都江堰市龍池鎮“8·13”蜂桶巖泥石流災害特征

劉清華 唐 川 馬 煜

（1.地質災害防治與地質環境保護國家重點實驗室（成都理工大學），成都610059；2.成都理工大學 工程技術學院，四川 樂山614000）

2008年5月12日，四川省發生汶川特大地震，都江堰市是地震重災區之一。龍池鎮位于都江堰市西北部的山區，面積約90km2。受地震影響，龍池鎮龍溪河兩岸山體發生多處崩塌和滑坡，形成大量松散固體物質，為形成泥石流提供了充足的物源條件［1］。2010年8月12日～14日，四川省部分地區出現大暴雨，致使包括都江堰市龍池鎮在內的多處“5·12”汶川地震災區暴發了群發性泥石流，統稱為四川省“8·13”特大泥石流災害［2］。此次泥石流災害導致龍池鎮龍溪河的河床整體抬升近5m，對地震后重建的民房、鄉鎮基礎設施以及農業生產均造成了嚴重影響甚至破壞。

蜂桶巖泥石流是龍池“8·13”群發泥石流中的新增災害點，主要造成淤埋溝口民房（圖1），房屋最大淤埋泥深達6m，淤埋公路長度約100m；泥石流沖出物部分進入龍溪河，迫使河流擠向對岸，威脅對岸民房（圖2）。根據現場調查資料，“8·13”蜂桶巖泥石流沖出物總體積約為7.4×104m3。

地震后地震災區泥石流的暴發具有激發條件降低、群發和規模增大等特點［1－4］，有至少5～10 a的相對活躍期［1，3］。蜂桶巖泥石流是典型的地震后發型泥石流，發生隱蔽，流域面積小，泥石流規模相對較大，研究其形成條件和暴發特征對深入認識地震災區泥石流災害特點有重要意義。本文根據“8·13”蜂桶巖泥石流的現場調查資料和室內實驗數據，分析了災害的形成背景、成災條件及特點，計算了泥石流容重、屈服應力、流量、沖出物總量等靜動力學參數，并提出防災減災建議，以期為同類研究提供參考資料。

圖1 泥石流溝口受損房屋Fig.1 Damaged houses at the mouth of the debris flow gully（A）溝口右；（B）溝口左

圖2 泥石流溝口對岸房屋Fig.2 Houses on the other side of the river facing the debris flow gully

1 形成背景

蜂桶巖溝位于龍池鎮南岳村6社，岷江一級支流龍溪河左岸，溝口地理坐標為 N 31°5′58″，E 103°33′41″，與龍池鎮直線距離約5km。

龍池地區在地質構造體系上為龍門山構造帶的中南段，屬華夏構造體系，在大地構造上分別屬揚子準地臺和青藏地槽區，在區域構造上位于映秀—北川斷裂的西北側。映秀—北川斷裂為龍門山后山北川—中灘鋪斷裂的一部分，為北東向壓扭性深大斷裂。龍池地區地層產狀變化大，巖層破碎，巖石裂隙發育。

區域地層除缺失奧陶系、泥盆系、白堊系、侏羅系及第三系外，從元古界到第四系均有出露。該區屬于中山剝蝕侵蝕山谷地貌（海拔高度1100 m以上），多由花崗巖、閃長巖、安山巖、凝灰巖及部分變質巖構成，表層為第四系殘坡積物、崩坡積物及沖洪積物。

流域屬四川盆地中亞熱帶濕潤季風氣候區，根據都江堰市氣象局1957～2008年的降雨資料［5］，區域年平均降雨量為1134.8mm，月平均降雨最多的8月份降雨量為289.9mm，月平均降雨最少的1月份降雨量為12.7mm；最大月降雨量為592.9mm，最大日降雨量達233.8mm，最大1h降雨量為83.9mm，最大10min降雨量為28.3mm；一次連續最大降雨量為457.1mm。降雨主要集中在5～9月份，這5個月的降雨量占全年總降雨量的80%以上。龍池地區降雨相對集中、雨強大、暴雨頻率高等特點有利于泥石流災害的發育。

圖3為Google Earth截圖，其中A圖攝于2007年9月14日，B圖攝于2008年6月28日，反映了“5·12”汶川地震前后蜂桶巖溝的環境概況。地震前，蜂桶巖地區植被茂密（圖3－A）；地震后，流域內產生了明顯的崩塌和滑坡（圖3－B）。根據對當地村民的訪問，與蜂桶巖溝相距約500 m的核桃樹溝于2008年6月14日暴發過泥石流，因此推測蜂桶巖地區在2008年6月有過降雨，但未誘發泥石流，降雨產生的水流帶著部分松散固體物質順著地勢相對下凹處侵蝕地表形成洪水溝（圖3－B）。從地震到2010年8月13日的2年多時間里，蜂桶巖溝一直沒有暴發過泥石流。

2 形成條件

2.1 降雨條件

根據龍池山頂北斗站的降雨監測資料，誘發龍池“8·13”泥石流的降雨主要集中在2010年8月13日，降雨過程和累計降雨量見圖4。蜂桶巖泥石流大約于8月13日16：00時開始，持續時間約40min。根據圖4，蜂桶巖泥石流發生時的1h降雨量為53.8mm（16：00時），此次降雨過程的最大1h降雨量為55.8mm（17：00時），8月13日全天降雨總量為209.8mm。

圖3 蜂桶巖溝流域邊界Fig.3 Valley boundary of the Fengtongyan gully（A）震前；（B）震后

圖4 2010－08－13單位時間降雨量和累計降雨量Fig.4 Hourly and accumulated precipitation on August 13，2010

根據《四川省中小流域暴雨洪水計算手冊》［6］，龍池地區十年一遇降雨的最大1h降雨量為53.6mm，最大24h降雨量為223.6mm。因此得出，誘發“8·13”蜂桶巖泥石流的降雨頻率約為十年一遇。

2.2 物源條件

區域斷裂和褶皺發育，泥石流物源的發育條件較好，“5·12”汶川地震導致的崩塌和滑坡直接為形成泥石流提供了大量的松散固體物源。

龍池鎮與“5·12”汶川地震震中映秀鎮僅一山之隔，直線距離約5km。“5·12”汶川地震的發震斷層從龍池鎮水鳩坪處通過。受地震影響，蜂桶巖溝流域內形成了單處體積從0.2×104～2.3×104m3不等的多個崩滑體［7］，其形成的松散固體物質為蜂桶巖泥石流的形成提供了直接的物源（圖3－B，圖5）。另外，地震產生的劇烈震動使流域山體表面特別是斜坡地段的風化帶或表層松散物整體更為松動，在強降雨過程中突然過度飽和，極易順坡下泄形成泥石流。

圖5 形成區崩滑體Fig.5 Collapses and landslides in the forming area

2.3 地形條件

蜂桶巖溝流域地處中山地形，侵蝕切割較深。流域總體呈櫟葉形，面積約0.3km2，相對高差700m左右。匯水形成區高差約560m，平均坡度36°，最大坡度約49°。流通區長約250m，相對高差約120m，平均坡度22°，最大坡度約33°。相對高陡的地形為匯水提供了強大的水動力條件，也為崩滑體松散堆積物的運動提供了充足的動能。

3 “8·13”蜂桶巖泥石流特征

3.1 形成過程及特征分析

“5·12”汶川地震前，蜂桶巖溝流域內植被茂密，無現成的深切流通溝道；但在地震后的2年多時間里，懸掛于坡體的松散固體物質在降水的作用下沿地勢相對下凹處向溝下游流動，并在流動過程中侵蝕地表，破壞植被，形成洪水溝。經過多次降水的沖刷作用，洪水溝的溝道加深，流域內的部分松散固體物質逐漸匯集到溝道內。

在“8·13”強降雨和高陡地形提供強勢能的作用下，坡體上大量的松散固體物質隨水流迅速下泄，并與洪水溝道內的松散堆積物一同起動形成泥石流。剛開始的小部分泥石流沖出物主要沿之前的洪水溝流動，且與右側另一泥石流沖出物匯合；但之后受局部淤高的影響，蜂桶巖泥石流總體向左擺動，且在運動過程中強烈侵蝕地表，沖刷出一條深切的泥石流溝道（圖6）。泥石流沖出物淤埋公路后進入龍溪河，河流局部向對岸改道，威脅溝口對岸民房（圖2，圖7）。

圖6 蜂桶巖泥石流溝全貌Fig.6 Picture of the Fengtongyan debris flow gully

泥石流發生后流通區段形成的溝道切割明顯，最大深度約10m，最大寬度約7m，溝道近“U”形，平均縱比降為480‰，溝道雙側坡度近乎垂直。堆積區呈扇形，最大堆積厚度約9m，最小堆積厚度約2.5m，平均堆積厚度約7m，堆積扇長約80m，寬約120m。堆積物粒徑在40～50 cm的居多，最大粒徑4.5m。堆積扇保存的沖出物體積約為6.7×104m3，考慮到約10%體積的泥石流沖出物進入龍溪河且已部分被水流帶走，折算后“8·13”蜂桶巖泥石流沖出物總體積約為7.4×104m3。

“8·13”蜂桶巖泥石流沖出物主要來源于雨水沖刷的坡體松散固體物質、洪水溝內匯集的松散堆積物質以及泥石流運動過程中侵蝕溝道的侵蝕物質?！?·13”蜂桶巖泥石流具有流通區較短、發生隱蔽、沖出量相對較大的特點。本文資料現場調查時間是2010年8月下旬和10月，“8·13”蜂桶巖泥石流發生后，該地區在8月16日和18日又遭遇了大暴雨，但此溝未再次發生泥石流。圖6所示的泥石流溝道除了“8·13”泥石流的作用外，還有后期雨水的沖刷作用，溝道深切。

圖7 蜂桶巖溝特征及泥石流危害范圍Fig.7 Features of the Fengtongyan gully and hazard area of debris flow

3.2 容重

根據蜂桶巖泥石流堆積物樣品的篩分實驗數據，得到顆粒分布曲線如圖8。

圖8 顆粒分布曲線Fig.8 Curve of grain size distribution

據現場觀察，蜂桶巖泥石流堆積扇上有典型的泥包石現象，塊石間未直接接觸，充填有大量細粒砂土，堆積物總體表現為分選性差的混雜堆積。由堆積物的特征判斷蜂桶巖泥石流為強黏性的黏性泥石流，其容重在2.0g／cm3以上，實際泥石流容重值按公式（1）計算［8］。

式中：γD為黏性泥石流容重（g／cm3）；γ0為泥石流的最小容重（取1.5g／cm3）；w2為＞2mm 的粗顆粒的質量分數（小數表示），w2＝0.72；w05為＜0.05mm的細顆粒的質量分數（小數表示），w05＝0.02；γV為黏性泥石流最小容重（取2.0g／cm3）。

由公式（1）計算出的“8·13”蜂桶巖泥石流容重為1.88g／cm3。考慮到蜂桶巖泥石流堆積現場黏性泥石流特征明顯，而泥石流的堆積特征更能反映泥石流的真實類型，因為即使是同一泥石流的泥石流容重也會受取樣地點和部位的影響而不同，甚至可能會有跨越一種泥石流類型的偏差［8］；此外，本文的顆粒分析數據來源于小樣實驗分析，小樣容重相比于更接近實際的大樣容重偏小［9］。因此，本文將“8·13”蜂桶巖泥石流的容重值修正為2.0g／cm3。

3.3 屈服應力

屈服應力是反映黏性泥石流特征的重要參數。根據對泥石流最大淤積厚度與泥石流容重、淤積坡度及泥石流屈服應力之間關系的研究，黏性泥石流屈服應力的計算可按公式（2）進行［10］。

式中：τB為泥石流屈服應力（Pa）；γ′＝γc－γ0，為泥石流相對容重（kg／m3）；γc為泥石流容重，γc＝2000kg／m3；γ0為環境容重，在陸面γ0≈0，在水中γ0＝1000kg／m3；g為重力加速度，g＝9.81 m／s2；θ為坡度，θ＝3°；δ為泥石流的最大堆積厚度，δ＝4.9m。

由公式（2）計算得到τB＝4999Pa。由此可見，“8·13”蜂桶巖泥石流具有較大的屈服應力，泥石流固體物質具有較強的抵御洪水沖刷的能力，這是泥石流在局部的淤積厚度達9m的主要原因。

3.4 動力學參數

泥石流運動速度和流量采用泥痕法計算。

在蜂桶巖泥石流溝流通區較順直的溝道處選取1個斷面（圖7），以確定泥石流洪峰斷面面積。所取洪痕斷面特征參數值如表1。

泥石流運動速度是泥石流動力學參數中的重要參數。根據“8·13”蜂桶巖泥石流特征，流速選用黏性泥石流運動平均速度的通用計算公式計算［11］

式中：v為黏性泥石流的平均流速（m／s）；g為重力加速度，g＝9.81m／s2；r為黏性泥石流運動水力半徑，r＝1.03m；I為黏性泥石流運動縱比降，I＝0.51；d50為泥沙顆粒中質量分數＜50%的顆粒直徑，d50＝6mm；d10為泥沙顆粒中質量分數＜10%的顆粒直徑，d10＝0.32mm。

表1 斷面特征及泥石流的流速和流量Table 1 Features of the cross－section，velocity and discharge of debris flow

泥石流的流量計算公式式中：Q為泥石流洪峰流量（m3／s）；v為泥石流斷面平均流速（m／s）；A為泥石流洪峰斷面面積（m2）。

“8·13”蜂桶巖泥石流的流速和流量計算結果見表1。

泥石流總體積計算［12］

式中：U為泥石流總體積（m3）；Q為泥石流的流量（m3／s）；t為泥石流持續時間，t＝2400s。

根據公式（5），得到“8·13”蜂桶巖泥石流總體積為6.6×104m3。該計算結果與現場調查沖出物總體積為7.4×104m3較為接近。104m3／s可以作為“8·13”蜂桶巖泥石流的洪峰流量。

4 結論

a.“5·12”汶川地震在蜂桶巖溝流域內誘發了多處崩塌和滑坡，為形成泥石流提供了豐富的松散固體物源。地震后降雨產生的水流帶動坡體上部分松散固體物質沿地勢下凹處向下流動，侵蝕地表形成洪水溝，多次降雨的沖刷作用使洪水溝的溝道加深，部分松散固體物質堆積于溝道內。在2010年8月13日的強降雨誘發下，坡體上大量的松散固體物質隨水流沿洪水溝下泄，與溝道內的松散堆積物質一同起動形成泥石流，并在運動過程中強烈侵蝕溝道。

b.根據推算，誘發“8·13”蜂桶巖泥石流的降雨頻率約為十年一遇。

c.“8·13”蜂桶巖泥石流容重為2.0g／cm3，泥石流屈服應力為4999Pa，洪峰流量為104m3／s，沖出物總體積為7.4×104m3。

d.相對于0.3km2的流域面積，“8·13”蜂桶巖泥石流沖出物總量相對較大，該泥石流的流通區較短，速度較快，屬于新發泥石流。發生前流通區無深切溝道且植被覆蓋較好，其發生具有一定的隱蔽性。

e.經過“8·13”泥石流災害后，蜂桶巖溝有了典型的泥石流流通溝道，形成區也還存在一定量的松散固體物源，且崩塌和滑坡可能還會發生，有一定的后備物源，在強降雨的條件下，具有再發生泥石流的可能，溝口兩側一定區域不再適宜作為居民建設用地，也存在發生泥石流堵河的風險，應加強監管。值得注意的是，“8·13”蜂桶巖泥石流淤埋或威脅的民房主要為“5·12”汶川地震災后新建房屋，這說明地震災區災后重建中建設用地適宜性評價工作有待完善和加強，對鄉村散戶民房的建設選址應給予科學指導，特別應加強一些具有一定隱蔽性的泥石流災害點的排查，為鄉鎮建設和農業生產提供科學的指導，避免不必要的損失。

本文部分照片由四川省地質工程勘察院魯科提供，作者在此向魯科表示衷心感謝。

［1］謝洪，鐘敦倫，矯震，等.2008年汶川地震重災區的泥石流［J］.山地學報，2009，27（4）：501－509.

［2］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.

［3］唐川.汶川地震區暴雨滑坡泥石流活動趨勢預測［J］.山地學報，2010，28（3）：341－349.

［4］崔鵬，莊建琦，陳興長，等.汶川地震區震后泥石流活動特征與防治對策［J］.四川大學學報：工程科學版，2010，42（5）：10－19.

［5］馬煜，余斌，吳雨夫，等.四川都江堰龍池“8.13”八一溝大型泥石流災害研究［J］.四川大學學報：工程科學版，2011，43（增刊）：92－98.

［6］四川省水利電力廳.四川省中小流域暴雨洪水計算手冊［K］.1984.

［7］四川省地質工程勘察院.四川省都江堰市龍池鎮“8.13”暴雨地質災害排查報告［R］.成都：四川省地質工程勘察院，2010.

［8］余斌.根據泥石流沉積物計算泥石流容重的方法研究［J］.沉積學報，2008，26（5）：789－796.

［9］馬煜.粘土礦物成份與泥石流屈服應力的關系研究［D］.成都：成都理工大學檔案館，2011.

［10］余斌.不同容重的泥石流淤積厚度計算方法研究［J］.防災減災工程學報，2010，30（2）：207－211.

［11］余斌.粘性泥石流的平均運動速度研究［J］.地球科學進展，2008，23（5）：524－532.

［12］國土資源部.DZ／T 0220－2006，泥石流災害防治工程勘查規范［S］.北京：中國標準出版社，2006.