乔建平，黄 栋 ，杨宗佶，孟华君

（中国科学院 地 表过程与山地灾害重点实验室，四川 成 都 6 10041；中国科学院 水 利部成都山地灾害与环境研究所，四川 成 都 6 10041）

0 引言

2008年“5.12”汶川特大地震极震区（Ⅺ度区）包括四川省的10个县市［1］，诱发了前所未有数量的崩塌滑坡［2］。自地震当年8月之后，大量滑坡崩塌转化为泥石流，又成为地震灾区更为严重的地质灾害类型［3］。国家及地方有关部门于2008年后组织专项资金开展了地震灾区大规模的地质灾害工程治理，并在一定程度上遏制了灾害的发展速度。然而，已治理的泥石流工程中大部分拦砂坝已出现满库翻坝的现象，成为失效工程。作者在项目审查和野外实地考察中发现，主要原因是地震灾区泥石流物源类型与传统的泥石流物源类型有极大的差别，无论规模和数量，还是分布方式，地震后泥石流都远远超出以往。更重要的是灾区泥石流物源启动方式也发生了明显改变，多数形成沟槽揭底冲刷溃决型泥石流。所以，采用传统统计方法获得的泥石流动储量是不能满足设计需要的。因此，作者通过对汶川地震极震区40多处泥石流静、动储量的分析，提出了泥石流动储量的统计方法和图解方法。经过对比检验，证明两种方法基本能够满足防治工程设计需要。

1 震区泥石流物源基本类型

1.1 滑坡堵沟型物源

地震瞬间触发的巨、大型滑坡是泥石流的最主要沟道型物源。大量松散堆积物将泥石流的沟源堆填，形成数十米，甚至数百米厚的沟道物源。如2010年8月13日发生汶川地震灾区的三大片区泥石流中，绵竹市清平乡文家沟特大型泥石流物源区沟道被5000×104m3的巨型滑坡所覆盖，形成超出原沟底约40～200m高的松散堆积体，原沟道几乎被填平。

汶川县红椿沟泥石流物源区沟道被350×104m3的大型滑坡体所覆盖，形成超出原沟底约30～150m高的松散堆积体，原沟道也基本被填平。这类物源的特点是滑坡规模大、堆积体的厚度厚，在降雨作用下容易形成沟槽揭底冲刷型和溃决型泥石流。

1.2 崩塌覆盖型物源

地震瞬间触发的大规模崩塌是泥石流重要沟道型物源。崩塌物的规模虽然不如上述滑坡体的规模大，但其数量比滑坡更多。有的可以沿泥石流物源区全流域覆盖。如2010年8月13日发生汶川地震灾区的三大片区泥石流中，都江堰市龙池镇碱坪沟泥石流800m长的沟道中分布了58处大小不等的崩塌，平均每15m左右就分布有1处崩塌。这类物源的特点是覆盖层虽不如滑坡的厚度大，但分布范围广，可以将原沟道普遍覆盖填高。在降雨作用下容易形成沟槽揭底冲刷型泥石流。

1.3 碎屑坡积型物源

地震瞬间触发的大规模崩坍和坍滑碎屑物是泥石流沟道坡面补偿型物源。坡面崩坍和坍滑碎屑物在地震瞬间暂时没有进入沟道，堆积在沟道较缓的上部坡面。如北川老县城西侧沟自2008年9月24日爆发泥石流后，每年都从沟道坡面上有新的碎屑物补充。这类物源的特点是有大有小，一般分布位置较高，后期在降雨作用下形成坡面泥石流，汇入沟道，不断补充主沟泥石流物源。

2 泥石流启动模式

上述的地震灾区泥石流物源类型中，包括了不参与泥石流活动的物源（静储量）及可能参与活动的物源（动储量）。由于震区泥石流物源补给方式与传统泥石流物源补给方式已经发生了很大变化，物源动储量的启动方式与传统的启动方式也必然会发生很大变化。震后的物源动储量的启动模式主要由以下两种构成。

2.1 沟谷下切侵蚀堵溃型物源

沟谷下切侵蚀堵溃型物源是震后最常见的一种泥石流动储量启动模式。由于地震后大量的松散物质堆积在沟道内，在降雨作用下，地表水汇流后形成洪水对沟床内松散堆积体产生强烈的下切侵蚀作用，并逐渐形成深切沟壑，为两岸堆积坡提供有效临空面。然后发生牵引式垮塌堵沟，最终溃决转化为泥石流。这类泥石流物源启动过程大致可分为4个阶段（图1）：下切侵蚀（A）→形成沟壑（B）→崩滑堵塞（C）→冲刷溃决（D）。如在2010年8月13日降雨作用下，绵竹市文家沟泥石流物源区滑坡堆积体上的下切侵蚀拉槽深度达到70～100m，使沟槽两岸形成大于70°的陡坡。而后堆积物产生新的坍塌堵沟，最终溃决转化为体积约600×104m3的巨型泥石流［6-7］。

汶川县红椿沟泥石流滑坡物源下切侵蚀拉槽深度达到30～50m［8］。沟谷下切侵蚀堵溃型模式为汶川地震震区最主要泥石流物源启动类型，灾区70％～80％的泥石流物源启动基本属于此类型。其形成基本条件包括：①“V”形沟谷、纵坡降大于300‰；②滑坡松散堆积物已堵填沟床；③汇水区面积大于0.1km2。

2.2 沟谷侧缘侵蚀滑坍型物源

图1 沟谷下切侵蚀溃决型泥石流物源启动模式示意图Fig.1 Star tmode of downward induced block collapse debris flow

图2 沟谷侧缘侵蚀滑坍型泥石流物源启动模式示意图Fig.2 Start mode of lateral erosion induced slide and sloughing debris flow

沟谷侧缘侵蚀滑坍型物源是震后比较多的一种泥石流动储量启动模式。由于地震后大量的松散物质堆积在沟道两岸坡脚，在降雨作用下，沟道洪水位迅速上升并侧蚀两岸堆积物坡脚，引起坍塌汇入主沟后转化为泥石流。这类泥石流物源启动模式大致可分为2个阶段（图2）：侧缘侵蚀（E）→失稳滑坍（F）。如汶川县城南沟泥石流由21处崩塌滑坡组成的超过300×104m3物源基本堆积在沟道下游段，而汇水区基本无物源分布。由于下游沟床比降171.7‰，沟床平均宽度超过30m，崩塌滑坡基本堆积在两岸坡脚处［9］。在特大暴雨条件下，洪水侧缘掏蚀堆积体的坡脚，使之失稳形成充足泥石流物源。沟谷侧缘侵蚀滑坍型模式为汶川地震震区次要泥石流物源启动类型。其形成基本条件包括：①“U”形沟谷、纵坡降小于300‰；②沟床两岸崩塌滑坡松散物堆积在现代沟床侵蚀基准面；③汇水区面积大于0.1km2。

3 震区泥石流物源统计

目前采用的泥石流静储量（总物源量）统计方法与崩塌、滑坡、沟道松散坡积物体积统计方法基本一致。但泥石流动储量（可参与泥石流活动的物源量）没有一个统一的计算标准，其中包括《泥石流灾害防治工程勘查规范》（DZ/T0220-2006）。在实际应用中泥石流动储量统计方法各异，专题研究也很少。传统的方法主要为：形态评判法、稳定性判别法、比例统计法等等［10-16］。但在汶川地震灾区泥石流工程治理中，对特殊条件下的动储量统计仍缺少理想的方法。因此导致灾区的动储量统计或多或少，使工程效果受到极大影响。作者认为地震灾区泥石流物源类型和启动条件都有其特殊性，动储量也应该按照特殊类型进行统计。

3.1 统计法

针对汶川地震灾区泥石流特殊物源条件下的动储量启动现状，采用数学统计方法建立同等条件的泥石流动储量统计模型。本文采集了灾区44处泥石流物源样本（据四川省地震灾区地质灾害详查报告（略）），分别采用流域面积、沟道长度、沟床比降、总储量与动储量进行相关性统计。假设这些样本中同时包括了沟谷下切侵蚀溃决型和沟谷侧缘侵蚀滑坍型两种启动模式的物源量，通过关系拟合得到相关性（图3）。

图3 泥石流基本要素与动储量的相关性统计图Fig.3 Correlations of debris flow primary factor and dynamic reserve

图3统计结果，流域面积与动储量基本没有相关性（图3a）。沟床平均纵坡降、主沟长度与动储量的相关性很差（图 3b、3c），如：

式中：β——沟床平均纵坡降；

L——泥石流主沟长；

V0——泥石流动储量（×104m3）。

而总物源量与动储量有一定相关性（图3d），如：

式中：V——总物源量（×104m3）。

将等量物源（V（104m3）=10，20，…，n）代入式（3），计算动储量与总储量的比例关系，即：

式中：K——动储量与总物源量比例值。

从式（4）可以获得动储量与总物源量比例相关性（图 4），即：

式中：KV0——总物源量与动储量比例。

根据式（4）可以得出泥石流总物源量与动储量的近似统计方法，如：总物源量小于50×104m3时，动储量可占15％的比例；总物源量达到 100×104m3时，动储量可占30％的比例；总物源量达到200×104m3时，动储量可占37％的比例。之后的动储量比例发展缓慢，基本保持在40％以下。

图4 总物源量与动储量比例关系图Fig.4 Proportional relation of dynamic reserve and the total amount of material source

3.2 图解法

根据前述泥石流动储量的启动模式，也可采用几何图形解析方法，建立近似的泥石流动储量统计模型。

3.2.1 下切侵蚀型泥石流动储量

假设“V”形谷沟床堆积体在洪水下切作用下，从C点开始到O点将逐渐形成沟壑形成泥石流物源，其中直角三角形Δcod是泥石流动储量的最大可能物源区（图5）。该区的面积为：

式中：θ——斜坡自然休止角；

co=h——原沟床深度。

动储量体积为：

式中：V01——下切侵蚀型动储量；

L1——沟床堆积体长度。

图5 下切侵蚀型和侧缘侵蚀型泥石流统计模型Fig.5 Statistic model of downward and lateral erosion induced material

3.2.2 侧缘侵蚀型泥石流动储量

假设“U”形谷坡面堆积体在洪水侵蚀洪水侧蚀作用下，从c2点到d点将逐渐坍塌形成泥石流物源，其中任意三角形Δc2od是泥石流动储量的最大可能物源区。该区的面积为：

式中：θ——斜坡自然休止角；

α——实测堆积坡角；

φ——崩积体与自然休止角夹角；

c2o=l——实测坡面长度。

动储量体积为：

式中：V02——侧缘侵蚀型动储量；

L2——沟道堆积体长度。

3.2.3 全流域泥石流动储量

在实际应用中，可以将泥石流形成区物源勘查结果，按图解法分别对不同类型物源体先进行逐一单体动储量统计，然后迭加获得全流域泥石流总动储量：

式中：V0——全流域泥石流动储量。

4 结论

（1）汶川地震灾区在地震瞬间形成了大量的滑坡崩塌松散物质，在后期降雨条件下都不同程度地参与泥石流活动。与非地震灾区泥石流的物源相比数量多、规模大、分布范围广，已成为地震灾区最严重地质灾害。这些物源主要分为滑坡堵沟型、崩塌覆盖型、碎屑坡积型三类。

（2）灾区泥石流物源在洪水侵蚀作用下，以沟谷下切侵蚀堵溃和沟谷侧缘侵蚀滑坍方式启动，形成两种破坏地质模式。

（3）参与泥石流活动的物源量可以根据不同的启动模式进行统计计算。一种为泥石流动储量数学统计方法，另一种为图解法。前者在对地震灾区泥石流总物源量与动储量相关性统计的基础上，建立统计数学模型，从而估计参与泥石流活动的物源量。后者是根据泥石流物源启动的地质模式，分别统计不同物源的动储量。

（4）文中介绍的方法仅仅是对泥石流动储量的近似解，在没有统计规范的前提下可以进行估算。但前提必须是具有泥石流野外勘查成果资料。

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