四川省地质工程勘察院 四川成都 610072
摘要：受“5.12汶川特大地震”影响，四川庄子沟两岸岸坡发生滑塌及崩塌，为泥石流的形成提供了较多的物源，并于2008年“9.24”特大暴雨爆发泥石流，泥石流冲积物堆积于沟口安置区内。经调查与研究，四川庄子沟在强降雨条件下极有可能再爆发大规模泥石流灾害。基于泥石流发育特征基础上对泥石流形成机制进行分析，以期对该类型的泥石流防治提供一定的参考价值。
关键词：泥石流；发育特征；形成机制；庄子沟
一、泥石流发育特征
（一）沟域分区
庄子沟属中山区冲沟，区内山势陡峻，沟谷狭窄，地形高差较大。泥石流沟发源于莲花山，发育高程1681～613m，最大高差1068m，主流方向约358°，近正北向，于坡脚沟谷处汇入湔江，主沟道水平投影长3409m，主沟道顶高程1331.36m，沟口高程613m，沟道平均纵坡降约226.7‰，汇水面积约3.249km2。该沟整体沟形为V型，季节性冲沟，调查期间水流量约1～3L/s。
北川-映秀断裂从庄子沟沟口顺湔江横穿通过，刘家坪逆断层顺庄子沟沟道通过，受断层影响，沟域内地质环境条件复杂，左岸为石炭系灰岩、白云岩等，陡立，于5.12地震引发崩塌，崩塌物堆积于沟道，并阻塞沟道；右岸斜坡表层主要覆盖有残坡积含碎块石粉质粘土，下伏基岩为志留系千枚岩，岩体破碎，地震引起右岸斜坡土体松动、滑坡，为泥石流的形成提供了物源。
根据庄子沟泥石流的发育现状和形成特点，将沟域划分为泥石流清水汇流区、物源区、流通区及堆积区。
1、清水汇流区特征
庄子沟沟道内清水汇流区沟道标高约775～1331.36m之间，离沟口水平距离642～3449m，总长2807m，沟道纵比降197.7‰，坡度较陡，沟道呈“V”形谷，沟道宽度一般2～5m，沟道平面形态总体上较顺直，中部有一近于垂直变向的弯道，沟中小弯处沟道狭窄，且沟壁陡直；沟道发育在第四系全新统崩坡积碎块石土之上，局部基岩出露，切割深度不等。两岸斜坡为中山区斜坡，面积3.187km2，占总面积98.09%。岸坡坡度较陡，约40-60°，一般覆盖有薄层残坡积含碎块石粉质粘土，厚约0.5-2m，局部较厚，总储量概算约254.96×104m3，植被以低矮灌木为主，局部为乔木，植被较好，可达60%以上，水土保持较好，不良地质现象较少。
2、形成流通区特征
形成流通区在清水汇流区之下，山间V形沟谷及沟岸斜坡地形，左岸坡度较大，约50～80°，右岸为缓坡，坡度约25～40°，灌木植被较好。沟道标高介于650～775m之间，相对高差125m，长355m，沟道纵比降平均为331.1‰；面积0.045km2，占总面积1.39%，表层覆盖的残坡积、崩坡积层厚约0.8m，总松散物源约3.6×104m3。
顺沟道为刘家坪断层通过，受断层影响，沟岸两侧岩体中裂隙发育，左岸坚硬岩易产生崩塌掉块，右岸软岩风化破碎，易形成风化残积层的变形滑坡。受5.12地震作用，接近沟口处的左岸边坡发生了较大规模的崩塌B1，岸坡松散层进一步松动变形，形成滑坡H1，及其它规模小的滑塌，为泥石流提供物源。
据访问，2008年9月24日暴雨引发的泥石流是庄子沟发生的规模较大的一次泥石流，由于形成流通区与流通堆积区距离较近，沟岸有遗留泥痕痕迹，由于修建下部泥石流沟道沟内取石及挖掘沟道，沟道被破坏，根据访问调查，最大泥痕深2.32m，平均泥痕深1.32m。
3、流通堆积区特征
泥石流流通堆积区位于冲沟下段较平缓的地段，105省道内侧约230m处到湔江之间呈不完整扇状堆积的区域，即现安置区及安置区后侧约60m的区段，扇面扩散角约50°，面积0.017km2，占总面积的0.52%。沟道标高程介于613～650m之间，相对高差37m，长287m，地形相对较平缓，沟道纵比降平均为129‰。由于已修建排导，扇面水流沿沟排导。
根据调查，9.24暴雨泥石流堆积层厚度约0.3～3.7m，泥石流呈扇状淤积（由于安置区及沟道排导槽的修建，原有淤积形态已改变），最远到达现第三排安置房。物质为碎块石土，粗粒成分主要为石英砂岩、灰岩等，大小混杂堆积，粒径以5～50cm为主，估算一次堆积量约1.3076×104m3。
4、松散固体物质储量
通过计算，可能参加泥石流活动的松散固体物质储量4.515×104m3，其中参与“9.24”泥石流的松散固体物质量0.41×104m3，剩余的为后期可能参与泥石流活动的松散固体物质。按平均密度2.18t/m3计算约合8.95万吨，若配成1.37t/m3的泥石流体，体积可达6.5×104m3，可爆发象“9.24”那种规模的泥石流10次以上。
（二）沟道特征
1、泥石流沟特点
⑴沟道纵坡较陡
庄子沟流域地形较陡，其中较陡坡区面积占流域总面积的98.09%，缓斜坡区约占0.52％。庄子沟沟道全长3512m，平距长3409m，沟床相对高差约718m，平均纵坡降226.7‰，特别是陡坡区纵比降高达331.1‰，该沟泥石流将具有较高的流速和巨大的侵蚀冲击能力。就沟床纵坡曲线而言，上段较缓，中间陡，下段较缓，呈上凹型，属泥石流旺盛期特征。
⑵沟道大直小弯
庄子沟沟道在平面上总体较直，可形成较大的冲击动能。而物源流通区B1崩塌处为较大拐弯，该处沟道堆积有较大的崩塌滚石，对洪流有一定的改向，改向后洪流将对直冲蚀崩塌堆积体后侧粒径较小的松散堆积物，形成泥石流，继而产生泥石流危害。
⑶沟域内松散物质丰富，沟坡较陡，泥石流活动可迅速获得大量松散固体物质物源
流通区沟道内表覆5.12汶川特大地震崩坡积松散块碎石，沟岸滑坡（塌）含碎块石粉质粘土，以及B1残留危岩体和沟域内坡面侵蚀等物源，总储量约4.105×104m3，这些物源都可能在暴雨条件下加入泥石流活动。
⑷流域汇水面积大、喇叭口处沟道淤堵有利于洪峰流量迅速形成
庄子沟流域汇水面积3.249km2，庄子沟沟道全长3143m，平均坡降为226.7‰。流域形态呈喇叭形，而流域形态直接影响着暴雨的径流过程，径流和洪峰流量大小又直接关系着各种松散固体物质的起动与泥石流的活动，这种喇叭形的流域形状极利于泥石流的发生。
用流域完整系数δ来计算评价洪峰流量大小和泥石流的形成。
δ=Ab/Lw2
式中：Ab－流域面积(km2)
Lw－流域长度(km)
δ值越大，沟道中洪峰流量也越大，侧蚀、刨蚀能力越强，则携带松散固体物质的能力越大，就越有利于泥石流的形成和发生。庄子沟整个流域的δ值为0.33，不利于洪峰的形成，但由于B1崩塌物对喇叭口处沟道的淤堵，可造成沟洪水集中，继而倾泻而出，带动该处的崩塌物源，形成泥石流。
⑸堆积区沟两侧为集中安置区，安置楼房较多，沟道排导未按泥石流排导槽进行设计（沟底设计有小跌坎），加之排导沟槽与105省道交汇处排导口仅4m2左右，易形成堵塞，造成泥石流越过沟槽，淤埋左右沟岸两侧安置点房屋，威胁居民及省道上通行车辆及行人的生命财产安全，潜在危险性较大。
2、沟道淤积情况
庄子沟最近较大的一次泥石流是2008年9月24日爆发的泥石流，根据调查，离沟口（标高约613m处）约328～450m处由于沟岸崩塌、滑坡，原有沟道处堆积了较多的地震崩塌碎块石及滚石，厚度约5～10m，泥石流主要以下切为主，间有侧蚀；泥石流堆积区沟道以淤积为主，淤满了碎块石土，堆积厚度一般0.3～3.7m，碎块石呈棱角状，分选性较差，粉质粘土充填，具有较明显的泥石流堆积特征。
3、沟道整治情况及功效评价
5.12地震及9.24暴雨后，北川县加快了安置点房屋建设，同时对庄子沟沟道进行了排导建设。由于各种因素的制约，安置区内各种建设的协调性有欠缺，包括庄子沟沟道排导未进行勘查评价而进行了设计施工，排导槽仅按排洪水进行设计。首先，沟道断面相对较狭小；其次是排导墙墙体较窄（约40-60cm），槽底设置成排水作用的多级跌坎；另外沟道穿越105省道时过流断面较小，仅4m2大小，以及排导槽中部跨沟桥高度较小（仅1.6m高），在与干沟子汇流处呈约55°的向左转向，这些都不利于泥石流的排导，可引起沟道淤堵发生。一旦产生沟道的淤堵，泥石流将翻越沟岸排导墙，可对沟岸两侧的安置房居民及105省道通行车辆人员构成威胁。
4、泥石流易发性评判
按照沟域内现有松散物源稳定性状况及分布位置，再次爆发泥石流的可能性及频率都较大，在暴雨作用下，会形成小型规模泥石流。
（三）泥石流性质及运动特征
1、泥石流性质
泥石流流体重度采取现场调查试验法确定。该泥石流按照泥石流一次性暴发规模属中型泥石流，按照泥石流流体性质分类属稀性泥石流。
2、泥石流运动特征
泥石流流速是表征泥石流运动特征的重要指标之一，庄子沟泥石流流体性质属稀性泥石流，选择稀性泥石流流速计算公式(铁二院经验公式)进行计算。
泥石流流量采用形态调查法及雨洪修正法分别计算，计算结果表明，理论雨洪修正法P=5%时的计算成果(泥石流最大流量为104.02m3/s)与采用形态调查法计算成果(泥石流最大流量为101.67m3/s)基本一致。
二、泥石流形成机制分析
（一）泥石流的形成机制分析
1、较丰富的松散固体物质条件
庄子沟所处的地质构造复杂，北川-映秀逆冲断裂从沟口前缘湔江处通过，顺沟道有刘家坪逆断层，地质构造复杂，新构造运动强烈，岩体破碎，第四系松散层分布范围广且厚度大，5.12地震引发沟岸崩塌严重，可能参加泥石流活动的松散固体物质储量约4.105×104m3，且绝大部分位淤积于沟道内，这为泥石流的发生提供了较充足的物源。
2、适宜的地形及汇水条件
庄子沟流域地形较陡，平均纵坡降226.7‰，特别是形成流通区纵比降高达331.1‰，较陡的沟道为泥石流的形成提供了较好的势能条件；另外，由于清水区面积较大，呈喇叭形的地形可将沟水汇集后直接冲击喇叭口处堆积于沟道内的物源。
3、充足的水源条件
据区域资料，研究区所属的北川县地处四川盆地西北边缘暴雨中心，降雨量丰富，年均降雨量1399.1mm，最大年降雨量2340mm（1967年），24小时大降雨量279mm，时最大降雨量78mm，全年降雨量的71％～76％都集中在6～9月，最大占90％，并且降水量随地形增高而加大。根据北川县气象局资料，2008年9月23日8点至24日7点北川县降20年一遇暴雨，邓家乡处降水量达279mm，为泥石流暴发提供了充足的水源条件。9月23日持续降雨，到晚上10点钟降暴雨，到24日凌晨1点即爆发泥石流，说明前期降雨和短历时的强降雨是泥石流活动的重要因素。前期降雨使土体饱水、重度增大，稳定性降低；集中的降水引发的洪水构成了泥石流的运动载体，洪水还强烈冲蚀地表及侵蚀沟谷，促使并加剧不稳定边坡活动，增加沟内的松散堆积物参与泥石流活动。
4、强烈的地震作用
地震作用对大自然的破坏是严重的，5.12汶川特大地震后，山体松散堆积物松动，发生了一些沟岸崩塌、滑坡（塌），在余震的作用下会进一步引起不稳定岩土体的崩塌、滑坡等，为泥石流的爆发提供较充足的物源。
以上四个因素相辅相成，必将促进泥石流的形成发生。
（二）泥石流的形成过程
1、前期降雨
泥石流的发生虽是一个突发过程，但在它的形成过程中前期降雨关系重大，据降雨观测资料在庄子沟发生的泥石流之前都有较大规模的强降雨，前期降雨的作用主要是使松散土体饱和、容重增加，抗滑力减小，稳定性降低，产生变形位移，为泥石流的发生提供有利条件。
2、暴雨激发
短历时的强降雨对泥石流的激发起着决定性的作用，2008年9月23日8点至24日7点北川县降20年一遇特大暴雨，场地区降水量达279mm，继而庄子沟发生泥石流。
3、滚动发展
强降雨在B1崩塌处汇流形成的洪峰对沟床、岸坡产生巨大的水压力，洪水侧蚀岸坡、刨蚀沟槽，继而扩大右岸原滑坡规模，崩塌堆积于沟床的松散固体物质的加入起动泥石流，泥石流向前运动，又增加了其侧蚀、刨蚀能力，如此滚动发展，沿途不断有物质加入，使泥石流规模越来越大，流体流速不断加快。
4、堆积
泥石流进入堆积区后，由于地势减缓，原有沟床被淤满，一部分泥石流爬高超出沟道涌上现安置区所在的缓坡地带，并堆积了下来，形成了一个泥石流堆积扇，完成了泥石流的全部运动过程。
三、泥石流发展趋势
从上述可知，泥石流物源及流通区松散堆积物较丰富，可能参加泥石流活动的松散固体物质储量达4.105×104m3，发生泥石流的物源较充足；2008年9.24暴雨引发大型泥石流证明该泥石流正处于其发展阶段的壮年期，强降雨是诱发泥石流的主要原因。
通过计算结果表明，庄子沟在20年一遇（P=5%）降雨条件下会形成小型泥石流，在50年（P=2%）一遇的降雨条件下会形成中型泥石流；在100年一遇（P=1%）降雨条件下会形成中型泥石流。因此，一旦发生泥石流，直接威胁沟道两侧集中安置点的居民生命及财产安全，潜在的危害程度较严重，破坏性较大。
四、结论
刘家坪逆断层顺庄子沟沟道通过，受断层影响，沟域内地质环境条件复杂。受“5.12汶川特大地震”影响，区内松散物源剧增，并于2008年“9.24”特大暴雨爆发泥石流，泥石流冲积物堆积于沟口安置区内。庄子沟泥石流物源及流通区松散堆积物较丰富，可能参加泥石流活动的松散固体物质储量达4.105×104m3，其中参与“9.24”泥石流的松散固体物质量0.41×104m3，且具有流域面积大、主沟沟道较长，沟道纵坡陡等特征，在强降雨条件下极有可能再爆发大规模泥石流灾害。
参考文献
[1]唐川.汶川震区北川9.24暴雨泥石流特征研究[J].工程地质学报, 2008,16（6）:596-608.
[2]四川省地质工程勘察院.北川县曲山镇邓家集中安置点庄子沟泥石流勘查报告[R].2010.
论文作者:罗本全
论文发表刊物:《基层建设》2017年6期
论文发表时间:2017/6/16
标签：泥石流论文; 沟道论文; 庄子论文; 松散论文; 暴雨论文; 流域论文; 固体论文; 《基层建设》2017年6期论文;