黃 洪，陳寧生，胡桂勝，劉恩龍，倪化勇

(1.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.中國科學院山地災害與地表過程重點實驗室，四川 成都 610041；3.中國科學院大學，北京 100049； 4.四川大學 水利水電學院，四川 成都 610065； 5.中國地質調查局成都地質調查中心，四川 成都 610081)

泥石流是一種高濃度、寬級配的多項非均質流體[1-2]。姚振國[3]等對392條泥石流溝統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，流域面積對于泥石流發(fā)育和形成起著控制作用，且泥石流易發(fā)流域面積多小于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側蝕和揭底沖刷作用[4-7]。降雨是控制泥石流形成的最重要因素之一[8-11]，降雨分為前期降雨和激發(fā)雨強。前期降雨可通過改變土體結構和降低泥石流的降雨閾值從而影響泥石流的發(fā)生[12]。陳寧等[1]在研究岷江流域暴發(fā)泥石流的降雨條件時發(fā)現(xiàn)前期降雨量在60 mm～110 mm左右，短歷時強降雨達到15 mm～45 mm就有可能發(fā)生泥石流，這說明隨著前期降雨的增大，激發(fā)泥石流所需的臨界降雨量隨之減??；霍曉燕[13]等發(fā)現(xiàn)當前期降雨導致土壤飽和率從0.20分別增加到0.50和0.80時，激發(fā)泥石流的雨強分別減少13.7%～16.2%和26.8%～31.8%；此外，在前期降雨充足的情況下，地表將產生有利于泥石流暴發(fā)的超滲產流和超蓄產流[14]。在此背景下，本文以金川縣曾達溝“6.27”泥石流為例，通過分析泥石流災害發(fā)生前的降雨特征，結合曾達溝工程治理措施與非工程治理措施，闡明了前期累計降雨如何對泥石流形成產生影響。本研究可為大流域泥石流災害的預警預報和防治措施提供些許參考。

1 研究區(qū)概況

1.1 地形地貌特征

金川縣位于四川盆地與青藏高原東南緣的過渡地帶，地形切割劇烈，為高山峽谷地貌。曾達溝泥石流平面形態(tài)呈“梨”型，流域面積125.53 km2，溝口地理坐標：N31°13′15″，E102°00′10″,主溝長16.9 km，主溝平均縱坡降介于50‰～685‰，總體上以深切割“V”和“U”體型谷為主，坡度陡峭，切坡深度大。曾達溝流域最高高程位于支溝龍谷溝為4 720 m，最低高程位于溝口為2 056 m，相對高差2 664 m，全流域平均縱坡降約126‰，總體呈現(xiàn)上游陡，中下游較緩。曾達溝內支溝發(fā)育，各支溝整體呈魚排式分布于主溝兩側(圖1)。溝域內從上至下共發(fā)育有較大支溝16條(表1)，支溝中下段溝道狹窄，溝道寬15 m～40 m，兩岸谷坡陡峻，坡度約35°～60°，局部基巖出露段坡度達70°以上。左岸支溝9條，右岸支溝7條，共計16條支溝。

表1 曾達溝特征參數(shù)表 Table 1 Zengda valley characteristic parameters

圖1 曾達溝流域全貌Fig.1 Zengda gully drainage basin

1.2 地質背景

研究區(qū)內新構造運動較強烈，區(qū)內褶皺構造發(fā)育，斷裂不發(fā)育，以擠壓緊密、軸部尖棱為特征的褶皺為主。區(qū)內分布有三疊系地層、新生界第四系松散堆積和冰水堆積層。其中，三疊系雜谷腦組(T2z)，巖性為石英砂巖、凝灰質砂巖、粉砂巖夾灰色粉砂質板巖、炭質板巖，主要分布在溝域兩側山脊及主溝中部區(qū)域；侏倭組(T3zh)巖性為薄變質長石砂巖、石英砂巖、巖屑砂巖、細砂巖、粉砂巖與深灰色粉砂質板巖、絹云母板巖、炭質板巖不等厚互層產出，偶夾結晶灰?guī)r，在流域范圍內廣泛分布；新都橋組(T3xn)巖性主要為變質細砂巖夾少量板巖的砂巖段與深灰色砂質板巖，炭質板巖夾少量薄層變質砂巖的板巖段互層，少量分布于支溝上游。第四系松散堆積和冰水堆積層巖性主要為板巖、砂巖。其中殘坡積層(Q4dl+el)為粉質粘土夾碎塊石，主要分布于溝域斜坡區(qū)；坡堆積層(Q4del)為塊碎石土，分布于溝域不同區(qū)域，以主溝中段區(qū)舒家坡滑坡規(guī)模最大；崩坡積層(Q4col)為碎石，主要分布于支溝溝道及主溝局部兩側山體斜坡上；第四系沖洪積層(Q4al+pl)為粉質粘土夾卵石，主要分布于主溝寬緩區(qū)段；泥石流堆積(Q4sef)為碎塊石土，塊石土，主要分布于支溝泥石流下游溝道內及主溝縱坡較緩區(qū)域；第四系人工堆積(Q4ml)為碎石、塊石及采礦形成角礫石等，主要分布于波巖溝內。研究區(qū)位于鮮水河地震帶和松潘地震帶之間，抗震設防烈度為Ⅶ度。

1.3 氣象水文特征

曾達溝所在區(qū)域氣候屬明顯的大陸性高原季風氣候，全年氣候顯著特點是日溫差大，年溫差小，多年平均氣溫12.8℃，變幅在12.3～13.6℃，最冷月(1月)均溫2.5℃，變幅0.4～4.1℃之間，最熱月(7月)均溫20.7℃，變幅在19.3～22.2℃之間。曾達溝為金川縣大金川河左側一級支流，匯流面積125.53 km2，為常年流水溝道，常年平均流量約5～8 m3/s，遇強降雨時，汛期最大流量可達50 m3/s左右。研究區(qū)內年平均降水量為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%)，濕季(5月至10月)降水顯著增加(占年降水量的91%)。曾達溝內16條支溝當中，11條支溝為常年流水溝，其余為季節(jié)性水溝。

2 “6.27” 曾達溝泥石流特征

2.1 泥石流成災特征

據(jù)現(xiàn)場調訪發(fā)現(xiàn)，自20世紀90年代至今曾達溝曾暴發(fā)過5次山洪泥石流災害，最近一次泥石流災害發(fā)生于2014年6月28日。2019年6月27日22時45分許，曾達溝突發(fā)泥石流災害，本次泥石流堆積區(qū)面積約510 000 m2，堆積厚度約1.5～3.5 m，一次性沖出大量泥石流固體物質約150×104m3，泥石流沖出最大塊石塊徑約1.5×1.2×0.8 m。造成海子坪村、曾達村、壇罐窯村居民房屋受損156戶1 326間(圖2(b))，農田受災0.5 km2(圖2(c))，牲畜家禽2 258頭, 通鄉(xiāng)通村道路損毀25.1 km(圖2(a))，車輛受損6輛, 橋梁損毀17座(圖2(d ))，交通、電力、通訊全部中斷；此外此次特大型泥石流災害造成已建地災治理工程肋底槽前端齒墻基礎懸空，沖毀防洪堤335 m，橋涵改造工程3處部分損壞或完全破壞，造成經濟損失達1.51億元。

值得注意的是群測群防體系在本次泥石流災害中發(fā)揮重要作用，具體過程如下：6月27日晚19時曾達溝流域開始降雨，20時群測群防人員發(fā)現(xiàn)降雨持續(xù)加大，溝內河水上漲較快伴有垮塌聲音，當即判斷有泥石流暴發(fā)的可能，于是立即通知相關負責人拉響地災警報，并組織鄉(xiāng)村干部于20時10分開始逐戶通知群眾按應急避險預案和避險路線緊急轉移。20時30分龍古溝泥石流暴發(fā)，21:00時泥石流到達主溝，22時10分到達溝口。在此次泥石流災害中，因預警預報信息及時發(fā)布，提前采取避讓措施，有效的避免了人員傷亡。

圖2 曾達溝泥石流破壞圖Fig.2 Destruction of debris flow in Zengda gully

2.2 泥石流運動參數(shù)特征

2.2.1 泥石流容重

計算泥石流流體重度、流速、流量是評價泥石流性質和規(guī)模的主要方法。然而，由于泥石流多發(fā)生于偏遠山區(qū)，因其偶發(fā)性和災害的快速性而難以觀測。因此，泥石流發(fā)生以后，在曾達溝主溝泥石流堆積區(qū)采取泥石流土樣, 并通過室內試驗獲得土樣顆粒級配曲線(圖3)。泥石流重度的計算使用我國西南山區(qū)泥石流粘粒(粒徑<0.005 mm)含量數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析[15]。

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

(1)

圖3 曾達溝顆粒級配曲線Fig.3 Particle grading curve in Zengda gully

式中：γc為泥石流的重度(g/cm3),x為泥石流土樣中黏粒含量。

由顆粒分析得，根據(jù)式(1)求出泥石流容重為γc=1.65～1.84 g/cm3，平均容重為1.70 g/cm3。判斷此次泥石流為稀性泥石流。

2.2.2 泥石流流速和峰值流量

根據(jù)現(xiàn)場勘察和泥石流相關模型計算泥石流的流速和流量，曾達溝泥石流為稀性泥石流，對稀性泥石流采用以下公式計算：

(2)

式中:Vc為泥石流斷面平均流速(m/s)；γH為泥石流固體物質容重(g/cm3)；1/n為清水河床糙率系數(shù)；R為水力半徑；I為泥石流水力坡度(‰)。計算參數(shù)和計算結果詳見表2。泥石流峰值流量計算公式如下：

Qc=WcVc.

(3)

式中:Qc為泥石流斷面峰值流量(m3/s)；Wc為泥石流過流斷面面積(m2)，溝道形態(tài)參數(shù)可通過調查測繪獲取；Vc為泥石流斷面平均流速(m/s)。計算參數(shù)和計算結果詳見表2。

表2 曾達溝泥石流流速和流量計算表Table 2 The velocity and flow of debris flow calculation table in Zengda gully

3 曾達溝泥石流成災機制與運動過程

3.1 前期累計降雨與短歷時強降雨共同作用激發(fā)泥石流形成

前期累計降雨量對于泥石流的形成影響巨大[16-17]，前期累計降雨量公式采用[18]：

(4)

其中：Pa為泥石流暴發(fā)前30d的有效降雨量；Pi為第i天的日降雨量；k為雨量遞減系數(shù)取0.9。

據(jù)現(xiàn)場調訪，當?shù)鼐用穹磻嗍靼l(fā)生前一個月，幾乎每天都在下雨，前期降雨量十分豐富。通過收集金川縣曾達溝附近氣象站卡撒鄉(xiāng)山埂子村氣象臺站和太平橋鄉(xiāng)長勝店村氣象臺站(卡撒鄉(xiāng)山埂子村氣象臺站距離曾達溝直線距離約17.1 km, 太平橋鄉(xiāng)長勝店村氣象臺站距離曾達溝直線距離約12.6 km)泥石流發(fā)生前一個月的降雨數(shù)據(jù)，證實了這一說法。泥石流暴發(fā)前一個月卡撒鄉(xiāng)山埂子村氣象臺站和太平橋鄉(xiāng)長勝店村氣象臺站記錄的數(shù)據(jù)表明研究區(qū)內前一個月未下雨天數(shù)僅為8 d(圖4)，前期累計降雨量達188 mm(卡撒鄉(xiāng)山埂子村氣象臺站)、148 mm(太平橋鄉(xiāng)長勝店村氣象臺站)，前期降雨時間長、雨量大。前期充沛的雨量，溝內土體處于飽水狀態(tài)，更容易形成地表徑流，進而導致泥石流的臨界降雨閾值降低[13,16]。前期降雨導致土體內孔隙水壓力增大，土的抗剪強度減小[19-20]；在后續(xù)強降雨作用下，這種穩(wěn)定性差的飽和土體極易被地表徑流帶走，形成泥石流。泥石流暴發(fā)當天的降雨總量約為6.7～52.6 mm，6月27日下午20:00曾達鄉(xiāng)范圍開始降雨，最大雨強出現(xiàn)在晚上22:45；20:30位于主溝左側的龍古溝泥石流暴發(fā)，21:00時泥石流到達主溝，22:10時到達溝口，泥石流持續(xù)時間約3 h，泥石流的暴發(fā)時間與暴雨最大雨強一致。因此，前期累計降雨與短歷時強降雨共同激發(fā)了此次泥石流的形成。

圖4 曾達溝泥石流暴發(fā)前一個月的日降雨數(shù)據(jù)圖Fig.4 Daily rainfall data of the month before the outbreak of the debris flow in Zengda gully

3.2 前期降雨量使溝道內物源增加

溝道內豐富的物源條件是山洪轉化為泥石流的基礎[21-22]。已有研究表明，前期降雨主要通過引發(fā)崩塌、滑坡和坡面坍塌的產生從而影響溝道內松散固體物質的數(shù)量[24]；雨水大量注入滑坡體，增加土體的含水量，使土體重度增加，降低巖體滑動抗剪強度[25-27]，進而促使穩(wěn)定土體轉化為泥石流物源。曾達溝物源的計算采用現(xiàn)場勘察并用1∶1 000和1∶10 000作為手圖，并圈定集中物源、坡面物源、溝道物源的平面形態(tài)，平均厚度采用《泥石流防治指南》[23]中確定的松散固體物源儲量計算方法。對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是崩塌前緣與后壁間的水平距離，θ是坡角度。

表3 曾達溝物源統(tǒng)計表Table 3 Source statistics of Zengdagou

對于溝床上、中、下游松散固體物質的斷面具有不同形狀，上游可能為V形，中游可能為梯形，下游可能為矩形。根據(jù)現(xiàn)場勘察確定了斷面形狀和尺寸之后，分別乘以各段長度予以估算。坡地上的松散固體物質主要為殘坡積物、坡積物，崩塌散落體，自分水脊向溝床邊緣逐漸變厚，其剖面為三角形。求坡地上松散固體物質儲量時，先求得這個斜坡三角形面積，再與這個坡形沿溝谷方向的長度相乘。動儲量的劃分：集中物源是以潛在滑動面，破裂角，天然休止角等作為其不穩(wěn)定面的界限，溝道物源以沖刷深度作為不穩(wěn)定的界面，坡面物源以現(xiàn)場調查的侵蝕深度作為不穩(wěn)定的界面。

根據(jù)現(xiàn)場勘察和計算結果，曾達溝內松散固體物質儲量較豐富，主要物源類型有溝道堆積物源、滑坡物源、崩塌物源、坡面侵蝕類物源和人工堆積物源(表3)。引發(fā)曾達溝泥石流的松散固體物質主要來源于前期降雨導致的崩塌、滑坡，約占總物源的50%(圖5)。

圖5 曾達溝內崩塌、滑坡物源Fig.5 Source of collapse and landslide in Zengda gully

3.3 曾達溝泥石流的運動過程

6月27日22時45分許，在經歷數(shù)小時強降雨之后，加上前期降雨充足，導致支溝中上游潛在物源發(fā)生大量崩塌、滑坡和坡面坍塌，與地表徑流混合形成泥石流，沿支溝道向下奔流，支溝溝道縱坡降大(特別是支溝下游溝口段縱坡降可達300‰-400‰)，奔流向主支溝交匯處時速度快，加之龍古溝與主溝近直角交匯，支溝泥石流撞擊到對岸坡面，泥石流體飛濺高度達30 m左右(圖6(a))，龍古溝泥石流進入主溝后，與主溝道洪水混合，流速不斷加快以及沖擊力加強，導致主溝沿途鏟刮、溝道下切作用更為明顯(圖6(b))，越來越多的松散固體物質參與到泥石流活動，加之支溝倪家坪溝、艾爾羅溝在強降雨的作用下也產生了不同規(guī)模的泥石流，使得主溝泥石流規(guī)模不斷加大，最終形成特大型泥石流。

支溝龍古溝暴發(fā)泥石流，攜帶大量砂石進入下游溝道，在支溝艾爾羅溝溝口上游由于河道彎曲和縱坡相對平緩出現(xiàn)一定泥石流流體堆積，堆積體縱向長500 m左右，堆積量21.0×104m3(圖6(c))，泥石流向下流動至1#攔擋壩處，受壩體攔擋，壩后完全淤滿，堆積體縱向長250 m左右，堆積量3.7×104m3(圖6(d))，泥石流向下流動至肋底槽處受肋底槽阻攔出現(xiàn)一部分流體堆積，縱向長40 m，堆積量0.6×104m3(圖6(e))，泥石流流至溝口地帶受溝道變緩影響，多數(shù)流體堆積于近溝口原排洪溝道及兩側，部分流進主河，溝口地帶部分原排洪溝槽淤滿，部分泥石流翻越防護堤，沖毀了兩側部分建筑及車輛，淤積長1 800 m左右，堆積量88.2×104m3(圖6(f))。

圖6 曾達溝泥石流運動過程圖Fig.6 The movement process of the debris flow in Zengda gully

4 討論

本次泥石流應急搶險是工程治理與非工程治理相結合的典范。在非工程治理方面：群測群防體系在曾達溝泥石流應急搶險過程中發(fā)揮了至關重要的作用。近年來，金川縣以多種形式對地災隱患點監(jiān)測人員及受地災威脅的群眾開展地質災害宣傳培訓工作(圖7(a))，與此同時，有針對性地開展應急演練，確保監(jiān)測人員能夠熟練掌握山地災害監(jiān)測方法，并能初步判斷山地災害前兆性，及時報告地質災害險情，引導群眾有序地臨災疏散。全面提高了當?shù)厝罕娮R災、報災、避災和相互協(xié)調聯(lián)動能力，增強了地質災害防范意識，提升了自救互救技能。在工程治理方面：在此次災害中1#攔擋壩削峰減流作用明顯(圖7(b))，泥石流在海子坪-壇罐窯一帶開始淤積，砂石停淤在溝道內及溝道兩側，導致1#壩完全滿庫，3#壩處于半庫狀態(tài)；海子坪-溝口一帶排導槽、停淤堤也發(fā)揮了重要疏導、引流作用(圖7(c))，有效減少了泥石流溢出量； 同時上游長約140 m的肋底槽(圖7(d))，有效穩(wěn)固舒家坡滑坡，消除了滑坡堵溝的可能。曾達溝泥石流治理工程在此次災害中起到了積極的防災成效，起到了較好的固源與引流作用，有效的疏導排泄泥石流，減緩了泥石流暴發(fā)速度，有力遏制了泥石流災害的危害，保護了群眾生命安全，也為群眾有效轉移避險爭取了大量時間。因此，在未來的防災減災中應當多注重工程治理與非工程治理相結合。

圖7 工程治理與非工程治理成效圖Fig.7 Engineering measures and non-engineering measures effectiveness

5 結論

本文以“6.27”曾達溝泥石流為例，通過分析泥石流的運動特征、形成條件，闡明了前期降雨對泥石流形成的影響。得出如下結論：

(1)曾達溝泥石流為稀性泥石流，容重為1.7 g/cm3，平均流速為8.55 m/s，峰值流量為1 567.56 m3/s。

(2)前期累計降雨結合短歷時強降雨是形成本次泥石流的關鍵因素。豐富的前期累計降雨使溝內土體處于飽水狀態(tài)，更容易形成地表徑流。前期降雨使土體內孔隙水壓力增加，土的抗剪強度降低，在后續(xù)強降雨作用下，這中穩(wěn)定性差的飽和土體被地表徑流帶走，形成泥石流。前期累計降雨誘發(fā)曾達溝內崩塌、滑坡發(fā)生，為泥石流的暴發(fā)創(chuàng)造了良好的物源條件。據(jù)估算，崩塌、滑坡物源總量約為528.2×104m3，占總物源的50%。

(3)本次泥石流應急搶險是工程治理與非工程治理相結合的典范。群測群防體系在曾達溝泥石流應急搶險過程中發(fā)揮了至關重要的作用，使得本次泥石流災害無人員傷亡。曾達溝工程治理措施起到了較好的固源與引流作用，有效的疏導排泄泥石流，減緩了泥石流暴發(fā)速度，有力遏制了泥石流災害的危害，保護了群眾生命安全，也為群眾有效轉移避險爭取了大量時間。因此，在未來的防災減災中應當多注重工程治理與非工程治理相結合。