四川省都江堰市龍池地區(qū)“8·13”特大泥石流堵江調(diào)查

許向?qū)帲驀?，張丹丹，?峰

(四川省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局四〇五地質(zhì)隊, 四川 成都 611830)

四川省都江堰市龍池地區(qū)“8·13”特大泥石流堵江調(diào)查

許向?qū)帲驀?，張丹丹，?峰

(四川省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局四〇五地質(zhì)隊, 四川 成都 611830)

汶川地震后，震區(qū)進入地質(zhì)災(zāi)害高發(fā)期，特別是雨季，其中包括泥石流災(zāi)害。2010年8月13日，都江堰市龍池地區(qū)暴發(fā)了特大規(guī)模的群發(fā)性泥石流災(zāi)害，部分泥石流堵塞龍溪河，沖毀公路，龍溪河整體抬升。為了研究龍池地區(qū)震后泥石流堵江特征，選取龍溪河流域內(nèi)堆積扇完整的36條泥石流溝為研究對象，通過泥石流野外調(diào)查和Spss統(tǒng)計，分析該區(qū)泥石流堵江類型，以及泥石流物源特征、泥石流沖出距離、泥石流堆積扇頂至主河的距離與泥石流堵江的關(guān)系。在此基礎(chǔ)上，建立適合該區(qū)的泥石流堵江模型，為震區(qū)泥石流災(zāi)害防治和災(zāi)害治理提供一定參考。

“8·13”；泥石流；堆積特征；堵江特征；龍池地區(qū)；四川都江堰

汶川8級地震后，地震重災(zāi)區(qū)多處暴發(fā)特大泥石流堵江事件，成為雨季對地震災(zāi)區(qū)影響和威脅最大的災(zāi)害類型。這是由于震后流域內(nèi)滑坡松散物質(zhì)劇增，導(dǎo)致泥石流規(guī)模明顯增加，表現(xiàn)為頻度增加、起動臨界雨量降低，溝道松散物質(zhì)量異常豐富，極大地增加了泥石流堵江的危險性。程尊蘭等人根據(jù)西藏地區(qū)支、主溝的流量比，支、主溝的流速比，剪切力與靜水壓力的關(guān)系，泥石流容重等分析堵江特征[1]。流體對顆粒的搬運能力也是泥石流堵江的重要因素之一[2-3]。而支溝泥石流在短時間改變主河水沙組成是導(dǎo)致堵江的根本原因[4-5]，其中泥石流與主河的交匯角對泥石流堵江的影響也十分明顯[6]。陳春光等人依據(jù)異重流理論得出了泥石流進入主河時的運動方程[7]。張金山等[8]選取岷江上游堵塞型泥石流溝以及不堵河型泥石流溝等6條泥石流溝，研究泥石流堵江特征。Lecomte[9]等人根據(jù)冰磧物特征分析泥石流堵江特征。CHENG Zunlan[10]等人根據(jù)泥石流容重、流速、流深等特征，研究藏東南地區(qū)泥石流堵江試驗。

震區(qū)泥石流的研究表明[11-12]：強烈地震作用導(dǎo)致地震區(qū)的地質(zhì)環(huán)境更加脆弱，導(dǎo)致泥石流等地質(zhì)災(zāi)害更加頻繁，危害范圍更大。Xuanmei Fan[13-14]等人運用遙感數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬，研究汶川震區(qū)滑坡堵江及其滑坡潰壩的特征；M.Peng[15]等人運用工程學(xué)分析滑坡堵江特征。

汶川地震后，泥石流的激發(fā)雨量和前期降雨量降低，而泥石流堆積區(qū)也是泥石流泛濫成災(zāi)的主要區(qū)域。2010年的8月13日，都江堰市龍池地區(qū)暴發(fā)了特大規(guī)模的群發(fā)性泥石流災(zāi)害，堵塞龍溪河河道，抬高龍溪河河床[16-17]。為了研究地震對泥石流堵江的影響作用，根據(jù)野外調(diào)查，發(fā)現(xiàn)泥石流溝口位置與主河距離以及泥石流堆積區(qū)的縱坡變化特征等泥石流堵江特征關(guān)系尤為重要，文中首次引用泥石流扇頂至主河距離，以及因為人為工程條件導(dǎo)致泥石流堆積區(qū)縱坡突增等因素，分析泥石流堵江特征，為該區(qū)域泥石流災(zāi)害的風(fēng)險評價和管理提供一定的參考。

1 區(qū)域概況

研究區(qū)坐落于成都平原西部，岷江上游，研究區(qū)內(nèi)的泥石流溝流域為典型高中山峽谷地貌，地勢西北高、東南低，地形高差大，地形坡度大。區(qū)內(nèi)溝谷發(fā)育，沿著龍溪河兩岸呈樹枝狀展布，主溝平面形態(tài)為折線形。該區(qū)出露花崗巖、灰?guī)r和輝綠巖等，且地質(zhì)構(gòu)造活動強烈，特別是汶川地震發(fā)震斷層(映秀-汶川斷裂帶)通過該區(qū)(圖1)，導(dǎo)致該區(qū)山體基巖出露、巖體破碎，形成大量的滑坡、崩塌堆積體，為龍池2010年“8·13”特大群發(fā)性泥石流提供了豐富的物源。

圖1 龍池地區(qū)泥石流分布圖

2010年8月13日，龍池地區(qū)50多條溝暴發(fā)了泥石流過程，其中36條泥石流溝堆積扇完整(見圖1)，且對龍池地區(qū)泥石流堆積區(qū)樣品進行室內(nèi)篩分，得出泥石流堆積區(qū)的黏粒含量較低，平均有效粒徑d10=1.7 mm，平均不均勻系數(shù)Cu為6.47，平均曲率系數(shù)Cc為1.62，可知地震泥石流顆粒級配良好，顆粒間以單粒結(jié)構(gòu)接觸關(guān)系為主。

研究區(qū)屬于四川盆地中亞熱帶濕潤季風(fēng)區(qū)，四季分明，冬無嚴寒，夏無酷暑。與同一氣候區(qū)其他各地相比，又表現(xiàn)為溫度較低，日照較少，陰雨天氣頻繁，根據(jù)研究區(qū)多年降雨量統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)降雨量主要集中在6-9月，其中8月降雨量為一年之最(250.6 mm)(圖2)。而研究區(qū)內(nèi)年平均蒸發(fā)量930.9 mm，占年降雨量的76%，其中蒸發(fā)量最大月(7月)140.2 mm，最小月(12月)27.1 mm。

圖2 研究區(qū)降雨特征

2010年8月4日，龍池地區(qū)開始陸續(xù)出現(xiàn)雷陣雨天氣，2010年8月13日14：00時刻降雨強度突然增加，16:00時刻誘發(fā)山洪泥石流，其中泥石流暴發(fā)前2 h時內(nèi)累計降雨量為30 mm，泥石流暴發(fā)時的小時降雨強度約為24 mm/h， 17：50時泥石流結(jié)束時，累計降雨量為150 mm(見圖2)。由上述可知，研究區(qū)泥石流屬于暴雨型泥石流。

2 堵江型泥石流特征

泥石流的堵江特征與泥石流的堆積特征、主河特征等直接相關(guān)。而堵江型泥石流堆積特征包括泥石流的沖出距離、泥石流堆積寬度、泥石流堆積厚度、泥石流扇頂至泥石流主河距離、主河夾角以及主河寬度等。

2.1 泥石流堵江類型

泥石流的堆積或者起動，取決于泥石流的剪切力與屈服應(yīng)力的關(guān)系，且泥石流的停淤過程伴隨著泥石流的流深降低，流速減慢等[18-19]。前人對泥石流堆積特征基于試驗?zāi)Ｐ?、統(tǒng)計分析[20-21]和數(shù)值模擬[12]。鐵永波[22]等人分析泥石流沖出距離，提出了泥石流沖出距離模型。地震泥石流由于泥石流流域高差大、物源儲量大、流域阻力系數(shù)低等，使得泥石流的沖出流速快、沖出方量大(圖3)，根據(jù)研究區(qū)泥石流堆積特征的觀測可知，泥石流堵江特征主要由泥石流沖出距離，扇頂至主河的距離、以及泥石流溝與主河的空間關(guān)系。

表1 研究區(qū)泥石流特征

(表中:A為泥石流溝流域面積/km2；a為流域內(nèi)滑坡、崩塌覆蓋/km2；b為泥石流堆積扇面積/m2；l為泥石流主溝長/km；L為泥石流堆積扇長/m；L1/為泥石流堆積扇扇頂至主河岸的距離/m；H為泥石流流域高差/km；D泥石流主河寬度/m；c為泥石流堆積扇堆積最大寬度/m ；sinα1為泥石流堆積扇原堆積區(qū)坡度正玄值，sinθ為堆積扇與主河夾角正玄值；β為泥石流主溝平均坡度/°；γ為泥石流溝對應(yīng)主河縱比降/%，α/°，h/m，F(xiàn)，F(xiàn)s)

圖3 研究區(qū)典型泥石流堵江特征

泥石流的入河特征，決定了泥石流在主河的運動特征，正常情況下，泥石流匯入主河時，由于主河的橫向縱比降小于泥石流堆積區(qū)的縱向縱比降，即泥石流入河時近似的潛入式。但由于人為原因，即道路、河堤等工程，使得泥石流的堆積區(qū)縱坡突變，即因為人為工程使得河堤岸坡的大縱比降，泥石流匯入主河時近似跳躍式。因為龍池至龍池國家森林公園交通要道以及人工河堤，使得泥石流溝堆積區(qū)坡度發(fā)生突增，即研究區(qū)為人為工程縱坡增加型堆積。

堵江型泥石流的堆積特征受到泥石流堆積區(qū)特征、主河形態(tài)以及其匯入方式的控制[23]，泥石流沖出距離與泥石流扇頂至主河的距離等，決定了泥石流是否重要的特征(圖4)。

圖4 泥石流堵江示意圖

2.2 泥石流堵江特征

為了研究該區(qū)泥石流堵江特征，本文對泥石流流域特征、泥石流物源特征、泥石流堆積特征以及泥石流溝對應(yīng)的主河特征等進行野外觀測，其中流流域特征包括泥石流流域面積、流域高差、溝道坡度、主溝斜長等，而泥石流的物源特征包含物源動儲量、滑坡面積等，泥石流堆積特征包括沖出距離、堆積坡度、堆積厚度、扇頂至主河的距離，主河溝道特征包括主河寬度、主河坡度以及主河與泥石流溝的夾角等(表1)。

2.3 泥石流堆積特征

通過研究區(qū)堵江型泥石流的沖出距離、堆積寬度和堆積厚度與泥石流流域特征和物源特征的關(guān)系，即沖出距離等與流域面積、流域高差、泥石流溝斜長、溝道平均縱坡、堆積扇堆積厚度、物源動儲量、滑坡面積等函數(shù)關(guān)系的擬合(圖5)，而泥石流的沖出距離與泥石流流域特征的關(guān)系如式(1)所示。

(1)

式中：L為泥石流沖出距離(m)；A為泥石流流域面積(km2)；H為泥石流流域高差(km)。由此可知，研究區(qū)泥石流的沖出距離與泥石流流域特征中的流域面積和流域高差相關(guān)。

泥石流的沖出距離與泥石流的物源特征和泥石流的流域特征均相關(guān)，且相關(guān)性和顯著性較好(圖6)。而研究區(qū)泥石流堆積寬度與泥石流流域特征的關(guān)系如式(2)所示。

圖5 沖出距離與流域特征的關(guān)系

圖6 堆積寬度與流域特征的關(guān)系

圖7 堆積寬度與物源動儲量的關(guān)系

(2)

式中：d為泥石流的堆積寬度(m)；A為研究區(qū)泥石流流域面積(km2)； l為研究區(qū)泥石流流域的溝長(km)。由此可見，泥石流的堆積寬度與泥石流流域的流域面積和溝道長度相關(guān)。

與此同時，泥石流的堆積寬度與泥石流堵江也相關(guān)，即泥石流堆積寬度越寬，其堵江時的泥石流壩越寬，主河潰決時所需的流量就會越大(圖7)，而研究區(qū)泥石流的堆積寬度與研究區(qū)物源特征關(guān)系如式(3)所示。

(3)

式中：d為泥石流的堆積寬度(m)；V為研究區(qū)泥石流流域內(nèi)物源動儲量(104m4)；a為研究區(qū)泥石流流域內(nèi)滑坡、崩塌物源覆蓋面積(km2)。由上述研究可知，泥石流的堆積寬度與泥石流流域的物源動儲量和物源覆蓋面積相關(guān)。

綜上所述可知，泥石流的堆積寬度與泥石流的物源特征和泥石流的流域特征均相關(guān)，且相關(guān)性和顯著性較好。

泥石流的堆積厚度間接反映了泥石流在堆積區(qū)的動力學(xué)特征，即堆積厚度越大，泥石流停淤時的內(nèi)摩擦力越大，其停淤時的速度也越大(圖8)。而研究區(qū)泥石流的堆積厚度也與泥石流的物源特征和泥石流的流域特征均相關(guān)。

圖8 泥石流堆積厚度與沖出距離的關(guān)系

h=3.342L3-43.783L2+182.689L-149.102,

R2=0.833&P=6.606×10-13。

(4)

式中：h為堆積厚度(m)；L為泥石流的沖出距離(m)；其他符號同上。

3 研究區(qū)泥石流堵江特征

總結(jié)前人研究的41條堵江型泥石流[2,4,24-29]，其中包括西藏地區(qū)堵江型泥石流、岷江流域地的堵江型泥石流、云南地區(qū)堵江型泥石流，震前堵江型泥石流、震后堵江型泥石流等， 41條堵江型泥石流所涉及到的泥石流流域特征、物源特征、主河特征等18參數(shù)主要包含了流域面積、主溝長度、溝道高差、溝道縱比降、動物源量、泥石流容重、支溝流量，其中泥石流流域特征參數(shù)所占百分比最高(圖9)。

圖9 堵江泥石流涉及的參數(shù)

泥石流堵江與泥石流流域特征、泥石流物源特征以及泥石流溝對應(yīng)的主河特征等密切相關(guān)，前人對泥石流堵江特征的研究主要基于泥石流動力學(xué)參數(shù)以及泥石流溝與主河的幾何關(guān)系，即泥石流規(guī)模、堆積區(qū)主河寬度、泥石流溝縱比降、泥石流流量、主河流量、泥石流顆粒級配、主河縱比降、泥石流粘度、重度、泥石流與主河夾角、泥石流暴發(fā)頻率等，其中該研究區(qū)36條泥石流的現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)，泥石流暴發(fā)導(dǎo)致龍溪河堵塞的泥石流溝有27條，未發(fā)生泥石流堵江的泥石流溝有9條。

3.1 泥石流堵江影響因素

泥石流的動力學(xué)性質(zhì)與泥石流流域面積、物源動儲量、流域高差、溝道坡度、溝長等泥石流流域特征直接相關(guān)。因此，本文根據(jù)泥石流流域特征、主河特征等因素分析泥石流堵江特征。

研究區(qū)泥石流堵江特征與泥石流沖出距離L、扇頂至主河的距離L1密切相關(guān)，即當(dāng)沖出距離大于扇頂至主河的距離時，泥石流可能堵江，當(dāng)沖出距離小于等于扇頂至主河的距離時，泥石流不發(fā)生堵江：

(5)

式中：L1為扇頂至主河的距離(m)；F為泥石流堵江特征，無量綱參數(shù)，當(dāng)F=0時不發(fā)生堵江，當(dāng)F=1時發(fā)生堵江。

通過統(tǒng)計分析，泥石流堵江特征與泥石流流域特征、泥石流堆積特征相關(guān)，且泥石流堵江特征F與泥石流堵江特征FS、沖擊距離與扇頂至主河的距離的差值△L、泥石流容重γ、堆積扇寬度，即：

(6)

3.2 泥石流堵江程度特征

周必凡等[30]從泥石流沖出量、溝床條件、主河流量等方面提出了泥石流能否堵塞主河的判別依據(jù)。陳德明等[31]通過水槽實驗的方法，根據(jù)泥石流的容重，主河水流的重度，泥石流的流量，主河水流流量，泥石流流速，主河水流流速，匯流角等建立了泥石流堵江判別式。朱平一等[32]通過培龍溝泥石流的輸沙堵河成因模擬實驗，從輸沙的角度探討泥石流堵河可能性，分析影響泥石流堵河的主要因素，其中包括地形地貌、泥石流暴發(fā)規(guī)模、泥石流容重、泥石流溝與主河的交匯關(guān)系、泥石流溝與主河的水動力條件等。徐永年[33]提出影響泥石流堵河的主要因素有泥石流的入?yún)R角、容重和泥石流規(guī)模，并引入泥石流對主河的影響度的概念和表達式。

而本文通過野外泥石流堵江特征調(diào)查，根據(jù)泥石流沖出距離L、扇頂至主河的距離L1以及主河寬度D的關(guān)系(圖10)，分析泥石流堵河情況，即：

(7)

FS=0.013ΔL2-6.610×10-6ΔL+1.057，

R2=0.89。

(8)

式中：△L=L-L1/m，F(xiàn)S為泥石流堵江特征，無量綱數(shù)。

表2 堵江泥石流流域特征

表3 堵江泥石流堆積區(qū)特征

表4 泥石流堵江評價結(jié)果

圖10 堵江特征與堆積特征的關(guān)系

4 模型驗證

本文采用了汶川縣境內(nèi)的燒房溝等堵江型泥石流的溝為例，研究龍池地區(qū)堵江模型的實用性情況，該區(qū)泥石流也是位于汶川 地震作用中心，本次泥石流的發(fā)育背景和泥石流暴發(fā)機理相同，即強降雨作用下的暴雨型泥石流，泥石流物源主要為汶川地震中形成的滑坡、崩塌堆積體等(表2)。

而泥石流溝與主河的幾何特征關(guān)系如表3所示。

根據(jù)以上觀測可知，根據(jù)公式可知，紅椿溝、燒房溝、銀杏坪溝、高家溝、徹底關(guān)溝等泥石流堵江特征評價結(jié)果(表4)。

由上述可知，強震區(qū)的堵江型泥石流溝的流域特征、物源特征以及主河特征等因素與泥石流的堵江特征相關(guān)，由龍池研究區(qū)的泥石流統(tǒng)計得出的沖出距離、堆積寬度、堵江特征等在汶川震區(qū)存也在一定的實用性。

5 結(jié)論

四川省都江堰市龍池鎮(zhèn)2010年8月13日暴發(fā)了特大群發(fā)性泥石流，泥石流沖出固體物質(zhì)總共達1 000萬 m3，導(dǎo)致龍池地區(qū)沿龍溪河兩岸居民房屋嚴重受損，導(dǎo)致龍溪河河床抬升，震區(qū)災(zāi)后重建區(qū)遭到嚴重破壞，因此，本文結(jié)合研究區(qū)泥石流堵江情況，分析震區(qū)泥石流堵江特征。

(1)2010年8月13日的強降雨條件，導(dǎo)致該區(qū)群發(fā)性泥石流，其中泥石流暴發(fā)時的降雨強度24 mm/h，泥石流暴發(fā)前的前期降雨量為58 mm，由于地震作用，導(dǎo)致研究區(qū)泥石流暴發(fā)的激發(fā)雨量和前期降雨量降低了。

(2)根據(jù)研究區(qū)泥石流沖出特征，以及泥石流在堆積區(qū)的堆積特征等，將該區(qū)泥石流堵江分為由于施工道路、河堤等工程縱坡增加型堵江，而泥石流扇頂至河岸的距離、泥石流沖出距離等是泥石流堵江的重要特征。

(3)選取研究區(qū)內(nèi)堆積完整的36條堵江泥石流溝，9條未發(fā)生堵江的泥石流為研究對象，由泥石流堵江特征參數(shù)的統(tǒng)計可知，泥石流堵江與研究區(qū)泥石流流域、泥石流物源特征等相關(guān)，且泥石流堵江系數(shù)等與泥石流沖出特征、泥石流溝口與主河的空間關(guān)系相關(guān)。

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Investigation on the “8·13” Damming of Debris Flow in Longchi Town, Dujiangyan City, Sicuan Province

XU Xiangning, XIANG Guoping, ZHANG Dandan and XUE Feng

(SichuanGeologyandMineralExplorationandDevelopmentBureauofthe405GeologicalTeam,Chengdu611830,China)

AfterWenchuanearthquake,thegeologicalhazardsintheearthquakeareaenteredintotheperiodofhigh-incidence,includingthedisasterofdebrisflow,especiallyintherainyseason.OnAugust13, 2010,large-scaleclustersdebrisflowwasbrokeoutintheLongchitownofDujiangyancity,roadswaswashedoutandriverbedofLongxiwasraised.Inordertostudythedammingcharacteristicsofthedebrisflowintheearthquakearea,therefore, 36gullieswhichtheaccumulationfansofdebrisflowcompletelychoseastheobjecttostudy,throughthefieldinvestigationandSpssstatisticsinthestudyarea.Purposetostudythedammingtypes,andanalyzetheblocking-riverrelationship,bystudyingcharacteristicsofthedrainagecharacteristics,materialscharacteristics,rushedoutdistance,distancefromthetopoffantothemainriver.Onthisbasis,thestatisticmodelofdammingofdebrisflowwasestablished,providingcertainreferencepreventionandcontrolfordebrisflowdisasterinthestudyarea.

“8·13”debrisflow;accumulationcharacteristics;dammingcharacteristics;Longchitown;DujiangyanCityofSichuan

10.3969/j.issn.1000-811X.2017.02.012.]

2016-10-14

2017-01-19

四川省國土資源廳科學(xué)研究計劃課題(KJ-2016-11)；四川省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局四〇五地質(zhì)隊專項資金

許向?qū)?1971-)，男，云南永勝人，博士、教授級高級工程師，從事地質(zhì)工程及地質(zhì)災(zāi)害研究工作. E-mail：450247363@qq.com

X43；P642.23

A

1000-811X(2017)02-0064-08

10.3969/j.issn.1000-811X.2017.02.012

許向?qū)帲驀?，張丹丹，? 四川省都江堰市龍池地區(qū)“8·13”特大泥石流堵江調(diào)查[J]. 災(zāi)害學(xué)，2017，32(2)：64-71. [XU Xiangning, XIANG guoping, ZHANG Dandan,et al. Investigation the “8·13” damming of debris flow in Longchi town, Dujiangyan city, Sicuan province [J]. Journal of Catastrophology，2017，32(2)：64-71.