汶川强震区都江堰市双养子沟泥石流调查

吴雨夫，余斌，马煜，张惠惠，褚胜名，李丽

(成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，610059，成都)

2010年8月13日，“5·12”汶川地震强震区内的都江堰市龙池镇突遇特大降雨天气，区域内的龙溪河流域多处发生泥石流、滑坡和崩塌等地质灾害，给当地造成了巨大的经济损失。其中，位于龙池镇南岳村七组的双养子沟爆发的泥石流，造成了耕地、经济林及沟口通往龙池湖景区的旅游公路被毁等灾害。

“5·12”汶川地震后，强震区频繁爆发泥石流。2008年9月22—24日，地震区北川、汶川和安县等地大范围爆发泥石流，2010年8月7日，地震区甘肃舟曲爆发特大规模泥石流，2010年8月13日，地震区汶川映秀镇、都江堰市龙池镇和绵竹市清平镇等地爆发大规模泥石流，这些泥石流灾害都造成了人员伤亡和巨大的经济损失。唐川［1］、崔鹏等［2］和谢洪等［3］等学者都认为，受汶川地震影响，地震后10 a内，震区泥石流的活动趋势会持续加强。截至2010年10月19日，双养子沟流域内滑坡崩塌体依然十分发育，松散固体物质仍然非常丰富，如遇强降雨，可能会再次爆发泥石流。笔者通过对双养子沟泥石流灾害现场的调查成果，分析泥石流灾害特征、成灾原因和成灾过程，探讨泥石流的发展趋势，以期为规避地震灾区泥石流灾害及认识强震区泥石流的发育特征提供参考。

1 双养子沟流域特征

双养子沟位于都江堰市龙池镇境内，沟口地理坐标为 E 103°33'2.1″，N 31°6'2.9″，距龙池场镇直线距离5 km，属于岷江支流龙溪河右岸的一级支沟。双养子沟流域面积2.45 km2，主沟长2.9 km，平均纵比降379‰。流域相对高差1 380 m，主体流向由西向东(图1)。双养子沟发育有2条支沟:1号支沟流域面积0.30 km2，沟长0.63 km，相对高差650 m，平均纵比降675‰;2号支沟流域面积0.81 km2，沟长0.72 km，相对高差860 m，平均纵比降687‰。

图1 双养子沟流域图Fig.1 Drainage basin of Shuangyangzi gully

1.1 地形地貌

双养子沟在地貌上属中山构造侵蚀地貌。主沟发育于流域峡谷区，岸坡陡峻，坡度一般在40°～60°之间，局部达到 80°，沟谷切割深，跌水坎多，横断面中上游呈V字型，下游呈U字型，这些特征都为泥石流的暴发提供了有利的地形条件。

1.2 地质

在地质构造上，双养子沟流域地处虹口映秀断裂北西侧，距离“5·12”汶川地震的宏观震中—牛圈沟的直线距离为12.3 km。虹口映秀断裂为龙门山中央北川—映秀断裂的一部分，长40 km，断层面向北西倾斜，倾向 300°～330°，倾角 50°～60°。双养子沟流域内可见地层出露，主要有元古界晋宁—澄江期的第四期的花岗岩，震旦系下统火山岩组的灰绿色安山岩、凝灰岩及安山玄武岩，以及堆积在沟口龙溪河阶地上新生界第四系河流相堆积物。

2008年汶川地震后，双养子沟流域内滑坡崩塌体发育强烈，经过震后3个雨季的影响，大量崩滑体失稳，在沟道两侧堆积了大量松散固体物质。“8·13”泥石流爆发后，双养子沟流域内形成了不少天然堆石坝，沟床内也富集了很多松散固体物质(图2)。据现场调查统计，沟内松散固体物质达12.4万m3，这些丰富的固体物源为泥石流的爆发提供了有利的物质条件。

图2 双养子沟沟床、崩滑体堆积物及天然堆石坝Fig.2 Gully bed，landslide deposits and natural dam in Shuangyangzi gully

1.3 降雨

龙池镇属于亚热带湿润气候区，通过对该区1957至2006年的降雨资料统计分析，区内降水充沛，降雨时间分布不均匀，主要集中在每年的5—9月份，其中8月份降雨量最大。年平均降雨量达到1 134.8 mm，月平均降雨量最多的8月份达289.9 mm。10 a一遇1 h降雨强度为71.3 mm，20 a一遇1 h降雨强度为74.8 mm［4］，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。

都江堰龙池镇查关村气象站降水资料(图3)显示，2010-08-13 T 16:00:00开始降雨，最初雨量较小，17:00:00降雨量最大，降雨强度达75 mm/h，为20 a一遇强降雨，降雨持续至2010-08-14 T 00:00:00，累计降雨量达156.9 mm。2010-08-18 T 13:00:00开始降雨，持续至08-19 T 06:00:00，累计降雨量达252.2 mm，最大降雨强度达69.0 mm/h，为10 a一遇降雨。双养子沟08-13 T 16:00:00开始爆发泥石流，17:20:00泥石流停止，共历时70 min。而在08-19，降雨强度为10 a一遇，但是没有形成泥石流。

图3 都江堰龙池查关村降雨资料Fig.3 Rainfall data in Chaguan Village，Dujiangyan City

2 泥石流特征及起动机制分析

2.1 “8·13”泥石流特征

在汶川“5·12”地震前，双养子沟近百年未曾发生过泥石流，历史上应属于非泥石流沟。地震发生后，沟内山体松动，崩塌滑坡发育强烈，并在沟道两侧聚集了大量松散固体物质，双养子沟演变成为一条潜在泥石流沟。2010-08-13 T 16:00:00，受到强降雨的激发，双养子沟爆发了泥石流，形成为一条活动性泥石流沟。

双养子沟发生泥石流后，流域内地貌发生了很大的变化，下游沟床被抬升1～2 m，同时沟道被显著拓宽，宽度由原来的3～4 m变化为28～35 m，变化幅度巨大。在中上游沟道，沟床粗糙，大石块较多，并形成多处跌水坎和天然堆石坝。此外，双养子流域沟道内颗粒粒径从形成区到堆积区的分布也很有特点，先是形成区的大小颗粒混杂，然后顺着流通区与堆积区逐渐变小(表1)。造成这种现象的主要原因是沟道的弯曲，以及沟内存在的大石块对泥石流产生了消能减速的结果，进而出现不同粒径石块沿沟道分选沉降。也正是由于沟道弯曲和天然堆石坝的影响，双养子沟泥石流在主沟第2个弯道处便开始淤积。沟道内平均淤积厚度1.5 m，宽度30 m，呈长方形堆积，总量约2万m3;沟口堆积区呈椭圆形(图4)，左侧较小，整体向沟口右侧发育，淤积厚度约2 m，总量约3.8万m3。

表1 双养子沟流域颗粒平均粒径分布Tab.1 Distribution of particles average size in Shuangyangzi gully

图4 双养子沟流域泥石流沟道与部分堆积区Fig.4 Channel of debris flow and part deposition area of Shuangyanzi gully

2.2 泥石流起动机制分析

对于震区泥石流起动方式，有学者［5］认为主要有2种:一是由于暴雨过程形成的斜坡表层径流导致悬挂于斜坡上的滑坡体表面和前缘松散物质向下输移，进入沟道后转为泥石流过程;二是“消防水管效应”使沟道水流快速集中，并强烈冲刷沟床中松散固体物质，导致沟床物质起动并形成泥石流过程。也有学者［6］认为，流域内滑坡堵塞沟道，在强大洪水作用下溃决形成泥石流。经过对双养子沟实地调查发现，震后沟道两侧的崩滑体十分发育，沟岸的堆积物松散，坡度大多处于临界休止角，多数处于不稳定状态，极易滑动进入沟床导致沟道堵塞。其中距离沟口1.2 km处的滑坡体(图5，将该滑坡命名为H1)就是形成此次泥石流的主要原因。H1滑坡体高90 m，底端长120 m，坡度35°，遗留沟道左侧，堆积堤高2.5 m。堵塞体方量约8 500 m3。H1滑坡体现存堆积物与左岸堆积堤物岩性一致，颗粒级配一致，这2处堆积物都是H1滑坡的物质。经过访问当地村民得知，在2010-08-13之前，双养子沟流域内未见沟道堵塞情况。可以推测，在爆发“8·13”泥石流之前，H1滑坡体在强降雨作用下失稳发生滑动，然后堵塞沟道形成了堰塞坝。之后在巨大洪水的作用下，该堰塞坝溃决形成了此次泥石流。

图5 滑坡体H1断面图Fig.5 Cross-section of Landslide H1

3 双养子沟泥石流静动力学特征

泥石流的静力学和动力学特征是泥石流的重要特征参数。对双养子泥石流流通区和堆积区的沉积特征调查结果可知，沿流通区沟道走向，粗化层颗粒的粒径逐渐变小，具有明显沟道分选特征，堆积区是弱分选沉积，判定双养子沟“8·13”泥石流为过渡性泥石流。根据调查时在双养子沟堆积区提取的小样颗粒粒径分布曲线图(图6)，去掉亚黏性泥石流中大于20 mm的粗颗粒后，再由颗粒分布曲线计算出过渡性泥石流的密度［7］:

图6 颗粒粒径分布曲线Fig.6 Particle distributions of sediment in debris flow

式中:γD为过渡性泥石流密度，g/cm3;γV为黏性泥石流最小密度(为2.0 g/cm3);γO为泥石流最小密度(为1.5 g/cm3);P2为＞2 mm的粗颗粒质量分数(小数表示);P05为＜0.05 mm的细颗粒质量分数(小数表示)，计算结果见表2。

表2 计算泥石流密度Tab.2 Densities of debris flow

双养子沟“8·13”泥石流的流量和规模可以通过泥痕法计算得出。在流通区中段测量的洪痕断面为一复式断面，各参数值见表3。

表3 洪痕断面特征Tab.3 Characteristics of cross-section

泥石流的运动速度是泥石流动力学参数中最重要的参数，根据双养子沟泥石流特征，选用过渡性泥石流平均速度公式［8］计算流速，由于本次泥石流为溃决型泥石流，一次泥石流过程总量的计算方法采用水量平衡原理分析出的概化过程线［9］。

式中:v为泥石流断面平均流速，m/s;g为重力加速度，9.81 m/s2;R为水力半径，m;I为泥石流表面(或沟床)纵比降;D50为泥石流泥沙颗粒中比例小于50%的颗粒粒径(D50=11 mm);D10为泥石流泥沙颗粒中比例小于10%的颗粒粒径(D10=0.3 mm);A为泥石流过流断面积，m2;Q为泥石流流量，m3/s;t为泥石流持续时间(t=4 200 s)，W为泥石流总量，m3。表4为泥石流流速、流量及总量的计算结果。

表4 双养子沟泥石流流速、流量及总量的计算结果Tab.4 Calculation results of velocity，discharge and volume of debris flow in Shuangyangzi gully

结果显示，双养子沟“8·13”泥石流总量约6.6万m3，与现场测量的泥石流冲出物质量5.8万m3比较接近，因此，由式(2)、(3)和(4)计算的双养子沟2010年8月泥石流的特征值较准确。

4 结论与趋势分析

1)双养子沟流域原本不是泥石流沟，经过“5·12”汶川地震及震后3个雨季的作用，演变成为一条活动性泥石流沟。

2)双养子沟流域“8·13”泥石流是过渡性泥石流，密度在1.83 g/cm3左右，冲出的泥石流物质总量为5.8万m3。

3)双养子沟流域“8·13”泥石流为溃决性泥石流。流域内H1滑坡体在20 a一遇强降雨作用下失稳滑动进入沟道，形成堰塞坝，然后在洪水的强力作用下堰塞坝溃决进而形成泥石流。

4)双养子沟流域发生泥石流后，沟道内形成有较多的跌水坎及天然堆石坝，沟床固体物源分布丰富，沟道两侧的崩滑体非常发育，物源总量达12.4万m3。在10 a一遇降雨条件下，双养子沟未发生泥石流，而在20 a一遇的强降雨(最大降雨强度达75 mm/h)作用下爆发泥石流，同时根据沟内丰富的物源条件，预测如果爆发20 a一遇的降雨或比20 a一遇更大的降雨，可能会爆发泥石流。

［1］唐川.汶川地震区暴雨滑坡泥石流活动趋势预测［J］.山地学报，2010，28(13):341-349

［2］崔鹏，庄建琦，陈兴长，等.汶川地震区震后泥石流活动特征与防治对策［J］.四川大学学报:工程科学版，2010，42(5):10-19

［3］谢洪，钟敦伦，矫震，等.2008年汶川地震重灾区的泥石流［J］.山地学报，2009，27(4):501-509

［4］四川省都江堰市龙池镇“8·13”暴雨地质灾害排查报告［R］.成都:四川省地质工程勘察院，2010

［5］唐川，梁京涛.汶川震区北川9·24暴雨泥石流特征研究［J］.工程地质学报，2008，18(6):751-758

［6］张健楠，马煜，张惠惠，等.四川省都江堰市大干沟地震泥石流［J］.山地学报，2010，28(5):624-627

［7］余斌.根据泥石流沉积物计算泥石流容重的方法研究［J］.沉积学报，2008，26(5):789-796

［8］余斌.粘性泥石流的平均运动速度研究［J］.地球科学进展，2008，23(5):524-532.

［9］叶秉如.水利计算［M］.北京:水利电力出版社，1985