四川汶川縣映秀鎮紅椿溝“8.14”特大泥石流形成條件與運動特征分析

李德華，許向寧，郝紅兵

（四川省華地建設工程有限責任公司，四川成都 6 10031）

0 引言

“5.12”汶川特大地震后，位于震中的映秀鎮地質環境受到嚴重破壞，山體震傷嚴重，地震裂縫異常發育，巖土體結構松動，誘發形成的滑坡、崩塌和泥石流地質災害數量眾多，隱患異常嚴重，一旦在極為不利因素的作用下，暴發大規模地質災害可能性極大。紅椿溝就是屬于上述風險極大的老泥石流溝，地震后成為映秀鎮主要的地質災害隱患點之一。

2010年8月12～14日，汶川縣映秀鎮發生強降雨，紅椿溝暴發特大泥石流災害，沖出固體物源總量達80.5×104m3，其中40×104m3物源進入岷江并堵斷河道，江水受擠壓向右岸改道，水位迅速抬升淹沒剛剛建成的映秀鎮新區（圖1），此外還淤埋了溝口213國道公路400m，掩埋了在建映（秀）-汶（川）高速公路引線路基及多個橋墩，泥石流災害造成17人失蹤。

本文根據對紅椿溝“8.14”特大泥石流災害后的調查，分析形成泥石流的三大條件及其啟動成災機理，反算泥石流運動特征參數，預測其發展趨勢。

1 流域概況

紅椿溝所在的映秀鎮屬于中山河谷地區，位于四川臺地的邊緣與龍門山準地槽南延部分的過渡帶上，是低山褶皺區逐漸過渡為高山的強烈斷裂和巖漿浸入區的“龍門山深斷裂”，即映秀—北川大斷裂。

圖1 泥石流堆積物堵斷岷江危害映秀新區Fig.1 Debris flow deposit produced a natural dam in the watercourse of the Minjiang River，endangered the new Yingxiu town

紅椿溝為岷江左岸一級支溝，流域形態為扇形，流域地形屬深切割構造侵蝕低山和中山地形，總體上具有岸坡陡峻，切割深度較大的特點。溝域面積5.35km2，主溝縱長3.6km，溝域相對高差1288.4m，主溝平均縱坡降約358‰。

紅椿溝水系特征呈樹枝狀，主要發育有右岸甘溪鋪溝、大水溝和新店子三條較大支溝，溝內崩滑不良地質現象發育，松散固體物源極為豐富，為紅椿溝泥石流重要物源分布區，三條支溝在“8.14”強降雨時均發生了泥石流災害；左岸則分布有龍家溝和一號支溝，支溝植被較為發育，松散固體物源較少，總體上屬清水溝。流域特征分布見圖2。

圖2 紅椿溝流域特征及物源分布圖Fig.2 Layout map of provenance and the valleys character of Hongchun valley

2 泥石流形成條件分析

2.1 地形條件

紅椿溝流域內兩岸山高坡陡，平均坡度在35°以上，溝谷縱坡較大，特別是主溝上游段及各支溝縱坡多在400‰以上，有利于降雨的匯集，為泥石流水源的匯流集中提供了基礎。

紅椿溝溝谷多呈V型谷，縱坡比降大，溝道上游跌坎多，顯出新構造運動期間山體強烈抬升的特征。特別是汶川地震后，溝谷地形發生了明顯變化，溝道堆積和堵塞現象嚴重，物源區擴大。由于紅椿溝溝域地形陡峻，較大的地形高差，使處于斜坡高處的風化巖體具有較大勢能，為形成崩塌、滑坡創造了有利臨空條件；在地震影響下，陡急的山坡和溝床為坡面和溝床松散堆積物能量的釋放和勢能轉化為動能提供了有利條件，為溝中洪水強烈沖刷坡面和溝床松散堆積物、形成高速泥石流匯流形成了巨大的動能條件。

2.1.1 上游三條泥石流支溝地形條件

甘溪鋪溝：為紅椿溝最大一條支溝，流域形態呈扇形，流域面積約1.44km2，溝長1.85km，溝道平均縱坡373‰，兩岸坡度在30°～50°，“8.14”泥石流時中、下段物源參與量較大，拉槽下切非常嚴重。

大水溝：流域形態呈長條形，面積約0.33km2，溝長1.26km，流域相對高差 750m，溝道平均縱坡595‰。地形為陡坡地貌，岸坡坡度一般為30°～35°，“8.14”時臨溝側地形切割較強烈。

新店子溝：流域形態呈橢圓形，溝流域面積0.51km2，溝長1.26km，相對高差758.4m，溝道平均縱坡463‰。新店子溝內以陡坡為主，中下段主要為老沖洪積扇，地形相對平緩，溝道在堆積扇上擺動較強烈，“8.14”時原溝道右岸沖刷掏蝕較強烈。

參與泥石流活動的三條支溝基本特征統計見表1。

表1 上游三條支溝泥石流特征統計表Table 1 Debris flow digenvalue table about the three tributary at the upriver

2.1.2 主溝地形條件

根據支溝與主溝的交匯關系，主溝分為三段：

主溝上段：為大水溝匯合口至甘溪鋪溝口段。該段多數呈 U型谷，溝寬20～40m，溝道平均縱坡232‰。由于溝道寬度較大，溝道縱坡較緩，且溝道總體較順直，彎道和跌水不發育，在“8.14”泥石流過程中，上游泥石流來量也不大，因此該段揭底沖刷不強烈。

主溝中段：甘溪鋪溝口至B06崩塌堆積體前緣段。該段呈V型谷，溝寬10～40m，溝道平均縱坡231‰，“8.14”泥石流發生前，H02和 H03滑坡在此段堵塞溝道形成一個較大的雍塞體，在泥石流活動過程中，受甘溪鋪溝沖下高動能的泥石流作用，將該雍塞體沖潰，很大程度上起到了放大流量的作用。

主溝下段：分布于紅椿溝下游B06崩塌堆積體至岷江段。該段平均縱坡139‰，由于溝道寬度增大，縱坡減緩，泥石流運動特征以淤積為主。

2.2 物源條件

2.2.1 “5.12”地震前后物源

紅椿溝為老泥石流溝，曾于1962年發生過泥石流，沖出量約 2×104m3，未造成災害。1962年至“5.12”地震前，流域內物源總量約200×104m3，以分散坡面堆積物和老的溝道堆積物為主，溝道堵塞現象不發育，46年來未發生泥石流。“5.12”地震后物源總量大增，因地震引發新增物源達150×104m3，以崩滑類物源為主，造成溝道嚴重堵塞，強降雨易引發泥石流災害。

根據“5.12”地震后對溝域的調查，溝域內共計有物源點52處，物源總量358.1×104m3，物源類型以崩滑類物源和溝道堆積物源為主，有少量坡面堆積物源分布。其中，崩滑類物源點37個，物源量183×104m3，溝道堆積物源點 12個，物源量 169.2×104m3，坡面物源點3個，物源量5.9×104m3；從物源分布來看，支溝及主溝均有分布。

震后物源總量的增加，特別是崩滑類物源數量的激增以及對溝道造成堵塞，為紅椿溝“8.14”特大泥石流的孕育和發生提供了條件。震后物源類型及分布見表2。

表2 物源類型及分布統計表Table 2 Statistics of provenance type and provenance distribution

2.2.2 “8.14”泥石流啟動量

在“8.14”特大泥石流中，啟動的物源點共計37處，啟動物源量共計80.5×104m3，在啟動的物源點中，崩滑類物源啟動量51.2×104m3，溝道堆積物源啟動量29.3×104m3，坡面物源基本未進入溝道參與泥石流活動；從啟動物源分布來看，主溝中段啟動物源量最多，甘溪鋪溝物源量第二，主溝上段啟動量最少。紅椿溝主、支溝物源啟動分布見圖2。

“8.14”泥石流后，流域內剩余固體物源量尚有310.14 ×104m3，動儲量 98.4 ×104m3，主要為崩滑物源和溝道堆積物源；巨大的物源量，為紅椿溝可能再次暴發泥石流提供了先決條件。

2.3 水源條件

泥石流后，根據唐川等收集的映秀氣象站的實測數據［1］，紅椿溝泥石流發生的前期降雨量總計達162.1mm。可能最終誘發紅椿溝泥石流的激發降雨出現在8月14日凌晨2∶00～3∶00，其小時最大雨強僅為16.4mm。

降雨對泥石流的激發作用，也即泥石流發生的臨界雨量問題，很多學者進行了大量研究，譚萬沛等（1992）對四川省泥石流發生的臨界雨量進行的研究表明，龍門山地區泥石流發生的臨界雨量為80～100mm，小時雨強為30～50mm［2］。

根據降雨量分析，激發紅椿溝泥石流的原因為：一方面由于前期降雨歷時長、雨量大，導致流域內崩滑堆積體及溝道堆積的松散物源處于飽水狀態，不利條件下極易啟動；二是由于前期降雨過程較長，流域地面包氣帶飽和，隨著后期雨強增大，更易匯流形成地表徑流，啟動泥石流災害。

綜上所述，“5.12”地震后紅椿溝溝域內泥石流活動的物源量大增，溝域岸坡陡峻、溝道縱坡較大，為水流匯集、溝內松散堆積物啟動提供了有利條件；因此，在“8.14”強降雨過程中，紅椿溝暴發了大規模泥石流災害。

3 泥石流啟動機理和運動特征分析

3.1 啟動機理分析

根據實地調查后可知，紅椿溝泥石流暴發特點是溝內多點堵潰、拉槽下切集中啟動物源。先是支溝泥石流潰決啟動，向下運移過程中不斷刨蝕中下游溝道物質，在進入主溝前已形成強大的龍頭，進入主溝后由于主支溝交匯角度大，泥石流發生短時堵塞最后潰局，拉槽下切主溝內的大規模崩滑體，于岷江河道堰塞后部分回淤停積于扇區。

現以本次啟動量最大，過流特征最為明顯的甘溪鋪溝為例，從啟動源頭至堆積區就其啟動機理和運動模式分析如下：支溝啟動-支溝拉槽下切-主支溝堵潰-主溝拉槽集中啟動-岷江河道淤堵成災。

3.1.1 支溝啟動潰決

甘溪鋪溝中段H05崩滑體的啟動是紅椿溝泥石流大規模啟動的主要源頭。泥石流發生前，映秀鎮降雨歷時較長，一方面導致H05崩滑堆積區松散土層呈飽水狀態，同時滑坡區后側基巖陡壁區巖體裂隙充水，震后形成的危巖體穩定性降低并發生崩塌，崩落的巨大塊石沿H05崩滑堆積上游側滾落，由于崩滑體松散層飽水，抗剪強度降低，大塊石順坡滾動過程中在松散坡體表面形成強烈的拉槽下切，巨大塊石、拉槽后松散土體和匯聚的洪水向甘溪鋪溝下游匯流，成為泥石流的啟動因素。且拉槽下切后產生的泥石流堆積體在溝道內形成短時堵塞，并發生潰決。

3.1.2 支溝拉槽下切

泥石流啟動后，沿甘溪鋪溝向下游運動，于H05崩滑堆積體前緣和溝道中、下游區均拉槽下切，并發生側蝕，導致溝岸滑塌強烈。H05崩滑體前緣溝道下切后并追溯滑塌體表面發展形成另兩條深槽，物源進一步補充到泥石流中，使泥石流流量和規模增大。由于H05崩滑堆積物源區高程為1450～1700m左右，相對紅椿溝匯口高程880m高處約600m以上，且甘溪鋪溝溝道縱坡較陡，H05崩滑堆積物源啟動后，迅速以高勢能轉化為高動能，形成破壞力極強的流體，對甘溪鋪溝中、下游G04、G05溝道物源形成強烈的拉槽下切，G04溝道堆積物質幾乎被完全掏蝕攜帶，泥石流物質繼續得到補充，流量和規模均不斷增大。

3.1.3 主支溝交匯區堵潰

甘溪鋪溝泥石流匯入主溝道后，由于支溝與主溝交角達到了65°，不利于泥石流的順利排導，因此于匯口附近形成堵塞，而上游大水溝和新店子溝“5.12”地震后松散固體物源也較豐富，降雨作用下也形成規模相對較小的泥石流向下游運動和匯集，到與甘溪鋪溝匯合處受到甘溪鋪溝泥石流堆積體阻擋，規模不斷增大，并最后潰決，形成大規模的泥石流繼續向主溝中游運動。

3.1.4 主溝拉槽集中啟動

當泥石流運動至H02、H03滑坡堆積體上游時，由于上游甘溪鋪匯口處潰決下來的泥石流破壞力極強，對堆積在溝道內的H02、H03滑坡堆積體、B07崩塌堆積體及該段溝道（G02、G03）堆積物形成強烈拉槽下切，并引發岸坡松散物質發生滑塌參與泥石流活動，形成巨大的泥石流龍頭。

3.1.5 岷江河道淤堵成災

泥石流過主溝中游后，已形成流量巨大、破壞力極強的流體，以極快的流速向岷江匯流，最終形成規模約40×104m3的堰塞體，造成主河岷江堵塞成災，后續的泥石流流體受到阻擋，其余約40.5×104m3回淤堆積于溝口扇區。

可見，在泥石流形成和運動過程中，于H05崩滑堆積體上游邊界拉槽處、甘溪鋪溝與紅椿溝匯合口等處發生堵塞和潰決，最終形成了流量和規模巨大的泥石流災害。泥石流啟動運動機理過程見圖3。

圖3 泥石流運動機理過程分布圖Fig.3 Distribution map of the process of debris flow movement mechanism

3.2 運動特征參數反算

“8.14”泥石流后，對其運動特征參數進行反算，計算主要選擇調查到的泥石流過流特征和泥痕，采用配漿法確定流體重度，采用形態調查法對流速、流量進行計算。

3.2.1 重度計算

(1)工程準備階段：編報監理技術方案并審查項目實施方案，完成生產技術設計書并出具書面意見。(2)工程實施階段：根據項目的進展，落實監理技術方案，部署各個專業監理組實施具體的監理工作。主要工作有：編制監理階段性實施計劃，檢查生產過程中的資源投入、質量、進度、措施落實等情況，定期舉行監理例會進行總結，向業主匯報項目的進度、質量情況并提交監理簡報、月報告或專項報告。(3)報驗成果階段：簽署項目報驗申請，采取現場監督、旁站監理、資料審核、核查分析等方式來跟蹤驗證項目驗收意見是否落實和整改，確認工程質量、進度、資源投入的符合性和有效性，協調生產單位匯交工程項目資料，編制“監理報告”并完成匯交工作。

（1）實驗和計算方法

泥石流暴發后，在主溝及支溝各區段對泥石流堆積物配合溝水攪拌泥石流漿體濃度并進行稱重，量測漿體體積，計算泥石流流體重度，其計算公式［3］為：

式中：γc——泥石流重度（t/m3）；

Gc——配制泥漿重量（t）；

V——配制泥漿體積（m3）。

（2）現場實驗結果

計算結果如表3，泥石流重度為1.79～2.05 t/m3。

配漿實驗成果與“8.14”泥石流實際情況吻合，結果可靠。

表3 泥石流流體重度計算表Table 3 Computational table of the unit weight of the debris flow stream

根據調查和計算的泥石流重度結果可知，支溝及主溝泥石流流體性質為粘性泥石流，采用粘性泥石流流速通用公式［3］計算復核各斷面“8.14”泥石流流速。

（1）計算公式及取值

式中Vc：——斷面平均流速（m/s）；

Hc——平均泥深（m）；

Ic——泥位縱坡率，以溝道縱坡率代替；

nc——粘性泥石流溝床糙率。

考慮泥石流流體呈整體運動，河床比較粗糙，石塊較多，彎道、跌水較發育，當泥深小于1.5m時取值0.05，泥深大于1.5m時取值0.067。

據上式，計算參數和計算結果詳見表4。

表4 泥石流流速計算表Table 4 Computational table of the debris flow velocity

（2）計算結果分析

泥石流流速計算結果是根據野外調查時獲取的泥位和溝道特征求得的，能反映溝道特征對泥石流流速的控制作用，計算結果與實際情況相對較為吻合。

3.2.3 流量計算

（1）計算與結果

根據調查的溝道寬度、泥位深度，結合流速計算結果，采用形態調查法進行流量計算，計算公式［3］：

Qc=WcVc

式中：Qc——斷面峰值流量（m3/s）；

Wc——過流斷面面積（m2）；

Vc——斷面平均流速（m/s），采用前述計算結果。

據此求得各斷面位置泥石流峰值流量，計算結果詳見表5。

表5 泥石流流量形態調查法計算表Table 5 Computational table of debris flow form survey

（2）計算結果的可靠性分析

采用形態調查法求得的峰值流量計算結果與泥石流發生時實際情況一致，其在主溝1#、2#壩位、甘溪鋪溝口區計算流量較大，與泥石流發生時溝內曾發生溝道堵塞造成流量放大相吻合，特別是甘溪鋪溝下游大量溝道物源和主溝中段H02、H03、B07等大量松散固體物源堵潰并放大流量。

3.2.4 一次過流總量及固體物質沖出量計算

（1）計算公式

一次泥石流過流總量計算公式［3］：

Q=0.264TQc

式中：Q——泥石流一次過流總量（m3）；

T——歷時（s），“8.14”歷時按調查結果確定，9900s；

Qc——最大流量（m/s）。

一次泥石流固體沖出物計算公式［3］：

QH=Q（γc- γw）/（γH- γw）

式中：QH——一次泥石流沖出固體物質總量（m3）；

Q——一次泥石流過程總量（m3）；

γc——重度（t/m3）；

γw——水的重度（t/m3）；

γH——固體物質的重度（t/m3）。

（2）計算結果

根據上式，取溝口扇區斷面和主溝擬設1#壩位斷面計算泥石流一次沖出量和固體物質總量。計算結果詳見表6。

表6 泥石流過流總量和固體物質沖出量計算表Table 6 Computational table of debris flow total volume and solid matter volume

由表可見，下游1#壩位區泥石流固體物質沖出量為80.47×104m3；溝口區泥石流固體物質沖出量為43.22×104m3，即為入江泥石流固體物質量；下游1#壩位區與溝口之間固體物質沖出量之差為37.25×104m3，即為停積于堆積扇區的固體物質量，計算結果與調查到的數據基本吻合。

綜上，“8.14”泥石流后，通過實地調查到的溝道特征、現場重度試驗和訪問的過流時間等數據，反算出了泥石流暴發時的特征參數，其計算結果與實際發生情況基本吻合。

4 發展趨勢預測

4.1 “8.14”泥石流前后形成條件的對比分析

“8.14”泥石流發生后，流域范圍、面積、主支溝水系特征等未發生大的變化，流域仍然表現出山高坡陡、地形縱比降大的特點，有利于泥石流物源和水源的匯聚，具有泥石流發生的地形條件。但流域內局部微地貌特征則產生了較大變化，如局部溝道變陡、跌坎增多，部分溝段以沖刷下切為主，致使崩滑堆積物源前緣臨空，穩定性降低，其啟動參與泥石流活動的可能性增大。

“8.14”泥石流啟動物源量為80.5×104m3，僅占原物源總量358.1×104m3的21％左右，溝道內剩余物源量仍然巨大，且物源類型組成結構與“8.14”泥石流發生前相當，仍以溝道堆積物源和崩滑類物源為主，通過類比分析，紅椿溝有再次發生大規模泥石流災害的物源條件。

4.2 泥石流易發程度分析

“8.14”泥石流后，形成泥石流的溝道條件、物源條件和水源條件仍然十分充分，根據泥石流災害防治工程勘查規范［3］標準進行評分，得分為116分，易發程度仍屬極易發；紅椿溝再次發生較大規模泥石流災害的可能性仍然較大。

4.3 泥石流發展趨勢預測

經過“8.14”泥石流后，溝內松散物源易啟動量還有98.4×104m3，溝道內剩余物源量仍然巨大；流域范圍、面積、主支溝水系特征等未出現大的變化，仍然表現出山高坡陡，地形縱比降大的特點，有利于泥石流物源和水源的匯聚，紅椿溝流域在特定降雨條件下，勢必再次引發大規模的泥石流災害。

5 結論

（1）汶川縣映秀鎮紅椿溝在強降雨作用下引發了特大泥石流災害，沖出固體物質80.5×104m3，對映秀新區、在建映汶高速公路造成了極大危害。

（2）紅椿溝泥石流為近幾年暴發的較典型泥石流溝，地震誘發的集中物源特別豐富，“8.14”暴發泥石流時一次沖出固體物質量巨大，其運動特征也異于一般泥石流溝，溝內存在多點堵潰、拉槽下切啟動集中物源的特征，由此造成了一次沖出量巨大，危害也特別巨大的災害。

（3）泥石流后，通過實地調查到的溝道特征、現場重度試驗等數據，反算泥石流暴發時的特征參數，其計算結果與實際發生情況基本吻合。

（4）“8.14”泥石流后，溝域內松散固體物質較豐富，溝道利于溝域水流匯集，在特定降雨條件下，再次發生大規模泥石流的可能性較大。

（5）紅椿溝泥石流是近年國內罕見的特大泥石流災害，溝內地震物源量巨大、溝道陡峻，治理難度較大，其啟動機理分析與運動特征參數反算模式對地震災區眾多泥石流溝勘查設計具有一定的指導意義。

［1］唐川，李為樂，丁軍，等.汶川震區映秀鎮“8.14”特大泥石流災害調查研究［J］.地球科學，2011（1）：25-31.TANG Chuan，LI Weile，DING Jun，et al.Field investigation and research on giant debris flow on august 14，2010 in Yingxiu Town，Epicenter of Wenchuan Earthquake［J］.Engineering Geology，2011（1）：25-31.

［2］譚萬沛，韓慶玉.四川省泥石流預報的區域臨界雨量指標研究.災害學，1992，7（2）：37-42.TAN Wanpei，HAN Qinyu.Study on regional critical rainfall induced debris flow in Sichuan province.Journal of Catastrophology，1992，7（2）：37-42.

［3］中華人民共和國國土泥石流災害防治工程勘查規范［S］.中華人民共和國國土資源部.2006.Specification of geological investigation for debris flow stabilization［S］.Ministry of Land and Resources of the People’s Republic of China，2006.