藏东南培龙贡支泥石流形成机理与发展趋势分析

杨德宏，付 伟，常帅鹏，肖述文

(1.中铁第一勘察设计院集团有限公司，西安 710043； 2.陕西省铁道及地下交通工程重点实验室(中铁一院)，西安 710043)

1 概述

西藏东南部自然环境极恶劣、地质灾害极发育、施工技术极复杂，灾害防治工作难度极大[1]。藏东南境内的帕隆藏布流域地区，是我国泥石流分布广、规模大、爆发多、破坏强的地区，多为线性工程建设的关键控制节点，直接关乎工程建设成败[2]。调查、研究藏东南地区泥石流的形成机理，预测其发展规律，可为线性工程方案的优化设计提供参考依据。本次研究以西藏自治区林芝市巴宜区鲁朗镇排龙乡的培龙贡支泥石流为例。

研究区泥石流近期活动始于1983年，1984年、1985年持续爆发，形成一个连续三年暴发的高峰期，且1985年泥石流规模最大。据资料记载，1983年～1990年，该沟泥石流共发生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，淹埋上游约6 km的川藏公路及79辆货车；堰塞湖溃坝后，冲毁了下游约2 km的川藏公路和5座桥梁，使川藏公路中断数日，造成巨大的生命财产损失[3-4]。

2 培龙贡支泥石流的孕育背景

培龙贡支泥石流位于帕隆藏布流域右岸，是川藏公路沿线甚至全国都十分著名的灾害体。

2.1 地形特征

培龙贡支流域面积为86.1 km2，流域形态呈不规则树叶状，流域源头最高峰海拔为5 828 m，沟口最低点海拔为2 000 m，主沟道长18.8 km，主沟床平均比降132‰[5]；沟谷形态整体呈宽阔顺畅的“U”形谷地，宽300～500 m，但在近沟口地带变窄，呈“V”形，宽50～100 m；两侧山坡陡峻，局部呈直线形，流域斜坡平均坡度约31°。

在海拔高于3 500 m的圈椅形围谷地区，常年被现代海洋性冰川、积雪覆盖，局部基岩裸露，岩壁陡峭；海拔低于3 500 m的斜坡上，植被发育，垂直分带非常明显，植被类型由上至下依次为：冰缘植被、针叶林、阔叶林、灌木丛，植被覆盖率50%～90%。

2.2 地质特征

培龙贡支流域位于喜马拉雅东构造结(南迦巴瓦)北缘，北靠嘉黎活动断裂，南临米林活动断裂，东面通麦—通灯断裂；新构造运动异常强烈，以6.9级米林地震为代表的历史地震密布(图1)，使得研究区地质条件极其复杂，岩体中的构造、裂隙极发育，岩体破碎，滑坡、崩塌、岩堆等重力地质灾害极发育[2]。

图1 区域活动构造及地震略图

根据区域地质资料，研究区基岩主要为中-新元古代念青唐古拉岩群a岩组(Pt2-3Nqa)的片麻岩，夹有少量片岩和大理岩，上部覆盖厚层的第四系地层(Q)，为泥石流的形成提供了充足的物源。

研究区已发现的最老第四系地层是沿主沟床从海拔2 140 m到2 500 m分布的暗灰-深灰色碎石类土、砂类土及黏性土，厚约310 m；在沟口附近出露冰水砾石层，推测为间冰期初期，或冰川退缩时期的产物；沿主沟从海拔2 500 m延伸到沟口两岸的黄色碎石类土为新冰期中的间冰段温暖环境中的产物；沟两岸的滑坡、崩塌等重力地质灾害，主要为全新世产物。海拔2 500 m至现代冰川冰舌前的谷地，为末次冰期后、全新世以来现代冰川的进退场所，亦是现代冰碛的沉积空间，更是1983-1985年冰崩-冰滑坡停积消融后最新冰碛的停留地，平均沉积厚度在18 m以上，最大厚度达28 m；林线以下的斜坡地带主要堆积坡积物，林线以上、雪线以下为季节积雪和寒冻风化冰雪剥蚀地带，残积-坡积物分布广泛；现代冰川则是最新的第四纪地质体(图2)。

图2 培龙贡支第四纪地质略图

2.3 气候及水文特征

培龙贡支流域位于念青唐古拉山脉南侧，当孟加拉湾的印度洋暖湿气流，沿雅鲁藏布江河谷由南向北、逆势而上，受北侧山脉的阻挡，使研究区成为暖湿气流径直冲撞的沟谷(图3)，同时造就了培龙贡支的3个气候特征。

图3 培龙贡支暖湿气流运动示意

特征一：与研究区紧邻、气候相近的波密县1961年至2006年的45年间，年平均气温为8.69 ℃，且年平均气温逐年升高[8]，而研究区年平均气温更高达13.1 ℃[5]，为典型的温暖气候。特征二：由于研究区地形高差达3 828 m，暖湿气流具有溯沟逐渐减弱的趋势，使研究区的降水梯度十分明显。特征三：受印度洋暖湿气流的影响，研究区降水量非常充沛，年平均降水量高达1 360.5 mm[5]，且降雨天数多，常表现为晚上降水白天晴的现象。

研究区地下水丰富，地表存在多处泉眼露头；冲沟发育，有常年流水，主要受由冰雪融水和地下水补给，夏秋季节流水较浑浊，水量随季节变化明显。充沛的冰雪融水和降雨为泥石流的形成提供了充足的水源。

3 培龙贡支泥石流的典型特征

与常见的泥石流不同，培龙贡支泥石流沟物源丰富，且分布广泛，贯穿流域中上游；沟口地带地形非常狭小，加之帕隆藏布的冲刷、剥蚀，典型的扇形特征不明显。因此，不再按照物源区、径流区及堆积区对该泥石流特征进行描述。研究区泥石流发生频率按照百年一遇(P=1%)考虑。

3.1 沟道形态特征

根据培龙贡支沟道形态特征，从沟口到沟源将其分为3个阶梯(图4)。第一阶梯位于流域源头，海拔5 828～4 100 m，沟谷呈“U”字形，谷宽300～400 m，平均比降约480.00‰，沟道两侧为基岩和冰川，坡度20°～30°；第二阶梯位于流域中上游，海拔4 100～2 850 m，沟谷呈“U”字形，谷宽150～300 m，平均比降约208.33‰，沟道两侧为基岩和冰碛物，沟内堆积物较少，坡度30°～40°；第三阶梯位于流域中下游，海拔2 850～2 000 m，沟谷呈“V”字形，谷宽100～200 m，平均比降约92.39‰，沟道及两侧堆积物广泛分布，淤积严重。

图4 培龙贡支主沟道纵剖面

3.2 固体物质特征

培龙沟支沟内海拔5 828～4 100 m的沟源区，寒冻风化作用强烈，冰崩、雪崩及岩崩发育；在该区域冰川和永久积雪面积约22.7 km2；海拔4 100～3 500 m的上游区，均为冰雪覆盖，寒冻风化作用甚强，雪崩常有发生，在冰川前缘广泛分布有冰碛物质；在3 500～2 000 m的中下游区，在沟谷两侧分布有大量的崩塌、滑坡。由于现代季风海洋性冰川活动频繁，雪崩、冰崩等形成的冰碛物仍在不断积累与聚集。早期泥石流暴发后诱发的重力地质灾害，尤其是距离沟口约3 km的狭窄沟段，滑坡、崩塌、岩堆等极发育，既可导致沟槽阻塞，又能成为泥石流的物质补给源(图5)。

图5 重力地质灾害

3.3 泥石流流体重度

由于泥石流流体的重度不能直接测量，主要通过形态调查法、查表法及查文献法3种方法综合确定。

(1)形态调查法

根据现场调查期间走访沟口住户可知，该沟发生泥石流时的流体性质为稠粥状，重度介于18.0～23.0 kN/m3[9]。

(2)查表法

根据DZ/T0220—2006《泥石流灾害防治工程勘查规范》附录表G.1，该泥石流的量化取值120分，对照“表G.2数量化评分(N)与容重、(1+φ)关系对照表”可知，重度19.7 kN/m3。

(3)文献调查法

文献[5]表明，1983～1985年该沟近百年爆发的规模较大的3次泥石流，其流体重度分别为22.0，20.0 kN/m3及21.4 kN/m3，流体平均重度21.1 kN/m3。

综上分析上述资料，培龙贡支泥石流流体重度rc取值为21.0 kN/m3。

3.4 泥石流流速

(1)泥石流主体流速

该泥石流沟属于黏性泥石流沟[5]，参考西藏林芝古乡泥石流[10]，根据DZ/T0220—2006《泥石流灾害防治工程勘查规范》附录Ⅰ中的通用经验公式Ⅰ.15式

(1)

式中，n为河床糙率，结合规范取值0.10；Hc为泥深，取值10.8 m[5]；I为河床断面比降，取值平均坡降132‰；计算可得泥石流主体流速为17.75 m/s。

(2)泥石流中石块运动速度[9]

(2)

式中，α为全面考虑的摩擦系数，取值4.0；dmax为泥石流堆积物中最大块石粒径，现场调查发现的最大粒径约7 m；计算可得泥石流中石块运动速度为10.58 m/s。

3.5 泥石流峰值流量[10]

研究区属于冰川-暴雨型泥石流，峰值流量的计算应考虑冰雪融化因素。

(1)流域非冰川区的洪峰流量

(3)

式中，Ψ为洪峰径流系数；s为暴雨雨力，mm/h；τ为流域汇流时间，h；n为暴雨指数；计算可得流域非冰川区的洪峰流量为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为冰川面积，取值22.7 km2；H为降雨量，58.7 mm；计算可得冰川消融清水洪峰流量为201.58 m3/s。

(3)冰川消融洪峰系数

d=1+7.6(F1/F)+0.05θ0

(5)

式中，F为流域面积，取值86.1 km2；θ0为冰川坡度，取值34°；计算可得冰川消融洪峰系数为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)为配方法泥石流洪峰流量修正系数，根据该泥石流的量化取值，对照DZ/T0220—2006《泥石流灾害防治工程勘查规范》附录“表G.2 数量化评分(N)与容重、(1+φ)关系对照表”取值2.998；计算可得冰川-暴雨型泥石流洪峰流量为7 327.96 m3/s。

3.6 一次泥石流过程总量[9]

根据泥石流历时T和最大流量Qc，按泥石流暴涨暴落的特点，按下式进行计算

Qt=KTQc

(7)

式中，K取值0.264；T为泥石流历时，通过走访调查，取值9 h，即32 400 s；计算可得一次泥石流过程总量为6 268.04×104m3。

3.7 一次泥石流最大堆积厚度[11]

泥石流的堆积厚度是评估和防治泥石流最重要的参数之一。刘希林等曾给出了一次泥石流最大堆积厚度的计算公式

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

(8)

式中，VQ为一次松散固体物质最大补给量；rc为泥石流最大容重；G为堆积区比降；计算可得一次泥石流最大堆积厚度为36.85 m。

3.8 泥石流最大冲刷深度[12]

泥石流的冲刷深度是评估和防治泥石流最重要的参数之一。

(9)

式中，P为冲刷系数，取值1.20；Hc为泥石流泥深，根据钻探资料，参考研究区泥石流泥深大小，取值13.5 m；V为泥石流流速；VH为土壤不冲流速，取值1.5；n与堤岸平面形状有关，取值3/8；K为泥石流平均流速增大系数，取值2.7；计算可得泥石流最大冲刷深度为43.19 m。

3.9 泥石流冲起高度[9]

泥石流冲起高度是评估和防治泥石流的重要参数

(10)

式中,V为泥石流主体流速；g为重力加速度；计算可得泥石流冲起高度为25.72 m。

3.10 泥石流整体冲击压力[9]

泥石流冲击力是其防治工程设计的重要参数。

(11)

式中，λ为建筑物形状系数，取值1.33；rc为泥石流重度，取值20.58 kN/m3；g为重力加速度；V为泥石流主体流速；α为建筑物受力面与泥石流冲压力方向夹角，取值90°；计算可得泥石流整体冲击压力为879.97 Pa。

3.11 泥石流类型划分[9]

利用上述分析、计算，对培龙贡支泥石流进行类型划分，详见表1。

表1 培龙贡支泥石流分类统计

4 培龙贡支泥石流形成机理研究

4.1 泥石流形成的物质来源

培龙贡支所在的藏东南地区，海拔高、温差大，风化作用异常强烈；受区域性构造断裂带的影响，岩体结构破碎，加速了易滑的岩体的形成；加之区域性断裂多属于新构造活动断裂，因此，该沟斜坡持续不断地发生着崩滑作用，形成了大量的冰碛物、坡积物及崩滑堆积体，为泥石流生成提供了充足的物源。研究区内松散固体堆积物总量约5.77×108m3，可参与泥石流活动的量达3.61×108m3[5]。

在沟谷的主流通区，早期泥石流堆积体两岸之间的最大宽度近百米，最窄处则仅10余米，平面上沟道宽度呈串珠状的宽窄相间，对泥石流沟底蓄积物质提供了良好的条件。根据野外调查资料，沟谷河漫滩内的早期泥石流堆积的物质胶结与固结程度差，且根据钻探资料显示，其厚度大于70 m，一旦爆发洪水或泥石流，上述松散堆积物质都将成为山洪泥石流的不稳定物源。

4.2 泥石流孕育的动力环境

培龙贡支流域坡高沟深，高差巨大，纵坡比降介于92.39‰～480.00‰，局部比降达500‰；充沛的降雨、持续的冰雪融水及丰富的地下水，产生了充足的水流动力条件；沟谷两岸斜坡的坡度在20°～40°，流域高差为3 828 m，为泥石流流体提供了强大的重力势能；流域中下游沟谷断面呈“V”形，沟谷变窄，导致流水速度加大。因此，培龙贡支具有孕育泥石流形成的动力环境。

4.3 泥石流的诱发因素

该泥石流流域形态呈不规则树叶状，汇水面积高达86.1 km2，非常利于降水汇集，在泥石流的形成、流通过程中，均可对其进行降水补给，使流量不断增大；冰雪覆盖面积高达22.7 km2，温暖的气候使得冰雪融水持续补给地表水和地下水。

受印度洋暖湿气流影响，流域年平均降水量高达1 360.5 mm[5]，单日最大降雨量更高达30.0 mm；强降雨月份从3月一直持续到10月，且突发性暴雨较多[8]。冰川径流量与温度呈指数关系[13]，气温升高的夏季，冰川消融速率将大幅加快。充沛而集中的降水与冰雪融水形成共助作用，为泥石流形成提供了必不可少的水动力。

4.4 培龙贡支泥石流的特点

(1)灾害类型独特

触发条件水流激发是我国泥石流灾害中最常见的触发因素，冰川泥石流在我国东经102°以西的10多个山系中也均有发育，但冰川-暴雨型泥石流则主要分布在以研究区为代表的念青唐古拉山南坡、横断山等海洋性冰川区。

(2)地区降雨中心

研究区所在地区的降水主要受南部印度洋暖湿气流主导，培龙贡支附近为西藏境内川藏公路海拔最低点，也是暖湿气流最早到达的线位，降雨量以此为中心向东、西两个方向递减。

(3)强降雨周期长

研究区的强降雨(大于100 mm/月)时间从3月持续到10月，贯穿整个冰川消融期，极大地增加了泥石流爆发的可能性。

(4)物源类型丰富

常见的泥石流物源类型大多比较单一，研究区的物源类型则相对丰富，包含了冰碛物、残坡积物、崩滑堆积体、早期泥石流堆积体等，成分复杂多变。

5 培龙贡支泥石流发展趋势评价

5.1 危险程度评估

根据DZ/T0220—2006《泥石流灾害防治工程勘查规范》中的附录J，得到研究区泥石流活动综合评判量化得分为22分，详见表2。

表2 培龙贡支泥石流活动综合评判量化指标

根据泥石流活动性分级标准，培龙贡支属于泥石流极易活动区；由于该泥石流属于特大型泥石流，加之爆发频率高，爆发后将危机沟口居民生命财产安全，堵塞帕隆藏布江，形成的堰塞湖将危及上游川藏公路、通麦镇等居民区，属于高危险泥石流。

5.2 易发程度评估

根据DZ/T0220—2006《泥石流灾害防治工程勘查规范》中的附录G，得到研究区泥石流易发性量化得分为120分，详见表3。

表3 培龙贡支泥石流易发程度量化评分

根据泥石流沟易发程度数量化综合评判等级标准，研究区属于泥石流极易发生区。

5.3 泥石流发展趋势的定性评价

(1)地形地貌角度：研究区流域汇水面积为86.1 km2，能最大限度的聚集研究区充沛的降水；相对高差为3 828 m，纵坡比降介于92.39‰～480.00‰，坡度较陡、高差巨大，为重力地质灾害和沟谷内流水提供了充足、持续的能量。

(2)地震活动角度：研究区位于嘉黎活动断裂与米林活动断裂之间，均为区域断裂，地震强烈发育，持续触发滑坡、崩塌等重力地质灾害，加之震后常伴随强降雨[14]，加剧诱发了泥石流的发生；震级与泥石流频率成正比[15]。

(3)物源形成角度：在地震、风化等作用下，研究区内的斜坡持续不断地发生着崩塌、滑坡等重力地质灾害作用，形成了大量的冰碛物、残坡积物及崩滑堆积体等，为泥石流生成提供了充足的物源；河漫滩内的早期泥石流堆积，物质胶结与固结程度差，厚度较大，其将作为泥石流的物源补充。

(4)气候变化角度：20世纪90年代至今，研究区气温持续升高，气候向干热过渡，泥石流发生频率增加[15]；气温上升，导致冰川大面积萎缩，雪线上升，一方面极易导致冰崩、冰滑坡，导致冰川泥石流的发生，另一方面使冰雪覆盖下的松散堆积物裸露地表，在冰雪融水和降水作用下，诱发泥石流。

综上分析，在蕴含巨大重力势能的地形条件和充沛的降雨条件下，频繁活动的地震，持续升高的气温，将加速冰川融化，增加地区降雨的突发性，加快地表物质的风化，源源不断的补充研究区的松散固体物质储量，导致泥石流可能频繁爆发。

6 结论

(1)培龙贡支主沟长主沟道长18.8 km，位于构造强烈发育区，新构造运动异常活跃，岩体破碎，滑坡、崩塌等重力地质灾害发育，形成了大量松散冰碛物、残坡积物崩滑堆积体等，为泥石流提供了丰富的物质来源。

(2)培龙贡支流域平面形态呈不规则树叶状，流域面积86.1 km2，主沟床平均比降132‰，为泥石流的形成提供必要的地形条件。

(3)培龙贡支地区强降雨周期达8个月，冰雪覆盖面积高达22.7 km2，充沛的降雨和持续不断的冰雪融水，为泥石流形成提供了必备的水动力条件。

(4)培龙贡支泥石流按照规模分类属于特大型泥石流，按照水动力条件分类属于冰川-暴雨型，按照物质组成属于水石型泥石流，按照流体性质属于黏性型泥石流；按照地貌特征属于沟谷型泥石流。

(5)培龙贡支泥石流流体重度rc取值为21.0 kN/m3，流速为17.75 m/s，石块运动速度为10.58 m/s，洪峰流量为7 327.96 m3/s，一次泥石流过程总量为6 268.04×104m3，一次泥石流最大堆积厚度为36.85 m，最大冲刷深度为43.19 m，冲起高度为25.72 m，冲击压力为879.97 Pa。

(6)培龙贡支泥石流属于高危险、极易发生的泥石流，在不利的地形地貌、地质构造、气候水文等条件的共同作用下，研究区存在泥石流频繁爆发的可能性。