帕隆藏布流域冰碛物斜坡结构及稳定性评价方法

杨栋 王军朝 杨东旭

摘要：帕隆藏布流域是我国海洋性冰川最重要的发育区，大量的冰碛物形成了数量众多的松散堆积体，孕育着密集的地质灾害。通过大量案例调查及现场测试工作，总结出冰碛物堆积体斜坡3种不同的斜坡结构及其可能发生的破坏方式，包括浅表冰碛层降雨蠕滑型、较厚冲洪积物覆于冰碛层之上的水岩作用控制型以及冰碛层夹湖相沉积差异风化型。针对研究区最常见的浅层破坏模式，以测窗法面含石率及泥沙含量来描述宽级配特征，以超重型动力触探锤击数表示固结程度，以坡长与高度对数比表示地形要素，考虑植被覆盖及松散层厚度影响，采用最小二乘曲线拟合，建立并验证了稳定性计算公式。通过对公式的实用化进行探索，得到不同冰碛物斜坡高度所对应的坡度值，当冰碛物斜坡高度小于10 m时，坡度可达70°以上。

关 键 词： 冰碛物; 斜坡结构; 稳定性模型; 帕隆藏布流域

中图法分类号：P642 文献标志码： ADOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2019.01.020

第四纪以来，青藏高原发育的多次冰川活动使帕隆藏布流域保留大量古冰碛遗迹。古冰碛往往以侧碛垄或终碛堤存在，其物质成分为黏粒、粉粒、砂、砾石及漂石组成的非成层的冰川沉积物。冰碛物粒级级配宽，粒度极不均匀，其固结程度可从松散到钙质胶结，渗透系数差异也较大，因此工程性质差异较大。而研究区地质构造强烈，地形高差巨大，具有高寒气候特征和河谷区高强度降水，受自然和人类活动的双重影响，在城镇和道路、水利工程建设场地附近，可能形成灾害，危害严重[1-4]，其中很多灾害与冰碛物堆积体有关。袁广祥等分析了川藏公路帕隆藏布段沿线第四纪堆积体的成因及其分布规律[5]，并将6处冰碛物边坡的特征值与一般碎石土边坡特征值相比较[6]。张惠霞等对帕隆藏布滑坡侵蚀特征及稳定性进行了分析[7]。Springman从非饱和土力学角度，对阿尔卑斯山冰碛层斜坡降雨入渗时发生浅层滑坡进行了模拟试验和机制分析。丁继新、尚彦军分别研究了分布于川藏公路然乌—鲁朗段、然乌—东久段的地质灾害，根据信息熵的理论和方法， 提出半定量模型[8]。徐鼎平等以某露天矿冰碛土台阶边坡为研究对象，提出一种新的可靠度求取方法，简化统计矩法[9]，并对太和露天铁矿使用FLAC 3D 进行三维数值模拟[10]。

在冰碛物工程性质研究方面，李骅锦等对四川理县小歧村冰碛物角砾土抗剪强度特性进行研究[11]。木勋等针对西南某机场冰碛土的颗粒、级配、强度、渗透性等特性进行研究[12]。冯俊德、李建国等进行了原状冰碛土和相同干密度、不同含水率下的重塑冰碛土大型直剪试验[13]。在冰碛物微观研究方面，吕士展、汪稔等对冰碛土原状样进行了 CT 扫描，获得了冰碛土内部真实细观组构图像[14]。在青藏高原的康定机场[15]、西藏巴河水电站[16]、波堆电站[17]等重大工程项目建设中，岩土工程师对冰碛物的工程特性作了大量研究。

冰碛物结构特征及力学特征与均质、连续的土体均有所不同，但是除砾石与填充基质之间的接触面外，冰碛土体内基本不存在其他结构面，其稳定性既不能按照土体边坡进行分析，也不能根据岩石的结构控制论进行分析。对冰碛物而言，原状土样难于获取，无法保留其特有胶结特性，就尺寸效应而言，除非进行原位大剪试验，否则难于获取其真实的抗剪强度指标，使得经典的物理力学模型难以实现。本文拟通过分析影响冰碛物斜坡稳定性的关键因素，进行一系列案例调查现场测试，获取足够的样本，然后用数理统计的理论建立一套稳定性评价模型，为川藏铁路及高速公路的选线工作及防灾减灾工作提供科学参考。

1 冰碛物分布及堆积环境

帕隆藏布流域冰碛物堆积体主要分布于帕隆藏布主谷、曲宗藏布、波堆藏布、亚龙藏布及县城附近的嘎龙曲（见图1）。

帕隆藏布流域主体上属于班公错—怒江缝合带和雅鲁藏布江缝合带之间的冈底斯弧后盆地。由于印度板塊不断向欧亚板块俯冲，使得区内地壳发生了强烈的隆升并被向东挤出，区域内有 5大走滑断裂： 林芝—东久走滑断裂（LDF）、嘉黎右行走滑断裂（J SF）、察隅右行走滑断裂（ZSF）、墨脱走滑断裂（ MSF） 和古玉走滑冲断裂（ GYT），如图 1所示。流域内地貌基本特征是高山、深谷与宽谷相间分布。气候上属于西南季风亚热带山地气候，是我国海洋性冰川最重要的发育区。影响该区冰碛物斜坡稳定性的主控条件如下。

（1） 冰碛物特性。宽级配、胶结程度差异性大。含石量及胶结程度控制着冰碛物的力学性质，泥沙含量则与冰碛物水力学特征关系密切。

（2） 构造运动。研究区处于隆升区，速率约为10 mm/a，且有加快趋势。如此高速率的抬升对地形的影响，对河流侵蚀的加剧都是巨大的。研究区有5条大的区域断裂，整体处于韧性剪切带中，新构造运动活跃，地震频发，物质较为破碎。

（3） 冰川地貌。不同地貌、不同部位的冰碛物在胶结程度、力学性质及失稳方式方面都存在较大差异性。

（4） 河流搬运作用。河流主谷侵蚀极大改变了原地形，降低了斜坡稳定性。以帕隆藏布为例，雨季流量达到旱季流量的20倍，7月平均流量达到1 624.5 m3/s，102滑坡处坡岸在1990～1998年间后退30～40 m。

（5） 水文条件。区内降雨量较大，然乌—松宗年降雨量800～850 mm，波密县城年均降雨量900～950 mm，通麦年均降雨量1 000～1 100 mm。当冰碛物斜坡后缘与山体相接时，后缘汇水也会对冰碛物的稳定性造成影响。

（6） 软弱层。主要是古冰湖沉积物，以粉沙为主，孔隙率高，压缩性强，影响冰碛物的稳定性。

2 斜坡结构及破坏方式

通过项目组为期2 a的地质调查，查明了大量冰碛物案例点，总结出3种碛物斜坡结构及其破坏方式。

（1） 斜坡结构1（以噶龙寺为代表）。如图2所示，壤化层+冰碛层，破坏以降雨浅层蠕动为主，为本区最常见的冰碛物斜坡失稳模式。由于冰碛物形成年代较晚，壤化层较薄，一旦修建公路或水渠破坏了壤化层后，则冰碛物常年暴露于外，失去植物根系的约束及淋滤层的保护，冰碛物在降雨的作用下淘蚀细粒组分，形成架空结构，极易失稳。当冰碛物泥沙组含量较多、坡面较陡而胶结程度尚可时，在干湿循环作用下形成与临空面平行的裂缝，发生渐次剥落。典型案例分布于冰川主谷两侧冰碛侧垄及伸入河流的终碛垄与河流相切部位，如加马美其沟浅层滑坡、德巴村滑坡等（图3）。

（2） 斜坡结构2（以102滑坡为代表）。如图4，5所示，较厚的冰水沉积层物覆于弱透水冰碛层上，充当“保水层”，和冰碛物特有的架空结构共同改变坡体渗流路径，后缘与山体相接，汇水面积较大，降雨较多，在冰水沉积层与古冰碛层接触面上，往往分布线性泉水或常年湿润，不断冲刷坡面，形成新的架空结构，甚至形成冲沟，水岩作用加剧，渐次剥落堆积，最终滑坡整体失稳。

（3） 斜坡结构3（以白玉冰碛为代表）。如图6所示，冰碛层中夹湖相沉积，冰湖沉积时，水动力相对较小，颗粒极细，为软弱层，浅层破坏居多。如白玉冰碛（见图7），冰碛层之间有一层湖相沉积，厚度2～7 m，可见沉积韵律，颗粒极细，力学性质较弱，因而产生浅层破坏。此类斜坡多分布于终碛垄附近古冰湖，常见宽大溃口，冰碛层底层出露湖相沉积，分布范围大、厚度较深;冰碛层与湖相沉积接触处可见差异风化形成的凹腔。

3 稳定性评价模型

前文所述斜坡结构划分的意义在于根据斜坡结构类型，可初步判断其可能发生的灾变模式。由于模式3为显而易见的冰碛物夹软弱层的结构，而模式2则为相对复杂的情形，需专门的工程地质勘察，因此针对最常见的冰碛物斜坡失稳方式1提出稳定性评价模型。

3.1 冰碛物斜坡稳定性评价指标体系

冰碛物斜坡稳定性评价指标体系考虑了冰碛物颗粒级配、固结程度、地形要素及覆盖情况。

3.1.1 颗粒级配

冰碛物最大的特点是其宽级配特征，大到数米的漂砾，小至粉沙级。颗粒级配的现场测量主要为面含石率测量（粒径大于60 mm的颗粒面积与测窗面积之比 ）及传统筛分法。面含石率测量采取测窗法，在野外采集高清图像，然后用CAD进行矢量化及后期操作。通过16处案例点现场测试，发现面含石率相差较大，为2.6%～30%（见图8）。

冰碛物现场筛分共进行33组，其中有15个土样为碎石，有12个土样为角砾，有6个土样为砾砂;分析其粒度特征，只有12个土样为级配良好（同时满足 Cu≥5及1≤Cv≤3 ），其余均为级配不良土。

3.1.2 密实程度

密实程度是冰碛物的另一项重要特征，由于其形成年代、级配、矿物成分及堆积环境的差异，使得冰碛物的密实程度存在较大的差异，年代较晚者未完成固结，低温地区还会受冻土劈裂影响，呈现松散状态，极易发生变形，形成滑坡或成为泥石流物源。而形成年代较晚的冰碛物已完成固结，甚至发生钙质或泥质胶结作用，使得冰碛物外观如同“混凝土”一样，往往能形成上百米高的陡坎。固结程度的研究可通过现场承压板试验及微观电镜扫描进行。本文采用超重型动力触探区分冰碛物的密实程度（见图9）。

从案例调查来看，浅层剥落的厚度一般小于3 m，因此冰碛物密实程度以4 m内每10 cm超重型动力触探平均锤击数为量化指标，统计结果见图10。

3.1.3 地形要素及植被情况

在高山峡谷区，陡峻的地形及巨大的高差使得堆积体具备很大的势能，为滑坡和滚石灾害的发展和产生提供了有利的条件。据工程地质手册，对于同一类型稳定的自然斜坡高度和坡面投影长度依循幂指数关系，在双对数坐标上为一条直线。植被对山区斜坡稳定性的影响机制是多学科的，也是极其复杂的，但就冰碛物斜坡浅层失稳而言，有植被的冰碛物堆积体要优于常年裸露于外的冰碛物，而高大乔木的根系往往较长，与低矮灌木相比，能提供更大的约束作用。本文对植被情况为全裸露取为0，低矮灌木取1，高大乔木取1.5，有植被垂直分带明显的，按坡面长度加权平均。松散层厚度结合剖面测量及超重型动力触探试验确定。

3.2 冰碛物斜坡稳定性评价模型

建立冰碛物斜坡稳定性评价指标体系后，即可获得典型案例点的输入向量，而其输出向量则为冰碛物斜坡的稳定性系数。典型冰碛物斜坡案例点的稳定性系数可由现场踏勘，查明斜坡变形迹象，依据相关规范推荐及经验确定。据《滑坡防治工程设计与施工技术规范》（DZ 0240—2004）第4.4条，一般条件下，稳定系数y可根据下列情况确定：斜坡处于稳定状态，y=1.15～1.05;整体暂时稳定～局部变形状态，y= 1.05 ～1.00;斜坡处于整体变形～滑动状态，y= 1.00 ～0.95。经过一系列相关性分析，构造以下稳定性评价函数

y=aA 60 +bm2+cN 120 +dlnLlnH +ehs+fZ

式中，y為斜坡稳定性系数;a，b，c，d，e，f为待定常数;A 60 为粒径大于60mm的面积含石率，%;m2为粒径小于2mm的体积含石率，%;N 120 为由地表至埋深4m范围内，平均超重型重力触探锤击数;L为纵坡长，m; H为坡面高度，m;hs为松散层厚度，m; Z为植被情况，裸露取0，低矮灌木为1，高大乔木取1.5。

通过MATLAB最小二乘曲线拟合，计算得出[a，b，c，d，e，f]=[0.16，-0.65，0.0119，0.963， -0.0557 ，0.0387]，从模型的拟合结果来看（见图11），拟合误差较小，且能很好地把所有样本点准确地分为“稳定”及“不稳定”两类。对各指标进行相关性分析表明，冰碛物斜坡面含石率越大、细粒含量越少、固结程度越密实、坡高越矮、坡角越缓、松散层越薄、植被越好，则斜坡稳定性越好，这与案例调查结果是相符的。

為验证该稳定性评价公式，按公式包含的指标内容调查了12处案例点，从冰碛物斜坡的实际稳定状态和模型评价的结果来看，模型能把“稳定”及“不稳定”的2种状态完全正确地分开，在稳定性的趋势上也能很好地分辨（图12）。

由于研究区每段小流域的堆积环境、地质条件类似，可针对不同流域提出冰碛物斜坡特征值，以此指导交通干道选线、建设工作。将小流域中的冰碛物斜坡各指标参数进行统计处理，代入稳定性评价公式中，令稳定性评价公式的函数值为1，可得到不同冰碛物斜坡高度所对应的坡度值（见表1）。

3.3 稳定性评价公式的实用性探讨

公式中超重型动力触探试验是制约模型实用性的关键因素，而其它数据可以在不进行实验的前提下容易获得。因此我们建议在没有进行超重型动力触探实验条件的情况下，按经验取值。对于年代较晚，较松散欠固结冰碛物（如嘎隆曲冰碛等），N 120 可取6～8;对于含石量较大、固结很好、胶结如同混凝土的冰碛物（如珠西冰碛、热多隆巴冰碛、德普冰碛），N 120 可取12～17;介于两者之间的可取8～12。虽然密实程度对冰碛物稳定性的贡献仅次于地形要素，但通过大量现场实验表明，其数据区域较窄，因此按松散、一般及胶结3种状态分类取值后，不至于对稳定性评价模型结果产生很大的影响。

4 结 论

（1） 本文通过大量案例调查及现场测试工作，总结了冰碛物堆积体斜坡破坏的3种方式，并针对研究区最常见的破坏方式1初步建立稳定性评价模型，对川藏铁路及高速公路的选线及防灾减灾具有参考价值，具有一定的理论及实践意义。

（2） 针对藏东南生态脆弱区的冰碛物斜坡变形破坏防治工程，目前以保护公路的锚固工程及挡土墙为主，但未顾及坡面的防护，可运用生态挡墙或格构绿化等环境友好型防治工程，以保护当地的环境资源及旅游资源。

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引用本文：杨 栋，王军朝，杨东旭.帕隆藏布流域冰碛物斜坡结构及稳定性评价方法[J].人民长江，2019，50（1）：108-112.

Moraine slope structure in Parlung Zangbo River Basinand its stability evaluation method

YANG Dong， WANG Junchao， YANG Dongxu

（Institute of Exploration Technology， Chinese Academy of Geological Sciences， Chengdu 611734， China）

Abstract：The Parlung Zangbo River Basin is the largest region of oceanic glaciers in China， where a large amount of moraine form substantial loose deposits and numerous geological hazards develop. Through a lot of case investigation and field tests， three different slope structures of moraine deposits and their possible failure modes are summarized， i.e.， the rainfall-caused creep failure of shallow moraine， the water-rock interaction controlling failure of moraine layer covered with thicker alluvial deposits， differential weathering failure of moraine layer intermingled with lake deposits. In view of the shallow failure mode， most common shallow in the study area， the characteristics of wide gradation are described by the stone content and sediment content in per unit area by sampling window method， the consolidation degree is expressed by the hamming number of super-heavy dynamic penetration test， and the topographic elements are represented by the logarithmic ratio of slope length to height， so the stability calculation formula is established and verified by the least square curve with the consideration on the influence of vegetation cover and loose layer thickness. By practicality analysis of the formula， the slope values corresponding to the different moraine slope height are obtained. When the moraine slope height is less than 10 m， the slope can reach more than 70 °.

Key words： moraine; slope structure; stability model; Parlung Zangbo River Basin