“8·13”碱坪沟泥石流形成机理及特征研究

褚胜名，余 斌，李 丽，马 煜，吴雨夫，亓 星

(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，四川成都610059)

汶川地震诱发了大量崩塌、滑坡，为泥石流的形成提供了丰富的固体物质，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大大增加。碱坪沟位于汶川地震极重灾区四川省都江堰市龙池镇，2009年7月17日凌晨曾暴发过泥石流，2010年8月13日下午在强降雨的影响下再次暴发大规模泥石流，间断性堵塞龙溪河，抬高河水水位，威胁沟口及下游的输电线路、自来水厂、龙池景区公路和石雕公园等公共设施以及南岳村部分村民的安全。通过现场调查，碱坪沟正处在发育期，具备泥石流形成的地形和物源条件，在持续降雨或短历时高强度暴雨的诱发下极易再次暴发泥石流。因此，研究碱坪沟泥石流的基本特征、形成条件及动力学参数，提出行之有效的防治对策，对于保障下游地区群众生命和基础设施安全有着重要的意义。

1 流域概况及泥石流形成条件

碱坪沟为岷江一级支沟龙溪河左岸次级支沟，自东北向西南方向延伸，海拔1 054—2 143 m，汇水面积3.6 km2，主沟长2.8 km，平均纵比降363‰，主要由漆树坪沟和黄柏坪沟2条支沟组成。碱坪沟流域图见图1。

1.1 地质地貌

碱坪沟所在地属中高山剥蚀侵蚀地貌，主沟发育于高山峡谷区，岸坡陡峻，沟谷深切，可大致分为形成区、流通区和堆积区。形成区海拔1 400—2 143 m，沟谷切割浅，纵坡较大，坡度一般为45°～60°，局部超过70°，两条主要支沟中黄柏坪沟沟长0.81 km、流域面积0.99 km2、沟谷平均纵比降537‰，漆树坪沟沟长1.46 km、流域面积1.59 km2、沟谷平均纵比降463‰。流通区海拔1 070—1 400 m，沟谷长1.09 km、宽40 m、沟床平均纵比降226‰，沟谷较为开阔、平直，沟床起伏小，有利于泥石流的流通，岸坡侵蚀严重，沟底及岸坡分布有大量松散堆积物和混杂堆积的巨石。堆积区海拔995—1 070 m，沟口向西正对龙池公路和龙溪河，沟床平均纵比降65‰，坡度2°～5°。在碱坪沟，较大的高差和汇水面积使得地表水能够大量快速汇聚，从而侵蚀沟道和带动松散固体物质运动，使得泥石流暴发的可能性大大增加。

图1 碱坪沟流域

碱坪沟地质构造复杂，断裂较为发育，出露的地层主要有震旦系(Za)灰绿色安山岩、凝灰岩及安山玄武岩和第四系地层。沟内第四系地层有第四系残坡积层()，岩性为含碎石粉质黏土;第四系崩积层()分布于沟谷两岸坡脚地带，由不稳定斜坡和崩塌物质堆积而成，结构松散;第四系滑坡堆积层()分布于边坡滑坡地带，土体物质成分复杂多样，渗水性较好;第四系泥石流堆积层()分布于碱坪沟沟谷和沟口龙溪河河道内，堆积物主要为碎块石土，结构松散。

1.2 水文条件

碱坪沟所在地属中亚热带湿润气候区，分析1957—2006年降雨资料，主要有以下特点:①降雨充沛。年均降水量1 134.8 mm，最大年降水量1 605.4 mm(1978年)，已达到或超过国内一些半干旱半湿润并且泥石流强烈活动地区的年降水量。②降雨集中。降雨时空分布严重不均，5—9月降水量占年降水量的80%以上。③降雨强度大。月最大降水量为592.9 mm，日最大降水量为233.8 mm，次连续最大降水量为457.1 mm，一次连续最长降雨时间为28天，10年一遇1 h降水量为71.3 mm，20年一遇1 h降水量为74.8 mm。丰沛的降雨为泥石流的形成提供了水动力条件，为泥石流的突然暴发埋下了隐患。

1.3 物源条件

断裂带贯穿造成碱坪沟沟道两侧山体破碎，在重力、动水压力以及地震的作用下滑坡、崩塌现象普遍，崩塌体、滑坡体堆积在沟床及沟道两侧山坡上，为泥石流暴发储存了丰富的物源。固体物质补给集中、数量多、稳定性较差以及沟谷时陡时深时狭的地形特点都有利于泥石流的形成。

综上所述，碱坪沟属暴雨—沟谷型泥石流沟;水源丰富、汇水面积大，为泥石流形成提供了丰富的水源条件;地形陡峻、沟谷纵坡大为水源和松散固体物质汇聚提供了有利的条件，也为泥石流发生创造了适宜的势能条件;沟道两岸堆积的大量崩滑物质和滑坡堆积物等为泥石流发生提供了丰富的松散固体物源。在暴雨的作用下，大量地表水汇集于沟道，汇流过程中将坡面上的固体物质及崩塌堆积物、滑坡堆积物等带入沟道并顺沟而下，通过揭底冲刷卷动沟道底部及两侧的松散堆积物，以滚雪球的方式向下游运动，从而引发了泥石流。据调查，碱坪沟泥石流发生与否及规模大小的主要影响因素是降雨强度、地震烈度、人类活动强度等。

2 碱坪沟泥石流形成过程和激发暴雨预测

2010年8月13日龙池镇茶关村发生强降雨，1 h最大降水量达75 mm，相当于当地20年一遇降水量。在强降雨的作用下，16时左右碱坪沟暴发泥石流，持续时间约90 min，沟床启动并带动沟道两侧固体物质运动形成大规模泥石流，冲毁沟口农家乐、龙池公路及沟口一处居民供水设施。根据现场调查，“8·13”碱坪沟泥石流是从两条支沟(黄柏坪沟和漆树坪沟)同时暴发的，在沟口以上60 m处开始堆积，淤积物宽32 m、深4.5 m，到达沟口后冲垮挡土墙、淤塞公路，然后顺势向龙溪河下游流动，形成约长930 m、宽18 m、深6 m的堆积体，堆积体体积达11 万 m3。

2010年8月18日凌晨茶关村再次发生强降雨，1 h最大降水量达69 mm，相当于当地10年一遇降水量，但是在同样物源充足的情况下碱坪沟却没有发生泥石流，由此可以初步推测碱坪沟暴发泥石流需要至少20年一遇的降水量。

3 泥石流静力学和动力学特征

3.1 泥石流容重

碱坪沟内堆积体的沉积形态呈现混杂堆积、运动状态和弱分选性，由此分析认为该泥石流为过渡型—黏性泥石流。对调查取样进行颗粒级配分析，得到颗粒分布曲线，见图2。

泥石流容重的计算公式[1]为式中:γd为黏性泥石流容重，g/cm3;γv为黏性泥石流最小容重，g/cm3;γ0为泥石流最小容重，g/cm3;P2为＞2 mm的粗颗粒所占百分比，以小数计;P05为＜0.05 mm的细颗粒所占百分比，以小数计。

图2 碱坪沟泥石流颗粒分析

由式(1)计算得到碱坪沟的泥石流容重为1.90 g/cm3。

3.2 泥石流流速、流量及冲出量

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。根据《泥石流灾害防治工程勘查规范》[2]中的黏性泥石流流速计算公式，采用综合西藏古乡沟、云南东川蒋家沟、甘肃武都火烧沟的通用公式，计算公式为

式中:Vc为泥石流断面平均流速，m/s;n为河床糙率;R为水力半径，m;Ic为泥石流沟纵比降，‰。

选取洪峰断面，参数特征分别为断面宽(B)7.8 m、高(H)1.7 m、面积(Wc)13.26 m2、纵比降(I)176‰、水力半径(R)1.18 m。采用形态调查法计算泥石流流量Qc，其计算公式为

式中:Qc为泥石流流量，m3/s;Wc为泥石流洪峰断面面积，m2;其余符号意义同上。

一次泥石流冲出量(U)可根据泥石流历时和流量Qc，依据泥石流暴涨暴落的特点将其过程线概化成五角形，计算公式为

式中:U为一次泥石流冲出量，m3;T为泥石流持续的时间，T=5 400 s;其余符号意义同上。

“8·13”碱坪沟泥石流特征参数计算结果依次为平均流速6.1 m/s、峰值流量80.1 m3/s、冲出量11.5万m3。公式(2)作为经验公式，适用范围较广，由公式(2)得出的平均流速计算的冲出量与实地测量的堆积方量(11万m3)较为接近，也证明了计算结果的可信度。

3.3 泥石流冲击力

泥石流的破坏力很大，尤其是巨石的冲击力是造成建筑物毁坏的主要原因。碱坪沟流通区最大巨石长6.8 m、宽3.6 m、高3.2 m。泥石流暴发时巨石冲击力的计算公式[3]为

式中:C1为纵波波速，m/s;Ad为石块与被撞物体的接触面积，m2，按流通区最大石块的中、短径所在平面面积的10%计算;F为石块冲击力，N;Vd为石块运动速度，m/s;dmax为石块的最大粒径，m;ρd为石块密度，kg/m3。

由(5)、(6)两式计算得到的泥石流冲击力达149.94 kN，表明碱坪沟泥石流的破坏力极大。

4 发展趋势分析

通过分析泥石流的特征、成因和沟道内的松散固体物质状况，预测碱坪沟泥石流的发展趋势:

(1)碱坪沟流域内崩塌、滑坡发育，沿沟有松散堆积物111处，主要分布在形成区和流通区，主要有沟床堆积物和坡面侵蚀物两种类型。据调查，沟内固体物源总量约78.90万m3，在短历时强降雨或持续降雨作用下极有可能再次暴发泥石流。

(2)在形成区和流通区中径5 m以上的巨石很多，巨石启动破坏力很大，并且由于沟口堆积及人为活动使沟口处的沟槽变窄，泥石流满槽后外溢的可能性很大，会对堆积区居民、公路及引水设施安全造成危害。碱坪沟沟床两岸分布有大量的崩滑堆积体，这些崩滑堆积物多处于潜在不稳定状态，在持续暴雨条件下极有可能再次诱发泥石流，堵断龙溪河并导致河水回壅至上游居民区，在龙溪河形成堰塞湖，直接威胁下游群众生命财产安全。

5 防治建议

依据泥石流的危害性和被保护对象的重要程度，建议对沟道堵塞物进行疏导。例如，在堆积区修建排导设施，使排导槽与龙溪河之间形成30°左右的夹角，以规范泥石流的流向;在沟口位置疏通河道，使泥石流顺畅排泄。

6 结语

(1)碱坪沟泥石流是典型的震区高频—暴雨—沟谷型泥石流。碱坪沟汇水面积3.6 km2，主沟长2.8 km，平均纵比降为363‰，主要发育有黄柏坪沟和漆树坪沟两条支沟，且形成区、流通区、堆积区分区明显。泥石流的发生威胁南岳村4组15户43人以及龙溪河下游在建自来水厂、龙池公路、输电线路等公共设施的安全。

(2)在分析碱坪沟流域特征和泥石流形成条件的基础上，重点对泥石流的容重、流速、流量、冲出量等动力学参数进行了计算。碱坪沟泥石流容重为1.90 g/cm3，平均流速为6.1 m/s，峰值流量为80.1 m3/s，冲出量为11.5万m3。

(3)根据对2010.08.13和2010.08.19降雨资料分析，“8·13”碱坪沟泥石流发生时的1 h最大降水量为75 mm，相当于当地20年一遇的降水量;“8·19”强降雨1 h最大降水量为69 mm，相当于10年一遇的降水量，在物源充足的情况下并没有发生泥石流，由此可以判断在当前物源动储量条件下，碱坪沟暴发泥石流需要至少20年一遇的降水量。

(4)沟口向西正对龙溪河，堆积扇深入河床，河道残存大量堆积物。如果再次发生同等甚至更大规模的泥石流，可能会使原本变窄的龙溪河堵塞，在龙溪河内形成堰塞湖，威胁龙溪河上、下游群众的生命财产安全。

[1]余斌.不同容重的泥石流淤积厚度计算方法研究[J].防灾减灾工程学报，2010，30(2):78-92.

[2]DZ/T0220—2006，泥石流灾害防治工程勘查规范[S].

[3]康志成.云南东川达德沟灾害性泥石流调查[C]//全国泥石流防治经验交流会论文集.重庆:科学技术文献出版社重庆分社，1983:71-77.