摘要
2019年8月20日汶川县绵虒镇登溪沟暴发大型泥石流灾害,导致沟口房屋、国道和高速公路损毁,交通中断长达数月,同时大量冲出物质堵塞岷江河道,使岷江河道改道左岸,水位抬升,形成链式灾害。基于登溪沟泥石流形成条件、致灾特征以及泥石流事件前后现场调查和遥感影像解译进行了分析,采用配重法和形态调查法计算获得泥石流的容重和动力特征。结果表明,登溪沟泥石流是短历时强降雨、有利的地形条件及地震作用产生的丰富物源以及沟道强烈侵蚀多种因素共同作用的结果,其成灾模式可总结为降雨快速汇流‑沟道物质启动形成泥石流‑泥石流沿程铲刮裹挟‑岸坡坍塌堵溃‑泥石流规模放大冲出沟口的运动过程,泥石流事件前后影像解译显示坡面物源和沟道物源随着时间产生了显著演化,流域内物源仍然丰富。汶川地震虽已过去十年以上,泥石流活动性仍然较高,因此针对登溪沟泥石流活动进行了详细调查分析以期加强对强震区震后中长期泥石流特征的进一步认识。
∗ 收稿日期:2021-02-20;修回日期:2021-04-25
强震作用致使山地区域地质环境变得极其脆弱,2008年汶川地震后,汶川地区山地环境遭受强烈扰动,震后地质灾害频发,尤其以滑坡和泥石流灾害活动表现最为强

图1 登溪沟泥石流堆积成灾区特征
Fig. 1 The characteristics of Dengxi gully debris flow in
accumulation disaster areas
登溪沟地处四川省阿坝州汶川县绵虒镇东北侧,沟口坐标为103°30′36.9″E、31°22′37.7″N,流域内水流从右岸汇入岷江,登溪沟沟口距离绵虒镇约1.7 km,沟口建有国道G213及都汶高速公路。根据中国地震局公开数据显示流域地处XI烈度区,地震峰值加速度为0.2g,区内地震响应剧烈,逆冲推覆断层茂汶断裂带横穿流域沟口,由于上盘效应影响较大,流域内不同海拔高程位置受汶川地震强烈影响产生了大量规模不等的同震滑
研究区为亚热带湿润气候,夏季主要受西南与东南季风影响,气候相对潮湿,降雨主要集中在7~9月,降水特征以阴绵雨和秋绵雨为主(雨日较多,降水时间和落区相对集中的特点),据威州气象站23年实测,多年平均降水量为526.3 mm,最大年降水量为648.6 mm(1958年),最小年降水量369.8 mm(1974年),连续最大4个月(5~8月)降水量为324 mm,占年降水量62.1%,可见,该区降雨量年际变化大,且年内分布不均匀,出现集中降雨的可能性较大,成为该区引发泥石流等地质灾害的重要因素。登溪沟为岷江一级支流,自1956~1985年的30年间,汶川县姜舍坝记录的岷江最高洪峰流量为1 890
泥石流的暴发往往是伴随着强降雨,降雨是泥石流暴发不可或缺的激发因素之一,降雨数据最直接可靠的来源是雨量站,此次有记录的最近的雨量数据位于紧邻登溪沟流域左侧岷江上游板子沟沟口,其雨量站数据记录的8月20日前后的雨量数据可以作为登溪沟泥石流暴发的降雨持续时间及雨强数据的重要参考,降雨数据如

图2 2020年8月19~20日降雨数据
Fig.2 Rainfall data for 19 and 20 August 2020
登溪沟流域面积大,较大的流域面积使得沟道具有良好的汇水能力,支沟较发育,多达7条且纵坡比降大,多数支沟分布于流域上游,海拔高度处于2 000 ~3 500 m,少数支沟分布于流域中游,中游支沟面积及数量少于上游支沟,上游形成区支沟多呈“V”型谷形态特征,中下游流通区蜿蜒曲折呈 “U”型谷形态特征,部分区段较窄,水流湍急加之震后流域内崩塌滑坡活动使得沟道堆积和堵塞现象严重,为泥石流沟道强烈侵蚀冲刷提供了条件。通过GIS坡度分析流域内沟道两侧地形多在30°~65°,30°~65°以上坡体面积占流域面积70%以上,实地调查部分山体近乎垂直陡立,受强震影响,流域内岩土体松散,岩石裂隙节理裂隙较为发育,陡峭的山坡和地形的高差起伏为崩塌、滑坡创造了良好的临空条件,也促使大量松散堆积物在良好的汇水条件下可以相对快速参与到泥石流的形成中。
基于GIS的遥感影像在解译震区滑坡及崩塌堆积体已经较

图3 泥石流灾害发生前后相同位置照片
Fig.3 Photos of the same location before and after the debris flow disaster
通过2015和2019年影像和两次调查照片可以分析出震后产生于沟道中的同震崩滑坡堆积体及震后长达11年雨季降雨流水迁移滑动的堆积物参与到此次泥石流运动过程中,现场调查沟道下切侵蚀和侧蚀程度如

图4 泥石流流域崩滑体物源解译结果
Fig. 4 The interpretation results of provenance of landslide bodies in debris flow basin
(1) |
式中,t为崩滑体平均厚度(m);SL为崩滑体面积(
现有资料未曾记录有登溪沟震后泥石流灾害,此次灾难性泥石流发生于汶川地震震后的第11年,即2019年8月20日2时左右,震后流域内物源相比震前增加,坡面堆积体稳定性低,震后泥石流活动性提高,该沟也成为高危险性沟,根据居住在沟口右岸村民讲述,泥石流发生之前沟口降雨较大,沟口水流量逐渐增加蔓延至居住的房屋,随着降雨的持续及水流变得逐渐混浊,村民紧急撤离沟口,半小时后泥石流夹杂大量砂石泥土冲出沟口。
登溪沟流域面积较大,泥石流形成区海拔位置较高,对比分析泥石流灾害前后遥感影像可知,在海拔3 200 m的影像上灾害后区别于灾害前图像特征,表现在色彩方面更加亮白,沟道具有显著的扩宽,基于高清影像对比泥石流发生前后可见上游各支沟有明显的启动图像特征(

图5 泥石流发生前后遥感影像
Fig. 5 Remote sensing images before and after debris flow occurrence

图6 沟道强烈侵蚀铲刮
Fig. 6 Strong erosion scraper in channel

图7 受灾特征
Fig. 7 Disaster characteristics
受震区地形条件的限制,山区人民居住选址及生产活动多聚集于沟口老冲积扇位置,登溪沟口右岸及沟口岷江对岸有登溪沟组大量村民,另都汶高速公路G213线和省道S9 线也从沟口沿岷江和沿河修建。承灾体两者高度集中于沟口,此次泥石流对其造成严重损坏,沟口S9线约50 m简支梁桥被完全冲毁,都汶高速公路G213线往返双线约370 m路段被淤埋冲毁,造成长达数月的交通受阻。沟口泥石流致使数间砖结构房屋不同程度受损,大量房屋受淤埋,其中靠近沟道的五户房屋完全冲毁。泥石流表现出强大的搬运能力,堆积扇直径1 m以上的巨石较为常见,受灾特征如

图8 河道挤压及堆积范围
Fig. 8 Channel extrusion and accumulation range
登溪沟“8·20”泥石流暴发过后,第一时间到现场进行调查,根据村民的描述配置与泥石流暴发后的泥石流浆体即配浆法计算泥石流容重,结合现场泥痕,采用形态调查法计算流速、流量和泥石流冲出量。重度计算公式为:
(2) |
式中,为泥石流重度(t/
现场实验共测量了三个点,测得泥石流平均重度为1.817 t/
(3) |
(4) |
(5) |
(6) |
式中,为泥石流断面平均流速(m/s);糙率系数;为泥石流平均泥深(m);为泥位纵坡率,以沟道纵坡率代替;为泥石流断面峰值流量(
各断面计算结果见
通过获取流域泥石流灾害前后两期遥感影像(2015年与2019年),利用arcgis解译了坡面物源和沟道物源,从大尺度及局部分析了流域物源演化特征(

图9 物源演化特征
Fig. 9 Provenance evolution characteristics
汶川地区泥石流震后暴发频率相比震前有明显提高,继2010年群发性泥石流和2013年群发性泥石流后,又于2019年在强降雨条件下多条沟道暴发泥石流。相比于震后前两场群发性泥石流,本次泥石流暴发过程与其既相似又有不同,相似点在于泥石流暴发均受震后影响较大,物源均来自坡面崩滑体和沟道物源,不同点在于坡面同震滑坡在震后的时间线上稳定性逐年增加,坡面物源在泥石流形成过程中逐渐减少。以登溪沟为例,本次调查发现沟道大量沟床堆积物侵蚀启动成为了此次沟道泥石流活动固体物质重要的物源补给。泥石流暴发后,沟道中仍有大量堆积,泥石流对河道两岸的淘蚀使得部分岸坡堆积在未来降雨条件下可能失稳再次活动,堵塞挤压沟道(

图10 流域部分活动滑坡特征
Fig.10 Partial active landslide
调查发现登溪沟流域内缺少泥石流拦挡坝,仅在沟口设立一座拦挡坝,相比于同地区其他泥石流沟道数量严重偏少,库容及拦挡能力设计不足,仅大约有4.40×1

图11 拦挡坝受损及库容
Fig.11 Debris flow dam damage and storage capacity
(1)根据降雨数据的分析,“8·20”登西沟泥石流是在短时强降雨条件下发生的,强降雨过程是诱发泥石流灾害的动力因素,降雨激发雨型属于短期突然降雨型,主要降雨时间集中在8月19日23时至8月20日7时,泥石流暴发于8月20日2时,泥石流前期累计雨量15.3 mm,激发雨强为12.7 mm。
(2)强烈的沟道侵蚀是本次泥石流冲出固体物质的重要物源补给,堆积于沟道两侧和沟道中的物质在洪水和泥石流的裹挟作用下不断并入到泥石流活动中,扩大了泥石流规模,同时侵蚀作用表现为强烈下蚀和侧蚀,对灾后现场测量沿程泥石流沟道均有明显不同程度的加深和扩宽,部分段落基岩裸露,坡脚遭受侵蚀,产生大面积坍塌,坍塌的物质继续补充到泥石流活动中,致使最终泥石流冲出规模较大。本次泥石流沟道运动模式为降雨快速汇流‑沟道物质启动形成泥石流‑泥石流铲刮裹挟沟道底部侧面物质‑岸坡坍塌堵溃‑泥石流规模放大冲出沟口。
(3)对登溪沟典型断面泥石流流速和流量的计算显示,泥石流最大流速可达6.7 m/s,最大流量约464
(4)近年来,震区泥石流活动随着流域内坡面崩滑体的恢复,物源的演化转移,逐渐有从坡面物源启动为主的泥石流向沟道型泥石流转变的趋势。随着物源的演化,泥石流活动的形成机制及运移过程发生了变化。对登溪沟泥石流活动调查显示尽管离地震爆发已有12年,流域内植被和大量崩塌体逐渐恢复,但一次泥石流活动只是带出了少量的物质,流域内仍然有丰富的物源储量可能形成泥石流活动,该区域仍然有暴发泥石流的风险,必须加强该地区的物源调查和防灾规划以应对下次可能暴发的泥石流活动。
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