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泥石流(debris flow)的成因与分类

一、泥石流的形成条件

泥石流的形成,必须同时具备三个基本条件:
1、有利于贮集、运动和停淤的地形地貌条件;
2、有丰富的松散土石碎屑固体物质来源;
3、短时间内可提供充足的水源和适当的激发因素。

(一)地形地貌条件

地形条件制约着泥石流形成、运动、规模等特征。主要包括泥石流的沟谷形态、集水面积、沟坡坡度与坡向和沟床纵坡降等。
1、沟谷形态
典型泥石流分为形成、流通、堆积等三个区,沟谷也相应具备三种不同形态。上游形成区多三面环山、一面出口的状、漏斗状或树叶状,地势比较开阔,周围山高坡陡,植被生长不良,有利于水和碎屑固体物质聚集;中游流通区的地形多为狭窄陡深的狭谷,沟床纵坡降大,使泥石流能够迅猛直泻;下游堆积区的地形为开阔平坦的山前平原或较宽阔的河谷,使碎屑固体物质有堆积场地。
2、沟床纵坡降
沟床纵坡降是影响泥石流形成、运动特征的主要因素。一般来讲,沟床纵坡降越大,越有利于泥石流的发生,但比降在10%-30%的发生频率最高,5%-10%和30%-40%的其次,其余发生频率较低。
3、沟坡坡度
坡面地形是泥石流固体物质的主要源地一,其作用是为泥石流直接供固体物质。沟坡坡度是影响泥石流的固体物质的补给方式、数量和泥石流规模的主要因素。一般有利于提供固体物质的沟谷坡度,在我国东部中低山区为10-30度,固体物质的补给方式主要是滑坡和坡洪堆积土层,在西部高中山区多为30-70度,固体物质和补给方式主要是滑坡、崩塌和岩屑流。
4、集水面积
泥石流多形成在集水面积较小的沟谷,面积为0.5-10平方公里者最易产生,小于0.5-平方公里和10-50平方公里其次,发生在汇水面积大于50平方公里以上者较少。
5、斜坡坡向
斜坡坡向对泥石流的形成、分布和活动强度也有一定影响。阳坡和阴坡比较,阳坡上有降水量较多,冰雪消融快,植被生长茂盛,岩石风化速度快、程度高等有利条件,故一般比阴坡发育。如我国东西走向的秦岭和喜马拉雅山的南坡上产生的泥石流比北坡要多得多。

(二)碎屑固体物源条件

某一山区能作为泥石流中固体物质的松散土层的多少,与地区的地质构造、地层岩性、地震活动强度、山坡高陡程度、滑坡、崩塌等地质现象发育程度以及人类工程活动强度等有直接关系。
1、与地质构造和地震活动强度的关系
地区地质构造越复杂,褶皱断层变动越强烈,特别是规模大,现今活动性强的断层带,岩体破碎十分发育,宽度可达数十条数百米,常成为泥石流丰富的固体物源。如我国西部的安宁河断裂带、小江断裂带、波密断裂带、白龙江断裂带、怒江断裂带、澜沧江断裂带、金沙江断裂带等,成为我国泥石流分布密度最高、规模最大的地带。
在地震力的作用下,不仅使岩体结构疏松,而且直接触发大量滑坡、崩塌发生,特别是在Ⅶ度以上的地震烈度区。对岩体结构和斜坡的稳定性破坏尤为明显,可为泥石流发生提供丰富物源,这也是地震→滑坡、崩塌→泥石流灾害连环形成的根本原因。如1973年四川炉霍地震(7.9级)和1976年四川平武—松潘地震(7.2级)破坏山体,产生大量崩塌、滑坡,促使众多沟谷发生泥石流。
2、与地层岩性的关系
地层岩性与泥石流固体物源的关系,主要反映在岩石的抗风化和抗侵蚀能力的强弱上。一般软弱岩性层、胶结成岩作用差的岩性层和软硬相间的岩性层比岩性均一和坚硬的岩性层易遭受破坏,提供的松散物质也多,反之迹然。如长江三峡地区的中三迭统巴东组,为泥岩类和灰炭类互层,是巴东组分布区泥石流相对发育的重要原因。安宁河谷侏罗纪砂岩、泥岩地层是该流域泥石流中固体物质的主要来源。
花岗岩类,由于结构构造和矿物成分的特点,物理和化学风化作用强烈,导致岩体崩解,形成块石、碎屑和砂粒,形成大厚度的风化残积层,当其它条件具备时可形成泥石流。
石灰岩分布地区,炭岩只有经物理风化和经淋溶的残积红土以及经地质构造作用的破碎带,才可能成为泥石流的固体物源。由于石灰岩具可溶性,溶蚀现象发育,塌陷、漏斗等岩溶堆积松散土多见,难以成为泥石流的固体物源,再加上岩溶地区地表水易流入地下,故灰岩地区泥石流现象少见。
除上述地质构造和地层岩性与泥石流固体物源的丰度有直接关系外,当山高坡陡时,斜坡岩体卸荷裂隙发育,坡脚多有崩坡积土层分布;地区滑坡、崩塌、倒石锥、冰川堆积等现象越发育,松散土层也就越多;人类工程活动越强烈,人工堆积的松散层也就越多,如采矿弃渣、基本建设开挖弃土、砍伐森林造成严重水土流失等。这些均可为泥石流发育提供丰富的固体物源。

(三)水源条件

水既是泥石流的重要组成成分,又是泥石流的激发条件和搬运介质。泥石流水源提供有降雨、冰雪融水和水库(堰塞湖)溃决溢水等方式。
1、降雨
降雨是我国大部分泥石流形成的水源,遍及全国的20多个省、市、自治区,主要有云南、四川、重庆、西藏、陕西、青海、新疆、北京、河北、辽宁等,我国大部分地区降水充沛,并且具有降雨集中,多暴雨和特别大暴雨的特点,这对激发泥石流的形成起了重要作用。特大暴雨是促使泥石流暴发的主要动力条件。 处于停歇期的泥石流沟,在特大暴雨激发下,甚至有重新复活的可能性。1963年9月18日,云南东川的老干沟,一小时内降雨552毫米,暴发了50年一遇的泥石流。连续降雨后的暴雨,是触发泥石流又一重要动力条件,因为泥石流发生与前期降水造成松散土含水饱和程度与1小时、10分钟的短历时强降雨(雨强)所提供的激发水量有十分密切的关系。据有关资料,在日本,激发泥石流的小时雨强,一般在30mm以上,10分钟雨强在7mm—9mm以上,甸西部地区激发泥石流的小时雨强30mm左右,10分钟则在10mm以上。
2、冰雪融水
冰雪融水是青藏高原现代冰川和季节性积雪地区泥石流形成的主要水源。 特别是受海洋性气候影响的喜马拉雅山、唐古拉山和横断山等地的冰川,活动性强,年积累量和消融量大,冰川前进速度快、下达海拔低,冰温接近融点,消融后为泥石流提供充足水源。当夏季冰川融水过多,涌入冰湖,造成冰湖溃决溢水而形成泥石流或水石流更为常见。
3、水库(堰塞湖)溃决溢水
当水库溃决,大量库水倾泄。而且下游又存在丰富松散堆积土时,常形成泥石流或水石流。特别是由泥石流、滑坡在河谷中堆积,形成的堰塞湖溃决时,更易形成泥石流或水石流。

二、泥石流的分类及其特征

(一)按泥石流成因分类

人们往往根据起主导作用的泥石流形成条件,来命名泥石流的成因类型。在我国,科学工作者将泥石流划分为冰川型泥石流和降雨型泥石流两大成因类型。另外,还有一类共生型泥石流。
冰川型泥石流:是指分布在高山冰川积雪盘踞的山区,其形成、发展与冰川发育过程密切相关的一类泥石流。它们是在冰川的前进与后退、冰雪的积累与消融,以及与此相伴生的冰崩、雪崩、冰碛湖溃决等动力作用下所产生的,又可分为冰雪消融型、冰雪消融及降雨混合型、冰崩——雪崩型及冰湖溃决型等亚类。
降雨型泥石流:是指在非冰川地区,以降雨为水体来源,以不同的松散堆积物为固体物质补给来源的一类泥石流。根据降雨方式的不同,降雨型泥石流又分为暴雨型、台风雨型和降雨型三个亚类。
共生型泥石流:这是一种特殊的成因类型。根据共生作用的方式,它们包括了滑坡型泥石流、山崩型泥石流、湖岸溃决型泥石流、地震型泥石流和火山型泥石流等亚类。由于人类不合理经济——工程活动而形成的泥石流,称为“人类泥石流”,也是一种特殊的共生型泥石流。

(二)按泥石流体的物质组成分类

泥石流:这是由浆体和石块共同组成的特殊流体,固体成分从粒径小于0.005毫米的粘土粉砂到几米至10—20米的大漂砾。它的级配范围之大是其它类型的夹沙水流所无法比拟的。这类泥石流在我国山区的分布 范围比较广泛,对山区的经济建设和国防建设危害十分严重 。
泥流:是指发育在我国黄土高源地区,以细粒泥石流为主要固体成分的泥质流。 泥流中粘粒含量大 于石质山区的泥石流,粘粒重量比可达15%以上。泥流含多少量碎石、岩屑,粘度大,呈稠泥状,结构比泥石流更为明显。我国黄河中游地区干流和支流中的泥沙,大多来自这些泥流沟。
水石流:是指发育在大理岩、白云岩、石灰岩、砾岩或部分花岗岩山区,由水和粗砂、砾石、大漂砾组成的特殊流体,粘粒含量小于泥石流和泥流。水石流的性质和形成,类似山洪。

(三)按泥石流流体性质分类

粘性泥石流:指呈层流状态,固体和液体物质作整体运动,无垂直交换的高容重(1.6—2.3吨/立方米)浓稠浆体。承浮和托悬力大,能使比重大于浆体的巨大石块或漂砾呈悬移状(在特殊情况下,人体也可被托浮悬移,1939年7月四川汉源流沙河泥石流,将一位老太婆浮运1.3公里),有时滚动,流体阵性明显,有堵塞、断流和浪头现象;流体直进性强,转向性弱、遇弯道爬高明显,沿程渗漏不明显。沉积后呈舌状堆积,剖面中一次沉积物的层次不明显,但各层之间层次分明;沉积物分选性差,渗水性弱,洪水后不易干涸。稀性泥石流:指呈紊流状态,固液两相作不等速运动,有垂直交换,石块在其中作翻滚或跃移前进的低容量(1.2—1.8吨/立方米)泥浆体。浆体混浊,阵性不明显,与含沙水流性质近似,有股流及散流现象。水与浆体沿程易渗漏、散失。沉积后呈垄岗状或扇状,洪水后 即可干涸通行,沉积物呈松散状,有分选性。


以上是我国常见的三种分类方案。除此之外,还有:

按水源类型划分为:降雨型、冰川型、溃坝型;按地形形态划分为:沟谷型、坡面型;按泥石流沟的发育阶段划分为发展期泥石流、旺盛期泥石流、衰退期泥石流、停歇期泥石流;按泥石流的固体物质来源划分为:滑坡泥石流、崩塌泥石流、沟床侵蚀泥石流、坡面侵蚀泥石流等等。


debris flowTHE PHYSICS OF DEBRIS FLOWS(New 2008.6, 2.5MB)

 

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