都江堰市八一沟泥石流形成条件与动力学特征分析

张自光，张志明，张顺斌

(1.成都市地质环境监测站，四川成都 610072;2.重庆市高新岩土工程勘察设计院，重庆 400042)

都江堰市八一沟泥石流形成条件与动力学特征分析

张自光1，张志明1，张顺斌2

(1.成都市地质环境监测站，四川成都 610072;2.重庆市高新岩土工程勘察设计院，重庆 400042)

八一沟泥石流位于汶川“5.12”大地震极重灾区四川省都江堰市，是一条典型的沟谷型泥石流。本文在分析八一沟泥石流沟流域和泥石流基本特征的基础上，首先对形成泥石流的地形、水源、物源三个基本条件进行了深入论述，接着详细计算了泥石流的重质、流速、流量、冲出量等动力学参数，然后分析了泥石流的发展趋势，最后根据泥石流危险性和被保护对象的重要性，并提出了防治建议。

都江堰市;八一沟泥石流;形成条件;动力学参数;防灾对策

0 前言

汶川“5.12”大地震不仅为泥石流的形成提供丰富固体物质来源，而且诱发了大量崩塌、滑坡等地质灾害，还降低了泥石流暴发需要的激发降雨量，使得地震灾区泥石流的活动频率和规模都将大大增强［1－4］。

八一沟泥石流位于地震极重灾区四川省都江堰市龙池镇，是一条多期次老泥石流沟，震前曾发生过3次大规模泥石流［5］，近50年未发生过泥石流。“5.12”大地震造成大量松散物质堆积于八一沟及其支沟沟谷和两岸斜坡地带，并于2008年5月14日、5 月19日和7月17日在降雨影响下连续暴发了3次泥石流，体积约114.3×104m3［6］。

现场调查表明，目前八一沟泥石流整体处在发展期，地形、物源条件具备，在持续降雨或短时高强度暴雨诱发下，泥石流极易再次暴发。一旦暴发泥石流，将严重威胁云华村113户460名村民的生命财产安全，并对云华村安置点、都汶公路以及龙池镇政府办公场所、紫坪铺水库的安全构成严重威胁(图1)。因此，深入研究八一沟泥石流基本特征、形成条件及动力学参数，并提出行之有效的防治对策，对保障人民群众的生命财产安全和公共基础设施，维护社会秩序稳定和保护当地经济持续发展，有极强的现实意义。

1 八一沟流域概况及泥石流基本特征

图1 八一沟泥石流全景Fig.1 Full view of the debris flow in Bayi Gully

八一沟为岷江一级支沟龙溪河右岸次级支沟，流域总体自北向南伸展，汇水面积约8.5km2，上游由大干沟、小干沟、小湾支沟3条支沟组成，中下游为八一沟主沟(图2)，主沟全长约4.5km。主沟和支沟均发育于沟谷地区，除两侧的山坡提供了丰富的松散固体物质外，主沟沟床也富集了大量的固体物质。形成区、流通区、堆积区分区明显，属典型的沟谷型泥石流。

1.1 泥石流形成区

大小干沟交汇点和小湾左、右支沟交汇点以上为泥石流形成区，平面形态呈树叶状，主沟两岸冲沟呈树枝发育，形如叶脉，一般沟长0.5～1.5km。形成区高程1070～1530m，平均纵坡降220‰，谷底一般宽20～40m，大小干沟交汇点最宽80～100m。大、小干沟最长约2.3km，沟谷切割浅，纵坡降大，迭水坎多，横断面呈V型，斜坡坡度一般为45°～60°，局部超过70°。小湾左、右支沟横断面多呈V型，高程970～1360m，沟长1.68km，平均纵坡降232.1‰。

图2 八一沟流域平面示意图Fig.2 Topographical map of Bayi Gully basin

1.2 泥石流流通区

流通区主要分布于高程970～1070m高程沟段，即大小干沟交汇点至小湾支沟口段，沟谷长0.7km，一般深70～100m，沟谷宽50～80m，纵坡降142.8‰，横断面呈U形和V形，两侧坡度一般为35°～50°。沟底及岸坡分布有松散堆积物(图3)，两岸岸坡局部位置有基岩出露，出露地层为震旦系苏雄组凝灰岩，岩体破碎～较完整，岸坡基本稳定，沟内常年有水。

1.3 泥石流堆积区

泥石流堆积区位于小湾支沟口至龙溪河口，高程870～970m，沟床平均纵坡降69.9‰，地形呈喇叭状，前缘宽870～890m，后部宽130～420m，纵长1100m，坡度3～6°，堆积扇厚15～25m，平均厚20m，堆积物质体积约232×104m3。堆积区前抵紫坪铺水库，部分物质直接进入紫坪铺水库。

2 泥石流形成条件

2.1 地形条件

图3 泥石流流通区Fig.3 Pathway of the debris flow

八一沟泥石流流域属构造侵蚀中切割陡峻低山—中山地貌，主沟发育于高山峡谷区，岸坡陡峻，沟谷切割浅，沟道短，纵坡降大，迭水坎多，横断面呈V型。沟口高程约832m，最高高程2395m，相对高差1562m。大小干沟交汇处地势宽阔，较平坦，有利于汇水。形成区、流通区、堆积区沟床比降分别为220‰、142‰、70‰，总体平均比降为180‰(图4)。堆积区较宽阔平坦，流通区相对狭长，形成区比较长。较大的高差和较大的汇水面积使得地表水快速而大量汇集，并侵蚀地表和带动松散固体物质的运动，从而极易引发泥石流的产生。

2.2 水源条件

通过对泥石流区1957～2006年的降雨资料统计分析，该区降雨主要有以下特点:(1)降雨充沛。多年平均年降雨量1134.8mm，最多年1605.4mm(1978 年)，已达到或超过我国一些半干旱、半湿润泥石流强烈活动地区的年降雨量。(2)降雨集中。该区降雨量的时间上分布严重不均，5～9月降雨量占全年降雨总量的80%以上，月降雨平均最多的8月降雨量为289.9mm。(3)降雨雨强大。1957～2008年期间，月最大降水量为592.9mm，日最大降水量为233.8mm，1小时最大降水量为83.9mm，10分钟最大降水量为28.3mm，一次连续最大降雨量457.1mm，一次连续最长降雨时间为28天，十年一遇1小时降雨强度为71.3mm，二十年一遇降雨强度为74.8mm。丰富的降雨为泥石流的形成提供了水源和动力条件，对泥石流的形成非常有利。

2.3 物源条件

震区泥石流的形成发育最显著而典型的特点就是强震作用下为泥石流流域提供大量松散固体物质来源［7］。“5.12”大地震发生后，受地震影响，八一沟流域内崩塌、滑坡非常发育，沿沟共有松散堆积39处，其中有10处崩滑体堆积物分布于大干沟两岸，13处分布于小干沟两岸，10处分布于小湾支沟两岸，6处在流通区分布于八一沟主沟两岸。据现场测绘，流域内松散物源总计约757.61×104m3，其中可能参与泥石流活动的动储量约438.34×104m3，约占总物源的60%。因此，八一沟流域内具备了大量可供泥石流活动的固体松散物质，特别是沟谷两岸崩滑体和沟床内松散堆积物为泥石流过程提供了大量固体物质。

图4 八一沟泥石流沟床纵坡降示意图Fig.4 Cross section of the debris flow in Bayi Gully

3 八一沟泥石流运动和动力学参数分析

3.1 泥石流容重

由于没有泥石流现场观测的容重值，本文采用现场调查试验法来确定泥石流容重。即请亲眼目睹八一沟泥石流暴发的居民多人，选择有代表性的堆积物搅拌成暴发时的泥石流流体状态，进行样品鉴定，然后分别测出样品的总质量和总体积，按下式计算泥石流容重:

式中:γc——泥石流容重(t/m3);

Gc——样品总质量(t);

V——样品总体积(m3)。

计算得出泥石流的容重为1.77t/m3，为粘性泥石流。

3.2 泥石流流速

泥石流流速是决定泥石流动力特征和防治设计中最重要的参数之一，目前所采取的各种计算公式大多为半经验或经验公式，使用时要结合地区特点综合考虑。本文采用粘性泥石流通用公式计算泥石流流速［8］，如下所示:

式中:Vc——泥石流断面平均流速(m/s);

Mc——泥石流沟床粗糙率，本文取10;

Hc——计算断面平均泥深(m);

Ic——泥石流水力坡降，采用沟床坡降代替(‰)。

计算得八一沟主沟泥石流平均流速为7.57 m/s。

3.3 泥石流流量

泥石流流量计算目前主要有雨洪法和形态调查法两种方法。根据八一沟气象特征，本文采用雨洪法计算其流量，假设泥石流与暴雨同步、同频率发生，先按水文方法计算出断面不同频率下的暴雨洪水设计流量，然后选用堵塞系数，计算泥石流流量。

3.3.1 设计洪水流量计算

设计频率条件下的暴雨洪水设计流量计算采用如下所示［8］:

式中:QP——频率为P的暴雨洪水设计流量(m3/s);

RP——频率为P的小时最大降雨量(mm);

i——产流系数，取值范围0.3～0.8;

F——流域面积(km2)。

3.3.2 设计泥石流流量计算

频率为P的泥石流峰值流量计算公式［8］:

式中:Qc——频率为P的泥石流洪峰值流量(m3/s);

Qp——频率为P的暴雨洪峰值流量(m3/s);

φ——泥石流泥砂修正系数，φ=(γc－γw)/(γH－γc)，γH为泥石流固体物质比重(t/ m3)，取γH=2.75 t/m3;γc取泥石流容重(t/m3)，取γc=1.77 t/m3;γw为水容重(t/m3)。

Dc——泥石流堵塞系数值，本文取Dc=2.2。

计算参数及结果如表1所示。

表1 泥石流流量计算参数及结果一览表Table 1 Parameters and results of capacity calculation for the debris flow

3.4 一次泥石流过程总量计算

一次泥石流总量Q可通过计算法和实测法确定。实测法精度高，但因往往不具备测量条件，只是一个粗略的概算。计算法根据泥石流历时T(s)和最大流量Qc(m3/s)，按泥石流暴涨暴落的特点，将其过程概化为五角形［8］，按下式计算:

Q=K·T·Qc

式中:K值的变化随流域面积(F)的大小而变化，当F＜5km2时，K=0.202;当5km2＜F＜10km2时，K= 0.113;当10km2＜F＜100km2时，K=0.0378。

一次泥石流冲出的固体物质总量QH:

QH=Q(γc－γw)/(γH－γw)

式中:γH、γc、γw取值同上。

八一沟泥石流一次过程总量计算参数及结果如表2所示。

表2 一次泥石流总量和冲出固体物质总量计算参数及结果一览表Table 2 Parameters and calculation results of total volume and sediment flush-out of the debris flow

4 八一沟泥石流发展趋势预测及防治建议

4.1 泥石流发展趋势预测

根据泥石流易发程度数量化评分表［8］，对崩滑严重程度、泥砂沿程补给程度、河沟纵坡坡降等15个要素综合打分，八一沟泥石流综合得102分，属泥石流易发沟。

八一沟泥石流沟口扇形堆积发育，扇缘及扇高在明显增长中，变幅较大，扇缘及扇高在明显增长中，扇缘处于发展中，由此判断泥石流正处于发展期。“5· 12”大地震后，泥石流沟内松散物贮量约757.61× 104m3/km2，可能参与泥石流活动的松散物动贮量约438.34×104m3，且固体物源主要集中沟谷后缘两侧及沟谷中，在短时强降雨或持续降雨作用下极有可能暴发特大型泥石流。

4.2 防治建议

依据泥石流危险性和被保护对象的重要程度，建议在泥石流流通区和物源区修建谷坊坝以稳定物源，抬高沟床，降低流速;在堆积区设置拦挡坝拦挡，并对堵塞的支沟进行疏通，在泥石流沟口采用排导措施，以规范泥石流流向，提高泥石流流速，加速细颗粒物质排导。

5 结论

(1)八一沟泥石流是高频－暴雨－沟谷型粘性大型泥石流，汇水面积约8.5km2，主沟道长约4.5km，平均纵坡为180‰，主要发育大干沟、小干沟。小湾支沟3条支沟，形成区、流通区、堆积区分区明显。保护对象主要为云华村113户居民、云华村安置点、都汶公路以及龙池镇政府办公场所、紫坪铺水库。

(2)在分析八一沟泥石流流域特征和形成条件的基础上，重点对泥石流的容重、流速、流量、冲出量等动力学特征进行计算分析。计算结果表明该泥石流的容重为1.77t/m3，平均流速为7.57 m/s;20年一遇峰值流量为339.92 m3/s，一次过程总量为96.8× 104m3，一次固体总量为76.1×104m3;50年一遇峰值流量为356.73 m3/s，一次过程总量为101.6× 104m3，一次固体总量为79.9×104m3。

(3)根据泥石流易发程度数量化评分表对八一沟泥石流沟进行综合打分，该沟得102分，属泥石流易发沟。目前该泥石流整体处于发展期，沟内松散物贮量约757.61×104m3/km2，其中动贮量约438.34× 104m3，在持续降雨或短时强降雨激发下，极有可能暴发特大型泥石流。

［1］陈晓清，崔鹏，赵万玉.汶川地震区泥石流灾害防治时机的研究［J］.四川大学学报(工程科学版)，2009，41，(3):125－130.

［2］陈宁生，黄蓉，李欢，等.汶川“5·12”地震次生泥石流灾害应急判别方法与指标［J］.山地学报，2009，27，(1):108－114.

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［4］崔鹏，韦方强，何思明，等.“5·12”汶川地震诱发的山体灾害及减灾措施［J］.山地学报，2008，26，(3):280－282.

［5］沈军辉，朱容辰，刘维国，等.“5·12”汶川地震诱发都江堰龙池镇干沟泥石流可能性地质分析［J］.山地学报，2008，26，(5):513－517.

［6］重庆市高新岩土工程勘察设计院.四川省地震灾区第二批重大地质灾害应急项目都江堰市八一沟泥石流应急勘查报告［R］.2009.

［7］钟敦伦.论地震在泥石流活动中的作用［M］.重庆:科技文献出版社重庆分社，1981，30－35.

［8］国土资源部，中华人民共和国地质矿产行业标准DZ/ T0220－200，泥石流灾害防治工程勘查规范［S］.2006.

Abstract:The debris flow in Bayi gully was a typical gully debris flow，which was located in Dujiangyan County in Sichuang Province and heavily hit by Wenchuan May 12 Earthquake last year.According to the basic features of the valley and the debris flow，formation conditions of the debris flow，like topography，water source and sediment source，were firstly analyzed.Then dynamic parameters，including bulk density，flow rate，flow capacity and sediment flush－out were calculated.Finally，the development trend of the debris flow was discussed and prevention suggestion for the debris flow was proposed.

Key words:debris flow;Bayi Gully;formation conditions;dynamic parameters;countermeasures

Formation conditions and dynamics features of the debris flow in Bayi Gully in Dujiangyan County

ZHANG Zi－guang1，ZHANG Zhi－ming1，ZHANG Shun－bin2
(1.Geological Environmental Monitoring Station of Chengdu，Chengdu，610072，China; 2.Chongqing Hi－Tech Geotechnical Engineering Investigation and Design Institute，Chongqing，400042，China)

1003－8035(2010)01－0034－05

X951

A

2009－09－07;

2009－12－20

张自光(1980—)，男，工学硕士，现主要从事地质灾害、地质环境研究、防治与技术管理工作。E－mail:shuibingcx@yahoo.com.cn