汶川地震極震區泥石流物源動儲量統計方法討論

喬建平，黃 棟 ，楊宗佶，孟華君

（中國科學院 地 表過程與山地災害重點實驗室，四川 成 都 6 10041；中國科學院 水 利部成都山地災害與環境研究所，四川 成 都 6 10041）

0 引言

2008年“5.12”汶川特大地震極震區（Ⅺ度區）包括四川省的10個縣市［1］，誘發了前所未有數量的崩塌滑坡［2］。自地震當年8月之后，大量滑坡崩塌轉化為泥石流，又成為地震災區更為嚴重的地質災害類型［3］。國家及地方有關部門于2008年后組織專項資金開展了地震災區大規模的地質災害工程治理，并在一定程度上遏制了災害的發展速度。然而，已治理的泥石流工程中大部分攔砂壩已出現滿庫翻壩的現象，成為失效工程。作者在項目審查和野外實地考察中發現，主要原因是地震災區泥石流物源類型與傳統的泥石流物源類型有極大的差別，無論規模和數量，還是分布方式，地震后泥石流都遠遠超出以往。更重要的是災區泥石流物源啟動方式也發生了明顯改變，多數形成溝槽揭底沖刷潰決型泥石流。所以，采用傳統統計方法獲得的泥石流動儲量是不能滿足設計需要的。因此，作者通過對汶川地震極震區40多處泥石流靜、動儲量的分析，提出了泥石流動儲量的統計方法和圖解方法。經過對比檢驗，證明兩種方法基本能夠滿足防治工程設計需要。

1 震區泥石流物源基本類型

1.1 滑坡堵溝型物源

地震瞬間觸發的巨、大型滑坡是泥石流的最主要溝道型物源。大量松散堆積物將泥石流的溝源堆填，形成數十米，甚至數百米厚的溝道物源。如2010年8月13日發生汶川地震災區的三大片區泥石流中，綿竹市清平鄉文家溝特大型泥石流物源區溝道被5000×104m3的巨型滑坡所覆蓋，形成超出原溝底約40～200m高的松散堆積體，原溝道幾乎被填平。

汶川縣紅椿溝泥石流物源區溝道被350×104m3的大型滑坡體所覆蓋，形成超出原溝底約30～150m高的松散堆積體，原溝道也基本被填平。這類物源的特點是滑坡規模大、堆積體的厚度厚，在降雨作用下容易形成溝槽揭底沖刷型和潰決型泥石流。

1.2 崩塌覆蓋型物源

地震瞬間觸發的大規模崩塌是泥石流重要溝道型物源。崩塌物的規模雖然不如上述滑坡體的規模大，但其數量比滑坡更多。有的可以沿泥石流物源區全流域覆蓋。如2010年8月13日發生汶川地震災區的三大片區泥石流中，都江堰市龍池鎮堿坪溝泥石流800m長的溝道中分布了58處大小不等的崩塌，平均每15m左右就分布有1處崩塌。這類物源的特點是覆蓋層雖不如滑坡的厚度大，但分布范圍廣，可以將原溝道普遍覆蓋填高。在降雨作用下容易形成溝槽揭底沖刷型泥石流。

1.3 碎屑坡積型物源

地震瞬間觸發的大規模崩坍和坍滑碎屑物是泥石流溝道坡面補償型物源。坡面崩坍和坍滑碎屑物在地震瞬間暫時沒有進入溝道，堆積在溝道較緩的上部坡面。如北川老縣城西側溝自2008年9月24日爆發泥石流后，每年都從溝道坡面上有新的碎屑物補充。這類物源的特點是有大有小，一般分布位置較高，后期在降雨作用下形成坡面泥石流，匯入溝道，不斷補充主溝泥石流物源。

2 泥石流啟動模式

上述的地震災區泥石流物源類型中，包括了不參與泥石流活動的物源（靜儲量）及可能參與活動的物源（動儲量）。由于震區泥石流物源補給方式與傳統泥石流物源補給方式已經發生了很大變化，物源動儲量的啟動方式與傳統的啟動方式也必然會發生很大變化。震后的物源動儲量的啟動模式主要由以下兩種構成。

2.1 溝谷下切侵蝕堵潰型物源

溝谷下切侵蝕堵潰型物源是震后最常見的一種泥石流動儲量啟動模式。由于地震后大量的松散物質堆積在溝道內，在降雨作用下，地表水匯流后形成洪水對溝床內松散堆積體產生強烈的下切侵蝕作用，并逐漸形成深切溝壑，為兩岸堆積坡提供有效臨空面。然后發生牽引式垮塌堵溝，最終潰決轉化為泥石流。這類泥石流物源啟動過程大致可分為4個階段（圖1）：下切侵蝕（A）→形成溝壑（B）→崩滑堵塞（C）→沖刷潰決（D）。如在2010年8月13日降雨作用下，綿竹市文家溝泥石流物源區滑坡堆積體上的下切侵蝕拉槽深度達到70～100m，使溝槽兩岸形成大于70°的陡坡。而后堆積物產生新的坍塌堵溝，最終潰決轉化為體積約600×104m3的巨型泥石流［6-7］。

汶川縣紅椿溝泥石流滑坡物源下切侵蝕拉槽深度達到30～50m［8］。溝谷下切侵蝕堵潰型模式為汶川地震震區最主要泥石流物源啟動類型，災區70％～80％的泥石流物源啟動基本屬于此類型。其形成基本條件包括：①“V”形溝谷、縱坡降大于300‰；②滑坡松散堆積物已堵填溝床；③匯水區面積大于0.1km2。

2.2 溝谷側緣侵蝕滑坍型物源

圖1 溝谷下切侵蝕潰決型泥石流物源啟動模式示意圖Fig.1 Star tmode of downward induced block collapse debris flow

圖2 溝谷側緣侵蝕滑坍型泥石流物源啟動模式示意圖Fig.2 Start mode of lateral erosion induced slide and sloughing debris flow

溝谷側緣侵蝕滑坍型物源是震后比較多的一種泥石流動儲量啟動模式。由于地震后大量的松散物質堆積在溝道兩岸坡腳，在降雨作用下，溝道洪水位迅速上升并側蝕兩岸堆積物坡腳，引起坍塌匯入主溝后轉化為泥石流。這類泥石流物源啟動模式大致可分為2個階段（圖2）：側緣侵蝕（E）→失穩滑坍（F）。如汶川縣城南溝泥石流由21處崩塌滑坡組成的超過300×104m3物源基本堆積在溝道下游段，而匯水區基本無物源分布。由于下游溝床比降171.7‰，溝床平均寬度超過30m，崩塌滑坡基本堆積在兩岸坡腳處［9］。在特大暴雨條件下，洪水側緣掏蝕堆積體的坡腳，使之失穩形成充足泥石流物源。溝谷側緣侵蝕滑坍型模式為汶川地震震區次要泥石流物源啟動類型。其形成基本條件包括：①“U”形溝谷、縱坡降小于300‰；②溝床兩岸崩塌滑坡松散物堆積在現代溝床侵蝕基準面；③匯水區面積大于0.1km2。

3 震區泥石流物源統計

目前采用的泥石流靜儲量（總物源量）統計方法與崩塌、滑坡、溝道松散坡積物體積統計方法基本一致。但泥石流動儲量（可參與泥石流活動的物源量）沒有一個統一的計算標準，其中包括《泥石流災害防治工程勘查規范》（DZ/T0220-2006）。在實際應用中泥石流動儲量統計方法各異，專題研究也很少。傳統的方法主要為：形態評判法、穩定性判別法、比例統計法等等［10-16］。但在汶川地震災區泥石流工程治理中，對特殊條件下的動儲量統計仍缺少理想的方法。因此導致災區的動儲量統計或多或少，使工程效果受到極大影響。作者認為地震災區泥石流物源類型和啟動條件都有其特殊性，動儲量也應該按照特殊類型進行統計。

3.1 統計法

針對汶川地震災區泥石流特殊物源條件下的動儲量啟動現狀，采用數學統計方法建立同等條件的泥石流動儲量統計模型。本文采集了災區44處泥石流物源樣本（據四川省地震災區地質災害詳查報告（略）），分別采用流域面積、溝道長度、溝床比降、總儲量與動儲量進行相關性統計。假設這些樣本中同時包括了溝谷下切侵蝕潰決型和溝谷側緣侵蝕滑坍型兩種啟動模式的物源量，通過關系擬合得到相關性（圖3）。

圖3 泥石流基本要素與動儲量的相關性統計圖Fig.3 Correlations of debris flow primary factor and dynamic reserve

圖3統計結果，流域面積與動儲量基本沒有相關性（圖3a）。溝床平均縱坡降、主溝長度與動儲量的相關性很差（圖 3b、3c），如：

式中：β——溝床平均縱坡降；

L——泥石流主溝長；

V0——泥石流動儲量（×104m3）。

而總物源量與動儲量有一定相關性（圖3d），如：

式中：V——總物源量（×104m3）。

將等量物源（V（104m3）=10，20，…，n）代入式（3），計算動儲量與總儲量的比例關系，即：

式中：K——動儲量與總物源量比例值。

從式（4）可以獲得動儲量與總物源量比例相關性（圖 4），即：

式中：KV0——總物源量與動儲量比例。

根據式（4）可以得出泥石流總物源量與動儲量的近似統計方法，如：總物源量小于50×104m3時，動儲量可占15％的比例；總物源量達到 100×104m3時，動儲量可占30％的比例；總物源量達到200×104m3時，動儲量可占37％的比例。之后的動儲量比例發展緩慢，基本保持在40％以下。

圖4 總物源量與動儲量比例關系圖Fig.4 Proportional relation of dynamic reserve and the total amount of material source

3.2 圖解法

根據前述泥石流動儲量的啟動模式，也可采用幾何圖形解析方法，建立近似的泥石流動儲量統計模型。

3.2.1 下切侵蝕型泥石流動儲量

假設“V”形谷溝床堆積體在洪水下切作用下，從C點開始到O點將逐漸形成溝壑形成泥石流物源，其中直角三角形Δcod是泥石流動儲量的最大可能物源區（圖5）。該區的面積為：

式中：θ——斜坡自然休止角；

co=h——原溝床深度。

動儲量體積為：

式中：V01——下切侵蝕型動儲量；

L1——溝床堆積體長度。

圖5 下切侵蝕型和側緣侵蝕型泥石流統計模型Fig.5 Statistic model of downward and lateral erosion induced material

3.2.2 側緣侵蝕型泥石流動儲量

假設“U”形谷坡面堆積體在洪水侵蝕洪水側蝕作用下，從c2點到d點將逐漸坍塌形成泥石流物源，其中任意三角形Δc2od是泥石流動儲量的最大可能物源區。該區的面積為：

式中：θ——斜坡自然休止角；

α——實測堆積坡角；

φ——崩積體與自然休止角夾角；

c2o=l——實測坡面長度。

動儲量體積為：

式中：V02——側緣侵蝕型動儲量；

L2——溝道堆積體長度。

3.2.3 全流域泥石流動儲量

在實際應用中，可以將泥石流形成區物源勘查結果，按圖解法分別對不同類型物源體先進行逐一單體動儲量統計，然后迭加獲得全流域泥石流總動儲量：

式中：V0——全流域泥石流動儲量。

4 結論

（1）汶川地震災區在地震瞬間形成了大量的滑坡崩塌松散物質，在后期降雨條件下都不同程度地參與泥石流活動。與非地震災區泥石流的物源相比數量多、規模大、分布范圍廣，已成為地震災區最嚴重地質災害。這些物源主要分為滑坡堵溝型、崩塌覆蓋型、碎屑坡積型三類。

（2）災區泥石流物源在洪水侵蝕作用下，以溝谷下切侵蝕堵潰和溝谷側緣侵蝕滑坍方式啟動，形成兩種破壞地質模式。

（3）參與泥石流活動的物源量可以根據不同的啟動模式進行統計計算。一種為泥石流動儲量數學統計方法，另一種為圖解法。前者在對地震災區泥石流總物源量與動儲量相關性統計的基礎上，建立統計數學模型，從而估計參與泥石流活動的物源量。后者是根據泥石流物源啟動的地質模式，分別統計不同物源的動儲量。

（4）文中介紹的方法僅僅是對泥石流動儲量的近似解，在沒有統計規范的前提下可以進行估算。但前提必須是具有泥石流野外勘查成果資料。

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