郭曉軍，向靈芝，2，周小軍，2，楊偉，2

(1．中國科學院山地災害與地表過程重點實驗室/中國科學院·水利部成都山地災害與環(huán)境研究所，四川成都610041;2．中國科學院研究生院，北京100049)

高家溝泥石流和深溪溝泥石流災害特征*

郭曉軍1，向靈芝1，2，周小軍1，2，楊偉1，2

(1．中國科學院山地災害與地表過程重點實驗室/中國科學院·水利部成都山地災害與環(huán)境研究所，四川成都610041;2．中國科學院研究生院，北京100049)

汶川地震之后，泥石流成為災區(qū)最為嚴重的災害類型之一，直接影響到災后重建和災區(qū)人民的生命財產(chǎn)安全。對汶川地震災區(qū)7月初群發(fā)性泥石流進行野外考察，重點分析了高家溝和深溪溝兩條泥石流的成因和特征。高家溝為由滑坡崩塌體引起的土力類粘性泥石流，容重約為2.07 g/cm3，總量超過30萬m3，分三次間歇性匯入主河，并堵斷1/2河道，迫使岷江持續(xù)沖刷對岸路基，損毀213國道長達400 m;深溪溝為山洪沖刷河道引起的水力類稀性泥石流，容重約在1.44～1.58 g/cm3之間，流量約在160～180 m3/s之間。對不同的泥石流溝應采用不同的防災減災措施，可有效降低泥石流災害對人民生命財產(chǎn)的威脅。

泥石流;山洪;溝床比降;溝道起動;汶川地震災區(qū)

0 引言

汶川地震導致大量的松散固體物質(zhì)的產(chǎn)生，為泥石流形成創(chuàng)造了豐富的物質(zhì)條件，地震之后幾年的降雨期間，汶川地震區(qū)出現(xiàn)了高頻群發(fā)性泥石流，導致大量人員傷亡和基礎設施損壞，對災區(qū)城鎮(zhèn)、村莊以及各種交通設施、水利水電設施、通訊設施、旅游風景區(qū)等都造成了極為嚴重的破壞。例如，岷江右岸的磨子溝在2008年雨季共計暴發(fā)了6次泥石流，沖毀溝口的213國道橋梁，淤埋國道80 m，還一度堵斷岷江干流，形成長15 m，高約20 m的堰塞壩，回水淹沒上游的一碗水村，迫使災民搬遷［1］。2010年8月，災區(qū)再次群發(fā)泥石流，都江堰龍溪河流域有27條溝谷同時暴發(fā)泥石流，雖未造成大量的人員傷亡，大量的泥沙淤積在河道中，抬高河床，將龍池鎮(zhèn)至豬槽溝約10 km的龍溪河道淤高4～7 m，沿河兩岸新修的旅游設施與建筑物幾乎全部被毀，給災后重建帶來了嚴重的影響。崔鵬等人曾預言災區(qū)泥石流已經(jīng)進入了泥石流的活躍期，將持續(xù)10～20 年［2－4］。

2011年雨季伊始，汶川地震災區(qū)已經(jīng)多處暴發(fā)泥石流，其中7月3日高家溝泥石流擠壓岷江河道，致使河流沖毀213國道路基，阻斷通往汶川縣城的交通生命線;臥龍國家級自然保護區(qū)管理局境內(nèi)遭受暴雨，河水猛漲致交通、通信、電力中斷，泥石流、山體滑坡等次生災害多處發(fā)生，共造成6 000余人受困，形成了耿達電站、耿達鄉(xiāng)、研究中心、臥龍鎮(zhèn)等“孤島”;理縣、小金縣多處發(fā)生泥石流，阻斷國道317線，山洪、泥石流等次生災害迫使近萬名群眾轉(zhuǎn)移。

目前汶川地震災區(qū)各溝的泥石流整體處于活躍期，地形、物源具備，在持續(xù)降雨或短時高強度暴雨誘發(fā)下，泥石流極易再次暴發(fā)［2－4］。現(xiàn)場調(diào)查表明，在2011年7月1日－7月3日強降雨的沖擊下，各溝發(fā)生泥石流的成因和性質(zhì)各有不同，本文以汶川縣境內(nèi)高家溝和都江堰虹口鄉(xiāng)境內(nèi)深溪溝為例，研究泥石流基本特征和成因，并提出相應的對策建議，為災區(qū)泥石流的研究做出貢獻。

1 高家溝泥石流

1.1 研究區(qū)概況

高家溝是岷江右岸的一條支溝，位于都汶公路中段，地處岷江上游河谷，溝內(nèi)新構(gòu)造運動活躍，活動斷裂構(gòu)造變形復雜，巖性主要是花崗巖。高家溝位于川西多雨區(qū)和干旱河谷的過渡地帶，往南的映秀、漩口和紫坪鋪河谷地帶，屬山地亞熱帶濕潤季風氣候區(qū)，屬川西多雨中心，年降雨量達1 200 mm左右;以北的綿篪、威州鎮(zhèn)河谷地帶屬于暖溫帶大陸性半干旱季風氣候區(qū)，氣候干燥，降水量少而集中，年降水量約500 mm左右，且以暴雨為主。高家溝流域面積約3.60 km2，溝長約2.86 km，流域內(nèi)最高海拔2 858 m，溝口海拔1 020 m，平均坡度為427.4‰，泥石流流通區(qū)溝床比降約為184.5‰。

1.2 泥石流成因

(1)物源條件

受地震的影響，高家溝內(nèi)崩塌、滑坡較為發(fā)育，是本次泥石流物質(zhì)的主要來源。另外，據(jù)調(diào)查，自從2008年汶川地震以后，高家溝及其支溝每年都會暴發(fā)泥石流，但都不曾形成大規(guī)模的沖積物沖出溝口，因此流通區(qū)內(nèi)堆積了大量的固體物質(zhì)，也為本次泥石流提供了部分物源。

(2)地形條件

高家溝主溝和此次暴發(fā)泥石流的支溝溝谷形態(tài)呈漏斗型(圖1，圖2)，上游寬闊，下游束窄，此種地形較易匯集上游水土，在下游形成大規(guī)模泥石流。該流域山體陡峻，源區(qū)平均坡度均超過500‰，溝床比降約為460.4‰，進入高家溝主溝之后，流通區(qū)的溝床比降為184.5%，為泥石流提供有利的動力條件。另外，本次暴發(fā)泥石流的支溝距離溝口和岷江河道僅約700 m，減少了流量和動力的沿程損失。

圖1 2011年7月3日高家溝泥石流示意圖

圖2 高家溝支溝泥石流

(3)水源條件

具備豐富的固體物質(zhì)與有利的地形條件后，強降雨是泥石流最重要的觸發(fā)因子。參考距離高家溝較近的綿篪鎮(zhèn)、漁子溪和映秀鎮(zhèn)等雨量站雨量資料，本輪降雨從2011年7月1日開始，到7月3日泥石流暴發(fā)前的累計前期降雨充沛，如漁子溪和映秀站資料均顯示，到泥石流暴發(fā)前，累積降雨量都超過100 mm。該流域面積較小，坡度較大，受這些自然條件的影響，降雨迅速匯流。

1.3 泥石流形成過程與性質(zhì)

(1)從2011年7月1日開始，都汶公路段遭受強降雨，至7月3日晚上22:00左右，本區(qū)累積降雨量已超過100 mm，在豐沛的前期降雨和本次降雨的誘發(fā)下，高家溝支溝內(nèi)發(fā)生大規(guī)模崩塌、滑坡，形成泥石流，因此，本次泥石流是由崩塌、滑坡引起的土力類泥石流。本次暴發(fā)泥石流的支溝內(nèi)平均坡度大、溝床比降大、距離高家溝流域出口近，受這些地形條件的影響，泥石流迅速匯流，并快速沖出溝口，匯入岷江。

(2)溝內(nèi)流通區(qū)的溝床比降超過180‰，這造成泥石流的速度和沖擊力極大，泥石流的搬運能力驚人，長徑超過3 m的巨石在堆積扇上緣和溝道下游比比皆是(圖3)，圖4所示為本次泥石流的顆粒級配曲線，從圖中可以看出，泥石流的顆粒級配分布曲線“兩頭大，中間小”，呈典型的雙峰型，d＞2 mm的顆粒占50.2%，d＜0.05 mm的顆粒占18.9%，粗細顆粒相差懸殊，結(jié)合泥石流現(xiàn)場調(diào)查，確定本次泥石流為高容重粘性泥石流。泥石流的容重采用式(1)來計算［5］，計算結(jié)果為2.07 g/cm3。

式中:γD表示計算的泥石流容重，單位為g/cm3;P0.05表示小于0.05mm的細顆粒的百分含量，此處用小數(shù)表示;P2表示大于2 mm的粗顆粒的百分含量，用小數(shù)表示;γV表示粘性泥石流的均值容重，取2.0 g/cm3;γ0表示泥石流的最小容重，取1.5 g/cm3。

圖3 高家溝泥石流中的大石塊

(3)通過形態(tài)調(diào)查法［6］計算分析，在溝口斷面，本次泥石流的峰值流量約為273m3/s，最大流速為12.07 m/s。泥石流從7月3日22:00左右開始，至7月4日04:00結(jié)束，分三次呈間歇性匯向岷江，形成長約250 m，寬約400 m，平均高度約5～6 m的堆積扇，并持續(xù)擠壓河道，使得岷江持續(xù)沖刷左岸路基，最終毀壞213國道路基長達400 m，中斷交通16 d。

圖4 高家溝泥石流顆粒級配曲線

(4)受汶川地震的影響，高家溝內(nèi)崩塌、滑坡、不穩(wěn)定邊坡較為發(fā)育，地震之后，每年都會暴發(fā)泥石流，仍屬于降雨控制型泥石流溝，因此，在強降雨的沖擊下，主溝或者支溝極易再次暴發(fā)泥石流。另外，泥石流沿著高家溝左側(cè)溝道匯入岷江，并持續(xù)沖刷溝道，帶走大量溝床固體物質(zhì)，而右側(cè)河道中固體物質(zhì)依然存在在下一次強降雨中起動的可能性(圖5)，據(jù)估計，該溝流通區(qū)(圖1)面積約為0.85 km2，固體儲量超過50萬m3。

2 深溪溝泥石流

2.1 研究區(qū)概況

深溪溝位于四川省都江堰市虹口鄉(xiāng)，溝口地理坐標 103°37'39.362″E，31°5'35.557″N，是岷江支流白沙河右岸的一條支溝。深溪溝位于龍門山構(gòu)造帶中南段，地質(zhì)構(gòu)造復雜，溝內(nèi)出露的巖性主要是中元古代花崗巖，部分地區(qū)出露有震旦系的灰?guī)r、粉砂巖和砂礫巖。流域面積約23.3 km2，主溝長度約10.35 km，最高海拔2 900 m，溝口海拔890 m，相對落差達2 010 m。本研究區(qū)內(nèi)降雨充沛，多年平均降水量超過1 200 mm，但季節(jié)分配不均。從2011年6月30日起，都江堰虹口鄉(xiāng)遭受長時間降雨，7月1日，深溪溝暴發(fā)大規(guī)模山洪，進而引發(fā)泥石流(圖6，圖7，圖8)。山洪泥石流多處中斷、毀壞溝內(nèi)道路，迫使大量群眾轉(zhuǎn)移，嚴重威脅當?shù)厝嗣竦纳睢?/p>

圖5 高家溝溝口

圖6 深溪溝泥石流示意圖

圖7 溝內(nèi)被沖倒的電線桿

圖8 溝內(nèi)原來的道路變成現(xiàn)在的河道

2.2 泥石流成因

(1)物源條件

汶川地震造成在坡面上產(chǎn)生大量的固體松散物質(zhì)，在強降雨的作用下，多次形成泥石流，如2010年8月14日強降雨造成該溝大規(guī)模泥石流。由于溝道較長，因此以前的泥石流沿程堆積，經(jīng)過洪水和雨水沖刷，形成以粒徑大于2 mm的顆粒為主的沿途堆積物，這些固體物質(zhì)是本次泥石流的主要固體物質(zhì)來源。

(2)地形條件

深溪溝流域平均坡度約293.5‰，流域上游平均坡度達431.5‰，清水匯流區(qū)面積為20.16 km2，流通區(qū)的平均溝床比降約為64.8‰。

2.3 泥石流性質(zhì)與形成過程

2008年地震之后，深溪溝曾多次暴發(fā)泥石流，在溝道內(nèi)遺留了大量的固體松散物質(zhì)。根據(jù)野外實地考察和當?shù)厝罕姺磻?月1日，在強降雨作用下，深溪溝流域形成山洪，進入流通區(qū)之后帶走沿途豐富的固體物質(zhì)，進而形成泥石流，所以本次泥石流為水力類的稀性泥石流。

為了詳細說明本次泥石流的形成及運動過程，在溝內(nèi)選擇三個典型斷面進行測量(斷面形狀見圖9)，分別確定山洪和泥石流的過流量，同時通過計算來確定泥石流的容重和泥石流的性質(zhì)。示意圖見圖9。

斷面1:

斷面2:

斷面3:

圖9 深溪溝斷面示意圖

斷面1位于清水匯流區(qū)末端，斷面1以下無徑流匯入，斷面2和斷面3位于泥石流流通區(qū)，根據(jù)當?shù)厝罕娞峁┑男畔ⅲ瑪嗝?為山洪斷面，斷面2和斷面3為泥石流斷面，因此，對斷面1用水力學公式進行流速計算，而對斷面2和斷面3，選擇鐵道第三勘察設計院集團有限公司［7－9］的稀性泥石流流速經(jīng)驗公式(式(2))來計算本次泥石流的流速和流量，對于稀性泥石流暴發(fā)之后的野外調(diào)查來說，很難準確估計固體顆粒的體積濃度Sv，因此分別計算體積濃度Sv為0.2、0.3、0.4時本次泥石流的流速和流量。

式中:h為水深(m);J為溝床比降;a是修正系數(shù)，可以用表1查出，計算結(jié)果為:斷面1流速Uc=12 m/s，洪峰流量為120 m3/s;斷面2和斷面3流速和流量見表2。

表1 泥石流體積比濃度Sv與修正系數(shù)a的關系

表2 深溪溝不同體積比濃度下的流速和流量

由表2中流量計算結(jié)果再反求固體濃度，結(jié)果表明，在在0.2～0.3之間時，反求的結(jié)果與假設的結(jié)果相符。因此，可確定本次泥石流是由山洪沖刷溝道內(nèi)固體物質(zhì)形成的水力類稀性泥石流，固體物質(zhì)體積濃度在0.2～0.3之間，泥石流流速在5～6 m/s之間，流量在160～180 m3/s之間，密度在1.44～1.58 g/cm3之間。另外，本次泥石流之后，溝道內(nèi)依然有大量的固體松散物質(zhì)存在，據(jù)估計，深溪溝溝道內(nèi)流通區(qū)面積約為3.14 km2，動土儲量超過60萬m3。

3 泥石流防治建議

對于災區(qū)泥石流溝來說，防治工程的作用顯著，2010年8月，都江堰市龍池鎮(zhèn)27條泥石流溝群發(fā)，使主溝內(nèi)房屋幾乎全部被毀壞，重創(chuàng)當?shù)芈糜螛I(yè)，泥石流在溝口形成了大規(guī)模的堆積扇區(qū)，淤積至龍溪河口，導致溝口處多戶居民房屋嚴重損毀，大量群眾被轉(zhuǎn)移，造成了重大的經(jīng)濟損失。2011年在強降雨的影響下，山洪危害依舊巨大，沖毀南苑橋，但在防治工程的作用下，幾乎無泥石流暴發(fā)。

依據(jù)泥石流的危險性和被保護對象的重要程度，建議對不同的流域采用不同的減災防災方案。如，對于深溪溝等以溝道物質(zhì)起動為特點的流域，在河床內(nèi)修建谷坊壩，抬高河床，降低溝床比降即可減緩泥石流災害。對于高家溝這種面積小，坡降大，崩塌、滑坡豐富的流域，除了應在泥石流流通區(qū)和物源區(qū)修建谷坊壩以控制物源，穩(wěn)定溝床意外，還應該在在溝口采用排導措施，以規(guī)范泥石流流向，減小泥石流溝與主溝的入?yún)R角，避免堵河。

4 結(jié)論

在分析高家溝泥石流流域特征和形成條件的基礎上，重點對泥石流的容重、流量和形成過程進行分析:

(1)高家溝泥石流為豐富的前期降雨和當次降雨共同作用，導致支溝內(nèi)發(fā)生滑坡、崩塌而引發(fā)的粘性泥石流，容重約為2.07 g/cm3，分三次間歇性匯向岷江，最大峰值流量為273 m3/s，沖出固體物質(zhì)總量超過30萬m3，持續(xù)擠壓河道，致使岷江左側(cè)不斷沖刷，并最終沖毀213國道路基。

(2)深溪溝泥石流為山洪沖刷溝道內(nèi)固體物質(zhì)而形成的稀性泥石流，泥石流流速在5～6 m/s之間，容重在1.44～1.58 g/cm3之間，泥石流流量約在160～180 m3/s之間。

(3)高家溝內(nèi)仍有大量的崩塌、滑坡和不穩(wěn)定邊坡，仍屬于降雨控制型泥石流溝。另外，由于受地震和震后泥石流的影響，高家溝和深溪溝溝道內(nèi)都有大量的松散物質(zhì)，在有充足降雨的情況下，極有可能再次暴發(fā)較大的泥石流。

［1］莊建琦．汶川震后孕災環(huán)境下泥石流形成機理試驗研究［D］．成都:中國科學院成都山地災害與環(huán)境研究所，2011．

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［3］Cui Peng，Chen Xiaoqing，Zhu Yinyan，et al．The Wenchuan Earthquake(May 12 2008)，Sichuan Province，China，and Resulting Geohazards［J］．Nat Hazards，2009，DOI0.1007/s11069－009－9392－1．

［4］謝洪，鐘敦倫，矯震，等．2008年汶川地震重災區(qū)的泥石流［J］．山地學報，2009，27(4):501－509．

［5］余斌．根據(jù)泥石流沉積物計算泥石流容重的方法研究［J］．沉積學報，2008，26(5):789－796．

［6］國土資源部．DZ/T0220－200泥石流災害防治工程勘查規(guī)范［S］．北京:國土資源部，2006

［7］費祥俊，舒安平．泥石流運動機理與災害防治［M］．北京:清華大學出版社，2004:114－116．

［8］康志成，李焯芬，馬藹乃，等．中國泥石流研究［M］．北京:科學出版社，2004:111－114．

［9］鐵道部第三設計院．鐵路設計手冊(橋涵水文)［M］．北京:人民鐵道出版社，1965:90－232．

Research on the Debris Flow Hazards in Gaojia Gully and Shenxi Gully in 2011

Guo Xiaojun1，Cui Peng1，Xiang Lingzhi1，2，Zhou Xiaojun1，2and YangWei1，2
(1．Key Laboratory of Mountain Hazards and Land Surface Progress/Institute of Mountain Hazards and Environment，CAS，Chengdu 610041，China;2．Graduate University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China)

Debris flows have become one of themost disastrous natural disasters in Wenchuan earthquake hit area since 2008，which have affected the re-construction and threatened lives and properties of local people．Field investigation on the July 3 group debris flows in 2011 ismade in this area and debris flow parameters，formation conditions and processes in Gaojia Gully and Shenxi Gully are analyzed respectively．Gaojia Gully debris flow is a gravity viscous debris flow and formed by rock avalanches and landslides in the branch gully．It rushed into Minjiang River intermittently for three times，with a density of around 2.07 g/cm3and total amountabout300 thousands cubicmeters．The debris flow blocked half of Minjiang River，squeezed it constantly and finally damaged the national highway 213 for 400 m．Shenxi Gully debris flow was induced by hydraulic non-cohesive debris flow caused bymountain torrent and its bulk density is between 1.44～1.58 g/cm3．Its discharge is between 160－180 m3/s．Taking different controlmeasures according to different debris flow characteristics can effectively reduce the threat of debris flows on people's lives and property．

debris flow;mountain torrent;slope gradient;initiation;Wenchuan earthquake

TU457

A

1000－811X(2012)03－0081－05

2012－01－17

2012－02－24

國家重點基礎研究(“九七三”)項目(2011CB409902);國家自然科學基金(40801009)

郭曉軍(1985－)，男，山西運城人，碩士，研究實習員，主要研究方向為山地水文學和泥石流．E-mail:sblong2003@yahoo.com.cn