典型冰磧補(bǔ)給型泥石流物源補(bǔ)給過程與機(jī)制研究——以瀘定縣干溝為例

鐵永波，徐如閣，巴仁基

（1．成都地質(zhì)礦產(chǎn)研究所，四川 成都610081；2．成都理工大學(xué) 地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都610059）

泥石流的形成必須具備3大條件，即充足的降水，豐富的固體物源和陡峻的地形［1－2］，但在這3個(gè)條件中，泥石流的物源匯集速度及程度則是最重要的因素，它直接影響到泥石流的頻率、規(guī)模、流速、流體的粒徑級(jí)配及破壞力等。泥石流的物源匯集程度與泥石流形成之間最為顯著的關(guān)系體現(xiàn)在泥石流暴發(fā)的頻率上，而泥石流的規(guī)模、流量及流速等動(dòng)力學(xué)特征則均隨著泥石流暴發(fā)頻率的不同而異［3－4］。通常情況下，若一條溝的物源極為豐富，只要降水條件滿足，就容易發(fā)生泥石流；相反，若降水條件滿足而沒有足夠的松散物源，則容易形成洪水，而不是泥石流。同樣，若泥石流溝內(nèi)物源匯集速度相對(duì)較快，則泥石流發(fā)生的可能性就較大，反之則較小。因此，根據(jù)流域內(nèi)松散固體物質(zhì)匯集特征及程度對(duì)泥石流危險(xiǎn)性進(jìn)行評(píng)價(jià)是我們?cè)趯?shí)際應(yīng)用中常用的一個(gè)最重要參考指標(biāo)［5－6］。

冰磧補(bǔ)給型泥石流的顯著特征是其物源來自于流域內(nèi)的冰磧物，這類冰磧物的補(bǔ)給方式主要有2種，第1種是冰川作用后形成的冰磧?cè)谒畡?dòng)力的作用下直接啟動(dòng)并參與泥石流的運(yùn)動(dòng)，第2種則是冰磧?cè)谠缙诒ㄈ谒蚪邓认鄬?duì)較弱水動(dòng)力搬運(yùn)后停留在溝道的中游或下游，在后期泥石流的形成過程中發(fā)生二次啟動(dòng)，參與泥石流的運(yùn)動(dòng)。冰磧補(bǔ)給型泥石流的物源規(guī)模相對(duì)較大，有極為豐富的固體物質(zhì)為泥石流的發(fā)生提供物源［7］。雖然冰磧具有相對(duì)崩坡積物較好的穩(wěn)定性，但由于受高寒山區(qū)特殊氣候環(huán)境的影響，冰磧物在降雨、自然風(fēng)化、凍融等多因素的作用下匯集速度相對(duì)較快，利于泥石流的頻發(fā)。為此，冰磧補(bǔ)給型泥石流在暴發(fā)時(shí)往往具有頻率高、規(guī)模大及沖出距離遠(yuǎn)等特征，在我國(guó)西部高寒山區(qū)極為常見。干溝是一條典型的冰磧補(bǔ)給型泥石流溝，其物源主要分布在下游溝口以上長(zhǎng)約550m的溝道右岸，泥石流的形成和流通均在此溝口的溝道段完成。干溝泥石流的物源補(bǔ)給具有典型的多補(bǔ)給模式、多補(bǔ)給階段的特點(diǎn)，是典型冰磧補(bǔ)給型泥石流物源補(bǔ)給的復(fù)合過程表現(xiàn)。

為此，以四川省瀘定縣干溝泥石流為例，通過對(duì)該溝物源補(bǔ)給的特征與分類研究，查清冰磧補(bǔ)給型泥石流物源的多補(bǔ)給過程及其在這類泥石流形成中的作用，為山區(qū)泥石流的防災(zāi)減災(zāi)提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)流域及物源分布特征

干溝位于四川省瀘定縣杵坭鄉(xiāng)金華村，為大渡河右岸支溝。流域面積2．0km2，主溝長(zhǎng)2．8km，無支溝發(fā)育。干溝為一條以冰磧作為物源補(bǔ)給的泥石流溝，2005年曾暴發(fā)過大規(guī)模泥石流，泥石流直接沖入大渡河，沖毀溝口公路橋梁并淹埋大量農(nóng)田，造成2．00×107余元的直接經(jīng)濟(jì)損失。根據(jù)調(diào)查，干溝流域內(nèi)的基巖主要有元古代杵坭鉀長(zhǎng)花崗巖（γk2）、大坪普通花崗巖（γ2）及石英閃長(zhǎng)巖（δO2），第四系沖洪與泥石流堆積物（Qapl＋dfh）、殘坡積物（Qdelh）及冰磧物（Qglh）在流域內(nèi)廣泛分布，泥石流的主要物源集中分布在流域下游。

干溝流域最高點(diǎn)海拔3 460m，溝口海拔1 260m，相對(duì)高差2 200m，溝道平均縱坡515‰。干溝泥石流流通區(qū)不明顯，故可將其流域劃分為清水匯流區(qū)、物源區(qū)和堆積區(qū)3個(gè)區(qū)域。清水匯流區(qū)面積約1．10km2，溝道高程范圍約為1 500～3 460m，該區(qū)植被覆蓋較好，溝道兩岸均為基巖出露，母巖以石英閃長(zhǎng)巖和鉀長(zhǎng)花崗巖為主。清水區(qū)溝道總長(zhǎng)約2 050m，溝道比降為956‰，溝道內(nèi)均為基巖出露，且溝道兩岸山坡陡峻，有利于降水迅速匯流。物源區(qū)主要分布在主溝的下游段，區(qū)域面積約0．82km2，高程范圍為1 319～1 500mm，物源區(qū)溝道長(zhǎng)為400m，溝道比降為452‰。泥石流堆積區(qū)主要介于干溝溝口公路和大渡河之間，海拔范圍1 260～1 319m，高差59m，縱坡167‰。堆積區(qū)呈扇狀分布，扇頂角為35°，扇體主軸方向長(zhǎng)285m，扇體表面縱坡9．8°，靠近大渡河的扇緣寬280m，面積約0．04km2。

受地形地貌條件的控制，干溝流域呈上陡下緩的地形特征。上游多為基巖出露，且坡表植被覆蓋較好，坡面侵蝕程度偏弱，可為泥石流發(fā)生所提供的物源量少。干溝泥石流物源主要來源于分布在溝道下游段右岸的堆積階地和溝道內(nèi)的松散物源，左岸多見基巖出露，物源量較少。從地貌部位上看，作為該溝泥石流主要物源的階地分布位置較低，高出大渡河河面約100m。階地的組成成分主要以中到細(xì)沙和礫石為主，無明顯的河流相沉積的層序，細(xì)沙和礫石的分選和磨圓度均較差，有一定的固結(jié)性，呈灰白色。通過對(duì)階地的特征調(diào)查及與大渡河階地、冰磧堆積體及崩坡積堆積體進(jìn)行對(duì)比分析，認(rèn)為干溝溝口階地的堆積物質(zhì)是來源于溝道上游早期冰川活動(dòng)后留下的冰磧，但這些冰磧通過后期的滑坡、崩塌等重力地貌過程后垮塌并成為松散固體物質(zhì)，再經(jīng)歷后期的冰水、洪水或泥石流的搬運(yùn)過程后在溝口附近堆積，并形成現(xiàn)在的階地。

根據(jù)調(diào)查，干溝右岸形成了3個(gè)明顯的階地，從上至下分別為第1級(jí)階地、第2級(jí)階地和第3級(jí)階地。由于第2級(jí)階地離溝道較遠(yuǎn)，故其對(duì)干溝泥石流物源的貢獻(xiàn)較小，而第1級(jí)階地和第3級(jí)階地的臨空面位于溝道內(nèi)，故這2個(gè)階地在臨溝道一側(cè)發(fā)育有多處表層的滑坡和崩塌體，為泥石流的形成提供了物源條件。根據(jù)野外調(diào)查資料，干溝右岸共發(fā)育有1處較大規(guī)模滑坡和多處規(guī)模不等的崩塌體。溝道內(nèi)的松散物源主要沿溝道分布，溝道寬度7～12m不等，從上游往下游逐漸變寬，堆積的平均體厚度從上段的8m向下段的4m過渡。

2 泥石流物源補(bǔ)給過程與機(jī)制分析

2．1 補(bǔ)給過程分析

常見的泥石流物源補(bǔ)給過程有2種。一種是“突發(fā)型”物源補(bǔ)給過程，即在泥石流發(fā)生前期沒有明顯的松散物質(zhì)來源，如在某一次降雨過程或其他水動(dòng)力條件下，因滑坡或崩塌運(yùn)動(dòng)過程產(chǎn)生大量的松散物源，直接轉(zhuǎn)化（如液化等）成泥石流物源的過程，這一過程往往在相對(duì)較短的時(shí)間內(nèi)完成，具有補(bǔ)給迅速的特點(diǎn)。如2005年干溝泥石流就是由溝口右岸階地滑坡而引發(fā)。另一種是“緩慢型”物源補(bǔ)給過程，即在泥石流發(fā)生前可以很明顯地識(shí)別到流域內(nèi)有大量松散物源的分布，這些物源往往是通過坡面侵蝕或溝道岸坡侵蝕匯集而成，多數(shù)在溝道內(nèi)堆積，并極易在溝道徑流的沖刷下啟動(dòng)而成為泥石流物源，這一過程往往需要較長(zhǎng)時(shí)間的物源匯集才能達(dá)到泥石流形成所需的物源量，且物源補(bǔ)給過程相對(duì)較為緩慢，從泥石流暴發(fā)的頻率特征上看，多為低頻泥石流。作為干溝泥石流的主要物源，雖然階地組成物具有較強(qiáng)的固結(jié)性，穩(wěn)定性也相對(duì)崩坡積物較好，但在強(qiáng)降雨和自身重力作用下，仍容易失穩(wěn)后形成滑坡或崩塌，這樣的現(xiàn)象在干溝內(nèi)仍隨處可見。通過野外調(diào)查，2005年干溝泥石流形成的物源主要來自于下游海拔1 390m處右岸的滑坡。通過對(duì)該次泥石流過程中補(bǔ)給物源的分布和形態(tài)特征調(diào)查，可大致分析出該次泥石流的物源補(bǔ)給過程。

首先，是干溝泥石流的啟動(dòng)型物源補(bǔ)給過程。這一過程是決定泥石流形成并啟動(dòng)的物源補(bǔ)給過程，即要達(dá)到從洪水向泥石流轉(zhuǎn)變所需的物源量臨界值。該過程伴隨著干溝右岸滑坡體的變形開始，至其破壞和滑動(dòng)而結(jié)束，在野外調(diào)查中能看到明顯的滑動(dòng)面和滑帶后緣。這類物源補(bǔ)給過程在泥石流的形成過程中尤為常見，它不但可以為泥石流的啟動(dòng)提供物源，也可以為泥石流啟動(dòng)后的運(yùn)動(dòng)持續(xù)提供物源并直到泥石流過程的結(jié)束，但這種物源補(bǔ)給過程往往較為單一［8－9］。

其次，是維持型物源的補(bǔ)給過程，即維持干溝泥石流運(yùn)動(dòng)的物源補(bǔ)給過程。在時(shí)間層面上，維持型物源補(bǔ)給過程往往是發(fā)生在啟動(dòng)型物源補(bǔ)給過程之后，具有相對(duì)的滯后性。該過程是在泥石流啟動(dòng)后或泥石流啟動(dòng)物源無法維持泥石流運(yùn)動(dòng)的條件下發(fā)生的，亦可看作是泥石流啟動(dòng)后的物源補(bǔ)充。就干溝而言，其維持型物源的補(bǔ)給主要來自溝道岸坡遭侵蝕和溝道內(nèi)固體物質(zhì)遭鏟蝕后形成的松散物質(zhì)。

通過對(duì)干溝的野外調(diào)查和估算，在2005年泥石流發(fā)生過程中，右岸產(chǎn)生的滑坡體總規(guī)模約9．0×104m3，現(xiàn)殘留的滑坡體規(guī)模約3．0×104m3，即在2005年泥石流過程中，干溝右岸滑坡為泥石流提供的物源量約6．0×104m3。通過對(duì)干溝泥石流堆積扇的調(diào)查、訪問和統(tǒng)計(jì)，2005年干溝泥石流沖出后，在堆積扇上形成平均厚度約2．0m的堆積層，即該次泥石流沖出的固體物質(zhì)規(guī)模約為9．0×104m3。由此可以判斷，在2005年干溝泥石流過程中，啟動(dòng)型物源的補(bǔ)給量為6．0×104m3，維持型物源的補(bǔ)給量為3．0×104m3，維持型物源量約占啟動(dòng)型物源量的1／2。

2．2 補(bǔ)給機(jī)制分析

泥石流物源的破壞過程受到許多外力作用的影響，在這些外力的作用下土體的平衡受到破壞并啟動(dòng)，參與泥石流形成過程。通過調(diào)查，干溝泥石流松散固體物源的補(bǔ)給方式主要有3類（圖1）。第1類是流域內(nèi)（尤其是干溝右岸的）堆積體在降雨或地震等因素作用下產(chǎn)生破壞而形成滑坡或崩塌，進(jìn)入溝道后成為泥石流物源。這類物源補(bǔ)給過程往往與土體結(jié)構(gòu)、抗剪強(qiáng)度、孔隙水壓力等參數(shù)的變化密切相關(guān)，故具有土力學(xué)的破壞機(jī)理特征［9］。第2類是溝道岸邊的堆積體在溝道徑流的側(cè)蝕和重力作用下遭到破壞，并在重力作用下產(chǎn)生坍塌后進(jìn)入溝道，成為泥石流物源。這類物源補(bǔ)給過程既與土體的抗剪強(qiáng)度有關(guān)，又與側(cè)蝕徑流的流速、流量及水深等水力學(xué)參數(shù)有關(guān)，故具有土力學(xué)和水力學(xué)的破壞機(jī)理特征［8］。第3類是溝道內(nèi)的松散堆積體在徑流的沖刷和鏟蝕作用下，對(duì)溝道內(nèi)暴露的固體顆粒產(chǎn)生拖拽及托浮等作用，使溝道內(nèi)的松散固體物質(zhì)產(chǎn)生揭底作用，成為泥石流物源。這類物源補(bǔ)給過程與固體顆粒的暴露度、粒徑級(jí)配及溝道徑流的瞬時(shí)流速等參數(shù)有關(guān)，故具有典型的水力學(xué)破壞機(jī)理特征［10－11］。

圖1 干溝泥石流物源補(bǔ)給機(jī)制示意圖

第1類物源的匯集與補(bǔ)給過程通常是對(duì)泥石流的形成起著決定性的作用，并為其提供啟動(dòng)型物源，故具有突發(fā)性，屬于突發(fā)型的物源匯集和補(bǔ)給過程。第2，3類物源的匯集量往往與匯集時(shí)間的長(zhǎng)短成正比，其補(bǔ)給過程也通常伴隨著泥石流的形成和運(yùn)動(dòng)，并為泥石流的運(yùn)動(dòng)提供維持型物源，故兩者具有相對(duì)第1類緩慢的匯集和補(bǔ)給特征。干溝泥石流物源的補(bǔ)給具有復(fù)合的過程，能代表冰磧補(bǔ)給性泥石流物源補(bǔ)給特征。

3 結(jié) 論

（1）干溝是一條典型的冰磧補(bǔ)給型泥石流溝，其物源主要來自下游長(zhǎng)約550m的溝道右岸階地，其階地的物源則主要來自上游經(jīng)過多次和多種水動(dòng)力過程搬運(yùn)后的冰磧，物源補(bǔ)給具有復(fù)合的補(bǔ)給過程與機(jī)制特點(diǎn)。同時(shí)，干溝泥石流的啟動(dòng)、流通和堆積均在長(zhǎng)約800m的下游溝道內(nèi)完成，是較為典型的冰磧補(bǔ)給型泥石流溝。

（2）通過對(duì)干溝泥石流物源補(bǔ)給過程中啟動(dòng)型物源和維持型物源的分類和估算，該溝泥石流的維持型物源量約占啟動(dòng)型物源量的1／2。這表明，在一次泥石流過程中，只有當(dāng)啟動(dòng)型物源量達(dá)到泥石流啟動(dòng)所需的臨界值后，才會(huì)形成泥石流；但泥石流的沖出距離、規(guī)模及持續(xù)時(shí)間則主要取決于維持型物源的多寡。啟動(dòng)型和維持型物源的分類對(duì)基于物源的泥石流預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)具有重要意義：?jiǎn)?dòng)型物源的分布和規(guī)模可作為泥石流預(yù)警的重要指標(biāo)；維持型物源的規(guī)模可以作為泥石流沖出規(guī)模估算和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的重要依據(jù)。

（3）目前對(duì)泥石流的前期預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)多是基于降雨的二次預(yù)報(bào)，這種預(yù)報(bào)雖然對(duì)多數(shù)泥石流而言具有一定的可操作性，但對(duì)于一些特殊物源補(bǔ)給的泥石流而言，就存在很大的局限性。如以豐富冰磧作為物源的冰磧補(bǔ)給型泥石流，雖然這類泥石流的物源穩(wěn)定性相對(duì)較好，松散物源的匯集速度也相對(duì)較為緩慢，但泥石流發(fā)生的頻率和規(guī)模大小則取決于其松散物源量的多寡。為此，今后對(duì)這類特殊物源補(bǔ)給類型的泥石流開展預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)，可考慮從基于降雨的預(yù)報(bào)向基于物源匯集速度或匯集量的預(yù)報(bào)方向轉(zhuǎn)變。

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