大流域泥石流成灾特征与形成机制——以金川县曾达沟“6.27”特大型泥石流为例

黄 洪，陈宁生，胡桂胜，刘恩龙，倪化勇

(1.中国科学院、水利部成都山地灾害与环境研究所，四川 成都 610041； 2.中国科学院山地灾害与地表过程重点实验室，四川 成都 610041；3.中国科学院大学，北京 100049； 4.四川大学 水利水电学院，四川 成都 610065； 5.中国地质调查局成都地质调查中心，四川 成都 610081)

泥石流是一种高浓度、宽级配的多项非均质流体[1-2]。姚振国[3]等对392条泥石流沟统计分析发现，流域面积对于泥石流发育和形成起着控制作用，且泥石流易发流域面积多小于30 km2；已有研究表明大流域泥石流的形成主要是由于沿途的侧蚀和揭底冲刷作用[4-7]。降雨是控制泥石流形成的最重要因素之一[8-11]，降雨分为前期降雨和激发雨强。前期降雨可通过改变土体结构和降低泥石流的降雨阈值从而影响泥石流的发生[12]。陈宁等[1]在研究岷江流域暴发泥石流的降雨条件时发现前期降雨量在60 mm～110 mm左右，短历时强降雨达到15 mm～45 mm就有可能发生泥石流，这说明随着前期降雨的增大，激发泥石流所需的临界降雨量随之减小；霍晓燕[13]等发现当前期降雨导致土壤饱和率从0.20分别增加到0.50和0.80时，激发泥石流的雨强分别减少13.7%～16.2%和26.8%～31.8%；此外，在前期降雨充足的情况下，地表将产生有利于泥石流暴发的超渗产流和超蓄产流[14]。在此背景下，本文以金川县曾达沟“6.27”泥石流为例，通过分析泥石流灾害发生前的降雨特征，结合曾达沟工程治理措施与非工程治理措施，阐明了前期累计降雨如何对泥石流形成产生影响。本研究可为大流域泥石流灾害的预警预报和防治措施提供些许参考。

1 研究区概况

1.1 地形地貌特征

金川县位于四川盆地与青藏高原东南缘的过渡地带，地形切割剧烈，为高山峡谷地貌。曾达沟泥石流平面形态呈“梨”型，流域面积125.53 km2，沟口地理坐标：N31°13′15″，E102°00′10″,主沟长16.9 km，主沟平均纵坡降介于50‰～685‰，总体上以深切割“V”和“U”体型谷为主，坡度陡峭，切坡深度大。曾达沟流域最高高程位于支沟龙谷沟为4 720 m，最低高程位于沟口为2 056 m，相对高差2 664 m，全流域平均纵坡降约126‰，总体呈现上游陡，中下游较缓。曾达沟内支沟发育，各支沟整体呈鱼排式分布于主沟两侧(图1)。沟域内从上至下共发育有较大支沟16条(表1)，支沟中下段沟道狭窄，沟道宽15 m～40 m，两岸谷坡陡峻，坡度约35°～60°，局部基岩出露段坡度达70°以上。左岸支沟9条，右岸支沟7条，共计16条支沟。

表1 曾达沟特征参数表 Table 1 Zengda valley characteristic parameters

图1 曾达沟流域全貌Fig.1 Zengda gully drainage basin

1.2 地质背景

研究区内新构造运动较强烈，区内褶皱构造发育，断裂不发育，以挤压紧密、轴部尖棱为特征的褶皱为主。区内分布有三叠系地层、新生界第四系松散堆积和冰水堆积层。其中，三叠系杂谷脑组(T2z)，岩性为石英砂岩、凝灰质砂岩、粉砂岩夹灰色粉砂质板岩、炭质板岩，主要分布在沟域两侧山脊及主沟中部区域；侏倭组(T3zh)岩性为薄变质长石砂岩、石英砂岩、岩屑砂岩、细砂岩、粉砂岩与深灰色粉砂质板岩、绢云母板岩、炭质板岩不等厚互层产出，偶夹结晶灰岩，在流域范围内广泛分布；新都桥组(T3xn)岩性主要为变质细砂岩夹少量板岩的砂岩段与深灰色砂质板岩，炭质板岩夹少量薄层变质砂岩的板岩段互层，少量分布于支沟上游。第四系松散堆积和冰水堆积层岩性主要为板岩、砂岩。其中残坡积层(Q4dl+el)为粉质粘土夹碎块石，主要分布于沟域斜坡区；坡堆积层(Q4del)为块碎石土，分布于沟域不同区域，以主沟中段区舒家坡滑坡规模最大；崩坡积层(Q4col)为碎石，主要分布于支沟沟道及主沟局部两侧山体斜坡上；第四系冲洪积层(Q4al+pl)为粉质粘土夹卵石，主要分布于主沟宽缓区段；泥石流堆积(Q4sef)为碎块石土，块石土，主要分布于支沟泥石流下游沟道内及主沟纵坡较缓区域；第四系人工堆积(Q4ml)为碎石、块石及采矿形成角砾石等，主要分布于波岩沟内。研究区位于鲜水河地震带和松潘地震带之间，抗震设防烈度为Ⅶ度。

1.3 气象水文特征

曾达沟所在区域气候属明显的大陆性高原季风气候，全年气候显著特点是日温差大，年温差小，多年平均气温12.8℃，变幅在12.3～13.6℃，最冷月(1月)均温2.5℃，变幅0.4～4.1℃之间，最热月(7月)均温20.7℃，变幅在19.3～22.2℃之间。曾达沟为金川县大金川河左侧一级支流，汇流面积125.53 km2，为常年流水沟道，常年平均流量约5～8 m3/s，遇强降雨时，汛期最大流量可达50 m3/s左右。研究区内年平均降水量为621 mm，最大年降水858.1 mm，全年降雨分布不均，其中旱季(11月至翌年4月)降水稀少(占年降水量的9%)，湿季(5月至10月)降水显著增加(占年降水量的91%)。曾达沟内16条支沟当中，11条支沟为常年流水沟，其余为季节性水沟。

2 “6.27” 曾达沟泥石流特征

2.1 泥石流成灾特征

据现场调访发现，自20世纪90年代至今曾达沟曾暴发过5次山洪泥石流灾害，最近一次泥石流灾害发生于2014年6月28日。2019年6月27日22时45分许，曾达沟突发泥石流灾害，本次泥石流堆积区面积约510 000 m2，堆积厚度约1.5～3.5 m，一次性冲出大量泥石流固体物质约150×104m3，泥石流冲出最大块石块径约1.5×1.2×0.8 m。造成海子坪村、曾达村、坛罐窑村居民房屋受损156户1 326间(图2(b))，农田受灾0.5 km2(图2(c))，牲畜家禽2 258头, 通乡通村道路损毁25.1 km(图2(a))，车辆受损6辆, 桥梁损毁17座(图2(d ))，交通、电力、通讯全部中断；此外此次特大型泥石流灾害造成已建地灾治理工程肋底槽前端齿墙基础悬空，冲毁防洪堤335 m，桥涵改造工程3处部分损坏或完全破坏，造成经济损失达1.51亿元。

值得注意的是群测群防体系在本次泥石流灾害中发挥重要作用，具体过程如下：6月27日晚19时曾达沟流域开始降雨，20时群测群防人员发现降雨持续加大，沟内河水上涨较快伴有垮塌声音，当即判断有泥石流暴发的可能，于是立即通知相关负责人拉响地灾警报，并组织乡村干部于20时10分开始逐户通知群众按应急避险预案和避险路线紧急转移。20时30分龙古沟泥石流暴发，21:00时泥石流到达主沟，22时10分到达沟口。在此次泥石流灾害中，因预警预报信息及时发布，提前采取避让措施，有效的避免了人员伤亡。

图2 曾达沟泥石流破坏图Fig.2 Destruction of debris flow in Zengda gully

2.2 泥石流运动参数特征

2.2.1 泥石流容重

计算泥石流流体重度、流速、流量是评价泥石流性质和规模的主要方法。然而，由于泥石流多发生于偏远山区，因其偶发性和灾害的快速性而难以观测。因此，泥石流发生以后，在曾达沟主沟泥石流堆积区采取泥石流土样, 并通过室内试验获得土样颗粒级配曲线(图3)。泥石流重度的计算使用我国西南山区泥石流粘粒(粒径<0.005 mm)含量数据的统计分析[15]。

γc=-1 320x7-513x6+891x5-55x4+34.6x3-67x2+12.5x+1.55.

(1)

图3 曾达沟颗粒级配曲线Fig.3 Particle grading curve in Zengda gully

式中：γc为泥石流的重度(g/cm3),x为泥石流土样中黏粒含量。

由颗粒分析得，根据式(1)求出泥石流容重为γc=1.65～1.84 g/cm3，平均容重为1.70 g/cm3。判断此次泥石流为稀性泥石流。

2.2.2 泥石流流速和峰值流量

根据现场勘察和泥石流相关模型计算泥石流的流速和流量，曾达沟泥石流为稀性泥石流，对稀性泥石流采用以下公式计算：

(2)

式中:Vc为泥石流断面平均流速(m/s)；γH为泥石流固体物质容重(g/cm3)；1/n为清水河床糙率系数；R为水力半径；I为泥石流水力坡度(‰)。计算参数和计算结果详见表2。泥石流峰值流量计算公式如下：

Qc=WcVc.

(3)

式中:Qc为泥石流断面峰值流量(m3/s)；Wc为泥石流过流断面面积(m2)，沟道形态参数可通过调查测绘获取；Vc为泥石流断面平均流速(m/s)。计算参数和计算结果详见表2。

表2 曾达沟泥石流流速和流量计算表Table 2 The velocity and flow of debris flow calculation table in Zengda gully

3 曾达沟泥石流成灾机制与运动过程

3.1 前期累计降雨与短历时强降雨共同作用激发泥石流形成

前期累计降雨量对于泥石流的形成影响巨大[16-17]，前期累计降雨量公式采用[18]：

(4)

其中：Pa为泥石流暴发前30d的有效降雨量；Pi为第i天的日降雨量；k为雨量递减系数取0.9。

据现场调访，当地居民反应泥石流发生前一个月，几乎每天都在下雨，前期降雨量十分丰富。通过收集金川县曾达沟附近气象站卡撒乡山埂子村气象台站和太平桥乡长胜店村气象台站(卡撒乡山埂子村气象台站距离曾达沟直线距离约17.1 km, 太平桥乡长胜店村气象台站距离曾达沟直线距离约12.6 km)泥石流发生前一个月的降雨数据，证实了这一说法。泥石流暴发前一个月卡撒乡山埂子村气象台站和太平桥乡长胜店村气象台站记录的数据表明研究区内前一个月未下雨天数仅为8 d(图4)，前期累计降雨量达188 mm(卡撒乡山埂子村气象台站)、148 mm(太平桥乡长胜店村气象台站)，前期降雨时间长、雨量大。前期充沛的雨量，沟内土体处于饱水状态，更容易形成地表径流，进而导致泥石流的临界降雨阈值降低[13,16]。前期降雨导致土体内孔隙水压力增大，土的抗剪强度减小[19-20]；在后续强降雨作用下，这种稳定性差的饱和土体极易被地表径流带走，形成泥石流。泥石流暴发当天的降雨总量约为6.7～52.6 mm，6月27日下午20:00曾达乡范围开始降雨，最大雨强出现在晚上22:45；20:30位于主沟左侧的龙古沟泥石流暴发，21:00时泥石流到达主沟，22:10时到达沟口，泥石流持续时间约3 h，泥石流的暴发时间与暴雨最大雨强一致。因此，前期累计降雨与短历时强降雨共同激发了此次泥石流的形成。

图4 曾达沟泥石流暴发前一个月的日降雨数据图Fig.4 Daily rainfall data of the month before the outbreak of the debris flow in Zengda gully

3.2 前期降雨量使沟道内物源增加

沟道内丰富的物源条件是山洪转化为泥石流的基础[21-22]。已有研究表明，前期降雨主要通过引发崩塌、滑坡和坡面坍塌的产生从而影响沟道内松散固体物质的数量[24]；雨水大量注入滑坡体，增加土体的含水量，使土体重度增加，降低岩体滑动抗剪强度[25-27]，进而促使稳定土体转化为泥石流物源。曾达沟物源的计算采用现场勘察并用1∶1 000和1∶10 000作为手图，并圈定集中物源、坡面物源、沟道物源的平面形态，平均厚度采用《泥石流防治指南》[23]中确定的松散固体物源储量计算方法。对于集中物源的平均厚度采用公式：

(5)

式中，H1是崩塌的平均厚度，Lp是崩塌前缘与后壁间的水平距离，θ是坡角度。

表3 曾达沟物源统计表Table 3 Source statistics of Zengdagou

对于沟床上、中、下游松散固体物质的断面具有不同形状，上游可能为V形，中游可能为梯形，下游可能为矩形。根据现场勘察确定了断面形状和尺寸之后，分别乘以各段长度予以估算。坡地上的松散固体物质主要为残坡积物、坡积物，崩塌散落体，自分水脊向沟床边缘逐渐变厚，其剖面为三角形。求坡地上松散固体物质储量时，先求得这个斜坡三角形面积，再与这个坡形沿沟谷方向的长度相乘。动储量的划分：集中物源是以潜在滑动面，破裂角，天然休止角等作为其不稳定面的界限，沟道物源以冲刷深度作为不稳定的界面，坡面物源以现场调查的侵蚀深度作为不稳定的界面。

根据现场勘察和计算结果，曾达沟内松散固体物质储量较丰富，主要物源类型有沟道堆积物源、滑坡物源、崩塌物源、坡面侵蚀类物源和人工堆积物源(表3)。引发曾达沟泥石流的松散固体物质主要来源于前期降雨导致的崩塌、滑坡，约占总物源的50%(图5)。

图5 曾达沟内崩塌、滑坡物源Fig.5 Source of collapse and landslide in Zengda gully

3.3 曾达沟泥石流的运动过程

6月27日22时45分许，在经历数小时强降雨之后，加上前期降雨充足，导致支沟中上游潜在物源发生大量崩塌、滑坡和坡面坍塌，与地表径流混合形成泥石流，沿支沟道向下奔流，支沟沟道纵坡降大(特别是支沟下游沟口段纵坡降可达300‰-400‰)，奔流向主支沟交汇处时速度快，加之龙古沟与主沟近直角交汇，支沟泥石流撞击到对岸坡面，泥石流体飞溅高度达30 m左右(图6(a))，龙古沟泥石流进入主沟后，与主沟道洪水混合，流速不断加快以及冲击力加强，导致主沟沿途铲刮、沟道下切作用更为明显(图6(b))，越来越多的松散固体物质参与到泥石流活动，加之支沟倪家坪沟、艾尔罗沟在强降雨的作用下也产生了不同规模的泥石流，使得主沟泥石流规模不断加大，最终形成特大型泥石流。

支沟龙古沟暴发泥石流，携带大量砂石进入下游沟道，在支沟艾尔罗沟沟口上游由于河道弯曲和纵坡相对平缓出现一定泥石流流体堆积，堆积体纵向长500 m左右，堆积量21.0×104m3(图6(c))，泥石流向下流动至1#拦挡坝处，受坝体拦挡，坝后完全淤满，堆积体纵向长250 m左右，堆积量3.7×104m3(图6(d))，泥石流向下流动至肋底槽处受肋底槽阻拦出现一部分流体堆积，纵向长40 m，堆积量0.6×104m3(图6(e))，泥石流流至沟口地带受沟道变缓影响，多数流体堆积于近沟口原排洪沟道及两侧，部分流进主河，沟口地带部分原排洪沟槽淤满，部分泥石流翻越防护堤，冲毁了两侧部分建筑及车辆，淤积长1 800 m左右，堆积量88.2×104m3(图6(f))。

图6 曾达沟泥石流运动过程图Fig.6 The movement process of the debris flow in Zengda gully

4 讨论

本次泥石流应急抢险是工程治理与非工程治理相结合的典范。在非工程治理方面：群测群防体系在曾达沟泥石流应急抢险过程中发挥了至关重要的作用。近年来，金川县以多种形式对地灾隐患点监测人员及受地灾威胁的群众开展地质灾害宣传培训工作(图7(a))，与此同时，有针对性地开展应急演练，确保监测人员能够熟练掌握山地灾害监测方法，并能初步判断山地灾害前兆性，及时报告地质灾害险情，引导群众有序地临灾疏散。全面提高了当地群众识灾、报灾、避灾和相互协调联动能力，增强了地质灾害防范意识，提升了自救互救技能。在工程治理方面：在此次灾害中1#拦挡坝削峰减流作用明显(图7(b))，泥石流在海子坪-坛罐窑一带开始淤积，砂石停淤在沟道内及沟道两侧，导致1#坝完全满库，3#坝处于半库状态；海子坪-沟口一带排导槽、停淤堤也发挥了重要疏导、引流作用(图7(c))，有效减少了泥石流溢出量； 同时上游长约140 m的肋底槽(图7(d))，有效稳固舒家坡滑坡，消除了滑坡堵沟的可能。曾达沟泥石流治理工程在此次灾害中起到了积极的防灾成效，起到了较好的固源与引流作用，有效的疏导排泄泥石流，减缓了泥石流暴发速度，有力遏制了泥石流灾害的危害，保护了群众生命安全，也为群众有效转移避险争取了大量时间。因此，在未来的防灾减灾中应当多注重工程治理与非工程治理相结合。

图7 工程治理与非工程治理成效图Fig.7 Engineering measures and non-engineering measures effectiveness

5 结论

本文以“6.27”曾达沟泥石流为例，通过分析泥石流的运动特征、形成条件，阐明了前期降雨对泥石流形成的影响。得出如下结论：

(1)曾达沟泥石流为稀性泥石流，容重为1.7 g/cm3，平均流速为8.55 m/s，峰值流量为1 567.56 m3/s。

(2)前期累计降雨结合短历时强降雨是形成本次泥石流的关键因素。丰富的前期累计降雨使沟内土体处于饱水状态，更容易形成地表径流。前期降雨使土体内孔隙水压力增加，土的抗剪强度降低，在后续强降雨作用下，这中稳定性差的饱和土体被地表径流带走，形成泥石流。前期累计降雨诱发曾达沟内崩塌、滑坡发生，为泥石流的暴发创造了良好的物源条件。据估算，崩塌、滑坡物源总量约为528.2×104m3，占总物源的50%。

(3)本次泥石流应急抢险是工程治理与非工程治理相结合的典范。群测群防体系在曾达沟泥石流应急抢险过程中发挥了至关重要的作用，使得本次泥石流灾害无人员伤亡。曾达沟工程治理措施起到了较好的固源与引流作用，有效的疏导排泄泥石流，减缓了泥石流暴发速度，有力遏制了泥石流灾害的危害，保护了群众生命安全，也为群众有效转移避险争取了大量时间。因此，在未来的防灾减灾中应当多注重工程治理与非工程治理相结合。