羅玉婷, 唐 川, 熊 江, 陳 明, 張憲政

(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, 四川 成都 610059)

汶川地震及后期強降雨觸發(fā)了大量崩塌滑坡，據(jù)統(tǒng)計約有56 000多處滑坡，5.25×109m3松散碎屑物質(zhì)[1-2]。大量低黏性松散碎屑物質(zhì)懸掛在陡峭岸坡及溝道中，為泥石流暴發(fā)提供了充足物源，促使震后泥石流降雨閾值降低，泥石流活躍性提高[3]。有學者[4]通過對比地質(zhì)災(zāi)害活躍性演化過程指出，汶川震后泥石流將成為主要地質(zhì)災(zāi)害類型，且活躍時間將長達10 a以上。汶川地震后，強降雨誘發(fā)了大量災(zāi)難性泥石流，如2008年9月24日，北川縣強降雨觸發(fā)了72條泥石流，搬運出大量碎屑物質(zhì)幾乎淹沒了整個北川老縣城，於埋深度約10 m[3]。在極端降雨條件下出現(xiàn)的群發(fā)性泥石流易導(dǎo)致堵江事件，而堵江形成的堰塞湖及潰決都將對沿途人民生命財產(chǎn)造成更加毀滅性的破壞[5]。如2010年8月13日，受強降雨作用影響，汶川震中區(qū)映秀及其附近暴發(fā)約21條泥石流。其中紅椿溝輸出約75 m3松散物質(zhì)，并迅速在溝口形成長約150 m，寬約350 m，體積約為7.11×105m3的堆積扇。堆積扇堵斷岷江，促使上游水位抬升，岷江水流改道后淹沒了正在新建的映秀鎮(zhèn)，給災(zāi)區(qū)人民帶來巨大經(jīng)濟損失[6]。由于泥石流堵江導(dǎo)致上游水位抬升以及潰決后流量放大效應(yīng)對上下游地區(qū)造成嚴重損壞，眾多學者開始廣泛關(guān)注堵江范圍及其效應(yīng)問題。有學者[7]通過對大區(qū)域堵江事件進行統(tǒng)計分析指出導(dǎo)致堵江成因較多，而崩塌、滑坡、泥石流是其主要成因。同時，有學者[8]將崩滑體堵江模式總結(jié)分類，其中按崩滑體堵江程度分為完全堵江和不完全堵江，按堵江時間長短分為長期堵江和短暫堵江。另外還有學者[9-10]通過室內(nèi)模型試驗研究泥石流堵江條件，將泥石流堵江模式總結(jié)為：潛壩壅堵、堰塞壩局部阻塞和堰塞壩全堵3種模式，其中潛壩壅堵主要發(fā)生于運動速度較高的稀性泥石流或容重較小的黏性泥石流，以堰塞壩形式造成大河堵塞主要發(fā)生于黏性泥石流。在眾多關(guān)于泥石流堵江的研究中，多以經(jīng)驗或物理試驗手段進行探究為主，少有利用數(shù)值模擬與堵江范圍預(yù)測相結(jié)合進行分析展開研究。2019年8月20日，汶川地區(qū)暴發(fā)大規(guī)模泥石流事件，據(jù)野外調(diào)查發(fā)現(xiàn)，汶川縣共暴發(fā)15條泥石流，主要位于綿虒、銀杏地區(qū)。其中下莊溝泥石流堵斷雜谷腦河并導(dǎo)致51間房屋、下莊水電站、蓉昌高速及317國道遭受破壞。本文基于現(xiàn)場調(diào)查及遙感方法，結(jié)合泥石流降雨數(shù)據(jù)，主要從水動力條件、松散固體物質(zhì)來源分析泥石流的形成機制，揭示泥石流沿程侵蝕、搬運、堆積的活動特征；并通過對典型溝的堵江特征分析，利用FLO-2D模擬不同降雨頻率下泥石流的堵江范圍，為后續(xù)下莊溝泥石流災(zāi)害防治預(yù)警與同類型泥石流提供參考和借鑒。

1 研究區(qū)概況

下莊溝位于四川省阿壩州汶川縣克枯鄉(xiāng)境內(nèi)，流域地理坐標范圍約為31°28′39.52″—31°31′47.88″N，103°27′33.25″—103°31′39.89″E，溝道縱向長度約10.66 km，流域面積21.01 km2，海拔1 450～4 120 m。地形地貌上，研究區(qū)位于青藏高原東緣龍門山與四川盆地過渡區(qū)，呈高山峽谷地貌，河流下切作用強烈，流域相對高差高達2 600 m以上，為泥石流形成提供充足的能量條件。地質(zhì)構(gòu)造上，研究區(qū)位于龍門山斷裂帶上，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，節(jié)理與裂隙發(fā)育，巖土體穩(wěn)定性較低，易失穩(wěn)形成崩滑體為泥石流提供物源[11]。同時，由于研究區(qū)距震中僅47 km，地震過程中，強烈的地表震動導(dǎo)致研究區(qū)內(nèi)形成大量崩塌滑坡等不良地質(zhì)現(xiàn)象，地表巖土體破碎，在后期強降雨作用下，極易觸發(fā)形成新的淺層滑坡[4]。大量同震滑坡及震后滑坡為泥石流暴發(fā)提供充足物源，同時由于溝道長10.66 km，為泥石流流動過程中得到更為充足的物源補給提供了有利條件。氣候上，下莊溝地處溫帶大陸性半干旱季風氣候區(qū)，氣候溫暖干燥，屬于川西少雨區(qū)域。全年降雨量主要集中在6—9月，年均降雨量為526.3 mm，日最大降雨量可達79.9 mm[12-13]。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)獲取與處理

為了分析此次下莊溝泥石流成因、形成過程及堵江范圍預(yù)測，本文對下莊溝開展了詳細野外調(diào)查，并結(jié)合遙感影像對泥石流物源供給條件及泥石流形成、侵蝕搬運與堵江過程進行了分析。所涉及數(shù)據(jù)主要有位于板子溝溝口雨量站降雨監(jiān)測數(shù)據(jù)及2008年7月1日、2012年7月29日、2015年4月15日，2019年10月29日分辨率為10 m的影像數(shù)據(jù)。所獲取4期高精度遙感影像數(shù)據(jù)質(zhì)量較高，滿足人機交互式解譯目的?；诳铡臁匾惑w的調(diào)查技術(shù)，通過無人機拍攝獲取溝口正射影像，對受損房屋數(shù)量，道路等開展災(zāi)損情況調(diào)查。另外還搜集了研究區(qū)內(nèi)1∶50 000地形數(shù)據(jù)，并繪制成高精度DEM數(shù)據(jù)，為后文基于FLO-2D堵江范圍數(shù)值模擬分析提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，同時將DEM與影像疊加使得解譯結(jié)果更加準確。

2.2 方 法

在開展研究區(qū)解譯工作前，所獲取多源影像需經(jīng)過地理配準、圖像增色處理、對比度變換、多光譜變化等前期處理[14]，為分析從2008—2019年期間，坡面的泥石流物源補給溝道物源以及溝道物源累積情況，本文選擇物源連接度來說明坡面物源補給溝道物源特性。物源連接度定義為不同類型物源間連接數(shù)與最大可能連接數(shù)比值，可以表征坡面物源轉(zhuǎn)換為溝道物源程度，同時也可以說明物源運移通道連通完善狀況，體現(xiàn)物源輸出強度[15]。其計算公式為：

P=L/V

(1)

式中：P為物源連接度;L為崩滑物源與溝道相連接的數(shù)量;V為崩滑物源總數(shù)。

另外，為了估算流域內(nèi)崩滑物源體積量，本文采用汶川震區(qū)崩滑物源體積估算模型計算下莊溝流域內(nèi)物源儲量[6]。其計算公式分別為：

D=1.2lnSL-5.6

(2)

(3)

式中：D為崩滑體平均厚度(m);SL為崩滑體面積(m2);VL為崩滑體體積(m3)。

最后為進一步分析下莊溝泥石流堵江特征，本文采用FLO-2D模型開展不同降雨頻率下泥石流堵江范圍分析。

3 下莊溝“8·20”泥石流成因分析

3.1 地形條件

下莊溝泥石流溝流域總體上屬于中高山地形，河流下切侵蝕強烈，溝道狹窄呈V形，溝底平均寬度不足20 m。岸坡陡峻，兩岸坡度40°以上的面積達10.2 km2，占研究區(qū)面積49%，在降雨作用下，坡面物源易啟動補給溝道物源。流域內(nèi)最高點高程為4 120 m，溝口高程1 450 m，相對高差達2 670 m，溝床平均坡降為262.4‰，在地表徑流沖刷作用下，極易啟動形成泥石流。另外相對高陡的地形為流域內(nèi)的匯水提供了良好水動力條件，同時也為堆積在溝谷兩岸的崩滑體物源侵蝕提供了充足的動力條件。

3.2 降雨條件

降雨是觸發(fā)泥石流的重要因素，降雨通過入滲，導(dǎo)致松散堆積體粘聚力及抗剪強度降低，易失穩(wěn)形成泥石流。為分析下莊溝泥石流的降雨條件，本文搜集了距下莊溝4.5 km的板子溝雨量站數(shù)據(jù)資料來說明下莊溝的降雨過程(圖1)。板子溝雨量站為距下莊溝位置最近的雨量監(jiān)測站，且這兩個泥石流流域的山脊分水嶺相接，上游匯水區(qū)的氣候降雨條件極為接近。因此在數(shù)據(jù)限制條件下以板子溝雨量數(shù)據(jù)來分析下莊溝泥石流的降雨啟動特征具有一定的代表作用。由降雨數(shù)據(jù)推測，研究區(qū)于19日凌晨4時開始降雨，降雨強度較小，至傍晚23時，降雨開始急劇增多。在19日長達17 h降雨過程中，累計雨量僅8.2 mm。但19日23：00至20日3：00時泥石流暴發(fā)前短短4 h，泥石流觸發(fā)小時雨強達到12.7 mm/h，前期累積雨量達到27.9 mm?？梢姶舜文嗍鹘涤觐愋蛯儆诘湫偷目焖偌ぐl(fā)型，即泥石流暴發(fā)前期幾乎沒有降雨，而泥石流暴發(fā)前3～4 h，小時雨強和累積雨量突然猛增，使得泥石流在降雨急劇增加過程中暴發(fā)[16]。該雨型主要特點在于短歷時強降雨一方面使得松散土體快速入滲，縮短達到飽和所需時間。另一方面由于強降雨強度超過入滲能力而快速形成地表徑流，研究區(qū)地形陡峭有利于坡面快速匯流，形成溝道徑流，強烈侵蝕溝道物源。由于下莊溝2008—2018年未暴發(fā)過大型泥石流，坡面物源不斷累積在溝道中，啟動點至溝口長達4.2 km的過程中，泥石流不斷侵蝕溝道物源，伴隨兩岸堆積體坍塌補給和短暫堵潰效應(yīng)，使泥石流規(guī)模不斷增大，其搬運和破壞能力也增強，對溝口房屋及道路產(chǎn)生嚴重破壞。

3.3 物源條件

有效的物源供給是觸發(fā)泥石流的重要影響因素之一[17]。為了解流域內(nèi)坡面物源補給溝道物源情況以及溝道物源變化狀況，對流域內(nèi)物源進行了詳細解譯，結(jié)果見圖2與表1。由表1可知，流域內(nèi)受地震強烈震動共觸發(fā)崩塌滑坡132處，其中坡面崩滑物源面積為1.0 km2，體積為6.10×106m3，溝道物源面積僅為0.06 km2，流域內(nèi)物源總面積為1.06 km2。結(jié)合圖2可知，溝道物源多為溝道兩側(cè)崩滑體堆積在溝道中，呈現(xiàn)斷續(xù)分布，且主要分布在溝道下游。由表1可知，與溝道相連接的崩滑物源有34處，物源連接度為0.26。隨后汶川地區(qū)暴發(fā)了2010年“8·14”和2013年“7·10”群發(fā)性泥石流事件，兩次暴雨中下莊溝均未發(fā)生大規(guī)模泥石流，溝道物源變化不大，而坡面物源隨著震區(qū)地質(zhì)環(huán)境恢復(fù)，數(shù)量和面積都在逐漸減少。截止到2015年4月，坡面物源數(shù)量減少到91處，面積減少到0.5 km2，體積減少到2.85×106m3。結(jié)合圖2和表1可知，仍有多處崩滑物源與溝道相連接，在降雨及重力作用下持續(xù)補給溝道物源。2015—2019年，坡面物源持續(xù)減少，但在“8·20”強降雨作用下，溝道兩側(cè)部分崩滑物源復(fù)活，為泥石流提供物源(圖2)，由此導(dǎo)致物源連接度增加到0.28，且溝道物源面積迅速增加到0.2 km2。同時由表1可知，泥石流發(fā)生后坡面物源面積為0.29 km2，體積估算為1.49×106m3。綜合分析表明，近10 a來下莊溝內(nèi)物源逐漸趨向穩(wěn)定，泥石流物源面積較震初已明顯減少。而通過對比泥石流前后兩期影像上新鮮活動痕跡，將與溝道相連接且活躍的崩滑物源進行標記(圖2)。由此得知，下莊溝“8·20”泥石流事件中，坡面物源補給較少，溝道物源面積增加、溝道拓寬侵蝕現(xiàn)象明顯，為典型的溝道啟動型泥石流。據(jù)實地訪問調(diào)查，在2010和2013年兩個雨季汛期后，下莊溝溝道受沖刷、侵蝕后寬度、深度有所增加，被侵蝕的碎屑物質(zhì)搬運至攔擋壩處堆積，致使攔砂壩庫容不斷減少，物源逐漸累積。在“8·20”短時強降雨誘發(fā)下，導(dǎo)致大規(guī)模泥石流暴發(fā)。

圖1 鄰近溝道雨量站降雨過程

圖2 下莊溝泥石流流域物源變化特征

表1 下莊溝泥石流流域多期物源解譯統(tǒng)計結(jié)果

4 泥石流運動過程與堵江特征分析

4.1 泥石流形成及侵蝕搬運特征

為給后文數(shù)值模擬提供原型，本文對下莊溝泥石流形成、侵蝕搬運過程進行分析總結(jié)。下莊溝“8·20”泥石流具有典型的鏈式災(zāi)害特征，整個災(zāi)害鏈過程為：降雨+徑流侵蝕—泥石流—堵塞主河—河床抬高+水位抬升—雜谷腦河上游淹沒、於埋—堰塞體局部溢洪—雜谷腦河下游損害。受強降雨的觸發(fā)作用，下莊溝8月20日凌晨3點左右在距離溝口4.2 km溝道處啟動形成泥石流，整個泥石流持續(xù)了約120 min。泥石流流體自啟動點不斷向溝口演進，沿途不斷發(fā)生強烈溝床侵蝕作用，將前期堆積在溝床物源夾帶進入泥石流流體中，同時由于強烈的橫向侵蝕作用不斷掏蝕兩岸階地坡腳，促使前期堆積在溝道兩岸的碎屑體以塊狀坍塌形式補給泥石流流體。如圖3分別為泥石流暴發(fā)前溝道斷面實際情況和經(jīng)過“8·20”泥石流強烈侵蝕后的地貌形態(tài)，侵蝕溝谷寬度約3.8 m，深度約4.7 m。隨著沿程大量細顆粒物源加入泥石流，泥石流流體濃度不斷增加，泥石流輸出量及其搬運能力增強。溝道內(nèi)巨石，漂礫等塊體物質(zhì)以推移質(zhì)形式加入到流體運動中，在搬運過程中不斷翻轉(zhuǎn)、滾動，由此獲得更大的動量。據(jù)野外調(diào)查發(fā)現(xiàn)，流通區(qū)內(nèi)多為直徑1 m以下的細小石塊，而此次泥石流搬運出最大石塊長、寬、高分別約為4.0 m×3.5 m×3.2 m，搬運出溝口后，對溝口房屋及交通設(shè)施造成嚴重破壞。

圖3 下莊溝“8·20”泥石流侵蝕破壞

4.2 堵江特征

交匯角是影響泥石流形成堵江的關(guān)鍵因素，而90°交匯是最容易形成堵江的條件[18]。下莊溝泥石流與雜谷腦河垂直交匯，且為重度1.8 kg/L的黏性泥石流，通過相關(guān)文獻可知，以堰塞壩形式造成河流堵塞主要發(fā)生于黏性泥石流[10]。下莊溝泥石流與雜谷腦河交匯時，以龍頭的形式和一定的流動速度沖入河床，并沿河床上、下游擴展一段距離，形成寬度較厚的堰塞壩，堵江模式為堰塞壩全堵。泥石流沖出堆積過程中，致使上游90 m處的引水壩閘門被嚴重損毀并堵塞，減弱了河流對堆積扇形成的擾動及沖刷作用，一定程度上也促進了堵江現(xiàn)象的形成(圖4)。壩體平面形態(tài)為長條形，順河長度達280 m，橫河最大寬度110 m，長短軸比達到0.9～1.6，堆積范圍2.17×104m2，堆積扇平均厚度6.2 m左右，堰塞體最高處高出正常水位近3 m，沖出方量約1.35×105m3，壩體規(guī)模較大。隨著水位抬升，對堰塞壩靜水推力以及侵蝕能力增強，導(dǎo)致堰塞體出現(xiàn)潰口并在雜谷腦河左岸形成近15 m的溢洪道，洪水沖入下游造成洪水泛濫，而上游房屋最大淹沒深度約為4.5 m，淤泥深度約為1.1 m(圖5)。

圖4 下莊水電站引水壩

5 基于FLO-2D不同降雨頻率泥石流堵江范圍預(yù)測

5.1 參數(shù)選取

此次泥石流具有典型堵江現(xiàn)象，為探究不同降雨頻率下泥石流堵江范圍，采用FLO-2D二維泥石流動力模型對下莊溝泥石流進行數(shù)值模擬。泥石流暴發(fā)后，通過詳細野外調(diào)查及堆積扇容重等試驗，同時結(jié)合FLO-2D使用手冊確定模擬參數(shù)，其中體積濃度為Cv=0.6，則放大系數(shù)BF=2.5，其中曼寧系數(shù)n和層流阻滯系數(shù)K根據(jù)FLO-2D使用手冊建議選取n=0.1,K=2 285。通過重現(xiàn)下莊溝“8·20”泥石流堵江情況，由此完成對參數(shù)的優(yōu)化，基于此探究不同降雨頻率下下莊溝暴發(fā)泥石流的沖出范圍及堵江特征。根據(jù)《四川省中小流域暴雨洪水計算手冊》計算出P=20%，10%和5%時暴雨洪峰流量分別為231.77，274.09，343.63 m3/s，并基于簡化的五邊形法得到模擬所需的清水流量過程線[19]，輸入軟件進行數(shù)值模擬。

圖5 下莊溝上游房屋於埋破壞

5.2 數(shù)值模擬結(jié)果及驗證

前期野外實地勘察測量得知，此次泥石流堆積范圍2.17×104m2，堆積扇平均厚度6.2 m左右，沖出方量約1.35×105m3(圖6)。經(jīng)過對比計算，模擬堆積范圍與實測范圍重疊區(qū)域面積1.99×104m2，形態(tài)大小基本一致。同時，采用公式(4)計算出模擬精度，經(jīng)過計算，模擬精度高達95.3%，符合數(shù)值模擬要求。

(4)

式中：A表示泥石流數(shù)值模擬精度(%);S0為模擬與實測堆積范圍重疊區(qū)域(m2);SM為野外實測堆積范圍(m2);SN為模擬堆積范圍(m2)。

為進一步認識下莊溝泥石流堵江特征，本文分別模擬并統(tǒng)計了不同降雨頻率下泥石流沖出范圍、沖出規(guī)模及堆積厚度等結(jié)果(表2)。由圖6可知，由于5年一遇的降雨強度小，形成地表徑流也較小，難以攜帶大量松散碎屑物質(zhì)沖出溝道，絕大部分物源滯留在溝道中，在距離溝口200 m處能量耗盡隨即停止運動，未沖出溝口形成堆積扇，未形成堵江，對溝口居民房屋影響有限。在20年一遇的降雨頻率下，松散物質(zhì)隨泥石流漫過317國道進入雜谷腦河，泥石流堆積范圍2.16×104m2，平均厚度4.72 m，沖出方量約1.02×105m3。由圖6所示，在此頻率下，泥石流堆積扇長度基本與河道寬度一致，即堆積扇前緣基本抵達對岸，易形成堵江現(xiàn)象，對溝口上下游房屋構(gòu)成威脅。在50年一遇的降雨頻率下，大量物源沖出溝口并完全堵斷雜谷腦河，泥石流堆積扇面積6.17×104m2，平均厚度5.38 m左右，沖出方量約3.32×105m3，沖出規(guī)模較大，造成完全堵江現(xiàn)象，對溝口上下游房屋造成掩埋或摧毀等嚴重破壞。

圖6 下莊溝泥石流模擬結(jié)果驗證(左)及不同降雨強度下模擬結(jié)果(右)

表2 不同降雨強度下數(shù)值模擬統(tǒng)計結(jié)果

6 結(jié) 論

(1) 這次泥石流成因主要為：陡峭溝道地形為泥石流暴發(fā)提供充足的能量條件，隨著前期坡面物源不斷補給溝道物源，致使下莊溝溝道物源動儲量不斷累積，同時短歷時強降雨促使下莊溝產(chǎn)生溝道徑流沖刷溝床松散固體物質(zhì)啟動形成泥石流。

(2) 泥石流自啟動點開始沿途不斷發(fā)生溝床侵蝕和橫向侵蝕，促使大量物質(zhì)加入泥石流流體，使得其濃度增加，搬運能力和泥石流沖出規(guī)模不斷增大。溝道中大量巨石、漂礫等粗顆粒物質(zhì)以滾動、翻轉(zhuǎn)等形式加入流體運動，對溝口房屋和道路產(chǎn)生較強的沖擊破壞。

(3) 此次下莊溝泥石流為黏性泥石流，且與雜谷腦河的交匯角為90°，極易形成堰塞壩堵江現(xiàn)象，同時，被堵塞的引水壩閘門減弱了河流對堆積扇形成的擾動及沖刷作用，一定程度上也促進了堵江現(xiàn)象的形成。大量碎屑物質(zhì)搬運出溝口后形成了順河長度達280 m，橫河最大寬度110 m的堰塞體，堵江模式為堰塞壩全堵。

(4) 下莊溝“8·20”泥石流形成的堆積范圍約2.17×104m2，平均厚度約6.2 m，沖出方量約1.35×105m3。為進一步探究下莊溝泥石流堵江特征，基于FLO-2D軟件模擬了不同降雨頻率的堵江情況，結(jié)果顯示5年一遇的降雨頻率下大部分物源滯留在溝道中，未形成堵江；20年一遇的降雨頻率下，泥石流沖出規(guī)模較大，堆積扇前緣基本抵達對岸，易形成堵江現(xiàn)象；在50年一遇的降雨頻率下，泥石流沖出規(guī)模較大，沖出的松散物質(zhì)完全堵斷雜谷腦河，形成堰塞湖。