青海省祁连县小冬笋泥石流形成机理及治理方法研究

2019-11-05

福建质量管理 2019年20期

(成都理工大学四川成都 610059)

一、引言

本文作者在“祁连县祁连山‘山水林田湖’生态修复”项目的工作中发现：研究区山前地带中土质滑坡[1-2]转化为泥石流的致灾模式非常发育[3]，其具有分布广泛、危害大、致灾能力强的特点，尤其是近年来，此类地质灾害的愈演愈烈直接威胁到研究区的经济建设以及“山水林田湖”命运共同体[4-5]的保护。

对于泥石流，学者们主要针对的是短历时强降雨条件下泥石流的预警计算模型[6-7]、形成条件[8-10]、危险性评价[11-12]以及防治措施[13-14]的研究。但本研究区属高原大陆性气候，气象特点为降水量少，蒸发量大，同时还应考虑季节性冻融对诱发泥石流的影响。另一方面，针对研究区当地的地质灾害[15-17]和地表生态[18]研究相对较少，且由于不同历史时期工作的侧重点不同，二者彼此之间缺乏联系，并没有考虑到“山水林田湖”命运共同体的概念。

本文选取的研究对象小冬笋泥石流，位于青海省祁连县阿咪东索景区内，目前其堆积体已经破坏了景区道路，堵塞了河道，对景区的地表生态以及人类的生命财产构成

了严重威胁(图1)，且该泥石流仍在继续发展。开展该项研究为进一步认识该地区泥石流灾害提供参考，由于目前小冬笋泥石流还未进行治理，该研究同时可为其防灾减灾提供依据。

图1 小冬笋泥石流堆积体掩埋沟口道路、堵塞河道

二、小冬笋泥石流孕育条件分析

泥石流的形成具备3个基本条件：地形条件、水源条件和物源条件，地形相对高度提供的势能和势能转化的动能以及水源径流提供的动能共同构成了泥石流形成的主要能量来源。小冬笋流域内的滑坡物源为泥石流的启动提供了松散物质，有利于泥石流活动。

(一)地形条件

小冬笋流域中下游呈现典型的树叶型，上游为一条长2550m的高山峡谷(图2)，沟域面积4.72km2，流域最高点为南部山脊，最高海拔4260m，最低点位于主沟道与景区公路交汇处，海拔3092m，相对高差1168m，流域平均沟床纵比降233‰。小冬笋流域上游段较为狭窄，呈现“V”型谷，平均纵坡354‰，下游沟谷宽度略大，沟谷宽度约为60～50m，平均纵坡为108‰。综上所述，小冬笋流域具备了泥石流发生的地形条件和动力条件。

图2 小冬笋流域示意图(引自Google)

(二)水源条件

小冬笋流域地处大陆性高原-高山-严寒气候带，气象特点为降水量少，蒸发量大，季节性冻融作用强烈。因此，将小冬笋流域的水源条件分为：降雨(雪)条件和季节性冻融两个方面。

降雨(雪)条件：年平均降水量为273.5～394.7mm，最大日降水量40.5mm，全年降水量的80%以上集中在6～9四个月，地势每上升1000m，年降水量增加约200～390mm，蒸发量减少约50～400mm。

季节性冻融：研究区属多年冻土区，季节性冻融发育，阴坡3500m及阳坡3800m为多年冻土下界，标准冻结深度250cm。此外，根据相关温度监测结果[19](图3)显示，深度0.5m和0.7m处传感器在6～9月和7～9月监测的月平均温度在0℃以上，深度3.3m及更深处传感器全年监测的温度均在0℃一下。

图3 温度监测结果

小冬笋流域纵坡陡峻，利于地表水的汇流，同时在上述两方面因素共同作用下，为该泥石流的发生提供了有利的水源条件。

(三)物源条件

通过现场调查发现小冬笋流域内物源主要为滑坡物源和沟道堆积体物源，其中滑坡物源主要分布于流域中游两岸，其中左岸(海拔3164～3360m)为小冬笋主滑坡(图4)，规模较大，为泥石流形成的主要物源，右岸(海拔3207～3313m)分布多处小规模滑坡(图5)。沟道堆积体物源主要分布于流域中游主沟道内(图6)。通过计算，该流域物源总量43.6万m3，其中左岸主滑坡物源36.6万m3，右岸滑坡群物源5万m3，沟道堆积体物源2万m3。目前小冬笋泥石流主要由左岸主滑坡发生流动堆积而形成。

从物源分布位置上看，物源主要分布于小冬笋流域中游段，物源具有相对集中的特点。上述物源为小冬笋泥石流的孕育和发生提供了物源条件。

图4 小冬笋主滑坡

图5 右岸滑坡群及沟道堆积体物源

三、小冬笋泥石流形成机理

(一)小冬笋泥石流发生及运动特征

根据现场调查和访问，小冬笋主滑坡发生于2008年前后，起先为一规模较大的浅层土质滑坡，主滑体沿斜坡表面滑动之后趋于稳定，滑坡后缘由于形成新的临空面，发生牵引式小滑塌，后缘滑塌的不断扩展使主滑坡的范围和方量不断增加。当时阿咪东索景区尚未建立，且滑坡无直接威胁对象，并没有引起相关部门重视。但自2015年开始，受全球性气候影响，青海省东北部地区出现55年以来的年平均最高气温5.6℃[20]。主滑体所在斜坡积雪相对往年消融量增大，流水沿地表径流汇聚至主滑坡拉线槽内，与此同时斜坡冻土层消融增强，消融水沿地下流水孔隙也汇聚至主滑坡拉线槽内。最终主滑体多处溃决，水流裹挟滑体的松散物质带往下游，在流域下游左岸，及下游主沟道中形成堆积。其中主滑体上一处决口形成的泥石流堆积淤塞了主沟道，形成堰塞湖，在流域上游冰雪和冻土消融量增加的影响下，导致主沟道水流量变大，同时流域中游右岸处于凹岸，在流水掏蚀和水位上升的共同作用下，流域中游右岸发生多处滑坡，形成流域中游右岸滑坡群。

图6 地下水、地表水流动掏蚀滑体

图7 小冬笋主滑坡滑体多处溃决形成泥石流

综上所述，小冬笋泥石流具有暴发突然、持续时间短、物源量大等特点，并且流域内仍然有大量物源，具有再次暴发的可能性。

(二)小冬笋泥石流形成机理分析与讨论

根据现场调查，现对小冬笋泥石流的形成机理做如下四点分析与讨论：

1.关于小冬笋主滑坡的形成机理

小冬笋主滑坡位于流域中游左岸山前倾斜平原处，主要是由上更新统冰水洪积物(Q3fgl-pl)构成，为含泥砂砾卵石层、碎石层夹亚砂土透镜体，结构松散，分选差，砾石成份以变质岩、花岗岩为主。起初，主滑坡的规模相较现在略小，主要诱因是由于冰雪和冻土的消融增加了土体的含水量，软化了潜在滑动面，增加了孔隙水压力，使潜在滑动面的抗剪强度降低，也增大了滑体的比重和下滑力，与此同时地下水的变化也使得坡体内的动水压力变大，最终导致主滑坡的失稳。

将现场调查的现象与2017年9月发生的青海玉树称多县牧场山体垮塌——“草皮滑坡”[21]类比发现，小冬笋主滑坡与之类似。滑坡发生之后，滑体沿斜坡表面向下部“流动”，这是由于草皮相对来说是不透水层，导致本就结构疏松的滑带土饱和含水率大于液限，而上部滑体的饱和含水率未达到液限，这就形成了滑体在草皮上“流动”的现象。

主滑体滑动之后，滑坡后缘斜坡出现临空面，抗滑力减小，致使后缘斜坡产生变形，坡面出现裂缝。同时新的临空面形成改变了原有的微地貌，原地下水平缓浸润线阻断，出水口下移，浸润线变陡，加之坡面出现的裂缝为地下水和地表水的下渗提供了通道，在有相应隔水层的地段，裂缝可能会穿透隔水层，使水流渗入到斜坡的更深处。潜在滑动面遇水软化之后，其孔隙水压力增加，抗剪强度降低，上部土体重度增加，土体内部产生一定的静水压力，其动水压力也随之变大，形成牵引式破坏，导致小冬笋主滑坡规模不断扩大。最后冰雪和冻土的消融加剧，对该变形破坏起到了催化作用。

图8 小冬笋主滑坡与青海玉树“草皮滑坡”类比

图9 主滑坡后缘牵引式滑塌

2.关于小冬笋滑坡群的形成机理

小冬笋主滑坡发生之后，改变了原有斜坡的微地貌和地下、地表水的流通途径，致使水流在滑坡拉线槽汇集，最终导致滑体局部溃决。其中一处溃决形成的泥石流堵塞了主沟道，使堰塞坝后部水位线迅速升高，增大了流域右岸斜坡的浸水面积，降低了潜在滑面上的有效应力和滑带强度，导致其颗粒间的黏结力和摩阻系数减小，削弱了斜坡的稳定性。另一方面，斜坡内部的地下水位不断升高使潜在滑动面饱和，减小了其抗剪强度，潜在滑动面以上部分虚压力大于实压力体，斜坡下部被淹没产生浮托力，浸水土体的有效质量因孔隙水压力发生改变，降低了斜坡稳定性。滑坡群所处的斜坡位于流域凹岸，流水对坡脚的掏蚀作用强烈，与此同时，冰雪和冻土的消融加剧，改变了土体的含水量和渗流场的变化。在上述因素的共同作用下，形成了堰塞坝上游的滑坡群。

图10 主沟道堰塞湖和后缘滑坡群

3.小冬笋流域上游属于高山峡谷地貌，沟道纵坡较大，流域中游两岸斜坡区坡度较陡。陡峻的地形条件为泥石流的形成提供了充足的势能。同时沟谷两岸斜坡汇流面积大，岩土体结构相对松散，滑坡发生之后形成的凹槽使得地表径流和地下水易于汇流。

4.气候变化对泥石流形成的影响

小冬笋泥石流发生于2015年，该年份气候变化异常，达到55年来青海省东北部最高气温5.6℃。温度的升高，使该流域的冰雪和冻土消融更加强烈。除了对土体的物理力学性质有直接影响外，当土体处于冻土状态时，可以减少雨水和冰雪融水的入渗，对地表径流和陆面水文循环起到调节作用，因而冻土的消融必定会对该地区的水文循环产生影响。相关的研究表明[22-25]，冻土区的地表径流和地下径流增加与冻土消融有直接关系。以上冰雪和冻土的消融，为小冬笋泥石流的暴发提供了充足的水源条件，是泥石流发生的直接诱因。

(三)小冬笋泥石流发展趋势分析

小冬笋泥石流的暴发说明当遇到异常气候，温度升高，冰雪和冻土消融加剧时，该地区山区极易发生类似的滑坡、泥石流活动。根据现场调查的结果，现今小冬笋流域内还存在大量的固体物源，2015年发生的泥石流绝大部分堆积在流域下游主沟道内，仍然作为沟道松散堆积物源存在，并且流域中游堰塞坝已经堵塞沟道。目前，小冬笋泥石流仍处于形成期-发展期，因此，在原本水动力条件较好的前提下，如遇气候异常变化或强降雨时，小冬笋流域发生泥石流灾害的可能性仍然很大。

四、防治方案及建议

根据以上分析，小冬笋流域存在的大量松散堆积体物源和堰塞坝可能会降低泥石流启动的临界水源条件。现阶段该泥石流的威胁对象为沟口公路、河流以及阿咪东索景区，但是从更深层次的“山水林田湖”命运共同体的角度来看，其对地表生态(1.地形地貌；2.表层土壤；3土壤种子库；4植被及种类)的威胁影响更加深远。因此，针对小冬笋流域的防治方案应综合考虑地表生态效应和地质灾害等多方面因素，现作者提出如下建议：

(一)场地平整结合局部护坡

首先，对流域左岸的主滑坡及斜坡上的泥石流堆积体进行最大限度的场地平整和压实，尽可能的恢复原始的地形地貌景观。其次，针对流域右岸的滑坡群，其主要特点就是规模较小，但是数量众多，因此建议采用格宾挡墙对滑坡群进行支挡，主要优点是：石笼内的石材可以就地取材；即对滑坡进行了支挡，也防止水流对坡脚的掏蚀；格宾挡墙易于与植被恢复方案结合。再次，对主沟道堰塞坝进行逐步疏通，防止其突然溃决，暴发新的灾害。最后，对主沟道内的泥石流堆积体进行场地平整和压实，平整为中间略高，两侧略低的地形，为下一步截排水工程的实施做好铺垫。

(二)截排水工程结合植被恢复

在场地平整的基础上，对小冬笋流域实施截排水工程，以减少地表和地下径流对物源及斜坡稳定性的影响。针对主滑坡和滑坡群，沿滑坡边界范围外设置截、排水沟，并在主滑坡场地平整范围内设置排水沟，同时在主沟道堆积体两侧设置排水沟，并在主沟道堆积体上部设置截、排水沟，降低水流对平整场地后的斜坡稳定性的影响。最后，在上述工作的基础上，针对平整后的场地、滑坡群的格宾挡墙，进行植被恢复，植被选取流域内的原生植被，在植被恢复场地内如遇不易植被生长的土壤，应在表层回填耕植土，以提高植被的存活率。