中国西藏高海拔河谷崩塌灾害及其生态效应研究

赵永辉，王 黎，任才让旦主，王 赟，杨金华，洛桑次仁

1. 西藏自治区水利电力规划勘测设计研究院，西藏 拉萨 850000；2. 中国水电基础局有限公司西藏分公司，天津301700

0 引言

随着中国西藏的快速发展，西藏作为中国生态安全屏障，对高原生态环境保护提出了更高的要求，在工程建设过程中格外重视生态环境保护。

崩塌作为中国西藏常见的斜坡地质灾害，专家学者关于斜坡崩塌灾害的相关研究从未间断过。梁靖等依据影像分析、数值模拟等技术手段，将芦苇海崩塌分为坡表局部崩塌、顶部危岩带变形、撞击坡表和碎屑流四个阶段[1]；郑光等在现场调查的基础上基于无人机航拍等技术，提出了崩塌—碎屑流的破坏模式[2]；徐伟等把崩塌破坏过程分为初始震裂变形、累积变形、启动破坏、稳定与堆积四个阶段[3]；肖锐铧等将崩塌破坏过程归纳为沉陷带变形崩塌、坡面局部崩塌、整体溃屈崩塌、撞击地面和碎屑流五个阶段[4]；王健等采用UDEC，将悬臂梁崩塌演化过程归纳为悬臂形成、裂隙产生、裂隙贯通、悬臂折断和堆积坡脚五个阶段[5]；曾芮等基于ABAQUS提出了上硬下软地层是斜坡是产生崩塌的内因[6]；张小辉等通过分析地质背景和诱发因素，针对燕子河流域崩塌提出了碎裂—坠落式、弯折—倾倒—滑移式、碎裂—滑移式三种破坏模式[7]；刘传正等基于有限差分法分析了红石岩崩塌成因机理和诱发因素[8]；毕银强等依据地质条件，采用国际地质灾害风险管理方法对公路崩塌进行了定量风险评估[9]；等通过持平投影等手段分析，认为崩塌—碎屑流可演化为滑坡地质灾害[10]；林锋等采用MIDAS/GTS分析了岩溶区崩塌的成因机理，认为强烈岩溶结构控制了崩塌的形成[11]。

不难看出，专家学者依据地质条件，多采用数值模拟和公式计算法，主要针对崩塌成因机理、破坏模式等方面开展了大量研究，在理论研究和工程实践中取得了不菲的成绩，进而推动了崩塌地质灾害研究工作的发展。同时也发现，针对中国西藏高海拔河谷区岩质斜坡处崩塌灾害及其地表生态效应的研究相对较少，而其又是青藏高原防灾减灾工作的重点。鉴于此，文章以中国西藏雅鲁藏布江流域河谷斜坡崩塌为研究对象，基于区域地质背景、基本地质条件和历史遥感影像，旨在研究崩塌发育特征、成因演化及其引起的地表生态效应，以期为高原河谷区斜坡崩塌防治提供指导。

1 崩塌区地质环境

1.1 区域地质概况

研究区地处西藏高海拔河谷右岸，靠近雅鲁藏布江结合带，冻融、卸荷、风化等物理地质现象较明显，区域构造稳定性较差，崩塌、滑坡等斜坡地质灾害较发育[12-13]，见图1。

图1 研究区DEM（据SRTM）Fig. 1 DEM of study area

1.2 基本地质条件

研究区崩塌位于河谷右岸公路内侧人工边坡处，与上游冲沟交接，主崩方向约为NE80°～90°。崩塌区地层岩性主要为黑云母二长花岗岩（nγβK2）、残坡积体（Qel）和崩塌堆积体（Qcol）。其中花岗岩构成河谷斜坡主要地层，块状结构，呈强—弱风化，岩体内裂隙较发育，完整性较差；残坡积体广泛分布于研究区斜坡浅表层，厚度不等，其上植被长势较好；崩塌堆积体堆积于人工边坡坡脚排水沟处，主要为块碎石土。崩塌区未见地下水出露，主要物理地质现象为冻融、风化等，见图2。

图2 崩塌全貌图Fig. 2 Panorama of collapse

2 崩塌发育特征及成因分析

2.1 天然斜坡历史遥感影像解译

依据2007年10月、2010年11月和2014年12月历史遥感影像，2007年10月—2014年12月研究区崩塌源所在河谷天然斜坡坡面植被覆盖率较高，以灌木为主，未发现裂缝等变形迹象，说明天然斜坡处崩塌源稳定性较好，天然工况下产生岩崩的可能性较小，见图3。

图3 崩塌源历史遥感影像（据Googel Earth）Fig. 3 Historical remote sensing image of collapse source

2.2 崩塌发育特征

崩塌位于冲沟与天然斜坡交接部位，其具有明显的发育特征，具体如下：

2.2.1 楔形变形体

岩质斜坡崩塌源区发育三组优势结构面，即J1、J2和J3。其中J1结构面平直光滑，延伸长度大于5 m，产状约为N50°～70°W/60°NE，基本无填充，呈闭合状态；J2结构面较光滑，多呈折线状，延伸长度10 cm～50 cm，产状约为N70°～90°W/70°SE，无填充，呈闭合状态；J3结构面较平直，据露头推测延伸长度约为2 m～6 cm，产状约为N0°～20°W/30°NW，呈闭合—微张开，局部泥质填充，结构面间可见挤压破碎带。经J1、J2和J3三组优势结构面切割，崩塌源岩质斜坡区楔形岩块较发育，稳定性较差区则表现为楔形变形体，见图4（a）。

2.2.2 拉张变形区

岩质斜坡崩塌后缘典型断面处发育拉张破坏区，主要以拉张裂缝形式分布于斜坡浅表层，裂缝呈波状弯曲，总体近直立，张开状，宽约1 cm～5 cm不等，由斜坡表层向深部延伸，直至尖灭。拉张裂缝局部延伸发育与主裂缝呈相交关系的次级变形裂缝，拉张变形区主要由主拉张裂缝和次级拉张裂缝组成。崩塌后缘拉张裂缝倾向与崩塌主崩方向基本一致，拉张变形区岩体整体向河谷方向倾倒，见图4（b）。

2.2.3 挤压破碎带

岩质斜坡内发育三组优势结构面，其中J3结构面为反倾结构面。在斜坡岩体自重作用下，J3结构面间厚度相对较薄、强度相对较低的岩层被挤压至碎裂状，形成挤压破碎带，带内物质组成主要为碎砾石土，碎石和砾石棱角分明。由于挤压破碎带发育主要受控于J3反倾结构面，因此，其产状与J3结构面类似，挤压破碎带整体较平直，倾向NW，见图4（c）。

图4 崩塌发育特征图Fig. 4 Characteristics of collapse development

2.3 崩塌成因分析

2.3.1 地形地貌

崩塌源所在河谷斜坡发育冲沟，崩塌源位于斜坡与冲沟交接“凸”出部位，使其同时向冲沟、河谷方向临空。以往的斜坡临空环境较单一，基本一面临空，随之而来的斜坡变形破坏方向也基本朝向临空一侧。相比之下，研究区崩塌源获得了更为“宽广”的临空条件，其不仅可以朝河谷方向，也可以向冲沟一侧产生变形破坏。因此，良好的临空环境为研究区斜坡发育崩塌灾害提供了有利的地形条件。

2.3.2 地质构造

研究区区域稳定性较差，受构造作用、风化卸荷等影响，研究区岩质斜坡内结构面较发育。据发育特征分析，崩塌源斜坡内发育三组优势结构面，在其影响下，斜坡内发育楔形变形体和挤压破碎带，进而影响斜坡岩体整体性，不利于斜坡自身稳定。

2.3.3 工程开挖

尽管崩塌源临空环境较好、岩体整体性较差，由于天然斜坡经历了漫长的河谷演化，斜坡楔形变形体仍整体处于基本稳定状态。鉴于河谷斜坡公路工程建设需要，经人工开挖，于崩塌源处形成人工边坡，且公路人工边坡坡度大于自然斜坡坡度，致使崩塌源处楔形变形体在重力作用下瞬间失稳，形成岩崩。

“短期”分析，研究区斜坡地形地貌和地质构造为发育崩塌提供了基本地质条件，工程开挖则是诱发因素。“长期”而言，研究区崩塌从孕育至产生经历了漫长的地质历史，是河谷演化的产物。

一般认为，河谷下切过程中总是伴随着岸坡的变形破坏，研究区崩塌演化过程大致可分三个阶段，即宽谷阶段、河谷下切—结构面形成阶段、边坡开挖—崩塌产生阶段。其中宽谷阶段为崩塌源所在河谷较宽阔，两岸斜坡坡度相对较缓，风化、卸荷现象不明显，岩体完整性好；随着河谷不断下切，岸坡变陡，且其内部发育结构面和挤压破碎带，进而形成楔形变形体，此为河谷下切—结构面形成阶段；边坡开挖—崩塌产生阶段即为公路边坡开挖，崩塌源楔形变形体整体失稳，产生崩塌灾害，崩塌后缘获得有利的临空环境持续形成拉张变形区。总体而言，研究区河谷斜坡崩塌以渐进性破坏为主。

3 崩塌地表生态效应

高海拔河谷区崩塌灾害一定程度上可破坏原有的地表生态系统，易导致一系列地表生态效应，研究区崩塌灾害亦是如此。首先，研究区崩塌改变了斜坡原有的地形地貌，与此同时，崩塌后缘拉张变形区又孕育着次级崩塌，致使地形地貌进一步被改变，产生新的微生境[14]；其次，研究区崩塌源处植被长势较好，随着崩塌灾害的产生，大部分斜坡坡表植被根系被迫脱离肥力充足的残坡积土而死亡，造成河谷斜坡草地和灌木面积锐减；最后，研究区崩塌灾害产生后，造成天然斜坡大面积基岩裸露，降雨期间，雨水极易冲帅崩塌断面并带走崩塌堆积体内细颗粒物质，进而造成水土流失[14]，见图5。因此，研究区崩塌灾害的产生破坏了河谷斜坡局部生态系统。鉴于此，研究区崩塌灾害治理措施不仅需要从工程防护出发，而且应该考虑适当的生态修复措。

图5 崩塌区现状图Fig. 5 Current situation map of collapse

据研究区崩塌发育特征，其后缘拉张变形区存在次级崩塌的可能，如果对拉张变形区岩土体做清除处理，将会进一步破坏河谷斜坡生态系统。同时，鉴于研究区局部小气候特征明显，植被长势较好，建议采用生态护坡治理措施。具体为：拉张变形区做锚杆加固处理，整个崩塌岩质断面采用生态混凝土处理措施，两种处理措施双管齐下，不仅保证了边坡稳定性，而且一定程度上可修复已破坏的生态系统。

4 结论及建议

（1）崩塌源位于斜坡与冲沟交接“凸”出部位，特殊的地形地貌为产生崩塌地质灾害提供了有利的地形条件；受构造作用、风化卸荷等影响，崩塌源斜坡内发育优势结构面和挤压破碎带，进而形成了楔形变形体，其不利于斜坡自身稳定。尽管如此，天然斜坡处崩塌源稳定性较好，产生岩崩的可能性较小，人工边坡开挖是产生崩塌的诱发因素。从孕育至产生，研究区崩塌演化过程大致可分三个阶段，即宽谷阶段、河谷下切—结构面形成阶段、边坡开挖—崩塌产生阶段，整个变形破坏表现出明显的渐进性。

（2）高海拔河谷区崩塌灾害一定程度上可破坏原有的地表生态系统，导致了一系列地表生态效应，具体为：①崩塌改变了河谷斜坡原有的地形地貌，与此同时，产生新的微生境；②崩塌使得斜坡坡表植被根系被迫脱离肥力充足的残坡积土而死亡，造成河谷斜坡草地和灌木面积锐减；③崩塌灾害的产生，造成斜坡大面积基岩裸露和松散崩积体，易造成水土流失，建议采用生态护坡治理措施。