川西山区低频泥石流形成条件分析--以九寨沟县香扎沟泥石流为例.pdf

第32 卷第3期2023年6 月文章编号：16 7 1-1947(2 0 2 3)0 3-0 36 0-0 7D0I:10.13686/ki.dzyzy.2023.03.013地质与资源GEOLOGYANDRESOURCES中图分类号：P642.2文献标志码：AVol.32No.3Jun.2023开放科学标志码（OSID）：川西山区低频泥石流形成条件分析以九寨沟县香扎沟泥石流为例王毅1,智晶子2,卢鹏飞31.核工业西南勘察设计研究院，四川成都6 10 0 0 0；2.四川水利职业技术学院，四川成都6 112 31；3.重庆市地质环境监测总站，重庆40 0 0 15摘要：近年来川西山区屡次暴发低频泥石流灾害，造成大量生命财产损失，危害性较大.通过对九寨沟县香扎沟泥石流进行深入调查、访问，分析了沟域地形地貌特征以及泥石流物质组成和暴发特征，揭示了泥石流的物质大多源于沟床启动，且与早年林木采伐、木材腐朽密切相关.另外，集中强降雨及陡峻的地形也是泥石流形成的有利条件.通过对比中、高频泥石流，提出低频泥石流具有隐蔽性、突发性、危害大的特点.川西山区有过采伐史且具备相应地形条件的沟域，应作为低频泥石流灾害的重点调查研究和防治对象.关键词：低频泥石流；地质灾害；林木腐朽；降雨；九寨沟；四川省FORMATION CONDITIONS OF LOW FREQUENCY DEBRIS FLOW INWESTERN SICHUAN MOUNTAINOUS AREA:A Case Study of Xiangzhagou Debris Flow in Jiuzhaigou CountyWANG Yil,ZHI Jing-zi?,LU Peng-fei31.Nuclear Industry Southwest Geotechnical Inwestigation and Design Institute Co.,Ltd.,Chengdu 610000,China;2.Sichuan Water ConservancyVocational College,Chengdu 611231,China;3.Chongqing Geological Environment Monitoring Station,Chongqing 400015,ChinaAbstract:In recent years,low-frequency debris flow disasters often occurred in western Sichuan mountainous area,causing massive loss of life and property with great harm.Through the in-depth investigation and visit to Xiangzhagoudebris in Jiuzhaigou County,the authors analyze the topographic and geomorphic features of gully area,as well asmaterial compositions and outbreak characteristics of debris flow.It is concluded that the materials of debris flow aremostly initiated from gully bed and closely related to forest cutting and wood decay in early years.Besides,concentratedheavy rainfall and steep terrain also contribute to the formation of debris flow.Comparing with the medium-and high-frequency debris flows,the low-frequency debris flow has the characteristics of being hidden,sudden and dangerous.The gully areas with a logging history and corresponding topographic conditions in western Sichuan mountainous areashould be the focus of investigation and prevention of low-frequency debris flow disasters.Key words:low-frequency debris flow;geological disaster;wood decay;rainfall;Jiuzhaigou Valley;Sichuan Province0引言低频泥石流主要是指暴发频率2 0 50 a/次的泥石收稿日期：2 0 2 2-0 3-2 9；修回日期：2 0 2 2-0 5-0 9.编辑：张哲.基金项目：四川省九寨沟国家级自然保护区管理局项目“九寨沟景区8 9处地质灾害隐患点治理工程（PF20180201012).作者简介：王毅（198 5一），男，硕士，高级工程师，主要从事岩土工程、地质灾害防治工程勘察设计工作，通信地址四川省成都市成华区华冠路35号，E-mail/流.与中、高频泥石流相比，低频泥石流更容易造成灾害，破坏力更强近年来川西山区低频泥石流屡有发第3期生.如四川省小金县高碉沟植被茂密，水质清澈，曾作为小金县城水源地，近百年来未暴发过泥石流，但在2011年7 月却暴发了较大规模的泥石流，一次泥石流过流总量3.7 6 x104m，毁坏果树约6 0 0 0 株，耕地约6.7hm,并造成沟道堵塞1.宝兴县冷木沟也是近百年未暴发过泥石流，但在2 0 12 年8 月18 日暴发了一次泥石流2 ,固体物质总量达19 10 4m,对宝兴河造成一定程度的堵塞，造成人员伤亡和财产损失3.九寨沟县香扎沟森林覆盖率达90%，除在197 1年暴发过小型泥石流外，其余时间未见泥石流记载但在2013年8 月6 日午夜，该沟暴发大规模泥石流，持续时间约6 0 min，冲出固体物质2.5x104m,冲毁便桥12座，受损房屋达30 多间，造成巨大经济损失.本文通过对香扎沟泥石流进行调查分析，试图对川西山区低频泥石流的特征及形成条件进行探究，为今后此类泥石流的防治和研究工作提供借鉴。王毅等：川西山区低频泥石流形成条件分析3611研究区概况及泥石流灾害香扎沟位于四川省九寨沟县大录乡境内，地处黑河右岸，为黑河一级支流，共分8 条支沟.沟口与流域图1香扎沟流域简图最高点相对高差19 6 3m，流域面积36.3km.主沟长Fig.1 Sketch map of Xiangzhagou valley约9.95km，平均沟床纵比降198%o.两岸坡角一般1一沟床堆积物源（gullybeddeposit)；2 一泥石流堆积物（debrisflow3040（图1）.植被以乔木、灌丛为主，覆盖率在9 0%deposit)；3一泥石流形成流通区（formation and transit area of debris以上.该区位于秦岭东西向构造带南缘，松潘-甘孜褶flow）；4一泥石流威胁区域（debris flowthreatenarea)；5采伐区下边皱系东侧，南与龙门山北东向构造带相邻,地质构造界（lowerboundaryof loging area）；6 一草场与乔木界线（boundary复杂.流域内主要出露三叠系中统扎尕山组（Tzg)变between grassland and trees)；7 一流域边界(boundary of river basin);质砂岩、钙质板岩、角砾状灰岩，第四系残坡积层（Q h d+l）、崩坡积层（Qhaclal）、坡洪积层（Qhil）4 香扎沟及部分支沟长年都有地表水自南向北径流，调查期间沟道宽约10 m,水深约1m,最终汇人黑河,与之呈锐角相交.2 0 世纪6 0 90 年代，香扎沟流域内大量伐木，沟上游海拔350 0 m以下的高大树木被砍伐，部分枯枝、残根堆积于沟内目前已停止了大规模采伐，人类工程活动主要为放牧和居民自建房屋，植被也基本得到恢复.香扎沟曾于197 1年在一条支沟内暴发过小型泥石流，但因时间久远，且无目击者，已难以考究其暴发时的过程.该沟此后40 年内再无泥石流暴发的记录.2013年8 月6 日晚9 时30 分左右，整个香扎沟流域核工业西南勘察设计研究院.九寨沟县大录乡香扎沟泥石流治理工程勘查报告.2 0 14.8一沟谷(gully)内开始强降雨，时间一直持续到7 日凌晨，累计降雨量超过9 0 mm，为该流域近10 0 年以来最大的一次强降雨，终于引发该区域有记录以来最大一次泥石流灾害.2香扎沟泥石流的基本特征2.1流域地形地貌特征香扎沟流域属构造剥蚀的高山地貌，地势南高北低,形态上呈树叶形，主要发育8 条支沟（N1一N8）,地形地貌特征见表1.上游支沟沟道弯曲、狭窄，沟床纵比降较大，沟道平均纵比降达30 0%o500%o，沟谷两岸地形基本对称,以“V字形沟谷为主,坡度一般为30 50，局部接近直立，岸坡植被茂盛（海拔350 0 m以上362编号位于主沟左岸，距主沟沟口约450 m，沟长约2.44km，纵比降352%o；左岸坡度45 6 0，局部近直立，基岩出露，为变质砂岩、板岩；右岸坡度N13550，崩坡堆积层由含粉质黏土碎块石组成；沟内常年有水，流量0.0 2 5m/s，在降雨时也为清水，沟床及岸坡植被茂密，植被覆盖率 8 0%位于主沟下游鸟饶附近，主沟左岸，沟长约2.0 km，纵比降515%o;左岸坡度30 45，崩坡堆积层由含粉质黏土碎块石组成，未见明显的裂缝N2及滑坡、崩塌，整体稳定性较好；右岸坡度35 50，为崩坡堆积层，主要由含粉质黏土碎块石组成，整体稳定性较好；沟内常年有水，流量0.008m/s，洪水时颜色略深，沟床及岸坡植被茂密，植被覆盖率 90%位于主沟下游香扎村2 组居民房附近，源头位于曹结卡，主沟左岸，沟长约3.6 4km，纵比降38 5%o，两岸坡度40 55；崩坡堆积层由含粉质黏N3土碎块石组成，未见明显的裂缝及滑坡、崩塌，整体稳定性较好；沟内常年有水，流量0.3m/s，洪水时颜色略深，沟床及岸坡植被茂密，植被覆盖率 8 0%；近年来沟床下切较深，约0.5 1m，切深处土体裸露，沟床见伐木残留的枯树枝等位于主沟下游香扎村2 组居民房附近，主沟右岸，沟长约1.58 km，纵比降32 3%o，两岸坡度40 55；崩坡堆积层由含粉质黏土碎块石组成，未N4见明显的裂缝及滑坡、崩塌，整体稳定性较好；沟内常年有水，流量0.2 m/s，洪水时颜色略深，沟床及岸坡植被茂密，植被覆盖率 90%，沟床见枯树枝位于香扎村3组居民房上游，主沟右岸，沟长约2.42 km，纵比降2 36%o，沟床宽缓（5 10 m，局部大于15m），呈“U型，两岸坡度30 50；崩坡N5堆积层由含粉质黏土碎块石组成，未见明显的裂缝及滑坡、崩塌，整体稳定性较好；沟内常年有水，流量0.12 m/s，洪水时颜色略深；曾进行过伐木，并于197 1年暴发过小型泥石流，但未进人主沟，目前沟床仍见伐木残留的枯树枝及树桩；岸坡植被茂密，植被覆盖率 8 0%位于香扎村3组居民房上游，距离N5沟口约50 0 m，主沟左岸，沟长约4.7 5km，纵比降2 91%o，沟床较狭窄（2 5m），两岸坡度30 50；崩坡堆积由含粉质黏土碎块石组成；曾暴发“8 6泥石流，下切原始沟床3 6 m，在两岸形成较陡的土质边坡（50 6 0），在水流、降雨等因素作用N6下，局部出现跨塌；沟床内见伐木残留的枯树枝及树桩，岸坡植被茂密，植被覆盖率 8 0%；沟口有大量泥石流固体物质堆积，主要为碎块石；沟内水流量0.5 1m/s位于主沟左岸，沟长约2.8 9km，纵比降32 9%o；下游沟道宽缓（5 10 m，局部大于10 m），两岸岸坡基岩出露坡度 50，局部近直立，为变质砂N7岩、板岩，整体稳定性较好；中上游主要由崩坡积层含粉质黏土碎块石组成，未见明显的裂缝及滑坡、崩塌，整体稳定性较好，两岸坡度3550；沟内常年有水，流量0.3m/s，洪水时颜色较深；沟床见大量伐木后形成的原木、枯枝、腐根堆积，岸坡植被茂密，植被覆盖率 90%位于主沟右岸，沟长约1.55km，纵比降548%o，两岸坡度30 45；崩坡堆积由含粉质黏土碎块石组成，未见明显的裂缝及滑坡、崩塌，整体稳N8定性较好；沟内常年有水，流量0.0 5m/s，洪水时颜色浅；沟床分布有枯枝、残根，岸坡植被茂密，植被覆盖率 90%基本为草地，以下为乔木、灌木）.主沟中游沟床纵坡变化不大，沟谷宽缓（50 10 0 m）,多呈“U字形，两岸坡度一般为35 45，平均纵比降2 0 4%o.流域下游沟床平均纵坡7 5%o，沟道较顺直，沟谷以“U字形为主，岸坡坡度一般为30 40 2.2泥石流暴发特征“86”泥石流是香扎沟迄今为止有记录发生的最大规模泥石流.通过对附近居民进行调查访问，香扎沟曾于19 7 1年在N5支沟内暴发过小型泥石流，居民们对其暴发时的过程仅存模糊记忆.也有人反映1998年7 月该沟曾发生过较大洪水，当时下山的村民听见石块撞击声，但没有见到泥石流.此外，香扎沟没有泥石流的记录，主沟常年有水，仅在雨季大雨时，可能会发生小规模洪水5.由此看来，该沟泥石流暴发频率为2 0 50 a/次，属低频泥石流6 .令人不解的是，香扎沟植被茂密，以灌木、乔木、草甸为主7 ,且“512汶川地震对该区影响也较小,沟域内未见新增崩塌、滑坡灾害8 .未有新增物源，泥石流的物质从何而来，又是如何启动的呢?笔者通过深入调地质与资源表1香扎沟流域各支沟地形地貌特征Table 1Landform characteristics of branch gullies of Xiangzhagou valley地形地貌特征查访问，发现该流域内曾于2 0 世纪6 0 90 年代大量伐木，沟上游海拔2 90 0 350 0 m为主要采伐区.限于当时落后的生产条件，高大树木被砍伐后多沿着沟道顺沟而下运送到木材加工场9,在此过程中,有些木材或残根就被“遗弃”“埋藏”于沟内.“8 6泥石流暴发之前持续了3h强降雨，中上游沟道内固体物质在雨水浸泡下形成饱和土体，抗剪强度降低而失稳运动，在流通过程中，沟床下切、侧蚀沟道两岸崩塌堆积物，两岸固体物质不断被补给，使得泥石流规模加大，破坏力加强10 加之沟道局部弯曲、沟床朽木、残根枯枝等较多，局部形成堵塞和溃决，沟床物质启动，进而形成泥石流.沟道下游泥石流堆积物厚度在0.5 2 m之间，泥石流堆积固体物质约2.510 4m，大颗粒物质主要集中于上寨上游约7 0 0 m区域堆积扇内（图1),少量泥沙堆积于下游居民区.笔者对沟道内的堆积物（包括暴发泥石流的N6支沟、泥石流主沟内的堆积区，以及未暴发泥石流的其他支沟)进行了颗粒分析试验，其结果如表2.2023年第3期取样位置N3(QJ14)N4(海拔 2 7 10 m)N5(海拔2 7 7 0 m)N6下游(海拔2 7 10 m)N6 中游(QJ9)N6上游(QJ13)N7(海拔2 9 30 m)主沟上游（海拔3140 m)主沟中游（海拔2 6 0 0 m)主沟中游（海拔2 6 90 m）由表2 可知，“8 6泥石流固体物质颗粒组成与未暴发泥石流的沟道差异不大，以粒径2 0 2 0 0 mm为主，大于2 0 0 mm占比基本小于2 0%.且从物质组成看，细颗粒以泥沙为主，粗颗粒以棱角一次棱角状碎石为主，风化痕迹明显，并含有大量枯枝.说明泥石流主要源于沟床，两岸岸坡仅受铲刮、裹挟而被带人其中12 .3香扎沟泥石流的形成条件分析香扎沟多年来未暴发泥石流灾害，较大规模洪水都鲜有发生.但在2 0 13年8 月6 日突然暴发泥石流，并造成较大损失，与该沟特殊的物源补给、强降雨和地形条件密不可分13.3.1特殊的物源补给“86泥石流物质主要来源于沟床,其中还含有大量枯枝、朽木.据南坪县志9（九寨沟县原名“南坪县”)记载，该县于196 9年成立羌活国营林场，197 8 年又新建大录（即香扎沟所在行政区）乡办林场，198 3年乡办林场增加至15个，生产原木7 0 0 0 m39.研究区砍伐树木以云杉为主14（海拔2 90 0 350 0 m为主要伐木区）,属高大乔木，砍下的木材多沿沟道顺沟而下运送到下游加工场.在此过程中，有些木材或残根就被王毅等：川西山区低频泥石流形成条件分析表2 沟床堆积物颗粒分析统计表Table2Grain size analysis statistics of gully bed deposits样品号200 mm20020 mm202.0 mm2.00.5 mmRT-215.2RT-312.3RT-417.8RT-526RT-623.2RT-719.3RT-812RT-913.1RT-1013.5RT-1114.9363粒度组成比例/%0.50.25 mm48.316.545.516.138.820.149.16.347.17.153.36.839.618.337.110.352.59.554.19.1遗弃进而埋藏于沟内.这些木材胸径十几至百余厘米不等15,散布于沟床内,形成了天然屏障,拦截了上游的泥沙、碎石.随着时间推移,虽然伐木工作逐渐停止，但埋藏在沟内的木材、残枝却逐渐腐朽，失去了原有的力学强度,降低了对泥沙、碎石的约束.研究表明,木材中的纤维素是微生物的养料，微生物将木材中的纤维素降解，使木材腐朽进而失去强度，只有当木材中存在自由水时微生物（主要是真菌)才会成活，即含水量接近或超过木纤维饱和点时，木材会被真菌攻击16 .因此,埋藏于常年有水的沟道内的木材更易腐朽17 .衡量木构件腐朽程度的重要指标是腐朽深度，但在实际中腐朽深度无法直接检测获得，研究人员通过大量实验，获得了等效腐朽深度（假设试件的腐朽深度沿试件长度以及截面完全相同,为理想的均匀腐朽)与腐朽时间的关系18 ：degi=0.020 x:0.8dea=0.073x0.82式中，del一由抗弯强度退化率推算的等效腐朽深度（mm)；d e 2 一由顺纹抗压强度退化率推算的等效腐朽深度(mm)；t 一腐朽时间(d).由此推测，木材被砍伐后30 a时间内腐朽深度可0.250.075 mm5.63.38.75.311.46.45.24.16.33.23.84.810.46.79.47.17.93.57.93.20.0750.002 mm8.52.66.35.84.31.24.64.75.18.03.78.35.87.213.89.258.14.56.3(1)(2)364达15 2 0 cm，对于胸径十至几十厘米的木材，几乎全部腐朽，这与现场调查也基本吻合.木材腐朽后，其力学强度逐步退化，退化率与时间的关系如下：gb=0.22xt0.95g=0.37xt082式中，b一抗弯强度退化率（%)；一顺纹抗压强度退化率(%)；t一腐朽时间(d).由上式估算，木材腐朽部分的抗弯强度和顺纹抗压强度将在3a内基本丧失，即退化率达10 0%.遗弃在沟内的木材、树根经过几十年的腐朽,力学性质降低甚至完全丧失，沟床内的泥沙、碎石因失去阻碍而变得活跃起来，成为泥石流的物源.“8 6泥石流将N6支沟沟床下切3 6 m，沟床内见大量伐木残留的枯树枝及树桩.3.2引强降雨成为泥石流的诱发因素香扎沟“8 6”泥石流的暴发还与强降雨有关.2013年8 月6 日晚，整个香扎沟流域累计降雨量达90mm，超过了九寨沟县此前观测的最大日降水量（51.3m m）.历时长、雨量大且集中的高强度降雨导致上游沟床松散物处于饱水状态，抗剪强度急剧降低.加之上游沟谷狭窄，岸坡陡峻，具备较大的势能，松散物启动形成泥石流.泥石流裹挟的固体物质为碎、块石,块径大，冲击力强，下切沟床的能力迅速增大，铲刷沟床及两侧物质，使泥石流的规模增大19.强降雨及上游有利的地形，为泥石流的启动、形成提供了十分有利的条件.3.3陡峻的地形地貌陡峻的地形地貌有利于松散固体物质及地表水流向沟道聚集，同时，较大的沟床纵比降也有利于沟床固体物质的启动.香扎沟流域上游平面形态呈扇叶状，有利于沟道径流的迅速汇集.各条支沟纵比降2 36%o548%o，平均37 2%o，十分有利于泥石流的形成、流通.较大的高差使得沟道径流具有较大的流速和动能，对沟道内松散固体物质的冲刷侵蚀及对沟道两岸铲刮作用强度极大，故在短时间内席卷大量的固体物质冲出，形成泥石流.4川西山区低频泥石流与中高频泥石流的差异2008年“512”汶川地震、2 0 13年“420芦山地震以及2 0 17 年“8 8”九寨沟地震，导致地震灾区山谷堆地质与资源积大量松散固体物质，在降雨激发下形成次生泥石流灾害.这些沟道物质储量丰富，激发降雨量低，以中、高频泥石流为主，易于发现，往往能引起人们重视，能(3)及早进行监测或治理，使得泥石流暴发所造成的损失(4)能得到较好的控制.但近年来，川西山区一些受地震影响小、近几十年甚至上百年未暴发泥石流的沟道也发生了泥石流灾害.由于其植被茂盛、风景迷人，有的甚至是当地的水源地，往往被人们忽视,加之泥石流暴发的突然性和强输砂能力，使人们猝不及防，造成重大损失.因此，相对于中、高频泥石流，低频泥石流往往具有隐蔽性、突发性、危害大的特点.通过探究香扎沟低频泥石流的形成原因，笔者认为，由于特殊的时代背景和资源赋，川西山区某些区域在2 0 世纪6 0 一90 年代曾经历林木开发、木材加工活动，距今已有30 一50 年，被抛弃在沟道内的木材和砍伐后的树桩、残枝基本腐朽，丧失了稳定沟床、拦挡砂石的能力,沟床物质的稳定性降低，在较大纵坡及强水流作用下，则可能启动而形成泥石流.类似的例子，笔者在小金县高碉沟也曾亲历，高碉沟植被茂密、水流清澈，是小金县城水源地之一，近百年未发生过泥石流但在2 0 11年7 月6 日暴发了规模较大的泥石流，村民房屋被毁，冲出的固体物质以碎块石土为主，局部砂、粉质黏土富集，亦包含大量残枝、腐殖质等.因此，对于川西山区曾有过采伐史的地区,应给予重视，尤其是沟床纵比降在2 0 0%o500%o、沟形利于汇水的流域，则更容易暴发低频泥石流.通常认为，低频泥石流暴发后，下一次也需要较长时间才会再次发生2 0 .但以香扎沟泥石流为例，“8 6”泥石流导致N6支沟下切沟道3 6 m，两岸岸坡临空面增大，稳定性降低.若不及时治理，岸坡将发育滑坡、崩塌等次生灾害，沟内松散固体物质进一步增加，进而低频泥石流可能转化为中、高频泥石流.5结论1）2 0 13年8 月6 日香扎沟暴发低频泥石流，泥石流自上游支沟沟床启动，历时6 0 min，冲出固体物质2.510 4m.造成巨大经济损失.2)经调查研究，香扎沟泥石流物源来自沟床,早年采伐时遗弃在沟道内的木材、残枝、树桩经过几十年逐渐腐朽,失去了原有的力学强度,降低了对泥沙、碎石2023年第3期的约束.在强降雨的激发下,松散物启动形成泥石流.3)川西山区低频泥石流具有隐蔽性、突发性、危害大的特点.同时，考虑该区特殊的时代背景和资源赋，在调查和监测时，应特别注意曾有过采伐史的地区，尤其是沟床纵比降较大，沟形利于汇水的流域，容易暴发低频泥石流.4)此类低频泥石流因下切沟床，两岸岸坡临空面增大,稳定性降低，沟内散固体物质将进一步增加,具备从低频泥石流可能转化为中、高频泥石流的可能.其形成条件和转化机制值得进一步研究.参考文献(References):1王波.小金县美沃乡高碉沟泥石流发育特征及治理措施研究D.成都：西南交通大学，2 0 17.Wang B.Xiaojin Meiwo County Gaodiao gully debris flow study ondevelopment characteristics and control measures D.Chengdu:Southwest Jiaotong University,2017.2铁永波，周洪福，倪化勇.西南山区短时强降雨诱发型低频泥石流成因机制分析一一以四川省宝兴县冷木沟泥石流为例J.灾害学，2013,28(4):110-113,187.Tie Y B,Zhou H F,Ni H Y.Formation of low frequency debris flowinduced by short-time heavy rainfall in mountain area of SouthwestChina:Take Lengmu debris flow as an example,Baoxing,SichuanProvinceJ.Journal of Catastrophology,2013,28(4):110-113,187.3铁永波，胡凯衡.基于遥感解译的典型低频泥石流形成机制研究以四川省宁南县矮子沟泥石流为例J.灾害学，2 0 14，2 9(3):77-80.Tie Y B,Hu K H.Formation of typical low-frequency debris flowprocess based on 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