冰碛补给型泥石流形成机制研究——以贡嘎山东坡小河子沟为例

江金涛，铁永波，王帅(1.中国地质大学(北京)，北京 10008； 2.中国地质科学院，北京 10007；.中国地质调查局成都地质调查中心，成都 610081)

冰碛补给型泥石流形成机制研究
——以贡嘎山东坡小河子沟为例

江金涛1，2，3，铁永波3，王帅1，2，3
(1.中国地质大学(北京)，北京 100083； 2.中国地质科学院，北京 100037；3.中国地质调查局成都地质调查中心，成都 610081)

冰碛补给型泥石流是发育在高海拔冰缘山区的一种特殊灾害地貌过程，以其物源“非粗化层”和不同粒径土体同时启动的特点区别于一般水力类泥石流。冰碛土作为该类泥石流主要的启动物源，具有储量丰富、集中分布、地貌部位高的特点。发育于贡嘎山东坡的小河子沟是典型的高地貌部位冰碛补给型泥石流，其物源汇集过程可分为以下3个阶段：沟道汇集阶段、土体粗化阶段和循环冻融阶段。这类泥石流的启动主要受前期持续降雨加短时强降雨激发，启动后具有放大效应显著、致灾能力强的特点。本文以小河子沟泥石流为例，提出了高地貌部位冰碛补给型泥石流的启动机制，研究成果将在此类泥石流防治及风险控制方面提供理论支撑。

冰碛补给型泥石流；高地貌；形成机制；贡嘎山；小河子沟

冰碛补给型泥石流是发育在高海拔冰缘山区的一种特殊灾害地貌过程，以冰碛物为主要物源补给[1]。在此之前，有诸多国内外学者对冰缘区发育的泥石流做了大量研究[1-4]，主要针对以冰雪融水或冰湖溃决水为水动力来源的冰川泥石流，它是一种与冰川运动密切相关的灾害地貌现象[2]。通过对贡嘎山东坡磨西河流域内发育在冰缘区的泥石流调查研究发现，冰碛补给型泥石流是区别于冰川泥石流的发育在冰缘区的另一类典型地质灾害现象。前者的主要水动力来源为降雨，其在时间尺度上可滞后于冰川过程数百万年，在空间尺度上不局限于冰川活动带[1,3]。

冰碛物一般具有储量丰富、集中分布、地貌部位高的特点，故冰碛补给型泥石流伴随着频率高、运动速度快、运动距离远、冲出规模大及危害严重等特点，具有极高的隐蔽性[4-8]。随着山区经济发展和人类活动加剧，在山区人口密集的城镇及交通沿线都经常遭遇冰碛补给型泥石流的危害。1953年9月我国西藏自治区境内的古乡沟暴发了规模巨大的泥石流灾害，造成帕隆藏布被堵塞成湖，140余人死亡的重大灾害，冰碛物冲出量达数百万立方米[9,10]；2005年8月11日，我国四川省境内磨西河流域内群发泥石流，公路、水电站等基础设施受到重创，其冲出量一度堵塞大渡河，致使1 200余名游客在海螺沟景区受阻，造成数千万元的经济损失[11]。针对冰缘区这一典型泥石流灾害，已有学者对其做了初步研究，提出了冰碛补给型泥石流形成过程的4阶段模式[1]。但对冰碛补给型泥石流启动机制的研究尚未深入，因此研究其启动机制对丰富和完善该学科体系具有一定的理论意义，研究结果将在此类泥石流防治及风险控制提供依据。

1 流域概况

小河子沟位于四川省磨西镇新兴乡境内，为磨西河一级支沟雅家埂河中段右岸支沟。流域平面上呈长条形，面积19.1 km2，主沟长8.1 km，宽约2.6 km，支沟不发育。沟道最高点海拔5 560 m，沟口海拔2 400 m，相对高差3 160 m，沟道平均纵坡降217 ‰。2005年8月11日小河子沟发生以冰碛土为主要物源的大型泥石流，破坏沟口桥梁和公路，严重阻碍了交通。

小河子沟所处贡嘎山位于青藏板块与扬子板块交接带上，在构造活动强烈的背景下，流域受鲜水河断裂分支磨西断裂带影响强烈。磨西断裂N-S向展布于小河子沟口，与沟道走向垂直。小河子沟流域正好处在活动断裂带的强烈抬升区，河流下切侵蚀现象明显，沟谷狭窄。流域内岩性组合特征复杂，地貌上段以元古代花岗闪长岩为主，中下段则为二叠系绿片岩等浅变质岩，沟口可见少段泥盆系结晶白云岩；基岩节理裂隙发育，结构破碎。

冰川地质作用在极地、高纬度和高山寒冷地区占显著地位。更新世以来，贡嘎山经历了5次冰期(据陈富斌(1997)补充)[12]。其中对小河子沟流域影响最为显著的两次冰期发生在晚更新世和全新世。晚更新世的晚贡嘎冰期规模较大，对区内地貌格局影响程度最高。此次冰期奠定了流域内冰川地貌格局和冰碛物物源全流域分布特点，形成了形态完整的终碛、侧碛、冰碛湖。全新世新冰期完成了对流域上段冰碛物的补充和改造，形成了现代冰川前端不远的终碛、低侧碛、冰碛湖。冰碛新鲜，山谷冰川、冰斗冰川规模较小。

流域上段(海拔4 000 m以上)常年冰雪覆盖，植被稀少，裸露基岩以坚硬岩类斜长花岗岩为主，结构破碎。地貌上具有冰川地貌的特点，刃脊发育，岸坡陡直，基岩受冻融破坏作用；沟道内现代冰川规模较小，冰碛物堆积层厚，是流域内泥石流的主要启动物源。流域中段(海拔3 230～4 000 m)沟道狭窄，岸坡有不同厚度冰碛物覆盖层(图1(a))，是岸坡崩塌滑坡的主要物质来源。流域下段(海拔2 400～3 230 m)沟道呈深切“V”型谷，坡脚“干净”，局部地区基岩可见，是常年冰雪融水冲刷的结果，融水形成的常年径流流量约6.7 m3/s。岸坡植被覆盖率高，崩滑现象明显少于中段，通过坡面泥石流规模，推测斜坡冰碛物厚约10 m(图1(b、c))。

图1 小河子沟流域特征

2 小河子沟泥石流物源特征分析

小河子沟泥石流物源主要为冰川形成的冰碛物，来自沟道岸坡坍塌及沟道堆积土体。小河子沟流域内冰川活动周期长、影响范围广，长期积累下的冰碛物在流域上段沟床内厚度达数十米。岸坡崩滑常发育在坡度较大的斜坡，是重力作用下斜坡失稳后在坡脚附近堆积碎石的现象。由于小河子沟处于冰缘区的特殊地貌原因，岸坡崩滑现象还受冻融作用影响。冻融破坏作用分为循环式冻融、季节式冻融和坡向式冻融作用[3]。

小河子沟泥石流物源储量丰富、集中分布、地貌部位高。遥感资料显示，主要冰碛物物源分布于海拔4 000 m以上的冰缘区，补给段长达5 km，占流域全长的1/4，是小河子沟泥石流的主要物源类型。沟道沿线岸坡崩塌、滑坡也能为泥石流提供物源。

通过对流域内冰碛物进行调查和取样，查明了冰碛物粒径弱双峰型分布特征(图2)。冰碛物固体颗粒粒径分布范围较广，最小粒径范围至粉砂级，最大粒径可达超过2 m的巨石。小于2 mm的砂粒和大于60 mm范围的固体颗粒含量较高，组成弱双峰，占样品总质量的73.6%。而粒度2～60 mm之间各组的固体物质含量相对较低，平均含量为7.3%。

图2 冰碛物颗粒级配

3 小河子沟泥石流形成过程分析

3.1 泥石流物源汇集过程

泥石流的形成必须满足3个有利条件：陡峻的山地地形、足够的水动力来源和丰富的物源。小河子沟泥石流完全具备了前两个有利条件，而物源的分布情况直接影响泥石流的形成过程，其汇集方式是影响泥石流启动过程的直接因素。根据对小河子沟泥石流的调查研究，将高地貌部位冰碛补给型泥石流的启动过程分为以下3个阶段(图3)。

图3 小河子沟泥石流物源汇集过程示意图

沟道汇集阶段：沟道汇集是岸坡崩滑作用下固体物质在沟道的汇集作用。小河子沟岸坡陡直，在重力作用下斜坡基岩稳定性较低并常以崩塌、滑坡等破坏形式汇集在沟床两侧。崩滑产生的松散固体物质粒径范围较广，和沟床内原有的冰碛土混杂，组成非粗化层特征的泥石流物源。

土体粗化阶段：土体粗化发生在沟床松散固体物质的表层，是小规模沟道径流和冰雪融水对小粒径土体的冲刷搬运，致使沟床表层松散固体物质小粒径物质流失而表现出土体粗化的现象。一般水力类泥石流物源汇集方式比较单一，其物源“粗化”特征明显。而高地貌部位冰碛补给型泥石流物源汇集过程中，松散固体物质在沟床表层汇集频繁，使得这类泥石流物源粗化现象不显著。

循环冻融阶段：冻融作用在高海拔地区泥石流物源汇集过程中极为重要，有循环冻融的特点。冻融破坏作用受温差影响，主要反映在昼夜温差、季节温差和坡向温差上。温差反复变化下，斜坡表面细小土粒的微裂隙中的水膜楔压力会随着这一过程发生改变，导致细颗粒物质剥离坡体，并覆盖在受沟道径流冲刷形成的沟床粗化层上。循环冻融作用一方面让泥石流物源汇集频繁，另一方面使得沟床松散固体物质表现出“非粗化层”的特征。

3.2 降雨汇流与泥石流启动阶段

小河子沟泥石流的启动阶段又分为降雨汇流过程和泥石流启动过程。降雨是泥石流启动的主要动力条件，对发育在冰缘区的高地貌部位冰碛补给型泥石流而言，岸坡陡直、基岩裸露的特点利于降雨快速汇流和降低下渗水量。因此该类型泥石流降雨汇流能力常高于一般水力类泥石流。汇流形成的沟道径流对沟床松散物质的铲蚀搬运即是泥石流启动过程。

气象记录资料显示，2005年8月11日泥石流发生前16 d(含11日)中，小河子沟流域附近总降雨量高达172.5 mm，日平均降雨量10.8 mm，除8月4日外均有不同规模降雨发生(图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号日降雨量达40.3 mm。但11号泥石流发生当天，日降雨量仅为5.7 mm，低于日平均降雨量(10.8 mm)。由此可见，前期连续降雨加短时强降雨是激发本次泥石流发生的主要原因。并且在降雨强度不大但连续降雨过程中，泥石流发生具有一定的滞后效应[13]。

图4 流域内2005年降雨特征图

沟道径流对沟床表层冰碛土产生揭底铲蚀等破坏作用使其剥离沟床启动。由于冰碛补给型泥石流物源不具有粗化层，物源土体中的粗颗粒和细颗粒混杂，不同粒径的土体几乎同时启动——与一般水力类泥石流粗细颗粒先后启动的机制截然不同。而物源具有“粗化层”的一般水力类泥石流启动过程，则是表层的粗颗粒先启动，底层的细颗粒失去“粗化层”的保护才开始启动，具有显著的时间先后关系。对比高地貌部位冰碛补给型泥石流与一般水力类泥石流的启动机制的差异见表1。

3.3 泥石流流量放大阶段

2015年8月11日小河子沟发生泥石流，在沟岸留下泥痕。通过在小河子沟流域下段流通区实测2条泥痕明显的泥石流断面，按照王继康等在1982年提出的粘性泥石流流速经验公式[14]，推算出泥石流的流速、流量等动力学参数(表2)。泥石流断面1位于断面2上游30 m，泥石流从断面1向断面2流通的过程中，有3个明显的动力学参数变化：断面面积增加、泥石流流速减小、流量增加。

表1 冰碛补给型泥石流与一般水力类泥石流的启动机制对比表

表2 小河子沟泥石流动力学参数

泥石流启动之后，形成含大量泥沙的浆体，这种浆体较清水径流对沟道松散堆积物破坏能力更强。泥石流对沟道固体物质破坏形式主要分为沟床铲蚀和坡脚侧蚀，后者产生的坡脚土体破坏使得斜坡表层的土体失稳并崩滑在沟道内成为泥石流物源。沟床铲蚀和斜坡破坏过程中，断面面积会不断增加；断面面积增大后，泥石流在沟道内束缚力减小而流速降低；沟道内松散固体物质加入到泥石流浆体中，又使得泥石流流量增加。在泥石流发生过程中，常常发生泥石流流量增大的现象，称之为“滚雪球效应”。由于高地貌部位冰碛补给型泥石流破坏能力强、物源丰富，这种效应更为明显，表现为小河子沟泥石流两个相距30 m的泥石流断面流量增加了84.7 m3。

3.4 泥石流堆积阶段

流域沟口一般地势开阔，地形倾角小于10°。泥石流冲出沟口，动能消耗以后便堆积成扇形，是为泥石流堆积区。

小河子沟口位于雅家埂河，该处河床宽约150 m。据估计2005年小河子沟泥石流固体冲出方量高达24×104m3，泥石流冲出沟口后向雅家埂河下游方向淤积，形成扇形状不显著的堆积区。小河子沟泥石流堆积区面积0.8 km2，平均堆积厚度3 m。泥石流堆积体漂卵石含量约35%，成分以斜长花岗岩为主，粒径一般5～80 cm，最大达200 cm，次棱角状，碎石含量约10%，次磨圆状，粗砂含量约55%；固结良好，含水率高。

与一般水力类泥石流不同，由于高地貌部位冰碛补给型泥石流以冰碛土作为物源丰富、补给段长，泥石流冲出方量一般较大。其泥石流冲出物保留有冰碛物的特点，粒径较大的漂石、块石含量较高，且具有一定磨圆度。固体物质含量高、块径大的特点，使得这类泥石流冲击力较大，致灾性极强。

4 结论

小河子沟属于降雨型高地貌部位冰碛补给泥石流沟。泥石流物源以上段冰碛物为主，是小河子沟的主要启动物源，中下段沟道松散堆积体和岸坡崩滑体组成了重要的维持型物源。冰碛物作为主要的启动型物源位于海拔4 000 m以上常年冻融区，具有储量丰富、集中丰富、地貌部位高的特点。中段沟道内松散堆积体和流域内岸坡崩滑体是泥石流的维持型物源，控制着泥石流发生的规模、持续时间，在启动顺序上一般滞后于启动型物源。

高地貌部位冰碛补给型泥石流物源汇集分为以下3个阶段：沟道汇集阶段、土体粗化阶段和循环冻融阶段。与一般水力类泥石流物源汇集过程不同，高地貌部位冰碛补给型泥石流物源汇集不仅受重力作用，还受循环冻融作用影响。除降雨外，冰川融水也是这类泥石流物源汇集的重要水动力来源。

前期持续降雨加短时强降雨是高地貌部位冰碛补给型泥石流的激发雨型特点。降雨形成的沟道径流冲刷侵蚀沟道内形成的“非粗化层”物源，不同粒径的土体几乎同时启动。这类启动于高地貌部位的泥石流，流速较大的同时具有较强的破坏能力，常在流通过程中铲蚀沟道内松散物源形成泥石流放大现象。

目前对这类泥石流的研究尚不成熟，因此急需开展具有针对性的试验研究，对高地貌部位冰碛补给型泥石流形成的整个连续过程进行探索。研究成果将在冰碛补给型泥石流防治及风险控制方面提供重要的理论支撑。

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作者简介：江金涛(1991- )，男，湖北新洲人，硕士研究生，主要从事环境地质和灾害地貌方向研究。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

中国地质调查局公益性地调项目(DD20160274)"乌蒙山区北部城镇地质灾害调查"

P642.23

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