汶川地震極震區(qū)泥石流物源動儲量統(tǒng)計(jì)方法討論

喬建平，黃 棟 ，楊宗佶，孟華君

（中國科學(xué)院 地 表過程與山地災(zāi)害重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成 都 6 10041；中國科學(xué)院 水 利部成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所，四川 成 都 6 10041）

0 引言

2008年“5.12”汶川特大地震極震區(qū)（Ⅺ度區(qū)）包括四川省的10個縣市［1］，誘發(fā)了前所未有數(shù)量的崩塌滑坡［2］。自地震當(dāng)年8月之后，大量滑坡崩塌轉(zhuǎn)化為泥石流，又成為地震災(zāi)區(qū)更為嚴(yán)重的地質(zhì)災(zāi)害類型［3］。國家及地方有關(guān)部門于2008年后組織專項(xiàng)資金開展了地震災(zāi)區(qū)大規(guī)模的地質(zhì)災(zāi)害工程治理，并在一定程度上遏制了災(zāi)害的發(fā)展速度。然而，已治理的泥石流工程中大部分?jǐn)r砂壩已出現(xiàn)滿庫翻壩的現(xiàn)象，成為失效工程。作者在項(xiàng)目審查和野外實(shí)地考察中發(fā)現(xiàn)，主要原因是地震災(zāi)區(qū)泥石流物源類型與傳統(tǒng)的泥石流物源類型有極大的差別，無論規(guī)模和數(shù)量，還是分布方式，地震后泥石流都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出以往。更重要的是災(zāi)區(qū)泥石流物源啟動方式也發(fā)生了明顯改變，多數(shù)形成溝槽揭底沖刷潰決型泥石流。所以，采用傳統(tǒng)統(tǒng)計(jì)方法獲得的泥石流動儲量是不能滿足設(shè)計(jì)需要的。因此，作者通過對汶川地震極震區(qū)40多處泥石流靜、動儲量的分析，提出了泥石流動儲量的統(tǒng)計(jì)方法和圖解方法。經(jīng)過對比檢驗(yàn)，證明兩種方法基本能夠滿足防治工程設(shè)計(jì)需要。

1 震區(qū)泥石流物源基本類型

1.1 滑坡堵溝型物源

地震瞬間觸發(fā)的巨、大型滑坡是泥石流的最主要溝道型物源。大量松散堆積物將泥石流的溝源堆填，形成數(shù)十米，甚至數(shù)百米厚的溝道物源。如2010年8月13日發(fā)生汶川地震災(zāi)區(qū)的三大片區(qū)泥石流中，綿竹市清平鄉(xiāng)文家溝特大型泥石流物源區(qū)溝道被5000×104m3的巨型滑坡所覆蓋，形成超出原溝底約40～200m高的松散堆積體，原溝道幾乎被填平。

汶川縣紅椿溝泥石流物源區(qū)溝道被350×104m3的大型滑坡體所覆蓋，形成超出原溝底約30～150m高的松散堆積體，原溝道也基本被填平。這類物源的特點(diǎn)是滑坡規(guī)模大、堆積體的厚度厚，在降雨作用下容易形成溝槽揭底沖刷型和潰決型泥石流。

1.2 崩塌覆蓋型物源

地震瞬間觸發(fā)的大規(guī)模崩塌是泥石流重要溝道型物源。崩塌物的規(guī)模雖然不如上述滑坡體的規(guī)模大，但其數(shù)量比滑坡更多。有的可以沿泥石流物源區(qū)全流域覆蓋。如2010年8月13日發(fā)生汶川地震災(zāi)區(qū)的三大片區(qū)泥石流中，都江堰市龍池鎮(zhèn)堿坪溝泥石流800m長的溝道中分布了58處大小不等的崩塌，平均每15m左右就分布有1處崩塌。這類物源的特點(diǎn)是覆蓋層雖不如滑坡的厚度大，但分布范圍廣，可以將原溝道普遍覆蓋填高。在降雨作用下容易形成溝槽揭底沖刷型泥石流。

1.3 碎屑坡積型物源

地震瞬間觸發(fā)的大規(guī)模崩坍和坍滑碎屑物是泥石流溝道坡面補(bǔ)償型物源。坡面崩坍和坍滑碎屑物在地震瞬間暫時沒有進(jìn)入溝道，堆積在溝道較緩的上部坡面。如北川老縣城西側(cè)溝自2008年9月24日爆發(fā)泥石流后，每年都從溝道坡面上有新的碎屑物補(bǔ)充。這類物源的特點(diǎn)是有大有小，一般分布位置較高，后期在降雨作用下形成坡面泥石流，匯入溝道，不斷補(bǔ)充主溝泥石流物源。

2 泥石流啟動模式

上述的地震災(zāi)區(qū)泥石流物源類型中，包括了不參與泥石流活動的物源（靜儲量）及可能參與活動的物源（動儲量）。由于震區(qū)泥石流物源補(bǔ)給方式與傳統(tǒng)泥石流物源補(bǔ)給方式已經(jīng)發(fā)生了很大變化，物源動儲量的啟動方式與傳統(tǒng)的啟動方式也必然會發(fā)生很大變化。震后的物源動儲量的啟動模式主要由以下兩種構(gòu)成。

2.1 溝谷下切侵蝕堵潰型物源

溝谷下切侵蝕堵潰型物源是震后最常見的一種泥石流動儲量啟動模式。由于地震后大量的松散物質(zhì)堆積在溝道內(nèi)，在降雨作用下，地表水匯流后形成洪水對溝床內(nèi)松散堆積體產(chǎn)生強(qiáng)烈的下切侵蝕作用，并逐漸形成深切溝壑，為兩岸堆積坡提供有效臨空面。然后發(fā)生牽引式垮塌堵溝，最終潰決轉(zhuǎn)化為泥石流。這類泥石流物源啟動過程大致可分為4個階段（圖1）：下切侵蝕（A）→形成溝壑（B）→崩滑堵塞（C）→沖刷潰決（D）。如在2010年8月13日降雨作用下，綿竹市文家溝泥石流物源區(qū)滑坡堆積體上的下切侵蝕拉槽深度達(dá)到70～100m，使溝槽兩岸形成大于70°的陡坡。而后堆積物產(chǎn)生新的坍塌堵溝，最終潰決轉(zhuǎn)化為體積約600×104m3的巨型泥石流［6-7］。

汶川縣紅椿溝泥石流滑坡物源下切侵蝕拉槽深度達(dá)到30～50m［8］。溝谷下切侵蝕堵潰型模式為汶川地震震區(qū)最主要泥石流物源啟動類型，災(zāi)區(qū)70％～80％的泥石流物源啟動基本屬于此類型。其形成基本條件包括：①“V”形溝谷、縱坡降大于300‰；②滑坡松散堆積物已堵填溝床；③匯水區(qū)面積大于0.1km2。

2.2 溝谷側(cè)緣侵蝕滑坍型物源

圖1 溝谷下切侵蝕潰決型泥石流物源啟動模式示意圖Fig.1 Star tmode of downward induced block collapse debris flow

圖2 溝谷側(cè)緣侵蝕滑坍型泥石流物源啟動模式示意圖Fig.2 Start mode of lateral erosion induced slide and sloughing debris flow

溝谷側(cè)緣侵蝕滑坍型物源是震后比較多的一種泥石流動儲量啟動模式。由于地震后大量的松散物質(zhì)堆積在溝道兩岸坡腳，在降雨作用下，溝道洪水位迅速上升并側(cè)蝕兩岸堆積物坡腳，引起坍塌匯入主溝后轉(zhuǎn)化為泥石流。這類泥石流物源啟動模式大致可分為2個階段（圖2）：側(cè)緣侵蝕（E）→失穩(wěn)滑坍（F）。如汶川縣城南溝泥石流由21處崩塌滑坡組成的超過300×104m3物源基本堆積在溝道下游段，而匯水區(qū)基本無物源分布。由于下游溝床比降171.7‰，溝床平均寬度超過30m，崩塌滑坡基本堆積在兩岸坡腳處［9］。在特大暴雨條件下，洪水側(cè)緣掏蝕堆積體的坡腳，使之失穩(wěn)形成充足泥石流物源。溝谷側(cè)緣侵蝕滑坍型模式為汶川地震震區(qū)次要泥石流物源啟動類型。其形成基本條件包括：①“U”形溝谷、縱坡降小于300‰；②溝床兩岸崩塌滑坡松散物堆積在現(xiàn)代溝床侵蝕基準(zhǔn)面；③匯水區(qū)面積大于0.1km2。

3 震區(qū)泥石流物源統(tǒng)計(jì)

目前采用的泥石流靜儲量（總物源量）統(tǒng)計(jì)方法與崩塌、滑坡、溝道松散坡積物體積統(tǒng)計(jì)方法基本一致。但泥石流動儲量（可參與泥石流活動的物源量）沒有一個統(tǒng)一的計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)，其中包括《泥石流災(zāi)害防治工程勘查規(guī)范》（DZ/T0220-2006）。在實(shí)際應(yīng)用中泥石流動儲量統(tǒng)計(jì)方法各異，專題研究也很少。傳統(tǒng)的方法主要為：形態(tài)評判法、穩(wěn)定性判別法、比例統(tǒng)計(jì)法等等［10-16］。但在汶川地震災(zāi)區(qū)泥石流工程治理中，對特殊條件下的動儲量統(tǒng)計(jì)仍缺少理想的方法。因此導(dǎo)致災(zāi)區(qū)的動儲量統(tǒng)計(jì)或多或少，使工程效果受到極大影響。作者認(rèn)為地震災(zāi)區(qū)泥石流物源類型和啟動條件都有其特殊性，動儲量也應(yīng)該按照特殊類型進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

3.1 統(tǒng)計(jì)法

針對汶川地震災(zāi)區(qū)泥石流特殊物源條件下的動儲量啟動現(xiàn)狀，采用數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)方法建立同等條件的泥石流動儲量統(tǒng)計(jì)模型。本文采集了災(zāi)區(qū)44處泥石流物源樣本（據(jù)四川省地震災(zāi)區(qū)地質(zhì)災(zāi)害詳查報(bào)告（略）），分別采用流域面積、溝道長度、溝床比降、總儲量與動儲量進(jìn)行相關(guān)性統(tǒng)計(jì)。假設(shè)這些樣本中同時包括了溝谷下切侵蝕潰決型和溝谷側(cè)緣侵蝕滑坍型兩種啟動模式的物源量，通過關(guān)系擬合得到相關(guān)性（圖3）。

圖3 泥石流基本要素與動儲量的相關(guān)性統(tǒng)計(jì)圖Fig.3 Correlations of debris flow primary factor and dynamic reserve

圖3統(tǒng)計(jì)結(jié)果，流域面積與動儲量基本沒有相關(guān)性（圖3a）。溝床平均縱坡降、主溝長度與動儲量的相關(guān)性很差（圖 3b、3c），如：

式中：β——溝床平均縱坡降；

L——泥石流主溝長；

V0——泥石流動儲量（×104m3）。

而總物源量與動儲量有一定相關(guān)性（圖3d），如：

式中：V——總物源量（×104m3）。

將等量物源（V（104m3）=10，20，…，n）代入式（3），計(jì)算動儲量與總儲量的比例關(guān)系，即：

式中：K——動儲量與總物源量比例值。

從式（4）可以獲得動儲量與總物源量比例相關(guān)性（圖 4），即：

式中：KV0——總物源量與動儲量比例。

根據(jù)式（4）可以得出泥石流總物源量與動儲量的近似統(tǒng)計(jì)方法，如：總物源量小于50×104m3時，動儲量可占15％的比例；總物源量達(dá)到 100×104m3時，動儲量可占30％的比例；總物源量達(dá)到200×104m3時，動儲量可占37％的比例。之后的動儲量比例發(fā)展緩慢，基本保持在40％以下。

圖4 總物源量與動儲量比例關(guān)系圖Fig.4 Proportional relation of dynamic reserve and the total amount of material source

3.2 圖解法

根據(jù)前述泥石流動儲量的啟動模式，也可采用幾何圖形解析方法，建立近似的泥石流動儲量統(tǒng)計(jì)模型。

3.2.1 下切侵蝕型泥石流動儲量

假設(shè)“V”形谷溝床堆積體在洪水下切作用下，從C點(diǎn)開始到O點(diǎn)將逐漸形成溝壑形成泥石流物源，其中直角三角形Δcod是泥石流動儲量的最大可能物源區(qū)（圖5）。該區(qū)的面積為：

式中：θ——斜坡自然休止角；

co=h——原溝床深度。

動儲量體積為：

式中：V01——下切侵蝕型動儲量；

L1——溝床堆積體長度。

圖5 下切侵蝕型和側(cè)緣侵蝕型泥石流統(tǒng)計(jì)模型Fig.5 Statistic model of downward and lateral erosion induced material

3.2.2 側(cè)緣侵蝕型泥石流動儲量

假設(shè)“U”形谷坡面堆積體在洪水侵蝕洪水側(cè)蝕作用下，從c2點(diǎn)到d點(diǎn)將逐漸坍塌形成泥石流物源，其中任意三角形Δc2od是泥石流動儲量的最大可能物源區(qū)。該區(qū)的面積為：

式中：θ——斜坡自然休止角；

α——實(shí)測堆積坡角；

φ——崩積體與自然休止角夾角；

c2o=l——實(shí)測坡面長度。

動儲量體積為：

式中：V02——側(cè)緣侵蝕型動儲量；

L2——溝道堆積體長度。

3.2.3 全流域泥石流動儲量

在實(shí)際應(yīng)用中，可以將泥石流形成區(qū)物源勘查結(jié)果，按圖解法分別對不同類型物源體先進(jìn)行逐一單體動儲量統(tǒng)計(jì)，然后迭加獲得全流域泥石流總動儲量：

式中：V0——全流域泥石流動儲量。

4 結(jié)論

（1）汶川地震災(zāi)區(qū)在地震瞬間形成了大量的滑坡崩塌松散物質(zhì)，在后期降雨條件下都不同程度地參與泥石流活動。與非地震災(zāi)區(qū)泥石流的物源相比數(shù)量多、規(guī)模大、分布范圍廣，已成為地震災(zāi)區(qū)最嚴(yán)重地質(zhì)災(zāi)害。這些物源主要分為滑坡堵溝型、崩塌覆蓋型、碎屑坡積型三類。

（2）災(zāi)區(qū)泥石流物源在洪水侵蝕作用下，以溝谷下切侵蝕堵潰和溝谷側(cè)緣侵蝕滑坍方式啟動，形成兩種破壞地質(zhì)模式。

（3）參與泥石流活動的物源量可以根據(jù)不同的啟動模式進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算。一種為泥石流動儲量數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)方法，另一種為圖解法。前者在對地震災(zāi)區(qū)泥石流總物源量與動儲量相關(guān)性統(tǒng)計(jì)的基礎(chǔ)上，建立統(tǒng)計(jì)數(shù)學(xué)模型，從而估計(jì)參與泥石流活動的物源量。后者是根據(jù)泥石流物源啟動的地質(zhì)模式，分別統(tǒng)計(jì)不同物源的動儲量。

（4）文中介紹的方法僅僅是對泥石流動儲量的近似解，在沒有統(tǒng)計(jì)規(guī)范的前提下可以進(jìn)行估算。但前提必須是具有泥石流野外勘查成果資料。

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