都江堰市龙池镇李泉太沟泥石流灾害研究

　　2010年8月12-14日在汶川地震重灾区普降大暴雨，导致四川省都江堰市龙池镇暴发群体性泥石流[2]，其中李泉太沟在下午16∶00发生大规模泥石流，对沟口民居及道路造成严重损坏，见图1。

　　摘要：“5・12”汶川地震后，位于地震灾区的四川都江堰龙池镇暴发了群发性泥石流，给灾后重建工作带来很大的难度。选择其中的李泉太沟泥石流作为研究对象，通过野外调查、室内分析和泥石流静动力学参数计算，如屈服应力、流量、容重、冲出总量等计算，认为地震产生的大量崩滑体为泥石流提供了直接物源，在暴雨条件下非常容易导致泥石流的产生；另外沟道陡峭、流量大、暴发隐蔽是李泉太泥石流的主要特征；李泉太泥石流的容重较大，屈服应力较大，不仅能够摧毁公路等基础设施，还能够造成堵江等次生灾害。根据研究结果，建议重点敏感地区采取相应的工程措施，并且充分利用降雨阈值，对李泉太泥石流进行监测预警。
　　关键词： 给排水工程师,降雨,泥石流,地震,都江堰
　　野外调查发现，李泉太泥石流冲出物总量约8×104m3，泥石流堆积体将沟口主干道路冲毁，掩埋部分房屋，部分固体颗粒冲入龙溪河，间接影响下游的紫坪铺水库安全。李泉太泥石流地处汶川地震重灾区，是泥石流活动频繁暴发的区域[1]，区内沟壑极为发育，地震产生的大量崩滑体堆积在沟道两侧和沟道中，为泥石流提供了大量的松散物源。在泥石流堆积物的影响下河床整体都抬升了，直接造成了河水的堵塞和改道，从而为研究区的灾后重建、道路修复及工农业复苏带来了很多不利的影响。
　　有研究表明[34]，地震过后的5～10年是泥石流高发阶段，且具有群发、大规模的特点。本文通过李泉太沟泥石流的野外调查情况和遥感影像解译的结果，分析李泉太泥石流的形成因素、基本特征，并详细计算该泥石流的静动力学参数，例如容重、屈服应力、流量、冲出总量等，为今后的重建工作提供依据和防治建议。图1李泉太沟全貌
　　1研究区概况
　　李泉太沟泥石流位于龙池镇南岳村，岷江一级支流龙溪河的左岸，距离龙池镇约4km，沟口地理坐标为N31°5′17″，E103°33′42″。
　　根据都江堰市1957年-2008年的降雨资料，研究区多年平均降水量约为11348mm，最少降雨量是1974年的7135mm，最多降雨量是1978年的16054mm；全年降水量的80%集中在5月-9月，其中8月为平均降水量最多的月份（平均2899mm），1月为平均降水量最少的月份（平均127mm）；李泉太沟1小时的最大降水量为839mm，10分钟的最大降水量为283mm。因此研究区降雨总体特征表现为短时间、强度高和暴雨频繁，非常利于泥石流等地质灾害的发育。
　　龙池镇在地质构造上属于华夏构造体系龙门山构造带的中南段，处于映秀―北川断裂带的西北侧。研究区新构造运动强烈，地区性不均匀升降和断裂活动频繁，地震频发，岩石裂隙、断裂和褶皱构造非常发育，岩体破碎。根据《四川、甘肃、陕西部分地区地震动参数区划图（2008）》，该区域地震动反应谱特征周期是040s，地震烈度可以达到XI度，地震动峰值的加速度为020g。
　　图2李泉太沟地质图
　　李泉太沟流域内第四系松散堆积物主要包括洪积物（Q4pl）、崩滑堆积物（Q4del）、崩坡堆积物（Q4e+dl），分布在泥石流沟的堆积区和流通区；震旦系下统火山岩组（Za）由灰绿色安山岩、凝灰岩及安山玄武岩构成，主要分布在泥石流形成区。另外，以砂岩、泥岩为主的三叠系须家河组（T3x）也有少量分布[5]（图2）。
　　2.1地形因子
　　李泉太沟泥石流区属于中山地貌，地表遭受切割风化严重。泥石流发育区沟谷基本情况见表1，堆积区呈扇状分布，面积约032km2，相对高差660m左右；形成区长约630m，高差约460m，平均坡度30°，最大约40°；流通区长约220m，相对高差约120m，平均坡度19°，最大约29°。地势相对高陡的地区既有利于降雨汇流，又有利于松散堆积固体颗粒下滑。为了详细观察崩滑体自身的变化特征及演变规律，利用唐川提供的强震区滑坡体厚度及体积的计算公式得到研究区滑坡体的体积[6]。
　　t=1.432Ln（SL）-4.985（1）
　　V=SL・t（2）
　　式中：t为滑坡体的厚度（m）；SL为滑坡体的面积（m2）；V为滑坡体的体积（m3）。
　　通过ERDAS软件进行分析，得到在不同高程条件下滑坡面积及体积在各个区间上所占滑坡体面积的比例（表2），发现在高程为1400～1600m之间崩滑体最丰富，可以为泥石流提供充足的物源。
　　2.2坡度因子
　　根据研究区的地形地貌特征，利用Arcgis进行坡度分析，得出李泉太泥石流沟的崩滑体体在不同坡度分级区间上的分布特征，见图4及表3。
　　从表3可以看出，滑坡体在40°～60°的区间内大量分布，在李泉太泥石流沟治理工程中必须注意这个坡度段的崩滑体分布情况。
　　图3李泉太沟高程图
　　Fig.3ElevationmapofLiquantaigully
　　图4李泉太沟坡度图
　　Fig.4SlopemapofLiquantaigully
　　2.3降水因子
　　2010年8月13日14∶00开始，龙池镇开始持续降雨，8月13日16∶00左右李泉太泥石流开始形成，持续约40min。根据都江堰紫坪埔镇降雨站资料，统计出泥石流暴发当日的降雨强度和累积降雨量，见图5。暴发前的累积降雨量为572mm，8月13日17∶00达到最大小时降雨量，为75mm。
　　图5小时降雨和累积降雨
　　Fig.5Hourlyandaccumulatedprecipitation
　　根据Caine[7]和Jibson[8]的降雨持续时间和雨强关系，见表4，确定了泥石流暴发降雨阈值。
　　李泉太泥石流“8・13”最大小时降雨强度可以达75mm，远高于由Caine公式得出的1482mm和Jibson公式得出的3053mm，超过了泥石流暴发的临界阈值。降雨阈值可以为李泉太泥石流灾害提供预警依据。
　　2.4物源因子
　　李泉太泥石流距离“5・12”汶川地震的震中区直线距离大约为48km。地震形成许多滑坡体，使得大量的松散物质堆积于泥石流沟道、坡麓两侧，为李泉太泥石流的形成提供了直接物源，见图6。
　　图6沟道中的物源
　　Fig.6Thematerialsourcesinthedebrisflowgully
　　另外，在斜坡体的表面尤其是坡脚地段风化现象特别严重，风化层在汶川地震过程中的变得松动，极易沿沟道滑动。
　　震前、震后组织进行实地野外调查，发现地震前几乎没有崩滑体产生，地震后产生了大量的崩滑体，并且有很多的崩滑体随着泥石流冲入龙溪河。具体采用震前2007年9月融合后分辨率15m的TM影像和震后2010年4月分辨率25m的Spot影像进行分析研究，具体见图7。
　　图7地震后流域内物源情况
　　Fig.7Thematerialsourcesinthedebrisflowgully
　　3李泉太泥石流参数特征
　　为了分析李泉太泥石流的破坏力机理，对其静动力学参数进行了计算分析。3.1泥石流容重
　　通过对野外采集的李泉太泥石流的样本进行在实验室筛分实验，得出颗粒分布曲线，重点用来计算泥石流容重，见图8。李泉太泥石流堆积区堆积物分选性极差，沟道中最大块石的长为10m，宽为07m，高为05m，碎块石中充填有大量细粒砂土。
　　利用公式（1）[9]，计算得到李泉太沟泥石流容重为191g/cm3。
　　γD=γO+P2P050.35γV（1）
　　式中：γD为黏性泥石流容重（g/cm3）；γO为泥石流的最小容重，取15g/cm3；P2为大于2mm的粗颗粒含量，取0542；P05为小于005mm的细颗粒含量（小数表示），取006；γV为黏性泥石流最小容重，取20g/cm3。
　　根据研究经验，在不同的地方取的样品会出现不同的容重值。又根据李泉太泥石流野外的现场调研，决定将其容重修正值为20g/cm3。因此，李泉太泥石流沟属于黏性泥石流。
　　图8颗粒分布曲线
　　Fig.8Thecurveofgrainsizedistribution
　　3.2泥石流屈服应力
　　反映黏性泥石流特征的一个非常重要的参数就是泥石流的屈服应力。研究表明，泥石流容重、泥石流最大淤积厚度、淤积坡度与泥石流体屈服应力之间有着密切的关系[10]。
　　τB=γ′ghsinθ（2）
　　式中：τB为泥石流屈服应力（Pa）；γ′为泥石流相对容重，γ′=γC-γ0（kg/m3）；γC为泥石流容重，取2000kg/m3；γ0为环境容重，γ0≈0（陆面），γ0=1000kg/m3（水中）；g为重力加速度，取981m/s2；θ为坡度，取5°；h为泥石流的最大堆积厚度，取25m。
　　利用公式（2）计算得到泥石流屈服应力为4276Pa，说明李泉太泥石流的屈服应力较大，能够有效地抵抗河流对堆积区泥沙固体的冲刷。
　　3.3泥石流动力学参数
　　为了确定李泉太泥石流的洪峰断面面积，泥石流的流速、流量、冲出量等参数，在泥石流流通区选择了一个断面进行计算，结果见表5。
　　李泉太泥石流的平均运动速度采用余斌[11]提出的公式（3）进行计算，结果见表5。
　　V=1.1（gR）1/2s1/3D50D101/4（3）
　　式中：V为黏性泥石流平均运动速度（m/s）；g为重力加速度（m/s2）；R为黏性泥石流水力半径；s为黏性泥石流运动纵比降；D50为泥沙颗粒中百分比小于50%的颗粒直径，取18mm；D10泥沙颗粒中百分比小于10%的颗粒直径，取012mm。
　　利用公式（4）计算李泉太泥石流的流量，结果见表5。
　　Q=V×A（4）
　　式中：Q为李泉太泥石流的洪峰流量（m3/s）；V为李泉太泥石流平均流速（m/s）；A为李泉太泥石流洪峰断面面积（m2）。
　　利用公式（5）[12]计算洪峰流量的泥石流冲出量。
　　W=0.264×T×Q（5）
　　式中：W为泥石流冲出量（m3）；Q为李泉太泥石流洪峰流量（m3/s）；T为李泉太泥石流的持续时间，取2400s。
　　计算得到李泉太泥石流固体冲出物与野外实际调查的数据基本符合。由此可以看出李泉太泥石流具有很高的破坏力，能够冲出大量的松散固体颗粒，足以对沟口处的都汶公路及附近的居民造成严重威胁。
　　4结论与建议
　　（1）“5・12”汶川地震造成大量的崩滑体滞留在高程1400～1600m，坡度40°～60°的沟道中，直接为李泉太沟泥石流提供了丰富的物源。因此在治理李泉太泥石流时，应在敏感区范围内重点采取相应的工程措施。
　　（2）暴雨天气是诱发李泉太泥石流的另一主要因素。因此遭遇极端降雨时，要充分利用降雨雨强-持续时间关系确定的降雨阈值，对李泉太泥石流进行监测预警。
　　（3）计算结果表明，李泉太泥石流的容重较大，屈服应力较大，不仅能够摧毁公路等基础设施，还能够造成堵江等次生灾害。因此必须加强监测预警，及时提供防灾避险信息，并对已经发现的地质灾害点进行工程治理，最大限度的减少损失。
　　参考文献（References）：
　　[1]谢洪，钟敦伦，矫震，等.2008年汶川地震重灾区的泥石流[J].山地学报，2009，27（4）：501509.（XIEHong，ZHONGDunlun，JIAOZhen，etal.DebrisFlowinWenchuanQuakehitAreain2008[J].JournalofMountainScience，2009，27（4）：501509.（inChinese））
　　[2]许强.四川省8・13特大泥石流灾害特点、成因与启示[J].工程地质学报，2010，18（5）：596608.（XUQiang.The13Angust2010CatastrophicDebrisFlowsinSichuanProvince：Characteristics，GeneticMechanismandSuggestions[J].JournalofEngineeringGeology，2010，18（5）：596608.（inChinese））