馮文凱,杜 杰,石豫川,陳 倩,魏昌利,李長順
(1.成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國家重點(diǎn)實驗室,成都610059;2.中國石化西南油氣分公司工程技術(shù)研究院,四川德陽618000;3.四川省地質(zhì)調(diào)查院水工環(huán)中心,成都,610031)
一顆印溝位于四川省理縣樸頭鄉(xiāng),雜谷腦河右岸,距離下游的理縣縣城約6.2 km。地理坐標(biāo)為:東經(jīng) 103°13′;北緯 31°41′。溝源海拔約 4 920 m,溝口海拔約1 948 m,最后匯入雜谷腦河,主溝長15.47 km,平均縱坡降192.1‰,總匯水面積47.48 km2,見圖1。調(diào)查表明,該溝泥石流活動較頻繁,最近的兩次活動是在2007年7月4日和7月17日凌晨。汶川地震后,該泥石流溝谷中形成大量松散固體物源,沿溝谷兩側(cè)分布較為密集,雖然地震后尚未有活動發(fā)生,但野外調(diào)查物源區(qū)溝谷局部形成堰塞,易發(fā)生大型潰決型泥石流,因而正確評價該泥石流的流域特征、形成機(jī)制及震后的發(fā)展趨勢,對泥石流的預(yù)測預(yù)報具有重要的現(xiàn)實意義。
一顆印溝流域?qū)儆诘湫偷闹懈呱綅{谷區(qū),地形切割較深,溝谷整體形態(tài)呈典型的“V”型谷,兩側(cè)岸坡陡峭,溝源呈高山雪嶺地貌,自高程2 600 m處出現(xiàn)支溝發(fā)育,支溝長度較短且切割較淺,仍處于下切階段。
整個溝谷流域因海拔高差懸殊,地形復(fù)雜,氣候差異顯著,具有山地立體型氣候特征,降雨量各月分配不均,降水集中在5-9月,累計達(dá) 420.6 mm,占全年降水量的69%,而10月至次年4月降雨量僅189.0 mm,占全年降水量的31%,全年降雨呈雙峰型分布,5-9月是降水高峰期,每年雨季開始和臨近結(jié)束有兩次大的降水過程,見圖2。
溝域內(nèi)植被因受海拔高度、垂直氣候分帶等的綜合影響,具有隨海拔高度而變化的特征;海拔4 000 m到溝源分水嶺段,植被覆蓋率較低,以低矮灌木及草地為主;海拔 4 000 m以下區(qū)段,覆蓋率較高(80%),以松樹和雜灌類覆蓋為主,全流域溝底植被覆蓋較差。
圖1 一顆印溝工程地質(zhì)圖
一顆印溝域內(nèi)出露巖層主要為三疊系中統(tǒng)雜古腦組(T2z)、上統(tǒng)侏倭組(T3zw)和新都橋組(T3xd)地層,以及第四系堆積物,其中三疊系地層主要為淺海相成因,巖性主要為變質(zhì)砂巖、板巖、結(jié)晶灰?guī)r、千枚巖等地層。
在大地構(gòu)造上,溝域處于金湯弧構(gòu)造的東翼-薛城-臥龍“S”型構(gòu)造帶之三岔倒轉(zhuǎn)向斜中段,東臨北東向九頂山構(gòu)造帶及茂汶斷裂帶,流域內(nèi)彎月形次級褶皺較發(fā)育,未見大的斷裂構(gòu)造通過。岸坡基巖主要發(fā)育有 3組裂隙:①N60°W/NE ∠85°(層面);②N80°W/SW ∠54°;③ N50°E/SE ∠20°,節(jié)理裂隙切割,使巖體完整性大大降低。
圖2 理縣常年降水量分布圖
一顆印溝常年水量較為豐富,主要接受大氣降水補(bǔ)給,由于溝內(nèi)兩岸邊坡陡峻,不利地表水的滲入,降雨多以地表徑流的形式流入溝中,并最終排入雜谷腦河,部分滲入松散堆積體中形成孔隙水;溝源高山積雪融水也是重要的水源。
人類活動不僅指工程建設(shè)(城鎮(zhèn)、工廠、公路、水電、水利等),還包括采礦、采藥、民房、耕種、砍伐等生產(chǎn)、生活活動,這些都會不同程度地加劇泥石流災(zāi)害的發(fā)生。如圖3,在一顆印泥石流溝出現(xiàn)了大量的亂砍亂伐現(xiàn)象這種做法是不合理的又是令人擔(dān)憂的。反過來,泥石流災(zāi)害又對人類工程活動構(gòu)成危害,這充分說明泥石流災(zāi)害與人類活動是相互作用的。人類活動對流域地質(zhì)環(huán)境的破壞應(yīng)引起高度重視[1]。
圖3 人類不合理砍伐造成溝谷兩側(cè)岸坡坍塌
一顆印溝流域形態(tài)呈典型的“葫蘆”型,溝源地形開闊,物源較為豐富。流域內(nèi)發(fā)育數(shù)條小支溝,越靠近支溝后緣切割相對越深,主要分布在右岸;主溝溝谷最寬處可達(dá)103 m,主要呈U字型,少數(shù)地段呈V字型,最窄處<5 m;谷坡兩岸基巖裸露,跌坎發(fā)育,岸坡坡度在 25°~50°之間。總的來看,該溝具有典型泥石流溝特征,即有明顯的匯水物源區(qū)、流通區(qū)和堆積區(qū),見圖4。
圖4 一顆印溝(主溝)縱坡降變化
該區(qū)位于溝谷后緣,高程在3 450 m以上,區(qū)內(nèi)主溝溝谷長約5.81 km,縱坡降161‰,形態(tài)較寬緩,匯水面積約25 km2,匯水功能顯著;溝源地形開闊,為常年積雪區(qū),蘊(yùn)藏著豐富的冰水堆積物,在冰雪融化季節(jié)具有同時提供物源及豐富水源的能力;由于該區(qū)海拔較高,晝夜溫差大風(fēng)化嚴(yán)重,巖體完整程度差,且植被覆蓋率低,因此,發(fā)育較多崩坡積及殘坡積物。總之,該區(qū)物源豐富,且有足夠的水動力條件,是泥石流的重要形成區(qū)。
該區(qū)位于高程2 600 m(靠近峽口)以上到3 450 m,長約 4.63 km,溝床坡降較大,平均約185‰,主溝溝谷較為狹窄,總體呈“V”型,溝底寬度一般6 m左右,局部地段呈“一線天”地形,縱坡降達(dá)364‰,見圖5;沿溝溝床發(fā)育多級跌水,總的來看,該區(qū)溝床縱坡降不大,但狹窄的溝床、裸露的基巖以及跌坎,仍對泥石流產(chǎn)生較大的加速作用;同時,狹窄的溝床和急轉(zhuǎn)彎也易發(fā)生堵塞,造成更大的下泄勢能積累。
圖5 流通區(qū)典型溝谷形態(tài)
該區(qū)分布在溝口到溝內(nèi)高程約2 600 m處,長約5.04 km,溝床縱坡降約125‰,該段溝谷溝底寬40~60 m,總體呈“U”型,溝谷較寬且相對平緩,見圖6,可大大降低到達(dá)溝口泥石流的流速和流量,成為泥石流的臨時或永久停積場所,但停積在溝床上的泥石流或洪積物可能成為再次暴發(fā)泥石流的補(bǔ)給物源[2]。
經(jīng)過多期泥石流的疊加,形成了目前的堆積區(qū)形態(tài),長達(dá)5~6 km,呈倒梯形,即堆積區(qū)溝床寬窄交替,見圖7,較老的堆積物平均厚度為1 m,最厚的地方達(dá)2 m,物質(zhì)成分主要為塊碎石夾泥砂,母巖多為砂巖、花崗巖、千枚巖組成,塊碎石含量50%~60%,其中>20 cm粒徑的塊石含量約40%,碎石含量約30%,泥沙含量約30%。
圖6 典型倒梯形堆積形態(tài)
圖7 泥石流淤堵寬緩溝道數(shù)公里
一顆印溝物源總體比較豐富,是一個長期積累的過程,由于成因不同,其積累所經(jīng)歷的時間也不一樣,集中程度也有所差別[3]。因此,物源按成因和集中程度大致可分為以下幾種:
2.4.1 物源區(qū)松散崩坡積及冰水堆積物 主要分布于溝源,高程大致3 450 m以上,見圖8,由于受區(qū)域上薛城-臥龍“S”型構(gòu)造帶之三岔倒轉(zhuǎn)向斜作用影響,巖體完整程度較差,同時由于巖性主要為 T3xd、T3zw變質(zhì)砂巖、板巖、炭質(zhì)千枚巖等,巖性本身也較差,加上晝夜溫差較大,進(jìn)一步加快了巖體的風(fēng)化破碎,導(dǎo)致該處易積累大量崩坡積物,且多為細(xì)粒物質(zhì),同時冰雪(川)的消退也積累了一定的冰水堆積物。據(jù)統(tǒng)計,該區(qū)物源分布面積約 8.9 km2,物源量約2 000萬m3,溝源豐富的物源在強(qiáng)大的水動力作用下,導(dǎo)致泥石流在此形成。
2.4.2 流通區(qū)崩坡積及洪積物 流通區(qū)溝谷狹窄,物源相對較少,僅局部小的坡面溝谷或支溝在雨季會攜帶少量洪積塊碎石土進(jìn)入主溝;同時,溝兩側(cè)也存在少量的較穩(wěn)定的崩坡積物,僅坡腳受溝水淘蝕而出現(xiàn)垮塌,見圖9,需要強(qiáng)調(diào)的是這部分物源的存在,它不但在遭受沖刷的情況下可以提供物源,同時局部的垮塌雖然方量小,但仍可能堵塞相對較窄的溝谷,從而有可能引起大型泥石流。
圖8 物源主要集中分布區(qū)(據(jù)遙感影像)
圖9 流通區(qū)溝谷兩側(cè)物源
2.4.3 堆積區(qū)洪積物及泥石流堆積物 由流通區(qū)進(jìn)入堆積區(qū),高程大概2 600 m以下,溝谷開闊,地形較緩但縱坡降仍達(dá)125‰,見圖10,快速下泄的泥石流呈帶狀沿途撒開,各段因為地形平緩開闊,又具有一定的縱向展布,呈倒梯型,溝口入江處形成小扇形區(qū)。堆積區(qū)上的物質(zhì)較為豐富,集中在溝床及兩岸緩坡平臺之上,溝床兩側(cè)堆積物受溝水淘蝕,尤其是洪水的刨蝕作用,能提供較多不穩(wěn)定物源直接參與到泥石流的形成過程之中,使得泥石流在該區(qū)不僅沒有停淤而且有進(jìn)一步加大的趨勢,這也是2007年相隔13 d連續(xù)暴發(fā)兩次泥石流的原因。
這些松散固體物質(zhì)一般不會一次性補(bǔ)給,而是逐步地補(bǔ)給,且該流域松散土物源補(bǔ)給是不連續(xù)的。首先是松散土體物源區(qū)在地表徑流的作用下大量進(jìn)入主溝道,這部分物質(zhì)大部分被溝道徑流帶走,少部分殘留于溝床兩岸,在大暴雨等突發(fā)情況下,上游形成的高含沙水流或稀性泥石流對溝岸強(qiáng)烈侵蝕,在行進(jìn)過程中帶走大部分支溝堆積物,從而加大高含沙水流或泥石流的容重,最終形成更大規(guī)模的泥石流,故可以看出本區(qū)物源的補(bǔ)給方式中殘坡積物是通過連續(xù)補(bǔ)給方式為泥石流提供細(xì)顆粒物質(zhì),而支溝堆積物則是以大規(guī)模的不連續(xù)補(bǔ)給方式提供給泥石流[4]。
圖10 堆積區(qū)溝床不穩(wěn)定物源
一顆印溝具備發(fā)生泥石流的自然條件,比如:匯水面積大,短期內(nèi)便可匯集豐富的水量,尤其是后緣較開闊,更利于水量的匯集;溝源物源較豐富,流通區(qū)及部分堆積區(qū)沿途又可以補(bǔ)充,為泥石流的形成提供了物質(zhì)基礎(chǔ);其中流通區(qū)狹長彎曲的溝谷加上跌坎發(fā)育,不但起到加速作用,同時更易于堵塞,造成更大規(guī)模泥石流的發(fā)生。這些可從以下現(xiàn)場調(diào)查有所體現(xiàn):
(1)2007年連續(xù)兩次發(fā)生的泥石流均為黏性泥石流,細(xì)粒物質(zhì)主要為泥砂,由上游向下游塊碎石含量逐漸降低,粒徑逐漸變小。而泥石流發(fā)生前,這些細(xì)粒物質(zhì)在峽口以下溝內(nèi)是沒有的,說明主要來源于溝源。
(2)據(jù)上山挖藥的老鄉(xiāng)口述,溝源2007年發(fā)生了一次雪崩(推測可能有大量風(fēng)化碎屑物夾雜),形成大規(guī)模的不穩(wěn)定物源,且多細(xì)粒物質(zhì)。
(3)流通段溝谷狹窄,由泥石流攜帶的大量長大的木料推測,流通段曾發(fā)生堵塞;而溝內(nèi)原來存在于流通區(qū)(峽口以上,溝底狹窄)的一6.3 m×3.3 m×3.2 m的巨石被攜帶至堆積區(qū)(被搬運(yùn)了約1 km多的距離),泥石流發(fā)生前溝內(nèi)斷流也說明發(fā)生過堵塞,見圖11。
據(jù)調(diào)查,一顆印溝一般10年左右暴發(fā)一次較大的洪流,除2007年暴發(fā)大規(guī)模泥石流外,該溝曾于1944年(距今65年)發(fā)生過一次類似2007年發(fā)生的大型泥石流,而1984年、1996年又先后發(fā)生過兩次相對較小的泥石流。
2007年7月4日,據(jù)老鄉(xiāng)回憶,泥石流發(fā)生前溝內(nèi)出現(xiàn)斷流(持續(xù)時間約1 h),當(dāng)時溝水慢慢變混,呈泥漿狀,而后溝水變稠且水中漂浮較多的枯木枝等雜物,整個泥石流過程中聽見“咯咯”的石塊碰撞響聲,流速緩慢,泥石流過后溝床形態(tài)面目全非,時隔13 d,即7月17日凌晨,該溝再次暴發(fā)相同規(guī)模的泥石流,泥石流造成溝內(nèi)一小型水電站正在施工的4#引水隧洞完全填塞,施工場地及臨時搭建的工棚受損,還未完工的攔水閘幾乎完全被毀,溝內(nèi)流水改道,見圖12,同時,泥石流還沖毀淤埋了下游段寬緩溝道兩側(cè)的部分農(nóng)田,給當(dāng)?shù)剞r(nóng)民造成了較大的經(jīng)濟(jì)損失。泥石流沖到溝口,堵塞了雜谷腦河約半小時,壅水高達(dá)6 m。
圖11 泥石流攜帶的巨石(6.3 m×3.3 m×3.2 m)
圖12 泥石流沖毀攔水閘
“5?12”汶川大地震造成流域內(nèi)大量坡體穩(wěn)定性降低,地表結(jié)構(gòu)破壞,土體松動,形成大量固體松散物質(zhì)堆積于山坡及溝道中,為泥石流的發(fā)育與形成提供了必要的條件。
(1)堆積區(qū):地震發(fā)生后,堆積區(qū)也新增了一些崩坡積物,局部堆于溝內(nèi),見圖13;震后堆積區(qū)溝谷相對較為狹窄地段出現(xiàn)小規(guī)模坍塌,直接以穩(wěn)定坡角緊鄰溝道堆積,這些震后形成的松散固體物質(zhì)一方面迫使溝水改道,另一方面,直接提供物源,極大延長泥石流過程時間。
(2)流通區(qū):相對狹窄的流通區(qū)表現(xiàn)出多處犬牙交錯的小型崩塌堆積物,對流水起到阻隔作用,極端情況下將會產(chǎn)生小規(guī)模堵塞,直接影響到震后泥石流的暴發(fā)規(guī)模,見圖 14。
在“5?12”地震發(fā)生后,這里出現(xiàn)了歷時約半個小時的斷流。斷流前水流速度是1.8 m/s左右,斷水方量約為1.6萬m3。野外調(diào)訪資料表明,一顆印溝后緣物源區(qū)-流通區(qū)段,有3處大型堵塞,處于后緣的跳水巖溝、正溝、石板蓬溝三條物源區(qū)支溝匯合區(qū)下游段,形成三個堰塞壩,堰塞湖水深3~4 m,壩高大于10 m。另外,石板蓬溝垮塌得最為嚴(yán)重,物源最為豐富。
圖13 震后堆積區(qū)溝谷岸坡松散坡體垮塌
圖14 震后流通區(qū)溝谷岸坡坡體失穩(wěn)后垮塌
(3)物源區(qū):根據(jù)物源區(qū)-流通區(qū)堰塞壩的形成推測,地震后物源區(qū)可能存在冰水堆積物、風(fēng)化巖體的崩塌現(xiàn)象,固體物質(zhì)極為豐富。由于震后降雨量相對較小,不足于引起大量堆積體的失穩(wěn)啟動,但正如丹巴邛山溝暴發(fā)的大規(guī)模泥石流,在持續(xù)降雨作用下,失穩(wěn)坡體達(dá)到飽和狀態(tài)后,在強(qiáng)暴雨誘發(fā)作用下,失穩(wěn)坡體呈碎屑流形式匯入主溝內(nèi),可產(chǎn)生大規(guī)模的泥石流。
地震前,在對泥石流溝谷綜合特征分析的基礎(chǔ)上,對一顆印溝天然狀況下諸因素打分(95分),綜合評價該溝屬于易發(fā)泥石流溝[5]。
震后溝谷新增較多松散堆積物,且直接作用在溝道兩側(cè),直接參與泥石流的形成,這在泥石流易發(fā)程度評價因素中增加較大分值,即產(chǎn)砂區(qū)所占比例增大,因而震后其易發(fā)程度可能由易發(fā)向極易發(fā)轉(zhuǎn)變。
一顆印溝于1944年發(fā)生過一次類似2007年發(fā)生的大型泥石流,而1984年、1996年又先后發(fā)生過兩次相對較小的泥石流。由此推斷,該溝發(fā)生大型泥石流的周期是50~60 a,而小型泥石流的周期大概8~12 a,屬于II2類低頻降雨+冰雪融水型溝谷泥石流[6]。
由于全球氣候變暖,冰雪消退,巖體的風(fēng)化速度加快,一定程度上將使后緣物源積累時間縮短,泥石流的發(fā)生概率可能有所提高。特別在“5?12”地震后,物源區(qū)出現(xiàn)一些崩塌及堰塞,變得很不穩(wěn)定,遇強(qiáng)降雨則極易頻繁發(fā)生小規(guī)模的泥石流,甚至發(fā)生潰決型大型泥石流,其發(fā)生頻率較震前有所增大[7]。
一顆印溝流域的降雨量、降雨類型、雨強(qiáng)和暴雨頻率不變,因此誘發(fā)泥石流的外動力條件沒有改變,泥石流暴發(fā)的基本規(guī)律不會發(fā)生改變。
根據(jù)訪問和調(diào)查,一顆印溝在歷史上共暴發(fā)過兩次較大規(guī)模的泥石流,其泥石流的形成主要和其流域的地形地貌以及氣候有關(guān);松散的物體較為豐富,局域的集中降雨是泥石流形成的關(guān)鍵因素;同時,溝域內(nèi)人類活動相對較強(qiáng),對生態(tài)環(huán)境的影響主要表現(xiàn)在任意砍伐,加之“5?12”汶川地震導(dǎo)致溝內(nèi)地質(zhì)環(huán)境進(jìn)一步脆弱,為不良地質(zhì)現(xiàn)象的發(fā)育提供了條件[8],綜合判定,震后一顆印溝轉(zhuǎn)變?yōu)榘l(fā)展期。
5.4.1 泥石流活動強(qiáng)度 泥石流的活動強(qiáng)度可以通過一些流域背景條件進(jìn)行判別,如堆積扇的規(guī)模和特征、降水強(qiáng)度、固體松散物質(zhì)的儲量。通過對一顆印溝的調(diào)查表明,該溝內(nèi)松散固體物質(zhì)的堆積量大,堆積扇規(guī)模較大,主河河型的變化微彎,泥砂補(bǔ)給長度比>60%,綜合以上實際情況進(jìn)行分析,一顆印溝泥石流的活動強(qiáng)度屬于強(qiáng)類型;震后溝內(nèi)松散固體物源量增多,尤其是不穩(wěn)定物源的增加,導(dǎo)致震后其活動強(qiáng)度將有所增強(qiáng)。
5.4.2 泥石流暴發(fā)規(guī)模 一般而言,要產(chǎn)生泥石流必須使得土體達(dá)到一定的含水量,而間接前期降雨和直接前期降雨正是通過使土體含水量增加,抗剪強(qiáng)度減小,改變土體穩(wěn)定狀態(tài),從而對泥石流的形成起作用,如2003年7月11日四川丹巴縣邛山溝發(fā)生的特大泥石流,正是由于前期連續(xù)的降雨導(dǎo)致土體基本達(dá)到飽和狀,在后期的暴雨作用下形成了特大型泥石流,造成了極大的危害[9]。
對于一顆印溝,“5?12”地震致使后緣古冰川堆積物垮塌,兩側(cè)谷坡物源震裂,變形嚴(yán)重,局部垮塌形成堰塞。但震后至今還未暴發(fā)大規(guī)模泥石流,主要是受前期降雨強(qiáng)度的限制。另外,從流域內(nèi)物源分布情況及溝谷內(nèi)可能存在的堵塞來分析,溝內(nèi)可參與泥石流形成的物源正在富集,尤其是細(xì)粒物質(zhì);同樣受地震的影響,流通區(qū)存在堵塞,尤其是犬牙交錯性質(zhì)的小規(guī)模堵塞,形成涌水,在后續(xù)溝水持續(xù)作用下潰決,將形成大規(guī)模的泥石流。
理論計算表明,地震前,一顆印溝泥石流峰值流量為163.92 m3/s,震后溝內(nèi)極易產(chǎn)生堵塞,阻塞系數(shù)根據(jù)實際情況相應(yīng)提高,計算泥石流峰值流量為372.56 m3/s,可以看出,震后一顆印溝暴發(fā)泥石流規(guī)模,原因就在于溝內(nèi)存在豐富的松散物源,同時存在堵塞的可能性,一旦形成潰決型泥石流,一顆印溝泥石流的規(guī)模及危害性將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過地震前的規(guī)模。
(1)一顆印泥石流溝具有匯水面積大,溝內(nèi)松散物源豐富的特點(diǎn),歷史上曾經(jīng)暴發(fā)過多次大規(guī)模泥石流,泥石流對溝下游居民及水電建設(shè)構(gòu)成較大威脅。
(2)通過對泥石流溝流域特征的分析,尤其是針對三區(qū)特征的調(diào)查分析,一顆印泥石流溝具有典型泥石流溝的特征,具備暴發(fā)泥石流的三大條件。
(3)汶川地震造成溝內(nèi)松散物源增多,尤其是直接參與到泥石流形成的物源,溝內(nèi)局部地段形成堰塞,震后易發(fā)生潰決型泥石流。
(4)震后泥石流溝危險性增大,主要體現(xiàn)在:泥石流易發(fā)程度判斷震后由易發(fā)-極易發(fā)轉(zhuǎn)變;發(fā)生頻率較之震前有所增大,形成頻繁發(fā)生的小型泥石流;震后泥石流溝處于發(fā)展期,地震導(dǎo)致溝谷向衰退期轉(zhuǎn)變時間加長;震后泥石流活動強(qiáng)度將有所增強(qiáng)。
(5)地震之后,一顆印溝未曾暴發(fā)泥石流,這主要受震后降雨強(qiáng)度的限制,而實際上泥石流溝內(nèi)聚集大量的松散固體物源,多以細(xì)粒物質(zhì)出現(xiàn),在合適的雨強(qiáng)或冰雪融水作用下,加上溝內(nèi)局部堵塞,極易暴發(fā)規(guī)模較大的潰決型泥石流。
綜上分析推測,一顆印溝泥石流將在今后較長一段時間內(nèi)處于強(qiáng)烈活躍期,泥石流暴發(fā)規(guī)模和頻率將顯著增加,危害災(zāi)區(qū)人民生命財產(chǎn)安全,特別是村莊、道路、水利水電工程和農(nóng)田等。
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