吳雨夫，余斌，馬煜，張惠惠，褚勝名，李麗

(成都理工大學地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護國家重點實驗室，610059，成都)

2010年8月13日，“5·12”汶川地震強震區(qū)內(nèi)的都江堰市龍池鎮(zhèn)突遇特大降雨天氣，區(qū)域內(nèi)的龍溪河流域多處發(fā)生泥石流、滑坡和崩塌等地質(zhì)災(zāi)害，給當?shù)卦斐闪司薮蟮慕?jīng)濟損失。其中，位于龍池鎮(zhèn)南岳村七組的雙養(yǎng)子溝爆發(fā)的泥石流，造成了耕地、經(jīng)濟林及溝口通往龍池湖景區(qū)的旅游公路被毀等災(zāi)害。

“5·12”汶川地震后，強震區(qū)頻繁爆發(fā)泥石流。2008年9月22—24日，地震區(qū)北川、汶川和安縣等地大范圍爆發(fā)泥石流，2010年8月7日，地震區(qū)甘肅舟曲爆發(fā)特大規(guī)模泥石流，2010年8月13日，地震區(qū)汶川映秀鎮(zhèn)、都江堰市龍池鎮(zhèn)和綿竹市清平鎮(zhèn)等地爆發(fā)大規(guī)模泥石流，這些泥石流災(zāi)害都造成了人員傷亡和巨大的經(jīng)濟損失。唐川［1］、崔鵬等［2］和謝洪等［3］等學者都認為，受汶川地震影響，地震后10 a內(nèi)，震區(qū)泥石流的活動趨勢會持續(xù)加強。截至2010年10月19日，雙養(yǎng)子溝流域內(nèi)滑坡崩塌體依然十分發(fā)育，松散固體物質(zhì)仍然非常豐富，如遇強降雨，可能會再次爆發(fā)泥石流。筆者通過對雙養(yǎng)子溝泥石流災(zāi)害現(xiàn)場的調(diào)查成果，分析泥石流災(zāi)害特征、成災(zāi)原因和成災(zāi)過程，探討泥石流的發(fā)展趨勢，以期為規(guī)避地震災(zāi)區(qū)泥石流災(zāi)害及認識強震區(qū)泥石流的發(fā)育特征提供參考。

1 雙養(yǎng)子溝流域特征

雙養(yǎng)子溝位于都江堰市龍池鎮(zhèn)境內(nèi)，溝口地理坐標為 E 103°33'2.1″，N 31°6'2.9″，距龍池場鎮(zhèn)直線距離5 km，屬于岷江支流龍溪河右岸的一級支溝。雙養(yǎng)子溝流域面積2.45 km2，主溝長2.9 km，平均縱比降379‰。流域相對高差1 380 m，主體流向由西向東(圖1)。雙養(yǎng)子溝發(fā)育有2條支溝:1號支溝流域面積0.30 km2，溝長0.63 km，相對高差650 m，平均縱比降675‰;2號支溝流域面積0.81 km2，溝長0.72 km，相對高差860 m，平均縱比降687‰。

圖1 雙養(yǎng)子溝流域圖Fig.1 Drainage basin of Shuangyangzi gully

1.1 地形地貌

雙養(yǎng)子溝在地貌上屬中山構(gòu)造侵蝕地貌。主溝發(fā)育于流域峽谷區(qū)，岸坡陡峻，坡度一般在40°～60°之間，局部達到 80°，溝谷切割深，跌水坎多，橫斷面中上游呈V字型，下游呈U字型，這些特征都為泥石流的暴發(fā)提供了有利的地形條件。

1.2 地質(zhì)

在地質(zhì)構(gòu)造上，雙養(yǎng)子溝流域地處虹口映秀斷裂北西側(cè)，距離“5·12”汶川地震的宏觀震中—牛圈溝的直線距離為12.3 km。虹口映秀斷裂為龍門山中央北川—映秀斷裂的一部分，長40 km，斷層面向北西傾斜，傾向 300°～330°，傾角 50°～60°。雙養(yǎng)子溝流域內(nèi)可見地層出露，主要有元古界晉寧—澄江期的第四期的花崗巖，震旦系下統(tǒng)火山巖組的灰綠色安山巖、凝灰?guī)r及安山玄武巖，以及堆積在溝口龍溪河階地上新生界第四系河流相堆積物。

2008年汶川地震后，雙養(yǎng)子溝流域內(nèi)滑坡崩塌體發(fā)育強烈，經(jīng)過震后3個雨季的影響，大量崩滑體失穩(wěn)，在溝道兩側(cè)堆積了大量松散固體物質(zhì)?！?·13”泥石流爆發(fā)后，雙養(yǎng)子溝流域內(nèi)形成了不少天然堆石壩，溝床內(nèi)也富集了很多松散固體物質(zhì)(圖2)。據(jù)現(xiàn)場調(diào)查統(tǒng)計，溝內(nèi)松散固體物質(zhì)達12.4萬m3，這些豐富的固體物源為泥石流的爆發(fā)提供了有利的物質(zhì)條件。

圖2 雙養(yǎng)子溝溝床、崩滑體堆積物及天然堆石壩Fig.2 Gully bed，landslide deposits and natural dam in Shuangyangzi gully

1.3 降雨

龍池鎮(zhèn)屬于亞熱帶濕潤氣候區(qū)，通過對該區(qū)1957至2006年的降雨資料統(tǒng)計分析，區(qū)內(nèi)降水充沛，降雨時間分布不均勻，主要集中在每年的5—9月份，其中8月份降雨量最大。年平均降雨量達到1 134.8 mm，月平均降雨量最多的8月份達289.9 mm。10 a一遇1 h降雨強度為71.3 mm，20 a一遇1 h降雨強度為74.8 mm［4］，豐富的降雨為泥石流的形成提供了水源和動力條件，對泥石流的形成非常有利。

都江堰龍池鎮(zhèn)查關(guān)村氣象站降水資料(圖3)顯示，2010-08-13 T 16:00:00開始降雨，最初雨量較小，17:00:00降雨量最大，降雨強度達75 mm/h，為20 a一遇強降雨，降雨持續(xù)至2010-08-14 T 00:00:00，累計降雨量達156.9 mm。2010-08-18 T 13:00:00開始降雨，持續(xù)至08-19 T 06:00:00，累計降雨量達252.2 mm，最大降雨強度達69.0 mm/h，為10 a一遇降雨。雙養(yǎng)子溝08-13 T 16:00:00開始爆發(fā)泥石流，17:20:00泥石流停止，共歷時70 min。而在08-19，降雨強度為10 a一遇，但是沒有形成泥石流。

圖3 都江堰龍池查關(guān)村降雨資料Fig.3 Rainfall data in Chaguan Village，Dujiangyan City

2 泥石流特征及起動機制分析

2.1 “8·13”泥石流特征

在汶川“5·12”地震前，雙養(yǎng)子溝近百年未曾發(fā)生過泥石流，歷史上應(yīng)屬于非泥石流溝。地震發(fā)生后，溝內(nèi)山體松動，崩塌滑坡發(fā)育強烈，并在溝道兩側(cè)聚集了大量松散固體物質(zhì)，雙養(yǎng)子溝演變成為一條潛在泥石流溝。2010-08-13 T 16:00:00，受到強降雨的激發(fā)，雙養(yǎng)子溝爆發(fā)了泥石流，形成為一條活動性泥石流溝。

雙養(yǎng)子溝發(fā)生泥石流后，流域內(nèi)地貌發(fā)生了很大的變化，下游溝床被抬升1～2 m，同時溝道被顯著拓寬，寬度由原來的3～4 m變化為28～35 m，變化幅度巨大。在中上游溝道，溝床粗糙，大石塊較多，并形成多處跌水坎和天然堆石壩。此外，雙養(yǎng)子流域溝道內(nèi)顆粒粒徑從形成區(qū)到堆積區(qū)的分布也很有特點，先是形成區(qū)的大小顆粒混雜，然后順著流通區(qū)與堆積區(qū)逐漸變小(表1)。造成這種現(xiàn)象的主要原因是溝道的彎曲，以及溝內(nèi)存在的大石塊對泥石流產(chǎn)生了消能減速的結(jié)果，進而出現(xiàn)不同粒徑石塊沿溝道分選沉降。也正是由于溝道彎曲和天然堆石壩的影響，雙養(yǎng)子溝泥石流在主溝第2個彎道處便開始淤積。溝道內(nèi)平均淤積厚度1.5 m，寬度30 m，呈長方形堆積，總量約2萬m3;溝口堆積區(qū)呈橢圓形(圖4)，左側(cè)較小，整體向溝口右側(cè)發(fā)育，淤積厚度約2 m，總量約3.8萬m3。

表1 雙養(yǎng)子溝流域顆粒平均粒徑分布Tab.1 Distribution of particles average size in Shuangyangzi gully

圖4 雙養(yǎng)子溝流域泥石流溝道與部分堆積區(qū)Fig.4 Channel of debris flow and part deposition area of Shuangyanzi gully

2.2 泥石流起動機制分析

對于震區(qū)泥石流起動方式，有學者［5］認為主要有2種:一是由于暴雨過程形成的斜坡表層徑流導致懸掛于斜坡上的滑坡體表面和前緣松散物質(zhì)向下輸移，進入溝道后轉(zhuǎn)為泥石流過程;二是“消防水管效應(yīng)”使溝道水流快速集中，并強烈沖刷溝床中松散固體物質(zhì)，導致溝床物質(zhì)起動并形成泥石流過程。也有學者［6］認為，流域內(nèi)滑坡堵塞溝道，在強大洪水作用下潰決形成泥石流。經(jīng)過對雙養(yǎng)子溝實地調(diào)查發(fā)現(xiàn)，震后溝道兩側(cè)的崩滑體十分發(fā)育，溝岸的堆積物松散，坡度大多處于臨界休止角，多數(shù)處于不穩(wěn)定狀態(tài)，極易滑動進入溝床導致溝道堵塞。其中距離溝口1.2 km處的滑坡體(圖5，將該滑坡命名為H1)就是形成此次泥石流的主要原因。H1滑坡體高90 m，底端長120 m，坡度35°，遺留溝道左側(cè)，堆積堤高2.5 m。堵塞體方量約8 500 m3。H1滑坡體現(xiàn)存堆積物與左岸堆積堤物巖性一致，顆粒級配一致，這2處堆積物都是H1滑坡的物質(zhì)。經(jīng)過訪問當?shù)卮迕竦弥?，?010-08-13之前，雙養(yǎng)子溝流域內(nèi)未見溝道堵塞情況?？梢酝茰y，在爆發(fā)“8·13”泥石流之前，H1滑坡體在強降雨作用下失穩(wěn)發(fā)生滑動，然后堵塞溝道形成了堰塞壩。之后在巨大洪水的作用下，該堰塞壩潰決形成了此次泥石流。

圖5 滑坡體H1斷面圖Fig.5 Cross-section of Landslide H1

3 雙養(yǎng)子溝泥石流靜動力學特征

泥石流的靜力學和動力學特征是泥石流的重要特征參數(shù)。對雙養(yǎng)子泥石流流通區(qū)和堆積區(qū)的沉積特征調(diào)查結(jié)果可知，沿流通區(qū)溝道走向，粗化層顆粒的粒徑逐漸變小，具有明顯溝道分選特征，堆積區(qū)是弱分選沉積，判定雙養(yǎng)子溝“8·13”泥石流為過渡性泥石流。根據(jù)調(diào)查時在雙養(yǎng)子溝堆積區(qū)提取的小樣顆粒粒徑分布曲線圖(圖6)，去掉亞黏性泥石流中大于20 mm的粗顆粒后，再由顆粒分布曲線計算出過渡性泥石流的密度［7］:

圖6 顆粒粒徑分布曲線Fig.6 Particle distributions of sediment in debris flow

式中:γD為過渡性泥石流密度，g/cm3;γV為黏性泥石流最小密度(為2.0 g/cm3);γO為泥石流最小密度(為1.5 g/cm3);P2為＞2 mm的粗顆粒質(zhì)量分數(shù)(小數(shù)表示);P05為＜0.05 mm的細顆粒質(zhì)量分數(shù)(小數(shù)表示)，計算結(jié)果見表2。

表2 計算泥石流密度Tab.2 Densities of debris flow

雙養(yǎng)子溝“8·13”泥石流的流量和規(guī)?？梢酝ㄟ^泥痕法計算得出。在流通區(qū)中段測量的洪痕斷面為一復式斷面，各參數(shù)值見表3。

表3 洪痕斷面特征Tab.3 Characteristics of cross-section

泥石流的運動速度是泥石流動力學參數(shù)中最重要的參數(shù)，根據(jù)雙養(yǎng)子溝泥石流特征，選用過渡性泥石流平均速度公式［8］計算流速，由于本次泥石流為潰決型泥石流，一次泥石流過程總量的計算方法采用水量平衡原理分析出的概化過程線［9］。

式中:v為泥石流斷面平均流速，m/s;g為重力加速度，9.81 m/s2;R為水力半徑，m;I為泥石流表面(或溝床)縱比降;D50為泥石流泥沙顆粒中比例小于50%的顆粒粒徑(D50=11 mm);D10為泥石流泥沙顆粒中比例小于10%的顆粒粒徑(D10=0.3 mm);A為泥石流過流斷面積，m2;Q為泥石流流量，m3/s;t為泥石流持續(xù)時間(t=4 200 s)，W為泥石流總量，m3。表4為泥石流流速、流量及總量的計算結(jié)果。

表4 雙養(yǎng)子溝泥石流流速、流量及總量的計算結(jié)果Tab.4 Calculation results of velocity，discharge and volume of debris flow in Shuangyangzi gully

結(jié)果顯示，雙養(yǎng)子溝“8·13”泥石流總量約6.6萬m3，與現(xiàn)場測量的泥石流沖出物質(zhì)量5.8萬m3比較接近，因此，由式(2)、(3)和(4)計算的雙養(yǎng)子溝2010年8月泥石流的特征值較準確。

4 結(jié)論與趨勢分析

1)雙養(yǎng)子溝流域原本不是泥石流溝，經(jīng)過“5·12”汶川地震及震后3個雨季的作用，演變成為一條活動性泥石流溝。

2)雙養(yǎng)子溝流域“8·13”泥石流是過渡性泥石流，密度在1.83 g/cm3左右，沖出的泥石流物質(zhì)總量為5.8萬m3。

3)雙養(yǎng)子溝流域“8·13”泥石流為潰決性泥石流。流域內(nèi)H1滑坡體在20 a一遇強降雨作用下失穩(wěn)滑動進入溝道，形成堰塞壩，然后在洪水的強力作用下堰塞壩潰決進而形成泥石流。

4)雙養(yǎng)子溝流域發(fā)生泥石流后，溝道內(nèi)形成有較多的跌水坎及天然堆石壩，溝床固體物源分布豐富，溝道兩側(cè)的崩滑體非常發(fā)育，物源總量達12.4萬m3。在10 a一遇降雨條件下，雙養(yǎng)子溝未發(fā)生泥石流，而在20 a一遇的強降雨(最大降雨強度達75 mm/h)作用下爆發(fā)泥石流，同時根據(jù)溝內(nèi)豐富的物源條件，預測如果爆發(fā)20 a一遇的降雨或比20 a一遇更大的降雨，可能會爆發(fā)泥石流。

［1］唐川.汶川地震區(qū)暴雨滑坡泥石流活動趨勢預測［J］.山地學報，2010，28(13):341-349

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