冰磧補(bǔ)給型泥石流形成機(jī)制研究
——以貢嘎山東坡小河子溝為例

江金濤，鐵永波，王帥(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)，北京 10008； 2.中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院，北京 10007；.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局成都地質(zhì)調(diào)查中心，成都 610081)

冰磧補(bǔ)給型泥石流形成機(jī)制研究
——以貢嘎山東坡小河子溝為例

江金濤1，2，3，鐵永波3，王帥1，2，3
(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)，北京 100083； 2.中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院，北京 100037；3.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局成都地質(zhì)調(diào)查中心，成都 610081)

冰磧補(bǔ)給型泥石流是發(fā)育在高海拔冰緣山區(qū)的一種特殊災(zāi)害地貌過(guò)程，以其物源“非粗化層”和不同粒徑土體同時(shí)啟動(dòng)的特點(diǎn)區(qū)別于一般水力類泥石流。冰磧土作為該類泥石流主要的啟動(dòng)物源，具有儲(chǔ)量豐富、集中分布、地貌部位高的特點(diǎn)。發(fā)育于貢嘎山東坡的小河子溝是典型的高地貌部位冰磧補(bǔ)給型泥石流，其物源匯集過(guò)程可分為以下3個(gè)階段：溝道匯集階段、土體粗化階段和循環(huán)凍融階段。這類泥石流的啟動(dòng)主要受前期持續(xù)降雨加短時(shí)強(qiáng)降雨激發(fā)，啟動(dòng)后具有放大效應(yīng)顯著、致災(zāi)能力強(qiáng)的特點(diǎn)。本文以小河子溝泥石流為例，提出了高地貌部位冰磧補(bǔ)給型泥石流的啟動(dòng)機(jī)制，研究成果將在此類泥石流防治及風(fēng)險(xiǎn)控制方面提供理論支撐。

冰磧補(bǔ)給型泥石流；高地貌；形成機(jī)制；貢嘎山；小河子溝

冰磧補(bǔ)給型泥石流是發(fā)育在高海拔冰緣山區(qū)的一種特殊災(zāi)害地貌過(guò)程，以冰磧物為主要物源補(bǔ)給[1]。在此之前，有諸多國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)冰緣區(qū)發(fā)育的泥石流做了大量研究[1-4]，主要針對(duì)以冰雪融水或冰湖潰決水為水動(dòng)力來(lái)源的冰川泥石流，它是一種與冰川運(yùn)動(dòng)密切相關(guān)的災(zāi)害地貌現(xiàn)象[2]。通過(guò)對(duì)貢嘎山東坡磨西河流域內(nèi)發(fā)育在冰緣區(qū)的泥石流調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，冰磧補(bǔ)給型泥石流是區(qū)別于冰川泥石流的發(fā)育在冰緣區(qū)的另一類典型地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)象。前者的主要水動(dòng)力來(lái)源為降雨，其在時(shí)間尺度上可滯后于冰川過(guò)程數(shù)百萬(wàn)年，在空間尺度上不局限于冰川活動(dòng)帶[1,3]。

冰磧物一般具有儲(chǔ)量豐富、集中分布、地貌部位高的特點(diǎn)，故冰磧補(bǔ)給型泥石流伴隨著頻率高、運(yùn)動(dòng)速度快、運(yùn)動(dòng)距離遠(yuǎn)、沖出規(guī)模大及危害嚴(yán)重等特點(diǎn)，具有極高的隱蔽性[4-8]。隨著山區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人類活動(dòng)加劇，在山區(qū)人口密集的城鎮(zhèn)及交通沿線都經(jīng)常遭遇冰磧補(bǔ)給型泥石流的危害。1953年9月我國(guó)西藏自治區(qū)境內(nèi)的古鄉(xiāng)溝暴發(fā)了規(guī)模巨大的泥石流災(zāi)害，造成帕隆藏布被堵塞成湖，140余人死亡的重大災(zāi)害，冰磧物沖出量達(dá)數(shù)百萬(wàn)立方米[9,10]；2005年8月11日，我國(guó)四川省境內(nèi)磨西河流域內(nèi)群發(fā)泥石流，公路、水電站等基礎(chǔ)設(shè)施受到重創(chuàng)，其沖出量一度堵塞大渡河，致使1 200余名游客在海螺溝景區(qū)受阻，造成數(shù)千萬(wàn)元的經(jīng)濟(jì)損失[11]。針對(duì)冰緣區(qū)這一典型泥石流災(zāi)害，已有學(xué)者對(duì)其做了初步研究，提出了冰磧補(bǔ)給型泥石流形成過(guò)程的4階段模式[1]。但對(duì)冰磧補(bǔ)給型泥石流啟動(dòng)機(jī)制的研究尚未深入，因此研究其啟動(dòng)機(jī)制對(duì)豐富和完善該學(xué)科體系具有一定的理論意義，研究結(jié)果將在此類泥石流防治及風(fēng)險(xiǎn)控制提供依據(jù)。

1 流域概況

小河子溝位于四川省磨西鎮(zhèn)新興鄉(xiāng)境內(nèi)，為磨西河一級(jí)支溝雅家埂河中段右岸支溝。流域平面上呈長(zhǎng)條形，面積19.1 km2，主溝長(zhǎng)8.1 km，寬約2.6 km，支溝不發(fā)育。溝道最高點(diǎn)海拔5 560 m，溝口海拔2 400 m，相對(duì)高差3 160 m，溝道平均縱坡降217 ‰。2005年8月11日小河子溝發(fā)生以冰磧土為主要物源的大型泥石流，破壞溝口橋梁和公路，嚴(yán)重阻礙了交通。

小河子溝所處貢嘎山位于青藏板塊與揚(yáng)子板塊交接帶上，在構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈的背景下，流域受鮮水河斷裂分支磨西斷裂帶影響強(qiáng)烈。磨西斷裂N-S向展布于小河子溝口，與溝道走向垂直。小河子溝流域正好處在活動(dòng)斷裂帶的強(qiáng)烈抬升區(qū)，河流下切侵蝕現(xiàn)象明顯，溝谷狹窄。流域內(nèi)巖性組合特征復(fù)雜，地貌上段以元古代花崗閃長(zhǎng)巖為主，中下段則為二疊系綠片巖等淺變質(zhì)巖，溝口可見(jiàn)少段泥盆系結(jié)晶白云巖；基巖節(jié)理裂隙發(fā)育，結(jié)構(gòu)破碎。

冰川地質(zhì)作用在極地、高緯度和高山寒冷地區(qū)占顯著地位。更新世以來(lái)，貢嘎山經(jīng)歷了5次冰期(據(jù)陳富斌(1997)補(bǔ)充)[12]。其中對(duì)小河子溝流域影響最為顯著的兩次冰期發(fā)生在晚更新世和全新世。晚更新世的晚貢嘎冰期規(guī)模較大，對(duì)區(qū)內(nèi)地貌格局影響程度最高。此次冰期奠定了流域內(nèi)冰川地貌格局和冰磧物物源全流域分布特點(diǎn)，形成了形態(tài)完整的終磧、側(cè)磧、冰磧湖。全新世新冰期完成了對(duì)流域上段冰磧物的補(bǔ)充和改造，形成了現(xiàn)代冰川前端不遠(yuǎn)的終磧、低側(cè)磧、冰磧湖。冰磧新鮮，山谷冰川、冰斗冰川規(guī)模較小。

流域上段(海拔4 000 m以上)常年冰雪覆蓋，植被稀少，裸露基巖以堅(jiān)硬巖類斜長(zhǎng)花崗巖為主，結(jié)構(gòu)破碎。地貌上具有冰川地貌的特點(diǎn)，刃脊發(fā)育，岸坡陡直，基巖受凍融破壞作用；溝道內(nèi)現(xiàn)代冰川規(guī)模較小，冰磧物堆積層厚，是流域內(nèi)泥石流的主要啟動(dòng)物源。流域中段(海拔3 230～4 000 m)溝道狹窄，岸坡有不同厚度冰磧物覆蓋層(圖1(a))，是岸坡崩塌滑坡的主要物質(zhì)來(lái)源。流域下段(海拔2 400～3 230 m)溝道呈深切“V”型谷，坡腳“干凈”，局部地區(qū)基巖可見(jiàn)，是常年冰雪融水沖刷的結(jié)果，融水形成的常年徑流流量約6.7 m3/s。岸坡植被覆蓋率高，崩滑現(xiàn)象明顯少于中段，通過(guò)坡面泥石流規(guī)模，推測(cè)斜坡冰磧物厚約10 m(圖1(b、c))。

圖1 小河子溝流域特征

2 小河子溝泥石流物源特征分析

小河子溝泥石流物源主要為冰川形成的冰磧物，來(lái)自溝道岸坡坍塌及溝道堆積土體。小河子溝流域內(nèi)冰川活動(dòng)周期長(zhǎng)、影響范圍廣，長(zhǎng)期積累下的冰磧物在流域上段溝床內(nèi)厚度達(dá)數(shù)十米。岸坡崩滑常發(fā)育在坡度較大的斜坡，是重力作用下斜坡失穩(wěn)后在坡腳附近堆積碎石的現(xiàn)象。由于小河子溝處于冰緣區(qū)的特殊地貌原因，岸坡崩滑現(xiàn)象還受凍融作用影響。凍融破壞作用分為循環(huán)式凍融、季節(jié)式凍融和坡向式凍融作用[3]。

小河子溝泥石流物源儲(chǔ)量豐富、集中分布、地貌部位高。遙感資料顯示，主要冰磧物物源分布于海拔4 000 m以上的冰緣區(qū)，補(bǔ)給段長(zhǎng)達(dá)5 km，占流域全長(zhǎng)的1/4，是小河子溝泥石流的主要物源類型。溝道沿線岸坡崩塌、滑坡也能為泥石流提供物源。

通過(guò)對(duì)流域內(nèi)冰磧物進(jìn)行調(diào)查和取樣，查明了冰磧物粒徑弱雙峰型分布特征(圖2)。冰磧物固體顆粒粒徑分布范圍較廣，最小粒徑范圍至粉砂級(jí)，最大粒徑可達(dá)超過(guò)2 m的巨石。小于2 mm的砂粒和大于60 mm范圍的固體顆粒含量較高，組成弱雙峰，占樣品總質(zhì)量的73.6%。而粒度2～60 mm之間各組的固體物質(zhì)含量相對(duì)較低，平均含量為7.3%。

圖2 冰磧物顆粒級(jí)配

3 小河子溝泥石流形成過(guò)程分析

3.1 泥石流物源匯集過(guò)程

泥石流的形成必須滿足3個(gè)有利條件：陡峻的山地地形、足夠的水動(dòng)力來(lái)源和豐富的物源。小河子溝泥石流完全具備了前兩個(gè)有利條件，而物源的分布情況直接影響泥石流的形成過(guò)程，其匯集方式是影響泥石流啟動(dòng)過(guò)程的直接因素。根據(jù)對(duì)小河子溝泥石流的調(diào)查研究，將高地貌部位冰磧補(bǔ)給型泥石流的啟動(dòng)過(guò)程分為以下3個(gè)階段(圖3)。

圖3 小河子溝泥石流物源匯集過(guò)程示意圖

溝道匯集階段：溝道匯集是岸坡崩滑作用下固體物質(zhì)在溝道的匯集作用。小河子溝岸坡陡直，在重力作用下斜坡基巖穩(wěn)定性較低并常以崩塌、滑坡等破壞形式匯集在溝床兩側(cè)。崩滑產(chǎn)生的松散固體物質(zhì)粒徑范圍較廣，和溝床內(nèi)原有的冰磧土混雜，組成非粗化層特征的泥石流物源。

土體粗化階段：土體粗化發(fā)生在溝床松散固體物質(zhì)的表層，是小規(guī)模溝道徑流和冰雪融水對(duì)小粒徑土體的沖刷搬運(yùn)，致使溝床表層松散固體物質(zhì)小粒徑物質(zhì)流失而表現(xiàn)出土體粗化的現(xiàn)象。一般水力類泥石流物源匯集方式比較單一，其物源“粗化”特征明顯。而高地貌部位冰磧補(bǔ)給型泥石流物源匯集過(guò)程中，松散固體物質(zhì)在溝床表層匯集頻繁，使得這類泥石流物源粗化現(xiàn)象不顯著。

循環(huán)凍融階段：凍融作用在高海拔地區(qū)泥石流物源匯集過(guò)程中極為重要，有循環(huán)凍融的特點(diǎn)。凍融破壞作用受溫差影響，主要反映在晝夜溫差、季節(jié)溫差和坡向溫差上。溫差反復(fù)變化下，斜坡表面細(xì)小土粒的微裂隙中的水膜楔壓力會(huì)隨著這一過(guò)程發(fā)生改變，導(dǎo)致細(xì)顆粒物質(zhì)剝離坡體，并覆蓋在受溝道徑流沖刷形成的溝床粗化層上。循環(huán)凍融作用一方面讓泥石流物源匯集頻繁，另一方面使得溝床松散固體物質(zhì)表現(xiàn)出“非粗化層”的特征。

3.2 降雨匯流與泥石流啟動(dòng)階段

小河子溝泥石流的啟動(dòng)階段又分為降雨匯流過(guò)程和泥石流啟動(dòng)過(guò)程。降雨是泥石流啟動(dòng)的主要?jiǎng)恿l件，對(duì)發(fā)育在冰緣區(qū)的高地貌部位冰磧補(bǔ)給型泥石流而言，岸坡陡直、基巖裸露的特點(diǎn)利于降雨快速匯流和降低下滲水量。因此該類型泥石流降雨匯流能力常高于一般水力類泥石流。匯流形成的溝道徑流對(duì)溝床松散物質(zhì)的鏟蝕搬運(yùn)即是泥石流啟動(dòng)過(guò)程。

氣象記錄資料顯示，2005年8月11日泥石流發(fā)生前16 d(含11日)中，小河子溝流域附近總降雨量高達(dá)172.5 mm，日平均降雨量10.8 mm，除8月4日外均有不同規(guī)模降雨發(fā)生(圖4)。其中日降雨量大于10 mm有6 d，日降雨量大于30 mm有2 d，8月5號(hào)日降雨量達(dá)40.3 mm。但11號(hào)泥石流發(fā)生當(dāng)天，日降雨量?jī)H為5.7 mm，低于日平均降雨量(10.8 mm)。由此可見(jiàn)，前期連續(xù)降雨加短時(shí)強(qiáng)降雨是激發(fā)本次泥石流發(fā)生的主要原因。并且在降雨強(qiáng)度不大但連續(xù)降雨過(guò)程中，泥石流發(fā)生具有一定的滯后效應(yīng)[13]。

圖4 流域內(nèi)2005年降雨特征圖

溝道徑流對(duì)溝床表層冰磧土產(chǎn)生揭底鏟蝕等破壞作用使其剝離溝床啟動(dòng)。由于冰磧補(bǔ)給型泥石流物源不具有粗化層，物源土體中的粗顆粒和細(xì)顆?；祀s，不同粒徑的土體幾乎同時(shí)啟動(dòng)——與一般水力類泥石流粗細(xì)顆粒先后啟動(dòng)的機(jī)制截然不同。而物源具有“粗化層”的一般水力類泥石流啟動(dòng)過(guò)程，則是表層的粗顆粒先啟動(dòng)，底層的細(xì)顆粒失去“粗化層”的保護(hù)才開(kāi)始啟動(dòng)，具有顯著的時(shí)間先后關(guān)系。對(duì)比高地貌部位冰磧補(bǔ)給型泥石流與一般水力類泥石流的啟動(dòng)機(jī)制的差異見(jiàn)表1。

3.3 泥石流流量放大階段

2015年8月11日小河子溝發(fā)生泥石流，在溝岸留下泥痕。通過(guò)在小河子溝流域下段流通區(qū)實(shí)測(cè)2條泥痕明顯的泥石流斷面，按照王繼康等在1982年提出的粘性泥石流流速經(jīng)驗(yàn)公式[14]，推算出泥石流的流速、流量等動(dòng)力學(xué)參數(shù)(表2)。泥石流斷面1位于斷面2上游30 m，泥石流從斷面1向斷面2流通的過(guò)程中，有3個(gè)明顯的動(dòng)力學(xué)參數(shù)變化：斷面面積增加、泥石流流速減小、流量增加。

表1 冰磧補(bǔ)給型泥石流與一般水力類泥石流的啟動(dòng)機(jī)制對(duì)比表

表2 小河子溝泥石流動(dòng)力學(xué)參數(shù)

泥石流啟動(dòng)之后，形成含大量泥沙的漿體，這種漿體較清水徑流對(duì)溝道松散堆積物破壞能力更強(qiáng)。泥石流對(duì)溝道固體物質(zhì)破壞形式主要分為溝床鏟蝕和坡腳側(cè)蝕，后者產(chǎn)生的坡腳土體破壞使得斜坡表層的土體失穩(wěn)并崩滑在溝道內(nèi)成為泥石流物源。溝床鏟蝕和斜坡破壞過(guò)程中，斷面面積會(huì)不斷增加；斷面面積增大后，泥石流在溝道內(nèi)束縛力減小而流速降低；溝道內(nèi)松散固體物質(zhì)加入到泥石流漿體中，又使得泥石流流量增加。在泥石流發(fā)生過(guò)程中，常常發(fā)生泥石流流量增大的現(xiàn)象，稱之為“滾雪球效應(yīng)”。由于高地貌部位冰磧補(bǔ)給型泥石流破壞能力強(qiáng)、物源豐富，這種效應(yīng)更為明顯，表現(xiàn)為小河子溝泥石流兩個(gè)相距30 m的泥石流斷面流量增加了84.7 m3。

3.4 泥石流堆積階段

流域溝口一般地勢(shì)開(kāi)闊，地形傾角小于10°。泥石流沖出溝口，動(dòng)能消耗以后便堆積成扇形，是為泥石流堆積區(qū)。

小河子溝口位于雅家埂河，該處河床寬約150 m。據(jù)估計(jì)2005年小河子溝泥石流固體沖出方量高達(dá)24×104m3，泥石流沖出溝口后向雅家埂河下游方向淤積，形成扇形狀不顯著的堆積區(qū)。小河子溝泥石流堆積區(qū)面積0.8 km2，平均堆積厚度3 m。泥石流堆積體漂卵石含量約35%，成分以斜長(zhǎng)花崗巖為主，粒徑一般5～80 cm，最大達(dá)200 cm，次棱角狀，碎石含量約10%，次磨圓狀，粗砂含量約55%；固結(jié)良好，含水率高。

與一般水力類泥石流不同，由于高地貌部位冰磧補(bǔ)給型泥石流以冰磧土作為物源豐富、補(bǔ)給段長(zhǎng)，泥石流沖出方量一般較大。其泥石流沖出物保留有冰磧物的特點(diǎn)，粒徑較大的漂石、塊石含量較高，且具有一定磨圓度。固體物質(zhì)含量高、塊徑大的特點(diǎn)，使得這類泥石流沖擊力較大，致災(zāi)性極強(qiáng)。

4 結(jié)論

小河子溝屬于降雨型高地貌部位冰磧補(bǔ)給泥石流溝。泥石流物源以上段冰磧物為主，是小河子溝的主要啟動(dòng)物源，中下段溝道松散堆積體和岸坡崩滑體組成了重要的維持型物源。冰磧物作為主要的啟動(dòng)型物源位于海拔4 000 m以上常年凍融區(qū)，具有儲(chǔ)量豐富、集中豐富、地貌部位高的特點(diǎn)。中段溝道內(nèi)松散堆積體和流域內(nèi)岸坡崩滑體是泥石流的維持型物源，控制著泥石流發(fā)生的規(guī)模、持續(xù)時(shí)間，在啟動(dòng)順序上一般滯后于啟動(dòng)型物源。

高地貌部位冰磧補(bǔ)給型泥石流物源匯集分為以下3個(gè)階段：溝道匯集階段、土體粗化階段和循環(huán)凍融階段。與一般水力類泥石流物源匯集過(guò)程不同，高地貌部位冰磧補(bǔ)給型泥石流物源匯集不僅受重力作用，還受循環(huán)凍融作用影響。除降雨外，冰川融水也是這類泥石流物源匯集的重要水動(dòng)力來(lái)源。

前期持續(xù)降雨加短時(shí)強(qiáng)降雨是高地貌部位冰磧補(bǔ)給型泥石流的激發(fā)雨型特點(diǎn)。降雨形成的溝道徑流沖刷侵蝕溝道內(nèi)形成的“非粗化層”物源，不同粒徑的土體幾乎同時(shí)啟動(dòng)。這類啟動(dòng)于高地貌部位的泥石流，流速較大的同時(shí)具有較強(qiáng)的破壞能力，常在流通過(guò)程中鏟蝕溝道內(nèi)松散物源形成泥石流放大現(xiàn)象。

目前對(duì)這類泥石流的研究尚不成熟，因此急需開(kāi)展具有針對(duì)性的試驗(yàn)研究，對(duì)高地貌部位冰磧補(bǔ)給型泥石流形成的整個(gè)連續(xù)過(guò)程進(jìn)行探索。研究成果將在冰磧補(bǔ)給型泥石流防治及風(fēng)險(xiǎn)控制方面提供重要的理論支撐。

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作者簡(jiǎn)介：江金濤(1991- )，男，湖北新洲人，碩士研究生，主要從事環(huán)境地質(zhì)和災(zāi)害地貌方向研究。E-mail:jiang564487079@126.com

STUDY ON THE FORMING MECHANISM OF MORAINE-SUPPLIED DEBRIS FLOW——TAKE XIAOHEZI VALLY IN THE EAST SLOPE OF GONGGA MOUNTAIN AS AN EXAMPLE

JIANG Jin-tao1, 2, 3, TIE Yong-bo3,WANG Shuai1, 2, 3
(1.China University of Geoscieces Beijing, Beijing 10083,China;2.Chinese Academy of Geological Sciences, Beijing 100037,China;3.Chengdu Center of China Geological Survey, Chengdu 610081, China)

Moraine-supplied Debris Flow is a special disaster relief process developed in periglacial high altitude mountain, which is different from general hydraulic debris flow are its source of the “non-armoring layer” and different particle size of soil starting at the same time. As the main starting material, moraine has the characteristics of abundant reserves, concentrated distribution, high landforms. Xiaohezi Vally, which is developed in the east slope of Gongga Mountain River, is typical highland appearance parts of Moraine-supplied Debris Flow. The provenance collection process can be divided into the following three stages: channel collection stage, soil coarsening stage and cyclic freezing and thawing stages. The initiation of this type of debris flow is mainly affected by the initial precipitation and Short-time Heavy Rainfall excitation, which has the characteristics of significant amplification effect and strong ability of disaster. This paper takes Xiaohezi Vally in the east slope of Gongga Mountain as an Example, and puts forward the mechanism of Moraine-supplied Debris Flow in high profile,the research results will be useful in the prevention and risk control for this kind of debris flow.

moraine-supplied Debris Flow;high altitude; forming Mechanism; Gongga Mountain; Xiaohezi Vally

1006-4362(2016)04-0021-05

2016-07-19改回日期： 2016-10-09

中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局公益性地調(diào)項(xiàng)目(DD20160274)"烏蒙山區(qū)北部城鎮(zhèn)地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查"

P642.23

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