汶川地震诱发黄洞子沟地质灾害链效应及断链措施研究*

梁玉飞，裴向军，崔圣华，朱　凌，高会会，董　源

(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)

2008年5月12日，四川汶川8.0级大地震，激发了大量的崩塌、滑坡、堰塞湖等次生山地灾害，经过一段时间的演化，形成泥石流等链式灾害。地震诱发次生山地灾害呈现出广泛性、群发性、持续性及灾害链效应[1]。

大量的学者对地震诱发次生山地灾害开展深入研究。黄润秋等[2-3]通过GIS平台对灾害点的分布高程和密度进行了统计，并提出单薄山脊的地震波具有显著放大效应，以及明显的“上下盘效应”，即逆断层上盘较下盘地质灾害分布密度高、范围广、规模大。崔圣华以牛眠沟滑坡为例，探讨了地震滑坡的启动机理[4]。许强分析了震后泥石流的特点以及成因[5]。对单个灾害类型的研究取得了许多显著成果，但以灾害链的角度对地震诱发次生山地灾害进行分析有待深入。

郭增建于1987年首先提出“灾害链就是一系列灾害相继发生的现象”[6]。史培军、肖盛燮、文传甲等学者[7-9]从不同的角度给出了灾害链的定义。综合说来，灾害链是指原生灾害及其引起的一种或多种次生灾害所形成的灾害系列。原生灾害是指由动力活动或环境异常变化直接形成的自然灾害；次生灾害是由原生灾害引起的“连带性”或“延续性”灾害[10]。常见的灾害链类型包括台风灾害链、寒潮灾害链、干旱灾害链和地震灾害链等。地震灾害链是由地震诱发的一系列次生灾害，对其研究主要集中在地震引发的地质灾害链[11]。韩金良对地质灾害链的基本类型进行了划分[12]；李明提出了典型地质灾害的链式过程[13]；彭建兵提出黄土地质灾害链的同源链生转化机制[14]；冯玉涛研究了4种常见崩滑流灾害链的成灾条件和机理[15]；徐梦珍以火石沟为例，对汶川地震引发的地质和生态次生灾害链进行了分析[16]。

本文以黄洞子沟为例，从灾害链的角度对汶川地震诱发的次生山地灾害进行分析。受映秀-北川断裂的影响，研究区地震活动性较强，历史上龙门山发生有记载的8.0级以上地震2次，7.0～7.9级地震4次，6.0～6.9级地震11次。汶川地震之前，该区并无大的崩塌、滑坡和泥石流发生，汶川地震时该区地震烈度为Ⅹ，黄洞子沟沟内山川巨变，巨大的滑坡体将深达百米的黄洞子沟几乎填平，滑坡摧毁了当地的一座磷矿、一个水电站和一个伐木场，造成38人遇难[17]。地震引起地面开裂及地表抬升，泉水村主街道、泉水河等多处可见宽10～50 cm的裂缝，延伸方向N35°E～N45°E，地表最高抬升4.5 m，造成多处房屋受损、桥梁开裂、垮塌。汶川地震改变了研究区的山地环境，在震后的9年内，仍然灾害频发。本文基于黄洞子沟震后的灾害发育情况，分析其灾害链效应，旨在为削减地震次生灾害提供参考。

1　研究区震后地质灾害概况

黄洞子沟位于四川省安县高川乡泉水村西北侧，沟口地理坐标为31°37′22″N，104°09′20″E，是涪江一级支流雎水河的上游段(图1)，为常年性流水，在下游与三叉沟汇合后称泉水河。

图1　研究区交通位置(据文献[18]，有改动)

1.1　滑坡和崩塌

黄洞子沟地势陡峻，构造侵蚀作用强烈，斜坡岩体强风化、强卸荷，物理力学性质较差，在强地震力作用下引发大量的崩滑灾害，发育3个千万方以上的大型滑坡，崩滑体阻塞黄洞子沟沟道，形成3个规模较大的堰塞湖(图2)。

图2　黄洞子沟次生灾害卫星影像(据四川省测绘地理信息局 2013年1月 0.5m分辨率)

大光包滑坡呈掌型，平面投影面积7.12 km2，最大长度4.6 km，最大宽度3.2 km，滑坡体厚度达521 m，体积11.59×108m3，滑动方位N63°E，运动距离0.9～4.5 km，为汶川地震触发的规模最大的滑坡[19](图3)。

红石沟滑坡平面投影面积约0.6 km2，运动距离约2 km，宽0.2 km，平均厚度约60 m，堆积方量达到2.4×107m3，滑动方位N40°E，堆积体将红石沟原本的“V”型窄沟变成了现在的“U”型宽谷，沟道宽约150～200 m(图4)。

老鹰岩滑坡平面投影面积0.35 km2，滑源区长约450 m，最大展宽430 m，滑距约1 km，最大厚度约100 m，体积约1. 5×107m3，滑动方向N50°E[20](图5)。

图3　大光包滑坡

图4　红石沟滑坡

图5　老鹰岩滑坡

1.2　泥石流

研究区在汶川地震之前未有发生过泥石流的记载。2008年5月地震之后至2013年的5年内，黄洞子沟于“2008.9.24”、“2009.7.17”、“2010.8.13”、“2011.7.21”、“2012.8.17”和“2013.7.9”多次爆发泥石流，均为暴雨沟谷型泥石流，集中爆发于每年7-9月份的多雨期。黄洞子沟地区泥石流原始激发雨强为105 mm[21]，根据收集的降雨资料(图6)， 可以看出，震后泥石流激发雨强降至36～46.6 mm，下降了约60%，前期累积降雨量和总降雨量呈逐年增加的趋势。

图6　历年泥石流激发雨量

2　灾害链模式和动力过程分析

黄洞子沟典型的地质灾害链分为以下三种：地震-滑坡-堰塞湖；地震-震裂山体-崩塌-碎屑流-泥石流；地震-崩塌、滑坡-泥石流。

2.1　地震-滑坡-堰塞湖

此类灾害链为地震山地灾害链最为常见的一种，受地震作用，往往于几十秒至几分钟内迅速完成，具体过程为地震-滑坡启动-运动-堆积-阻塞河道-堰塞湖。

地震时，大光包巨型滑坡以极快的速度溃滑下来，进入黄洞子沟，受对面山体的阻挡，惯性前冲，反翘堆积，超覆对岸山梁20 m左右，运移距离达4.5 km。滑体多数区域未解体，巨型滑体将黄洞子沟上游几乎填平，且向两侧漫流约3.2 km，阻塞沟道形成川林沟堰塞湖(图7)和白果林堰塞湖(图8)。

老鹰岩滑体从海拔1 920 m高处急剧下滑，沿姜巴沟向沟底运动，在高速碎屑流的强大铲削作用下，引起姜巴沟两侧山体垮塌，汇入主滑体碎屑流向沟底高速滑动，受到黄洞子沟对岸阻挡后，折返停积，形成老鹰岩堰塞湖(图9)。老鹰岩堰塞湖由两个堰塞体组成，上游堰塞体规模巨大，顺沟长约1～2 km，堵塞了整个沟床，下游堰塞体呈上宽下窄梯形，顶宽约240 m，底宽约60 m，两者相距约700 m。

图7　川林沟堰塞湖

图8　白果林堰塞湖

图9　老鹰岩堰塞湖

川林沟堰塞湖和白果林堰塞湖堰塞坝高达500 m，湖内补充地下潜水和大气降水等，通过潜流渗出，常年汇水量与渗流量基本保持平衡，水流梯度较小，冲刷能力弱，稳定性较好，现状下无溃坝的可能性。老鹰岩堰塞湖坝体结构以碎块石为主，呈碎块状～块体状，结构松散，属高危堰塞湖，已于2010、2011年进行疏导，未进一步形成地震-滑坡-堰塞湖-洪水(泥石流)灾害链。

2.2　地震-震裂山体-崩塌-碎屑流-泥石流

此类灾害链的发生具有隐蔽性和突发性，多发生于高位岩体损伤部位，爆发时间难以预知，发生数量有逐年增加的趋势。

地震引起强烈的地震动造成岩体损伤，显著降低了岩体质量，部分未失稳岩体在重力、风化、降雨、地下水等多种因素作用下，极易产生震后崩塌灾害。在黄洞子沟沟内可见多处震后小型崩塌。作者在大光包基地期间，多次听到此类崩塌的发生，在降雨条件下更为频繁，崩塌产生的碎屑流在雨水作用下引发局部泥石流，冲毁道路，堆积于沟道内。

2.3　地震-崩塌、滑坡-泥石流

此类灾害链为地震山地灾害链演化最为彻底的一种类型，崩塌、滑坡产生的碎屑物质经过一段时间的物源积累，在降雨的作用下，形成泥石流。选取“2013.7.9”黄洞子沟爆发的大规模泥石流，分析其演化过程。

2013年7月8日9时起，高川乡遭遇特大暴雨，9日0时达到70 mm/h，泉水村安置点洪水上涨至公路面以上，凌晨1时左右，黄洞子沟泥石流启动，至3时结束，历时约2 h。通过现场调查，此次泥石流启动物源点有14个，主要集中于各支沟和滑坡、堰塞湖堆积区(图10，详见表1)。黄洞子沟上游段至老鹰岩滑坡区汇集物源量65.6万m3，堆积厚度2～15 m，大光包滑坡碎屑流局部形成坡面流和拉槽下切(图11)；红石沟中下游冲出深30～50 m，宽约20 m的沟槽(图12)。老鹰岩滑坡堆积体结构松散，多呈碎块状～块体状，水流冲刷形成拉槽和局部滑塌(图13)。老鹰岩滑坡区至三叉沟沟口固体物质约15.3万m3，堆积厚度约3～8 m，另有少部分物质约9.8万m3与三叉沟泥石流冲出的5万m3物质汇合，冲入泉水村安置区外侧河道，致使河道淤积厚度达0.5～3 m，部分泥石流冲入安置区，使房屋和道路损毁严重(图14)。

图10　黄洞子沟主要沟道及7.9泥石流物源区(据文献[18]，有较大改动)

图11　H04大光包滑坡拉槽图12　G05红石沟沟槽图13　H01老鹰岩滑坡沟槽图14　泥石流冲入安置区

表1　黄洞子沟“2013.7.9”参与泥石流活动的物源情况统计表

表2　典型灾害链实例

2.4　成链动力过程分析

由于灾害类型繁多，成灾过程复杂，对灾害链形成过程尚无统一的划分标准。李明将一个完整的链式过程分为致灾环、激发环、损害环和断链环[13]。作者在此基础上增加了演化环，将灾害链的成链过程分为：孕灾环、激发环、演化环和损害环，孕灾环是前提，激发环是启动因素，演化环是过程，损害环是结果，并将断链环作为断链措施单独提出。

孕灾环包括当地所处的环境条件，如城市环境、海洋环境、沙漠环境、山地环境等。激发环即灾害链的激发因素，分为内动力作用、外动力作用、人类工程活动和复合型激发作用[12]，内动力作用是指地球内部能量引起的作用，包括构造运动、岩浆作用等；外动力作用是指由地球以外的能源引起(太阳辐射能、日月引力能)，在重力的参与下，通过大气、水、生物因素等作用于地壳表层的作用，包括风的作用、水的作用等。人类工程活动包括采矿、边坡开挖、地下水开采等，为灾害的发生创造了人为条件。由两种或两种以上因素联合作用诱发的灾害链称为复合型灾害链。各个环节没有绝对的先后顺序，激发环起作用后，可能立即造成损害环，也可能经历风化剥蚀、重力变形等演化过程后形成损害环，损坏环即对人类的生命财产造成损害的环节。

一般灾害链的成链过程如图15所示，表2列举了部分典型灾害链实例。

图15　一般灾害链成链过程

对于地震引发的山地灾害链，我们主要关注以地形地貌、地质构造等基本要素组成的地质环境。黄洞子沟处于典型的山地环境在地震前为一条深切割的“V”字型峡谷，地势险峻，纵坡降大，支沟多，地层岩性复杂，构造活动发育，雨量充沛，具备良好的孕灾环境。在地震作用下，孕灾环境被激发，产生了数处崩塌和三个规模巨大的滑坡，巨大的滑体冲入黄洞子沟，将V型谷变为U型谷，阻塞黄洞子沟形成了三个规模较大的堰塞湖。崩塌滑坡产生了大量的物源，形成新的孕灾环境，在降雨和风化作用下，滑坡滑面、堆积区等处产生强烈的拉槽下切，当暴雨来临时，这些物源汇集启动，形成泥石流，泥石流继续改变沟道环境，拉槽下切更加严重，碎屑物质在黄洞子沟中游(大光包滑坡前缘至老鹰岩堰塞体沟段)淤积严重，下游堆积强烈。物源不断积累，当降雨达到一定强度，不断积累的物源会重新启动，形成新一轮的泥石流。黄洞子沟灾害链是由内外动力作用联合形成的复合型灾害链，既有时间上的连续性，又有空间上的拓展性，仍处于不断演化的过程当中，其成链过程如图16所示。

3　灾害成链条件分析

黄洞子沟在地震后发育为一条典型的地震地质灾害链，灾害规模巨大，成灾特征鲜明，其成灾条件也具有一定的独特性。

图16　黄洞子沟灾害链成链过程

表3　黄洞子沟主沟及支沟基本特征统计表

3.1 地形条件

黄洞子沟原沟道呈“V”字型，地势北西高而南东低，属构造侵蚀、强烈切割的中高山地貌。研究区最高点位于大光包顶，海拔3 047 m(现海拔2 994.7 m)，最低点位于泉水村口，海拔1 030 m，相对高差1 964.7 m。左右岸不对称分布，右岸支沟主要发育在中下游，有门槛石沟、红石沟、姜巴沟等；左岸支沟分布有白果林沟、川林沟、黑沟等(图10)，各支沟分布、汇水面积、纵坡降等基本情况见表3。高海拔使地震放大效应显著加强，巨大的高差为黄洞子沟的物源启动储存了大量的势能，泥石流启动时转换为高动能，较大的沟道纵比降进一步增强了泥石流的流速和冲刷能力，多处支沟在后期降雨和地面径流的不断侵蚀作用下，提供了源源不断的物质基础。

3.2　地质条件

受推覆作用和后期剥蚀作用的影响，研究区地层岩性变化较大，出露地层从震旦系至三叠系均有，主要为碳酸盐岩，易风化、溶蚀，卸荷强烈；第四系松散地层广泛分布，主要有泥石流、滑坡堆积物、残坡积物和冲洪积物等。

黄洞子沟构造上位于龙门山逆冲推覆构造带中段与四川盆地的过渡地带，距北川-映秀断裂仅6.5 km，属龙门山前陆推覆体的大水闸推覆体，具逆冲-推覆-滑脱-走滑的特点，在推覆过程中产生了一系列推覆断裂和褶皱，处于小型断裂的集中分布区(图17)。受断层上盘效应影响，汶川地震时，黄洞子沟震动强烈，部分断层破碎带及软弱夹层被激活联动，形成大规模次生山地灾害。

图17　黄洞子沟区域构造纲要图(据文献[17]，有改动)

3.3　气象水文条件

研究区属亚热带湿润季风气候，气候温和，年平均气温16.3℃，最高气温36.5℃，最低-4.8℃。沟内研究区属亚热带湿润季风气候，气候温和，年平均气温16.3℃，最高气温36.5℃，最低-4.8℃，。沟内有常年流水，枯水期流量～0.3 m3/s，最大洪水流量～60 m3/s，年平均径流量为1.02 m3/s，每年7-9月流量较大，最高平均径流量为2.34 m3/s，地下水主要为碳酸盐岩裂隙岩溶水。工作区年平均水量1 180 mm，主要集中在6-9月，月最大降水量可达397 mm，多年月平均降雨量见图18。多雨有利于物源的侵蚀和汇集，暴雨大大超过了震后泥石流的激发雨强，成为崩塌滑坡产生的碎屑物源启动形成泥石流的主要因素。

图18　黄洞子沟区域降雨量

4　断链措施分析

断链即从灾害链的某一环节切断灾害链，使其不再往下发展。针对汶川地震山地灾害链，在不同环节采取不同的断链措施(表4)。

黄洞子沟泥石流危险区范围大，威胁对象主要集中在黄洞子沟与三叉沟交汇后泉水河左侧居民区及道路、桥梁。泉水河段左侧有泉水村安置点及分散农户共215户，总威胁人口达800余人。危害方式主要是泥石流冲击、淤埋、洪水淹没等，对其进行灾害链的断链处理十分重要。由于黄洞子沟大量崩塌、滑坡的存在，以及震后不断累积的物源，从演化环进行断链处理，清理泥石流物源工程量浩大，不符合实际，建议从损害环采取措施，修建泥石流拦挡工程或者实施异地搬迁，同时要加强监测预警，发生险情时及时疏散村民。

表4　灾害链各个环节断链措施建议

5　结论

本文以黄洞子沟为例初步探讨了灾害链的成链过程和断链措施，得到了以下结论：

黄洞子沟地震诱发灾害链为一完整的复合型地质灾害链，形成地震-滑坡-堰塞湖；地震-震裂山体-崩塌-碎屑流-泥石流；地震-崩塌、滑坡-泥石流三种典型的灾害链类型，并且处于不断演化的过程当中；

将一般的灾害链分为孕灾环、激发环、演化环和损害环。黄洞子沟脆弱的地质环境为灾害链发生的前提，构成了孕灾环，地震作为启动因素，为激发环，形成的崩塌、滑坡、堰塞湖、泥石流为损害环，泥石流发生前的物质积累运移过程为演化环。

从不同的环节提出了断链措施，针对黄洞子沟，建议从损害环上采取断链措施，加强汛期监测预警，修建泥石流拦挡坝，或者实施异地搬迁。