西藏自治区贡觉县泥石流灾害研究
(1成都理工大学地质灾害防治国家专业实验室，四川成都，610059；中国地质调查局水文地质工程地质技术方法研究所，河北保定，071051；西藏自治区生态环境地质研究所，西藏拉萨，850000)
西藏自治区贡觉县境内有柘龙洼ⅰ沟、柘龙洼ⅱ沟和林可昕沟3条降雨泥石流沟，影响居民的安全。基于非饱和土的强度理论，研究其成因机制，建议采用临界雨量线模型建立贡觉县泥石流预测模型，并根据泥石流爆发前20天柘龙洼二沟的降雨资料进行拟合分析。结果表明，本文提出的两种临界雨量线模型均适用于建立贡觉县降雨型泥石流预报模型。
泥石流；非饱和土基质吸力；预测模型
1简介
贡觉县位于青藏高原东部，横断山脉北段。根据西藏地貌区划图，该县属于西藏东部起伏较大的山地河谷区。县城内地形坡度一般为30 ~ 40°，部分大于60°。位于县城东南部，约占全县总面积34.4%的高山峡谷区，是泥石流等地质灾害的高发区。
泥石流是一种携带大量土壤和碎片的间歇性洪流。②0.01mm以下固体颗粒分布一致，0.01mm以上分布不同。柘龙洼ⅱ级泥石流3 ~ 10 mm的物质含量较高，柯溪林泥石流0.1 ~ 0.5 mm的物质含量较高。这主要是因为材料来源的不同。
图2木斜泥石流固体颗粒分布曲线
1.柘龙洼ⅱ型泥石流；2.柘龙洼I型泥石流；3.林可昕泥石流
2.3气象和水文条件
贡觉县泥石流的诱发因素是大气降水，属于降雨型泥石流。贡觉县和相邻的芒康县属于高原温带湿润和半湿润气候。年降雨量450 ~ 570 mm，雨量少，干湿季分明。全年降雨主要集中在6 ~ 9月，多为暴雨和大暴雨，灾害性天气较多。贡觉县平均气温5.2℃，芒康县平均气温3.5℃。
贡觉县位于金沙江西岸，金沙江沿贡觉县东部边界呈南北走向，流量约80km。境内河流有热曲、斜曲、东曲、果曲、罗迈河、布热曲峡、马西弄、阿香Xi等，均属金沙江中上游。河流流域位于贡觉县中部，基本呈南北走向分布。其中，热曲河流域主要位于流域西部，谢曲、东曲、果曲、河、布热曲峡、马西弄和等流域均位于流域东部。中国最大的河流是热曲河，自北向东流入金沙江。区内流量约110km，全河平均比降4 ‰ ~ 7 ‰，河宽约50 ~ 70m。河流两岸的二级水系呈树枝状。玛曲、那曲和曲泽是它的支流。贡觉县的泥石流大多发育在斜弯河谷，洛曲是斜弯上游的一个支流水系。
流域水文情况受地理位置、地形和气象因素影响，变化非常复杂，各地差异很大。该流域径流主要由降水补给，地下水和融雪水也占相当比例。径流量的年变化约为65438±0.5倍。一年之中，随着干旱和雨季的变化，有旱季和雨季。洪水主要是降水引起的，洪峰流量不大。一般来说，洪水和枯水流量变化约为10次。
3降雨泥石流的形成机理分析
降雨型泥石流的形成可分为两个阶段[2]:第一阶段，非饱和固体松散物质由于含水量的不断增加而达到饱和，由于基质吸力的降低而失去抗剪强度；第二阶段，由于含水量的不断增加，饱和固体松散物的水压力增大，有效应力减小，发生泥石流。
3.1由基质吸力引起的抗剪强度损失阶段
根据(Fredlund等人，1978)非饱和土抗剪强度公式[5]，非饱和固体松散材料的抗剪强度可表示为:
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式中:C '为有效内聚力；σf是破坏时破坏面上的总正应力；u .为破坏发生时破坏面上的孔隙气体压力；Uw为破坏过程中破坏面上的孔隙水压力；(σf-ua)f是破坏面上净正应力的状态；(ua-uw)f为破坏面上的基质吸力；φ′是固体松散材料的内摩擦角；φb是剪切强度随基质吸力增加的速率；是由基质吸力引起的剪切强度。随含水量的变化规律为[2]:
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其中:(ua-uw)r为残余含水量θr对应的基质吸力；(ua-uw)b为土壤的进气值；θ为体积含水量；θs是饱和体积含水量。
公式(2)表明，在降雨型泥石流形成的第一阶段，由于降雨入渗，非饱和固体松散物质的含水量θ不断增加，基质吸力(ua-uw)不断减小，导致基质吸力引起的抗剪强度损失。
3.2孔隙水压力增加导致有效应力降低，出现流动阶段。
经过一定持续时间的降雨，非饱和固体松散材料的含水量增加，达到饱和后，含水量继续增加，会在固体松散材料中产生孔隙水压力uw。固体松散材料中的水越多，孔隙水压力uw越大，其抗剪强度越低。饱和固体松散材料的抗剪强度与孔隙水压力的关系如下:
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式中:C '为固体松散物质的有效内聚力；φ′是固体松散物质的有效内摩擦角。
当固体松散物质达到饱和时，进入雨型泥石流形成的第二阶段。此时，饱和固体松散物质是否启动的判别式[6]为:
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式中:a为固体松散材料与沟床的接触面积；g是固体松散物质的重量；t是流动推力，这是次要因素；β为沟床底坡的坡度；k是固体松散物质的稳定系数。当K=1时，饱和固体松散物质处于极限状态。k > 1时，饱和固体松散物处于稳定状态，不会发生泥石流；当k < 1时，饱和固体松散物处于不稳定状态，会发生泥石流。
公式(4)反映了降雨型泥石流是否启动的力学机制。在这个阶段，具有一定强度的短时降雨使渗入固体松散物中的水来不及排出，周围的降雨汇流就会启动固体松散物，形成泥石流。
4贡觉县泥石流预报模型的探讨
降雨型泥石流的发生是前期有效降雨和短时间内一定强度降雨相互作用的结果。在其形成的第一阶段，固体松散物含水量的增加与前期有效降雨量密切相关。第二阶段，持续时间短、强度一定的降雨起主导作用。从降雨型泥石流形成的机理分析可知，前期有效降雨量越大(越小)，泥石流形成所需的短历时降雨指数越小(越大)。
前期有效降雨量[7] P .由当天的降雨量H24和其余前几天的降雨量Pt(存在于固体物质中)组成。其中:r是递减系数；n为前期降雨的影响周期。应根据当地气候条件和固体松散物质的成分岩性、含水量、孔隙度、渗透系数、基质吸力等确定衰减系数和前次降雨的影响期。
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短历时有一定强度的降雨指标一般采用10分钟降雨、60分钟降雨、24小时降雨等。
临界雨量线模型主要用于降雨型泥石流的预测。然而，泥石流沟特征的差异和固体松散材料非饱和土的力学性质的差异会导致预测模型框架的差异。江家沟模型[8]是一个临界雨量线模型，其模型框架可以写成如下:
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其中:短历时降雨指数R1。降雨量10分钟(毫米)；有效降雨量p .为20天内的有效降雨量，递减系数R = 0.8a、b和m是拟合参数。在江家沟模型中，泥石流临界雨量线为a = 5.5，b = 0.098，m = 0.5mm；泥石流雨量线，a = 6.9，b = 0.123，m = 1.0毫米..江家沟模型预报提前时间17 ~ 20分钟，准确率86%，误报3%，漏报11%。
另一个关键的雨量线模型框架是:
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其中:A和B是拟合参数。观察到排土场的泥石流[9]，降雨线由EF段和FG段组成。对于EF段，a = 293.33，b =-5.93；对于FG截面:A = 76.46，B =-0.48；在两条曲线的连接点f处，r10 = 1.44毫米，p. = 39.79毫米。
以贡觉县者龙洼ⅱ型泥石流为例，对上述两种预测模型(公式(6)和公式(7))进行了讨论。柘龙洼ⅱ级泥石流爆发于2003年6月20日。柘龙洼泥石流爆发前20天的降雨量见表1。
表1 2003年6月1至6月20日的日降雨量
根据表1，利用公式(5)得到前期有效降雨量p。30.57mm，用式(6)计算泥石流10分钟临界雨量r10为2.33mm，用式(7)计算泥石流10分钟临界雨量R10为3.67mm。但该地区10分钟的年平均最大降雨量为6.0mm[10]，大于公式(6)、(7)得出的10分钟的临界降雨量r10，处于泥石流临界状态。这是符合实际情况的。以上讨论表明，这两种临界雨量线模型框架可用于建立贡觉县降雨型泥石流暴发的预测模型。
5结论
从诱发因素来看，西藏自治区贡觉县的泥石流主要是降雨型泥石流。本文提出的两种临界雨量线模型均适用于建立贡觉县降雨型泥石流暴发的预测模型。
对于雨型泥石流，当物质条件(堆积在一定坡度、一定汇水面积等条件的固体松散物质)具备时，泥石流的发生是前期有效降雨和短历时强降雨共同作用的结果。根据非饱和土强度理论，降雨泥石流的形成可分为两个阶段:第一阶段，基质吸力引起的抗剪强度丧失阶段，与前期有效降雨量有关。第二阶段，泥石流发生阶段，与短时强降雨有关。
应用非饱和土力学原理研究降雨型泥石流形成机理的优点在于，通过研究可能形成泥石流的固体松散物质的非饱和物理力学性质，可以提前预测在降雨条件下是否会发生泥石流，以及所需的降雨条件和雨型，从而为准确预测泥石流提供更强的理论依据。笔者将在今后的研究中进一步加强这一理论在泥石流领域的应用。
参考
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魏永明，谢幼玉。降雨泥石流预测模型研究[J].自然灾害学报，1997，6 (4): 48 ~ 54
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[10]中国科学院-水利部成都山地灾害与环境研究所，西藏自治区交通学院。西藏的泥石流与环境[M]。成都:成都理工大学出版社，1999。