九寨沟震区“6·21”泥石流成因与致灾机制研究*

李 宁 唐 川 史青云 龚凌枫 亓 星

(①西华大学， 应急学院， 成都 610039， 中国)

(②地质灾害防治与环境保护国家重点实验室(成都理工大学)， 成都 610059， 中国)

(③中国地质调查局成都地质调查中心， 成都 610081， 中国)

(④四川轻化工大学， 土木工程学院， 自贡 643000， 中国)

0 引 言

强烈地震导致山区地质环境更加脆弱，震区的山体边坡在震后长期处于不稳定状态，发生次生灾害的可能性远远大于其他地区(Wasowski et al.，2014； 魏昌利等， 2019)。同时，由于地震的强烈扰动作用，泥石流沟域内松散物质的结构较原始状态更为松散，内部孔隙度则更大，这使得松散物质在降雨作用下更加不稳定，从而参与到泥石流活动之中，这也使得地震发生后，震区泥石流的临界水力条件更低，也就是说，震后震区泥石流更容易发生，泥石流活动更加强烈(Liu et al.，2014; 李宁等， 2020a)。

2017年8月8日，四川省九寨沟发生了MS7.0级地震(33.20°N， 103.82°E)(图1)，震源深度约20km(戴岚欣等， 2017)。此次地震导致震中附近九寨沟景区内的山体发生了松动，同时严重破坏了地质环境，崩塌、滑坡及不稳定斜坡大量发育，在降雨等驱动力作用下极易暴发大规模地质灾害(Fan et al.，2018； 许冲等， 2019； 佘金星等， 2021)。

图1 研究区概况图Fig. 1 Location map of the study area

2017年九寨沟“8·8”地震暴发后至今，震区每年雨季都暴发了泥石流灾害。2017年9月9日、9月14日及25日卓追沟、下季节海子沟暴发了小规模泥石流灾害，掩埋部分景区公路； 2018年6月28日暴发山洪泥石流灾害，导致大量基础设施受损，并致使九寨沟景区一度关闭。

2019年6月20日晚20点左右，九寨沟地区普降大到暴雨，导致2019年6月21日，凌晨3点左右卓追沟、下季节海子沟、则查洼沟等多处暴发了泥石流。泥石流灾害造成多处停淤挡墙及拦砂坝损坏，并淤埋了景区内的部分道路，造成了交通的短时间中断，未造成人员伤亡。

1 流域概况

3条泥石流沟的流域特征及灾害史如表1所示。以上3条泥石流沟都属于高频泥石流，近10a内均暴发过不同规模的泥石流，详细的暴发历史如表1所示。

表1 泥石流流域特征及灾害史汇总表Table 1 Catchment features and disaster history of debris flow hazards

2 泥石流形成条件分析

2.1 地形条件

2.1.1 卓追沟

卓追沟总体上为“U”型谷，中上游至上游段多呈“V”形，具有岸坡较陡，切割深度较大的特点。卓追沟中上游较为狭窄，沟底宽度一般为12～16m。中游沟底宽度一般为18～25m，局部段较窄，约10～15m。下游宽度一般可达20～40m，少量地段较为狭窄，约15～25m，形成宽窄相间的变化特点，沟道堆积和堵塞现象较为严重。

2.1.2 下季节海子沟

下季节海子沟整体地形陡峻，沟道横截面以“V”型为主，属于典型的急陡沟道型泥石流(李宁等， 2020b)。该流域内约有1.66km2的区域属于坡度大于25°的陡坡地，占总面积的将近88.9%； 即流域内主要以陡坡为主，沟谷纵坡较大，有利于降雨的汇集。此外，该沟纵坡降达到了593.22‰，极为陡峻，有利于泥石流的形成运移。

2.1.3 则查洼沟

则查洼沟地形条件与下季节海子沟类似，整体地形同样十分陡峻，同样属于急陡沟道泥石流，流域内约有86.9%的区域都属于坡度大于25°的陡坡地； 总体平面形态呈阔叶状，汇流条件良好。在纵向上，呈现上陡下缓的特征，受此影响上游沟道以水流下切冲刷作用为主，而呈“V”型； 而下游沟段以侧蚀及部分停淤运动为主，呈现“U”型，地形较上游相对宽缓。该沟流域特征如图2所示，纵剖面图如图3所示。

图2 泥石流流域特征及物源分布图Fig. 2 Catchment features and distribution of source material of debris flows

图3 泥石流主沟纵剖面图Fig. 3 Longitudinal profile of main debris flow channel

2.2 物源条件

2.2.1 卓追沟

调查表明，卓追沟泥石流的物源类型主要分为崩滑堆积物源和沟道堆积物源，流域物源总量约为20.51×104m3，其中：崩滑堆积固体物源总量为8.36×104m3，动储量为3.76×104m3，物源分布如图2所示，物源统计如表2所示。崩滑物源主要分布在中下游-中上游形成流通区沟道两侧，崩塌体积较大，堆积体主要以碎块石为主，碎石粒径为2～20cm，块石多为20～50cm，部分地方基岩出露。沟道堆积固体物源在流域内广泛分布，总量为12.15×104m3，动储量为4.56×104m3，该类物源由历年泥石流活动累积以及岸坡崩滑堆积逐渐形成，同时泥石流直接冲刷侵蚀作用强烈，是此次泥石流事件的主要物质来源。

2.2.2 下季节海子沟

调查发现，下季节海子沟流域内赋存大量的松散固体物质，其中主要包括沿沟床以及沟道两岸堆积的大量松散堆积物质、沟域内广泛分布的崩滑堆积体、主沟及支沟两侧的垮塌堆积体等。据统计，该沟内共发育60.86×104m3松散固体物源，动储量约为23.48×104m3。其中：约为26.5×104m3的沟道松散物源，动储量约为13.68×104m3； 约有34.36×104m3崩滑物源，动储量为9.91×104m3； 具体统计结果如表2所示。

2.2.3 则查洼沟

调查发现，则查洼沟流域内共有松散固体物源量54.71×104m3，可能参与泥石流活动的动储量为23.38×104m3，具体统计结果如表2所示。

其中：约有34.43×104m3崩滑体物源，动储量为15.11×104m3； 约有20.28×104m3沟道物源，动储量约为8.27×104m3。从分布特征来看，该沟上游以崩滑物源为主，中下游则以沟道物源为主。

2.3 水源条件

据调查，连续的强降雨是诱发此次泥石流灾害的主要诱因，也就是说此次灾害属于暴雨泥石流事件。通过查询《四川省中小流域暴雨洪水计算手册》可得该区域不同频率下的降雨雨强等相关降雨参数，统计结果如表3所示。结果显示，诱发此次泥石流事件的降雨频率属于5%，也就是属于该地区20年一遇的降雨条件。通过查表可知，在此降雨频率条件下24h、6h、1h、1/6h的降雨强度可分别为60.8mm、46.29mm、28.8mm、17.68mm，而该降雨条件足以导致泥石流灾害的发生。

表3 研究区不同频率下雨强值计算表Table 3 Calculation of rainfall for different return period

3 泥石流致灾过程机制分析

3.1 形成过程

3.1.1 卓追沟

野外调查发现，泥石流启动位置位于海拔3500～3800m段。位于主沟道左侧斜坡的滑坡碎屑体在强降雨形成的地表径流强烈冲刷下，迅速冲蚀形成沟道，并不断对沟道两侧的坡积物形成侧蚀而不断形成垮塌，沟道随后被拓宽加深，垮塌的松散堆积物被山洪裹挟而不断聚集，并最终转化为泥石流(图4a)。

图4 卓追沟泥石流流域全貌图Fig. 4 Overview map of Zhuozhui debris flow catchment

3.1.2 下季节海子沟

3.1.3 则查洼沟

则查洼沟上游纵坡降介于538.67‰～724.62‰，坡降较大，汇水条件良好，在6月20日凌晨强降雨的作用下迅速形成山洪，沟道中堆积的大量地震和寒冻产生的崩滑堆积碎屑物质在坡面侵蚀和坡脚掏蚀的共同作用下加入到洪水活动中(图6a， 图6b)，形成小规模泥石流； 由于沟道较陡(平均坡度>40°)，小规模泥石流流经中游沟道不断携带两侧支沟冲出物质，进一步增加泥石流规模(图3c，图3d)； 部分固体物质在流经2号坝后停淤在坝后宽缓地带，随后更多的泥石流漫过坝顶，以强烈的“拉槽”方式侵蚀老泥石流堆积体(图6g)，形成典型的“V”型沟道(图6f)，倾泻而下，冲毁了沟口的拦砂坝近8.2m，淤埋了沟口部分景区公路(图6e)。据灾害现场调查结果，则查洼沟泥石流一次冲出物固体物质总量约为2.67×104m3，冲毁沟口拦砂坝长约8.2m，形成长约312m、宽约125m、厚约1.7～2m的堆积扇，淤埋景区公路近300m。用现场配浆法测得泥石流体容重为1.85t·m-3，属于中型规模黏性泥石流。

3.2 致灾机制分析

(1)物源主要以沟内的滑坡或崩塌碎屑流堆积物为主(图7a，图7b)，地震诱发的大量松散岩土体以碎屑物堆积体滑动的形式参与泥石流活动。

(2)降雨形成径流的以沟道冲刷作用为主，导致沟内堆积物失稳进而参与泥石流活动，在沟内形成了深大、陡峻的“V”型沟道(图7c)。

图7 “6.21”泥石流形成过程特征照片Fig. 7 Erosion features along debris flow channels

(3)局部阵发性堵溃导致了灾害级联效应的产生(图7d)，在沟道相对狭窄及弯道地段，泥石流冲蚀坡脚造成局部滑塌，并形成堵塞。据调查推测，堰塞体可能在短时间破坏，进而形成溃决型泥石流，使其动能大大增强，从而产生规模放大现象。

(4)泥石流下切侵蚀强烈，急促的束状洪流裹挟起沟道内的老泥石流堆积物共同参与泥石流活动，极大地增加了此次泥石流的动力特性及规模(图7a，图7c)。

(5)地震诱发了超过预估的泥石流物源动储量，进而在强降雨的作用下导致泥石流规模及实际冲击力超过规范设计值。

3.3 泥石流运动特征参数

3.3.1 重度计算

本次采取现场调查试验法确定泥石流重度。在各个泥石流的堆积区各取1组土样，通过配浆法配制泥石流体，测取相关参数，并按式(1)计算重度：

(1)

式中：V为体积(m3)；Gc为重量(t)；γc为重度(kN·m-3)。

表4 泥石流流体重度计算表Table 4 Computational table of the unit weight of the debris flow stream

3.3.2 动力学参数计算

作为反映泥石流运动特性的重要参数，泥石流流速同时也是泥石流治理工程设计不可缺少的计算依据。目前常用的泥石流流速计算公式主要包括经验和半经验公式。充分考虑研究区内泥石流的形成及致灾特征，采用《泥石流防治工程勘察规范(试行)》(T/CAGHP 006-2018)中推荐公式 I.15(c. 通用公式)(式 (2))进行泥石流流速计算：

(2)

根据此次泥石流事件中体现出的暴发短促且集中等特点，选取《泥石流防治工程勘察规范(试行)》(T/CAGHP 006-2018)中推荐的方法计算一次泥石流过程固体物质总量(式(3))：

Q=0.246TQc=KTQc

(3)

Wc为沟道横截面积；Ic为沟道纵坡降；γc为固体物质重度；Vc为泥石流断面平均流速；Qc为泥石流峰值流量；T为泥石流历时；Q为次泥石流过流总量；P为泥石流冲击力

采用《泥石流防治工程勘察规范(试行)》(T/CAGHP 006-2018)推荐的形态调查法计算泥石流峰值流量(式(4))：

Qc=Wc×Vc

(4)

通过现场调查，分别在查洼沟、卓追沟、下季节海子沟3处泥石流沟的沟口，及中游防治工程后部测取断面，用以计算泥石流动力学参数，计算结果见 表5。

表5 泥石流动力学参数计算结果汇总表Table 5 Calculation of dynamic parameters of debris flows

4 结 论

(2)卓追沟、下季节海子沟、则查洼沟流域内松散物源以沟内的崩塌-碎屑流堆积物为主，并在此次泥石流过程中以“拉槽”的方式发生下切侵蚀破坏，具有局部阵发性及级联溃决的特点，同时地震诱发了超过预估的泥石流物源动储量，并以更低的泥石流启动条件增大了此次泥石流事件造成的危害。

此次调查表明，九寨沟地震导致泥石流活动更频繁，规模更大，而暴发于2019年6月21日的泥石流表明九寨沟震区泥石流已进入新的活跃期。此次泥石流活动冲出物仅占总物源量的4.88%～13.61%，表明流域内仍赋存有大量的松散物源，在一定降雨条件下，可能诱发更多数量及更大规模的泥石流灾害，未来3～5a内仍将处于泥石流的高活跃期。