基于水槽试验的冰碛土泥石流启动机理分析——以中巴公路艾尔库然沟为例

冰碛土启动形成泥石流在中巴公路沿线十分常见。前人对冰碛土特征变化及影响冰川泥石流形成的研究较少。为进一步探索泥石流暴发的原因,此次基于水槽试验,结合研究区的冰碛土物理力学特性进而探究冰碛土体形成泥石流的过程与机制。结果表明:(1)融水流量分别为8 L/min、12 L/min、16 L/min和56 L/min的情况下,冰碛土内部结构发生变化,其被冲刷时的破坏形式和启动过程具有差异性;(2)泥沙含量随融水流量和时间的不同而发生波动变化,泥石流冲刷启动和土体坍塌淤堵反复循环;(3)综合冰碛土特征变化及实验现象,将冰碛土泥石流的启动机理分为渗透饱和、侵蚀坍塌、冲刷启动三个部分;(4)冰碛土泥石流的稳定系数与水流流量呈幂函数关系。     

冰碛土体起动泥石流的特征研究

与广泛分布于干旱河谷的宽级配砾石土体特征不同,冰碛土广泛分布在青藏高原地区,属粗大颗粒多、粘粒含量少、摩擦阻力大、粘滞阻力小的宽级配砾石土体。在冰川融雪与降雨的共同作用下冰碛土体可失稳并起动泥石流,形成灾害。针对冰碛土体起动泥石流机理研究薄弱的现状,本文选取波密县帕隆藏布流域的支流嘎弄沟一冰碛土堆积坡面,通过模拟降水与冰雪融水起动冰川泥石流实验,比较不同颗粒组成、不同实验条件下的土体起动泥石流特征,分析其起动成因及力学特性,探讨冰碛土体起动泥石流的机理。研究发现冰碛土体失稳起动泥石流是粘滞阻力降低、孔隙水压力升高、拖曳力与渗流侵蚀共同作用的结果,起动过程受粘土颗粒含量和径流类型的影响。当粘粒含量较高时(>3%),土体通过铲蚀与面蚀形成泥石流;粘粒含量中低时(不高于3%),大部分坡面土体主要经掏蚀与坍塌起动泥石流;粘粒含量过低时(<0.32%),土体难以起动泥石流。在降水作用下土体孔隙水压力迅速增加,易造成土体破坏,起动泥石流;而在冰雪融水的作用下,土体孔隙水压力波动幅度不大时,土体同样可能发生失稳破坏起动泥石流。     

恒定渗流作用下泥石流起动过程冲刷试验分析

渗流是泥石流水动力条件主要来源之一,不同渗流流量具有不同的渗流力和冲刷力,从而可引起不同规模泥石流。通过开展室内水槽试验,利用测压管量测渗流过程中的孔隙水压力,并结合高清摄像技术从微观角度记录堆积土体内部细颗粒的运移、骨架颗粒的坍塌现象,以此分析研究土体渗透破坏、起动形成泥石流过程中的渗流和冲刷作用。在此基础上设定水槽坡度为7°,调节恒定渗流流量分别为120、170、265、320 ml/s,分析不同恒定渗流流量对固体堆积物失稳、泥石流起动过程中流态变化的影响。分析结果表明,在恒定渗流流量作用下,堆积土体内部细颗粒迁移、骨架颗粒坍塌造成土体颗粒重排列、孔隙水压力上升进而导致土体抗力降低是泥石流土体颗粒失稳、起动、冲刷的重要原因;随着渗流流量增加,流速迅速上升,土体内孔隙水压力逐步增大,骨架颗粒的失稳、移动主要受渗流及水流冲刷两方面共同作用,堆积土体颗粒的移动分别表现出缓慢小幅滑动后稳定、过渡型滑动和快速流滑现象。     

冰碛补给型泥石流形成机制研究——以贡嘎山东坡小河子沟为例

冰碛补给型泥石流是发育在高海拔冰缘山区的一种特殊灾害地貌过程,以其物源"非粗化层"和不同粒径土体同时启动的特点区别于一般水力类泥石流。冰碛土作为该类泥石流主要的启动物源,具有储量丰富、集中分布、地貌部位高的特点。发育于贡嘎山东坡的小河子沟是典型的高地貌部位冰碛补给型泥石流,其物源汇集过程可分为以下3个阶段:沟道汇集阶段、土体粗化阶段和循环冻融阶段。这类泥石流的启动主要受前期持续降雨加短时强降雨激发,启动后具有放大效应显著、致灾能力强的特点。本文以小河子沟泥石流为例,提出了高地貌部位冰碛补给型泥石流的启动机制,研究成果将在此类泥石流防治及风险控制方面提供理论支撑。     

九寨沟震后核心景区崩滑堆积体冲刷启动机制研究

2017年九寨沟震后核心景区广泛发育崩滑堆积体,震后3年间受降雨影响下坡面泥石流频发,严重威胁景区恢复重建。为了研究坡面径流冲刷对崩滑堆积体启动的影响,基于2017－2020年的持续跟踪调查与高分辨率遥感影像解译,利用现场冲刷试验及原位监测,分析了径流冲刷条件下堆积体的渗流响应特征、侵蚀运移过程及冲刷启动机制。结果表明：（1）冲刷过程中坡面物质以下蚀、面蚀、溯源侵蚀及侧蚀为主,湿润锋下移致使坡体内体积含水率与孔隙水压力增大,达到峰值后处于动态稳定状态,而基质吸力则先小幅度波动后不断减小。（2）崩滑堆积体具有坡度陡、土体孔隙间细粒含量多、渗透性良好且抗冲刷能力弱等特征,在强烈的水动力条件下启动演化过程为先期渗透→铲刮滑流→快速堆积→局部饱和侵蚀?稳定。（3）不同饱和状态下堆积体启动的力学分析与现场试验监测结果较为一致,并结合冲刷试验成果认为,土体含水率升高、孔隙水压力急剧增大、基质吸力快速减小与高强度径流冲刷是堆积体启动之机制所在。该研究结果对于震后泥石流活动的长期效应预测与生态治理具有重要意义。     

黄土陡坡降雨冲刷试验及其三维颗粒流流-固耦合模拟

针对坡角为70°的黄土边坡,进行2.7 mm/min降雨强度下的室内坡面冲刷试验。根据边坡冲刷破坏的过程特征,将边坡侵蚀方式演变过程归纳为试验初期的片蚀、中期的细沟侵蚀、到后期的切沟侵蚀和坍塌。试验中坡顶处侵蚀强度大于其他部位,当坡面形成上下贯通的切沟之后,水流开始掏蚀沟槽底部土体,随着冲刷的持续,切沟两侧土体强度降低,坡顶土体发生坍塌。以此为基础利用三维颗粒流软件PFC3D对边坡降雨冲刷过程进行流-固耦合模拟,在模拟颗粒大变形的同时得到颗粒运动轨迹、孔隙率、流体单元内流速等重要参数,这些参数的定量变化过程反映了降雨过程中边坡遭受侵蚀程度及水流侵蚀能力的分布规律:坡顶处侵蚀最为强烈、水流侵蚀能力最强,且两者随高度降低呈减小趋势,与室内试验结果一致。     

四川木里县项脚沟“7·5”特大型泥石流特征及发展趋势分析

2021年7月5日,凉山州木里县项脚沟暴发特大型泥石流灾害。文章通过野外调查和特征参数计算,研究了本次泥石流的形成条件、暴发过程和暴发特征。根据实地考察判断,泥石流主要在森林火灾、短时强降雨和沟道地形条件等因素共同作用下暴发,为暴雨径流冲刷引发的火后泥石流。暴雨形成的洪水冲刷坡面、侵蚀沟道,导致沟道两岸坍塌滑坡,堵溃效应明显,泥石流规模扩大。项脚沟过火面积达74.61%,高烈度火烧区面积达57.98%,泥石流临界降雨强度为77.84 mm/h,累计降雨达141.60 mm。根据泥石流特征参数计算结果,此次泥石流密度范围为1.83～1.93 g/cm³,属黏性泥石流,主沟下游出口流速为7.22 m/s,峰值流量759.08 m³/s。结合雨洪法和形态调查法结果分析,此次泥石流重现周期为百年一遇。结合泥石流发育趋势,文章认为流域仍有可能暴发大型泥石流,提出了上游固坡、中游调控、下游排导的防治建议。     

泥石流启动过程PFC数值模拟

泥石流松散碎屑物质具有散粒体的基本特征,在暴雨激发下容易形成泥石流,整个过程具有散粒体大变形的特征。颗粒流理论是基于离散单元法模拟圆形颗粒介质的运动及其相互作用,在模拟颗粒相互作用和大变形问题研究方面具有显著的优越性。为分析泥石流松散碎屑物质启动形成泥石流的过程及其与土体含水率的关系,采用二维颗粒流程序（PFC2D）分析降雨作用下松散碎屑物质启动形成泥石流的过程,揭示崩滑堆积体在降雨作用下含水率超过临界值后质点运动速度和位移增加,松散碎屑物质启动并加速而导致滑坡泥石流连锁式破坏的过程和机制。     

论冰川与泥石流堆积体的宏观展布、磨光面、平行擦痕等遗迹的差异性——兼答王乃昂教授“蒙山‘冰川遗迹’辨识中的逻辑谬误分析”

本文在对比分析了冰川堆积与泥石流堆积过程差异的基础上,发现两类堆积体在平面与剖面上都存在明确的专属性差别。冰川冰碛在平面上形成专属性的垄槽序列,剖面上显示为混杂状无层理堆积特征。泥石流形成堆积扇,扇面上呈放射状垄岗堆积,剖面上表现为阵次韵律序列。据此对蒙山拦马墙冰碛垄、瑶池冰碛垄进行了调查研究与分析,认为拦马墙冰碛垄属于冰川凹岸堆积,瑶池冰碛垄属于冰川对称堆积。此外经调查发现,王乃昂等（2020）《逻辑》一文图2d所示“泥石流底泥层”实为一蜂类废弃的泥质巢穴。“平行特征”擦痕为泥石流成因的解释属于《逻辑》一文对于引文的误读。综合研究认为,蒙山冰川遗迹无论从清荣古冰斗的外形特征、平坦指数（F=187）,瑶池、拦马冰碛垄的平面展布特征、砾石垄的堆积特征、兰溪U谷特征及深宽比（024~027）,U谷岩壁上“微小擦痕”构成的磨光面及磨光面上产出的“平行特征”的擦痕等,都显示拦马墙冰碛垄与兰溪U谷为冰川作用的结果。     

黏土颗粒含量对蒋家沟泥石流启动影响分析

黏土颗粒在泥石流中的含量并不大,但却显著地影响着泥石流的启动。在室内通过筛分配成9种不同黏粒含量级配的土体,在自行设计的模型槽内以1.64 g/cm3（松散干密度）,1.79、1.94 g/cm3（天然干密度）3种干密度堆成边坡模型,在雨强为85 mm/h下进行人工降雨试验,初步探讨了黏土颗粒含量对泥石流启动的影响,得到：黏粒含量在5%～18%时可以形成泥石流,其中黏粒含量10%时所需时间最短,低于5%或大于18%难以形成泥石流,黏粒含量具有临界性;填筑干密度越大,泥石流启动越困难,表现在启动时间长、深度浅、规模小、且填筑干密度不改变黏粒含量临界性;降雨条件下土体入渗率越高,泥石流越容易启动产流。通过试验的研究,可以深入揭示泥石流形成的内在机制,黏粒含量临界性为泥石流预测、预报提供了新思路。     

山东蒙山九龙潭冰川堆积“垄槽序列”的特征及演化过程研究——兼论冰川、泥石流堆积序列的差异性

中国东部中低山区是否存在第四纪冰川已经争议了一个世纪，作为东部地区冰川堆积重要依据的"泥砾"（冰碛），一直被持非冰川观点者称作是泥石流沉积物。但是，由于冰川与泥石流的堆积过程之间存在本质差别，这必然在堆积体的特征上表现出专属性差异。因此建立冰川与泥石流在堆积特征与堆积过程上的专属性差异，在冰碛物的成因分析、冰碛堆积过程恢复上就有着重要意义。文章在对比分析了冰川堆积与泥石流堆积的过程差异的基础上，发现两类堆积体在平面与剖面上都存在明确的专属性差别。冰川冰碛在平面上形成专属性的垄槽序列，剖面上显示为无层理、混杂堆积状态。泥石流形成堆积扇，扇面上呈放射状垄岗堆积，剖面上表现为韵律序列。这是区别冰川与泥石流堆积体的本质所在。在此基础上，对蒙山九龙潭一带混杂堆积体进行调查与恢复，发现其具有典型的冰川成因垄槽序列特征，结合其剖面上表现为无层理、混杂堆积特征，从沉积序列与沉积过程的角度，佐证了蒙山九龙潭混杂堆积为第四纪冰川作用的事实。垄槽序列既是堆积物是否为冰川作用属性判断的专属性特征，也是恢复冰碛堆积体基本地貌特征与堆积过程的理论基础。      

Formation and disintegration of a high-arctic ice-cored moraine complex, Scott Turnerbreen, Svalbard

Englacial debris structures, morphology and sediment distribution at the frontal part and at the proglacial area of the Scott Turnerbreen glacier have been studied through fieldwork and aerial photograph interpretation. The main emphasis has been on processes controlling the morphological development of the proglacial area. Three types of supraglacial ridges have been related to different types of englacial debris bands. We suggest that the sediments were transported in thrusts, along flow lines and in englacial meltwater channels prior to, and during a surge in, the 1930s, before the glacier turned cold. Melting-out of englacial debris and debris that flows down the glacier front has formed an isolating debris cover on the glacier surface, preventing further melting. As the glacier wasted, the stagnant, debris-covered front became separated from the glacier and formed icecored moraine ridges. Three moraine ridges were formed outside the present ice-front. The further glacier wastage formed a low-relief proglacial area with debris-flow deposits resting directly on glacier ice. Melting of this buried ice initiated a second phase of slides and debris flows with a flow direction independent of the present glacier surface. The rapid disintegration of the proglacial morphology is mainly caused by slides and stream erosion that uncover buried ice and often cause sediments to be transported into the main river and out of the proglacial area. Inactive stream channels are probably one of the morphological elements that have the best potential for preservation in a wasting ice-cored moraine complex and may indicate former ice-front positions.     

气候变化影响下高山区泥石流形成机制研究及展望

全球范围内高海拔或高纬度山区（以下简称高山区）,尤其高山冰川冻土急剧消退地区,广泛发育泥石流灾害。在全球气候变暖的大背景下,高山区泥石流的现实危害和潜在风险日渐凸显。与其他环境条件下泥石流过程主要由降雨激发不同,高山区泥石流的暴发多受降雨和温度条件的共同影响,其形成机制更为复杂,预测预警十分困难,因此加强高山区泥石流研究具有重要的科学价值和实践意义。通过述评近期高山区泥石流起动研究的主要进展,包括泥石流暴发与气象条件的关系,典型高山区泥石流事件成因,冰川冻土体消融破坏机制,以及冰碛土泥石流起动特征,认为未来高山区泥石流研究应加强高时空分辨率气象数据获取和物源动态变化分析研判,并从动力学机制层面进一步明晰高山区泥石流起动条件和发育过程。     

藏东南嘎龙曲冰川泥石流的物源特征及其对扎墨公路的影响

在全球气候变暖的大背景下,冰川消融加剧,冰舌后退,冰川泥石流加剧。扎墨公路是目前通往西藏墨脱的唯一公路,公路必经的嘎龙曲发育藏东南地区典型的海洋性冰川泥石流,针对嘎龙曲冰川泥石流的物源特征,经现场调查得出,嘎龙曲冰川泥石流物源类型有冰碛物物源、崩塌型物源以及沟道堆积型物源三类,总结分析了三种物源类型的分布特征和启动模式。通过建立物源计算模型,定量计算嘎龙曲沟域内可参与泥石流活动的松散固体物源动储量为366.28×104 m3,其中冰碛物物源为主要的动储量物源,物源补给特征在藏东南海洋性冰川发育区域具有一定代表性。嘎龙曲沟域内水动力分布的不均一特性决定了物源启动参与泥石流活动的不均一性,随着全球气候变暖影响下水动力条件的增强,嘎龙曲冰川泥石流对扎墨公路的危害会愈加严重。      

冰湖溃决泥石流的形成、演化与减灾对策

本文分析了主要由冰滑坡和冰崩入湖导致的冰湖溃决的机理和条件.进而,从气候条件、水文条件、终碛堤、冰湖规模、冰滑坡、沟床特征和固体物质补给等方面分析了冰湖溃决泥石流的形成条件和特点,归纳出冰湖溃决泥石流沿程演化的6种模式:溃决洪水-稀性泥石流、溃决洪水-黏性泥石流、溃决洪水-稀性泥石流-黏性泥石流、溃决洪水-黏性泥石流-稀性泥石流、溃决洪水-稀性泥石流-黏性泥石流-稀性泥石流和溃决洪水-黏性泥石流-稀性泥石流-洪水.针对冰湖溃决泥石流突发性强、频度低、洪峰高、流量大、流量过程暴涨暴落、破坏力强和灾害波及范围广等特点,提出了7点减灾对策.     

滇西北海巴洛沟“7·28”降雨-冰川融水混合型泥石流成因研究

海巴洛沟位于滇西北横断山区,2019年7月28日凌晨2:40暴发泥石流灾害,为科学准确开展该区域泥石流监测预警和综合防治工作,保障海巴洛沟流域中下游香丽(香格里拉至丽江)高速公路建设和运营安全,本文根据实地、无人机航拍及遥感调查,结合室内试验和分析计算,对本次泥石流特征及成因进行研究。本次泥石流平均容重为16.77 kN·m-3,属稀性泥石流,洪峰流量为528.16 m3·s-1,属特大泥石流。受地质、气候条件综合作用,海巴洛沟流域内物源包含3类:河谷区沟道侧岸滑坡体、高位冰碛物和高位寒冻风化碎屑。本次泥石流发生在27日晚至28日凌晨主体降雨过程的尾部,根据对2019年8~10月海巴洛沟流域9次降雨过程的监测,发现该区域降雨具有主体过程为6 h、降雨量随海拔升高而显著增加的时空分布特征。激发本次泥石流的强降雨集中分布在哈巴雪山西侧海拔4200~4800 m的峰脊区,6 h降雨过程平均降雨量为60.43 mm。激发水源除降雨外,还包含峰脊区内冰川融水,经计算本次6 h降雨过程中冰川平均消融水当量为17.29 mm。本文研究成果可为滇西北横断山区降雨-冰川融水混合型泥石流监测预警及防治提供可靠科学依据。     

Sedimentary facies and landform genesis at a temperate outlet glacier: Soler Glacier, North Patagonian Icefield

This paper focuses on the structural glaciology, dynamics, debris transport paths and sedimentology of the forefield of Soler Glacier, a temperate outlet glacier of the North Patagonian Icefield in southern Chile. The glacier is fed by an icefall from the icefield and by snow and ice avalanches from surrounding mountain slopes. The dominant structures in the glacier are ogives, crevasses and crevasse traces. Thrusts and recumbent folds are developed where the glacier encounters a reverse slope, elevating basal and englacial material to the ice surface. Other debris sources for the glacier include avalanche and rockfall material, some of which is ingested in marginal crevasses. Debris incorporated in the ice and on its surface controls both the distribution of sedimentary facies on the forefield and moraine ridge morphology. Lithofacies in moraine ridges on the glacier forefield include large isolated boulders, diamictons, gravel, sand and fine-grained facies. In relative abundance terms, the dominant lithofacies and their interpretation are sandy boulder gravel (ice-marginal), sandy gravel (glaciofluvial), angular gravel (supraglacial) and diamicton (basal glacial). Proglacial water bodies are currently developing between the receding glacier and its frontal and lateral moraines. The presence of folded sand and laminites in moraine ridges in front of the glacier suggests that, during a previous advance, Soler Glacier over-rode a former proglacial lake, reworking lacustrine deposits. Post-depositional modification of the landform/sediment assemblage includes melting of the ice-core beneath the sediment cover, redistribution of finer material across the proglacial area by aeolian processes and fluvial reworking. Overall, the preservation potential of this landform/sediment assemblage is high on the centennial to millennial timescale.     

西藏典型冰湖溃决型泥石流的初步研究

西藏地区冰川面积约为35000km^2,是我国现代冰川分布最多的地区,也是现代冰湖分布最多的地区.在现代冰川前进或跃动、冰舌断裂、冰湖岸坡出现崩塌或滑坡、温度骤然增加导致冰川融化加速、湖口向源侵蚀加剧、坝体下部管涌引起塌陷等诸多可能因素的影响下易造成冰湖溃决,出现洪水、稀性泥石流、粘性泥石流等危害方式,造成的灾害远远大于由降水引发的泥石流灾害,常常形成危害严重的地质灾害链.