岷江野牛溝泥石流形成機制及堵河分析

毛　碩，莫楠楠

(1.成都理工大學　地質(zhì)災害防治與地質(zhì)環(huán)境保護國家重點實驗室，四川　成都　610059；

2.河北省遵化市氣象局，河北　唐山　064200)

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岷江野牛溝泥石流形成機制及堵河分析

毛碩1，莫楠楠2

(1.成都理工大學地質(zhì)災害防治與地質(zhì)環(huán)境保護國家重點實驗室，四川成都610059；

2.河北省遵化市氣象局，河北唐山064200)

摘要：通過現(xiàn)場調(diào)查，對野牛溝泥石流形成條件、災害特征、啟動機理進行分析，并研究未來堵河可能性以及發(fā)展趨勢。結(jié)果表明：野牛溝在“五一二”汶川地震后演化為一條泥石流溝，具有持久性、陣發(fā)性、支溝群發(fā)等特點，野牛溝泥石流的啟動是因為“消防水管效應”，水流快速集中為溝道徑流，強烈沖擊溝道物源，導致泥石流的形成，形成過程分為沖擊啟動—流通加速、潰決—泥石流堆積三個階段，在暴雨頻率為1%(及以上)時爆發(fā)泥石流可能堵塞岷江。

關鍵詞：泥石流；特征；形成機制；堵河分析；岷江；野牛溝泥石流

汶川地震后，泥石流成為最活躍的地質(zhì)災害。對于泥石流堵河成災事件研究，我國學者做了大量工作，周必凡等提出了泥石流堵江的最小規(guī)模、扇形地泥石流溝床條件、主河流量等計算公式；徐永年等提出了利用影響度、危險度和危害度3項指標來判別匯流區(qū)泥石流入?yún)R危險性的設想；陳德明提出了堵河臨界判別公式。本文主要對位于汶川縣銀杏鄉(xiāng)野牛溝的泥石流進行現(xiàn)場調(diào)查，對其泥石流的形成條件、基本特征、形成機制進行分析，為下一步治理以及預防堵江提供了參考依據(jù)。

1流域地質(zhì)背景

野牛溝溝口坐標E103°29′15.68″N31°09′52.71″，為岷江右岸一級支流，地貌主要以構造侵蝕中高山及構造侵蝕峽谷地貌為主，流域面積約28.5km2，地處映秀北川斷裂(中央斷裂)與茂汶斷裂之間(后山斷裂)，并臨近茂汶斷裂，茂汶斷裂全長約156km，總體走向NE30°—45°，傾向北西，傾角約45°～70°，野牛溝位于斷裂帶上盤。野牛溝流域主要出露地層為晉寧—澄江期巖漿巖、元古界黃水河群上部巖組(Pthn3)，主要巖性有閃長巖、花崗巖、石英巖；在溝道及岸坡兩側(cè)還分布大量泥石流堆積物、沖洪積物、崩塌堆積物、殘坡積物。

2形成條件

2.1　地形地貌條件

野牛溝地勢西高東低，流域形態(tài)為球囊狀，流域的完整系數(shù)為0.78，反映其匯流條件較好，相對切割程度為0.53，共發(fā)育約10條支溝，呈葉脈狀分布，野牛溝流域及物源分布圖(如圖1)。溝谷呈V型，溝域面積28.5km2，主溝長約8.6km，溝源高程2925m，溝口高程990m，流域高差約1960m，平均溝床縱比降為235.5‰，溝道上段平均縱比降大，達512.8‰，野牛溝主溝床縱比降圖(如圖2)。總體來講：野牛溝道狹窄，岸坡陡峭，縱比降大，下游溝床較平直，為雨水的快速匯集以及下切侵蝕提供了良好的地形條件。

2.2　降雨條件

野牛溝所在地區(qū)處于岷江流域的暴雨集中區(qū)，多年平均降雨932.6mm，最大降雨量1177mm。降雨量主要集中于7～9月，雨季降雨量占全年的80%以上，根據(jù)《四川省中小流域暴雨洪水計算手冊》中的暴雨量等值線圖，銀杏鄉(xiāng)地區(qū)24、6、1、1/6h多年最大暴雨平均值分別為132、90、30、13.5mm，其降水具有波動變幅大、降水集中、雨強大和暴雨頻率高的特點。根據(jù)前人總結(jié)發(fā)現(xiàn)，岷江流域爆發(fā)泥石流的小時雨強30～50mm，臨界雨量80～100mm。并且強震區(qū)泥石流啟動的臨界雨量和小時雨強都有所降低[5-6]。

2.3　物源條件

野牛溝位于映秀北川斷裂(中央斷裂)與茂汶斷裂之間(后山斷裂)，地震活動頻繁，巖體破碎，特別是“五一二”汶川地震，誘發(fā)大量崩塌，地表植被損毀嚴重，廣泛堆積于主溝道和支溝，局部堵塞，為泥石流的形成提供了大量松散物源。經(jīng)調(diào)查，整個流域內(nèi)總計固體物源方量約為381.6×104m3，動儲量約95.2×104m3。野牛溝內(nèi)崩塌堆積物多達30處，崩塌物源量約為151×104m3，溝道物源主要是由于地震誘發(fā)崩塌堆于溝道內(nèi)或者在后期降雨的作用下由洪流帶入溝道，約為230.6×104m3。野牛溝內(nèi)，物源豐富，并且十分松散，有利于揭底沖蝕和側(cè)向侵蝕。

3泥石流災害特征與形成機制

野牛溝在“五一二”地震以后轉(zhuǎn)變?yōu)橐粭l泥石流溝。其特征為：(1)具有災害鏈效應：地震—崩塌—降雨—泥石流—淤埋河道、抬高河床；(2)持久性:野牛溝7月3日開始爆發(fā)大規(guī)模泥石流，該泥石流歷時大約5h；(3)陣流性：因為野牛溝溝道上游多彎道，且多處存在堵塞現(xiàn)象，容易形成短暫堰塞，或多級堰塞，并且多級堰塞潰壩的連帶效應，又會增大泥石流的規(guī)模；(4)主溝支溝群發(fā)性：經(jīng)調(diào)查，各支溝溝口滾堵塞嚴重，有大量松散堆積體，可見各支溝泥石流活動頻繁。

泥石流的啟動機制主要有兩種[8-9]：(1)暴雨地表徑流沖蝕坡表的松散堆積體進入溝道產(chǎn)生泥石流；(2)“消防水管作用”：陡峭的上游溝道暴雨產(chǎn)生溝道徑流如同“消防水管”迅速集中，猛烈沖擊溝道內(nèi)的松散堆積體，導致松散物質(zhì)啟動形成泥石流。通過對野牛溝的調(diào)查，其地勢上陡下緩，上游縱比降大，并且彎道多，溝道內(nèi)受大量“五一二”地震崩落的大塊石(最大塊石達粒徑13.2m)攔擋作用，加之區(qū)域內(nèi)降水持續(xù)時間不長，未形成大規(guī)模泥石流，僅在距溝口約300m的位置停止，造成局部堵塞嚴重，形成泥石流后，勢能快速轉(zhuǎn)化為動能，強烈沖切刮鏟溝道內(nèi)及岸坡兩側(cè)松散堆積體，迅速沖垮堰塞，造成有陣流性的大規(guī)模泥石流，結(jié)合野牛溝的特征及啟動機制，可將野牛溝泥石流形成機制分為三個階段。

(1)沖擊啟動階段：溝源及溝道上游陡峭，暴雨迅速匯集成溝道徑流，強大的水流沖擊溝道內(nèi)松散堆積體，岸坡不穩(wěn)定崩坡積物也隨徑流匯入溝道，強烈侵蝕溝道不穩(wěn)定物源，形成泥石流。野牛溝支溝發(fā)育，支溝地勢更陡，物源豐富，也會爆發(fā)泥石流。

(2)流通加速-潰決階段：溝道地形上陡下緩，上游平均縱比降達512.8‰，下游平均縱比降140.5‰，泥石流形成后快速向下游運動，勢能迅速轉(zhuǎn)換為動能，會產(chǎn)生強烈的下蝕作用[10]，強大的流體沖蝕溝床，不斷垮塌側(cè)蝕，形成下切—垮塌側(cè)蝕—卷入—下切—垮塌連帶效應；中上游溝道有三處彎道，并且溝道經(jīng)過震后多次降雨，以及2010年8月13日小規(guī)模泥石流作用，形成多級堵塞，在強大的流體沖擊下逐級潰決，造成陣發(fā)性和持久性特點[11]。各支溝形成的泥石流也會匯集到主溝之中，增大了泥石流的規(guī)模。

(3)泥石流堆積階段：隨著泥石流流體的快速運動，溝口地形較緩，地勢開闊，迅速鋪開，覆蓋溝口老堆積扇，沖到岷江之中，淤埋岷江近2/3河道，溝口泥石流固體物質(zhì)堆積厚度超過5.0m，一次泥石流沖出固體物質(zhì)總量近12.0×104m3。造成溝內(nèi)一飲水攔擋工程嚴重損毀(于2011年6月底竣工)，造成老國道G213都汶路、電線桿受損，沖毀約2000m2耕地及核桃樹約200棵。

4泥石流堵河分析

4.1　泥石流容重測定

在現(xiàn)場取2011年泥石流過后的溝床及兩側(cè)遺留物進行容重配置，請當年的目擊者進行配置泥石流的濃度確認，然后分別測出6件樣品的總質(zhì)量和總體積，按下式分別求出2012年7月3日泥石流流體重度。根據(jù)上述試驗獲得野牛溝泥石流重度為1.40～1.70g/cm3。

4.2　泥石流峰值流量和過流總量

(1)采用雨洪法計算泥石流的峰值流量：

Qc=(1+φ)QpDc

(1)

式中：Qc是泥石流斷面峰值流量(m3/s)；φ是泥沙修正系數(shù)；Qp是暴雨洪峰流量(m3/s)；Dc是堵塞系數(shù)，取2.5，計算結(jié)果見表1。

(2)一次泥石流總量:

一次泥石流總量Q的計算式為：

Q=K·T·QC

(2)

表1　野牛溝不同頻率下峰值流量和過流總量

一次泥石流沖出固體物質(zhì)的量QH的計算式為：

(3)

式中K取0.0378；T為泥石流持續(xù)時間；γH為泥石流固體顆粒容重(g/cm3)，取值2.5g/cm3；計算結(jié)果見表1。

按當時的法律，公公與兒媳私通是死罪，弟弟娶寡嫂也是死罪。更重要的是，古時的吏治理念是以德治國，一旦出現(xiàn)這種亂倫的事情，會對官吏的政績造成惡劣的影響。狀子呈上去，縣官即判兒媳改嫁。

4.3　泥石流堵河分析

影響堵河的主要因素有：泥石流容重、流量比、主河寬度、入?yún)R角等[12]。野牛溝的入?yún)R角為90°，屬于較易堵河類型。

本文選取張金山基于岷江上游提出的堵河經(jīng)驗公式[13]和陳德明提出的堵河判別公式來分析堵江情況。

張金山經(jīng)驗公式為：

(4)

陳德明堵河判別公式：

(5)

式中：P為泥石流的發(fā)生頻率；Qz為主河流量(m3/s)；Qn為泥石流流量(m3/s)；Jn為泥石流溝比降；KZ為溝口主河寬度(m)；JZ為主河比降；R為泥石流的堵塞度，其值的大小可以反映泥石流的堵塞程度；γ支、γ主為泥石流、河流重度(g/cm3)；V主、V支為河流、泥石流流速(m/s)；α為入?yún)R角(°)；Cr為閥值，取值1.44。通過兩種判別公式對野牛溝堵河可能性進行分析，結(jié)果如表2。

由表2可知，在頻率為1%，泥石流完全堵河可能性大，而小于百年一遇的泥石流完全堵河可能性小，計算結(jié)果與野牛溝目前爆發(fā)歷史相吻合。

表2　野牛溝堵河判別計算結(jié)果

4.4　泥石流堵河發(fā)展趨勢預測

據(jù)研究，大地震后次生地質(zhì)災害將持續(xù)活躍10年[14]。雖經(jīng)過幾次泥石流，已經(jīng)向岷江輸砂近12×104m3，但仍有大部分松散物源堆于溝道及岸坡，可見，野牛溝泥石流活躍程度還將持續(xù)。據(jù)分析，頻率在1%情況下，野牛溝可能完全堵塞岷江河道，形成堰塞湖，回水對G213國道及蘇坡店村寨造成威脅，所以要嚴密防控泥石流—淤積河道—抬高河床或泥石流—堵江—回水—沖擊場鎮(zhèn)災害鏈效應。

5結(jié)論

2)野牛溝泥石流的形成演化具有典型的“地震—崩塌—降雨—泥石流—淤埋河道、抬高河床”震后災害鏈效應，并具有持久性、陣發(fā)性、支溝群發(fā)等特點。

3)野牛溝泥石流的啟動方式為“消防水管”效應，溝道上游降雨迅速形成溝道水流，沖擊溝道內(nèi)大量松散堆積體，導致泥石流發(fā)生；泥石流的形成過程分為沖擊啟動—流通加速、潰決—泥石流堆積等三個階段。

4)堵河危險性分析表明：野牛溝一旦發(fā)生P=1%或以上泥石流，可能完全堵塞岷江，形成堰塞回水，威脅G213國道和對岸居民；頻率在P=1%以下泥石流會造成河道淤埋河床抬升，堵河的可能性小。

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(責任編輯王利君)

FormationmechanismandriverblockinganalysisofYeniu

gullydebrisflowinMinjiangRiver

MAOShuo1，MoNan-nan2

(1.StateKeyLaboratoryofGeo-hazardsPreventionandGeo-environmentProtection,ChengduUniversity

ofTechnology,SichuanChengdu610059,China;2.ZunhuaMeteorologicalBureau,Tangshan064200,China)

Abstract：TheYeniugullyinWenchuancountryoutbreakedadebrisflowonJuly3,2011.Itblockedthe2/3ofchannelMinjiangRiver,causinghugeeconomiclosses.Thispaperanalyzedtheformationconditions,disastercharacteristicandtheformationmechanismaccordingtothefieldinvestigation.Thispaperalsostudiedthepossibilityofblockingtheriverandthetrendofdevelopment.TheresultsshowthattheYeniugullychangedintoadebrisflowafterthe5.12Wenchuanearthquake.Thecharacteristicsofitarepersistence,paroxysmandgroupoccurrence.Theinitiatedprocesscanbesummarized“fire-pipeeffect”.Theoverlandflowofwaterconcentratedintosteepchannelsrunoffandsourcesfromgully-bedloosedeposits.Theformingprocesscanbedividedintothreestages:shockstartingphase,accelerationcrevassephaseandaccumulationphase.ItcancauseriverblockingwhenthedebrisflowisexcitedbyP=1%andabove.

Keywords：debrisflow;characteristics;formationmechanism;riverblockinganalysis

中圖分類號：P642.23

文獻標識碼：A

文章編號：1673-9469(2015)04-0090-04doi:10.3969/j.issn.1673-9469.2015.04.019

作者簡介：毛碩(1990-)，男(滿族)，河北遵化人，碩士，主要從事地質(zhì)工程及地質(zhì)災害評價與預測等研究工作。

基金項目：國家自然科學基金資助項目(41072231)；中國地質(zhì)調(diào)查局資助項目(12120113010100)

收稿日期：2015-08-22