汶川極震區鋤頭溝泥石流發育特征及啟動機理

李安潤，鄧輝 ，余天彬，文靜

汶川極震區鋤頭溝泥石流發育特征及啟動機理

李安潤1，鄧輝1，余天彬2，文靜1

（1．成都理工大學地質災害防治與地質環境保護國家重點實驗室，成都 610059；2．四川省地質調查院，成都 610081）

汶川地震過后大量的老泥石流被激活，隨著潛伏期的過去，雨季來臨，松散物源開始重新活躍。通過對鋤頭溝泥石流的實地調查及現場測量發現，該溝流域面積較大，支溝發育，支溝及主溝后緣比降大，主溝中下段寬緩，泥石流物源主要為崩塌物源，分布于流域中上部和支溝內，泥石流由中上部和支溝啟動，匯聚于主溝內，并沿溝道下段堆積，并通過室內試驗等手段，還原了泥石流發生時的激發雨量及物源分布特征。震后極震區泥石流的具有物源類型豐富、易發程度高、激發雨量偏小和支溝群發等特點，該溝泥石流還出現了堵潰型泥石流現象。

泥石流；極震區；成因機制；發育特征

汶川縣位于汶川地震災區中心地帶，震區通常由于地震作用導致表層土壤破壞和基巖出露，引起崩塌、滑坡等地質災害，使得松散物質淤積于溝道或坡腳處，局部阻塞，在降雨條件下極易暴發泥石流。

圖1 鋤頭溝高分衛星遙感解譯圖

對于震區泥石流國內外已經有較多相關研究。我國臺灣地區1996年9月6日蘭嶼地震后就進行了地震專題研究，林慶偉等[1]人通過對地震前后的遙感圖像對比，發現激發泥石流啟動的降雨臨界值與地震后暴發泥石流的溝域面積以及泥石流頻率等因素密切相關。2008年汶川地震后，唐川等[2] ,[3]人對“9.24”暴雨泥石流的特征進行研究后提出了震區泥石流的兩種啟動方式：①暴雨形成的陡坡表面徑流導致附著于斜坡上的滑坡體和前緣松散物質向下輸移，進入溝道后轉為泥石流；②“消防水管效應”溝道水流快速集中并強烈沖蝕溝床中松散固體物質，啟動溝床物質并形成泥石流。游勇等[4], [5]人對震區北川蘇保河流域泥石流分析后發現，震區泥石流具有群發性，危害性大、搬運能力強、激發雨量小等特征。許強等[6]對“8.13”特大泥石流災害分析后得出震區和非震區、震前和震后的泥石流在發育方式、啟動條件、運移形式、影響范圍、分布規律等方面有顯著差別。在前人工件基礎之上，該文對汶川極震區鋤頭溝流域泥石流的發育特征及啟動機理進行了研究。

1 泥石流形成條件研究

1.1 地形條件

鋤頭溝流域面積大約21.7km2，主溝長約8.9km，后緣高程約4 130m，溝口程約1 178m，前后高差2 952m，主溝平均縱坡降約184‰。主溝道總體呈V型溝谷地貌，上游溝段較為狹小，谷寬約5～15m，下游段溝谷寬度較大，谷寬約50～120m。地層巖性主要為元古界黃水河群（Pth）和志留系茂縣群（Sm）花崗巖、閃長巖和花崗閃長巖，由于地震作用巖性強度低，巖體破碎、松散、崩落，形成豐富的崩塌物堆積于主溝道及兩側。

鋤頭溝支溝發育，主要有小溝、麻地槽溝、瑪璜溝、族頭溝、大塘溝等，各支溝普遍溝谷狹窄，谷底寬度約10～16m，縱坡陡峭兩側谷坡坡角45°～65°，局部達80°，縱坡比降大，溝床比降約371‰～737‰。

鋤頭溝流域總體屬深切割構造侵蝕低山和中山地形，主溝平面彎道發育，上游狹窄，縱坡陡峻，平均縱坡523‰，中下段寬緩，縱坡83‰～186‰，支溝發育。泥石流物源主要為崩塌物源，通過高分辨率衛星遙感技術與無人機航拍技術相結合獲取高清影像圖片[7]，作為遙感解譯圖底圖，經高分衛星影像解譯和現場調查，查明流域內主要物源崩塌堆積體約45處，方量約244.47×104m3。

1.2 松散物源條件

鋤頭溝泥石流主要物源類型為崩塌堆積物、溝道堆積物及坡面侵蝕物。主溝上游主要崩塌堆積物源來自牛圈溝、大塘溝和族頭溝等支溝及主溝道物源，物源類型為土質和基巖混合崩滑；主溝中段物源主要來自螞蟥溝、麻地槽溝和小溝等支溝及主溝道物源，主要類型為基巖崩塌；下游物源主要來自主溝道堆積物源。經顆粒分析試驗發現主溝道堆積物源顆粒級配存在較大差異，自上游至下游巨型塊石含量逐漸減少，細顆粒物含量逐漸增加。

圖2 物源統計圖

1.3 降雨條件

鋤頭溝溝域上游匯水面積約6.66 km2，約占溝域總面積的30.69%，地形開闊平坦，呈扇形形態，有利于水流匯入主溝道，為泥石流的發生提供良好的水動力條件。鋤頭溝流域根據《四川省中小流域暴雨洪水計算手冊》[8]經計算10min、1h、24h雨量平均值分別為8.3mm、20mm、60mm。

表1 不同頻率下雨強值計算表

鋤頭溝流域在7.10泥石流爆發時監測24小時最大降雨量為104mm，小于20年一遇設計雨強，但據當地老鄉所述，溝道上游降雨遠比溝口降雨聲勢大，由于溝道上游未設氣象觀測站，據本次泥石流爆發規模推測，鋤頭溝溝域范圍內平均降雨量已經超過50年一遇降雨量。由于地震后，鋤頭溝內不良地質現象發育，疏松物源量大增，其激發雨量相對降低，所以7.10泥石流爆發時的雨強完全可以滿足激發泥石流的條件。

2 發育特征分析

2.1 堆積物顆粒特征

對鋤頭溝流域松散堆積物進行顆粒級配試驗，采用現場篩分法[9]得出。鋤頭溝上游段QJ01土石比16.93 ：83.07和QJ02土石比12.58 ：87.42，結合地形條件溝谷縱坡降大，土石比小，推斷本流域段內以沖刷為主。鋤頭溝中段，QJ06土石比9.16 ：90.84，溝谷縱比降較緩，在洪水作用下溝道改道、擺動較為強烈，側蝕掏蝕作用較強烈，小顆粒物質被水流沖走，停淤較大的顆粒物質。鋤頭溝下游段，QJ09土石比26.15 ：73.85和QJ13土石比31.68 ：68.32 土石比較高，結合地形條件，縱坡較緩，推斷本流域段內以淤為主。此外泥石流堆積物中還含有約15%～20%的塊石成分，最大塊石直徑達3.5m左右。從泥石流堆積物顆粒成分和沖淤特征表現推斷，堆積物具有粘性泥石流的特征。

圖3 泥石流堆積扇特征

2.2 啟動-運移-堆積特征

鋤頭溝流域由于地震作用形成各類堆積物源，以崩塌堆積物源為主，大量分布在主溝道中上游，部分支溝也發育大量堆積物源。強降雨時，水流迅速匯聚進入溝道內，堆積物開始受流水浸泡，強度逐漸降低，坡體表面松散體在雨水沖刷作用下也開始滑落，進入主溝道補充物源。當雨量達到激發強度時，物源開始運移，小顆粒帶動大顆粒，最終啟動塊石參與運移等。

隨著降雨量增大，物源量增多，運移速度不斷加快，泥石流所過之處沖刷，掏蝕出露基巖體，產生滑塌崩落。各支溝物源沖出匯入主溝道為泥石流的發育增加了動能，在溝道狹窄處淤積堵塞，泥石流物源不斷堆積，最終潰決繼續向地勢低處奔涌，一路攜卷松散物源。

在出山口處，地形突然變得開闊，泥石流開始呈扇狀向兩側擴散，隨著溝道內物源的不斷涌出，開始向前方及兩側堆積，堆積物為粉土、礫石、碎塊石、漂石等，含量不均，以礫石、碎塊石為主。新堆積扇覆蓋于老堆積扇之上，新舊分明[10]。

3 啟動機理分析

3.1 泥石流運動過程分析

鋤頭溝泥石流運動方式主要為雨水匯集一堆積物源飽水開始運動一支溝物源沖出匯入主溝一淤塞臺地堵塞沖潰一全面爆發泥石流。

1）啟動過程。汶川地震導致鋤頭溝流域內堆積大量松散固體物源，為泥石流的啟動提供了直接物源。堆積于溝道內的崩塌滑坡堆積物在暴雨侵入的情況下，孔隙水壓力升高，粘聚力下降，堆積物強度急劇降低。雨水先帶動細顆粒運移，隨著雨量加強小塊徑塊石被帶動，溝道內堆積物源被帶動后，殘余在坡體上部的松散堆積體及崩坡積物開始滑移進入溝道內。

2）侵蝕運移過程。隨著雨量不斷加強，在暴雨沖刷作用下，存留于斜坡體上處于不穩定狀態的崩塌體發生整體破壞，成為新的物源參加運動。隨著支溝泥石流的不斷沖出，主溝道泥石流物源量劇增，加速運動，呈現多峰值形態。在彎道溝槽轉彎處凹岸流速較快，凸岸流速較慢，凹岸產生強大的侵蝕作用。當運移到溝道中部時，遭遇淤塞臺地淤積，累積量到達極限時沖潰，以突然爆發的形式向下游運移，再一次增加了運動過程的動能，在整個過程中不斷的對兩岸進行側蝕和掏蝕

圖4 淤塞臺地

圖5 溝道兩側崩滑體

3）堆積過程。當泥石流到達溝口處迅速沖出，沖出溝口后地形突然變得平緩，地形寬闊，巨大的物源開始向周圍擴散形成扇形堆積扇，堆積扇順扇前緣進入岷江河道，新堆積扇覆蓋于老堆積扇上，從扇頂至扇緣顆粒由粗變細，具有簡單分選的特征，堆積物以碎石和塊石堆積為主，碎塊石占60%～80%，結構松散-稍密，母巖成分為花崗巖，粒徑一般在20～80cm，最大為6.5m，砂及粉土充填。

3.2 泥石流成因機制分析

鋤頭溝泥石流有支溝群發和堵潰型兩個典型特征。地震作用產生的崩塌、滑坡堆積物大量堆積于各支溝及主溝道內，堆積物結構松散，孔隙度大，在暴雨工況下雨水入滲，孔隙水壓力升高，有效內摩擦角降低，堆積物強度急劇降低。小顆粒物質首先被帶動，隨著雨水量加大，塊徑較小石塊也參加運移，各支溝物源幾乎同時啟動，受支溝群發的影響，在短時間內支溝物源運移匯集于主溝道內，增強了泥石流的破壞程度及運移速度。

在整個發育過程中，主溝道中部有9個長約80m，寬約15m的狹窄淤塞臺地，當主溝道內的大量物源快速向地勢低處運移時，受到狹窄溝道的地形限制開始淤塞，堆積，隨著堆積量的不但加大，堆積厚度增加，最終潰決再次加速運移，多個淤塞臺地造成多次潰決，不斷的增加泥石流的動能。鋤頭溝泥石流的發育機制受到支溝群發的影響較為顯著，同時淤塞臺地的存在也為堵潰型泥石流的發育提供了關鍵地形條件，增大了鋤頭溝泥石流的破壞性。

3.3 泥石流發展趨勢分析

通過對泥石流成因機制和堆積物顆粒特征的分析，確定鋤頭溝泥石流屬暴雨溝谷型粘性泥石流。鋤頭溝流域植被覆蓋率較低，平均植被覆蓋率約50%，震后坡面結構變疏松，坡面滑塌現象發育，植被嚴重破壞。溝岸山坡坡度一般在35°以上，溝谷形態為“V”型谷，有利于物源和水源的匯集和泥石流的形成，震后不良地質現象發育，崩塌等現象顯著，固體物源量大增，局部水土流失加速，可參與泥石流活動的松散固體物源量也大大增加，一旦遭到大暴雨的作用，極有可能會引發大規模的泥石流災害。

4 結論

通過對鋤頭溝泥石流的實地調查與物源統計，從泥石流形成條件、發育特征及成因機制等方面，對其運動過程及啟動機理進行分析，得出以下結論：

1）鋤頭溝泥石流屬于堵潰型泥石流，具有堵潰型泥石流典型的發育特征，瞬間爆發潰決效應明顯，此種類型泥石流在汶川極震區出現較為常見。

2）汶川極震區泥石流，具有物源類型豐富、易發程度高、激發雨量偏小和支溝群發等特點。

3）極震區泥石流受地形效應影響較為明顯，尤其在溝道狹窄處易形成堵塞—潰決效應，增加泥石流發育動能，增大破壞性。

[1] 羅恒,沈軍輝,宋歡歡.九綿高速工棚溝泥石流發育特征及危險性分析[J].科學技術與工程, 2017, 17(32) :31-36

[2] 唐川,梁京濤.汶川震區北川9.24暴雨泥石流特征研究[J].工程地質學報, 2008, 16(6) :751-758

[3] 游勇,柳金峰,陳興長.“5·12”汶川地震后北川蘇保河流域泥石流危害及特征[J].山地學報, 2010, 28(3) :358-366

[4] 許強.四川省8·13特大泥石流災害特點、成因與啟示[J]. 工程地質學報, 2010, 18(5) :596-608

[5] 鄧輝, 巨能攀, 向喜瓊. 高分辨率衛星遙感數據在白衣庵滑坡調查研究中的應用[J]. 地球與環境, 2005, 33(4) :92—96

[6] 馬煜,余斌.泥石流體屈服應力與黏土礦物關系的試驗研究[J].科學技術與工程, 2017, 17(21) :202-207

[7] 張志軍,莊永成.基于GF-1數據的地質災害遙感調查—以青海省大通縣為例[J].科學技術與工程, 2017, 17(18) :9-17

[8] 張倬元, 王士天, 王蘭生. 工程地質分析原理. 4版[M]. 北京: 地質出版社, 1994

[9] 余天彬, 任光明, 王猛, 等. 汶川震區龍門山鎮高架子溝“8·18”泥石流災害機理與特征[J]. 中國地質災害與防治學報, 2014, 25(3)

[10] 高波, 任光明, 王軍, 等. 四川汶川高家溝泥石流形成條件與啟動機理研究[J]. 中國地質災害與防治學報, 2014, 25(4)

Development and Genetic Mechanism of the Chutougou Debris Flow in the Wenchuan Meizoseismal Area

LI An-run1DENG Hui1YU Tian-bin2WEN Jing1

(1-State Key Lab of Geological Hazard Prevention and Cure and Geological Environmental Protection, Chengdu University of Technology, Chengdu 610059; 2- Sichuan Institute of Geological Survey, Chengdu 610081)

A large number of old debris flows such as the Chutougou debris flow were activated due to the Wenchuan earthquake. The Chutougou debris flow in the Wenchuan meizoseismal area is characterized by large drainage area, many developmental branches, large slope of posterior edge of the main ditch and branches and rich source of mudstone as well as blocking debris flow. The provenance is rich in collapse source which is in the upper of the drainage area and in the branches.

debris flow; development; meizoseismal area; genetic mechanism

2018-07-02

李安潤（1995-），男，四川內江人，研究生，主要從事地質災害評價與預測技術研究工作

P642. 23

A

1006-0995（2019）02-0285-04

10.3969/j.issn.1006-0995.2019.02.022