浅析泥石流形成机制与典型案列剖析

浅析泥石流形成机制与典型案列剖析

陈俊男

云南省有色地质局三一三队,云南玉溪653100

摘要:泥石流是一种暴发突然，危害十分严重的地质灾害。它的发生有自然的因素，也有人为的因素。近些年来，泥石流的发生和人类活动密切相关，特别是人们对山区的开发，对自然资源的开采诱发的人为泥石流。通过泥石流形成特征、泥石流流域特征、泥石流特征对泥石流的成因、形成机制进行了浅析，并通过典型泥石流案列进行剖析。

关键词:泥石流;形成机制;泥石流成因

泥石流是指在山区或者其他沟谷深壑，地形险峻的地区，因为暴雨、暴雪或其他自然灾害引发的山体滑坡并携带有大量泥沙以及石块的特殊洪流。泥石流中泥沙石块体积含量一般都超过25%，最高可达80%，其容重在1.3t/m3以上，最高可达2.3t/m3。泥石流具有突然性以及流速快，流量大，物质容量大和破坏力强等特点，发生泥石流常常会冲毁公路铁路等交通设施甚至村镇等，造成巨大损失。

泥石流的主要危害是冲毁城镇、企事业单位、工厂、矿山、乡村，造成人畜伤亡，破坏房屋及其他工程设施，破坏农作物、林木及耕地。此外，泥石流有时也会淤塞河道，不但阻断航运，还可能引起水灾。

一、泥石流的形成条件

泥石流是突发性很强的山地地质灾害，它同崩塌、滑坡一样，也是在一定的基础背景条件下，由某些突发性的因素激发而形成的。

泥石流的形成，必须同时具备三个基本条件:

A、有利于贮集、运动和停淤的地形地貌条件；

B、有丰富的松散土石碎屑固体物质来源；

C、短时间内可提供充足的水源和适当的激发因素。

1、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。

(一)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。

(二)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。

(三)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。

(四)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。

2、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。

(一)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。

(二)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。

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。

3、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。

(一)降雨

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。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。

(二)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。

(三)水库(堰塞湖)溃决溢水

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、泥石流的形成机制

泥石流中水与松散固体物质之间的相互作用力，以及由此产生的作用力与变化，是泥石流形成不同于高含沙水流的本质。

1、泥石流形成的作用力

作用力主要包括泥石流与固体物质浓度和坡度有关的重力分力以及流体中流体与水相对于固体物质运动的性质所决定的输移力。前者是泥石流形成和运动的必要条件，后者是不同性质泥石流运动的差异条件。

2、泥石流形成满足作用力条件

(一)水力侵蚀类型满足的作用力条件必须是水体的流动力要大于固体碎屑颗粒间的总阻力。这类情况时径流量以及坡度大小决定了水流动力，从而决定固体物质的多少，所以多形成稀性和过渡性泥石流。

(二)重力侵蚀类型满足的作用力条件应是固体碎屑的剪切力大于其极限剪应力。这类泥石流多为粘性泥石流。

自然界泥石流形成多为复合型，即由水力侵蚀作用，也有重力侵蚀作用，还会出现塞阻后发生的叠加作用。两种类型泥石流只不过是随时间、空间变化以某种作用为主而已。

三、泥石流的主要危害

在泥石流的形成区和流通区的强烈冲刷，在泥石流的形成区和流通区，大量坡面土体和沟床内的泥沙被泥石流冲走，山坡上土层被冲刷而形成难以利用的荒坡，沿沟岸坡垮塌，使两岸堤防、农田、房屋、交通、水利电力设施等遭到破坏。

在泥石流沟的下游及堆积扇淤埋各种建设物，在泥石流沟的下游及堆积扇上，泥石流带下的泥沙可将大量的农田、村庄及各种建设物淤埋。

冲击和撞毁桥梁、堤坝、房屋等建筑物，快速流动的泥石流，尤其是其挟带的大石块，具有很大的动能，能撞毁桥梁、堤坝、房屋等建筑物。

通过排导沟和坝体时造成严重的磨蚀。

堵塞涵洞、桥梁，形成漫流改道，泥石流体中含有大量泥沙、石块，甚至漂木，极易堵塞涵洞、桥梁，造成河水漫出河道甚至改道，造成灾害。当泥石流规模很大时，还可能堵塞其汇入的主河，形成堰塞湖，引起主河上游水位增高，在沿河两岸形成淹没灾害；堰塞湖一旦溃决，又形成溃决型泥石流或溃决洪水，对主河下游沿岸造成更大的灾害。

四、典型案列剖析－青龙小学泥石流

1、概况

青龙小学泥石流位于华宁县青龙镇青龙村，泥石流沟沟口地理坐标为：东经102°59′06.5"，北纬24°26′50.1"，距青龙镇政府所在地0.5 公里，距华宁县城37 公里，道路为柏油路，交通方便。

单点暴雨时沟水携带大量泥石向下游流动，沟道内堆积有大量碎石，但未造成人员伤亡及财产损失。

2、地质环境条件

青龙小学泥石流地貌类型属构造侵蚀中山地貌区，地形坡度25-45°，局部岸坡较陡，可达50°以上见图1，沟谷形态为“V”型，沟底纵坡降大。该区年平均降雨量为 947.2m，最多年 1165.7mm，最少 496.8mm。崩塌体周边土地利用现状主要为耕地及林地，植被覆盖较好。

华宁县青龙镇青龙小学泥石流流域内，基岩主要为元古界震旦系下统澄江组（Zac）细～中粒长石砂岩、长石石英砂岩，古生界寒武 系下统渔户村组（Є1y）白云岩及白云质粉砂岩，底部紫红色粉砂质页岩粉砂岩及新生界第四系全新统（Q4）地层，区域主要断裂有小江断裂带及青龙街断裂，受断裂影响，岩体较破碎，强风化层厚度大，地质环境条件较差。

3、泥石流发育基本特征

青龙小学泥石流为青龙河上游右岸一级支沟龙潭箐，属构造侵蚀中山地貌，发育方向250°，流域面积1.71km2（见图2），流域内最高海拔位于东部山顶，高程约2110m，最低位于东部青龙河河床，高程约1638m，高差约472m。其主流长约3.83km，河床上陡下缓，平均纵坡降约123.2‰，水动力条件较好，流域断面上游为“V”型 ，中、下游为宽缓“U”型，切割深度15m～60m 不等，岸坡35～65°。河流常年流水(水流量约11.5L/s)，沟道具有暴雨后水流量极大增多特点。根据青龙小学泥石流现状及形成特征，可划分为形成区、流通区、堆积区（见表1）。

表1泥石流沟特征表

3.1形成区特征

形成区位于泥石流沟上游及中下游，面积1.59km2,长2.0km，该区最高点位于东侧山顶，海拔约2110m，最低点位于堆积区附近，海拔约1688m，相对高差422m，平均坡降约211‰，沟床两岸坡度25°～40°，局部50°，坡度较陡，两侧岸坡以土质斜坡为主，沟道侧蚀、下蚀以及溯源侵蚀强烈，主沟及冲沟沟谷狭窄及弯道处有泥石流冲刷下切特征，沟岸侧蚀掏空现象多见，诱发岸坡表层松散土体产生浅层滑坡、沟岸坍塌灾害，岸坡地势较缓区域多为坡耕地，植被破坏严重，坡面土体疏松，坡度较大，侵蚀强度中等，在地表水作用下，表土易被冲刷，为泥石流提供固体物源（见表2）。

表2泥石流沟固体松散物储量及可移动量统计表

3.2流通区

主要为龙潭箐沟中游至下堆积区尾部，全长1.0Km，面积约0.01km2，主沟纵坡降为163‰，河谷呈“V”型，切割深，径流较短，沟谷横断面狭窄，一般宽度5-15m，两岸坡度25°～45°，局部陡峻。流通区内松散堆积物呈零星分布，碎块石、卵漂石混杂组成，砂土充填，块石粒径一般在 0.05～0.3m，最大粒径为 0.5m，岩性主要为石英砂岩、白云岩，块石呈棱角状，磨圆度差；碎石、卵砾石呈次棱角～亚圆状，分选性差、磨圆度较好，流通区由于各支沟水流汇集，在沟道较窄段表现为对沟道两侧掏蚀，在纵坡降较陡段沟道形成下切，冲刷强烈（见表3）。

表3泥石流沟流体重度及固体松散物重度配方结果表

3.3堆积区特征

堆积区主要为沟的下游段，呈长条扇形状，面积0.12km2，主沟纵坡降为43‰，扇形地完整性达20%，堆积区长约1830m，堆积宽度6～30m，堆积体厚1m～5m，方量为97000 m3。泥石流堆积物质主要为碎块石，砂性土、粘土充填，成分以石英砂岩为主，分选性差、磨圆度差，粒径粗细混杂，大致具有从上游至下游颗粒由粗变细的规律。该区内人工活动较多，民房及农田等，若发生泥石流可能威胁其人类生命财产安全（见表4）。

表4各泥石流堆积物颗粒分析统计表

4、泥石流形成条件

4.1地形地貌条件

青龙小学泥石流流域属于构造剥蚀中山地貌，总体地势东高西低，流域内最高海拔位于东部山顶，高程约2110m，最低位于东部青龙河河床，高程约1638m，高差约472m。区内山顶多浑圆，沟谷下蚀和侧蚀作用强烈，切割深度为15～60m，沟面宽约5～15m，局部地段较为狭窄，沟底坡降较大，两沟岸坡较陡，坡度在20～40°，局部地段为陡崖。陡峻的自然地形以及较大的沟谷纵坡具备了爆发泥石流的地形条件。

4.2物源条件

青龙小学泥石流沟固体松散物质来源主要有滑坡及不稳定边坡类、坡面侵蚀类、沟床冲刷及堆积类等三类物源，滑坡、不稳定边坡主要受人类工程活动以及地形、地貌、岩土体结构影响，滑坡、不稳定边坡主要集中分布在泥石流沟岸坡上，因其灾害体所处位置、岩性、松散程度的不同，可移动方量各点均存在差异，根据实地调查，区内共发育滑坡6处、不稳定边坡16处，坡面侵蚀主要以轻度侵蚀区较广，堆积区沟床松散物堆积厚，综上所述，滑坡、不稳定边坡、坡面及冲沟侵 蚀、沟床堆积物源，总方量约为19.12万m3。

4.3降雨条件

青龙小学泥石流区域属于北亚热带气候，平均气温 16.3℃，降雨多集中于 5-10 月（见图3、表5）,年平均降雨量为 947.2m，最多年 1165.7mm，最少 496.8mm。年平均相对湿度 77%。每当流域的上游区域发生较大强度的降雨。泥石流沟流域汇水区地面坡度较陡，地表迳流途径相对短，汇流时间短，雨季降水落地后具快速汇聚沟谷、流量大、变幅快的特点，易形成山洪泥石流，为泥石流形成提供水源和水动力条件。

5、泥石流形成机理、类型

青龙小学泥石流沟的产生受到区域内构造、岩性特点、地貌结构和外营力强度（气候）的主导。由于区内褶皱和断层发育，岩层破碎，沟谷侵蚀和坡面风化剥蚀过程快速，泥石流沟流域三面环山，沟谷纵坡大、高差大，具备主沟侵蚀型泥石流发育的地形地貌条件；沟道汇水区坡度较陡，地表径流途径较短，雨季降水落地后具有快速汇聚沟谷、流量大、变幅快的特点，易形成山洪，为泥石流形成提供水源和水动力条件；区内面蚀、沟岸崩滑及沟底松散物质再搬运为泥石流提供了较为丰富的固体物源条件；在持续强降雨作用下，由于表层土体充分饱和，坡面土壤及植被容易在自重作用下失稳下滑，进入沟道，也能为泥石流提供物源。高强度的暴雨是该泥石流的主要诱发因素。一旦出现持续降雨或集中暴雨，水动力充足、将发生泥石流危害。

6、泥石流发展趋势及危害

泥石流沟流域内物源较丰富，沟岸松散物较多，稳定性差，共发育滑坡 6 处、不稳定边坡 16 个，活动性冲沟 1 条，随着滑坡变形加剧，松散岩土体方量将不断增加，故该泥石流沟在今后有扩大易发的趋势。河道下游堆积区分布有青龙镇小学和青龙街村庄，沟道爆发泥石流主要威胁青龙镇小学和青龙街村庄，同时威胁沟道沿线农田和增加青龙河淤积。

龙潭箐泥石流威胁1108人，6000万元财产，危险性等级属于特大型，龙潭箐泥石流沟活动性危害程度大、灾害发生的几率也大。

综上诉述：陡峻的地貌、软弱的岩土组合地层和强烈构造活动等是泥石流发育的主导因素。地形地貌、岩性组合、地质构造、气候和人类活动对泥石流发育的控制并不是孤立的起作用，而是受他们的不利组合控制的。第四系松散固体物质以及广布的滑坡体、崩塌堆积体、变形体，为泥石流的形成提供了丰富而集中的松散固体物质。降水丰沛、集中、强度大，为泥石流作者简介：陈俊男（1987～），云南玉溪市人，水工环地质工程师，主要从事地质灾害防治工作。

的形成提供了有利的水源条件。