藏東南直白溝冰崩型泥石流孕災條件與動力特征

龍 飛龔 誠黃 海焦成才

〔1.西藏自治區地質環境監測總站,西藏 拉薩850000;2.中國地質科學院探礦工藝研究所,四川 成都611734;3.中國地質大學(武漢)工程學院,湖北 武漢430074;4.北京歐遠致科技有限公司,北京100085〕

地震和全球氣候變暖是青藏高原地質災害的兩個關鍵驅動力[1-2]。地震在誘發同震災害的同時[3],還對周邊巖體具有震裂效應[4-5],而氣溫升高則對冰川消退和高山區的凍融作用具有明顯加劇作用[6],兩者的疊加導致冰凍圈的地震影響區泥石流非?；钴S。如1950年墨脫地震影響下[7],直白溝和古鄉溝相繼暴發特大堵江型冰川泥石流災害[8-9],2017年米林地震后,色東普在4個水文年暴發了7次泥石流[10-11]。前人對于周邊區域不同類型冰川泥石流開展了大量研究,如冰崩型泥石流(天摩溝)[12]、冰水復合型泥石流(古鄉溝)[13]、冰湖潰決型泥石流(光謝錯)等[14],探索了冰川泥石流災害演化、觸發條件、啟動機制、動力過程及風險評價,為深入認識冰川泥石流災害提供了重要理論基礎。在取得豐碩成果的同時,由于冰川泥石流多發育于人跡罕至的極高山區,現場觀測與監測工作開展較少,使得我們對于冰川泥石流的觸發條件、動力參數等特征還存在較多不足。

2017年11月18日,藏東南南迦巴瓦地區發生Ms 6.9級地震,震中位于色東普溝源頭(29.89°N,95.04°E)[15]。地震在雅魯藏布江大峽谷附近誘發大量同震地質災害[16],大部分為冰凍圈的巖土體失穩,這些災害多數都與冰川或者高山積雪相關。同時,地震作用還破壞了周邊巖體和冰川的穩定性,震后高位冰崩、巖崩高發(以色東普溝為代表),這些高位地質體失穩后,沿溝道鏟刮侵蝕,形成大規模泥石流,并多次堵塞雅魯藏布江形成堰塞湖,回淹范圍達上百公里[17]。2020年9月10日下午5:00左右,直白溝暴發大規模泥石流,造成直白大橋損毀,公路路面淤埋破壞,中斷交通近半年之久,所幸未造成人員傷亡。同時,大量泥石流固體物質沖入雅魯藏布江,堵塞主河行洪斷面50%?！?·10”冰川泥石流災害暴發時溫度與氣溫均無明顯異常,其觸發機制有別于其他震區的泥石流事件[3]。本文通過野外調查、遙感解譯、現場觀測和災害監測等研究手段,分析該次泥石流災害事件的觸發條件、演進過程和動力參數,為進一步認識冰崩型泥石流的觸發與運動具有重要現實意義和理論意義。

1 流域概況

直白溝位于西藏自治區林芝市米林縣派鎮,為雅魯藏布江右岸一級支流。流域地處青藏高原喜馬拉雅東構造和雅魯藏布江水汽通道交匯處[18-19],鄰近雅魯藏布江大拐彎。研究區地質背景復雜,活動構造發育,地震頻發,地貌類型復雜多樣。直白溝流域面積57.50 km2,主溝溝長11.50 km,地勢總體東高西低,海拔最高點為著名的南迦巴瓦峰,海拔高程為7 527 m,最低海拔為主河交匯口,海拔2 953 m,相對高差達4 574 m。溝道上游發育著名的則隆弄冰川,冰川的進退變化為泥石流孕災提供了豐富的冰磧物物源。受冰川作用,流域水系復雜,一直延伸到出山口的冰川側磧壟將匯流通道分割成3個水系,為泥石流的運動提供了有利的溝道地形條件。

直白溝流域復雜的地質構造和充沛水汽補給為泥石流的啟動提供了驅動力。在地震和氣候變暖的內外動力耦合作用下,研究區歷史上多次暴發泥石流災害,對溝口直白村居民區、交通設施以及河流等危害嚴重(表1)?？傮w上,直白溝泥石流具有冰川失穩和巖土體失穩兩種激發模式,1950年和1968年暴發的3次泥石流災害均由冰川躍動誘發;2020年泥石流災害則為高位冰巖崩誘發。

表1 直白溝泥石流災害事件統計

如圖1所示,2020年9月10日直白溝暴發的大規模泥石流損毀了溝口直白大橋和公路,并堵塞主河。

圖1 直白溝2020年9月10日泥石流災害災損情況

泥石流中的巨塊石撞擊在凈空約25 m高的直白大橋,造成主橋橋面下沉15 cm,水平錯位移動30 cm,泥石流從溝道右岸平臺漫流至公路,淤埋公路約150 m,所幸未造成人員傷亡,大量泥石流固體物質沖入雅魯藏布江,堵塞主河行洪斷面50%。

2 泥石流形成條件

2.1 流域地貌特征

直白溝發育典型冰川地貌,主溝溝谷呈現U形地貌,溝谷寬度達800～1 200 m,在強烈構造運動作用下,形成陡峻溝床縱比降,主溝平均縱比降203.73‰。根據泥石流形成過程,可將直白溝自上游而下劃分為形成區、流通補給區和堆積區(圖2)。

圖2 直白溝溝道縱剖面圖

海拔3 750 m以上主溝匯水區內冰川發育,基巖陡立,發育零星高位崩滑體,冰川和巖體的失穩常誘發大規模泥石流,劃分為泥石流形成區;出山口以上段溝道兩岸分布冰磧物臺地,溝道下切嚴重,形成陡峻的岸坡,尤其是冰磧物岸坡,形成近90°的直立陡崖,在溝道流水側蝕作用下,極易形成補給泥石流的松散物源,劃分為泥石流流通補給區;出山口至交匯口段為泥石流堆積區。因此形成區陡峻的溝道和斜坡,有利于泥石流物源的啟動,流通區順直深切的水力斷面在泥石流輸移過程中產生“束水攻沙”效應,有利于物質輸移和泥石流龍頭的形成[20]。

2.2 物源特征

通過多期遙感解譯和野外調查,查出直白溝物源主要有3類:高位崩滑物源、冰磧物源和溝床物源。流域物源儲量豐富,總量估算為6.45×106m3,其中高位崩滑物源量約7.50×105m3,主要分布于海拔5 000 m以上的基巖裸露區,其形成與凍融循環作用和地震活動密切相關;冰磧物源量約4.70×106m3,主要分布于冰川下游段主溝溝道兩側和支溝源頭;溝床物源量約1.00×106m3,主要分布于主溝溝道中,為泥石流、碎屑流及斜坡侵蝕等搬運作用在溝道中堆積的松散物質。

2.3 冰川發育特征

由歷史災害事件資料分析[8],冰川是直白溝泥石流重要孕災體。受氣候變暖影響,直白溝冰川退縮嚴重,主溝冰川長度由1950年的7.4 km縮短至現在的5.9 km。冰川變化速度總體呈現慢—快—慢的趨勢,近20 a來冰川變化較慢,末端高程變化約10 m[21]。冰川長度的縮小和厚度的減薄均有利于冰川整體穩定性,其賦存狀態的變化對直白溝泥石流的啟動機制具有顯著影響,相較于20世紀50年代,現狀由冰川運動直接誘發的泥石流的可能性已經大大降低。

2.4 氣象條件

水熱組合和長期氣候變化是冰川泥石流的重要誘因,冰川泥石流觸發時的氣象條件不僅僅由降雨決定,如色東普、天摩溝等,均在少雨的情況下暴發泥石流[22]。研究區對全球氣候變暖的響應非常敏感,1981年以來,青藏高原地區氣溫升溫0.60℃/10 a。米林縣汛期平均氣溫與1—10月平均氣溫均為線性增長趨勢,汛期增速0.35℃/10 a,1—10月平均氣溫增速為0.39℃/10 a。在快速增溫的背景下,冰川不穩定性增加,消融加劇,冰崩誘發的泥石流還將持續甚至加強,危險性增加。綜上所述,直白溝溝域內賦存豐富的松散物源,在氣候變化下的冰雪運動強烈,溝道堵塞嚴重且縱比降陡峻,具備泥石流形成的三大主要條件。因此在水熱條件的有利組合誘發下,直白溝于2020年9月10日暴發特大規模泥石流災害。

3 泥石流災害特征

3.1 觸發條件

根據安裝于直白溝溝口(海拔2 900 m)的降雨量和附近白努弄巴(海拔3 000 m)的氣溫監測數據,“9·10”泥石流暴發當日未出現集中降雨,溝口24 h降雨量僅有1.00 mm,氣溫在一周內也無明顯強烈變化(圖3)。從全年降雨量分布來看,直白溝溝口的降雨量監測顯示9月的降雨量僅為23.50 mm,僅占全年降雨總量的6.80%,屬于少雨季節(表2)。由此可見,直白溝的“9·10”泥石流并非由于短周期內的氣候突變誘發,而是長期以來的氣候變化疊加2017年的米林地震的影響,高寒山區強烈的凍融作用驅使高位巖體失穩而形成的泥石流。對比1968年暴發的冰川躍動泥石流事件,同樣為無降雨的情況下誘發災害,由此推測直白溝冰川泥石流與周邊的冰水復合型泥石流災害在啟動機制上存在差異[23],其觸發條件中水熱優勢組合并非唯一條件。

圖3 “9·10”泥石流暴發時氣溫與降雨條件

表2 直白溝溝口2020年降雨量監測值分月統計

3.2 泥石流災害過程

通過泥石流災害暴發前后的遙感影像分析發現,“9·10”泥石流主要是在2#支溝活動。受2017年米林地震影響,2#支溝源頭發育了一處同震崩塌,形成冰巖崩碎屑流堆積于山坡冰磧臺地上(圖4a)。2020年9月10日,上述崩塌所在海拔5 500 m的分水嶺再次發生高位巖崩,大量碎屑物沿斜坡傾瀉而下,并撞擊下部平臺上的冰川,致使冰川前緣發生冰崩(圖4b)。冰塊混合巖土體一起沖擊在冰磧平臺上,鏟刮2017年形成的冰巖崩堆積體和冰磧物,快速運動的冰巖碎屑流進入狹窄的溝道中,在冰雪的相變作用和溝道徑流補給作用下,碎屑流逐步轉化為泥石流。高速運動的流體沿途鏟刮溝道兩側冰磧壟和溝床物質,不斷補給松散固體物質并放大災害規模。在泥石流沖出出山口后,受溝谷寬度擴張影響,龍頭撞擊岸坡沖起部分流體沿著溝道右岸平臺漫流,大量松散物質堆積于公路路面。泥石流主流部分從直白大橋橋下排導進入雅魯藏布江,將原160 m寬的主河擠占至80 m。

圖4 “9·10”泥石流啟動區遙感影像

從現場拍攝的觀測視頻上看,“9·10”冰川泥石流具有典型黏性泥石流特征,流體結構整體性強,巨塊石含量高,滾動的巨塊石對流速和峰值流量均具有放大效應(如圖5所示)。

圖5 “9·10”冰川泥石流觀測視頻截圖(受監測設備影響圖像精度較低)

3.3 泥石流溝道沖淤特征

利用泥石流前后遙感影像,基于溝道微地貌變化,“9·10”泥石流過程中的溝道沖淤特征上可劃分為4個區段(如圖6所示)。2#支溝匯入主溝之前主要表現為沖刷作用為主,但在不同區段,由于災害體物理性質差異,在不同時空尺度上表現出差異化的沖淤特征。在源頭斜坡區域主要表現為以沖刷為主,部分由陡變緩的地形突變段存在明顯淤積,顯示出物質交換現象。當災害體為冰巖碎屑流時,其運動性遠低于固液兩相的泥石流,但是這種高勢能驅動下的高流速碎屑流對斜坡依然具有強烈的沖刷作用,災害體前端快速改變斜坡地貌,侵蝕沖刷形成溝槽(圖4b),但碎屑流末端的能量相對較弱,在地形平緩段出現局部的堆積。當碎屑流高速進入2#支溝后,碎屑流中的冰和雪產生相變,不斷補給水體進入到流體中,碎屑流逐步轉化為泥石流,并在沿溝道運動過程中,侵蝕岸坡和溝床,以滾雪球方式不斷放大災害規模,如圖6d所示。泥石流進入主溝后,得到主溝充沛的徑流補給和稀釋,同時主溝溝道遠寬于支溝溝道,泥石流流速逐步減少,但依然具有一定的沖刷能力,在侵蝕岸坡和溝床底部的同時也沿彎道的寬緩平臺產生少量堆積(圖6c),總體表現為沖淤平衡狀態(圖6b)。泥石流進入堆積區后,災害體沿堆積扇擴散堆積,塑造新的堆積扇形態(圖6a)。泥石流在溝口產生大量固體物質堆積,堆積范圍面積達6.50×104m2,平均堆積厚度約4 m,根據堆積厚度特征,可劃分為4個堆積區(見圖1),其中Ⅰ區堆積厚度0.2～2 m,Ⅱ區堆積厚度1～3 m,Ⅲ區堆積厚度2～5 m,Ⅳ區堆積厚度3～10 m,估算總計沖出固體物質2.5×105m3,其中進入主河約2.00×105m3。

圖6 “9·10”2#支溝泥石流沿溝道的沖淤特征

3.4 泥石流動力參數計算

“9·10”泥石流暴發前,西藏自治區地質災害主管部門在直白溝開展了地質災害監測工作,布設了次聲儀、泥位計、降雨溫度站以及視頻等監測設備。在該次泥石流暴發時,捕獲到泥石流過流視頻,同時當地居民還通過手機現場拍攝了泥石流視頻。根據這些視頻資料,結合地形測繪資料,可計算出該次冰川泥石流的流速和峰值流量兩個關鍵動力參數。流速計算公式如公式(1),計算結果詳見表3。

表3 出山口處泥石流流速觀測結果

式中:v為斷面流速(m/s);L為運動距離(m);T為運動時間(s)。

峰值流量基于流速和過流斷面進行計算,計算公式如公式(2),計算結果詳見表4。

表4 出山口處泥石流峰值流量計算結果

式中:Q為峰值流量(m3/s);v為斷面流速(m/s);S為過流斷面(m2)。

以觀測所得流速對泥石流災害防治工程勘查規范所推薦的黏性泥石流流速計算公式進行對比分析分析結果見表5。

表5 流速經驗公式檢算

式中:v為斷面流速(m/s);n為泥石流粗糙系數公式(3)取0.45,公式(4)取0.27;H為泥石流流深(m);J為溝床縱比降。

計算結果分析表明,直白溝“9·10”冰川泥石流與暴雨型泥石流在動力參數上具有顯著的差距,對比規范推薦流速計算公式計算,理論計算值與觀測值差距50%以上,由此按照泥痕法計算峰值流量具有同樣的誤差率。結合觸發的氣象條件,進一步證明了冰川泥石流成因機制與動力特征的差異性,傳統的泥石流動力計算分析方法無法有效刻畫冰川泥石流運動特征。

4 泥石流形成機制討論

(1)泥石流驅動力。該次泥石流事件暴發前7 d內并無明顯降雨過程,氣溫也沒有明顯異常,由此可知泥石流中的主要水源并非來自降雨或者融水,這與傳統水力驅動型泥石流存在巨大差異。結合前后遙感影像分析發現,該次泥石流是由2#支溝出現的高位崩塌并鏟刮了斜坡上的冰川和冰磧臺地而演化形成。高寒山區的巖體穩定性與凍融作用密切相關。直白溝泥石流暴發前7 d的平均最高溫度和最低溫度分別為21.5℃和13.1℃,根據海拔對氣溫影響規律,研究區相應的0℃等溫線高程范圍為5 100～6 550 m。激發泥石流的高位巖崩海拔正處于0℃等溫線波動范圍,這也從側面進一步說明泥石流災害是凍融循環作用的驅動。同時2017年地震對周邊巖土體的震裂效應也加劇了凍融循環作用的強度,未來周邊山體可能還存在類似的巖體失穩隱患將是冰川泥石流的重要激發源。

(2)高流速特征。前述可知該次冰川泥石流出山口位置的龍頭最大流速達17.72 m/s,且遠高于經驗公式計算的理論值,這說明該次泥石流災害的能量轉化不同于傳統意義上的降雨型泥石流,其運動過程中的能量受到初始激發點物源的高勢能控制。啟動該次泥石流的高位巖崩(海拔高度5 500 m)距離撞擊的斜坡相對高差約600 m,距離溝床底部(海拔高度4 225 m)達1 275 m。高勢能巖體失穩形成的碎屑流具有極快的運動速度,同時冰雪的相變作用對流體輸移具有減阻等作用更進一步減小了勢能向動能轉化過程中的能量損耗,經驗公式中的阻力系數可能遠低于規范中所界定的范圍。

(3)水文過程特征。在流速之外該次泥石流災害的峰值流量同樣極高達到9 923.20 m3/s。按照流域匯流的水文理論,僅57.50 km2匯水面積的直白溝在無明顯降雨情況下,基本不可能形成滿足該次泥石流所需的水量,因此冰川泥石流的水源來源明顯不僅僅是降雨和冰雪融水。從災害過程分析,該次泥石流的水體主要來源于巖崩撞擊斜坡上的冰川和冰磧平臺上裹挾的冰和雪,固態水體以集中補給方式參與泥石流活動。泥石流龍頭峰值流量與龍身流量比值達15.67,流量過程呈現明顯三角形而非五邊形,這也說明存在集中水體補給的泥石流的沖出量計算不能按照五邊形概化模型進行分析。

5 結論

(1)近70 a來直白溝冰川泥石流的驅動力有冰川躍動和高位冰崩兩種,均受到地震和氣候變暖的影響,尤其是地震誘發的同震災害和震裂山體的演化。泥石流災害的啟動過程中的水熱優勢條件組合并非必要條件。

(2)2020年“9·10”冰川泥石流災害的演進過程可分為巖崩—冰崩—冰巖碎屑流—泥石流—堵江,泥石流水源主要來自于冰雪為代表的固態水,相對于匯流形成的泥石流,水土耦合過程顯著異于降雨補給型泥石流。

(3)冰崩型泥石流災害具有高初始勢能和集中補給水源的特點,進而導致其高流速和高峰值流量的運動學特點,沿溝道運動過程中的沖刷和淤積特征主要受固體物質控制,而非水動力條件控制。

(4)冰崩型泥石流災害的動力學分析表明,冰水相變作用對流速和峰值流量均具有顯著放大效應?，F有規范推薦的流速、峰值流量和一次性沖出固體物質量計算公式不適宜于此類災害的計算,誤差在50%以上。