杜红宇，雷镇宇，王启元

科氏力对汶川地震堰塞体形成的影响

杜红宇，雷镇宇，王启元

（四川农业大学水利水电学院，四川 雅安 625014）

针对在野外调查过程中发现汶川地震区各流域右岸发生滑坡形成堰塞体的比例普遍高于左岸，河谷坡度明显右岸大于左岸的现象，经提取研究区滑坡前河谷断面的有关基础数据，计算出河谷坡度和不对称系数等河谷特征指标，发现研究区近七成河谷右岸坡度大于左岸，“左倾型”河谷的占比超过半数，这与科氏力在北半球对运动质点的作用结果一致，得出科氏力与汶川地震堰塞体形成有一定的相关性。

汶川地震；科氏力；堰塞体

现有研究对堰塞体成因的研究大多数集中于最主要的影响因素，如地震烈度，降雨，地质条件，构造作用等，而讨论堰塞体的成因与两岸山体地形地貌的差异性相关的较少。

目前，庄梅英和阮在勤（1995）研究了科氏力对河道演变的影响，得到了科氏力对河流冲刷的累积作用；周振冬研究了河流冲刷作用与科氏力的关系，科氏力对形成三角洲、海底扇产状和形态的影响（周振冬，1985）。除了研究科氏力对地形地貌的影响，专家在其他方面也有所突破，从虚位移原理方面研究了科氏力对质点系的作用力大小，得到了流体受到科氏力作用会发生形态的变化（金明德，1988）；王志刚等研究了科氏力对导弹弹着点偏差计算，在北半球发射导弹，因受科氏力的作用，导弹总是沿前进方向的右侧发生偏差（王志刚等，2001）。总体上，科氏力对河道演变方面的研究较多，将科氏力与堰塞体形成原因联系在一起的很少。

堰塞体是震后次生灾害威胁性最大的部分，堰塞体形成后会对下游造成极大的威胁，随着堰塞湖的水位不断增高，堰塞湖溃决的可能性也不断增高，溃决的危害不亚于地震滑坡带来的直接危害（周志东等，2019），所以研究堰塞体的形成原因相当必要。本文将定性定量分析汶川地震区河谷断面形态，从而探讨科氏力与地震堰塞体形成的相关性，可对以后工程实践如河道整治、河岸加固、通航和防洪抗灾等具有一定的指导意义。

1 科氏力简介

科氏力，全称科里奥利力，是由法国数学家Coriolis提出的，他指出在非惯性参考系下，运动的物体会受到科氏力的作用，从而改变运动的方向。

图1 汶川地震堰塞湖的分布图

某一质点科氏力的方程为：

科氏力是一个长久作用力，具有累积效应，在河道演变中，科氏力具有举足轻重作用，例如北半球河流在流经地面时，受到科氏力影响改变水位高程，形成右高左低，导致冲刷河岸左右岸的程度不同；在北半球，自西向东方向的河流，其入海口左右岸泥沙淤积程度不同以及入海方向逐渐偏向赤道；受科氏力影响，河流右岸的水流产生挤压，在累积效应下河流弯曲形成蜿蜒形流向，对河道弯曲有着重要影响（殷瑞兰，2002）。

2 汶川地震堰塞体概况

汶川地震触发了大量的滑坡阻塞河道形成堰塞体，存留时间14天以上的堰塞湖 256处（崔鹏等，2009）。众多堰塞湖的险情不尽相同，根据滑坡体岩性、堵塞河道规模、蓄水量和上游集水面积等因子，将35个滑坡堰塞湖按险情等级划分为5类，即溃堰型险情、高危险情、次高危险情、一般险情和无险情等。其中，溃堰型险情1处即唐家山堰塞湖；高危险情5处，即苦竹坝下游、肖家桥、南坝、黑洞崖和石板沟（潘世兵，2009）。其中唐家山、肖家桥、南坝、黑洞崖和石板沟等堰塞体，均是右侧山体垮塌，形成左岸低、右岸高的堰塞体。由汶川地震堰塞湖分布图可知，汶川地震区形成的堰塞体并非左右岸分布均等。

表1 左/右岸发生滑坡的堰塞体数量

3 河道两岸坡度差异现象

经过对汶川地震中形成的堰塞体的统计，以及对每座堰塞体分布进行了准确地记录，得出了左岸发生滑坡形成的堰塞体数量占比42.2%，右岸发生滑坡形成的堰塞体数量占比57.8%，滑坡发生在右岸的概率明显大于左岸。按四川流域分布于右岸滑坡统计，沱江流域占63.5%，嘉陵江流域占58.1%，岷江流域占54.7%，湔江流域占54.3%。各流域右岸发生滑坡在54%～64%。由此，推测堰塞体滑坡与左右岸分布有关。

通过对石板沟堰塞体、南坝堰塞体等处的河道实地考察，发现在河流左右蜿蜒数目相等的基础上，河道左右岸坡度并未呈现一致性，右岸坡度多数大于左岸坡度，多数堰塞体是由于右侧山体滑坡形成。例如石板沟堰塞体，左岸山体坡度约为45°，右岸山体坡度约为55°，且滑坡发生在右岸；南坝堰塞体，左岸山体坡度约55°，右岸山体坡度约69°，滑坡发生在右岸。为了验证考察结论的准确性和普遍性，即汶川地震堰塞体滑坡发生在右岸数量大于左岸，与河道左右岸坡度有一定相关性。团队对记录的两百余个堰塞体所在的河道，滑坡前的两岸坡度分流域进行提取，如图2，图3，图4。

图2 沱江流域左右岸坡度差（右岸坡度减左岸坡度）柱状图

图3 嘉陵江流域左右岸坡度差（右岸坡度减左岸坡度）柱状图

上述表格中采用右岸坡度与左岸坡度差值为统计数据，纵坐标为正值，则表明右岸坡度大于左岸坡度。经统计，沱江流域纵坐标为正值的数据点为62个，占总数的66.7%，嘉陵江流域纵坐标为正值的数据点为49个，占总数的64.5%，岷江流域纵坐标为正值的数据点为35个，占总数的60.3%。纵观三个流域，右岸坡度大于左岸坡度的河谷占比为64.3%。由此可见，汶川地震堰塞体滑坡发生在右岸的数量大于滑坡发生在左岸的数量，且与河道左右岸坡度有一定相关性，这一结论具有准确性和一定的普遍性，且此现象在科氏力及其对河道演变的影响（庄梅英和阮在勤，1995）中也被研究过，在北半球科氏力造成河流对河道右岸冲刷更严重，导致右岸坡度普遍大于左岸。

在众多的堰塞体中，马槽滩堰塞体最为典型，该堰塞体处于石亭江上游的直道段，被评定为中危性质。该堰塞体由左右岸山体滑坡和右岸崩塌形成，以右岸山体滑塌为主，堆积体右岸高，左岸低，由右岸向左岸缓降，右岸有一浅小V形缺口（王淑建，2010）。截取该堰塞体的横断面，并对两岸坡度进行提取，如图5，左岸坡度约为43°，右岸坡度约为58°，左右岸坡度比约1∶1.35，马槽滩河谷岸坡右岸明显大于左岸，且右岸发生滑坡崩塌。诸如此类的堰塞体均验证了汶川地震堰塞体滑坡发生在右岸的数量大于滑坡发生在左岸的数量，且与河道左右岸坡度有一定相关性。

图4 岷江流域左右岸坡度差（右岸坡度减左岸坡度）柱状图

图5 马槽滩堰塞湖剖面图

4 科氏力与汶川地震堰塞体形成的相关性

河道边坡坡度差异将会导致两岸山体稳定不同，在地震的强有力作用下，不稳定山体将滑坡或崩塌，堵塞河道形成堰塞湖。如果河道边坡仅仅受到诸如地形地貌、地质构造、构造运动、岩性、地下水活动或降雨等因素的影响，由于这些因素对河谷两岸来说都是随机的，不会造成河谷左右岸倾斜度有明显差别，那么河流两岸坡角应当大致相等，但通过对岷江上游（汶川-都江堰）、涪江（平武-江油）嘉陵江上游等地的考察，发现河道边坡坡度呈现明显的差异性，河谷右岸坡度多数大于左岸坡度。

图 6 河谷横断面简图

为了进一步定量分析河谷断面形态，本文引入横断面不对称系数（S）：A.J.Milne用该系数描述河流的横断面形态（Milne, J. A，1979），本文引申该概念来描述河谷横断面形态，面向河谷下游截取未发生滑坡前的河谷横断面，以坡高相对较低的山脊为顶点做水平线，从河谷最低点向水平线作垂线，其交点的左右两侧线段长度之比则为横断面不对称系数S=L1/L2，若S=1，则定义为“对称型”河谷，若S>1则定义为“左倾型”河谷（左岸缓，右岸陡峭），反之则定义为“右倾型”河谷。统计汶川地震区流域的河谷不对称系数S值（表2），并作出散点图（图7）。

从表二中可以看出，各流域中“左倾型”河谷，则S >1的比例达60%左右；在总量上，“左倾型”河谷所占比例为61.6%，其中湔江流域 S最大值为7.027，该处河谷断面呈现近L状，形成此断面最主要的原因是特殊地质构造，最值不能反映数据的全面性，平均值则能反映数据的整体情况。纵观各流域，不平均系数S的均值高达1.26，若河谷边坡仅受地形地貌、地质构造、岩性、地下水活动或降雨等因素的影响，上述因素对河道左右岸作用应大致相同，那么各流域河谷应近似“对称型”河谷，即S=1，经过数据统计，各流域S平均值处于1.25左右，显然多数河谷呈现左倾型河谷，即河谷右岸坡度较左岸坡度更陡峭。左右岸坡角显示出明显的差异性，证明出河谷边坡除了受以上因素的影响，导致其存在差异性还另有原因。

表2 汶川地震区流域的横断面S值统计

基于上述结论，我们建立起科氏力和河谷不对称系数的联系，河谷边坡坡度与科氏力的长期作用的结果具有相同的规律性，由于科氏力在北半球对运动物体会产生向右偏转的微小力，经过长时间的累积，科氏力对河流的作用不可小觑。在北半球河流对右岸冲刷比左岸更严重，61.6%的河谷为“左倾型”，右岸边坡相对左岸更加陡峭，汶川地震区的堰塞体更易于右岸滑坡形成，由此可证明科氏力与汶川地震堰塞体的形成有一定的相关性。这一规律在北半球都是一致的，刘新利通过收集数据和科学计算研究了北半球河流对右岸冲刷比左岸更严重这一现象（刘新利，1997）。宋向阳通过数据统计分析研究了科里奥利力对城市与河流关系的影响（宋向阳，2016）指出科里奥利力加重了北半球河流右岸的冲刷，使河流右岸比较陡峭，由于水深岸陡，易建设港口，便利交通，所以北半球城市多分布于江河右岸。

图7 S值散点图

5 结论

通过对汶川地震区的河谷断面形态特征进行定性定量研究，各流域形成的堰塞体位于右岸的占比处于54%～64%之间，各流域河谷右岸坡度大于左岸坡度的河谷占比为64.3%，“左倾型”河谷占比61.6%，提出由科氏力对河流长期的累积作用，在分析堰塞体形成的原因，建议在制定河道边坡防护方案，将科氏力作用考虑在内，加强防护，防止堰塞体形成。

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Influence of Coriolis Force on the Formation of Barrier Body from the Wenchuan Earthquake

DU Hong-yu LEI Zhen-yu WANG Qi-yuan

(College of Water Resources and Hydropower, Sichuan Agricultural University)

Geological survey indicates that the proportion of landslide in the right bank of rivers in the Wenchuan earthquake-stricken area is higher than that in the left bank. The calculation shows that the slope on the right bank of rivers of the Wenchuan earthquake-stricken area is larger than that on the left bank. It is consistent with the effect of Coriolis force on moving particles in the northern hemisphere which indicates that there is a certain correlation between the Coriolis force and the formation of the barrier body from the Wenchuan earthquake.

Wenchuan earthquake; Coriolis force; barrier body

P642.2

A

1006-0995（2021）03-0453-04

10.3969/j.issn.1006-0995.2021.03.020

2020-09-16

杜红宇（1998—），女，四川成都人，本科，水利水电工程专业