西藏天摩溝泥石流形成機制與成災特征

高 波，張佳佳，王軍朝，陳 龍，楊東旭

(1. 中國地質科學院探礦工藝研究所，四川 成都 611734；2. 中國地質調查局地質災害防治技術中心，四川 成都 611734)

天摩溝位于帕隆藏布流域東部，該流域位于西藏東南部，雅魯藏布江大拐彎東北側。流域面積28 801.45 km2，發源于伯舒拉嶺西面冰川，途經仲巴、松宗、波密、通麥，在雅魯藏布江大拐彎頂部的覺東附近匯入主河，在行政上分屬波密、林芝、嘉黎、邊壩和八宿縣[1]。流域地殼活動性強，海洋性冰川發育程度高，活動性強，冰川地貌發育。隨著全球氣溫逐漸升高，該區冰川逐年退縮，在溝谷流域中上部遺留下大量的冰磧物和冰水融水產生的崩滑堆積物，在溝內常年冰雪融水作用下易啟動形成泥石流。加之地處高山峽谷區，山高谷深，同時又位于西藏東南部降雨中心位置，在降雨和冰雪融水共同作用下該區泥石流啟動臨界雨量相較于普通溝谷泥石流要低。該區雨水充足，植被覆蓋率高，傳統地面調查和遙感解譯難度很大，尤其在物源調查上精度較低。因此總體上該區泥石流具有高易發性、高隱蔽性和高突發性的特征。

帕隆藏布流域泥石流研究從1954年川藏公路建設初期交通部門對公路沿線的災害普查開始，積累了豐富的研究成果。不同學者在泥石流類型、誘發因素、形成機制、活動特征等方面做了大量研究工作。胡桂勝等[2-3]將林芝地區泥石流按照激發條件分為降雨型泥石流，冰川降雨型泥石流，冰崩、雪崩型泥石流，冰湖、堰塞湖潰決型泥石流共4類；呂儒仁等[4]按不同的水源補給方式將林芝地區泥石流分為降雨型泥石流和冰川泥石流。鄧明楓等[5]對天摩溝泥石流形成條件進行了研究，發現年際水熱條件和前期水熱條件變化是引發冰川泥石流的重要原因；陳寧生等[6]認為溫度和降水波動性變化以及不同水熱組合影響林芝地區泥石流發育；劉建康等[7]通過對古鄉溝泥石流研究發現泥石流暴發與日降雨和日最高氣溫存在密切關系。鄧養鑫[8]對冰磧向冰川泥石流轉化進行了詳細分析，認為當冰磧堵塞體潰決時冰磧將以牽引式和推移式兩種方式啟動，前者往往形成黏性泥石流，后者多形成稀性泥石流；中國科學院-水利部成都山地災害與環境研究所等單位[9]對川藏公路沿線典型冰湖潰決泥石流、冰川泥石流、冰川-降雨泥石流和降雨泥石流形成機理進行了研究，指導了該區泥石流研究和防治工作；鐵永波等[10]系統總結了現有冰川泥石流形成機理，同時提出了5個冰川泥石流形成機理的未來研究方向。杜榕桓等[11]對西藏高原東南部冰川泥石流的研究發現其活動具有暴發頻繁、規模大、首次暴發或停息若干年后再暴發常形成特大型泥石流、泥石流活動呈波浪式發展等特點；李鴻璉等[12]對我國冰川泥石流的活動周期、年際活動特征和季節性活動特征進行了深入研究；高波等[13]對帕隆藏布流域典型冰川泥石流進行研究發現，溝谷形態為U型谷的大型冰川泥石流一般情況下支溝泥石流較主溝泥石流活躍。

以上研究多聚焦于某次泥石流活動，針對該區多期高頻泥石流活動下的發展演變特征的研究相對較少。本文選取帕隆藏布流域內天摩溝為研究對象，天摩溝為典型冰川谷，“漏斗形”流域形態，溝源處冰川發育，溝內冰磧物豐富，且暴發過多次泥石流活動，同時具有冰川泥石流和降雨泥石流的特征，對溝口對岸國道G318造成極大危害，其形成條件、發育和演變特征具有一定代表性?；谇叭搜芯砍晒Y合現場調查和走訪，對比分析了天摩溝泥石流形成機制和成災特征，為帕隆藏布流域泥石流調查和評價提供了理論支持，同時對川藏公路等生命干線的保護具有實際指導意義。

1 天摩溝流域概況

1.1 地質環境條件

天摩溝位于西藏林芝市波密縣松繞村，流域面積17.9 km2，東距波密縣城48.7 km，西距林芝市160.3 km。大地貌為構造侵蝕中高山峽谷地貌，具有冰川谷和山麓洪積扇地貌單元，屬帕隆藏布左岸一級支流。天摩溝在區域構造上屬雅魯藏布江縫合帶東側，岡底斯—拉薩陸塊中嘉黎—嘎龍寺弧-弧碰撞帶西端。帕隆藏布流域內主要構造軸線呈弧形展布，次級褶皺、斷裂構造軸線呈NW—SE向。天摩溝流域內斷裂構造主要有F1正斷層、F2逆斷層(圖1)，出露基巖為元古界片麻巖、侏羅紀石英閃長巖，受斷裂和凍融作用影響，節理裂隙發育，表面破碎。據《中國地震動峰值加速度區劃圖》(GB 18306—2015)，天摩溝所在區域地震動峰值加速度為0.3g。

1.2 泥石流災害史(截至2018年8月31日)

2007年9月4日天摩溝暴發泥石流，一次沖出固體物總量約76×104m3，造成1人死亡，7人失蹤，9人受傷，2戶民房被毀，沖毀農田2 hm2，松繞吊橋被毀，國道318交通中斷約43 h。

2010年7月25—31日天摩溝發生4次中性泥石流，總沖出固體物質21×104m3，堵塞帕隆藏布15 min，450 m國道和76 m比通橋被毀，右岸遭受河水侵蝕后退110 m。2010年9月5—8日再次暴發泥石流，松繞吊橋被完全摧毀。2010年天摩溝泥石流造成國道318斷道16 d，直接經濟損失1970萬元[14-15]。

圖1 天摩溝流域地層與構造簡圖Fig.1 Simplified diagram showing strata and geological structures

2018年7月11日天摩溝再次發生大型泥石流，約18.7×104m3泥石流物質短時間從溝內沖出，堵斷主河帕隆藏布，直沖右岸國道318之上，掩埋長約220 m公路(圖2)，斷道3 d，1輛面包車被毀(圖2a)，上游形成小型堰塞湖，松繞村村道被淹沒(圖2b)，帕隆藏布主河位置從右岸被迫改道至左岸。7月12晚溝內發生堵塞，造成斷流。7月13日堵塞體潰決(圖2c)，暴發中型泥石流，泥石流物質沖入帕隆藏布內，未堵塞主河。7月15日內陸續發生小—中型泥石流達7～8次(圖2d)，至此主河又從左岸遷移至靠近右岸，導致下游河岸坡腳遭受河水掏蝕(圖2e)。8月1日起塌岸加速，8月2日右岸坍塌順公路長約541 m，寬121 m，兩棟房屋和小范圍農田被毀，無人員傷亡。

2 “7.11”泥石流形成條件分析

2.1 降雨

2018年7月9日波密縣開始降雨，白天降雨較小，夜間雨勢增大，至7月11日泥石流暴發之后依然小雨持續，7月13日白天降雨較大，后續小雨一直不斷。參考天摩溝下游22 km處雨量監測站7月8—17日間降雨數據(圖3)，7月8日開始降雨，后續每日雨勢增大，至7月10日日降雨量達到最大值38 mm，泥石流暴發之后日降雨量有減小趨勢，7月15日再次出現峰值(日降雨量25.8 mm)，之后逐漸減小至雨停。參考前人關于該區泥石流啟動降雨閾值研究成果[16]，該區泥石流啟動溝口日降雨量約為23.9 mm，小時降雨量為3.3～3.6 mm，相比其它區域該區泥石流啟動雨量和激發雨強都明顯偏低[17]。7月11日最大規模泥石流前期降雨量已超過啟動降雨閾值23.9 mm，且為泥石流前后最大降雨，從而引發“7.11”最大規模泥石流活動。

圖2 2018-07-11泥石流成災特征Fig.2 Disaster characteristics of the debris flow on July 11 of 2018

圖3 泥石流暴發前后日降雨量統計Fig.3 Daily rainfall statistics before and after debris flow outbreak

7月12日降雨較11日再次增大，引發溝岸坡面物源失穩堵塞溝道，7月13日持續降雨下發生潰決形成小型泥石流。7月15日第二高降雨峰值依然超過降雨閾值23.9 mm，當日陸續暴發多次小型泥石流活動，之后降雨漸小至停，泥石流活動隨即停止?？傮w上本次泥石流活動與降雨關系密切。

2.2 地形

天摩溝位于帕隆藏布江左側凸岸，流域上呈南西高、北東低地形特征，流域形態似“漏斗形”，流域面積約17.9 km2，發育1條較大支溝，主溝長7.10 km，平均溝床比降286‰(不含堆積區)，形成區縱比降413‰，流域平均坡度39.8 °(不含堆積區)，主溝呈“V”型地貌。流域溝口海拔2 460 m，最高峰5 560 m，相對高差達3 100 m。溝谷上游海拔3 800 m以上發育有現代冰川，總面積4.7 km2，溝源處懸冰川3.87 km2，溝道內山谷冰川0.83 km2?？傮w上流域具有高差大、縱比降較大、溝道狹窄、冰川發育的特點，陡峻的地形和冰川作用為泥石流發育提供了良好的勢能條件。

2.3 物源

通過對WorldView遙感影像(2016年3月17日，分辨率0.5 m)解譯(圖4)，借鑒前人的物源計算公式[18-19]，“7.11”泥石流前天摩溝內分布滑坡堆積體2處，總面積5.1×104m2，體積為31.10×104m3；崩塌堆積體2處，總面積0.9×104m2，體積1.30×104m3；溝道堆積物2處，總面積8.5×104m2，體積為6.82×104m3；冰磧物5處，總面積51.6×104m2，體積775.50×104m3。流域內物源靜儲量為814.7×104m3，動儲量85.64×104m3(表1)，冰磧物穩定性好，只有在大型泥石流鏟刮下啟動，相比之下崩滑類物源和溝道堆積物源在暴雨條件下更易于啟動。豐富的物源是形成“7.11”泥石流的物質基礎。

圖4 物源分布圖(2016-03-17)Fig.4 Materials source map(2016-03-17)

3 泥石流成災特征分析

3.1 泥石流物源變化特征

通過對2006年4月30日QuickBrid影像(分辨率0.61 m)數據進行解譯(圖5)和現場調查發現，主溝左岸沒有發育滑坡型物源，崩塌和溝道堆積物源也相對較少，整體上溝內物源發育程度一般，說明天摩溝在老泥石流活動之后處于間歇期，泥石流易發程度低。對比分析2006年影像解譯結果發現，2016影像顯示主溝中部左岸新發育兩處滑坡型物源，總面積5.2×104m2，說明此兩處溝岸物源參與了2007年或2010年泥石流，同時上部的小范圍崩塌也可能是啟動物源之一。根據文獻[15]，2007年為溝源冰雪融水引發巖崩形成泥石流，2010年為降雨條件下該處物源堵塞主溝潰決形成泥石流。結合現場調查和無人機航拍對比前期相關照片，分析2018年泥石流為主溝上游巖崩碎屑率先啟動形成大型泥石流。綜合3年泥石流形成特征，該溝谷同時具有冰川泥石流和降雨泥石流的發育特征，啟動物源與觸發條件相關，為一典型冰川-降雨型泥石流溝谷，冰川泥石流和降雨泥石流交替出現，且冰川泥石流規模相對較大。

表1 泥石流物源分布統計Table 1 Statistical of materials sources

圖5 物源分布圖(2006-04-30)Fig.5 Materials source map(2006-04-30)

該溝谷在經歷了3次泥石流活動后溝內物源發生了較大變化，主要表現為滑坡型物源和溝道堆積型物源的增加，如左岸新發育的兩處滑坡物源。通過對比分析兩期遙感影像物源解譯結果(表2)發現，2006年之前溝內物源相對較少，在之后的4個水文年中發生3次泥石流活動，2010年泥石流后(2016年影像解譯)，截至2018年泥石流活動，溝內物源明顯增加。表2表明：滑坡型物源面積增加0.8×104m2，溝道堆積物源面積增加4.9×104m2，崩塌型物源面積增加0.5×104m2，冰磧物物源面積減少1.8×104m2，變化量分別為18.2%、71.4%、136.1%、-3.4%。2007年和2010年泥石流改變了溝內物源分布情況，產生大量物源，新增的物源大部分都轉化為溝道堆積物源或排泄至主河。

表2 物源變化統計

3.2 泥石流擠壓河道特征

通過查閱相關資料發現，關于天摩溝2007年之前暴發泥石流的記載很少，但通過解譯和現場調查發現溝口存在一老泥石流堆積扇(圖6a)，證明該溝谷為一老泥石流溝。通過對兩期遙感影像的堆積區進行對比解譯，結合現場調查發現2006年天摩溝溝口河道平均寬度53 m。2007年泥石流堆積區覆蓋在老泥石流堆積區之上并且向兩側擴大，總面積39.7×104m2。2010年泥石流堆積區在2007年泥石流堆積區上并沒有向兩側擴展，泥石流物質更多地沖到河谷之中(圖6b)，泥石流過后主河被擠壓至右岸，強烈地侵蝕右岸比通溝堆積區，溝口河道最窄處33 m，最寬處150 m，堆積區總面積約10×104m2。2018年泥石流與2010年泥石流相似，堆積區向兩側擴展(總面積7×104m2)很少，泥石流主要沖至右岸國道318上和主河之中(圖6)，河水從左岸側蝕部分2010年泥石流物質，使得河道重新回到左岸，因后續泥石流活動，河道最終又回到右岸位置，4次泥石流活動中河道最大偏移距離190 m。2018年泥石流活動中河道歷經多次變道，2010年泥石流同2018年泥石流均為主泥石流加后續多陣次較小規模泥石流，由此判斷2010年河道也被泥石流擠壓變道多次，從而使得河流側蝕部位和強度都發生變化，對河岸穩定性造成影響。

圖6 泥石流堆積區擠壓河道Fig.6 Debris flow accumulation area squeezes the river course

3.3 泥石流流速特征

根據現場調查發現，天摩溝2018年7月11日泥石流物質大部分堆積在河流右岸老泥石流堆積物和國道318上，在天摩溝口堆積區上堆積物相對較少，泥石流沖出溝口后高速運動沖過帕隆藏布，撞擊到右岸比通溝口堆積區公路旁的陡坎后停止運動。此外，根據現場經歷者回憶，當時一輛小型面包車經過此處時被高速泥石流擠壓的河水沖到國道318上后向兩側擴展流動，汽車漂浮在水中被旋轉推移運動約60 m(圖6)，歷時2 s。由此說明此次天摩溝泥石流流速快。通過對右岸堆積區泥石流物質取樣(圖6c)計算其容重為2.10 g/cm3，為黏性泥石流。

選取溝口P1剖面進行流速計算(圖6)，此位置泥位較穩定，易于獲取數據，泥痕高度25～30 m，平均27 m(圖7c)，采用此區黏性泥石流流速通用計算公式[20]以最大泥痕高度30 m計算出天摩溝“7.11”泥石流流速為15.0 m/s。

(1)

式中：Vc——泥石流斷面平均流速/(m·s-1)；

nc——黏性泥石流的河床糙率，用內插法查表可得；

Hc——泥石流計算斷面平均泥深/m；

Ic——泥石流水力坡度/‰，一般用溝床縱坡代替。

參考前人有關2007和2010泥石流流速計算結果[15](表3)對比分析可得：2018年泥石流流速介于2007年泥石流和2010年泥石流之間，天摩溝泥石流為黏性泥石流，流體有陣性，流速快、破壞力強。

表3 天摩溝泥石流流速

4 泥石流形成機制及發展趨勢

4.1 泥石流形成機制

天摩溝“7.11”泥石流與2007年泥石流類似，誘發因素主要為降雨[21-22]，在2018年7月8—10日降雨共計90 mm，達到泥石流啟動臨界閾值。天摩溝內植被茂密，降雨作用下坡面徑流沖刷溝內和坡面碎屑物質的作用相對較弱，主溝內兩岸坡面物源啟動相對較少。天摩溝內冰川分布范圍大(圖7a)，降雨條件下主要促使了溝源懸冰川和溝道內山谷冰川進一步消融，導致溝內徑流增大。通過仔細對比泥石流前后天摩溝內現場照片，溝道兩岸無明顯大范圍失穩現象，本次泥石流主要啟動物源為溝源右側高位的基巖崩塌(圖7)。該處物源分布高程為4 450～4 750 m，遭受強烈的凍融風化作用，巖體結構破碎，主溝上游冰川融水對其不斷沖刷使其穩定性不斷降低，同時雨水和融水順結構面等裂隙進入巖體內部，在孔隙水壓力作用下最終失穩，固體物質、冰雪融水和坡面雨水同時匯入溝內向下運動。同時，隨著冰川融水流量增大，山谷冰川加速消融(圖7b)，兩者水量匯集溝道內，在山谷冰川未完全消融前已從上游開始啟動溝道物質形成泥石流。泥石流在運動過程中強烈下切侵蝕溝道(圖7c)，裹挾原溝道泥石流堆積物和山谷冰川一起運動，同時鏟刮溝道兩側斜坡坡腳和冰磧壟物質參與泥石流活動[23]，剩余未消融的冰塊被攜帶出溝口堆積在河流右岸國道之上(圖7d)，泥石流物質堆積于原天摩溝堆積區之上，堆積最高點距河面37 m(圖7e)。帕隆藏布河水被推擠至國道北側比通溝口堆積物上，河水將堆積區部分植被沖倒貼于地面(圖7f)。相比于支溝，天摩溝主溝更易于形成泥石流，本次泥石流主要為坡面物源率先啟動，繼而啟動溝道松散物源，進而演變為整個流域內的泥石流活動。

圖7 天摩溝“7.11”泥石流啟動物源Fig.7 Initating material sources of the debris flow on July 11 in the Tianmo gully

2018年7月11日泥石流沖出物共分為3部分(圖6)：①右岸公路上堆積物，現場實測扇長130 m，扇寬220 m，均厚8 m，按照堆積形狀為三角形計算方量約114 400 m3；②左岸溝口堆積物，本次溝口泥石流堆積區與原堆積區重合，未向兩側擴展，剔除河道中部分堆積區面積，根據2016年影像勾繪的堆積區面積為44 780 m2，厚度1 m，方量為44 780 m3；③河水沖走堆積物，河寬50 m，溝口長度210 m，堆積物均厚2 m，方量約21 000 m3?？傆嫹搅?80 180 m3。

現場堆積區取樣篩分結果(圖8)表明，堆積物黏粒(粒徑小于0.005 mm)含量較低，粒徑小于2 mm的細粒含量40.8%，粒徑小于10 mm顆粒含量為58.6%，總體細粒物質含量較高。累計曲線較平緩，堆積物顆粒組成較寬，分選差，流體性質呈黏性特征。

圖8 泥石流堆積物顆粒級配圖Fig.8 Particle size distribution of debris flow deposits

4.2 發展趨勢

根據3.1節物源變化分析，2007—2018年多次泥石流均和溝內豐富的物源有直接關系。天摩溝在“7.11”泥石流后溝內地形陡峭，主溝縱比降大，易于形成泥石流[24-25]。源區海拔高，凍融風化作用十分強烈，巖體產屑速率快，物源積累快。此外，該區冰川整體處于退縮狀態，1990—2010年冰川退縮速率達0.91 km2/a[26]。天摩溝內山谷冰川年內變化非常大，直接導致冰川融水流量增大，可直接沖刷溝道物源，雨水的促進作用下相比于降雨泥石流更容易啟動，或者啟動泥石流所需激發雨強更低。綜合判斷，天摩溝依然具有暴發大型泥石流的可能性，其活動性依然以高頻為主。

5 結論

(1)遙感解譯天摩溝“7.11”泥石流前物源滑坡堆積體2處，崩塌堆積體2處，溝道堆積物2處，冰磧物4處，靜儲量為814.7×104m3，動儲量85.64×104m3，豐富的物源為物質基礎，陡峻的地形提供了勢能，加之位于凍融風化強烈的高海拔位置，在降雨激發下形成泥石流。

(2)天摩溝經歷了3次泥石流后溝內物源發生了較大變化，2016年物源在2006年基礎上滑坡型物源面積增加0.8×104m2，溝道堆積物源面積增加4.9×104m2，崩塌型物源面積增加0.2×104m2，冰磧物物源面積減少1.8×104m2，變化量分別為18.2%、136.1%、28.6%、-3.4%，主要表現為滑坡崩塌等斜坡類物源向溝道堆積型物源的轉化。

(3)帕隆藏布河道受到天摩溝泥石流不同程度擠壓，最大偏移距離190 m，主河在靠近左右岸的位置上不斷變化，甚至在同一期泥石流中變換多次，使得河流側蝕部位和強度都發生變化，對河岸穩定性造成影響。

(4)根據現場調查泥石流泥痕計算2018年泥石流流速為15.0 m/s，綜合2007年和2010年泥石流流速特征，判斷天摩溝泥石流為黏性泥石流，流速快破壞力強。

(5)2018年7月11日主泥石流主要是因降雨加劇冰川消融引發主溝溝源右側巖崩從而啟動形成泥石流，與2007年泥石流成因相似；后續泥石流活動為堵潰形成呈多期陣性特征，與2010年泥石流相似。該溝谷同時具有冰川泥石流和降雨泥石流的發育特征，不同時期的泥石流有不同的表現形式，為一典型冰川-降雨型泥石流溝谷，冰川泥石流和降雨泥石流交替出現，且冰川泥石流規模相對較大。

(6)天摩溝在今后一定時間段內依然具有暴發大型泥石流的可能性，其活動性依然以高頻為主，危害大，建議進行防治，降低其對G318和上下游居民的危害。

致謝：李鴻儒碩士、曾憲陽碩士在現場調查中給予了幫助，劉建康博士、李元靈工程師為文章提供了相關資料，在此謹表示衷心的感謝！