岷江上游叠溪地震形成的叠溪堵江坝溃坝原因分析

[摘要]岷江上游堵江坝溃决原因的分析对山区河流堵江及下游地区有着特别重要意义，对堵江事件的防灾、减灾工作可以起指导作用，1933年叠溪堵江溃坝事件引起的灾害重，其发生年代较近，资料较全，由此从定性评价和定量计算两个方面分析了叠溪坝溃坝原因，定性评价又分为直接原因分析和诱发因素分析，以致找出最关键的溃坝因素是漫顶和地震，对于山区堵江事件防止溃决可以提供有效的解决思路，有助于我们对该类堵江事件防患于未然。

[关键字]叠溪地震 堵江坝 溃坝原因

[中图分类号] P315 [文献码] B [文章编号] 1000-405X（2013）-3-234-3

1933年8月25日15时50分30秒，四川省茂县叠溪发生7.5级地震，震中位于北纬32°，东经103.7°。有感范围北至西安，东到达县，西抵阿坝，南达昭通。地震造成山崩城陷，岷江断流，积水成湖，人员伤亡惨重，据不完全统计，地震造成6865人死亡，1925人受伤，房屋倒塌5180间[1]。极震区内发生大规模的崩塌、滑坡，致使岷江及其支流十几处被堵塞，积水成十余个海子，其中，震中附近岷江干流形成三道堵江坝，自上而下分别是大海子坝、小海子坝和叠溪坝。而叠溪坝在45天后的10月9日突然溃决，溃坝洪水造成共计二万以上的人员伤亡，其中都江堰以上二千多人，都江堰境内达五千以上，崇庆县四千多人，造成八千以上的人无家可归，造成巨大灾害① 。因此，对于叠溪坝溃坝原因的分析，有助于我们对于此类堵江事件认真防治，避免灾害的再次发生。

1 岷江上游堵江坝体类型

1933年叠溪地震，岷江上游崩滑堵江形成坝体一般常见四种类型[2]：

类型Ⅰ为滑坡、崩塌体或泥石流以较高的速度越过河床冲向对岸斜坡，并爬高至一定高度后再折回原河床；1933年叠溪地震形成的叠溪坝即爬向对岸坡顶。

类型Ⅱ是以整体或碎屑流的形式滑动，并一定的速度冲入河床，沿河谷上、下游流动了一段距离，形成宽厚的堆石坝；1933年叠溪地震时小海子及大海子均形成宽厚堆石坝。

类型Ⅲ，这种两侧同时发生山崩，四川岷江上游的大海子天然堆石坝，是由对峙于岷江两岸的观音岩、银屏岩于1933年叠溪地震时同时发生山崩，两岸崩塌物在岷江中相接形成的；由于猛烈的碰撞与挤压，大海子天然堆石坝为三个坝体稳定性较好的。

类型Ⅳ，滑坡分二股以上进入河床，形成两座或两座以上坝体，其中至少有一座坝体完全堵塞河床。地震导致较场台地滑坡，小海子和叠溪坝的形成则属此情形。

岷江上游堵江坝体皆因崩滑形成。岷江上游叠溪一段河谷为V型谷，滑坡在地震作用下以巨大的动能产生滑动，滑坡体体积较大，致使滑坡体均与对岸相接，使岷江及其右岸支流被堵断，形成十多个堰塞湖，通常滑坡体在谷底将产生滑动或碎屑流的形式流动，形成下底较宽的堆石坝，小海子坝高100米，其底宽2000米，大海子坝高130米，底宽达1500米，据测定堆石坝的水上坡度最大1：3，水下坡度则更缓。可推测，160米坝高的叠溪坝底宽至少1060米。

2 岷江上游崩滑堵江坝溃坝原因定性分析

1933年岷江上游地震堵江所形成了十多个天然土石坝。根据Schuster and Costa （1986）针对63个堰塞湖的统计分析，22%的堰塞湖在形成一天以内溃决；10天内溃决的占一半的比例；83%会在半年内溃决；1年内溃决的占91%[3]。而岷江上游1933年形成的天然坝，仅叠溪坝45天后溃决，大、小海子部分溃决之外，其余均存在（均在岷江支流上，为次一级坝体），但松平沟内的两河口海子目前已干涸[4]。

影响坝体的溃决因素较多，如坝体的土石成分、结构及物理性质指标，坝体的长、宽、高、边坡坡度等几何特征；上游来水量及坝后渗水量、坝体溢出口的大小、形状；河谷特点及河床坡降等因素。对天然坝体溃坝分析依照人工土石坝破坏分析，其破坏类型及破坏特点将溃坝原因分为直接原因及诱发原因两大方面。

2.1 直接原因

通过国内外对土石坝破坏的类型的分析，基本上是一致的。如我国根据1980年底统计分析：漫坝占51.5%，渗漏占29.1%，其它占19.4%；又据美国得尔布鲁克（T.A.Middle Brooks）在1953年对100多年来200例失事土坝的分析：其中漫顶占30%，渗漏占25%，滑坡占15%；因此，漫顶、渗漏和滑坡是引起土坝破坏的三大主要因素。在我国统计241座大型水库发生1000次事故中（指可能危及大坝安全、坝体裂缝滑塌、渗漏等）裂缝占总事故的25.3%，也就是说，由于坝体质量方面的原因引起溃坝事故相当严重[5]。由边坡崩塌滑落土体或泥石流堵塞河道形成之天然坝，一般因其坝体多为土砂堆积而成，结构松散，易被水渗透，安全性差，也就是天然坝易产生溃决以至于酿成巨灾的原因。大多数的堰塞湖年限极短，主要溃决原因为溢流溯源冲刷。堰塞湖的寿命及可能之溃决方式，受制于天然坝体大小、崩塌堵江之土砂材料特性、上游来水条件以及堰塞湖之蓄水容量等。针对过去溃坝灾害实例统计得知，半数以上是因溢流侵蚀所致，另外还有部分是因管涌和坝体滑动溃决所致。

2.1.1 漫顶

通过模型实验发现当坝体较宽（沿河床方向厚度较大）时，坝体多因漫顶溢流冲刷为主要破坏形式。坝前蓄水水位渐升时，坝后将出现渗流，如坝体越厚，则渗流越小，坝体较薄，则坝后土体可因渗流泥化；当坝前蓄水水位越过坝顶时，则开始产生溢流通过坝体表面，坝体下坡段则因剧烈的坡降，造成强烈的土砂冲蚀，坝体下游面形成溯源冲刷。在此阶段溯源冲刷面维持稳定之速度向上游平行后退，大量的土砂随之向下游运移，坝体因溯源冲刷以阶段式型态向上游破坏；当溯源冲刷到达坝体上坡面处，坝体因而溃决，坝前蓄水水位随坝体冲刷而下降。

岷江上游滑坡坝溃决之前，多见漫顶产生。如1933年叠溪滑坡堵断岷江，45天后，湖水外流；扣山滑坡，在其右岸坝顶发现有河床相卵、砾石；石门坎滑坡存在近千年、叠溪古滑坡存在近一万二千多年等时间上看来，坝体经过了长时间的漫顶冲刷。

2.1.2 渗流

由于滑坡坝是由土、沙、石堆积而成的挡水坝体，由于堰塞湖蓄水后形成了上下游水位差，水流在渗透压力作用下必将通过坝体或坝基向下游渗漏，通过坝体孔隙产生的渗漏，渗漏量的大小主要取决于土的粒度成分及其渗透系数。

渗流即在大坝上下游水位差作用下，湖水通过坝体或坝基的岩土中的孔隙向下游渗漏的现象。当坝体坝基渗漏的水量很大时，不仅会造成湖水的流失，而且对坝基产生渗透压力，或对岩土中的微细颗粒产生冲刷，或对岩土中的可溶部分产生化学溶解等不良作用。因此，渗透水流可通过孔隙，将细粒土最先带走，随孔隙不断增大，较大颗粒又将被带走，形成更大的空洞，从而形成管涌，导致坝体破坏。

一般而言，当坝体较高坝宽较薄的天然坝体溃决就是由快速渗流造成之坝体下游坡面泥化与崩塌主导。坝体的透水系数为最大，坝体强度也相当弱，渗流浸润线向下游的推进速度较快，天然坝溃决前因渗流形成坝体下游坡面损毁机制以泥化与崩塌溯源为主；在坝体上游滑动崩溃水位越过坝体表面时，坝体冲刷型态改以层蚀，坝体逐渐溃决。

理论上，只要坝体的水力坡降超过临界水力坡降都会发生渗透变形。

坝体越短，坝高越高，坝体材料越松散、强度越低、透水性越好，坝体越容易在短时间内破坏。

叠溪坝的水力坡降为j=0.151（水头差为坝高160米，坝宽1060米），而取Gs =2.70，e =0.7（很多滑坡体e为0.65左右），icr =1，如按人工坝设计取k=2.5，则允许水力坡降[i] =0.4，而j

2.1.3 滑坡

堆石坝体的一部分脱离原来位置坍落滑出，即坝体滑坡。在堆石坝形成的初期，坝体不稳定，会不时有掉块或土体滑塌产生。在滑坡初期，坝面先出现纵向裂缝。随后裂缝不断扩展并变成弧型，裂缝向坝内部延伸，发展加快，裂缝错矩加大。同时，在坝坡下部坡面出现带状或椭圆形隆起。后期，滑坡体移动加快，坍落滑出。土坝滑坡一般多出现在高水位蓄水期、水位骤降期、持续大暴雨和风浪期、解冻期、及发生强地震时。高水位期时，当汛期或库水位很高而持续时间很长，上游坡脚浸水软化，坝体中最高浸润线形成，浸润线以下坝体浸水饱和，稳定安全系数降低，有可能引起滑坡。西部高原山区，春季解冻后坝体中被冻结的土体体积膨胀，干重度降低，土体软化，抗剪强度降低，有可能出现滑坡。发生强烈地震时，由于水平惯性力和渗透压力的作用，在迎、背水坡均有可能出现滑坡。当雨水渗入坡体时，将增大水压力，甚至产生水力劈裂，可能产生滑坡。从滑坡机理上分析，当作用在滑坡体上的滑动力大于抗滑力（τ>τf）时，滑坡即发生。

由1933年叠溪地震形成的大、小海子堆石坝水上、水下边坡坡度的差异可以分析出坝体形成以来，由于坝体滑坡的发生，坝体坡度由陡变缓，大海子坝上游水上坡度为1：3（18.4°），水下坡度为1：9.1（6.3°）；而小海子历经三次溃坝过程（1933年、1985年、1990年）则演化成现在的坝坡特征：上游坡度为1：17（3.4°），下游坡度为1：25（2.3°）[6]。

2.2 诱发原因

气候、地震及堰塞湖涌浪是造成滑坡坝溃决的主要诱因。

2.2.1 气候因素

气候的变化尤其雨雪等对坝体的溃决起着非常关键的作用。

1933年10月9日叠溪坝溃决之前后，岷江上游松潘一带阴雨连绵，江水骤涨。岷江上游大、小海子自1933年10月9日随叠溪坝的首次部分溃决以来，仍不时溃决。1986年6月15日，因暴雨、山洪，大海子部分溃决，使小海子也部分决口，小海子水位下降12米，造成岷江上游建国以来最大洪水，6米洪峰一路而下，以每秒9米的速度下泄。姜射坝站实测最大流量为2340m3/s ，造成岷江上游自1933年叠溪地震后50余年间最为严重的洪流灾害，造成巨大损失。1992年6月29日，小海子堆石坝由于洪水猛、水位高，侵蚀冲刷强烈等原因再次溃决，造成经济上巨大损失，当日姜射坝站实测最大流量为2120m3/s。

而近年来气候变暖导致降雨量增加，冰雪融化，各种异常天气出现，以致使青藏高原出现一系列的冰湖溃决事件[7][8][9]：1931年鲁姆湖溃决、1935年塔阿错溃决、1940年7月10日穷比吓玛错溃决、1953年9月29日波密县古乡冰湖溃决、1954年7月16日桑旺错（也称色木湖）溃决、1964年8月25日隆达错溃决、1964年9月21日吉莱错溃决、1964年9月26日达门拉咳错溃决、阿亚错溃决、1972年7月23日坡戈错溃决、1974年7月6日波戈冰川湖溃决、1981年6月24日扎日错溃决、1981年次仁玛错溃决、1982年8月27日金错溃决、1988年7月15日光谢错溃决、1991年6月12日伯舒拉岭一冰湖溃决、1995年6月7日扎那泊湖溃决、2005年7月4日阿尼玛卿雪山冰坝垮坝等。青藏高原是全国湖泊分布最多的区域。大多分布在高海拔地区，受降水和冰川融水影响极易成灾。近年来，全球变暖正使青藏高原许多高原冰碛湖迅速“扩张”，并不时有溃决现象发生，给高原冰碛湖下游居民生活带来潜在危险。据统计，从20世纪30年代中期到20世纪90年代中期的60余年间，境内冰碛湖发生的溃决事件，都形成了规模巨大的洪水和泥石流灾害。给当地人民生命财产造成巨大危害。

湖泊出现险情的主要原因有二个方面：一是自1995年以来，处于丰水期，明显偏多。据水文气象专家分析，位于定结县的皮达湖、龙巴萨巴湖区域，从上世纪60年代到2003年，降水量增加了50mm左右，导致湖水位逐年上涨。二是温度有逐步升高的趋势。大部分湖泊属冰川补给型，温度对入湖水量影响很大。据专家分析，从上世纪60年代到80年代皮达湖附近的温度升高了0.6度，80年代到2003年升高了1度，而2003年春季气温比往年高2～5度，对冰川融化极为有利，入湖流量大大增加，导致湖水位持续上涨。

可见，青藏高原的冰湖也应作为堵江溃坝事件的重要研究内容之一，因为我认为青藏高原今天的气候、自然环境或许就是岷江等众多山区河流地质历史时期的也曾共同具有的同样经历。据成勘院资料，由岷江上游两河口下游3.5km的飞虹桥坝址钻孔资料揭示，其深达90多米的河床覆盖层最下面为（fgl+gl Q3）：冰川～冰水相含块卵砾石层，埋深约30～40 m，层厚60～70m。说明整个全球气候当时正经历冰期到间冰期的过程；而岷江上游的今天或许就是青藏高原气候、地理地貌等特征的明天，但由于人类影响和干预，这种历程正在缩减。

2.2.2 地震

历史上较大的溃坝事件都是由地震触发的。

1786年6月1日四川康定以南7.8级地震造成磨西面、摩岗岭两处山崩滑坡，使大渡河断流十日，1786年6月10日四川泸定得妥乡发生7级以上地震，使得两处坝体溃决，史料中记载：“地复大震，磨西面、摩岗岭窒塞大渡河处溃决，水头高10丈奔腾涌下，势如山倒......”

1933年岷江上游茂县叠溪震后45天，水库漫坝，又遇强余震触发，堆石坝溃决，形成高达60余米水头，顺江奔腾而下，自叠溪至灌县（今都江堰市）188公里沿江两岸的村镇被冲毁大半，死亡2500余人；并导致小海子部分溃决，引动大海子坝顶以上超高部分的水体同时下泄，大海子水库中水位消落12～15 m。粗略估算，在两、三个小时内，大海子坝面上过水的洪峰流量应当在10 000 m3/s以上（约为万年一遇洪水流量的6倍） [10]。1933年11月24日四川茂汶（叠溪）4.8级地震，震中烈度Ⅵ度，沙湾大潭与松坪沟、鱼儿寨潭因此次巨烈震动，潭堤已有一小部分石崖崩溃，缺成一口，积水骤满。

因此，可以初步认为地震和湖水推力是使该滑坡堵江事件溃决的真正原因。

2.2.3 堰塞湖涌浪

堰塞湖蓄水后，水体改变了周围岩土体的应力条件，可触发大规模的崩滑产生，崩滑体激起的涌浪可导致溃坝，崩滑体可以是两岸岩体，也可是断裂的冰体。

由青藏高原一系列湖泊溃决事件中发现，绝大部分系冰崩入水击溃坝体导致溃决事件的发生，如1931年鲁姆湖溃决、1940年7月10日穷比吓玛错溃决、1954年7月16日桑旺错（也称色木湖）溃决、1964年8月25日隆达错溃决、1964年9月21日吉莱错溃决、1972年7月23日坡戈错溃决、1974年7月6日波戈冰川湖溃决、1981年次仁玛错溃决、1982年8月27日金错溃决、1995年6月7日扎那泊湖溃决等10起，占整个溃决事件50%以上。

而岷江上游河谷岩石破碎，崩滑体发育，在堰塞湖蓄水过程中，由于水体的浸润作用，产生静水压力、动水压力，使两岸不稳定岩体再次遭受应力的强烈改变而崩滑入湖，可激起涌浪对坝体造成冲击。由涌浪而致天然坝体溃决的事件应该是存在的，只是目前未查得相应资料。

另外，人类活动在溃坝过程中也起到了不容忽视的作用，如1986年6月15日，大小海子发生局部溃决，其中之一的原因是放流木所致，形成溃决型洪流，并使山坡失稳而产生新的崩塌滑坡[4]。

3 叠溪坝溃决定量计算

由上面可见：叠溪坝1933年10月9日溃决事件是岷江上游1933年以来最大的一次溃决事件，并且引发了大、小海子局部溃决，该事件是在多种因素作用下产生的，漫顶、渗流、雨洪、及地震，在诸多因素中，试图通过受力分析找出导致溃坝的最主要因素。

叠溪坝坝高H=160m，顶宽l=100m，坝顶长B=500m，河谷底宽b=50m，假定该坝河谷截面为梯形，其河谷上、下游坡度分别按1：3取值，可求出底宽为L=1060m，其横截面及纵截面分别见图1、图2。

3.1 堰塞湖未蓄水时

（1） 坝体体积

3.2 堰塞湖水体蓄满漫顶时

（1）此时抗滑力T′

4结论

由此可见，单凭湖水推力，1933年8月25日7.5级地震形成的堰塞坝叠溪坝不致于在短时间内溃坝，漫顶冲刷是一个主要原因，漫顶冲刷能大大降低抗滑力，并且能导致坝体的损坏；而此次溃坝事件中，1933年10月9日4.5级余震是导致叠溪坝溃决的最重要的原因，余震还将导致坝体的孔隙水压力增长，使坝体的抗剪强度大大减小以至完全丧失；其上两方面加上湖水推力、渗流、雨洪、坝体滑坡、涌浪等因素作用下必将导致叠溪坝在极短时间内溃决。

参考文献

[1] 四川省阿坝藏族羌族自治州茂汶羌族自治县地方志编纂委员会编.《茂汶羌族自治县志》[M]. 成都：四川辞书出版社， 1997年10月第1版 .37.

[2] 柴贺军，刘汉超，张倬元.中国滑坡堵江的类型及其特点[J] .成都理工学院学报，1998，03：411-416.

[3] Robert L.Schuster & John E. Costa，1986，Effects of landslide damming on hydroelectric projects， Proceeding Fifth International Association of Engineering Geology ，1986.

[4] 柴贺军，刘汉超.岷江上游多级多期崩滑堵江事件初步研究[J].山地学报，2002，（5）：616-620.

[5] 牛运光编著.土坝安全加固[M] .北京：中国水利水电出版社，1998年11月第一版：14.

[6] 黄润秋， 王士天，张倬元， 刘汉超等.中国西南地壳浅表层动力学过程及其工程环境效应研究[M].成都：四川大学出版社，2001年9月.

[7] 中国科学院-水利部成都山地灾害与环境研究所，自治区交通厅科学研究所.泥石流与环境[M] .成都：成都科技大学出版社；1999.

[8] 中国科学院-水利部成都山地灾害与环境研究所，中科院兰州冰川冻土研究所，自治区交通厅科学研究所.川藏公路南线（境内）山地灾害及防治对策[M] .北京：科学出版社，1995.

[9] 历史档案馆，社会科学院，农牧科学院，中国科学院地理研究所.地方历史档案丛书（灾异志--水灾篇）[M] .北京：中国藏学出版社， 1990年第一版.

[10] 段启中，姜明月.岷江叠溪大海子坝稳定性分析[J] .四川水力发电，2004年3月第2卷第1期：95.