易贡河流域冰碛物滑坡型泥石流的复发机制：地貌控制、构造 predisposition 与降雨驱动失稳

《Remote Sensing》：Recurrent Landslide-Derived Debris Flows in the Yizhong River Basin: Geomorphic Controls, Structural Predisposition, and Rainfall-Driven Instability

　　

摘要专业翻译 易贡河流域位于青藏高原东南缘的高山峡谷区，经常发生源于冰碛物覆盖源区的滑坡型泥石流。本研究整合了基于无人机（UAV）的地貌解译、野外地质剖面测量、实验室直剪试验、降雨分析以及SEEP/W-FLAC3D顺序耦合模拟，以考察源区 preconditioning 和与降雨相关的斜坡响应。现今的无人机衍生剖面和野外观察支持一种由松散冰碛物沉积层覆盖于破碎基岩之上的双层结构配置，这与推断出的溯源侵蚀、沟谷下切和侧向扩展序列一致；该序列被概念性地解释，而非时间上精确的重建。冰碛物覆盖层代表了一个巨大的高海拔泥沙源区，其潜在体积量级约为3.9 × 105 m3。实验室增湿过程（从自然状态的6.3%含水率到受控湿态的16.8%）使粘聚力从24.5 kPa降低至15.3 kPa，内摩擦角从30.2°降低至26.4°。在一个理想化的8小时等总降雨量情景下，顺序渗流-稳定模型得出的安全系数从1.33降至0.92，最大向下位移达22.3 cm，变形集中在已绘制的崩塌-滑动带附近。因此，这种复发活动被解释为一个连接冰碛物斜坡失稳、沟谷侵蚀、泥沙补给和新一轮破坏的反馈路径。研究结果提供了一个基于案例的评估，说明了冰碛物-基岩 preconditioning 和降雨相关的强度弱化如何共同导致源区的反复失稳，突显了地质结构、泥沙供给和水文弱化在泥石流启动和复发中的综合作用。

论文解读文章

研究背景与科学问题

高山峡谷地区是全球地质灾害频发区，其中滑坡转化为泥石流（landslide-to-debris-flow, LDF）的灾害链因其突发性强、运动距离远、危害巨大而备受关注。此类灾害的启动机制极为复杂，通常涉及斜坡失稳、物质裹挟、流体转化和远程运移等多个环节，受到既有地质结构、松散堆积物供应、降雨入渗、抗剪强度衰减以及地形约束等多种因素的耦合影响。尽管已有大量关于滑坡型泥石流的案例研究，但对于其在特定地貌单元中持续复发的过程和机理仍认识不足，尤其是在构造活跃、冰川作用遗留特征明显的高海拔冰碛物覆盖流域。以往的研究多聚焦于单次事件、运动行为或降雨触发条件，较少关注继承性地质结构如何调控泥沙补给，以及如何将降雨相关的强度劣化与源区反复失稳联系起来。因此，针对易贡河流域，本项研究旨在解决一个关键的源区问题：冰碛物堆积与破碎基岩之间的空间关联如何导致北部源区产生复发性泥沙补给，以及增湿引起的强度损失如何在何种程度上促进局部斜坡失稳。

研究方法与技术路线

为实现上述目标，研究人员采用了一套综合性的多学科研究方法：

1. 1.
   无人机（UAV）航测与地貌解译：对北部源区进行高分辨率无人机航拍，生成正射影像和数字高程模型（DEM），用于提取地貌特征、勾画冰碛物边界、识别基岩露头和沟谷发育形态。
2. 2.
   野外地质调查与剖面测量：对整个流域进行系统地质踏勘，记录地层分布、断层产状、节理特征、崩塌-滑动点以及泥石流活动痕迹，并采集源区冰碛物样品用于室内测试。
3. 3.
   室内直剪试验与粒度分析：对现场采集的冰碛物样品，分别在天然含水率（6.3%）和实验室增湿状态（16.8%）下进行重复直剪试验，测定其抗剪强度参数（粘聚力和内摩擦角）随含水率的变化，并进行粒度分析以确定其工程分类。
4. 4.
   降雨特征分析与数值模拟：利用区域气象站记录的降雨数据，选取一次典型的短历时强降雨事件（2024年7月15日）作为数值模型的输入边界条件。采用GeoStudio软件中的SEEP/W模块进行瞬态降雨入渗模拟，获取斜坡内部的渗流场演化过程。随后，将渗流场结果单向传递至FLAC^3D软件，结合实验室测定的不同含水状态下的力学参数，进行斜坡稳定性分析，计算安全系数（Factor of Safety, FoS）和位移场。

主要研究结果

1. 无人机衍生的地貌证据与推断的源区冲沟发育

无人机影像和DEM揭示北部源区存在深切V形谷、陡峭边坡、暴露的松散冰碛物以及侧向扩张地貌特征。通过提取的横向和纵向剖面，清晰展示了冰碛物与基岩的空间分布关系。基于此，研究人员推断出一个三阶段的概念性冲沟发育序列：初始崩塌与坡面径流侵蚀、溯源侵蚀形成V形谷、侵蚀前锋向上迁移至冰碛物覆盖源区。这一系列过程构成了一个反馈循环：沟谷下切 → 冰碛物失稳 → 泥沙补给 → 新的泥石流活动，表现为更深更宽的沟谷和更破碎的地形。

2. 冰碛物覆盖源区的构造 predisposition

源区基岩发育有两组陡倾的优势节理，导致岩体极度破碎。这种构造碎裂作用与冰川沉积作用相结合，形成了“松散冰碛物覆盖于破碎基岩之上”的双层结构。这种结构是源区复发性失稳的根本原因：破碎基岩易于被水流侵蚀下切，从而削弱上方冰碛物的支撑，促使其发生崩塌或滑动；而滑落的冰碛物又成为下一次泥石流的物质来源。

3. 增湿条件下的抗剪强度衰减

室内直剪试验表明，冰碛物对水分极其敏感。当含水率从6.3%增至16.8%时，粘聚力从24.5 kPa大幅下降37.6%至15.3 kPa，内摩擦角也从30.2°下降12.6%至26.4°。这表明粘聚力对增湿更为敏感，可能归因于基质吸力的降低和颗粒间胶结作用的减弱。

4. 降雨入渗过程中的渗流场演化

SEEP/W模拟结果显示，在8小时降雨过程中，渗流场经历了三个阶段：初期快速响应，雨水入渗使坡表总水头迅速增加；中期沿冰碛物-基岩接触面发展出侧向优势渗流路径；后期达到近稳态排水状态，入渗深度约4-5米，主要渗流模式为垂直入渗、界面导流和坡脚排泄。

5. 降雨入渗对斜坡稳定性的影响

基于自然状态强度参数，FLAC^3D模型给出的安全系数（FoS）为1.33，表明斜坡处于稳定状态。然而，当采用增湿后的强度参数并结合降雨后的渗流场时，FoS骤降至0.92，表明斜坡已失稳。模拟的最大竖向位移为22.3厘米，且变形主要集中在斜坡中部的浅层冰碛物内，其空间位置与实地测绘的崩塌-滑动带高度吻合。这定量地证实了降雨入渗导致的强度衰减是引发源区冰碛物斜坡失稳的关键机制。

讨论与结论

讨论部分总结了研究的核心发现：易贡河流域复发性滑坡型泥石流不能仅用降雨来解释，而是构造变形、冰川沉积和后期沟谷侵蚀长期相互作用的结果。构造作用形成的破碎基岩易于侵蚀，而冰川作用提供了大量高位松散冰碛物，两者构成的“上软下硬”双层结构是源区具备持续泥沙补给能力的根本原因。降雨的作用在于充当触发剂，通过降低冰碛物强度并沿接触面形成渗流，最终导致斜坡失稳。研究强调了从单一降雨触发因素转向关注“构造 preconditioned 源区”的重要性，并指出冰碛物-基岩接触带、沟头、活跃的侧蚀边缘等部位应是监测和防治的重点。

结论部分翻译如下：

(1) 无人机衍生的地形剖面和野外观察揭示了北部源区与溯源侵蚀、沟谷侧向扩张、基岩裸露以及冰碛物反复暴露相一致的地貌特征。基于约2.8×10⁴ m²的测绘面积和约14米的代表性厚度，潜在源区物质体积估算为3.9×10⁵ m³量级；由于地下冰碛物-基岩界面并非连续暴露，该值为近似值。

(2) 野外证据和无人机剖面支持一种双层冰碛物-基岩结构，该结构在露头处可直接观察到，并在斜坡的隐蔽部分得以推断。高位松散冰碛物与破碎基岩的组合为沟谷侵蚀、临空面发展和间歇性泥沙补给提供了持久的地质前提条件。

(3) 双状态实验室试验显示了显著的增湿强度损失：粘聚力从24.5 kPa降至15.3 kPa，内摩擦角从30.2°降至26.4°。在所采用的等总降雨量和实验室增湿端元情景下，模型的安全系数从约1.33降至0.92，最大向下位移达22.3 cm。这些结果支持了降雨相关浅层冰碛物斜坡失稳的合理性，但不应被解释为特定事件的验证。

(4) 复发活动被解释为一个反馈路径：冰碛物斜坡失稳提供泥沙，泥石流通过冲刷和下切侵蚀沟谷，侵蚀作用暴露出新的不稳定物质，后续降雨则可能引发新一轮破坏。这一基于案例的机制确定了具有破碎基岩、活跃沟谷侵蚀和降雨敏感性沉积物的冰碛物覆盖源区应作为监测和场地特异性危险性评估的优先目标。