藏東南培龍貢支泥石流形成機理與發展趨勢分析

楊德宏，付 偉，常帥鵬，肖述文

(1.中鐵第一勘察設計院集團有限公司，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

西藏東南部自然環境極惡劣、地質災害極發育、施工技術極復雜，災害防治工作難度極大[1]。藏東南境內的帕隆藏布流域地區，是我國泥石流分布廣、規模大、爆發多、破壞強的地區，多為線性工程建設的關鍵控制節點，直接關乎工程建設成敗[2]。調查、研究藏東南地區泥石流的形成機理，預測其發展規律，可為線性工程方案的優化設計提供參考依據。本次研究以西藏自治區林芝市巴宜區魯朗鎮排龍鄉的培龍貢支泥石流為例。

研究區泥石流近期活動始于1983年，1984年、1985年持續爆發，形成一個連續三年暴發的高峰期，且1985年泥石流規模最大。據資料記載，1983年～1990年，該溝泥石流共發生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，使川藏公路中斷數日，造成巨大的生命財產損失[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害體。

2.1 地形特征

培龍貢支流域面積為86.1 km2，流域形態呈不規則樹葉狀，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，常年被現代海洋性冰川、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 地質特征

培龍貢支流域位于喜馬拉雅東構造結(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)，使得研究區地質條件極其復雜，巖體中的構造、裂隙極發育，巖體破碎，滑坡、崩塌、巖堆等重力地質災害極發育[2]。

圖1 區域活動構造及地震略圖

根據區域地質資料，研究區基巖主要為中-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。

研究區已發現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境中的產物；溝兩岸的滑坡、崩塌等重力地質災害，主要為全新世產物。海拔2 500 m至現代冰川冰舌前的谷地，為末次冰期后、全新世以來現代冰川的進退場所，亦是現代冰磧的沉積空間，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、雪線以下為季節積雪和寒凍風化冰雪剝蝕地帶，殘積-坡積物分布廣泛；現代冰川則是最新的第四紀地質體(圖2)。

圖2 培龍貢支第四紀地質略圖

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，當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，受北側山脈的阻擋，使研究區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]，且降雨天數多，常表現為晚上降水白天晴的現象。

研究區地下水豐富，地表存在多處泉眼露頭；沖溝發育，有常年流水，主要受由冰雪融水和地下水補給，夏秋季節流水較渾濁，水量隨季節變化明顯。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、徑流區及堆積區對該泥石流特征進行描述。研究區泥石流發生頻率按照百年一遇(P=1%)考慮。

3.1 溝道形態特征

根據培龍貢支溝道形態特征，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‰，溝道兩側為基巖和冰磧物，溝內堆積物較少，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‰，溝道及兩側堆積物廣泛分布，淤積嚴重。

圖4 培龍貢支主溝道縱剖面

3.2 固體物質特征

培龍溝支溝內海拔5 828～4 100 m的溝源區，寒凍風化作用強烈，冰崩、雪崩及巖崩發育；在該區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，均為冰雪覆蓋，寒凍風化作用甚強，雪崩常有發生，在冰川前緣廣泛分布有冰磧物質；在3 500～2 000 m的中下游區，在溝谷兩側分布有大量的崩塌、滑坡。由于現代季風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。早期泥石流暴發后誘發的重力地質災害，尤其是距離溝口約3 km的狹窄溝段，滑坡、崩塌、巖堆等極發育，既可導致溝槽阻塞，又能成為泥石流的物質補給源(圖5)。

圖5 重力地質災害

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，主要通過形態調查法、查表法及查文獻法3種方法綜合確定。

(1)形態調查法

根據現場調查期間走訪溝口住戶可知，該溝發生泥石流時的流體性質為稠粥狀，重度介于18.0～23.0 kN/m3[9]。

(2)查表法

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

(3)文獻調查法

文獻[5]表明，1983～1985年該溝近百年爆發的規模較大的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]，參考西藏林芝古鄉泥石流[10]，根據DZ/T0220—2006《泥石流災害防治工程勘查規范》附錄Ⅰ中的通用經驗公式Ⅰ.15式

(1)

式中，n為河床糙率，結合規范取值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，取值4.0；dmax為泥石流堆積物中最大塊石粒徑，現場調查發現的最大粒徑約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]

研究區屬于冰川-暴雨型泥石流，峰值流量的計算應考慮冰雪融化因素。

(1)流域非冰川區的洪峰流量

(3)

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

(2)冰川消融清水洪峰流量

Q2=F1(0.05H+2.1)

(4)

式中，F1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

d=1+7.6(F1/F)+0.05θ0

(5)

式中，F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，根據該泥石流的量化取值，對照DZ/T0220—2006《泥石流災害防治工程勘查規范》附錄“表G.2 數量化評分(N)與容重、(1+φ)關系對照表”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最大補給量；rc為泥石流最大容重；G為堆積區比降；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之一。

(9)

式中，P為沖刷系數，取值1.20；Hc為泥石流泥深，根據鉆探資料，參考研究區泥石流泥深大小，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，取值3/8；K為泥石流平均流速增大系數，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

(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計的重要參數。

(11)

式中，λ為建筑物形狀系數，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 泥石流形成的物質來源

培龍貢支所在的藏東南地區，海拔高、溫差大，風化作用異常強烈；受區域性構造斷裂帶的影響，巖體結構破碎，加速了易滑的巖體的形成；加之區域性斷裂多屬于新構造活動斷裂，因此，該溝斜坡持續不斷地發生著崩滑作用，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。研究區內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，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提供了良好的條件。根據野外調查資料，溝谷河漫灘內的早期泥石流堆積的物質膠結與固結程度差，且根據鉆探資料顯示，其厚度大于70 m，一旦爆發洪水或泥石流，上述松散堆積物質都將成為山洪泥石流的不穩定物源。

4.2 泥石流孕育的動力環境

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、持續的冰雪融水及豐富的地下水，產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境。

4.3 泥石流的誘發因素

該泥石流流域形態呈不規則樹葉狀，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月一直持續到10月，且突發性暴雨較多[8]。冰川徑流量與溫度呈指數關系[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)災害類型獨特

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

(2)地區降雨中心

研究區所在地區的降水主要受南部印度洋暖濕氣流主導，培龍貢支附近為西藏境內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

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

(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，成分復雜多變。

5 培龍貢支泥石流發展趨勢評價

5.1 危險程度評估

根據DZ/T0220—2006《泥石流災害防治工程勘查規范》中的附錄J，得到研究區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

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

5.2 易發程度評估

根據DZ/T0220—2006《泥石流災害防治工程勘查規范》中的附錄G，得到研究區泥石流易發性量化得分為120分，詳見表3。

表3 培龍貢支泥石流易發程度量化評分

根據泥石流溝易發程度數量化綜合評判等級標準，研究區屬于泥石流極易發生區。

5.3 泥石流發展趨勢的定性評價

(1)地形地貌角度：研究區流域匯水面積為86.1 km2，能最大限度的聚集研究區充沛的降水；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，為重力地質災害和溝谷內流水提供了充足、持續的能量。

(2)地震活動角度：研究區位于嘉黎活動斷裂與米林活動斷裂之間，均為區域斷裂，地震強烈發育，持續觸發滑坡、崩塌等重力地質災害，加之震后常伴隨強降雨[14]，加劇誘發了泥石流的發生；震級與泥石流頻率成正比[15]。

(3)物源形成角度：在地震、風化等作用下，研究區內的斜坡持續不斷地發生著崩塌、滑坡等重力地質災害作用，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；河漫灘內的早期泥石流堆積，物質膠結與固結程度差，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90年代至今，研究區氣溫持續升高，氣候向干熱過渡，泥石流發生頻率增加[15]；氣溫上升，導致冰川大面積萎縮，雪線上升，一方面極易導致冰崩、冰滑坡，導致冰川泥石流的發生，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，持續升高的氣溫，將加速冰川融化，增加地區降雨的突發性，加快地表物質的風化，源源不斷的補充研究區的松散固體物質儲量，導致泥石流可能頻繁爆發。

6 結論

(1)培龍貢支主溝長主溝道長18.8 km，位于構造強烈發育區，新構造運動異?；钴S，巖體破碎，滑坡、崩塌等重力地質災害發育，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來源。

(2)培龍貢支流域平面形態呈不規則樹葉狀，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，按照物質組成屬于水石型泥石流，按照流體性質屬于黏性型泥石流；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、極易發生的泥石流，在不利的地形地貌、地質構造、氣候水文等條件的共同作用下，研究區存在泥石流頻繁爆發的可能性。