A. 西藏自治區貢覺縣泥石流災害研究
戚國慶1曹修定2夏抱本3滕雲3
(1成都理工大學地質災害防治國家專業實驗室，四川成都，610059;2中國地質調查局水文地質工程地質技術方法研究所，河北保定，071051;3西藏自治區生態環境地質研究所，西藏拉薩，850000）
【摘要】西藏自治區貢覺縣境內發育有影響居民安全的者龍窪Ⅰ溝、者龍窪Ⅱ溝和克西林溝等3條降雨型泥石流溝。本文根據非飽和土強度理論對其成因機理進行了研究，建議用臨界雨量線模型框架來建立貢覺縣泥石流的預測模型，並依據者龍窪Ⅱ溝泥石流爆發前20日的降雨量數據進行擬合分析。結果表明：文中建議的兩個臨界雨量線模型框架均適於用來建立貢覺縣降雨型泥石流爆發的預報模型。
【關鍵詞】泥石流非飽和土基質吸力預報模型
1 引言
貢覺縣位於青藏高原東部，橫斷山脈北段。據《西藏地貌分區圖》，該縣屬藏東大起伏—極大起伏的高山河谷區。縣內地形坡度一般在30°～40°，部分大於60°。位於該縣東南部、約佔全縣總面積34.4%的高山峽谷地區，是泥石流及其他地質災害高發區。
泥石流是一種攜帶大量泥土和碎屑物質的間歇性洪流[1]，具有突發性和很強的破壞力。泥石流的形成必須具備3個條件：物源條件（豐富的鬆散物質來源）、水源條件（氣象水文條件）和地形地貌條件等。運用非飽和土力學理論，在對貢覺縣泥石流形成的地形地貌條件、物質組成及氣象水文條件進行調查研究的基礎上，對貢覺縣泥石流的形成機制及預報模型進行了探討。降雨型泥石流的形成過程劃分為兩個階段[2]，即：降雨型泥石流的固體鬆散物質中由基質吸力引起的抗剪強度喪失階段和孔隙水壓力增大引起的有效應力降低、發生泥石流階段。
2 貢覺縣泥石流的形成條件
2.1 地形、地貌條件
調查發現，貢覺縣泥石流主要分布在位於該縣東南部高山峽谷區的木協鄉，直接威脅附近居民生命財產安全的泥石流溝有3條，者龍窪工溝，者龍窪Ⅱ溝，克西林溝（見圖1）。
貢覺縣境內發育的泥石流具有明顯的形成（物源）區、流通區和堆積區。該縣泥石流主要分布於溝床比降大的溝谷中，為溝谷型泥石流。泥石流溝在形成區、流通區呈「V」字型，總體坡度35。左右；堆積區位於溝口，呈扇形，坡度約為15°。泥石流溝的植被覆蓋率約為15%，溝谷均長達2km以上，溝床平均縱坡降130‰。
2.2 固體鬆散物質的顆粒分布特徵
貢覺縣泥石流的物質來源主要為山坡表層的第四系鬆散堆積物、岩石風化物質及崩塌、滑坡堆積物等。克西林溝泥石流（GJ—0028）的物質來源為溝兩側的也古、拉巴滑坡堆積物。者龍窪I、Ⅱ泥石流（GJ—0033、GJ—0035）發育於硬岩中，其物質來源主要為岩石風化物質及崩、坡積物。3條泥石流溝地表鬆散物質厚均達6.5m以上。
圖1木協鄉泥石流分布
1.水系；2.房屋；3.公路；4.地層界線；5.斷層；6.泥石流；7.元古界雄松群片麻岩組；8.元古界雄松群大理岩組；9.花崗岩
泥石流固體物質的顆粒分析結果（見圖2）顯示，者龍窪Ⅱ、者龍窪I及克西林泥石流固體物質的顆粒分布有以下特點：①固體物質顆粒粒徑分布范圍很廣，從幾微米直至幾米的變化范圍，其粒徑分布曲線呈山峰型。說明該區泥石流中固體物質含量較高[3,4]；②固體物質顆粒在0.01mm粒徑以下的分布是一致的，0.01mm粒徑以上的分布有所區別，者龍窪Ⅱ泥石流3～10mm粒徑的物質含量相對較高，克西林泥石流中0.1～0.5mm粒徑的物質含量相對較高。這主要是由於其物質來源上的差異造成的。
圖2木協泥石流固體物質顆粒分布曲線
1.者龍窪Ⅱ泥石流；2.者龍窪I泥石流；3.克西林泥石流
2.3氣象水文條件
貢覺縣泥石流的誘發因素為大氣降水，屬降雨型泥石流。貢覺縣與毗鄰的芒康縣同屬高原溫帶濕潤、半濕潤氣候。年降雨量450～570mm，降雨量偏少，旱、雨季分明，全年降雨主要集中在6～9月份，多為大雨、暴雨，災害性天氣較多。平均氣溫貢覺縣為5.2℃、芒康縣為3.5℃。
貢覺縣位於金沙江西岸，金沙江呈南北向沿貢覺縣東部邊界通過，區內流程約80km。縣境內發育有熱曲、斜曲、董曲、過曲、羅麥河、布熱曲呷、馬希弄、阿香希等河流，均屬金沙江中上游支流。河流分水嶺位於貢覺縣中部，基本上呈南北向展布，其中熱曲河流域主要位於分水嶺以西，斜曲、董曲、過曲、羅麥河、布熱曲呷、馬希弄、阿香希等河流流域均位於分水嶺以東。境內最大河流為熱曲河，自北向東匯入金沙江，區內流程約110km，全河道平均比降4‰～7‰，河寬約50～70m。河流兩側次級水系呈樹枝狀。馬曲、納曲、則曲為其支流水系；貢覺縣境內的泥石流大多數發育於斜曲河谷，洛曲為斜曲上游支流水系。
流域的水文情勢受地理位置、地形、氣象因素等影響，變化十分復雜，各地差異很大。本流域徑流主要靠降水補給，地下水和融雪也占相當的比例，徑流年際變化較大，在1.5倍左右。年內隨著旱、雨季的變化呈現枯、豐水季節，洪水主要由降水產生，洪峰流量不大，一般洪、枯流量變化在10倍左右。
3降雨型泥石流的形成機理分析
降雨型泥石流的形成可分為兩個階段[2]：第一個階段，非飽和固體鬆散物質由於含水量持續增加，達到飽和狀態，基質吸力下降引起的抗剪強度喪失；第二個階段，飽和的固體鬆散物質由於含水量持續增加，水壓力增大，有效應力減小，發生泥石流。
3.1由基質吸力引起的抗剪強度喪失階段
依據（Fredlund等，1978）非飽和土抗剪強度公式[5]，非飽和固體鬆散物質的抗剪強度可以表示為：
地質災害調查與監測技術方法論文集
式中：C′為有效粘聚力；σf為破壞時在破壞面上的法向總應力；u。為破壞時在破壞面上的孔隙氣壓力；uw為破壞時在破壞面上的孔隙水壓力；（σf-ua)f為破壞時在破壞面上的凈法向應力狀態；（ua-uw)f為破壞時破壞面上的基質吸力；φ′為固體鬆散物質的內摩擦角；φb為表示抗剪強度隨基質吸力而增加的速率；
地質災害調查與監測技術方法論文集
式中：（ua-uw)r為殘余含水量θr所對應的基質吸力；（ua-uw)b為土的進氣值；θ為體積含水量；θs為飽和體積含水量。
公式（2）顯示，在降雨型泥石流形成的第一階段，由於降雨入滲，處於非飽和狀態的固體鬆散物質的含水量θ不斷增加，基質吸力（ua-uw）不斷下降，使得
3.2孔隙水壓力增大引起有效應力降低，發生流動階段
降雨具有一定歷時後，非飽和固體鬆散物質含水量增加，並達到飽和後，含水量繼續增加，將在固體鬆散物質中產生孔隙水壓力 uw。固體鬆散物質中的水量越多，孔隙水壓力 uw越大，其抗剪強度也就越低。飽和固體鬆散物質的抗剪強度隨孔隙水壓力的變化關系為：
地質災害調查與監測技術方法論文集
式中：C′為固體鬆散物質的有效粘聚力；φ′為固體鬆散物質的有效內摩擦角。
當固體鬆散物質達到飽和狀態後，就進入了降雨型泥石流形成的第二階段。此時，飽和的固體鬆散物質啟動與否的判別式[6]為：
地質災害調查與監測技術方法論文集
式中：A為固體鬆散物質與溝床的接觸面積；G為固體鬆散物質重量；T為水流推力，其值較小，為次要影響因素；β為溝床底坡坡度；K為固體鬆散物質穩定性系數，當 K=1時，飽和固體鬆散物質處於極限狀態；當 K＞1時，飽和固體鬆散物質處於穩定狀態，不會發生泥石流；當K＜1時，飽和固體鬆散物質處於不穩定狀態，將會發生泥石流。
公式（4）反映了降雨型泥石流啟動與否的力學機制，在這一階段，短歷時的具有一定強度的降雨使得固體鬆散物質中滲入的水量來不及排出，加上周圍降雨匯流的作用，固體鬆散物質將啟動，形成泥石流。
4貢覺縣泥石流的預報模型探討
降雨型泥石流的發生是前期實效降雨量與短歷時具有一定強度的降雨共同作用的結果。在其形成的第一階段，固體鬆散物質含水量的增加與前期實效降雨量關系密切。第二階段，短歷時、具有一定強度的降雨起主導作用。由降雨型泥石流形成的機理分析可知，前期實效降雨量越大（越小），則形成泥石流所需的短歷時降雨指標就越小（越大）。
前期實效降雨量[7]P。由當日降雨量H24以及前若干日降雨量Pt（賦存於固體物質中）的剩餘部分組成。式中：R為遞減系數；n為前期降雨影響期。遞減系數和前期降雨影響期應依據當地氣候條件和固體鬆散物質的組成岩性、含水量、孔隙率、滲透系數、基質吸力來確定。
地質災害調查與監測技術方法論文集
短歷時具有一定強度的降雨指標一般採用10分鍾降雨量、60分鍾降雨量、24小時降雨量等。
降雨型泥石流的預報主要採用臨界雨量線模型。但泥石流溝谷特徵的差異和固體鬆散物質非飽和土力學性質的差異，都將造成預報模型框架的差異。蔣家溝模型[8]是一種臨界雨量線模型，其模型框架可以寫成如下形式：
地質災害調查與監測技術方法論文集
式中：短歷時降雨指標 R1。為10分鍾降雨量（mm）；實效降雨量P。為20天內的有效降雨量，遞減系數 R=0.8;A、B、M為擬合參數。蔣家溝模型中，對於泥石流的雨量臨界線，A=5.5,B=0.098,M=0.5mm；對於泥石流的爆發雨量線，A=6.9,B=0.123,M=1.0mm。蔣家溝模型預報提前時間為17～20分鍾，報准率為86%，錯報3%，漏報為11%。
另一種臨界雨量線模型框架為：
地質災害調查與監測技術方法論文集
式中：A、B為擬合參數。對排土場泥石流[9]進行觀測，得到的雨量線由EF段和FG段構成，對於EF段：A=293.33,B=-5.93；對於FG段：A=76.46,B=-0.48；在兩段曲線的連接點 F處，R10=1.44mm,P.=39.79mm。
以貢覺縣者龍窪Ⅱ泥石流為例，對上述兩個預報模型（公式（6）、公式（7）進行探討。者龍窪Ⅱ泥石流於2003年6月20日爆發，者龍窪泥石流爆發前20天的降雨量見表1。
表12003年6月1日至20日逐日降雨量
依據表1，應用公式（5）得出其前期實效降雨量P。為30.57mm，運用公式（6）得出發生泥石流的10分鍾臨界降雨量R10為2.33mm，運用公式（7）得出發生泥石流的10分鍾臨界降雨量R10為3.67mm。而該地區多年平均最大10分鍾降雨量為6.0mm[10]，大於由公式（6）、公式（7）得出的發生泥石流的10分鍾臨界降雨量R10值，處於暴發泥石流的臨界狀態。這一與實際情況相符合。上述探討說明：這兩個臨界雨量線模型框架均可以用來建立貢覺縣降雨型泥石流暴發的預報模型。
5結論
從誘發因素來看，西藏自治區貢覺縣境內的泥石流主要為降雨型泥石流。文中建議的兩個臨界雨量線模型框架，均適於建立貢覺縣降雨型泥石流暴發的預報模型。
對於降雨型泥石流，當形成泥石流的物質條件（按一定坡度堆積的固體鬆散物質、一定的匯水面積等條件）具備時，泥石流的發生是前期實效降雨量和短歷時強降雨共同作用的結果。依據非飽和土強度理論，可將降雨型泥石流的形成劃分為兩個階段：第一個階段，基質吸力引起的抗剪強度喪失階段，該階段與前期實效降雨量有關。第二個階段，泥石流發生階段，與短歷時強降雨有關。
應用非飽和土力學原理研究降雨型泥石流形成機理的優點是：可以通過對可能形成泥石流的固體鬆散物質的非飽和物理力學性質的研究，來預先判斷在降雨條件下，會不會發生泥石流以及所需要的降雨條件和雨型，從而為泥石流的准確預報提供更強有力的理論依據。作者將在今後的研究中進一步加強這一理論在泥石流領域的應用研究。
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