強震區(qū)急陡溝道泥石流特征研究

屈永平，肖 進

(四川建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 德陽 618000)

0 引言

目前對泥石流的分類主要基于泥石流的流域面積、溝道坡度、山體坡度流域相對高差等參數(shù)，其中根據(jù)泥石流溝地形地貌條件主要分為坡面型泥石流和溝谷型泥石流，二者特征見表1。

表1 坡面泥石流與溝谷泥石流形態(tài)特征

汶川強震區(qū)部分泥石流溝具有溝谷型泥石流的特征，與此同時也具有坡面型泥石流的特征。根據(jù)國內(nèi)研究可知，坡面泥石流多發(fā)育于30°以上的邊坡[1]。泥石流形成區(qū)發(fā)育在斜坡中、上部且有一定匯水條件的凹型坡面[2]，沒有明顯的流通區(qū)，由于坡面較長[3-4]，山坡覆蓋層厚度一般為0.5～4 m，流域面積小(≤0.4 km2)。坡面泥石流是一種發(fā)生在有碎屑堆積物的陡坡上，由降雨引發(fā)的高濃度碎屑與水的混合物沿坡面運動的現(xiàn)象[5-6]。

溝谷型泥石流有明顯的匯水流域，泥石流流域可以分為形成區(qū)、流通區(qū)、堆積區(qū)等。一般意義上：溝道泥石流的溝床縱坡降越大，越有利于泥石流的起動，且溝道泥石流的縱比降在10%～30%(5°～17°)范圍時的暴發(fā)頻率最高，而在5%～10%(2.5°～5°)和30%～40%(17°～22°)范圍內(nèi)暴發(fā)頻率相對較低。其中，溝谷型泥石流和坡面型泥石流的形態(tài)對比見表2。

國內(nèi)外，對于此類同時具有坡面型泥石流和溝谷型泥石流的泥石流已有大量的研究[7-9]。坡面泥石流是由降雨誘發(fā)的高重度兩相流體，且泥石流的沖出距離短[10]。坡面泥石流形成過程主要包括：1)降雨條件下，斜坡滑坡失穩(wěn)[11]；2)滑坡體液化，形成高容重的兩相流體[12]。而對于小流域大比降的泥石流溝，具有泥石流流域匯流時間短，流速快等特點[13]。

溝谷型泥石流有明顯的匯水流域，泥石流流域基本上可以分為形成區(qū)、流通區(qū)、堆積區(qū)等3個區(qū)，泥石流的誘發(fā)機制主要為降水匯流沖蝕起動泥石流物源的過程。一般意義上來說：溝道泥石流的溝床縱坡降越大，越有利于泥石流的發(fā)生。

坡面泥石流沒有明顯的匯水區(qū)域，且泥石流的地形陡峭，泥石流主要為降雨誘發(fā)的高重度兩相流體，泥石流的沖出距離短。坡面泥石流形成過程主要包括：1)降雨條件下，斜坡滑坡失穩(wěn)；2)滑坡體液化，形成高容重的兩相流體。對于小流域大比降的泥石流溝，具有泥石流流域匯流時間短、流速快等特點。

表2 坡面泥石流與溝谷泥石流形態(tài)特征

根據(jù)前人研究可知，一般意義上的溝谷型泥石流的主溝道的縱比降主要集中于15%～40%(8～22°)之間，流域面積在1 km2以上。溝谷型泥石流的流域面積較大，流域分區(qū)明顯。溝道泥石流的起動模式與溝道坡度密切相關(guān)，即由于溝道坡度及其溝道物質(zhì)的堆積坡度，使得泥石流物源的失穩(wěn)破壞方式和泥石流起動模式不同。

1 強震區(qū)泥石流特征

汶川強震區(qū)為中高山侵蝕地貌，泥石流溝道兩岸陡峭，泥石流溝道縱比降大，泥石流流域內(nèi)分布著大量的滑坡、崩塌堆積體，且泥石流流域有明顯的形成區(qū)、流通區(qū)和堆積區(qū)等分區(qū)。汶川強震區(qū)泥石流類型多樣復(fù)雜，根據(jù)地形條件，泥石流可以初步分為坡面型泥石流、溝谷型泥石流、狹陡型泥石流[14]，而汶川強震區(qū)還包括了一大部分具有流域面積小、溝道縱比降大、溝兩岸陡峭等特點的泥石流溝。汶川強震區(qū)泥石流流域的坡度分布特征如圖1所示。

1.1 震區(qū)泥石流流域面積特征

根據(jù)震區(qū)泥石流溝地形條件的遙感分析和野外調(diào)查，泥石流溝的流域坡度大(平均溝道坡度>400‰)，其中震區(qū)的泥石流溝流域面積、溝道縱比降、泥石流形狀系數(shù)等參數(shù)如圖2～5所示，泥石流溝的地形坡度多在35°以上，泥石流溝形成區(qū)的溝道坡度在30°以上。

泥石流流域面積條件間接地反映了泥石流溝的匯水條件，汶川震區(qū)泥石流溝主要集中于1～8 km2，而泥石流溝的平均流域面積為10 km2，震區(qū)泥石流流域面積相對較小，汶川震區(qū)泥石流流域面積特征如圖2所示。

圖1 汶川地區(qū)泥石流坡度特征

圖2 震區(qū)泥石流流域面積

1.2 震區(qū)泥石流溝道縱比降特征

泥石流流域溝道縱比降直接反映了泥石流溝在匯流條件下的流速、沖擊力條件等，汶川地區(qū)的泥石流溝溝道縱比降主要集中于200‰～600‰之間，而泥石流溝道的平均縱比降為400‰(約為21°)，汶川震區(qū)泥石流溝道縱比降如圖3所示。

圖3 震區(qū)泥石流溝的溝道坡度

1.3 震區(qū)泥石流溝的形狀系數(shù)

形狀系數(shù)小于1時，集水區(qū)狹長，但是此類泥石流溝的溝道兩岸坡度大，極易形成滑坡崩塌堆積[15]，汶川地區(qū)泥石流溝的形狀系數(shù)范圍主要集中于0.1～0.4之間，平均形狀系數(shù)值為0.26，其中汶川震區(qū)泥石流流域的形狀系數(shù)分布特征如圖4所示。

(F=A/L2；其中，A為流域面積/m2；L為泥石流溝長度/m)圖4 震區(qū)泥石流溝的形狀系數(shù)

泥石流溝的形成區(qū)坡度和泥石流溝流域坡度等特征決定了降雨條件下的匯水時間，即形成區(qū)坡度越陡泥石流溝匯水時間越短，震區(qū)泥石流溝的形成區(qū)坡度主要集中于35°～40°之間，泥石流形成區(qū)的平均坡度為35.9°，而泥石流形成區(qū)坡度與泥石流主溝道的坡度差值反映了泥石流匯水過程中的能量轉(zhuǎn)換特征，即能量損失與坡度差呈正相關(guān)(坡度差越大導(dǎo)致能量損失越多)，泥石流溝的形成區(qū)坡度比其主溝道坡度大3°～27°不等(如圖5)。

圖5 震區(qū)泥石流主溝溝道坡度及其與形成區(qū)坡度關(guān)系特征

2 急陡溝道泥石流特征對比分析

根據(jù)汶川震區(qū)泥石流溝的幾何參數(shù)分析可知，泥石流溝流域平均面積為10 km2，泥石流溝道平均坡度400‰，泥石流溝的溝道平均長度為5 742 m，泥石流溝的平均相對高差為1 843.6 m，泥石流溝形成區(qū)平均坡度為36°。震區(qū)泥石流溝的流域特征見表3。

表3 強震區(qū)泥石流溝流域特征值

通過統(tǒng)計分析得到了泥石流流域面積與泥石流溝道縱比降的關(guān)系為反函數(shù)關(guān)系(如圖6)，即泥石流的流域面積越小，其溝道泥石流的縱比降越大。

圖6 強震區(qū)泥石流縱比降與面積關(guān)系

根據(jù)急陡溝道泥石流描述可知，急陡溝道泥石流為溝道縱比降≥400‰的溝谷型泥石流溝，通過震區(qū)145條泥石流平均縱坡降篩選，得到了震區(qū)急陡溝道泥石流的流域特征見表4。

表4 震區(qū)急陡溝道泥石流溝流域特征值

通過震區(qū)急陡溝道泥石流的調(diào)查可知，急陡溝道泥石流的流域面積在0.3～10 km2之間，而平均的流域面積在3 km2；急陡溝道泥石流溝的縱比降分布范圍為400‰～927‰，而平均溝道縱比降為554‰(≈30°)；急陡溝道泥石流的相對高差范圍值為896～2 586 m，其中平均相對高差為1 669 m。

根據(jù)急陡溝道泥石流的流域面積和溝道縱比降的統(tǒng)計分析可知，急陡溝道泥石流的流域面積與溝道縱比降之間的規(guī)律同震區(qū)泥石流的規(guī)律相同，即急陡溝道泥石流流域面積和溝道縱比降呈反函數(shù)關(guān)系。

3 典型急陡溝道泥石流溝特征分析

3.1 福堂溝泥石流特征

福堂溝的流域形態(tài)近似矩形，流域面積約為1.12 km2，主溝道長度約為0.78 km，主溝縱比降約為625‰，受構(gòu)造控制，整個泥石流域分布不對稱。溝域的最高點位于溝谷山脊地帶。根據(jù)遙感分析，福堂泥石流溝道坡度在30°以上，泥石流形成區(qū)溝道坡度在30°以上，流通區(qū)兩岸坡度也在50°以上(圖7)。

圖7 福堂溝流域特征

3.2 燒房溝泥石流特征

燒房溝總體為深切割構(gòu)造侵蝕地形，溝域面積為0.61 km2，溝道長度為1.58 km(何元宵等，2014)。燒房溝溝域形態(tài)成柳葉形，且泥石流的溝谷呈不對稱V形，兩岸坡度為30°～80°，平均縱坡降為464.97‰。根據(jù)遙感分析，燒房溝的溝道坡度在30°以上，而泥石流形成區(qū)坡度在30°以上，流通區(qū)坡度也在50°以上(圖8)。

圖8 映秀鎮(zhèn)燒房溝流域以及泥石流防治工程分布照片

3.3 小崗劍溝泥石流特征

小崗劍流域地勢總體呈北東高，南西低，流域頂部相對較平坦，主溝及兩岸地勢陡峭，主溝溝床坡降大，海拔1 500 m以上為清水區(qū)，溝道平均縱比降為361‰，匯水面積為0.61 km2；形成—流通區(qū)的溝道坡降為506‰。根據(jù)小崗劍泥石流溝的流域遙感分析，流域整體坡度平均坡度在30°以上，局部在50°以上。泥石流溝道坡度平均坡度在30°以上，泥石流流通區(qū)下游陡坎位置的坡度在50°以上(圖9)。

圖9 小崗劍泥石流溝遙感圖和野外照片

4 結(jié)語

震區(qū)泥石流的流域面積相對較小，泥石流的溝道縱比降大，物源主要分布于泥石流的溝道內(nèi)，在強降雨匯流條件下形成較大流速的地表徑流，沖蝕泥石流物源形成泥石流過程，泥石流的類型與泥石流的流域特征密切相關(guān)。震區(qū)泥石流特征為：

1)泥石流流域溝道縱比降直接反映了泥石流溝在匯流條件下的流速、沖擊力等條件，汶川地區(qū)的泥石流溝溝道縱比降主要集中于200‰～600‰，而泥石流溝道的平均縱比降為400‰(約為21°)。

2)泥石流流域面積條件間接地反映了泥石流溝匯水條件，汶川震區(qū)泥石流溝的主要集中于1～8 km2，而泥石流溝的平均流域面積為10 km2，震區(qū)泥石流流域面積相對較小。

3)通過震區(qū)急陡溝道泥石流的調(diào)查可知，急陡溝道泥石流的流域面積在0.3～10 km2之間，而平均的流域面積在3 km2；急陡溝道泥石流溝的縱比降分布范圍為400‰～927‰，而平均溝道縱比降為554‰(≈30°)；急陡溝道泥石流的相對高差范圍值為896～2 586 m，其中平均相對高差為1 669 m。