2019, Vol. 28
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汶川地震后, 区域性群发泥石流频频暴发[1]. 2008年5月12日龙溪河流域暴发8条泥石流沟; 2008年6月11日, 九寨沟县暴发17条泥石流沟; 2008年9月24日, 北川县暴发72条泥石流沟; 2010年8月13日, 汶川映秀暴发21条泥石流沟, 都江堰龙溪河流域暴发45条泥石流沟, 绵竹清平暴发11条泥石流沟; 2011年7月6日, 杂谷脑河流域暴发9条泥石流沟.这些群发性泥石流由于同一时间暴发, 给当地交通、农业、建筑和人民生活安定造成很大破坏.汶川地震后, 位于强震区的都江堰龙溪河流域在强降雨条件下多次发生泥石流地质灾害, 泥石流冲出方量约310104 m3, 使该流域在中下游段以淤积为主, 掩埋房屋和河道, 河道高程平均上升约5 m, 对龙溪河流域内原有旅游建筑的灾后恢复与重建带来了一定影响, 对原有公路、市政管线、河道及农田造成了严重破坏, 造成经济损失约54687.5万元[2].本文在2010年8月13日该流域暴发泥石流沟之后, 在对45条泥石流沟进行现场调查的基础上, 分析泥石流灾害形成的原因及泥石流特征, 并对该区域泥石流进行危险性评价, 为区域性泥石流灾害的形成和防治提供借鉴与参考.
1 研究区地质环境条件都江堰龙池镇龙溪河流域属中亚热带湿润季风气侯区, 气候温和, 降水充沛, 阴雨天气频繁.通过对龙池镇近60年(1957~2006)的气温和降雨资料统计, 龙池镇极端最高温35 ℃, 极端最低温-4.1 ℃, 年平均气温12.2 ℃; 年均降水量1134.8 mm, 最多年达1605.4 mm(1978年).最大月降水量为592.9 mm, 最大日降水量达245.7 mm, 最大小时降水量为83.9 mm.十年一遇小时降水量为71.3 mm, 二十年一遇小时降水量为74.8 mm.一次连续最大降水量457.1 mm, 一次连续最长降水时间为28 d.月降水平均最多的8月降水量为289.9 mm, 降水集中的5~9月降水量占全年总降水量的80%以上.降水具有降水集中、雨强大和频率高的特点, 这些特点往往成为洪水和泥石流等灾害的诱发因素.
龙溪河流域内地形变化大, 整体地势北高南低, 相对高差较大, 在地形上属低-中山及河谷平坝阶梯状分布, 地貌上属构造侵蚀低-中山地貌、堆积侵蚀低山地貌及构造侵蚀溶蚀中山地貌.龙溪河流域具有以下地形特征: 1)流域高差大, 全流域内最高点海拔3072 m, 最低点海拔770 m, 相对高差2274 m, 流域内各泥石流沟海拔723~1605 m; 2)纵坡陡, 整个龙溪河流域平均纵比降126‰, 泥石流沟纵比降376‰~573‰; 3)山坡坡度大, 流域山坡坡度在30~70°间.由此可见, 该流域具有山高、坡陡、沟床比降大的特征.巨大的地形高差, 使沟道的松散堆积物具有较大的势能, 陡峻的沟床和山坡为松散物质的启动提供了有利的条件.
龙溪河流域内的虹口-映秀断裂(映秀-北川断裂带的一部分)是汶川地震的发震断裂.在汶川地震主震发生后, 映秀-北川断裂带相继发生3.4万余次的余震, 其中4级以上的余震200多次.虹口-映秀断裂3~5 km宽带状区内地震最高烈度达Ⅺ度.该流域内出露的岩性以砂岩、泥岩、碳质页岩为主, 安山岩、凝灰岩及安山玄武岩次之.由于龙溪河流域内有虹口-映秀断裂、桐麻坎-南狱庙断裂和灌县断裂穿过, 流域内岩层破碎, 极易产生崩塌滑坡.汶川地震后, 龙溪河流域发育了大量的崩塌滑坡及松散堆积物.龙池"8·13"群发泥石流后的龙溪河流域仍然发育崩塌滑坡66个, 物源量约1692×104 m3.这些为泥石流的发生提供了大量的物源条件.
受降水、地形、地质条件影响, 龙溪河流域于2008年5月12日、6月24日、9月25日和2009年7月17日等相继有13条泥石流沟暴发泥石流[3], 危害公路780 m, 74栋民房受损, 造成经济损失5200万元. 2010年8月13日特大群发泥石流中, 新增泥石流灾害点31处, 危害公路4240 m, 河堤3130 m, 233栋民房受损, 造成经济损失5.5亿元(图 1、表 1).
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图 1 龙溪河流域及泥石流分布图 Fig.1 Sketch map of Longxi River Basin with distribution of debris flows 1-坡面泥石流(slope debris flow); 2-沟谷泥石流(gully debris flow); 3-三叠系砂岩(Triassic sandstone); 4-二叠系砂岩、灰岩(Permian sandstone and limestone); 5-石炭系灰岩(Carboniferous limestone); 6-震旦纪安山岩(Sinian andesite); 7-澄江-晋宁期花岗岩(Chengjiang-Jinningian granite) |
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表 1 龙溪河流域泥石流沟参数 Table 1 Parameters of the debris flow gullies in Longxi River Basin |
龙溪河流域地势北高南低, 从北到南地貌呈中高山、中山及低山分布.地形上该流域具有以下特点: 1)高差大.从最北端海拔3072 m的龙池岗山顶到最南端海拔770 m的紫平铺水库, 高差约2274 m [4].高差越大泥石流体运动时势能转换的动能就越大, 泥石流运动能力会越大, 较易形成泥石流. 2)坡降大.整个流域平均坡降126‰, 以冷浸沟为界, 上游坡降132‰, 下游45‰.沟道坡降的大小反映了松散物源由势能转化动能的难易程度, 坡降越大, 松散物源在降水作用下越容易向下运动形成泥石流. 3)流域面积小.除主沟龙溪河流域面积96.78 km2外, 支沟面积在0.05~8.7 km2, 其中小于1 km2的泥石流沟占总数的78%.流域面积的大小反映了汇水区域形成泥石流的难易程度, 较小面积的汇水区更容易形成泥石流. 4)流域山坡坡度大.大多数沟道两侧山坡坡度在20~40°之间.以上地形特征均对泥石流的启动提供有利条件.
2.2 岩性因素以区域内断裂带为界可将该流域内的岩性从北到南划分为3部分: 1)北部高山区为澄江-晋宁期花岗岩, 中高山区为震旦纪安山岩, 花岗岩和安山岩均为块状结构, 遍布区域广, 覆盖该流域70%的面积, 地震时这类厚层或块状的硬质岩层以发生崩塌为主, 为泥石流提供了大量的松散物质; 2)中部和西部低山、低中山、中山区为三叠系的变质岩、砂岩、泥岩、页岩(或碳质页岩夹煤层)、砾岩等碎屑岩沉积, 岩体为不等厚的层状结构, 以发育泥石流为主; 3)南部为石炭系和二叠系的灰岩、砂岩和页岩, 基本没有发生泥石流.
该流域距离汶川地震震中直线距离11 km, 地震时破坏了岩土体的稳定性, 极易产生崩塌、滑坡, 为泥石流的发生提供了物源, 在降雨条件下极易形成泥石流.
2.3 降雨因素降雨是龙溪河流域泥石流灾害的主要诱发因素, 在地震后表现尤为明显.该流域属四川盆地中亚热带湿润季风气侯区.通过对该流域近60年降雨资料统计分析, 年均降雨量在1000 mm以上, 其中70%的降雨量集中在6~8月, 最大小时降雨量在80 mm左右.因此降雨充沛、集中和雨强大是该流域降雨的最大特点. 2009年7月17日, 该流域突降暴雨, 降雨强度达68 mm/h, 强降雨使流域内泥石流群发; 2010年8月13日降雨超过229 mm/d, 强降雨造成该流域暴发泥石流45处; 2010年8月18日, 245.7 mm/d的降雨再次导致沟内发生泥石流灾害.可见在该流域地形条件不变, 物源条件也基本不变的前提下, 降雨量是激发泥石流的一个关键条件.
3 龙溪河流域泥石流暴发特征1) 群发性, 规模多元化, 以偏黏性为主
群发性是震后流域泥石流发生的一大特征.地震震动使山坡上堆积了大量的松散固体物质, 在降雨激发下, 极易形成泥石流. 2008年5月12日, 在55 mm/h的降雨条件下该流域暴发了8条泥石流沟; 2009年的7月17日, 在60~70 mm/h的降雨条件下暴发3条泥石流沟; 2010年8月13日, 在75 mm/h的降雨条件下暴发了45条泥石流沟; 2010年8月18日在65国mm/h的降雨条件下该区域又暴发6条泥石流沟; 2013年7月9日, 在53 mm/h的降雨条件下由于该流域泥石流治理工程的作用, 此次并未暴发泥石流灾害.
通过现场调查泥石流堆积扇上的堆积量, 按照泥石流堆积区堆积物储量多少划分泥石流规模, 可知该流域泥石流暴发规模不一, 以小型为主, 中型次之, 大型最少.以2010年8月13日该区域暴发的45条泥石流沟为例, 堆积物储量在1104 m3以内的共25条, 占55.6%;堆积物在10104 m3以内的共40条, 占90%;堆积物量在10104 m3以上的大型泥石流仅占10%左右.
按照堆积区的沉积状态可以间接判断泥石流的性质, 若堆积物有一定分选性, 砾石为主的多为稀性; 相反若堆积物无分选性, 有泥包石且混杂堆积现象的多为过渡性-黏性.就容重而言, 通过对该流域8条泥石流取样测量, 容重值大多在18.5~22.5 kN/m3之间.按照容重划分泥石流性质, 该流域泥石流基本属于过渡性-黏性(过渡性18.0 kN/m3以上).
2) 小流域沟道集中暴发
汶川地震前, 该流域只有5条泥石流沟, 其中八一沟流域面积8.63 km2, 碱坪沟流域面积3.35 km2, 均属于流域面积大于3.0 km2的泥石流沟.而汶川地震后共计暴发的45条泥石流沟中除了王家沟流域面积3.4 km2以外, 其余暴发的泥石流沟流域面积均小于3.0 km2.这类流域面积较小的泥石流沟在"5·12"地震前或"8·13"前从未暴发过泥石流, 而且暴发之前沟道内植被丰富, 无崩滑体堆积物, 因此在地质灾害调查工作中难以发现.这些流域面积小并且沟道长度比较短的沟道, 在暴发泥石流时有着很强的搬运能力, 一次泥石流搬运固体松散物质的总量可达上万立方米, 具有流域面积小、难以发现、隐蔽性强、危害性大的特征[4].
3)构造带是泥石流集中暴发区
区域内有3条构造带通过:映秀-虹口断裂、灌县断裂和飞来峰构造带, 其中映秀-虹口断裂是"5·12"地震发震断裂.受断裂带影响, 流域内岩层破碎, 通过现场调查和遥感分析, 在映秀-虹口断裂带两侧3 km范围内存在地质灾害点104处[5], 物源量约1692104 m3, 为泥石流提供了大量物源.以2010年8月13日该区域暴发的45条泥石流沟为例, 在断裂带两侧3 km范围内暴发泥石流41条, 占全流域泥石流的91.1%, 可见地质构造破碎带在一定程度上也是泥石流集中暴发带.
4)破坏性强
龙溪河流域在汶川地震后5年内共计发生6次泥石流灾害, 相继暴发45条泥石流沟, 共掩埋公路7800 m, 冲毁或掩埋民房和板房233间, 危害74户458人.龙溪河河道及两侧泥石流冲出量共310104 m3, 掩埋龙溪河河道, 使河床高程抬高约5 m, 对龙溪流域内原有旅游建筑的灾后恢复与重建更是雪上加霜, 对流域内公路、市政管线、河道及农田造成了严重破坏, 造成经济损失约5.5亿元.
淤积和冲击是泥石流最基本的两种破坏方式.以冷浸沟为界, 河道上半段坡度较陡且河道狭窄, 以冲刷为主; 而河道下游坡度较缓且河道宽阔, 以淤积为主.经过调查, 龙溪河河道及两侧泥石流沟冲出量固体物质量约310104 m3, 掩埋龙溪河河道, 使河床高程抬高约5 m, 造成多处房屋、道路和河道被埋.
5)灾害链效应明显
龙溪河流域群发性泥石流产生了严重的次生灾害及明显的灾害链效应.降雨诱发泥石流灾害, 泥石流堵塞河道、抬高河床, 产生淤埋危害, 后续的洪水冲出河道, 产生洪涝灾害.淤埋和洪涝灾害对河道内以及其他较低位置的各类建筑物、交通基础设施和农田庄稼等造成严重损毁甚至完全报废.灾害链如图 2所示.
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图 2 龙溪河流域泥石流灾害链作用 Fig.2 Disaster chains of the debris flows in Longxi River Basin |
地质灾害危险性是地质灾害发育密度、活动规模、活动频次的综合性反映[6].对龙溪河流域泥石流沟进行危险性评价, 可为该流域泥石流体工程防治提供设计依据, 为灾后建筑恢复选址提供依据.本文采用刘希林提出的MFCAM模型对单沟泥石流危险度进行评价[7-9].该方法选取规模M、发生频率F、流域面积S1、主沟长度S2、相对高差S3、切割密度S6及不稳定沟床比例S9共计7个评价因子的转换值进行危险度评价.计算公式为[9]:
| $ \text{ }H\text{=0}\text{.29}M\text{+0}\text{.29}F\text{+0}\text{.41}{{S}_{\text{1}}}\text{+0}\text{.09}{{S}_{\text{2}}}\text{+0}\text{.06}{{S}_{\text{3}}}\text{+0}\text{.11}{{S}_{\text{6}}}\text{+0}\text{.03}{{S}_{\text{9}}} $ | (1) |
按公式(1)对龙溪河45条泥石流沟进行单沟危险性评价, 结果如表 2. 表 2显示有1条沟危险性大, 14条危险性中等, 30条危险性小.这与刘清华[10]采用堆积扇淤积厚度代替泥石流规模评价泥石流危险性结果基本一致.
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表 2 龙溪河流域沟谷泥石流危险性评价结果 Table 2 Hazard assessment results of the gully debris flows in Longxi River Basin |
通过对龙溪河流域泥石流沟的成因分析、灾害特征分析和危险性评价之后得出以下结论.
1) 该流域泥石流的发生受地形、岩性、降雨的三者耦合作用, 其中降雨充沛、集中和雨量大的特征是泥石流的激发条件; 岩性的破碎性为泥石流提供了大量的物源; 高差大、坡降陡、坡度大的地形特征为泥石流的启动提供有利条件.
2) 该流域泥石流灾害具有群发性、小流域暴发性.地震后共计发生6次泥石流事件, 每次都是多条泥石流沟同时发生, 具有群发性; 地震后暴发的多条沟道均为震前没有暴发过的沟道且流域面积均小于3 km2, 具有小流域暴发性.
3) 该流域泥石流沟的分布与构造带有一定相关性.在断裂带两侧3 km范围内暴发泥石流沟41条, 占全流域泥石流的91.1%.
4) 该流域泥石流危害性大且有灾害链作用.多次泥石流共掩埋公路7800 m, 冲毁或掩埋民房和板房233间, 危害74户458人.每次泥石流堵塞河道, 阻断公路, 冲毁和掩埋建筑物、交通基础设施和农田庄稼等造成一系列链状效应.
5) 采用刘希林单沟泥石流评价方法对该流域的45条泥石流进行危险性评价, 结果显示危险性大的有1条沟, 危险性中等的有14条, 危险性小的有30条.
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