祁连山黑河流域油葫芦段冻土区融冻泥流特征及其形成机理

白 云， 谢 雷， 陈 豪

(四川省冶金地质勘查局六○五大队，四川 彭山 620860)

1 引言

中国多年冻土面积占全国面积的22.3%，主要分布在东北北部山区、西部高山与青藏高原，青藏高原地区，冻土分布面积达 1.5×106km2。近年来，随着大规模岩土工程活动，在冻土区进行土方开挖、填土及其他对地质环境的扰动活动，多年冻土区斜坡稳定性日益受到威胁。祁连县地处青藏高原北部，青海省东北部，境内共有大通河水系的默勒河和祁连山内陆水系的黑河两大流域，年内降水分配极不均匀，降水多集中在每年6～9月，占全年降水总量89.7%，祁连县平均海拔3 169 m，几乎每年都有冻土，随着全球气候变暖，最大深度总体呈减小趋势，月平均最大冻深值在3月份，最小值在9月，全球变暖对多年冻土最直接的影响就是地温升高和活动层厚度增大，导致表层土壤含水量减少，从而对多年冻土区植被产生影响。冻土为特殊性土，是一种对温度极为敏感的土体介质，影响其冻深的主要因素是温度。温度的变化导致冻土在冻与融之间循环，而冻与融对应于冻土的高强度与低强度，故其高强度仅存在于气温寒冷月份。长期而言，冻土具有低强度特征，这种特征在气温较高月份容易造成表层融化土层流动，形成融冻泥流，然后在雨水的诱发下产生滑坡和泥石流等地质灾害。祁连县境内融冻泥流主要发育在河流侵蚀岸与小型冲沟侧坡的多年冻土区。由于侵蚀作用与坡脚开挖使埋深的冻土表露出来，加快了冻土的融化，产生了一系列边坡融塌和泥流。

2 研究区地质环境特征

2.1 地形地貌

研究区属构造侵蚀中山地貌，滑坡后缘海拔3 175 m，前缘海拔3 055 m，相对高差约120 m，总体坡度10°～20°，坡向约6°。研究区微地貌属于单斜的斜坡地貌类型。

2.2 地层岩性

研究区出露的地层由老到新有：三叠系南营儿群下岩组砂岩、页岩和第四系中更新统冰水堆积层、第四系全新统冲洪积层。

2.3 地质构造与地震

受区域地质构造影响，岩层朝西南倾斜，由于受断裂构造的影响，区内褶皱构造残缺不全，出露不明显。区内新构造运动总体表现为震荡式的隆升运动，沟道下切较强烈。

2.4 工程地质条件

根据岩性的组合情况和工程地质特征、地形、地貌、岩性、构造等因素的组合关系，研究区岩土可划分为两个工程地质岩组。(1)松散岩组，①第四系全新统冲洪积层，主要为细砂土，厚度大于5 m(钻探及现场调查)，结构松散，承载力低。分布于黑河河床。②第四系中更新统冰水堆积层，主要由黄土状土、角砾、圆砾组成，含少量碎石、块石，厚度3.5～13.5 m(钻探揭露)，结构较松散，承载力较低。分布于整个研究区。(2)软岩岩组，三叠系南营儿群下岩组，主要为灰、绿色中细粒砂岩夹粉砂质页岩，厚层状构造，岩层产状210°∠35°。强风化砂岩天然抗压强度0.7 MPa，承载力350 kPa；中风化砂岩饱和抗压强度20.2 MPa，承载力650 kPa。主要出露于陡坎、陡坡地带。

2.5 水文地质条件

工作区水文地质特征较复杂，根据地下水的赋存条件、水理性质及水动力特征，将地下水划分为碎屑岩类裂隙孔隙水和松散岩类孔隙水。(1)碎屑岩类裂隙孔隙水，含水层岩性主要为白垩系的砂岩、砂砾岩、砾岩，补给来源主要为山区地表水、基岩裂隙水的侧向补给，下部为承压水，但富水性较弱，单位涌水量一般在0.002 4～0.667 L/(s·m)之间，水质复杂。(2)松散岩类孔隙潜水，含水组岩性为中更新统冰水堆积含碎石粉质黏土层(Q2fgl)和全新统冲洪积砂卵砾石层(Q4al+pl)。中更新统冰水堆积含碎石粉质黏土层(Q2fgl)和全新统冲洪积砂卵砾石层(Q4al+pl)的地层透水性强，基本被疏干，在沟谷切割低洼处泄处及在斜坡体前缘与阶地的接触处泄出，水量较丰富，主要接受大气降水和冰雪融化水补给，含水层厚度一般为5～10 m，单泉流量小于1 L/s。

3 融冻泥流特征

3.1 发育特征

经过野外勘查发现，融冻泥流区范围清晰，各特征发育明显。融冻泥流位于野牛沟乡大龙村，地处祁连县黑河流域油葫芦段南岸，为堆积层蠕滑，地形整体上南高北低，坡底为黑河。区域后壁、侧壁明显，裂缝发育，滑体物质主要有粉质黏土、碎石、块石、角砾等组成，成分混杂，排列无规律性，结构松散，滑体物质受冻融作用，土质松散，块碎石母岩成分为页岩、砂岩。根据勘探钻孔揭露的滑带情况，将滑带形态特征叙述如下：勘探钻孔揭露滑带基本清晰，总体滑带倾向为西南向，倾角呈上陡下缓分布，倾角由后部12°～22°，至中部8°～12°，过渡到前部的4°～8°左右，滑带形态总体呈弧形，局部略有起伏。根据勘探剖面，可以看出滑坡不同部位其滑带形态和特征变化较大。从滑坡钻孔揭露看，滑动面较清晰，土体有扰动挤压迹象。另外，由于滑坡滑动挤压，扰动下层基岩，使土中夹有零星片状砂泥岩碎屑，略有擦痕。融冻泥流平面形态呈舌状，剖面形态呈阶梯状，扇长940 m，宽240 m，厚3.5～9.2 m，平均坡度20°，主滑方向6°，由于时间、地形、岩层等影响，融冻泥流斜坡主要形成4个区，分别为滑动区、强变形区、弱变形区、堆积区。

图1 融冻泥流全景

滑动区纵向长约400 m、横向平均宽约120 m，滑体平均厚度约5.2 m，体积方量21.60×104m3。滑面坡度平缓，约8°左右(图2)，后缘形成多级平台(图3)，宽3～8 m不等，滑坡侧壁迹象明显(图4)，滑体物质受冻融作用，土质松软。

强变形区长约300 m，宽约130 m，滑体平均厚度约5.0 m，体积方量19.5×104m3。滑面坡度平缓，约10°左右(图5)，后缘受牵引，形成多条拉张裂缝(图6)，裂缝深约0.5～1.5 m，长约50～150 m，宽约0.1～0.5 m，将原始土体切割成大小不一的块状体。滑体物质受冻融作用，土质松软。

图4 滑动区侧壁

图5 强变形区剖面简图

图6 强变形区变形特征

弱变形区长约460 m，宽约100 m，滑体平均厚度约3.0 m，体积方量9.2×104m3。滑面坡度平缓，约10°左右，后缘受牵引，形成少量拉张裂缝(图7)，裂缝深约0.5～1.0 m，长约100～200 m，宽约0.2～0.6 m。滑体物质受冰冻溶蚀作用不明显，无明显扰动迹象。

图7 弱变形区

堆积区长185 m，宽95 m，堆积厚度13 m，约16×104m3，物质组成主要为块石、碎石、粉质黏土、角砾等，结构松散，目前堆积区已挤占黑河河道约100 m(图8、图9)。

图8 堆积区剖面简图

图9 堆积区俯视

3.2 稳定性及危害程度

融冻泥流灾害体自2016年发生大规模滑动以来，近几年未再次发生整体下滑，但常发生小规模的溜滑，特别是雨季，在暴雨的作用下，滑体因冻融形成的土块易随雨水冲向黑河，已挤占黑河河道约100 m。灾害体诱发的主要因素是极端气象条件下的强降雨及冻融作用。在暴雨季节滑动区有继续变形迹象，且可能出现新的裂缝，有进一步发生滑动的可能。一旦再次产生滑动，将牵引周边产生次生地质灾害，对生态环境破坏严重，对人民生命财产造成威胁。通过对滑带附近的土样进行试验分析，受冻融作用影响，土体的黏聚力与内摩擦角都非常小(表1)，常年的冰冻及融化已导致土体结构遭受严重破坏，基岩的风化砂质成分与土体结合以及土体扰动，使其本身的抗滑能力急剧减小，即使在较平缓的斜坡也会发生滑动。

表1 滑带土物理性质分析试验结果统计表

4 融冻泥流体形成机理分析

4.1 地质环境背景

4.1.1 地形地貌

该融冻泥流产生于斜坡地带，平均坡度20°，高差80～120 m，为滑动形成提供了地形地貌条件；另外，坡体在黑河水流不断侧向侵蚀作用下，前部坡度变大，致使融冻泥流体前部的应力产生分异，坡脚处最大主应力显著增高，致使斜坡前部多处发生滑塌，陡坎发育，致使整个斜坡在自身重力作用下沿着融冻层面向河谷方向位移，产生蠕动。

4.1.2 地层岩性

坡体上部为土层，结构松散，易于水的入渗，增加土体容重，重力加大，并且经寒冻作用使土体中的水分冻结膨胀形成裂缝，又为水的进入提供了有利条件，周而复始，受扰动的土体就开始蠕滑。下伏物质为灰绿色砂岩，结构较完整，节理裂隙不发育，为相对隔水层。因此，水体集中在浅层坡体中，坡体上部岩土体易沿着饱水层或软弱夹层与下伏相对隔水层接触面发生滑动。

4.1.3 水文地质条件

地下水是导致坡体产生变形的主要原因，暴雨季节，雨水入渗土体，加之融冻作用，不仅增大坡体静水压力，导致土体抗剪强度降低，而且增大了滑体的容重，降低了表层土体的抗滑力，最终导致坡体沿饱水层向下蠕动变形。

4.1.4 冻融作用

祁连县冬夏两季和早晚温差较大，斜坡后缘海拔较高(3 200 m)，冬季来临时易产生冻土现象，冻胀时对下部坡体有挤压加载作用，增加坡体的下滑力；夏季地温上升后，冻土开始解冻，随着温度的上升，地下冰融化，岩土体强度显著降低，从而产生局部的变形破坏现象；地下水对下部土体产生渗透压力，同时融化水向下运动，增加了坡体的含水量，提高地下水位，使部分土体饱和，从而降低整个坡体的抗滑力，使整体稳定性下降。坡体后缘每年随着气温的波动发生周期性冻融现象，这种周期性反复堆载作用最终促使它向下流动形成泥流。

4.1.5 人类工程活动

研究区内主要人类工程经济活动为放牧及道路修建。道路修建时形成较多高陡临空陡坎，人为造成了斜坡结构破坏，为地质灾害的形成和发展提供了条件，极易导致斜坡失稳。另外，过度放牧，使工作区林草植被遭到严重破坏，水土流失现象严重，使得地质环境日趋恶化。该类工程经济活动对勘查区地质环境条件破坏较大。综上所述，工作区内人类工程活动对地质环境的破坏影响程度属较强烈。

4.2 发育形态特征

融冻泥流主要分布于冻土区，多发生在有一定汇水面积的沟谷地带，坡面倾角一般较缓，缓坡上覆细粒土，细粒土下伏层为相对隔水的岩层或者永冻层，土体易形成饱水状态，饱水土体在反复的冻融作用下结构产生破坏，抗剪强度下降，不足以抵抗重力作用，产生向斜坡下方滑动的现象，当其影响范围内存在威胁对象时，会有形成灾害的可能。土体各层含水量不同，其流速与流动状态不同，表层土体受融冻作用强于下层，其结构破坏更强，相应流速更快，流动状态多表现为泥流，下层流动状态多表现为块体滑动，故融冻泥流即有泥石流形态特征，又有滑坡形态特征。融冻泥流多在融季蠕滑，祁连县的融季为6～9月，而其降雨也集中在6～9月，由冰冻期的暂时稳定状态到融冻季的蠕滑时常表现为一定的突发性，以粉质黏土为主的细粒土夹带着碎块石滑动，形成较平滑的泥流扇扇面，前缘形成堆积扇以及条带状鼓丘，规模较大的中后缘多发育拉张裂缝。

图10 缓坡融冻泥流蠕滑区

图11 融冻泥流中后部拉张裂缝

5 防治措施与建议

融冻泥流目前威胁两户居民、牧场、村道等，经济损失约55万元。土体一旦失稳，可能牵引其周边斜坡发生次生地质灾害，造成生态环境的破坏，对人民生命财产造成威胁。建议采取让两户人家搬迁避让，再添加坡面整理、植草复绿作为生态修复，并进行不定期监测，在其两侧立警示牌。

6 结语

融冻泥流主要分布在冻土地区，是我国寒区特有的自然坡体失稳发生破坏的现象，与人为扰动没有必然联系，是不可控的自然灾害。主要受融冻作用、大气降水、地形地貌、地层岩性等影响，其存在分层流速与流动状态不同的特点，具有滑坡与泥石流综合的形态特征。融冻泥流不易治理，应以搬迁避让、绿化监测为主，不宜上大量工程，治理效果不佳容易转化为融冻泥流的物源，增加坡体荷载，形成更严重的灾害。