书城自然科学滑波、泥石流防范与自救
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第13章 认识泥石流(4)

我们重点讲述一下著名的小江深大断裂带。它起始于云南巧家县城附近,北段从巧家至蒙姑的金沙江东岸,南段沿金沙江和小江流域一直延伸到云南的宜良县境,拥有宽厚、松散的构造角砾层,断裂破碎带宽达1500~2000米,这样就促进沿岸的洪积扇、倒石堆、泥石流大范围的发育。仅巧家县城郊,就有8条大中型的泥石流沟存在;在中段东川市的小江干流上,从龙头山至小江口这90千米的江段上,两岸有107条泥石流分布,几乎1.2条/千米,此外,还有很多大规模、高频率、存在严重危害的泥石流沟,如大白泥沟、老干沟、蒋家沟等。新构造运动的最主要特点就是垂直升降运动显著,而且一直延续至今。构造断裂带通过的地段相对高度大,地貌升降运动剧烈,有利于形成泥石流。新构造运动活跃的山地,山口有发育的新老洪积扇,有的呈叠置状,有的呈串珠状,有深厚的松散洪积物、泥石流堆积物。老洪积扇一旦遇到了现代泥石流、山洪的侵蚀切割,就会形成沟蚀泥石流。例如,贵州省内泥石流等山地灾害分布最为集中的区域在珠江上游的北盘江。北盘江流经贵州省的盘县、普安、晴隆、关岭一带,是新构造运动中比较活跃的相对隆升区域。此处地表受河流的强烈切割,形成了中山峡谷,山岭海拔为1800~2300米,岭谷相对高度达700~1000米,是泥石流的活跃区。

安宁河断裂带也有明显的新构造运动,安宁河宽谷断陷谷地,海拔为1610~1328米,谷地内有巨厚的冲洪积物形成。安宁河东侧的螺髻山强烈上升,海拔达3000~4358米,形成了五六级阶地。有资料显示,在新构造运动中下陷最深的为安宁河礼州—黄联关段,有厚达1500米的新生代以来的冲洪积物。在安宁河东侧的山前地带,从泸沽到德昌间有30多条泥石流沟,如羲农河、西昌东河、西河、黑沙河等,就是在有着很厚的冲积物中发育的。

泥石流受到新构造运动的影响是渐变的、是间接的。但是,因为地震是突发的,强烈地震能够使斜坡的稳定性遭到破坏,造成土石体松动、山坡开裂,甚至引发山体滑坡,所以,地震就可以为泥石流的形成和发育提供大量松散碎屑物质和骤发性水源。在分布上,许多地质上的深大断裂带同时还是地震带,如鲜水河地震带、安宁地震带、小江地震带等。所以说,地震和泥石流在分布上有明显的直接关系,一般情况下,山区发生地震的区域也是泥石流的集中区域。

3.风化作风

风化作用对岩石的破坏作用最大,最快的风化速度就是物理风化速度,它能够快速地将松散的碎屑物质积累,然后储存起来,这样就对泥石流的形成起到了特别大的作用。按风化程度,可将其分为:

(1)微风化,风化系数为0~0.2。

(2)弱风化,风化系数为0.2~0.4。

(3)强风化,风化系数为0.4~0.6。

(4)全风化,风化系数0.6~1.0。

这是表征山体松散碎屑物质储量的重要方面。

一般在风化作用特别旺盛的区域会形成强风化带,它的岩性主要是地处深大断裂破碎带上的区域或者是软质岩石。

风化作用的强弱还受气候带的影响。亚热带、暖温带半湿润半干旱气候区对风化作用最有利。受这种气候影响的地域辽阔,包括川西高原内的干暖河谷和干温河谷(大渡河中上游、雅砻江上游等),陇南白龙江流域、秦岭以及华北地区,云南和川西南干湿季分明的西南季风气候区。这里的气温日差悬殊、大陆性强、降雨变率大、气候干季长,地表森林植被稀疏,裸露的岩石土体面积大于,湿交替和热胀冷缩强烈,不仅增加了松散土石体的积聚过程,也加快了风化的速度。此外,西北、华北广大山区都覆盖有厚薄不等的黄土。这些地区因为有强烈的风化作用,所以泥石流非常活跃。

中高山区的寒冻风化作用有利于松散碎屑物质的聚集。因为川西南、川西和滇北的寒冻风化带上有许多泥石流沟的源头,寒冻风化的岩体、碎屑更是当地泥石流固体的主要来源,是泥石流物质的重要组成。例如,藏东南及川西贡嘎山的高山海洋性冰川发育区,冰蚀、冰碛和寒冻风化作用旺盛,冰碛物异常丰富。藏东南波密古乡冰碛物厚达300米,总储量4亿立方米,成为泥石流活动的物质来源。

云南大理市苍山十八溪上游,岩石主要为片麻岩,滑坡等重力侵蚀不发育,海拔3000~4000米处的寒冻风化碎屑形成的水石流的固体物质成为泥石流的主要供给来源。

4.重力地质作用

重力地质作用包含高山区域的雪崩、冰崩和滑坡、剥落、崩塌、泻溜等。滑坡发生的时候一般都是单个,土石补给量比较大。剥落和泻溜产生于山坡表层,补给量相对比较小,不过它在暴雨的诱导下是可以群发的。在滑坡多发区,平均每平方千米面积上滑坡体积达数千万立方米,是泥石流中大量山石的来源。或一次性由滑坡崩塌转变成泥石流。根据调查研究,绝大多数的泥石流发生的中上游都会有滑坡和泥石流的发生,受岩性和构造控制,滑坡一般都分布在软质岩类、半成岩类及黄土出露的山区。比如,云南巧家白的泥石流松散土石体的主要来源就是泥沟中游的两个大型滑坡,两者活动时间都很长。清乾隆十八年(1753年)7月开始发生首场大型泥石流将县城冲毁,从此以后这个地方的滑坡、泥石流就没有断过,现在滑坡体积还有约500万立方米。1981年7月21日,四川奉节汪家沟连续降雨量大于或等于300毫米,致使黄泥坪上游发生暴雨滑坡,形成了大约60万立方米的泥石流,流经两千米后在沟口造成厚约5米的堆积扇,由于速度很快,由于速度很快在很短的时间内阻断了朱衣河。

地形条件

1.相对高度

因为相对高度决定势能的大小,相对高度越大,势能越大;相对高度越小。势能越小;泥石流形成的最主要原因是相对高度,相对高度决定了形成泥石流的动力条件是否充足。因此,高山、中山和低山区为泥石流的主要发生区,起伏较大的高原周边也有泥石流分布。

(1)海拔最高的阶梯是青藏高原,平均海拔4000米。

(2)第一阶梯和第二阶梯交接带上的横断山系,例如乌蒙山脉、大小凉山、龙门山脉、岷山、西秦岭、祁连山等。这些山脉平均相对高度2000~3000米,最大达5000米,对泥石流的形成最为有利,这些地方是泥石流的集中分布区,泥石流沟占全国总数的比例很大。

(3)中间阶梯为高原和盆地,海拔1000~2000米。

(4)第二阶梯和第三阶梯之间的燕山、太行山、大巴山、巫山、武陵山、雪峰山等,平均相对高度1000~1500米,泥石流沟的数量及活跃程度不及西部山区。

(5)最东部为平原和低山丘陵。针对我国东部低山区来说,泥石流沟谷相对高度一般都在300~500米,200米左右的都很少。例如,成都平原与川中丘陵间的龙泉山脉,为海拔600~1000米的低山,相对高度200~500米,有些沟的相对高度更小,因此,流域内的势能不足,加之岩性为松软的紫红色的沙泥岩,就算具备其他泥石流形成条件,也难以形成泥石流,根据统计,1981年7~9月,因特大暴雨共产生滑坡2150处,平均每千米就有15.4处滑坡生成,虽然没有泥石流灾害的发生,却是全省滑坡密度最高的地区。同时期,成都西北的龙门山区发生了多处泥石流。

(6)只有相对高度在300米以上的沟谷才有可能发生泥石流。川西、滇北、陇南等地的泥石流沟,岭谷相对高度通常为1000~2000米,发生泥石流的可能性就比较大。

(7)如川西甘洛县利子依达沟,其相对高度达2630米,发生泥石流时,带来的巨大能量可挟带直径达8米,体积300立方米,重量800吨的多块巨石,并一直挟带至沟口下游堆积。

2.坡度与坡向

山坡坡度的陡缓和松散碎屑物的分布决定着形成泥石流的山地。各地的坡度资料统计表明:

(1)分布在我国西部高山、中山的泥石流沟,山坡坡度往往为28°~50°间,我国西部高山、中山的泥石流,山坡坡度相同,松散碎屑物处于极限平衡状态,一旦遇到暴雨激发,容易产生重力侵蚀。

(2)东部低山坡度为25°~45°。小于45°的山坡,风化物质能够存留住,因此风化壳较厚,松散碎屑物非常丰富。25°~45°的斜坡,残坡积物内摩擦角大致与山坡坡度一致。25°~45°的斜坡发生滑坡的可能性最大,不稳定的山坡成为泥石流的主要物质来源。

(3)大于或等于45°的斜坡大多发生崩塌性滑坡。

(4)平均坡度小于25°的缓坡山地,山坡比较稳定,很少有重力侵蚀。

(5)坡度小于5°的缓坡,水土流失轻微。

泥石流的强度跟山坡的坡向也有一定的关系。受气候影响,在北半球的山坡中向南坡和向西坡(阳坡),泥石流发育的速度和暴发的强度都比北坡和向东坡(阴坡)大,这是因为阳坡岩石土体风化作用强度比阴坡剧烈,岩体易破碎,松散土石体较厚,土体中的林草覆盖率和含水量比阴坡的低。另外从气候上来说,我国的东南低山丘陵,多受东南季风的控制,许多东北—西南走向和东西走向的山脉南坡、东南坡刚好跟地处南来的气流迎面冲上。例如太行山脉、辽东的千山山脉、华北的燕山山脉,这些地区容易出现暴雨天气。因此,泥石流总是出现在迎风坡面上,而背风坡面的泥石流沟少。

3.流域形状和沟谷形态

流域形状对雨水和暴雨径流过程有明显的影响。最有利于泥石流汇集的形状是柳叶形、桃叶形、长条形、栎叶形、漏斗形等几种形状,这是由于径流和洪峰流量大小,直接关系着各种松散碎屑物质的起动是否参与泥石流活动,所以跟泥石流有着很密切的关系。

泥石流沟谷的发育跟普通沟谷大致一样。但是从沟谷的先后发育过程来看,在横剖面上,有“形”谷、“U”形谷和槽形谷之分;从沟谷的形成和发展来看,纵剖面上的结果是溯源侵蚀和流水下蚀作用的综合结果。但是泥石流沟谷的流域面积较小,侵蚀、搬运及丢的松散碎屑物数量大,溯源侵蚀快,因此泥石流沟谷的发育比普通的沟谷发育速度快,这也是泥石流沟谷和普通沟谷之间明显差异的地方。

表征沟谷形态的三个重要参数是泥石流沟的流域面积、沟长和沟床纵坡。清水汇流面积和堆积扇面积之和就是流域面积,面积的大小和沟床纵坡、沟谷形态密切相关,也跟泥石流的性质、规模产生影响。

流域面积小于0.5平方千米的多为山坡泥石流;流域面积大于或等于50平方千米,基本上为稀性泥石流或山洪。西藏、四川等地的大量泥石流沟,流域面积一般是0.5~35平方千米。四川攀西地区1437条泥石流统计结果表明:面积小于0.4平方千米的泥石流沟占5.1%,面积大于50平方千米泥石流占4.7%;流域面积0.4~50平方千米的泥石流沟占总数的90.2%。

日本大多数泥石流的形态特征跟我国的冲沟泥石流或山坡泥石流相似,但是泥石流的流域面积比较小,一般情况下,为0.2~10平方千米,其中最多的是0.2~0.4平方千米。泥石流的能量及活动强弱可以由沟床纵坡的大小体现出来。

根据河床纵坡的大小,可以将泥石流分为冲沟泥石流、山坡泥石流、沟谷泥石流及非泥石流的清水溪沟。

沟床平均纵坡较小,一般在5%~30%时为沟谷泥石流。沟谷泥石流的流域面积比较大,中上游有支沟泥石流加入,下游的沟床比较开阔,沟床纵坡曲线上段较陡,下段较缓,呈上凹型,可容纳大量的泥石流堆积。

山坡泥石流和冲沟泥石流的河床的相差比较大,一般大于或等于30%。这是因为它们无支沟汇入、流程短、沟型单一,并且沟床纵坡的曲线呈现直线型。

当沟床的纵坡变得比较缓慢,小于5%,泥石流的活动减弱了,便过渡为非泥石流的清水溪沟。

降水条件

泥石流的形成还要有数量充足的水体(径流)。一方面只有当雨水、冰雪融水形成强大的径流后,才能产生强大的动力,推动泥石流的发生;另一方面水体是泥石流物质的组成部分,泥石流是固液两相流体,液相物质就是水。泥石流发生的水体来源最普遍的就是降雨,其次是降雪形成的冰雪融水。

1.降雨

降雨型泥石流在我国广泛分布,占到我国泥石流的绝大多数,我国降水量的空间分布是自东南向西北递减。根据气候的干燥度分为湿润、半湿润、半干旱和干旱四个区域。根据降水量的多少可以将它们分为雨水、台风雨和暴雨三个类型。从水源条件分析,半湿润到半干旱的气候对泥石流的形成最为有利,例如川滇之间的西南季风控制区域冬春干旱期长、夏季降雨集中,多强度大的局地性暴雨,干湿季节明显,因而成为泥石流的多发区。

泥石流的形成和降雨也有很大的关系。一般情况下,相对于广大的湿润地区,半湿润、半干旱地区更容易发生泥石流。这是因为,在湿润气候区,如四川盆地、贵州以及江南低山(含浙闽湘赣及两广)周边一带低、中山,每年的降雨量小于或者等于1200毫米。它们的相对日差比较小,降雨充沛,并且经常发生暴雨、大暴雨。在东南沿海低山区有台风暴雨,而且地表的抗蚀条件(主要是森林植被)良好,上坡面的松散碎屑物也容易被频繁的暴雨带走,这样积累的速度就会很慢,不利于泥石流的形成。因此,这些地区的泥石流分布比较稀疏且发生的频率很低。就四川省而论,华蓥山、巫山、武陵山、龙门山、大巴山等泥石流区,因降雨条件和自然环境的不同,跟半湿润的川西、川西南高原山地区泥石流也迥然不同。

在我国西北高山区,泥石流产生的重要原因还在于降水量的梯度变化。新疆西天山一带最大降水高度为2500~3000米,降水量500~800毫米,这一高度正好为泥石流沟的水源区。在西北干旱区、甘肃河西走廊两侧的山地、甘青两省间的祁连山、宁夏回族自治区贺兰山东麓、新疆的天山以及南疆喀什、疏勒等地都是泥石流的发生地。虽然它们的年降水量小于200毫米,河西走廊西部和南疆甚至小于50毫米,但是夏季降雨集中,有时发生短时高强度的降雨,甚至一次强降雨是全年降雨量的一半,但比较少遇。