茂縣刁花溝泥石流特征及形成條件分析

李世川，付琪智，黃遠斌，陳廷芳，羅 承

(1.西南科技大學 環境與資源學院，四川 綿陽 621010； 2.四川省宜賓地質工程勘察院，四川 宜賓 644002)

“5·12”汶川地震在震區造成了嚴重的人員和財產損失，還誘發了大量直接威脅人員安全的滑坡、崩塌、泥石流等地質災害。研究表明，震區滑坡、崩塌、泥石流等會有10～20年的活動期[1]，地震使泥石流的形成條件和活動特征發生了明顯改變，尤其震區溝道內崩塌、滑坡發育，形成了極為豐富的松散物源[2]，極易誘發形成泥石流。刁花溝位于汶川震區，是一條低頻溝谷型泥石流溝。受汶川地震影響，溝道內松散物源增多。2014年9月11日在強降雨的作用下，刁花溝暴發了泥石流，泥石流固體物質沖出量約有2.97萬m3，導致一級電站蓄水庫全部淤滿，電站上方攔水壩被沖毀，農房、耕地及牲畜損失約1 000萬元，基礎設施損失約200萬元。本研究以茂縣刁花溝泥石流為研究對象，通過大量的現場調查與地質勘測，詳細分析了刁花溝泥石流的形成條件、發育特征及其動力學特征，并探討了震后泥石流的暴發機理，希望能為震后泥石流的治理提供參考。

1 研究區地質環境條件

茂縣地處青藏高原向川西平原過渡地帶，高山聳峙，河谷深邃，是青藏高原東緣和長江上游生態環境十分脆弱的高山峽谷區的典型代表。區內大部分屬邛崍山系岷山山脈，其中：東南部屬龍門山系尾段，群山連綿，峰巒起伏，谷坡險峻陡峭，河谷狹窄，河流深切；西部與理縣交界處的萬年雪山，海拔5 230 m，為全縣最高峰；西北部相對高差1 000～2 500 m；東南部相對高差500～1 500 m，區內土門河下游黃公坪河壩海拔890 m，是全縣最低點；北部谷坡下部較為陡峭，地勢狹窄，但向下游漸趨寬坦，是高山狹谷向山原的過渡地帶。縣境內地貌類型主要為東部剝蝕侵蝕中山，中南部剝蝕侵蝕高中山，西北部高山、極高山，岷江河谷，以及茂縣河、土門河兩岸的第四系堆積地貌。

研究區內出露地層主要為第四系殘坡積層、第四系崩坡積層、全新統沖洪積層、泥石流堆積層、古生界泥盆系危關群下組，主要分布于陡坡、坡腳及主溝溝口區域。巖層表面風化嚴重，母巖成分主要為強風化—中風化的千枚巖、灰巖、石英巖。境內地質構造主要為較場山字形構造帶和石大關弧形構造帶、龍門山華夏系構造帶，斷層主要有茂汶斷層、九頂山斷層，褶皺主要有九頂山向斜等。該區位于石大關弧形構造的外弧部位，處于南北地震帶的中段即龍門山地震帶和松潘地震帶，歷史上經歷了多次地震活動，按照四川省地震烈度分區圖，研究區地震動峰值加速度為0.2g，特征周期0.35 s，地震基本烈度為Ⅷ度。

2 流域概況及泥石流活動特征

刁花溝位于茂縣三龍鄉納呼村卡玉組，屬岷江水系，為三龍河右岸支流之一，由一條主溝和兩條支溝組成。刁花溝溝口地理坐標為北緯31°47′33.77″、東經103°33′15.13″，溝口有公路通過。溝域前部形態呈V字形，后部相對寬緩，整個溝段呈漏斗狀，主溝長5.23 km，1號支溝長3.81 km，2號支溝長4.4 km。刁花溝流域面積為32 km2，溝床縱比降為67‰～400‰，豐水季節有洪水自溝口流出，枯水期流量較小，水流匯入三龍河(表1)。刁花溝從地形地貌上能區分出泥石流形成區、形成流通區、流通堆積區和堆積區(圖1)。

表1 刁花溝溝道特征

圖1 刁花溝溝道分區示意

調查走訪得知，刁花溝在1958、2014年曾發生過泥石流。1958年發生的泥石流事件無相關記載，資料缺失嚴重。2014年9月11日，在歷時約2 h前期強降雨后，刁花溝暴發了中型稀性潰決型泥石流，形成了共計6處泥石流堆積區，堆積方量約2.97萬m3。泥石流暴發過程大致為：9月11日19:30左右泥石流到達溝口養豬場位置，在養豬場上方拐彎處部分泥石流沖出溝道，形成高達1.7 m的爬高溢流，同時掩埋養豬場，造成養豬場內近千頭豬死亡，部分泥石流淤積于養豬場內，養豬場內淤積物約0.63萬m3；部分泥石流拐過彎道后，繼續對下游進行沖擊，并最終沖入村口三龍河內，淤積于下游近百畝(15畝=1 hm2)耕地、納呼村居民聚居地內。經調查訪問，“9·11”泥石流洪峰流量持續時間大約為9月11日19:30至21:40，隨后泥石流流量逐漸減小，轉為水石流，并一直持續至9月12日9:00左右，在溝口堆積扇堆積松散物質約1.65萬m3。“9·11”泥石流共淤埋28戶居民房屋、2座電站，沖毀約13 hm2農田、2處養豬場，所幸未造成人員傷亡，但造成的經濟損失高達1 200萬元。

3 泥石流形成條件

3.1 地形地貌條件

刁花溝為一常年性溪流，源于流域南端的龍池梁子。刁花溝流域海拔最高點位于流域南端的龍池梁子(海拔4 213 m)，最低點位于匯入三龍河河口處(海拔2 039 m)，相對高差達2 174 m，整體南高北低，山脈走向SW向。地貌類型屬于構造剝蝕和部分冰川刨蝕深切割高中山區，3 800 m高程以上冰蝕地貌明顯，角峰、鰭脊、冰斗發育，溝谷多呈V形和U形；3 000 m高程以下溝谷地形主要為深切割高中山峽谷，溝谷多呈V形。刁花溝呈葉脈狀散開，發育2條主要支溝，由于構造運動強烈，因此溝域侵蝕下切強烈，溝谷中寬谷和狹谷相間分布，這樣的地形有利于松散固體物源、雨水、地下水匯集。

3.2 物源條件

流域經歷多次構造變動，伴以巖漿活動與變質作用，巖體節理裂隙發育，同時研究區冬季長，凍融作用破壞巖體結構，造成巖體風化破裂，在重力和動水壓力作用下常形成滑坡、崩塌等，為泥石流的形成提供了固體物源。1933年疊溪7.5級地震，1976年8月16日松潘平武7.2級地震，特別是2008年5月12日汶川8.0級地震誘發大量崩塌、滑坡，松散物質堆積在溝床形成壅塞，為泥石流暴發儲存了豐富物源。物源主要由溝道內物源、坡面物源、坡腳侵蝕物源及水土流失物源四部分組成。調查期間查明已有物源點25個，其中坡面物源8個、溝道內物源17個。各類型物源量見表2。

表2 刁花溝泥石流物源統計

3.3 水源條件

刁花溝流域內地下水較豐富，調查期間(12月下旬)溝內有流水，但流量較小，僅為5～12 L/s。因此，引發泥石流的水源主要來自大氣降水，暴雨形成的地表徑流是引發泥石流的動力條件。據茂縣氣象站觀測資料，茂縣多年平均降水量為484.1 mm，年最大降水量為560.6 mm，年最小降水量為335.5 mm，月最大降水量為168.1 mm，日最大降水量為104.2 mm(1989年7月24日)；冬春季節降水量嚴重偏少，常發生冬干連春旱，夏秋季降水偏多，且各月分配不均，4—10月降水集中，降水量占年降水量的91.8%，10月至次年3月降水量僅占年降水量的8.2%，同時降水分布呈現隨海拔升高而增大的趨勢。

4 泥石流動力特征

4.1 泥石流容重

刁花溝溝道堆積物以粗顆粒為主，上、中游形成區溝道內碎石最大直徑約5 m。自上游至下游大型塊石含量逐漸減少，細顆粒物含量逐漸增加。容重的確定是泥石流性質判定必不可少的因素。根據現場配漿得到泥石流的容重小于1.6 t/m3，確定為稀性泥石流。后期對溝口堆積扇進行顆粒級配測定，繪制粒徑曲線圖，根據粗、細顆粒物的百分含量對溝道內的泥石流容重進行計算，計算公式[3]為

γD=P050.35P2γV+γX

(1)

式中：γD為稀性泥石流容重，t/m3；P05為粒徑<0.05 mm的顆粒百分含量；P2為粒徑>2 mm的顆粒百分含量；γV為黏性泥石流最小容重，本次取值2 t/m3；γX為泥石流最小容重，本次取值1.4 t/m3。

最終計算得到泥石流的容重為1.509 t/m3。

4.2 泥石流流速計算

由于泥石流區沒有觀測設備，在實際觀測資料的基礎上，利用西南地區(鐵二院)泥石流流速經驗公式對流速進行統計回歸分析。計算公式為

(2)

φ=(γC-γW)/(γS-γC)

式中：VC為泥石流斷面平均流速，m/s；MC為稀性泥石流糙率系數；α為阻力系數；RC為水力半徑，m；IC為泥石流水力坡度，‰；γC為泥石流流體物質的容重，t/m3；γW為水的容重，t/m3；γS為泥石流固體物質容重，本次取值2.65～2.70 t/m3；φ為泥石流泥沙修正系數，本次取值0.475。

通過實地勘測，利用形態調查法選取了5個代表性泥石流斷面進行相應的取值計算，計算出各斷面的泥石流流速(表3)，結果表明： 形成區泥石流流速最大，為7.07 m/s；流通堆積區泥石流流速最小，為4.18m/s；而在溝口流速再次增大為4.63 m/s，原因是在流通堆積區到溝口之間發生匯流，具有再次加速效應。

表3 各斷面泥石流流速

4.3 泥石流流量計算

根據上節選取的泥石流斷面的流痕和溝道確定了泥石流的泥位線，測定流面比降、斷面高度、面積等參數，再對各個斷面的泥石流流量進行計算，結果見表4。

表4 泥石流峰值流量計算結果

5 泥石流形成機制探討

刁花溝泥石流形成條件分析結果表明，該泥石流溝的物源條件、水源條件和地形條件都有利于泥石流的發生和活動，但泥石流發生與否及其規模主要取決于降雨強度、地震烈度及人類工程活動的強度等。刁花溝于2014年9月11日16:30左右開始出現降水，降雨強度在5 mm/h以下，隨后在17:00左右變為強降雨，降雨強度達到30 mm/h以上，達到50年一遇頻率，之后轉為暴雨，降雨量逐漸減少，降雨一直持續至9月12日6:30左右。在此期間，溝內水量激增，刁花溝1、2號支溝內物源在暴雨作用下大量失穩。1、2號支溝兩岸陡立，支溝泥石流、坡面泥石流、崩塌等在失穩后高速沖入支溝溝道內，高勢能轉化為強大的動能，在支溝溝道內產生底蝕、側蝕，并攜帶底蝕、側蝕物質向下游高速運動，同時造成溝道兩岸的滑坡、不穩定斜坡等進一步發展、失穩，加入泥石流運動；當上游1、2號支溝形成的泥石流高速運動至流通區時，這些堆積體一部分直接以松散物質形式參與泥石流運動，另一部分則對泥石流形成瞬間的堰塞效應，但終因泥石流來勢兇猛，堰塞效應瞬間失效，被挾裹著繼續向下游運動，而且瞬時堰塞效應、底蝕、側蝕造成流通區地質災害體、溝底及兩側堆積體大量失穩，并參與泥石流運動，泥石流流體在此過程中呈滾雪球之勢不斷壯大，在歷時約2 h前期強降雨后，刁花溝泥石流全面暴發。刁花溝內松散固體物源較豐富，堆積體較松散，已發生過的兩次泥石流規模均在3萬m3左右，但僅占可參與泥石流活動的松散固體物源的4.7%，在強降雨條件下再次發生泥石流的概率較大。

6 結 語

刁花溝構造作用強烈，在地震作用、冰川凍融和風化作用下物源條件豐富；坡度陡峻、流域范圍大，有利于地表徑流形成，且流速相對較大，為泥石流的形成提供了匯集水源和水動力條件。本研究通過對茂縣刁花溝的實地走訪調查和動力特征計算分析，得到以下結論：

(1)刁花溝流域屬于高中山剝蝕構造地貌和山間侵蝕堆積地貌，其地形條件、物源條件和水源條件都有利于泥石流的發生和活動，強降雨則是泥石流暴發的主要激發因素。

(2)刁花溝泥石流屬于低容重低頻溝谷型稀性泥石流，溝道上、下游的溝道物源主要為千枚巖、變質砂巖風化碎塊石，上游區碎石最大直徑約5 m，下游碎石直徑達1.2 m。泥石流的容重為1.509 t/m3，流速最大值為7.07 m/s，泥石流最大流量為324.29 m3/s。

(3)刁花溝內松散固體物源較豐富，堆積體較松散，已發生過的兩次泥石流帶出的松散固體物源僅占可參與泥石流活動的松散固體物源的4.7%，在強降雨條件下再次發生泥石流的概率較大。