震后深切拉槽型泥石流成因模式、暴发特点与防治：以四川九寨沟牙扎沟为例

张卢明，杨 东，周 勇，刘 鹏

(1.核工业西南勘察设计研究院有限公司，四川 成都 610061；2.四川省冶勘设计集团，四川 成都 610081)

0 引 言

四川九寨沟漳扎镇牙扎沟在2008年“5·12”地震前百年内未发生过泥石流；受强降雨影响，2008年8月20日晚10时该沟发生大规模泥石流，共造成3人死亡、10余人受伤，并损毁掩埋房屋若干间。2010年8月13日凌晨2时许该沟再次发生大规模泥石流，泥石流冲击下游村寨。2014年7月29日下午该沟再次发生大规模泥石流，造成已建3座拦挡坝淤满，排导槽严重淤积。6年内牙扎沟发生三次大规模泥石流灾害，其间虽通过三次(补充)勘察设计和两次工程治理或修复，但并没有使泥石流得到根治或有效遏制。

这几次泥石流事件后，笔者多次赴现场进行调查，发现牙扎沟泥石流具有典型的深切拉槽型特征，要达到根治目的，需要解决一些关键性技术问题，如泥石流的成因模式、暴发特点、临界雨量等，这样才能为该泥石流的有效防治提供思路，为地震区该类泥石流的防治和预警提供借鉴。

1 牙扎沟流域地质环境概况

牙扎沟流域平面呈柳叶形(图1)，沟域面积41.2 km2，其中右支沟磨子沟流域面积11.8 km2，流域最大高差约2 300 m，平均沟床纵比降219‰。形成流通区平均沟床纵比降312.9‰，沟口堆积扇沟床纵比降52‰～87‰，流域中上游沟道以“V”形为主，中下游逐渐以“U”形为主(图2)。

图2 牙扎沟流域主沟纵剖面图Fig.2 Cross-section of the main Yazhagou channel

流域内出露的地层由三叠系下统菠茨沟组(T1b)板岩及第四系残坡积层(Q4el+dl)、崩坡积层(Q4col+dl)、泥石流堆积层(Q4sef)和人工填土(Q4ml)组成。

九寨沟县境内活动断裂发育。2017年“8·8”九寨沟地震震中附近主要的断裂有塔藏断裂、虎牙断裂带、雪山梁子断裂及岷江断裂带，此次地震发震断裂即为塔藏断裂的南段[1]。

牙扎沟流域存在典型的清水汇流区、形成流通区(三大侵蚀区)和堆积区(三大堆积区)，泥石流物源类型主要为沟道堆积物和岸坡崩滑堆积物(以残坡积和崩坡积物为主)，如图1所示。

图1 牙扎沟流域分区图Fig.1 Topographic contour map of the Yazhagou drainage basin

受2017年“8·8”地震的影响，沟内两侧岸坡失稳产生了大量新的危岩体和不稳定斜坡，极有可能转化成新的物源。“8·8”地震后通过现场调查并结合高分卫星图片解译(图3)，物源点的数量及总量均有较大的增加。

图3 牙扎沟流域高分卫星图片解译成果图(2017年)Fig.3 Interpreted landslide map superimposed on high-resolution satellite image in Yazhagou (2017)

目前“8·8”地震后牙扎沟流域内松散固体物源储量约558×104m3，可能参与泥石流活动的物源类型基本无大变化，动储量约128×104m3，是地震前的6倍。

2 牙扎沟泥石流暴发特点

2.1 隐蔽性

2008年“5·12”汶川地震前流域内植被覆盖较好，覆盖率可达90%以上，且多以高大乔木为主，较好的植被覆盖以及地震前百年内未发生泥石流的情况，在一定程度上增加了泥石流暴发的隐蔽性。牙扎沟极低的泥石流暴发频率使得周边居民在古老泥石流堆积扇上修建房屋，耕种劳作，导致沟口沟道挤占严重，忽略了泥石流可能发生的风险。

2.2 突发性

(1)泥石流暴发所需的强降雨时间大大缩短。2010年8月13日凌晨1时30分开始降暴雨，2时30分开始暴发大规模泥石流，其间仅隔1小时左右。

(2)启动泥石流的临界雨量大大降低。唐川等[2]通过对2008年北川“9·24”泥石流的研究得到，汶川地震后泥石流启动的前期累积雨量和小时雨强分别降低14.8%～22.1%和25.4%～31.6%；崔鹏等[3]通过监测得到汶川地震后北川泥石流的临界小时降雨量仅为37.4 mm。根据漳扎镇气象站观测资料，2010年8月13日漳扎镇1 h最大雨量13.5 mm，6 h最大雨量31.5 mm，24 h最大雨量32.6 mm；而1984年7月18日九寨沟县最大1 h降雨量为37.4 mm[4]，且当时牙扎沟并未发生泥石流。这说明2010年泥石流暴发的临界雨量大大降低，约为汶川地震前的46%。

2.3 破坏性

泥石流导致上游许多大树连根拔起，下游许多房屋被损毁淤埋。泥石流暴发的破坏性有以下几点：

(1)汇流速度快。流域河谷深切，相对高差较大，上游沟谷平均纵比降在300‰以上，两岸岸坡坡度一般在30°以上，呈典型的“V”形沟道，故泥石流运动速度快，不断冲切岸坡，导致很多粗大树木被连根拔起，泥石流侵蚀能力较强。

(2)规模较大。流域松散物源丰富，汶川地震后松散物源急剧增加，而前期治理工程基本失效，因此在短期内仍可形成规模较大的泥石流。在2008年和2010年泥石流事件中，很多居民房屋被摧毁或淤埋，巨石被搬运至沟口并砸穿房屋，每次泥石流堆积体达6×104～8×104m3。

(3)阵发性。由于流域中上游第一侵蚀区段沟道深窄，沟道内两岸崩滑堆积物发育，泥石流暴发时很多粗大树木被连根拔起，树木和崩滑堆积体局部堵塞沟道，形成暂时性断流，使泥石流显示出阵发性和间歇性的特点，但间歇时间一般不长。流域磨子沟上游留下的宽窄相间的沟谷地貌就是牙扎沟泥石流具有阵发性的佐证(图4)。

图4 磨子沟上游横剖面图(1-1′)Fig.4 Cross-section (1-1′) of the upstream of Mozigou

2.4 输沙能力较强

据调查，2008年8月、2010年8月和2014年7月牙扎沟泥石流暴发后，海拔1 940～2 350 m处的沟道内均有大量的堆积物和漂木，上游沟道拉槽切割明显(图5)。根据估算，泥石流过程共携带的固体物质达21.5×104m3，其输沙能力较强，并形成三个典型的堆积区。泥石流堆积物成分主要为含碎石粉质黏土，通过颗粒分析得到黏粒含量在3%～8%之间，大于20 mm的碎石含量为30%～40%，小于2 mm的细颗粒含量在15%～20%之间，土石比一般为1.5∶8.5左右，土石比偏大，表现为细小颗粒含量较高；可见细颗粒和水组成的浆体是泥石流运动的主要动力源，在悬移式运动中带动粗颗粒移动，总体呈现细颗粒在上、固体粗颗粒居下的一种液相主动、固相被动的非均质、非等速黏性泥石流整体运动特征。现场测试泥石流浆体重度达1.9 g/cm3，沟口50年一遇泥石流流量达240 m3/s。

图5 磨子沟中游横剖面图(2-2′)Fig.5 Cross-section (2-2′) of the midstream of Mozigou

2.5 泥石流活动方式：“拉槽切割”式

流域中上游沟道及两岸岸坡物源丰富，是主要的物源集中区，且地震后崩塌堆积体和残坡积物结构松散，在洪水的冲击作用下很难整体向前发生推移式运动；其主要受流水的不断冲击而发生下蚀和冲刷，进而引发溯源侵蚀，在下切侵蚀沟道的过程中不断侧蚀和切割沟岸岸坡，使得沟岸岸坡呈“手术刀”式垮塌破坏，进而逐渐形成顺沟的“拉槽”(图6)。这种“拉槽切割”式的侵蚀方式使得泥石流防治的难度较大，特别是控制上游形成区沟道两侧物源启动难度较大，这也是该泥石流沟地震后不断频繁暴发的主要原因。

图6 磨子沟上游深切拉槽Fig.6 Deep-cut groove in the upstream of Mozigou

3 牙扎沟泥石流成因分析

3.1 短历时强降雨

据现场调查，2010年8月13日泥石流暴发之前持续了30分钟特大暴雨，泥石流暴发时间在凌晨2点15分左右；泥石流于13日2点40分左右到达村寨，1点30分以前村寨区域没有发生强降雨，泥石流发生前降雨为小到中雨，推断上游有大雨，降雨持续1小时左右即发生泥石流，此时的泥石流浆体较浓，泥石流持续了约30分钟。13日4点30分左右村寨位置开始降大到暴雨，5点左右即发生大规模泥石流，此后泥石流浆体较稀，并将上次较浓的浆体冲到沟道两侧。

综上分析得出，在2010年8月13日牙扎沟泥石流事件中，前期累计降雨量对泥石流的影响不大，反而短历时强降雨是导致此次泥石流暴发的主要原因，尤其是8月13日4∶30～5∶00 时的大暴雨对泥石流的贡献极大。

3.2 高陡地貌条件

牙扎沟流域形成区地形高陡，河谷深切，汇水面积大，两岸岸坡坡度一般在30°以上，高陡的地形地貌有利于地表径流的迅速汇集，为突然暴发大规模的泥石流提供必要条件。此外，巨大的相对高差和陡峭的沟道纵坡使得从上游冲出的洪流具有较大的势能和速度，洪流对沟道内松散固体物质和岸坡的冲刷侵蚀强烈，故在较短时间内能形成较大规模泥石流，并携带大量的固体物质冲出。

4 牙扎沟泥石流成因模式

牙扎沟泥石流灾害类型为沟谷侵蚀型[5]，固体物源主要来自沟谷中上游汇水区的松散堆积物以及两侧的崩滑堆积物。其特征是流域汇水面积较大，运动路径较长，破坏能力较强，呈现一定周期性[6]。

2008年“8·20”、2010年“8·13”和2014年“7·29”泥石流为山洪泥石流体强烈地溯源侵蚀，沟道冲刷下切和侧蚀坍塌增加物源而形成，特别是2010年“8·13”泥石流规模大的主要起因为短历时强降雨。流域中上游第一侵蚀区首先在洪水冲击作用下，沟道不断发生下切，进一步产生溯源侵蚀，在下切侵蚀沟道的过程中不断侧蚀和切割沟岸岸坡，使得沟岸岸坡呈“手术刀”式垮塌破坏，进而逐渐形成顺沟的“拉槽”，沿程不断添加物质导致沟道不断扩宽和切深。

综上所述，2008—2014年期间牙扎沟泥石流主要存在“洪水冲击侵蚀、沟道溯源侵蚀、冲刷淘蚀、岸坡侧蚀坍塌、悬移滚动”的沟道不断扩展作用模式。总结牙扎沟泥石流的成因模式为：降雨渗流→岩土饱水、山洪冲击→沟道拉槽切割→溯源侵蚀→冲刷淘蚀→岸坡侧蚀坍塌→悬移滚动。

5 泥石流临界雨量分析

5.1 临界雨量

根据前人的研究[7]，本文选择1 h降雨强度(I)-前期累积雨量(P)模式作为牙扎沟泥石流发生的临界雨量模式(简称I-P模式)，其临界判别式为：

R=I+KP

式中：I为1 h降雨强度，mm；P为前期累计有效降雨量，mm；K为特征系数，无量纲；R为临界雨量，mm。

在上述模式中，K值的大小对临界雨量的最终大小影响很大，故取值应慎重。根据前人的研究[8]，对沟道侵蚀型泥石流而言，K值约为0.08，一般分布范围为0.07～0.1。在牙扎沟泥石流形成的分析中，由于准确有效的降雨数据较为有限，2010年之前牙扎沟附近还未建立雨量观测站，现阶段还无法对K取得准确的数值。在此，借鉴谢正伦研究的台湾震中地区的K值为0.073[7]，且2017年“8·8”九寨沟7级地震震中距研究区仅几公里，两者均有强震、崩滑、暴雨的背景条件，泥石流的启动又具有相似的机理，因此该地区K的取值具有较好的参考价值和对比性。

牙扎沟震后的几次典型泥石流的降雨资料能较好地反映降雨实际情况，但2008年前该地区没有详细的降雨资料，仅1984年7月18日有较详细的降雨资料。因此，只有通过2008年及以后的降雨资料，分析发生泥石流时的总降雨量，最大1 h降雨量和前期累计降雨量资料。降雨参数详见表1。

牙扎沟泥石流的具体发生时间不明确，故无法获得准确的激发雨量。

很多学者通过研究得到汶川地震区最大1 h降雨量即为激发泥石流的小时雨强[9-12]，如都江堰市八一沟最大1 h降雨量为75 mm，由此得出激发泥石流的小时雨强为75 mm；清平文家沟最大1 h降雨70.6 mm，激发泥石流的小时雨强为70.6 mm。由于没有详细的降雨资料，且九寨沟地震区与汶川地震区有较为相近的背景条件，因此假定激发泥石流的小时雨强为最大1 h降雨量。

牙扎沟在汶川地震前发生泥石流频率极低，地震前百年内未发生过泥石流，因此本次研究假定泥石流的暴发周期为100年，相应的激发泥石流降雨也为100年一遇降雨。

从表1可知，2008年爆发的临界雨量为汶川地震前(本文中采用1984年数据)的46%，2010年爆发的临界雨量为地震前的47%，2014年爆发的临界雨量为地震前的36%。由此可粗略推断，短期内牙扎沟激发泥石流的临界雨量不会马上恢复到汶川地震前，至少得持续一段时间。而随着时间的推移和治理工程的作用，牙扎沟临界雨量会逐渐增大，并不断向地震前恢复。

表1 牙扎村降雨参数

综上所述，牙扎沟泥石流激发的临界雨量在短期内(10年内)可按地震前的40%考虑，即1 h临界雨量值按14.9 mm来考虑，一旦超出这个雨量值，即可发出预警预报。

5.2 临界雨量变化趋势及变化原因

(1)2010年和2008年泥石流的临界雨量分别为17.0 mm和17.7 mm，两者相差不大，主要原因在于地震后间隔时间较短，形成泥石流的条件并未有较大的变化，且流域并未得到治理，首次治理工程2012年才竣工。

(2)2014年“7·29”暴雨激发泥石流的临界雨量则在下降，为13.3 mm，主要原因在于“5·12”地震后几年流域生态环境持续恶化，岸坡堆积物在不断饱水后强度急剧降低，形成区物源并未得到控制，下游拦挡工程对控制上游重力侵蚀作用极其有限。因此，激发泥石流的最大1 h降雨强度比前两次小。

(3)2014年“7·29”泥石流后积极实施修复工程，至2017年“8·8”九寨沟地震前该沟未爆发泥石流。除2016年临界雨量为20.7 mm，其他几次均在13.5～14.5 mm之间变化。达到之前的临界雨量而未爆发泥石流的主要原因在于该沟积极实施了修复治理工程，产生一定效果，同时上游积极实施生态环境保护工程，一定程度上抑制了泥石流的发生。

(4)2017年“8·8”九寨沟地震后流域内松散物源急剧增加，地质环境又进一步恶化，仍有再次爆发泥石流的可能，临界雨量仍有可能达到2010至2014年期间的水平。

6 牙扎沟泥石流防治对策

6.1 泥石流防治理念与思路

流域物源主要集中在磨子沟上游沟道及两侧岸坡区域，泥石流暴发时呈现“拉槽”特征，是泥石流爆发的物源集中区，加之下游堆积区为村寨聚集区，无排导条件，因此泥石流治理思路应以固源为主、拦挡为辅。通过在上游形成区重点设置固沟稳坡工程，减弱其参与泥石流活动，则该沟再次暴发较大规模泥石流的可能性将显著降低；其次在下游有条件处修建骨干梯级拦沙坝，降低泥石流危害。

2014年之前的治理思想为拦挡，即主要在流域下游修建3座拦挡坝。从2014年之前的治理工程可以得出一些经验教训，迫切需要调整和优化设计思路，具体表现在：

(1)提高设防标准。在2010年“8·13”汶川震区群发型泥石流前，很多工程都采用20年一遇降雨强度标准进行设计，而经相关学者的研究[13]，震后泥石流启动的临界雨量仅为震前的20%左右，而且其暴发规模大，破坏性强。因此，应提高泥石流的设防标准，设防标准应从20年一遇降雨强度提高至50年一遇降雨强度。

(2)2008年“5·12”汶川地震后诸多泥石流治理工程经历2010年“8·13”暴雨后，很多沟域仍发生大型泥石流灾害，部分治理工程甚至完全失效，主要原因之一是动储量严重估计不足，一般仅为静储量的1/3左右，而地震后崩塌、滑坡发育，这些地灾体结构松散，稳定性差，应基本或80%以上按动储量考虑。工程稳拦物源量不能仅以计算得到的一次性固体物质冲出量为准，至少应达到控制动储量1/3的规模。牙扎沟2008年“8·20”和2010年“8·13”泥石流的动储量估计是不足的，设防也仅以一次性冲出量为准。

(3)“拉槽”式泥石流治理应以控制物源启动为主，拦挡为辅，否则将事倍功半。牙扎沟前期治理工程主要布置在流域主沟下游，而在支沟磨子沟沟口附近仅布置5座小型谷坊，但该段区域岸坡物源并不发育，两侧侵蚀较弱，谷坊工程对控制中上游物源的启动作用甚微。需要指出的是，2014年后的治理工程仍然主要是在主沟下游设置的2座8～11 m高拦挡坝，坝的回淤长度仅200 m左右，库容仅11×104m3；2座拦挡坝作用有限，且难以控制流域中上游的重力侵蚀。

(4)调整并优化治理工程结构型式。因地震后泥石流规模巨大，往往携带巨石，破坏性强，故应加强或调整拦挡工程结构型式。设计时应掌握2个原则。

其一，在物源丰富和破坏性大的泥石流沟，不宜采用浆砌石结构的拦挡工程。如舟曲泥石流[14]和牙扎沟泥石流前期工程均采用浆砌石结构，遇到一次大型泥石流后就一触即溃。针对震后泥石流破坏性强和冲击力大的特点，应尽量采用钢筋混凝土坝或桩林坝，坝基要尽量进入基岩，若覆盖层太厚，为防止坝基被冲刷和渗透变形而遭破坏，针对高坝应尽可能采用桩基坝。如汶川红椿沟[15]、高川茶园沟均采用桩基坝，稳定运行多年。在颗粒较大的稀性或水石流沟尽可能用格栅坝(梳齿坝)代替实体坝。

其二，坝下防护措施要重视。目前很多拦挡坝被破坏的主要原因是坝肩和坝基受冲刷，坝基掏空而引发溃坝。当坝肩两侧为松散堆积体时，应加大埋深并应在两侧设置侧墙或护坡等支挡措施，甚至是抗滑工程。如红椿沟2#坝右坝肩有一崩塌堆积体，工程实施几年后发生崩塌破坏而损坏坝肩。稀性或者水石流沟应设置副坝防冲，主副坝间抛填高强度的大块石。只有颗粒很细的泥石流沟或者小型泥石流沟才适合设置护坦防冲。

6.2 泥石流防治工程方案

牙扎沟历次泥石流暴发物源启动区主要位于支沟磨子沟中上游，呈“拉槽”型启动模式。该段沟道纵坡较大，两岸斜坡稳定性较差，沟道呈“V”形，如设置混凝土或浆砌石等刚性稳拦工程难以保证其自身稳定性，且刚性结构施工难度大，机械难以到达。故应根据地形地质条件设置钢筋石笼柔性固底护坡、钢筋砼固底槽、低矮石笼潜坝并结合谷坊工程，达到降低和削减泥石流启动的作用。

两支沟交汇处主沟中下游段沟道宽缓，沟道以U形为主，库容量大，适合修建骨干控制性拦挡工程，可采取格栅坝(梳齿坝)和实体坝相结合的方式。

沟口堆积区较开阔，地形较平缓，沟道堵塞严重，应进一步对堆积区沟道进行清理，必要时设置防护工程以满足过流要求。

综上，本文建议在牙扎沟流域布设三个防治工程区：上游固底稳坡区、中游拦挡停淤区和下游沟口排导区，如图7所示。

图7 牙扎沟泥石流综合治理平面图(红色为本文推荐方案，黑色为前期治理工程) Fig.7 Topographic contour map showing the integrated treatment of debris flow in Yazhagou (the red showing recommended schemein this study; the black showing preliminary treatment)

通过调研，牙扎沟自2011年开始实施治理工程，至2018年共实施了三次，总投资约1 560万元，治理工程前后共拦蓄库容约21×104m3，拦挡1 m3固体物质花费74元。经预算人员核算，本文推荐的方案总投资约1 700万元，但直接拦挡库容可达31×104m3，拦挡1 m3固体物质花费约55元，加之上游固底护坡工程稳固物源还尚未计算在内，本文推荐的治理方案投资效益比明显较高。

7 结 论

(1)牙扎沟泥石流具有隐蔽性、突发性、破坏性和较强输沙能力等特点，其活动方式为拉槽切割式。

(2)短历时强降雨、深切拉槽式物源补给和高陡的地形地貌条件是牙扎沟形成泥石流的主要原因，存在“洪水冲击侵蚀、沟道溯源侵蚀、冲刷淘蚀、岸坡侧蚀坍塌、悬移滚动”的沟道不断扩展作用模式。泥石流的成因模式为降雨渗流→岩土饱水、山洪冲击→沟道拉槽切割→溯源侵蚀→冲刷淘蚀→岸坡侧蚀坍塌→悬移滚动。

(3)牙扎沟2008年“8·20”泥石流的临界雨量为2008年“5·12”汶川地震前的46%，2010年“8·13”泥石流的临界雨量为地震前的47%，2014年“7·29”泥石流的临界雨量为地震前的36%。短期内牙扎沟激发泥石流的临界雨量不会马上恢复，随着时间的推移和治理工程的作用，牙扎沟临界降雨量会逐渐增大，并不断向地震前恢复。牙扎沟泥石流激发的临界雨量在短期内(10年内)可按地震前的40%左右考虑，即1 h临界雨量值按14.9 mm来考虑。

(4)牙扎沟这种“拉槽”式泥石流治理应以控制物源启动为主，拦挡为辅，否则难以达到根治泥石流的目的。对2011年泥石流治理、2014年修复工程和2018年治理工程的对比分析结果显示仅以下游被动拦挡为主的治理作用有限。适合牙扎沟泥石流的综合治理思路，即上游布置固底护坡工程，中游设置拦挡工程，下游适当布置排导工程。