（自然地理学专业论文）坡面泥石流形成机制研究——以重庆市北碚区为例.pdf

学科专业： 指导教师： 坡面泥石流发生及运动机制研究 以重庆市北碚区为例 自然地理学 徐剐教授 研究方向：地质灾害与区域可持续发展 研究生：曾凡伟( 2 0 0 2 4 2 1 ) 内容摘要 本文基于重庆市北碚区地处川东平行岭谷，山地灾害尤其是坡面泥石流灾害在特大暴雨 时广泛发育，给奉区造成严重的经济损失的现状，为了有效的减少和预防坡面泥石流灾害给 本区经济造成的损失，构建和谐社会，打造良好的人居环境，以促进社会的可持续发展。本 文以2 0 0 3 年“7 1 9 ”特大暴雨事件为例，在大量实地调查的基础上，在室内做了大量的实 验工作，取得了数万个各类数据，运用定性和定量相结合的方法，综合运用s p s s 、e x c e l 、 m a p i n f o r 等工具和软件，为全面分析和研究北碚区坡面泥石流的发生和运动机制打下了 良好的基础n 为本区的防灾减灾工作创造了条件，填* b - y 我国对坡面泥石流进行定量话研究 的空白，为重庆市乃至疆南地区坡砸泥石流的定量化研究提供参考。 全文分为以下六个部分： 第一部分为坡面泥石流简介、国内外坡面泥石流研究的历史及现状、国内外研究坡面泥 石流的主要方法。 第二部分为本论文的选题背景和思路、研究坡面泥石流的意义、本论文研究内容和研 究方法。 第三部分为研究区概况，主要包括本区自然状况、社会经济状况以及本区坡面泥石流的 分布状况。 第四部分为坡面泥石流形成的基本条件分析。在野外调查的基础上对碎屑物、地质构 造、岩性、风化作用进行了研究；结合1 ：5 0 0 0 的地形图，对地形地貌特征进行了深入研究， 如平均坡度、沟谷纵比降、坡长、流域面积、流域形态要素、流域切割度等；在典型的坡面 泥石流取土样的基础上，在室内实验1 中，主要运用了甲种比重计法，同时结合最新仪器粒 度分析仪对用甲种比重计法所得的结果进行矫正，从而进行坡( 残) 积层的粒度分析，同时 运用相同的方法对微团聚体进行了分析：运用环刀法求土壤容重：利用氯化钡硫酸法求阳 离子代换量：利用s p s s 对分散率和团聚度进行曲线拟合：运用土壤含水量速测法和高温烘 干法分别进行了含水量和吸湿水的分析。运用s p s s 分别对地貌因子如平均坡度、沟谷纵比 降、坡长、流域面积、流域形态要素和坡( 残) 积物的粒度组成、徽团聚体组成、士体容重、 含水量、吸湿水、阳离子代换量进行了相关的矩阵分析。 第五部分是坡面泥石流发生的动力机制及其量化研究。在室内实验2 的基础上，主要做 了土体抗剪强度实验，求出了粘滞系数c 值和内摩擦角0 的大小：探讨了剪切应力组成；对 坡面泥石流运动的能量及其大小进行了有盏的探索并试图使其量化：主要包括对雨滴能量、 坡面散流能量、径流能量、启动能量及泥石流运动的总能量的量化；运用多元回归的方法对 坡面泥石流运动的总能量和坡面泥石流形成的基本条件进行了创新性的分析，得出了有较赢 应用价值的定量化公式。 第六部分为结语与展望。 关键词：北碚区；坡面泥石流；地貌因子；坡( 残) 积物分析；定量分析；多元回归方程； s t u d y o fm o v e m e n tm e c h a n i s ma n d h a p p e n e d o f d e b r i sf l o wo f h i l l s l o p e m a j o r ：p h y s i c a lg e o g r a p h y t u t o r ：p r o f e s s o rx u g a n g ac a s eo fb e i b e ii nc h o n g q i n g s p e c i a l l t y ：d i s a s t e rs c i e n c ea n d r e g i o n a ls u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n t p o s t g r a d u a t e ：z e n g f a nw e i ( 2 0 0 2 4 2 1 ) a b s t r a c t i tw a sb a s e do nt h a tb e i b e ii nc h o n g q i n gi sl o c a t e do np a r a l l e lm o u n t a i nr a n g e a n dv a l ei nt h ee a s to fs i c h u a nb a s i ni nt h i st e x t d e b r i sf l o wo fh i l l s l o p ew e r e d e v e l o p e di nu n u s u a lb i gr a i n s t o r mi nt h em o u n t a i n o u sr e 西o na n di t h a db r o u g h t h e a v ye c o n o m ye x p e n s e i no r d e rt o d e c r e a s ee f f e c t i v e l ya n dd e f e n ds u c c e s s f u l l y e c o n o m ye x p e n s ef o rd i s a s t e r o fd e b r i sf l o wo fh i l l s l o p e ，c o n s t r u c th a r m o n i o u s s o c i e t y , b u i l d f a v o r a b l ee n v i r o n m e n to fh u m a nb e i n gr e s i d e u t a n da c c e l e r a t e c o n s e c u t i v ed e v e l o p m e n to fs o c i e t y i tw a st a k e nu n u s u a lb i gr a i n s t o r mo f “7 1 9 ” i n c i d e n ti n2 0 0 3f o re x a m p l e a f t e rt h ei n v e s t i g a t i o n so nt h ef o r t y - e i g h td e b r i sf l o w s i nb e i - b e i w em a d eo u tag r e a to fe x p e r i m e n t si nt h el a ba n do b t a i n e ds e v e r a ls o r t so f s e v e r a lt e n t h o u s a n dd o t u m b yu s i n gt h ec o m b i n a t i v ew a yo fd e t e r m i n et h en a t u r e a n df i xq u a n t i f ya n dc o m p o s i t i v em a k i n gu s eo fs p s sa n d 脚i n f o r i th a sb e e n t h ei m p o r t a n tb a s es ot h a tw ec o u l da n a l y z ea n ds t u d yc o m p l e t e l ym o v e m e n t m e c h a n i s ma n dh a p p e n e do fd e b r i sf l o wo fh i l l s l o p ei nb e i b e t c o n d i t i o n sh a sb e e n c r e a t e df o rt h ed e c r e a s i n ga n dd e f e n d i n gd i s a s t e r , t h eb l a n k n e s so fs t u d y i n gf i x q u a n t i t y h a sb e e nf i l l e d u pa n dt h e r e f e r e n c eo fs t u d y i n gf i x q u a n t i t yh a s b e e n p r o v i d e d i nd e b r i sf l o wo f h i l l s l o p ei nc h o n g - q i n gc i t y ，e s p e c i a l l y i ns o u t hw e s tr r e a t h i sa r t i c l ei n c l l l d e ss e v e np a r t s ： f i r s tp a r ti sab r i e fi n t r o d u c t i o na b o u tt h ed e b r i sf l o wo fh i u s l o p e ，t h er e s e a r c h h i s t o r yo ft h eg r o u n ds u b s i d e n c ei x ) t ha th o m e a n da b m a d ，a n dc u r r e n ts i t u a t i o n ，a n d t h ep r i m a r ys t u d y i n gm e t h o da b o u tt h ed u b r i sf l o wo fh i l l s l o p e s e c o n dp a r tj sa ni n t r o d u c t i o na b o u tt h eb a c k g r o u n do ft h er e s e a r c h e dp r o b l e m s e l e c t e d ，t h es i g n i f i c a n c eo fs t u d y 7 i n ga b o u tt h ed e b r i sf l o wo fh i l l s l o p e ，s t u d y i n g c o n t e n ta n dt h er e s e a r c ha p p r o a c h e sa d o p t e d t h et h i r dp a r ti sab r i e fi n t r o d u c t i o no ft h eo v e r v i e wo ft h er e s e a r c ha r e a ，m a i n l y i n c l u d i n gt h en a t u r es t a t u s ，e c o n o m ys t a t u so fs o c i e t ya n dt h ed i s t r i b u t i o no fd e b r i s f l o wo f h i l l s l o p e i nt h ef o u r t hp a r ti saa n a l y s i so ff o r m a t i r ep o s t u l a t eo fd e b r i sf l o wo fh i l l s l o p e o nt h eb a s eo fl o t so fi n v e s t i g a t i o n s ，w es t u d i e d s c r a p i n gs u b s t a n c e ，g e o l o g i c c o n s t r u c t i o n ，l i t h o l o g ya n dw e a t h e r i n gp r o c e s s o nt h eo n eh a n d ，w el u c u b r a t e dt h e c h a r a c t e r so ft h et e r r a i na n dr e l i e fc o m b i n i n gw i t ht h em a pi nl ：5 0 0 0 s u c ha sa v e r a g e g r a d i e n t ，v e r t i c a lc h a n n e la n dv a l e ，t h el e n g t ho fs l o p e ，d r a i n a g ea r e a ，t h ee l e m e n t so f d r a i n a g ef o r ma n dt h ei n c i s i o no f t h ed r a i n a g ee t c o nt h eb a s eo f t a k i n g s o l ls a m p l e s o ft y p i c a ld e b r i sf l o wo fh i l l s l o p e ，w ee x e r t e dt h ew a yo fj i a - z h o n gd e n s i m e t e r , t h e n w er e c t i f i e di t so u t c o m e st h r o l j i g i ln e wg r a n u l a r i t ya n a l y s i si n s t r u m e n ta n df i n a l l y n m a d eo u tg r a n u l a r i t y a n a l y s i so fs l o p es u b s t a n c e ，w ea n a l y z e dt h et i n y r e u n i t e d s u b s t a n c eb y u s i n g t h es a m e w a y w eo b t a i n e dt h ec o n t a i nw e i g h t i n e s so fs o i ls a m p l e b yu s i n gl o o pr e a m e ra n do b t a i n e dt h ep o s i t i v ei o ne x c h a n g eq u a n t i t yb yu s i n gt h e w a yb a c l z h 2s 0 4 d r a f tc u r v eo fd e t r a c tr a t ea n dr e u n i t e dd e g r e e m e n th a sb e e n o b t a i n e db yu s i n gs p s s ，c o n t a i n i n gw a t e ra n dm o i s t u r ea b s o r p t i o no fs o i l s a m p l eo f d e b r i sf l o wo fh i l t s l o p eh a v eb e e nm e a s u r e db yu s i n gf a s t e rm e a s u r ew a ya n dt h e d r y i n gw a y o fh i g ht e m p e r a t u r ei nt h en u m b e r1l a b o nt h eo t h e rh a n d ，w ew o r k e d t h ec o r r e l a t i v em a t r i xa n a l y s i sa b o u tt h ea v e r a g eg r a d i e n t v e r t i c a lc h a n n e la n dv a l e t h el e n g t ho f s l o p e ，d r a i n a g ea r e a ，t h ee l e m e n t so fd r a i n a g ef o r m ，t h ei n c i s i o no ft h e d r a i n a g e ，g r a n u l a r i t yc o n s t i t u t e s ，t i n y r e u n i t e ds u b s t a n c e c o n s t i t u t e s ，c o n t a i n w e i g h t i n e s so fs o i ls a m p l e ，c o n t a i n i n gw a t e r ，m o i s t u r ea b s o r p t i o na n dp o s i t i v ei o n e x c h a n g eq u a n t i t y i nt h ef i f t hp a r ti ss t u d y i n gm o v e m e n tm e c h a n i s ma n d h a p p e n e do fd e b r i sf l o w o fh i l l s l o p ei nb e i b e i i nt h en u m b e r2l a b w eo b t a i n e dt h ee x p e r i m e n tv a l u eo f c o n t r a d i c t i o ns h e a ri n t e n s i o n m a d eo u tcv a u l ea n ddv a l u eo fs l o p ea c c u m u l a t i o n s u b s t a n c e ，d i s c u s s i n gt h ec o m p o s i n go fc u t t i n g a tt h es a l t l et i m e ，w ed i s c u s s e dt h e t o t a le n e r g yo fs o l i da n d l i q u i do f d e b r i sf l o wo f h i l l s l o p e ，p r o c e s s e dp r o f i t a b l es e a r c h a n dm a d d i n go u tt h ee n e r g yh a sb e e nf i xq u a n t i f i e d ，i n c l u d i n gt o t a lr a i n f a l lk i n e t i c e n e r g y ，s c a t t e re n e r g y , c e n t r a l i z e dc u r r e n te n t r o p y , s t a r t - u pe n e r g ya n d t o t a le n e r g yo f s o l i da n d l i q u i d l a s t l y , w em a d ep r o g r e s st h a tt o t a le n e r g y o fs o l i da n dl i q u i da n dt h e w r o u g h tp o s t u l a t e so fd e b r i s f l o wo fh i l l s l o p ei n b e i - b e i ，s ow eo b t a i n e daf i x q u a n t i f i e df o r m u l a w h i c hi sm o r eo b v i o u sa p p l i e dw o r t h t h es i x t hp a r ti sd i s c u s s i o na n dc o n c l u s i o n k e yw o r d s ：b e t - b e ir e g i o n ；d e b r i sf l o w o fh l l l s l o p e ；r e l i e ff a c t o r s ；s l o p i n g s u b s t a n c e ；f i xq u a n t i f i e da n a l y s i s ；e x c e s s i v er e g r e s s i o na q u a t i o n i n 坡面泥石流形成机制研究 以重庆市北碚区为例 1 坡面泥石流研究现状 从分水岭到河道的坡地是流域地貌系统中独特而重要的部分，该范围是流域系统内物 质和能量的重要来源区，从而形成一个特殊的子系统坡地系统。在该系统中，崩塌、滑 坡、泥石流等重力地貌十分发育，而坡面泥石流就是其中重要的方式之一，崩塌、滑坡往往 成为坡面泥石流的重要物质来源。坡面泥石流的本质是一个开放的坡地系统例，它的发生实 质是坡地系统与外界进行物质和能量交换的结果，在这一过程中坡地系统的能量不断被消耗 ( 其中坡面物质的运动是消耗能擐的主要方式) ，坡地系统由无序走向有序，是具有典型耗 散结构的耗散系统。 1 1 坡面泥石流的危害 坡瑶泥石流和沟谷泥石流一样，具有强大的破坏作用，而且其爆发往往具有很强的突 然性，人们一般很难防范，因而给人类造成重大的经济损失严重威胁人类的生命安全。尤 其是发生在工农业比较发达、人口稠密的城镇附近的坡面泥石流，对农田、房屋、厂矿、各 类交通线、运输管道、森林等造成严重破坏，直接危及人民生命财产安全。云南东川附近的 小江流域两岸，小规模的坡面型泥石流成群分布，难以计数，每逢雨季，在暴雨激发下，坡 面泥石流广泛发育，大量堆积物进入小江，严重阻碍了金沙江航道的开发利用给当地城镇、 矿山、道路、农田、水利设施及管线建设带来了严重的灾难。日本的泥石流有6 万多条，多 属暴雨型坡面泥石流1 9 8 2 年7 月2 3 日以长崎市为中心的地方，下了一小时为1 8 7 m m 的 特大暴雨，造成的泥石流灾害死者达2 9 9 人【7 l 。西藏境内的墨脱县县级公路，仅修好后一 年时间不到就完全无法通行，披数百条坡面泥石流和沟谷泥石流冲得支离破碎。2 0 0 3 年9 月的四川丹巴县发生大规模泥石流，造成数十人( 大部分是游客) 死亡，给当地的旅游业造 成巨大的打击川藏公路、中尼公路在雨季也常常被中断，国家每年要拿出大量的资金进行 维护方能维持正常的运输。据不完全统计我国每年困泥石流灾害( 包括沟谷泥石流和坡面 泥石流) 造成的宜接经济搅失近2 0 亿人民币，造成人员伤亡1 0 0 人以上。 1 2 研究坡面泥石流的意义 坡面泥石流和沟谷泥石流有许多共同之处，如它们形成的三大条件类似，即有丰寓的 物质来源、陡竣的沟谷和充足的水源。但坡面泥石流与沟谷泥石流又有显著的差别，主要体 现在坡面泥石流流域面积较小，通常只有0 5 5 k i n 2 ：流域没有明显的沟谷；坡度很人p 】， 流域平均坡度界于2 6 。- 3 6 。之间；沟谷相对于一般泥石流而盲更加陡峻1 6 j ，一般界于 5 0 0 - 8 0 0 z n ；堆积物规模较小，间于数十个立方数万个立方之间。坡面泥石流和沟谷 泥石流的区别还体现在坡面泥石流的形成区和流通区很难区分开。坡面泥石流主要发生在低 山丘陵地区工农业比较发达、人口稠密的城镇附近，人类活动对坡面泥石流的发生具有重要 的影响作用；另一方面。坡面泥石流发生后往往直接影响人类的生命财产安全。 因此研究坡面泥石流具有十分重大的意义如果我们捕清楚了坡面泥石流的发生及运动 机制，一方面可以为工程建设提供十分有价值的参考意见，为国民经济的可持续发展提供保 障，为区域的防灾减灾提供理论上的支持，同时可以为区域经济的合理规划、l ：矿企业、线 路选择、甚至居民点的合理布局提供决策依据。另一方面，我们可以采取有效措施，尽最减 少人为致灾因素，把人类对坡面泥石流发生的影响降到最低，从而在低山丘陵地区建立人类 和自然和谐相处的生态系统模式，为全面提高我们的生活质量做出应有的贡献。 1 3 国内外坡面泥石流研究的历史及现状 泥石流是山区常见的自然灾害，受泥石流危害严重的国家有中国、前苏联、美国、日本、 法国、印度等。因此，许多国家非常重视泥石流的研究，特别是联合国从2 0 世纪9 0 年代开 始实施“国际十年减灾计划”后，对泥石流灾害进行可深入的研究，比较有影响的是美国、 中国、俄罗斯、日本等国家。如中科院成都山地灾害研究所已经出版了关于泥石流的专著有 山洪、泥石流、滑坡灾害及防治p 】；泥石流论文集( 3 ) 【lo j ；泥石流论文集( 4 ) ”l j ：长江流域山地开发与灾害防治 1 2 1 ；马宗晋主编的灾害学导论t 1 3 ；陆中臣主编 的流域地貌系统 1 4 1 ；前苏联学者c m 弗莱施曼编著的泥石流1 8 1 ：日本学者高桥保 编著的土石流发生及运动机制i 1 ”，当然还有许多中外学者对泥石流的专门论述。在中 国地学类期刊中对泥石流的论述有三千多篇，其中对泥石流形成、发生、发展、运动、堆 积的各个环节都进行了深入的研究，同时对泥石流灾害区域的划分、灾害评估、灾后的生态 重建、泥石流灾害危险度和易损性评价工作也进行了深入的研究【1 6 l 【| v l ”】f 1 9 】【驯。 遭受坡面泥石流危害的国家众多，地球上几乎所有的山区都有泥石流的分布。但与沟谷 泥石流研究相比，各国对坡面泥石流的研究还十分薄弱。在国外，h o w a r d 认为滑坡型坡面 泥石流的运动过程可以分为三个阶段 2 1 1 ；c a m p b e l l 认为坡面泥石流的爆发实质上是由于孔 隙水压力上升而造成土体抗剪强度降低而引起浅层滑坡，浅层滑坡的运动发展成为泥石流 f 捌：一些研究者已经证实，在暴雨期间实测到斜坡土体中孔隙水压力上升 2 3 1 1 2 4 1 “，而且在 大的前期雨量和长时间暴雨后，基岩地下水流对坡体中部表层土体中高孔隙水压力的出现起 了积极的作用。目前就国内对坡面泥石流的研究较少，研究深度较浅。鲁晓兵、包为民以及 中科院山地灾害研究所的王裕宜、唐邦兴、吴积善、韦方强、崔鹏等研究员进行过坡积物由 于降水引起的崩塌、滑坡型泥石流做过一些探讨1 0 1 “1 4 3 1 1 4 s 1 ；王士革做过山坡泥石流的危 害与防治刚；著名的水动力学专家清华大学教授费祥俊及其得意弟子清华大学的王光谦、 北京大学的倪晋仁等学者在实验的基础上，从水动力学角度对坡面泥石流的发生及运动机制 傲过深入的讨论 2 v 1 1 2 8 1 ”1 4 2 1 ，在论述中虽然也有大量的定量化的计算公式，但在实践中是很 难操作的，不易推广。徐富强f l i 认为暴雨条件下的滑域型坡面泥石流的形成过程可以分为 八个阶段。王兆印等学者从能量的角度探讨过泥石流龙头运动时的能量计算i 蚓。程根伟、 余斌、陈宁生、李雪铭等学者从降雨的角度，认为坡面泥石流的发生与降雨的周期性变化密 切相关p l j 田驴”。刘定辉、王大力、李勇等学者从植被的角度入手，阐述了植被与坡面泥石 流发生之间的关系 “p 5 ( 3 6 1 。 本文作者在对重庆市北碚区坡面泥石流实地调查的基础上，曾从坡面泥石流发生的流域 面积、坡度、沟谷纵比降、流域形态指数、坡面泥石流堆积体总能量等角度进行过论述和探 讨q 1 7 】【5 s l 1 4 国内外研究坡面泥石流研究的主要方法 由于坡面泥石流爆发的突然性，在其爆发之时是很难进行预测的，所以学者们在研究时 一般都采用室内实验结合室外调查的方法进行研究。托较有影响的泥石流室内实验室首推成 都山地灾害研究所的具有循环系统的最大泥石流动力学实验室【，7 l ，其处理数据及综合技术 指标达到国际先进水平。四川大学、成都理工学院、清华大学等一批嗣家重点水力动力研究 室在研究水动力系统的基础上，使泥石流动力系统的研究取得了具有国际水平的科研成果 9 q i w 4 0 j 但这些科研成果的应用还受到一定程度的限制，如数据的测量、假设条件的限制、 方法的选用、参数的求取等还受到诸多原因的制约。在研究中，科学f 作者采用的研究模型 主要有：灰色灾变模型、两相流模型、宾汉体模型、紊流模型、颗粒流模型、一阶性动态模 型等模型i 4 l j 【4 “。采用的方法主要有：元同归法、多元同归法、解析法h 3 ) i “) f 4 5 】、数值法、 2 灰色系统、功率谱分析法、相关分析法、主成分分析法、罗辛分布拟合法p 8 1 p ”、g i s 模拟 法等方法【5 0 】【5 1 】l ”1 1 5 4 1 。 2 本论文的选题背景和思路 在低山丘陵区，淘谷型泥石流虽然不甚发育，但规模相对较小的坡面泥石流却发育十分 广泛，但由于其发生地多是经济较为发达的城郊或厂矿附近，因此每年给重庆市造成的经济 损失十分严重。如2 0 0 3 年7 月1 9 日在重庆市北碚区日降水量达1 7 2 m m ，犬面积爆发的坡 面泥石流有4 0 多条，一度造成公路交通中断( 北碚一市中心，北碚一合川公路被迫中断) ； 危及一些大型厂矿如北碚富皇水泥厂；大量农田、鱼池、水利设施被毁：民房、牲畜被坡面 泥石流卷走，并造成人员伤亡。这场暴雨山地灾害造成的直接经济损失达1 2 亿元，其中农 业直接经济损失3 0 0 0 多万元。 本区在暴雨后大量发生坡面泥石流，实地调查表明：这既与本区特殊的地形地貌条件、 坡( 残) 积物组成相关，又与坡( 残) 积层的抗剪强度密切相关，同时还与降雨的强度紧密 相关。因此，本文从本区所处的太的地质环境出发，对本区所发生的坡面泥石流作了全面、 详尽的调查基础上，对坡面泥石流在本区的分布特征、地形地貌因子、坡积物的各种物理化 学性质及其力学性质做了深入的分析，是对本区坡面泥石流进行量化研究的有益尝试。 2 1 本论文研究内容和研究方法 本文以重庆市北碚区坡面泥石流为研究对象，在野外调查、现场取样的基础上，开展 了较为系统的室内测试实验。具体而言在野外调查主要对碎屑物、地质构造、岩性、风化 作用进行了全面的调查和研究i 在野外调查的基础上，结合l ：5 0 的地形图，对地形地貌 特征进行了深入研究。如平均坡度、沟谷纵比降、坡长、流域面积、流域形态要素等：在典 型的坡面泥石流取土样的基础上，分析了坡度在坡丽泥石漉发生中的控制性作用；分析了沟 谷纵比降、流域面积、流域形态要素等地貌因子在坡面泥石流发生过程中所起的作用。在室 内实验主要饿了坡( 残) 积层的粒度分析、徽团聚体分折、土体容重分析、含水量及吸温水 分析、阳离子代换量分析、土体抗剪强度实验：结合降雨资料，对雨滴能量、坡面散流能量、 径流能量、启动能量及泥石流运动的总瞎量进行了初步的研究，对导致坡面泥石流发生的原 因进行了初步的探讨，初步建立了本区坡暖泥石流发生的量化公式。 本文以重庆市北碚区坡面泥石流为研究对象，采用野外讽查、野外取样、实验、室内及 计算机模拟相结合的方法，在计算分析资料的基础上，综合运用m a p 掰阳r 、g i s 、s f s s 、 e x c e l 等工具软件，对坡面泥石流的主要的地形地貌困予做了全面深入的研究，如流域坡 度、沟谷纵比降、流域面积、流域形态变素等地貌因子。为了深入研究坡积物的物理化学性 质，在室内实验的基础上，运用甲种比重计法对土样的级配组成、舷团聚体组成进行了量化 研究，周时结合最新仪嚣粒度分析仪对用甲种比重计法所得的结果进行矫正。运用环刀法求 土壤容重：利用氯化钡硫酸法求阳离子代换量；利用s p s s 对分散率和团聚度进行曲线拟 合。本文在抗剪强度实验的基础上同时利用前入的研究成果( 主要是计算公式) 对坡面泥 石流的运动能量进行了初步的研究和探讨，探寻了坡蕊泥石流发生的综合指标。得出了较为 严密的数学表达式。 3 2 2 本论文研究的技术路线 图1 ：北碚区坡面泥石流研究的技术路线 f i g1 ：s k e t c hm a p o ft e c h n i cr o u t ei nr e s e a r c ho fd e b r i sf l o wo f h i u s l o p ei nb e i b e i 3 研究区概况 3 1 本区自然状况 北碚区位于重庆市主城区强北面弘距市中心约5 0 k m ，介于2 9 。3 77 2 9 。3 2 7 n ， 1 0 6 。1 8 - 1 0 6 。3 2 7 e 之间。在地质构造上，北碚区为西南地台、川东南坳褶带、华蓥山 隔挡式复被斜帚状弧形构造区重庆弧的一部分，其褶皱形成构造线为北北东一南南西向的二 个背斜：牛鼻峡背斜、温塘峡背斜和观音峡背斜，他们和相间分布的三个向斜共同构成北碚 4 区地貌形态的骨架，属丁= 背斜成山、向斜成谷的典型正地貌形态。嘉陵江切穿三大背斜，穿 北碚而过，形成有名的嘉陵江小三峡，以嘉陵江为主干，龙风溪，马鞍溪、运河、郑家溪、 明家溪、万家溪等，鼍羽状分布，并汇流于嘉陵江。北碚区最高海拔9 5 2 2 米，最低海拔 1 7 5 米，最大高差7 7 7 2 米，低山槽谷和沿江河谷占总面积的4 0 1 2 。北碚区为亚热带季风 性湿润气候，多年平均降水量11 3 8 r a m ，最大日降水量2 2 5 4 m m ( 1 9 5 3 年) ，降雨主要集中丁 5 9 月( 占全年的7 5 以上) ，且多夜雨。北碚区土壤类型较多，主要有水稻土、潮湿十、 紫色土、黄壤士( 是唯一的地带性自然十壤) 和石灰十，其中以水稻土和紫色土为主一 j 耕 地面积的7 7 6 。由于优越的自然条件，境内森林覆盖率达2 0 ，且有少量典型的地带性自 然植被亚热带常绿阔叶林分布。 3 2 本区社会经济状况 2 0 0 2 年末，全区总人口达6 4 0 2 万人，其中非农业人口为2 7 4 6 万人，占4 2 9 。全区 人口自然增长率为1 2 6 7 0 0 。2 0 0 2 年全区城市居民人均可支配收入为7 2 1 0 元，人均消费支 出为5 8 3 5 元；城镇职工人均工资为9 2 5 4 元，农民人均纯收入为2 7 0 4 元。据初步统计2 0 0 2 年全区实现国内生产总值6 2 9 7 亿元按可比价格计算，比上年增长1 0 。低于全市平均水 平0 3 个百分点。其中第一产业增加值为4 0 4 亿元，增长2 8 ；第二产业增加值为3 2 7 6 亿元，增长1 0 2 ；第三产业增加值为2 6 1 7 亿元，增长1 0 8 。国民经济三次产业的比例 由2 0 0 1 年的7 3 ：5 1 6 ：4 1 1 调整为2 0 0 2 年的6 4 ：5 2 0 ：4 1 6 。2 0 0 2 年全区人均国内生产 总值为9 8 6 5 元，比上年增加7 2 8 元，比全市人均6 3 “元高3 5 2 1 元。 农业结构调整继续深化，农村经济稳定增长。2 0 0 2 年全区实现农业增加值4 0 4 亿元， 比上年增长2 8 ，是近三年来增长最快的一年。多镇企业快速发展，全年完成乡镇企业增 加值1 0 9 9 亿元，比上年增长2 2 3 。工业经济稳步增长。2 0 0 2 年全区完成全部工业总产值 7 2 “亿元，按可比价格计算，比上年增长1 1 5 ，其中轻工业产值3 1 0 7 亿元，增长1 1 1 ， 重工业产值4 1 5 7 亿元，增长1 1 9 。固定资产投资迈上新台阶。2 0 0 2 年全区完成全社会固 定资产投资额2 3 1 0 亿元比上年增长1 3 5 。 一般而言，社会经济发展的越快，人类对环境改造得就越剧烈，对环境造成的影响也就 越大。如果在发展经济的过程中，人类对自然环境的保护不够，人类必将遭到大自然同等强 度的、甚至更强烈的“报复”。从某种角度讲，北碚区在2 0 0 3 年7 月1 9 日特大暴雨时所发 生的大面积坡面泥石流就是对人类过度利用自然的一种天然的“报复性反应”。 3 3 北碚区坡面泥石流的分布 调查结果表明：北碚坡菌泥石流的空问分布主要受地质构造和地貌的控制。坡面泥石流 分布在背斜低山两侧坡度较大的单斜山的顺倾坡。坡面泥石流的分布还与坡相有关，9 3 1 8 的坡面泥石流分布在阳坡。 5 图2 北碚区坡面泥石流分布图 f i g2 t h em a po fd i s t r i b u t i o no f d e b r i sf l o w o fh i l l s l o p ei nb e i - b e i 图3北碚富皇水泥长坡面泥石流 f i g 。3 d e b r i sf l o wo fh i l l s l o p ea tf u h u a n gc e m e n lp l a n t 6 4 坡面泥石流形成的基本条件分析 坡面泥t i 流的发生条件与一般泥右流的发生条件是一致的：物质条件、水源条件承l 地貌 条件。所不同的是坡面泥石流的发生对二大条件的要求更高，如需要更大的降雨量，更陡峻 的地形等。因此，坡面泥石流爆发的突然性大大增加，造成的破坏也往往更人。本文试图从 坡面泥石流发生的三大条件入手，深入系统的揭示坡面泥石流发生的地貌信息，从而为我们 正确认识坡面泥石流打f 坚实的基础。 4 1 地质构造和岩性条件 对坡面泥石流的实地调查表明：坡面泥石流的发生是受本区宏观地貌控制的，即本区的 地表形态是由北北东南南西向的三个背斜和三个向斜控制的( 图2 ) 。由图2 可见，牛 鼻峡两翼较为对称，坡度较缓，没有坡面泥石漉的发生；而其他两个背斜的两翼是不对称的， 温汤峡西北翼缓，东南翼陡：观音峡西北翼陡，东南翼缓。本次坡面泥石流主要分布于观音 峡的两翼，尤其是其东南翼，占总数的7 9 5 9 以上，而温汤峡较缓的西北翼却没有泥石流 的分布。在观音峡较陡的西北翼6 条坡面泥石流，占总数的1 2 2 4 ，在温汤峡较陡的东南 翼仅有3 条坡面泥石流以及由此而形成的一条沟谷泥石流，占总数的6 1 2 。以上分布极有 可能与暴雨中，1 5 的位置及坡向有关。本区坡面泥石流的发育还与裂隙有关，裂隙在本区广泛 发育，多呈网状分布。实地调查显示：坡面泥石流发生的地方多有裂隙的发育，如富皇水泥 厂1 号、富皇水泥厂2 号、凤凰寺1 号、飞蛾山1 号等坡面泥石流均有裂隙存在。裂隙的存 在和发育不但降低了岩石的物理化学性质，为水的渗入大开方便之们，同时降低了岩石的抗 冲抗剪强度，在暴雨时更易被上游来的物质冲剐，搬运，从而产生大量的松散的大颗粒物质， 成为坡面泥石流的重要物质来源。 岩石的性质直接影响风化程度的强弱，与坡积物的形成及厚度密切相关。实地调查显 示：坡面泥石流多发生于晚三叠世的溉音峡须家河组( t 3 x ) 和早侏罗世的珍珠冲组( j 。z ) ， 尤其以须家河组( t 3x ) ) 的居多，占坡面泥石流总数的7 0 以上。很明显。这与须家河组 ( t 3 x ) 的岩石性质是密切相关的。须家河组以灰白、灰黄色厚层长石石英砂岩和深灰色泥 岩互层为主，夹有石英粉岩、黑色页岩、薄煤层和菱铁矿透镜体，存在明显的侵蚀面，将本 组分为两个亚层，上亚组以砂岩为主，两套砂岩夹套泥页岩和薄煤层，底部有断续分布的 黄色、白色粘土( 厚为o _ _ o 5 m ) ；下亚组以泥页岩和薄煤层为主，两套煤系地层夹一套砂 岩底部有由燧石、石英组成的角砾岩，厚约0 5 1 m 。显而易见，一旦上层的砂岩有裂隙 或断层存在，地表水很容易渗入夹层中的泥页岩及薄煤层中，从而导致坡面抗剪强度降低， 在暴雨冲刷及上游物质的碰撞下，上层砂岩被迅速剪切，巨大的岩石也被搬运，成为坡面泥 石流的重要物质来源。同时，珍珠冲组( j 1z ) 亦是坡面泥石流发生的重要岩层，其岩性以 紫红色砂质泥岩、页岩为主，夹灰绿色、黄绿色泥质砂岩。由此可知，坡西泥石流主要发生 于泥岩、页岩及互层的岩石这些岩石有一个共同的特点就是它们都含有相当丰富的粘士矿 物如蒙脱石、伊利石和高岭石含量高达2 0 - - 4 0 。这些粘土矿物亲水性极强，而透水性 很差，具有很强的胀缩性和崩解性，遇水易膨胀软化，抗剪强度低抗风化能力弱，具有易滑、 易流性质。不言而喻，坡面泥石流的发生与岩石性质是有密切关系的。 4 2 地貌条件 地貌条件是坡面泥石流发生的最直观的反映，主要包括流域平均坡度f 5 i 、沟谷纵比降、 坡长、流域面积、流域形态和流域切割度。准确而全面的了解这些地貌条件将有利于我们对 坡面泥石流进行更深入的认识。 4 2 。1 坡面泥石流流域的坡度 7 4 2 l 1 流域坡度的量算 2 0 0 3 年7 月口州，坡面泥石流广泛发育之厉，我们对北碚区的所有坡面泥石流进行了详 尽的野外调查，取得了宝贵的第手资料，采集了大量的原始数据，尤其是坡度方面的数据 达数万个之多。我们首先在野外将每个坡面泥石流在1 ：2 5 0 0 的地图上定位，比较精确的确 定了各个坡面泥石流的集水区、形成区、流通区( 由于坡面泥石流的特殊性，我们将形成区、 流通区合为一体) 和堆积区( 有的坡面泥石流的堆积区不明显其堆积物往往直接流入主沟 谷，是沟谷泥石流的主要物质来源) 。回到室内后，在每个坡面泥石流流域范围内，打4 m m 4 m m 的正方形网袼进行坡度的求算，进行微机处理后转换成坡度，晟后选取样本作为验 证室内所求坡度的精度，验证结果误差为0 7 3 ，这证明我们的坡度数据是完全可信的。 我们将所调查的4 9 个坡面泥石流的坡度原始数据进行s p s s 的数学统计分析后，其统计 值见表1 ： 表1 北碚区坡面泥石流坡度统计值 t a b l e1s t a t i s t i co fg r a d i e mo fd e b r i sf l o wo fh f l l f l o p ei nb e i b e i 坡面泥石流数量坡度范围最小值最大值平均值