汶川地震区文家沟泥石流成因模式分析

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2010 年 7 月下旬,文家沟泥石流初次治理工程 基本完成。工程单元包括高程 1243 ~ 1095m 区段 的 19 座谷坊坝,1095 ~ 1075m 区段的护坡导流堤和 6 座潜坝,1075 ~ 985m 区段的护坡挡墙及 35 座潜 坝,沟口 942m 高程处 215m 长 8m 高的停淤场拦挡 坝,高程 940 ~ 913m 区段沟坡护坡挡墙及 12 座潜 坝和进入绵远河的 255m 长排洪沟。
1 文家沟流域地质环境
汶川“5·12”MS8. 0 级地震在四川绵竹清平乡
文家沟上游韩家大坪引发泥盆纪观雾山组中厚层石 灰岩顺层大滑坡,滑坡体积约 4450 × 104 m3 ,滑坡碎 屑填满了文家沟主沟段,并造成 48 人遇难( 黄河清 等,2010) 。文家沟流域地处汶川地震 Ⅹ—Ⅺ 烈度
区 内 ( 黄 河 清 等,2010; 许 冲 等,2010; 王 涛 等, 2010) 。滑 坡 后 缘 沿 顶 子 崖 南 侧 分 布,顶 点 高 程 2250m。滑体剪出部位高程 1630m,与谷底( 沟脑) 相对 高 差 约 435m。 文 家 沟 汇 入 绵 远 河 处 高 程 890m。沟口 与 滑 坡 源 区 顶 端 相 对 高 差 约 1360m。 滑坡碎屑流填充覆盖文家沟沟道长度达 3. 6km。据 调查,文家沟流域在“5 ·12 ”地 震 前 斜 坡 稳 定,生 态 环境良好,无泥石流发生历史。
“8·13”泥石流后,8 月 19 日、9 月 16 日、9 月 18 日文家沟又先后发生泥石流,其中情况比较清楚 的是“9·18”泥石流。2010 年 9 月 18 日 10: 05 ~ 11: 40 的泥石流主要表现为冲刷“8 ·13”泥石流形 成的冲沟,掏蚀左岸沟坡产生滑塌进一步增加物源 量,冲出固体物质约 9 × 104 m3。“9 ·18”泥石流过 程降雨量 52. 0mm,30 分钟最大降雨强度 18. 5mm,5 分钟最大降雨强度 12. 5mm。 2. 3 二次实施防治工程及其效果检验
为了避免类似 2010 年“8 ·13”泥石流灾害的 再次发生,2011 年实施的文家沟泥石流二次防治工 程采用了“水 砂 分 离、固 底 护 坡、拦 阻 停 淤 ”的 综 合 防治理念。“水砂分治”即把上游 1300m 平台以上 流域的汇水采用引水隧洞分流到一号支沟,使其不 进入滑坡堆积体; “固底护坡”即在中游新冲沟段采 用分层回填和钢筋石笼固底护坡,使其能够抗冲蚀 而不提供固体物质; “拦阻停淤”即在下游至沟口段 设置拦挡工程使可能冲出的固体物停积下来。
2. 4 文家沟泥石流冲出松散固体物的体积问题 文家沟多期泥石流事件冲出松散固体物的体积
是一个尚未解决的重要问题,仅仅是 2010 年“8 · 13”事件冲出的松散固体物就有两个差别较大的提 法: 一说 450 × 104 m3 ( 许强,2010) ,另一说 310 × 104 m3 ( 余斌等,2010; 倪化勇等,2011) 。这个问题不仅 涉及对灾害事件规模的认定,同时也是防治工程方 案论证无法回避的问题,因为工程量的巨大差别也 就涉及工程投资的可接受程度。
2008 年汶川“5 ·12”地震以来,文家沟共发生 8 次泥石流,分别是 2008 年 6 月 21 日、7 月 25 日、9 月 24 日、2010 年 7 月 31 日、8 月 13 日、8 月 19 日、9
注: 本文为国家地质调查计划研究项目( 编号 1212011220125) 的成果。 收稿日期: 2011-11-18; 改回日期: 2012-03-22; 责任编辑: 章雨旭。 作者简介: 刘传正,男,1961 年生。博士,研究员,国土资源部地质灾害应急指导中心副主任。主要从事灾害地质、工程地质与环境地质等 研究。通讯地址: 100081,北京市海淀区大慧寺路 20 号; 电话: 010 - 62175999。Email: liucz@ mail. cigem. gov. cn。
原沟谷右侧形成深度在 5 ~ 20m 的沟槽,并将大量 松散物携带至沟口地带堆积,但未冲出山口形成明 显灾害。9 月 22 ~ 24 日再次降雨导致新冲沟刷深, 泥石流冲出山口将绵远河部分主河道掩埋淤塞,并 损毁沿途的土地、道路。“9 ·24”泥石流的过程降 雨量为 88mm,10min 最大雨强为 11. 5mm。 2. 2 初次治理工程及其破坏阶段
第58 卷 第4 期 2012 年7 月
地质论评
GEOLOGICAL REBiblioteka BaiduIEW
Vol. 58 No. 4 July 2 0 1 2
汶川地震区文家沟泥石流成因模式分析
刘传正1,2)
1) 国土资源部地质灾害应急指导中心,北京,100081; 2) 中国地质环境监测院,北京,100081
内容提要: 文家沟 2008 ~ 2010 年期间 8 次泥石流事件是在地震滑坡堆积体上因持续强降雨渗透变形溃决和后 续侵蚀产生的,不同于一般的沟谷型和坡面型泥石流。文家沟滑坡堆积体上新生的泥石流沟共冲出松散固体物质 总体积约 180 × 104 m3 ,2010 年的“8·13”泥石流事件是其中规模最大的一次,冲出的松散固体物质体积约在 115 × 104 m3 。文家沟泥石流的成因模式是,强降雨过程在滑坡堆积体上先期出现“渗流管涌、暂态壅水、溃决滑塌”的造沟 作用模式,后期出现“溯源侵蚀、冲刷刨蚀、侧蚀坍塌、混合奔流( 搅拌机) ”的扩沟作用模式。2008 年的“6 ·21”和 2010 年的“7·31”泥石流事件主要起因于前者,其他事件主要起因于后者。松散堆积体因排泄持续降雨入渗的能力 不足而造成地下水滞留和水位升高是导致斜坡体稳定性降低的内在原因。当地下水壅高水位面达到水平时,堆积 体内渗透动水压力达到最大,堆积斜坡的稳定性最低,成为堆积体表层发生滑塌溃决的临界条件。
第4 期
刘传正: 汶川地震区文家沟泥石流成因模式分析
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2010 年 8 月 12 日 18 时至 13 日 4 时,四川绵竹 市清平乡再次出现强降雨。12 日 19 时至 22 时,雨 量较小。22: 30 至 13 日 1: 30 时为持续暴雨。12 日 23: 45 时清平乡绵远河流域的文家沟开始暴发泥石 流,至 13 日凌晨 1 时规模最大,13 日 4 时基本结 束,持续时间约 4h。此次泥石流基本损毁已建成的 初次防治工程。泥石流冲入绵远河后,造成河上老 大桥堵塞,清平乡场镇的学校、加油站、安置房淹没, 盐井村 6 人死亡失踪,1500 多人接警撤离。泥石流 固体物主要源于 1300m 平台以下新生冲沟两侧滑 坡堆积体,并造成冲沟扩大加深。“8 ·13”泥石流 后的沟床扩宽至 10 ~ 20m,沟岸高度 40 ~ 70m,沟坡 平 均 坡 度 48°。 冲 沟 长 度 1150m,前 后 缘 高 差 291. 5m,坡降 256. 8‰。“8·13”泥石流过程降雨量 为 227. 5mm,最大降雨强度 70mm / h。
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地质论评
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月 16 日和 9 月 18 日。引发泥石流的过程降雨量多 在 50mm 以上,10min 降雨强度大于 10mm。2010 年 8 月 13 日降雨强度最大,历时最长,泥石流规模也 最大。泥石流规模与降雨量基本成正相关关系。
现场调查发现,引发 8 次泥石流活动的汇水主 要来自主沟沟系,涉及流域面积约 5. 6km2 。1300m 高程平台( 1270 ~ 1390m 高程段) 以上区域主要是 汇聚地表水,各支沟山洪携带的固体物基本停积在 1300m 平台之上,未进入中下游参与泥石流活动。8 次泥石流的物源主要是文家沟主沟段( 1300 ~ 960m 高程区段) 的滑坡堆积物,山洪泥石流冲刷作用在 滑坡松散堆积体右侧形成“V”字型冲沟,主体方向 向西。960m 高程以下区域地势平缓,成为泥石流固 体物停积区( 图 1) 。因此,“V”型冲沟是文家沟 8 次泥石流作用遗留的产物,主沟段既是物源区,又是 流通区。文家沟泥石流的物源区和流通区处于同一 空间区域,明显不同于通常意义上的沟谷型泥石流 ( 刘传正等,2011) 。
图 1 绵远河流域文家沟泥石流汇水区、冲沟物源区和堆积河道区域航空影像 Fig. 1 The aerial image of catchment area,soil and stone resource area and depositing area
in the Mianyuan river of Wenjiagou debris flows
2 文家沟泥石流活动特点
2. 1 初次治理工程实施前阶段 初次治理工程实施前曾经发生 3 次泥石流活
动,这些活动对滑坡堆积体表层的破坏和泥石流活 动的启动具有重要意义。2008 年 6 月 18 ~ 21 日、7 月 24 ~ 25 日因绵竹地区普降暴雨引发文家沟 2 次 泥石流活动,1300m 平台以下堆积体被携带冲出,沿
文家沟泥石流综合防治工程于 2011 年 5 月底 竣工。治理工程单元包括上游的谷坊坝、集水池和 导水隧洞,中游的排导槽、钢筋石笼和下游的拦挡坝 等。2011 年入汛以来,文家沟流域连续经历了“5· 9”、“6·16”、“6·30”三次暴雨天气过程。在 6 月 30 日至 7 月 4 日,清平场镇过程降雨量达 247mm, 文家沟一带过程降雨量最大达 387. 5mm,10 分钟最 大降雨强度 10. 5mm。强降雨在文家沟上游形成的 山洪通过引水隧洞顺利下泄,使其未能进入 1300m 平台以下的滑坡碎屑流堆积区。
2010 年 7 月 31 日 3 ~ 6 时,绵竹市清平乡一带 强降雨引发文家沟堆积体斜坡发生滑塌和泥石流, 造成基本 竣 工 的 大 量 谷 坊 坝 的 库 容 很 快 被 淤 满,9 座谷坊坝被破坏( 主要为坝肩土体被流水冲刷掏蚀 后逐渐冲毁谷坊坝、个别谷坊坝被直接冲毁,最后仅 冲沟右侧残留部分坝体) 。“7 ·31”泥石流发生后 期,坝基及坝肩在流水掏蚀下切作用下沉陷破坏,泥 石流冲击作用使谷坊坝群发生串珠状破坏及整体溃 决,并发出巨大闷响声。“7 ·31”泥石流固体物主 要堆积在停淤场内,未冲出文家沟口。“7 ·31”泥 石流的过程降雨量为 60. 2mm,降雨历时约 3h,最大 降雨强度为 51. 7mm / h。
文家沟位于绵远河左岸,平面形态呈口袋型,腹 大口小。文家沟流域面积 7. 81km2 ,主要由一条主 沟和一、二号支沟组成,主沟源头发育多条小冲沟。 文家沟主沟沟口海拔高程 910m,韩家大坪以上分水 岭高程 2400m,相对高差 1490m,总长 4. 9km。一号 支沟位于主沟右岸,长 3. 18km,汇水面积 1. 65km2 , 并与主沟在接近出山口处相交。二号支沟位于主沟 左 岸,在 主 沟 1300m 高 程 处 汇 入,汇 水 面 积 0. 57km2 。1390m 高程至沟口走向近东西,原沟床被 滑坡堆积物填满,降雨时坡面呈漫流。二号支沟的 汇流也被阻于此区域南侧,并形成水塘。
关键词: 文家沟泥石流; 渗流作用; 溃决滑塌; 造沟作用模式; 溯源侵蚀; 扩沟作用模式
2010 年 8 月 13 日,四川省绵竹市清平乡暴雨 引发文家沟特大泥石流灾害,共造成 5 人死亡、1 人 失踪,冲毁掩埋房屋 400 余间、公路 1000 余米,损毁 桥梁 2 座,初次治理工程的谷坊坝群基本损毁,绵竹 至茂县的公路全面中断。文家沟“8 ·13 ”泥石流灾 害事件引起中国各级政府和社会各界的高度关注, 学术界对文家沟“8 ·13”特大泥石流灾害的特点、 地质环境和形成原因也多有研究。2011 年 5 月,二 次治理工程基本竣工,并在 2011 年汛期发挥重大防 灾减灾作用。回顾 2010 年“8·13”事件以后,笔者 多次赴现场考察、应邀参与二次防治工程方案比选 论证,深感 仍 有 一 些 关 键 科 学 问 题,如 泥 石 流 的 规 模、序次、成因模式和渗流作用过程等值得深入分析 研讨,以便为强烈地震区滑坡泥石流灾害的防治提 供借鉴。
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