西藏笨多高位变形体遥感解译与危险性预测分析

2021-07-02卫童瑶殷跃平褚宏亮赵超英刘晓杰

中国地质灾害与防治学报 2021年3期

卫童瑶，殷跃平，李滨，褚宏亮，高杨，王猛，赵超英，刘晓杰

（1.中国地质科学院地质力学研究所，北京 100081；2.中国地质环境监测院（自然资源部地质灾害防治技术指导中心），北京 100081；3.四川省地质调查院，四川成都 610081；4.长安大学地质工程与测绘学院，陕西西安 710054）

0 引言

易贡藏布流域是我国高位地质灾害的高发区[1−3]。由于该流域构造运动活跃，地壳上升以及河流下切最为强烈，沿易贡藏布特大崩塌、滑坡、泥石流等地质灾害链频繁发生[4−5]。1900年扎木弄沟发生特大冰川泥石流，堆积体堵塞易贡藏布的河道，形成了易贡湖[6−7]。2000年4月9日扎木弄沟再次发生巨型山体坍塌滑坡，松散堆积体再次堵塞河道形成堰塞湖，堰塞湖溃决后洪水灾害形成的洪峰流量达到124 000m3/s，冲毁了下游道路、桥梁、农田及沿岸村庄，形成了规模巨大的链式灾害[8−10]。自2000年以来，该流域每年发生滑坡泥石流多达10 余次，这些超大规模的滑坡泥石流常堵塞易贡藏布，后溃决形成巨大的洪水，形成巨大的地质灾害链过程：崩滑——碎屑流——泥石流——堰塞坝——溃决洪水。

本文以忠玉乡笨多高位变形体为例，结合野外地面调查、无人机综合摄影调查、光学遥感动态调查和数值模拟预判等方法，对笨多高位地质灾害的成灾条件和发育特征，以及对其形成灾害链的风险进行定量化评估。笨多高位变形体位于易贡藏布上游雄右岸，距离嘉黎县忠玉乡8.2 km。随着笨多高位变形体的变形进一步加剧，其潜在的灾害链风险将对忠玉乡以及下游的生命和财产安全造成严重威胁。本文的研究可为流域性灾害链的防灾减灾提供一定依据。

1 笨多高位变形体遥感分析

1.1 光学数据

在2020年对易贡藏布区域的笨多高位变形体进行无人机航空遥感数据采集。此次笨多崩塌多源光学遥感动态分析，收集了笨多崩塌天地图、Google 地球、无人机正射影像、无人机倾斜摄影等多源遥感数据，数据分辨率分别为2.0m、2.0m、0.20m、0.20m。遥感数据主要用于：①笨多崩塌高位地质灾害精细化解译；②笨多崩塌高位地质灾害光学遥感特征分析（表1）。

表1 笨多崩塌光学遥感数据一览表Table 1 Summary of optical remote sensing data of Benduo collapse

1.2 变形体整体特征

笨多高位变形体位于西藏嘉黎县忠玉乡笨多易贡藏布上游雄曲河段右岸斜坡（图1）。其位于易贡藏布右岸第一斜坡带，后缘起于高程4 700m 处的冰雪覆盖区，前缘直抵易贡藏布的河道，河面高程为3 098m，高差1 611m，两侧边界为两条沟道。崩塌变形区平面形态为一簸箕形，前缘直抵坡脚，崩塌堆积体挤压河道，河道轻微弯曲；后缘以坡顶山脊为界，变形区边界明显；上游和下游均以山脊负地形冲沟为界，冲沟切割深度较大。笨多崩塌前缘斜坡坡体崩滑变形迹象明显，左侧边界冲沟亦存在明显的崩塌变形迹象（图2）。

图1 笨多高位变形体遥感全貌图Fig.1 The overall view of Benduo's high-position deformable body

图2 笨多高位变形体现场照片Fig.2 Photos of Benduo high-position deformed body

笨多高位变形体发育有两处强变形区域，分为位于3 500～4 000m 高程和4 000～4 600m 高程处。目前在3 500～4 000m 高程处的变形区已发生规模较小的崩滑-碎屑流，但坡脚处堆积体的体积尚不足以完全堵江，暂未形成堰塞湖-洪水灾害。高程在4 000～4 600m的变形岩体规模较大，目前正处于蠕滑变形状态，一旦这些大规模不稳定岩体崩滑入江，将引起堰塞湖-洪水灾害链，导致上游、下游均存在被淹没的可能，该将对原本交通不便、经济欠发达的忠玉乡造成严重打击（图3）。崩塌变形体纵长约2 645m，平均宽度约972m，变形区平面面积约250.44×104m2，估算体积约为3 806.69×104m3，为一大型崩塌。

图3 笨多高位变形体工程地质剖面示意图Fig.3 Profile of Benduo's high-position deformable body

1.3 变形体分区特征

采用2020年无人机航测成果对崩塌进行精细解译，分析了笨多变形体的地质条件，解译结果显示笨多高位变形体共发育有强烈变形的节理裂隙64 条，崩塌变形体12 处。根据崩塌的变形特征，将变形体分布为Ⅰ区、Ⅱ区和Ⅲ区三个区域（图4）。

图4 笨多高位变形体遥感解译分区图Fig.4 The remote sensing interpretation map of Benduo high-position deformable body

Ⅰ区主要分布在崩塌区右侧，平面面积约909 603m2，坡体发育1 处崩塌体和23 处节理裂隙，前缘发育有1 处泥石流沟。其后缘为一崩塌危岩体，崩积物主要汇入崩塌前缘的边界冲沟内，崩塌壁呈半圆弧型，长度约为2 069m，目前该崩滑体处于基本稳定状态，但坡表节理裂隙极其发育，极易产生崩滑破坏。Ⅰ区前缘边界冲沟为1 泥石流冲沟，沟口堆积扇呈不规则扇形堆积，扇长约220m，扇宽约333m，堆积扇面积约35 415m2，估算体积约为10.05×104m3，泥石流沟道物源丰富，面积约58 186m2，估算体积约为13.68×104m3。

Ⅱ区主要分布在崩塌区左侧，平面面积约1 297 192m2，该区域后缘变形较强烈，共发育有7 处小型崩塌体和28 处节理裂隙。Ⅱ区左侧边界冲沟为1 泥石流冲沟，沟口堆积扇呈不规则扇形堆积，扇长约60m，扇宽约120m，堆积扇面积约4 770m2，估算体积约为1.03×104m3，泥石流沟道物源丰富，面积约31 315m2，估算体积约为10.18×104m3。

Ⅲ区主要分布在崩塌区正前缘，其后缘为Ⅲ-1 区，其与Ⅰ、Ⅱ区相邻，且该区域的变形体处于基本稳定状态，但坡表节理裂隙极其发育，极易产生小规模坡面流。Ⅲ-2 区为一典型的高位崩滑-碎屑流区域，其崩滑体处于欠稳定状态，崩塌堆积物堆积于斜坡中部负地形沟道内，成为高位悬挂堆积物，严重威胁坡脚河道。Ⅲ-3 区是Ⅲ-2 区部分崩滑体的碎屑流堆积区，崩塌堆积体面积约为72 639m2，估算体积约为108.38×104m3，目前崩塌堆积物堆积于斜坡坡脚，严重威胁坡脚公路、桥梁和河道。

1.4 岩体结构特征

笨多高位变形体所在区域属于冈底斯-腾冲地层区，主要为古-中生代沉积岩、冈底斯花岗岩体和第四系松散堆积。笨多高位变形体主要受嘉黎断裂带控制，嘉黎断裂带宽度可达1～2 km，延伸近百公里，属晩第四纪强烈活动断裂[11−12]。

另外，基于高分辨率的无人机航空倾斜摄影三维模型，对笨多崩塌后缘崩源区高位基岩裸露处的结构面进行识别。通过读取结构面的空间三维坐标（x，y，z），利用最小二乘法拟合结构面，在MATLAB 软件中编程得到每处结构面的产状。笨多崩塌后缘滑源区受4 组结构面控制，提取不同结构面的位置信息，从而获取了滑坡滑源区4 组控制性结构面产状（图5），分别是：结构面1：311°～5°∠38°～55°、结构面2：100°～170°∠48°～70°、结构面3：32°～80°∠55°～80°、结构面4：200°～225°、结构面5：∠81°～87°（表2）。

图5 笨多崩塌崩源区控制性结构面Fig.5 Controlling structural p lane in the source area of the Benduo collapse

表2 控制性结构面产状统计表Table 2 Occurrence statistics of controlled structural planes /(°)

笨多崩塌后缘受构造作用发育多组优势结构面，多种结构面的优势组合形成楔形体。崩塌后缘危岩体在自重应力、积雪融蚀、物理风化等作用下，向临空方向产生崩滑破坏，加之危岩体处于高位，崩落势能极大，对斜坡坡脚造成极大的威胁。

2 笨多高位变形体变形分析

在地震、强降雨等极端条件下，笨多斜坡体的岩体极有可能变形加剧并发生大规模的失稳现象。为了定量化的研究其变形体的发育特征，本研究使用InSAR解译得到了其2014年11月至2020年5月的雷达视线向（LOS）年均地表形变速率。根据变形速率将其分为两处变形区，分别命名为BX1 与BX2。其中BX1 变形区域范围较大，且最大形变区域位于BX1 上部，即滑坡顶部后缘地区，其最大形变速率达到−85mm/a，该区域发生大规模失稳的风险较高。BX2 形变区域即为目前已发生小规模坡面流的区域，产生大规模灾害的风险相对较低。

为进一步分析笨多崩塌形变随时间演化趋势，分别在BX1 和BX2 变形区选取两个监测点得到了其累积形变量，所提取点位置如图6所示。由图7 可以看出该滑坡两处变形区自2014年11月均已基本处于匀速变形过程中，其中BX1 和BX2 两处变形区最大累积形变量分别达到了−441mm 和−303mm，形变量级均较大。

图6 笨多高位变形体2014年11月至2020年5月雷达视线向年均地表形变速率Fig.6 The average annual surface deformation rate of the Benduo high-level landslide from Novem ber 2014 to May 2020 in the direction of the radar line of sight

图7 笨多高位滑坡2014年11月至2020年5月雷达视线事件序列地表形变Fig.7 Ground deformation of the Benduo high-level landslide from November 2014 to M ay 2020 in the radar line of sight event sequence

3 笨多高位变形体危险性分析

根据对InSAR 解译结果的分析可知，BX1 变形区为可能发生大规模失稳的区域。为了定量化评估其失稳后的风险，本研究选取BX1 变形区的岩体为滑体，采用无网格光滑粒子流方法，国际通用DAN-3D 数值模拟软件，预测模拟了其失稳后的运动堆积全过程，同时对其堵江溃决后形成灾害链的全过程进行了预测。测得BX1 变形体的面积约为61×104m2，预测变形体的平均厚度为50m，计算出变形体的体积约为3 050×104m3。本研究选取的计算模型和参数均参考2000年发生于易贡藏布下游扎木弄沟滑坡反演计算的参数[13]。

3.1 笨多滑坡动力学过程

滑坡的运动堆积过程如图8、表3所示，图中已用红色线圈定真实滑坡范围，滑坡的初始体积为3 050×104m3。根据模拟结果可知，滑坡运动持续时间为250 s，笨多滑坡最大运动距离达2 200m。在运动初始阶段，岩体高位启动，失稳下滑，经过势动能转换，速度不断增加。在部分滑体运动到沟谷中后，滑体的整体运动速度开始下降，并且有部分滑体残留在斜坡上，但大部分滑体已堆积到易贡藏布沟谷内。当滑坡停止运动时，堆积厚度最大的地方位于河谷中，形成堰塞坝，坝体最大高度约为115m，平均高度约为90m，坝体宽度为230m，纵长850m，面积约为0.21 km2。

图8 运动过程堆积厚度等值线图Fig.8 Contour map of accumulated thickness during movement

表3 模拟结果统计表Table 3 Statistics of simulation results

3.2 笨多滑坡发生堵江溃坝洪水流量计算

根据滑坡动力学数值模拟结果，得到笨多高位岩崩碎屑流下滑后堰塞坝体最大堆积厚度约为115m，平均厚度约为90m。笨多高位岩崩碎屑流形成滑坡坝的坝体呈上宽下窄的梯形，可知滑坡坝的坝顶宽度为450m，坝底和坝顶的高程分别为3 113m 和3 203m。基于卫星图像和遥感技术计算出回水区域可向上游延伸25 km，并且将淹没忠玉村，可预测出堰塞湖的库容量约为9×108m3。

本文基于溃坝水力学、土力学和边坡稳定分析，计算溃口洪水大小，结合二维洪水演进算法和调洪计算，分析溃坝后洪水演进过程以及向下游洪水演进得出沿程各处的流量、波前和洪峰到达时间等[14−15]。根据DAN-3D 计算得到的堰塞体和堰塞湖等相关参数，预测笨多滑坡失稳堵江后的洪水演进过程。模型计算参数取值如表4所示。

表4 笨多高位变形体堵江溃决模型参数Table 4 M odel parameters of Benduo high-level landslide blocking the river and breaking the river

洪水演进的流量随时间变化如图9所示，滑坡坝址处洪峰流量为79 294 m3/s，出现洪峰流量的历时为50m in，约16 h 后堰塞体的洪水几乎消散干净，流量恢复到堵江前的水平。根据坝址上游600m3/s 的径流量，预测高位岩崩发生堵江后约17 天后坝体开始溃决。洪水演进计算出下游八盖乡处的洪峰流量为71 034m3/s，水位最大上升高度约为54m；易贡乡处的洪峰流量为56 036m3/s，水位最大上升高度约为41m，洪水对易贡乡的居民和易贡茶场的威胁较大，将淹没部分茶场所在区域；通麦的洪峰流量为51 504m3/s，水位最大上升高度37m，沿岸的公路和通麦大桥将受到威胁。

图9 笨多高位变形体发生堵江溃决洪水流量过程线Fig.9 The flood flow process line of Benduo high-level landslide b locking the river and breaking the river

根据预测结果可知，笨多高位岩崩碎屑流会堆积到沟谷底部并堵塞易贡藏布，平均堆积厚度为90m，堰塞湖回水长度达25 km，堵江时间约为17 天。坝体堵塞形成的回水区域对上游的忠玉村以及溃决后对下游易贡乡和易贡茶场的威胁程度均较高。

4 笨多高位变形体风险防范对策初探

根据上述危险性预测内容可知，当形成滑坡并堵塞易贡藏布后，对上游的忠玉村以及下游易贡乡和易贡茶场的威胁程度均较高。为防治笨多滑坡发生后产生的堵江溃坝等一系列灾害链，从该区域的实际情况出发，对河道所处的位置提出预设修建泄洪排洪隧洞工程治理建议。即当主河道被滑坡堆积体阻塞时，利用泄洪隧洞排泄洪水，以达到防灾减灾的目的。泄洪洞的位置和断面尺寸是笨多区域治理工程的关键问题。其中泄洪洞的位置如图10所示，因此本文详细探讨了泄洪洞的断面尺寸。

图10 笨多高位地质灾害泄洪洞应急措施示意图Fig.10 Schematic diagram of emergency measures for the flood discharge tunnel of Benduo high-level geological disaster

根据表5 可知易贡藏布7月份的径流量最高为1 180m3/s，即当发生堵江事件时，上游的最大补给量为1 180m3/s。如果泄洪洞的流量可超过最大补给量，即可满足水位不再上升的要求。设计一个水平放置的泄洪洞，要求泻流洞的最大流量超过1 200m3/s 即可，泄洪洞的高程和截面积为所需要求解的参数，坝前的水位高程是所需要的变量，也是对泄洪洞流量影响最大的参数。目前不考虑坝前的流速水头以及泄洪洞的粗糙度等因素。分别计算了单孔泄洪洞和双孔泄洪洞在堰上水头为20m、30m、40m 时的泄流能力和泄流洞的尺寸。