汶川极震区锄头沟泥石流发育特征及启动机理

李安润，邓辉 ，余天彬，文静

汶川极震区锄头沟泥石流发育特征及启动机理

李安润1，邓辉1，余天彬2，文静1

（1．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，成都 610059；2．四川省地质调查院，成都 610081）

汶川地震过后大量的老泥石流被激活，随着潜伏期的过去，雨季来临，松散物源开始重新活跃。通过对锄头沟泥石流的实地调查及现场测量发现，该沟流域面积较大，支沟发育，支沟及主沟后缘比降大，主沟中下段宽缓，泥石流物源主要为崩塌物源，分布于流域中上部和支沟内，泥石流由中上部和支沟启动，汇聚于主沟内，并沿沟道下段堆积，并通过室内试验等手段，还原了泥石流发生时的激发雨量及物源分布特征。震后极震区泥石流的具有物源类型丰富、易发程度高、激发雨量偏小和支沟群发等特点，该沟泥石流还出现了堵溃型泥石流现象。

泥石流；极震区；成因机制；发育特征

汶川县位于汶川地震灾区中心地带，震区通常由于地震作用导致表层土壤破坏和基岩出露，引起崩塌、滑坡等地质灾害，使得松散物质淤积于沟道或坡脚处，局部阻塞，在降雨条件下极易暴发泥石流。

图1 锄头沟高分卫星遥感解译图

对于震区泥石流国内外已经有较多相关研究。我国台湾地区1996年9月6日兰屿地震后就进行了地震专题研究，林庆伟等[1]人通过对地震前后的遥感图像对比，发现激发泥石流启动的降雨临界值与地震后暴发泥石流的沟域面积以及泥石流频率等因素密切相关。2008年汶川地震后，唐川等[2] ,[3]人对“9.24”暴雨泥石流的特征进行研究后提出了震区泥石流的两种启动方式：①暴雨形成的陡坡表面径流导致附着于斜坡上的滑坡体和前缘松散物质向下输移，进入沟道后转为泥石流；②“消防水管效应”沟道水流快速集中并强烈冲蚀沟床中松散固体物质，启动沟床物质并形成泥石流。游勇等[4], [5]人对震区北川苏保河流域泥石流分析后发现，震区泥石流具有群发性，危害性大、搬运能力强、激发雨量小等特征。许强等[6]对“8.13”特大泥石流灾害分析后得出震区和非震区、震前和震后的泥石流在发育方式、启动条件、运移形式、影响范围、分布规律等方面有显著差别。在前人工件基础之上，该文对汶川极震区锄头沟流域泥石流的发育特征及启动机理进行了研究。

1 泥石流形成条件研究

1.1 地形条件

锄头沟流域面积大约21.7km2，主沟长约8.9km，后缘高程约4 130m，沟口程约1 178m，前后高差2 952m，主沟平均纵坡降约184‰。主沟道总体呈V型沟谷地貌，上游沟段较为狭小，谷宽约5～15m，下游段沟谷宽度较大，谷宽约50～120m。地层岩性主要为元古界黄水河群（Pth）和志留系茂县群（Sm）花岗岩、闪长岩和花岗闪长岩，由于地震作用岩性强度低，岩体破碎、松散、崩落，形成丰富的崩塌物堆积于主沟道及两侧。

锄头沟支沟发育，主要有小沟、麻地槽沟、玛璜沟、族头沟、大塘沟等，各支沟普遍沟谷狭窄，谷底宽度约10～16m，纵坡陡峭两侧谷坡坡角45°～65°，局部达80°，纵坡比降大，沟床比降约371‰～737‰。

锄头沟流域总体属深切割构造侵蚀低山和中山地形，主沟平面弯道发育，上游狭窄，纵坡陡峻，平均纵坡523‰，中下段宽缓，纵坡83‰～186‰，支沟发育。泥石流物源主要为崩塌物源，通过高分辨率卫星遥感技术与无人机航拍技术相结合获取高清影像图片[7]，作为遥感解译图底图，经高分卫星影像解译和现场调查，查明流域内主要物源崩塌堆积体约45处，方量约244.47×104m3。

1.2 松散物源条件

锄头沟泥石流主要物源类型为崩塌堆积物、沟道堆积物及坡面侵蚀物。主沟上游主要崩塌堆积物源来自牛圈沟、大塘沟和族头沟等支沟及主沟道物源，物源类型为土质和基岩混合崩滑；主沟中段物源主要来自蚂蟥沟、麻地槽沟和小沟等支沟及主沟道物源，主要类型为基岩崩塌；下游物源主要来自主沟道堆积物源。经颗粒分析试验发现主沟道堆积物源颗粒级配存在较大差异，自上游至下游巨型块石含量逐渐减少，细颗粒物含量逐渐增加。

图2 物源统计图

1.3 降雨条件

锄头沟沟域上游汇水面积约6.66 km2，约占沟域总面积的30.69%，地形开阔平坦，呈扇形形态，有利于水流汇入主沟道，为泥石流的发生提供良好的水动力条件。锄头沟流域根据《四川省中小流域暴雨洪水计算手册》[8]经计算10min、1h、24h雨量平均值分别为8.3mm、20mm、60mm。

表1 不同频率下雨强值计算表

锄头沟流域在7.10泥石流爆发时监测24小时最大降雨量为104mm，小于20年一遇设计雨强，但据当地老乡所述，沟道上游降雨远比沟口降雨声势大，由于沟道上游未设气象观测站，据本次泥石流爆发规模推测，锄头沟沟域范围内平均降雨量已经超过50年一遇降雨量。由于地震后，锄头沟内不良地质现象发育，疏松物源量大增，其激发雨量相对降低，所以7.10泥石流爆发时的雨强完全可以满足激发泥石流的条件。

2 发育特征分析

2.1 堆积物颗粒特征

对锄头沟流域松散堆积物进行颗粒级配试验，采用现场筛分法[9]得出。锄头沟上游段QJ01土石比16.93 ：83.07和QJ02土石比12.58 ：87.42，结合地形条件沟谷纵坡降大，土石比小，推断本流域段内以冲刷为主。锄头沟中段，QJ06土石比9.16 ：90.84，沟谷纵比降较缓，在洪水作用下沟道改道、摆动较为强烈，侧蚀掏蚀作用较强烈，小颗粒物质被水流冲走，停淤较大的颗粒物质。锄头沟下游段，QJ09土石比26.15 ：73.85和QJ13土石比31.68 ：68.32 土石比较高，结合地形条件，纵坡较缓，推断本流域段内以淤为主。此外泥石流堆积物中还含有约15%～20%的块石成分，最大块石直径达3.5m左右。从泥石流堆积物颗粒成分和冲淤特征表现推断，堆积物具有粘性泥石流的特征。

图3 泥石流堆积扇特征

2.2 启动-运移-堆积特征

锄头沟流域由于地震作用形成各类堆积物源，以崩塌堆积物源为主，大量分布在主沟道中上游，部分支沟也发育大量堆积物源。强降雨时，水流迅速汇聚进入沟道内，堆积物开始受流水浸泡，强度逐渐降低，坡体表面松散体在雨水冲刷作用下也开始滑落，进入主沟道补充物源。当雨量达到激发强度时，物源开始运移，小颗粒带动大颗粒，最终启动块石参与运移等。

随着降雨量增大，物源量增多，运移速度不断加快，泥石流所过之处冲刷，掏蚀出露基岩体，产生滑塌崩落。各支沟物源冲出汇入主沟道为泥石流的发育增加了动能，在沟道狭窄处淤积堵塞，泥石流物源不断堆积，最终溃决继续向地势低处奔涌，一路携卷松散物源。

在出山口处，地形突然变得开阔，泥石流开始呈扇状向两侧扩散，随着沟道内物源的不断涌出，开始向前方及两侧堆积，堆积物为粉土、砾石、碎块石、漂石等，含量不均，以砾石、碎块石为主。新堆积扇覆盖于老堆积扇之上，新旧分明[10]。

3 启动机理分析

3.1 泥石流运动过程分析

锄头沟泥石流运动方式主要为雨水汇集一堆积物源饱水开始运动一支沟物源冲出汇入主沟一淤塞台地堵塞冲溃一全面爆发泥石流。

1）启动过程。汶川地震导致锄头沟流域内堆积大量松散固体物源，为泥石流的启动提供了直接物源。堆积于沟道内的崩塌滑坡堆积物在暴雨侵入的情况下，孔隙水压力升高，粘聚力下降，堆积物强度急剧降低。雨水先带动细颗粒运移，随着雨量加强小块径块石被带动，沟道内堆积物源被带动后，残余在坡体上部的松散堆积体及崩坡积物开始滑移进入沟道内。

2）侵蚀运移过程。随着雨量不断加强，在暴雨冲刷作用下，存留于斜坡体上处于不稳定状态的崩塌体发生整体破坏，成为新的物源参加运动。随着支沟泥石流的不断冲出，主沟道泥石流物源量剧增，加速运动，呈现多峰值形态。在弯道沟槽转弯处凹岸流速较快，凸岸流速较慢，凹岸产生强大的侵蚀作用。当运移到沟道中部时，遭遇淤塞台地淤积，累积量到达极限时冲溃，以突然爆发的形式向下游运移，再一次增加了运动过程的动能，在整个过程中不断的对两岸进行侧蚀和掏蚀

图4 淤塞台地

图5 沟道两侧崩滑体

3）堆积过程。当泥石流到达沟口处迅速冲出，冲出沟口后地形突然变得平缓，地形宽阔，巨大的物源开始向周围扩散形成扇形堆积扇，堆积扇顺扇前缘进入岷江河道，新堆积扇覆盖于老堆积扇上，从扇顶至扇缘颗粒由粗变细，具有简单分选的特征，堆积物以碎石和块石堆积为主，碎块石占60%～80%，结构松散-稍密，母岩成分为花岗岩，粒径一般在20～80cm，最大为6.5m，砂及粉土充填。

3.2 泥石流成因机制分析

锄头沟泥石流有支沟群发和堵溃型两个典型特征。地震作用产生的崩塌、滑坡堆积物大量堆积于各支沟及主沟道内，堆积物结构松散，孔隙度大，在暴雨工况下雨水入渗，孔隙水压力升高，有效内摩擦角降低，堆积物强度急剧降低。小颗粒物质首先被带动，随着雨水量加大，块径较小石块也参加运移，各支沟物源几乎同时启动，受支沟群发的影响，在短时间内支沟物源运移汇集于主沟道内，增强了泥石流的破坏程度及运移速度。

在整个发育过程中，主沟道中部有9个长约80m，宽约15m的狭窄淤塞台地，当主沟道内的大量物源快速向地势低处运移时，受到狭窄沟道的地形限制开始淤塞，堆积，随着堆积量的不但加大，堆积厚度增加，最终溃决再次加速运移，多个淤塞台地造成多次溃决，不断的增加泥石流的动能。锄头沟泥石流的发育机制受到支沟群发的影响较为显著，同时淤塞台地的存在也为堵溃型泥石流的发育提供了关键地形条件，增大了锄头沟泥石流的破坏性。

3.3 泥石流发展趋势分析

通过对泥石流成因机制和堆积物颗粒特征的分析，确定锄头沟泥石流属暴雨沟谷型粘性泥石流。锄头沟流域植被覆盖率较低，平均植被覆盖率约50%，震后坡面结构变疏松，坡面滑塌现象发育，植被严重破坏。沟岸山坡坡度一般在35°以上，沟谷形态为“V”型谷，有利于物源和水源的汇集和泥石流的形成，震后不良地质现象发育，崩塌等现象显著，固体物源量大增，局部水土流失加速，可参与泥石流活动的松散固体物源量也大大增加，一旦遭到大暴雨的作用，极有可能会引发大规模的泥石流灾害。

4 结论

通过对锄头沟泥石流的实地调查与物源统计，从泥石流形成条件、发育特征及成因机制等方面，对其运动过程及启动机理进行分析，得出以下结论：

1）锄头沟泥石流属于堵溃型泥石流，具有堵溃型泥石流典型的发育特征，瞬间爆发溃决效应明显，此种类型泥石流在汶川极震区出现较为常见。

2）汶川极震区泥石流，具有物源类型丰富、易发程度高、激发雨量偏小和支沟群发等特点。

3）极震区泥石流受地形效应影响较为明显，尤其在沟道狭窄处易形成堵塞—溃决效应，增加泥石流发育动能，增大破坏性。

[1] 罗恒,沈军辉,宋欢欢.九绵高速工棚沟泥石流发育特征及危险性分析[J].科学技术与工程, 2017, 17(32) :31-36

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Development and Genetic Mechanism of the Chutougou Debris Flow in the Wenchuan Meizoseismal Area

LI An-run1DENG Hui1YU Tian-bin2WEN Jing1

(1-State Key Lab of Geological Hazard Prevention and Cure and Geological Environmental Protection, Chengdu University of Technology, Chengdu 610059; 2- Sichuan Institute of Geological Survey, Chengdu 610081)

A large number of old debris flows such as the Chutougou debris flow were activated due to the Wenchuan earthquake. The Chutougou debris flow in the Wenchuan meizoseismal area is characterized by large drainage area, many developmental branches, large slope of posterior edge of the main ditch and branches and rich source of mudstone as well as blocking debris flow. The provenance is rich in collapse source which is in the upper of the drainage area and in the branches.

debris flow; development; meizoseismal area; genetic mechanism

2018-07-02

李安润（1995-），男，四川内江人，研究生，主要从事地质灾害评价与预测技术研究工作

P642. 23

A

1006-0995（2019）02-0285-04

10.3969/j.issn.1006-0995.2019.02.022