高差、沟宽等相关。为此，根据统计分析，得到单位距离的泥石流流深与泥石流平均侵蚀厚度、沟道宽度与泥石流单位距离侵蚀方量、泥石流平均侵蚀厚度与泥石流剖面流向差的函数关系,如图8所示。

图8 研究区泥石流沟道侵蚀特征Fig.8 Erosion characteristics of debrisflow gullies in the study area

根据统计分析，得到了研究区泥石流流深与泥石流平均侵蚀厚度、单位距离的侵蚀方量与剖面沟道宽度、泥石流平均侵蚀厚度与泥石流剖面间流向差的关系，如式(1)。

(1)

式中：h为泥石流的流深(m)；ΔH为泥石流平均侵蚀厚度(m)；ΔV为单位距离的侵蚀方量(m3)；D为泥石流剖面侵蚀宽度(m)；α为泥石流剖面的流向(°)，Δα为泥石流剖面与泥石流主沟的流向差(°)；R2为相关性系数；P为显著性系数。

由图8可知，泥石流沟的平均侵蚀厚度与泥石流的流深、沟道剖面宽度特征相关，即泥石流平均侵蚀厚度与泥石流的流深呈线性正相关，而泥石流的侵蚀方量与泥石流的平均侵蚀厚度呈幂函数关系。

泥石流流速差异和相邻两剖面间的流向差异使得沟道两岸侵蚀厚度不同。由图9(a)可知，泥石流沟的同一剖面左右岸侵蚀厚度差与泥石流流向和主沟流向的流向差为三次函数关系，即当剖面泥石流流向与主沟流向越相近(即接近0°和180°时)，泥石流沟的左右岸侵蚀厚度差值越小。而在流向差越大的位置，其侵蚀厚度差值越大，其原因主要为在沟道转弯位置，泥石流流向发生改变，使得泥石流运动受阻，泥石流沟道岸坡堆积物在泥石流冲击作用下失稳起动。

由于野外沟道曲折加之泥石流的惯性运动，泥石流对沟道两侧堆积物的侵蚀程度不相同。在此基础上，进一步研究了泥石流沟道左右岸的侵蚀流深差与流向差的关系，得到图9(b)。

图9 研究区泥石流左右岸侵蚀厚度差、流深差与流向差的关系Fig.9 Relationship between erosion thickness and flowdepth and flow direction difference ofdebris flow gullies in study area

由图9可知：当剖面泥石流流向与主沟流向差相近(即接近0°和180°时)，泥石流左右岸的流深差和侵蚀厚度差与流向差呈正相关，泥石流沟左右岸的侵蚀厚度差及流深差越小；当泥石流剖面的流向与主沟的整体流向差增大时(即远离0°和180°时)，侵蚀厚度差和流深差与流向差呈负相关，见式(2)。

(2)

式中：ΔHLR为泥石流剖面左右岸侵蚀厚度差(m)；ΔhLR为泥石流剖面左右岸流深差(m)。

5 结 论

研究区在2013年“7·4”降雨条件下，暴发了熊家沟、后沟、马颈子沟泥石流。通过对研究区工程地质条件研究分析可知，由于芦山“4·20”地震作用，研究区泥石流沟道内形成大量的泥石流物源，在强降雨条件下，诱发大规模的泥石流过程，并导致竹马河和楠垭河被全部堵塞。

(1)根据野外泥石流沟道剖面的调查发现，研究区泥石流沟道物源的平均自然休止角约为43°，平均内摩擦角约为25°，泥石流沟的左右岸平均侵蚀厚度与泥石流流向、泥石流流深、沟道宽度、剖面间坡度、剖面间高差等因素相关。在此基础上，初步分析得到泥石流平均侵蚀厚度与泥石流流深、沟道剖面宽度与泥石流单位距离侵蚀方量、泥石流平均侵蚀厚度与泥石流剖面流向差的关系，其中泥石流平均侵蚀厚度ΔH与泥石流流深h关系为h=5ΔH+1.798×10-15，而泥石流平均侵蚀方量ΔV与泥石流的沟道宽度D关系为ΔV=6.845D0.625。

(2)泥石流沟道剖面的流向差与左右岸侵蚀厚度差为线性正相关，其中泥石流侵蚀厚度差与流向差的线性系数为0.02～0.60，平均值为0.06；泥石流平均侵蚀厚度与剖面间坡度的线性系数范围为0.02～0.60，平均值为0.09；泥石流平均侵蚀厚度与剖面间高差的线性系数为0.06～0.40，平均值为0.17。泥石流沟道剖面左右岸流深差和泥石流侵蚀厚度均与泥石流剖面流向差相关，即当泥石流的流向差越小时，泥石流的平均侵蚀厚度越小，左右岸的侵蚀厚度差和流深差越小；当泥石流流向差越大时，泥石流平均侵蚀厚度、侵蚀厚度差和流深差越大。