藏東南培龍貢支泥石流形成機理與發(fā)展趨勢分析

楊德宏，付 偉，常帥鵬，肖述文

(1.中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司，西安 710043； 2.陜西省鐵道及地下交通工程重點實驗室(中鐵一院)，西安 710043)

1 概述

西藏東南部自然環(huán)境極惡劣、地質(zhì)災(zāi)害極發(fā)育、施工技術(shù)極復(fù)雜，災(zāi)害防治工作難度極大[1]。藏東南境內(nèi)的帕隆藏布流域地區(qū)，是我國泥石流分布廣、規(guī)模大、爆發(fā)多、破壞強的地區(qū)，多為線性工程建設(shè)的關(guān)鍵控制節(jié)點，直接關(guān)乎工程建設(shè)成敗[2]。調(diào)查、研究藏東南地區(qū)泥石流的形成機理，預(yù)測其發(fā)展規(guī)律，可為線性工程方案的優(yōu)化設(shè)計提供參考依據(jù)。本次研究以西藏自治區(qū)林芝市巴宜區(qū)魯朗鎮(zhèn)排龍鄉(xiāng)的培龍貢支泥石流為例。

研究區(qū)泥石流近期活動始于1983年，1984年、1985年持續(xù)爆發(fā)，形成一個連續(xù)三年暴發(fā)的高峰期，且1985年泥石流規(guī)模最大。據(jù)資料記載，1983年～1990年，該溝泥石流共發(fā)生19次，1984年、1985年的特大型泥石流，堵塞帕隆藏布流域形成堰塞湖，淹埋上游約6 km的川藏公路及79輛貨車；堰塞湖潰壩后，沖毀了下游約2 km的川藏公路和5座橋梁，使川藏公路中斷數(shù)日，造成巨大的生命財產(chǎn)損失[3-4]。

2 培龍貢支泥石流的孕育背景

培龍貢支泥石流位于帕隆藏布流域右岸，是川藏公路沿線甚至全國都十分著名的災(zāi)害體。

2.1 地形特征

培龍貢支流域面積為86.1 km2，流域形態(tài)呈不規(guī)則樹葉狀，流域源頭最高峰海拔為5 828 m，溝口最低點海拔為2 000 m，主溝道長18.8 km，主溝床平均比降132‰[5]；溝谷形態(tài)整體呈寬闊順暢的“U”形谷地，寬300～500 m，但在近溝口地帶變窄，呈“V”形，寬50～100 m；兩側(cè)山坡陡峻，局部呈直線形，流域斜坡平均坡度約31°。

在海拔高于3 500 m的圈椅形圍谷地區(qū)，常年被現(xiàn)代海洋性冰川、積雪覆蓋，局部基巖裸露，巖壁陡峭；海拔低于3 500 m的斜坡上，植被發(fā)育，垂直分帶非常明顯，植被類型由上至下依次為：冰緣植被、針葉林、闊葉林、灌木叢，植被覆蓋率50%～90%。

2.2 地質(zhì)特征

培龍貢支流域位于喜馬拉雅東構(gòu)造結(jié)(南迦巴瓦)北緣，北靠嘉黎活動斷裂，南臨米林活動斷裂，東面通麥—通燈斷裂；新構(gòu)造運動異常強烈，以6.9級米林地震為代表的歷史地震密布(圖1)，使得研究區(qū)地質(zhì)條件極其復(fù)雜，巖體中的構(gòu)造、裂隙極發(fā)育，巖體破碎，滑坡、崩塌、巖堆等重力地質(zhì)災(zāi)害極發(fā)育[2]。

圖1 區(qū)域活動構(gòu)造及地震略圖

根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料，研究區(qū)基巖主要為中-新元古代念青唐古拉巖群a巖組(Pt2-3Nqa)的片麻巖，夾有少量片巖和大理巖，上部覆蓋厚層的第四系地層(Q)，為泥石流的形成提供了充足的物源。

研究區(qū)已發(fā)現(xiàn)的最老第四系地層是沿主溝床從海拔2 140 m到2 500 m分布的暗灰-深灰色碎石類土、砂類土及黏性土，厚約310 m；在溝口附近出露冰水礫石層，推測為間冰期初期，或冰川退縮時期的產(chǎn)物；沿主溝從海拔2 500 m延伸到溝口兩岸的黃色碎石類土為新冰期中的間冰段溫暖環(huán)境中的產(chǎn)物；溝兩岸的滑坡、崩塌等重力地質(zhì)災(zāi)害，主要為全新世產(chǎn)物。海拔2 500 m至現(xiàn)代冰川冰舌前的谷地，為末次冰期后、全新世以來現(xiàn)代冰川的進退場所，亦是現(xiàn)代冰磧的沉積空間，更是1983-1985年冰崩-冰滑坡停積消融后最新冰磧的停留地，平均沉積厚度在18 m以上，最大厚度達28 m；林線以下的斜坡地帶主要堆積坡積物，林線以上、雪線以下為季節(jié)積雪和寒凍風(fēng)化冰雪剝蝕地帶，殘積-坡積物分布廣泛；現(xiàn)代冰川則是最新的第四紀(jì)地質(zhì)體(圖2)。

圖2 培龍貢支第四紀(jì)地質(zhì)略圖

2.3 氣候及水文特征

培龍貢支流域位于念青唐古拉山脈南側(cè)，當(dāng)孟加拉灣的印度洋暖濕氣流，沿雅魯藏布江河谷由南向北、逆勢而上，受北側(cè)山脈的阻擋，使研究區(qū)成為暖濕氣流徑直沖撞的溝谷(圖3)，同時造就了培龍貢支的3個氣候特征。

圖3 培龍貢支暖濕氣流運動示意

特征一：與研究區(qū)緊鄰、氣候相近的波密縣1961年至2006年的45年間，年平均氣溫為8.69 ℃，且年平均氣溫逐年升高[8]，而研究區(qū)年平均氣溫更高達13.1 ℃[5]，為典型的溫暖氣候。特征二：由于研究區(qū)地形高差達3 828 m，暖濕氣流具有溯溝逐漸減弱的趨勢，使研究區(qū)的降水梯度十分明顯。特征三：受印度洋暖濕氣流的影響，研究區(qū)降水量非常充沛，年平均降水量高達1 360.5 mm[5]，且降雨天數(shù)多，常表現(xiàn)為晚上降水白天晴的現(xiàn)象。

研究區(qū)地下水豐富，地表存在多處泉眼露頭；沖溝發(fā)育，有常年流水，主要受由冰雪融水和地下水補給，夏秋季節(jié)流水較渾濁，水量隨季節(jié)變化明顯。充沛的冰雪融水和降雨為泥石流的形成提供了充足的水源。

3 培龍貢支泥石流的典型特征

與常見的泥石流不同，培龍貢支泥石流溝物源豐富，且分布廣泛，貫穿流域中上游；溝口地帶地形非常狹小，加之帕隆藏布的沖刷、剝蝕，典型的扇形特征不明顯。因此，不再按照物源區(qū)、徑流區(qū)及堆積區(qū)對該泥石流特征進行描述。研究區(qū)泥石流發(fā)生頻率按照百年一遇(P=1%)考慮。

3.1 溝道形態(tài)特征

根據(jù)培龍貢支溝道形態(tài)特征，從溝口到溝源將其分為3個階梯(圖4)。第一階梯位于流域源頭，海拔5 828～4 100 m，溝谷呈“U”字形，谷寬300～400 m，平均比降約480.00‰，溝道兩側(cè)為基巖和冰川，坡度20°～30°；第二階梯位于流域中上游，海拔4 100～2 850 m，溝谷呈“U”字形，谷寬150～300 m，平均比降約208.33‰，溝道兩側(cè)為基巖和冰磧物，溝內(nèi)堆積物較少，坡度30°～40°；第三階梯位于流域中下游，海拔2 850～2 000 m，溝谷呈“V”字形，谷寬100～200 m，平均比降約92.39‰，溝道及兩側(cè)堆積物廣泛分布，淤積嚴(yán)重。

圖4 培龍貢支主溝道縱剖面

3.2 固體物質(zhì)特征

培龍溝支溝內(nèi)海拔5 828～4 100 m的溝源區(qū)，寒凍風(fēng)化作用強烈，冰崩、雪崩及巖崩發(fā)育；在該區(qū)域冰川和永久積雪面積約22.7 km2；海拔4 100～3 500 m的上游區(qū)，均為冰雪覆蓋，寒凍風(fēng)化作用甚強，雪崩常有發(fā)生，在冰川前緣廣泛分布有冰磧物質(zhì)；在3 500～2 000 m的中下游區(qū)，在溝谷兩側(cè)分布有大量的崩塌、滑坡。由于現(xiàn)代季風(fēng)海洋性冰川活動頻繁，雪崩、冰崩等形成的冰磧物仍在不斷積累與聚集。早期泥石流暴發(fā)后誘發(fā)的重力地質(zhì)災(zāi)害，尤其是距離溝口約3 km的狹窄溝段，滑坡、崩塌、巖堆等極發(fā)育，既可導(dǎo)致溝槽阻塞，又能成為泥石流的物質(zhì)補給源(圖5)。

圖5 重力地質(zhì)災(zāi)害

3.3 泥石流流體重度

由于泥石流流體的重度不能直接測量，主要通過形態(tài)調(diào)查法、查表法及查文獻法3種方法綜合確定。

(1)形態(tài)調(diào)查法

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查期間走訪溝口住戶可知，該溝發(fā)生泥石流時的流體性質(zhì)為稠粥狀，重度介于18.0～23.0 kN/m3[9]。

(2)查表法

根據(jù)DZ/T0220—2006《泥石流災(zāi)害防治工程勘查規(guī)范》附錄表G.1，該泥石流的量化取值120分，對照“表G.2數(shù)量化評分(N)與容重、(1+φ)關(guān)系對照表”可知，重度19.7 kN/m3。

(3)文獻調(diào)查法

文獻[5]表明，1983～1985年該溝近百年爆發(fā)的規(guī)模較大的3次泥石流，其流體重度分別為22.0，20.0 kN/m3及21.4 kN/m3，流體平均重度21.1 kN/m3。

綜上分析上述資料，培龍貢支泥石流流體重度rc取值為21.0 kN/m3。

3.4 泥石流流速

(1)泥石流主體流速

該泥石流溝屬于黏性泥石流溝[5]，參考西藏林芝古鄉(xiāng)泥石流[10]，根據(jù)DZ/T0220—2006《泥石流災(zāi)害防治工程勘查規(guī)范》附錄Ⅰ中的通用經(jīng)驗公式Ⅰ.15式

(1)

式中，n為河床糙率，結(jié)合規(guī)范取值0.10；Hc為泥深，取值10.8 m[5]；I為河床斷面比降，取值平均坡降132‰；計算可得泥石流主體流速為17.75 m/s。

(2)泥石流中石塊運動速度[9]

(2)

式中，α為全面考慮的摩擦系數(shù)，取值4.0；dmax為泥石流堆積物中最大塊石粒徑，現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)的最大粒徑約7 m；計算可得泥石流中石塊運動速度為10.58 m/s。

3.5 泥石流峰值流量[10]

研究區(qū)屬于冰川-暴雨型泥石流，峰值流量的計算應(yīng)考慮冰雪融化因素。

(1)流域非冰川區(qū)的洪峰流量

(3)

式中，Ψ為洪峰徑流系數(shù)；s為暴雨雨力，mm/h；τ為流域匯流時間，h；n為暴雨指數(shù)；計算可得流域非冰川區(qū)的洪峰流量為318.48 m3/s。

(2)冰川消融清水洪峰流量

Q2=F1(0.05H+2.1)

(4)

式中，F(xiàn)1為冰川面積，取值22.7 km2；H為降雨量，58.7 mm；計算可得冰川消融清水洪峰流量為201.58 m3/s。

(3)冰川消融洪峰系數(shù)

d=1+7.6(F1/F)+0.05θ0

(5)

式中，F(xiàn)為流域面積，取值86.1 km2；θ0為冰川坡度，取值34°；計算可得冰川消融洪峰系數(shù)為4.7。

(4)冰川-暴雨型泥石流洪峰流量

Qc=(Q1+Q2)(1+φ)d

(6)

式中，(1+φ)為配方法泥石流洪峰流量修正系數(shù)，根據(jù)該泥石流的量化取值，對照DZ/T0220—2006《泥石流災(zāi)害防治工程勘查規(guī)范》附錄“表G.2 數(shù)量化評分(N)與容重、(1+φ)關(guān)系對照表”取值2.998；計算可得冰川-暴雨型泥石流洪峰流量為7 327.96 m3/s。

3.6 一次泥石流過程總量[9]

根據(jù)泥石流歷時T和最大流量Qc，按泥石流暴漲暴落的特點，按下式進行計算

Qt=KTQc

(7)

式中，K取值0.264；T為泥石流歷時，通過走訪調(diào)查，取值9 h，即32 400 s；計算可得一次泥石流過程總量為6 268.04×104m3。

3.7 一次泥石流最大堆積厚度[11]

泥石流的堆積厚度是評估和防治泥石流最重要的參數(shù)之一。劉希林等曾給出了一次泥石流最大堆積厚度的計算公式

dc=0.017[VQrc/(G2lnrc)]1/3

(8)

式中，VQ為一次松散固體物質(zhì)最大補給量；rc為泥石流最大容重；G為堆積區(qū)比降；計算可得一次泥石流最大堆積厚度為36.85 m。

3.8 泥石流最大沖刷深度[12]

泥石流的沖刷深度是評估和防治泥石流最重要的參數(shù)之一。

(9)

式中，P為沖刷系數(shù)，取值1.20；Hc為泥石流泥深，根據(jù)鉆探資料，參考研究區(qū)泥石流泥深大小，取值13.5 m；V為泥石流流速；VH為土壤不沖流速，取值1.5；n與堤岸平面形狀有關(guān)，取值3/8；K為泥石流平均流速增大系數(shù)，取值2.7；計算可得泥石流最大沖刷深度為43.19 m。

3.9 泥石流沖起高度[9]

泥石流沖起高度是評估和防治泥石流的重要參數(shù)

(10)

式中,V為泥石流主體流速；g為重力加速度；計算可得泥石流沖起高度為25.72 m。

3.10 泥石流整體沖擊壓力[9]

泥石流沖擊力是其防治工程設(shè)計的重要參數(shù)。

(11)

式中，λ為建筑物形狀系數(shù)，取值1.33；rc為泥石流重度，取值20.58 kN/m3；g為重力加速度；V為泥石流主體流速；α為建筑物受力面與泥石流沖壓力方向夾角，取值90°；計算可得泥石流整體沖擊壓力為879.97 Pa。

3.11 泥石流類型劃分[9]

利用上述分析、計算，對培龍貢支泥石流進行類型劃分，詳見表1。

表1 培龍貢支泥石流分類統(tǒng)計

4 培龍貢支泥石流形成機理研究

4.1 泥石流形成的物質(zhì)來源

培龍貢支所在的藏東南地區(qū)，海拔高、溫差大，風(fēng)化作用異常強烈；受區(qū)域性構(gòu)造斷裂帶的影響，巖體結(jié)構(gòu)破碎，加速了易滑的巖體的形成；加之區(qū)域性斷裂多屬于新構(gòu)造活動斷裂，因此，該溝斜坡持續(xù)不斷地發(fā)生著崩滑作用，形成了大量的冰磧物、坡積物及崩滑堆積體，為泥石流生成提供了充足的物源。研究區(qū)內(nèi)松散固體堆積物總量約5.77×108m3，可參與泥石流活動的量達3.61×108m3[5]。

在溝谷的主流通區(qū)，早期泥石流堆積體兩岸之間的最大寬度近百米，最窄處則僅10余米，平面上溝道寬度呈串珠狀的寬窄相間，對泥石流溝底蓄積物質(zhì)提供了良好的條件。根據(jù)野外調(diào)查資料，溝谷河漫灘內(nèi)的早期泥石流堆積的物質(zhì)膠結(jié)與固結(jié)程度差，且根據(jù)鉆探資料顯示，其厚度大于70 m，一旦爆發(fā)洪水或泥石流，上述松散堆積物質(zhì)都將成為山洪泥石流的不穩(wěn)定物源。

4.2 泥石流孕育的動力環(huán)境

培龍貢支流域坡高溝深，高差巨大，縱坡比降介于92.39‰～480.00‰，局部比降達500‰；充沛的降雨、持續(xù)的冰雪融水及豐富的地下水，產(chǎn)生了充足的水流動力條件；溝谷兩岸斜坡的坡度在20°～40°，流域高差為3 828 m，為泥石流流體提供了強大的重力勢能；流域中下游溝谷斷面呈“V”形，溝谷變窄，導(dǎo)致流水速度加大。因此，培龍貢支具有孕育泥石流形成的動力環(huán)境。

4.3 泥石流的誘發(fā)因素

該泥石流流域形態(tài)呈不規(guī)則樹葉狀，匯水面積高達86.1 km2，非常利于降水匯集，在泥石流的形成、流通過程中，均可對其進行降水補給，使流量不斷增大；冰雪覆蓋面積高達22.7 km2，溫暖的氣候使得冰雪融水持續(xù)補給地表水和地下水。

受印度洋暖濕氣流影響，流域年平均降水量高達1 360.5 mm[5]，單日最大降雨量更高達30.0 mm；強降雨月份從3月一直持續(xù)到10月，且突發(fā)性暴雨較多[8]。冰川徑流量與溫度呈指數(shù)關(guān)系[13]，氣溫升高的夏季，冰川消融速率將大幅加快。充沛而集中的降水與冰雪融水形成共助作用，為泥石流形成提供了必不可少的水動力。

4.4 培龍貢支泥石流的特點

(1)災(zāi)害類型獨特

觸發(fā)條件水流激發(fā)是我國泥石流災(zāi)害中最常見的觸發(fā)因素，冰川泥石流在我國東經(jīng)102°以西的10多個山系中也均有發(fā)育，但冰川-暴雨型泥石流則主要分布在以研究區(qū)為代表的念青唐古拉山南坡、橫斷山等海洋性冰川區(qū)。

(2)地區(qū)降雨中心

研究區(qū)所在地區(qū)的降水主要受南部印度洋暖濕氣流主導(dǎo)，培龍貢支附近為西藏境內(nèi)川藏公路海拔最低點，也是暖濕氣流最早到達的線位，降雨量以此為中心向東、西兩個方向遞減。

(3)強降雨周期長

研究區(qū)的強降雨(大于100 mm/月)時間從3月持續(xù)到10月，貫穿整個冰川消融期，極大地增加了泥石流爆發(fā)的可能性。

(4)物源類型豐富

常見的泥石流物源類型大多比較單一，研究區(qū)的物源類型則相對豐富，包含了冰磧物、殘坡積物、崩滑堆積體、早期泥石流堆積體等，成分復(fù)雜多變。

5 培龍貢支泥石流發(fā)展趨勢評價

5.1 危險程度評估

根據(jù)DZ/T0220—2006《泥石流災(zāi)害防治工程勘查規(guī)范》中的附錄J，得到研究區(qū)泥石流活動綜合評判量化得分為22分，詳見表2。

表2 培龍貢支泥石流活動綜合評判量化指標(biāo)

根據(jù)泥石流活動性分級標(biāo)準(zhǔn)，培龍貢支屬于泥石流極易活動區(qū)；由于該泥石流屬于特大型泥石流，加之爆發(fā)頻率高，爆發(fā)后將危機溝口居民生命財產(chǎn)安全，堵塞帕隆藏布江，形成的堰塞湖將危及上游川藏公路、通麥鎮(zhèn)等居民區(qū)，屬于高危險泥石流。

5.2 易發(fā)程度評估

根據(jù)DZ/T0220—2006《泥石流災(zāi)害防治工程勘查規(guī)范》中的附錄G，得到研究區(qū)泥石流易發(fā)性量化得分為120分，詳見表3。

表3 培龍貢支泥石流易發(fā)程度量化評分

根據(jù)泥石流溝易發(fā)程度數(shù)量化綜合評判等級標(biāo)準(zhǔn)，研究區(qū)屬于泥石流極易發(fā)生區(qū)。

5.3 泥石流發(fā)展趨勢的定性評價

(1)地形地貌角度：研究區(qū)流域匯水面積為86.1 km2，能最大限度的聚集研究區(qū)充沛的降水；相對高差為3 828 m，縱坡比降介于92.39‰～480.00‰，坡度較陡、高差巨大，為重力地質(zhì)災(zāi)害和溝谷內(nèi)流水提供了充足、持續(xù)的能量。

(2)地震活動角度：研究區(qū)位于嘉黎活動斷裂與米林活動斷裂之間，均為區(qū)域斷裂，地震強烈發(fā)育，持續(xù)觸發(fā)滑坡、崩塌等重力地質(zhì)災(zāi)害，加之震后常伴隨強降雨[14]，加劇誘發(fā)了泥石流的發(fā)生；震級與泥石流頻率成正比[15]。

(3)物源形成角度：在地震、風(fēng)化等作用下，研究區(qū)內(nèi)的斜坡持續(xù)不斷地發(fā)生著崩塌、滑坡等重力地質(zhì)災(zāi)害作用，形成了大量的冰磧物、殘坡積物及崩滑堆積體等，為泥石流生成提供了充足的物源；河漫灘內(nèi)的早期泥石流堆積，物質(zhì)膠結(jié)與固結(jié)程度差，厚度較大，其將作為泥石流的物源補充。

(4)氣候變化角度：20世紀(jì)90年代至今，研究區(qū)氣溫持續(xù)升高，氣候向干熱過渡，泥石流發(fā)生頻率增加[15]；氣溫上升，導(dǎo)致冰川大面積萎縮，雪線上升，一方面極易導(dǎo)致冰崩、冰滑坡，導(dǎo)致冰川泥石流的發(fā)生，另一方面使冰雪覆蓋下的松散堆積物裸露地表，在冰雪融水和降水作用下，誘發(fā)泥石流。

綜上分析，在蘊含巨大重力勢能的地形條件和充沛的降雨條件下，頻繁活動的地震，持續(xù)升高的氣溫，將加速冰川融化，增加地區(qū)降雨的突發(fā)性，加快地表物質(zhì)的風(fēng)化，源源不斷的補充研究區(qū)的松散固體物質(zhì)儲量，導(dǎo)致泥石流可能頻繁爆發(fā)。

6 結(jié)論

(1)培龍貢支主溝長主溝道長18.8 km，位于構(gòu)造強烈發(fā)育區(qū)，新構(gòu)造運動異?；钴S，巖體破碎，滑坡、崩塌等重力地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育，形成了大量松散冰磧物、殘坡積物崩滑堆積體等，為泥石流提供了豐富的物質(zhì)來源。

(2)培龍貢支流域平面形態(tài)呈不規(guī)則樹葉狀，流域面積86.1 km2，主溝床平均比降132‰，為泥石流的形成提供必要的地形條件。

(3)培龍貢支地區(qū)強降雨周期達8個月，冰雪覆蓋面積高達22.7 km2，充沛的降雨和持續(xù)不斷的冰雪融水，為泥石流形成提供了必備的水動力條件。

(4)培龍貢支泥石流按照規(guī)模分類屬于特大型泥石流，按照水動力條件分類屬于冰川-暴雨型，按照物質(zhì)組成屬于水石型泥石流，按照流體性質(zhì)屬于黏性型泥石流；按照地貌特征屬于溝谷型泥石流。

(5)培龍貢支泥石流流體重度rc取值為21.0 kN/m3，流速為17.75 m/s，石塊運動速度為10.58 m/s，洪峰流量為7 327.96 m3/s，一次泥石流過程總量為6 268.04×104m3，一次泥石流最大堆積厚度為36.85 m，最大沖刷深度為43.19 m，沖起高度為25.72 m，沖擊壓力為879.97 Pa。

(6)培龍貢支泥石流屬于高危險、極易發(fā)生的泥石流，在不利的地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造、氣候水文等條件的共同作用下，研究區(qū)存在泥石流頻繁爆發(fā)的可能性。