川藏公路北线泥石流特征及其防治措施研究

韩 方，陈 兴 长，孙 聿 卿，唐 勤

(西南科技大学 环境与资源学院，四川 绵阳 621010)

0 引 言

川藏公路跨越青藏高原和四川盆地两大地貌单元，新构造运动活跃，地势高差大，气候差异明显。特殊的地形地理条件孕育了大量的泥石流沟，公路沿线泥石流活动频繁，危害严重。比如，2005年7月30日，西藏波密的古乡沟再次发生泥石流，导致川藏公路南线公路上的淤积物厚达2 m，长度超过20 m，道路被迫中断[1]；2007年9月4日、2010年7月25日和9月4日以及2018年7月，西藏天摩沟多次暴发泥石流，堵塞了迫隆藏布主河，摧毁桥梁，淹没房屋、耕地等，并冲毁了对岸的国道G318路基，致使G318被迫改道，且导致断道16 d[2-3]。川藏公路沿线地质灾害引起了众多学者的高度重视，尤其是川藏公路南线沿线的泥石流灾害，前人对其分布规律、发育特征及其危害性进行了深入研究[4-5]。基于信息量法、熵权法等，对川藏公路南线泥石流灾害开展了危险性评价和动态分析[6-7]；并在分析总结公路泥石流不同灾害特征的基础上，提出了有针对性的防治措施[8-10]。与南线相比较，目前对北线全路段泥石流研究相对较少，已有的研究主要集中在鲜水河断裂带对川西地区地质灾害的影响方面[11-12]。事实上，川藏北线区内新构造运动活跃，地震活动频繁，具备形成泥石流的条件，泥石流也比较活跃。比如，2000年8月23日，道孚县出现的强降雨诱发泥石流灾害，淹没了部分耕地农田，损毁道路和公共设施[13]；2017年7月8日，江达县觉布寺沟暴发泥石流，淹没了下游左岸县城规划建设区和城镇居民区，对沟口国道G317造成了淤堵；同时还造成麦曲河堵塞，直接经济损失约1 000万元[14]。

川藏公路北线泥石流灾害也具有其鲜明的特征，目前，对于川藏公路北线全路段的泥石流还缺乏较为系统的研究。本文以川藏公路北线新都桥镇-昌都市段沿线泥石流沟为研究对象，通过遥感解译和野外考察，结合统计分析，研究公路沿线泥石流的发育特征及其危害方式，并根据该区域泥石流的发育状况和致灾特征提出了相应的防治对策。

1 研究区概况

川藏公路北线横跨川西甘孜藏族自治州和藏东昌都地区，路线长，范围广。本文研究区主要以公路沿线两侧的流域为界，具体范围如图1所示。

1.1 地形地貌

研究区域横跨青藏高原和四川盆地两大地貌单元，总体地势自北西向南东倾伏(见图1)。地貌类型复杂，分布有高山、高山山原、高原以及谷地平坝和阶地等。

图1 研究区交通位置及地形Fig.1 Traffic location and topographic map of the study area

区域内最高海拔6 085 m，最低海拔2 882 m，整体地势较高。研究区域内高程大于3500 m的面积超过92%。其中，约42%的区域分布在海拔4 000～4 500 m，约22%的区域分布在海拔4 500～5 000 m之间(见表1)。区域内约65%的区域地面坡度小于25°(见表2)；约35%的区域分布在25°～45°的坡度范围内，十分有利于泥石流松散物的形成和积累；地面坡度大于45°的区域不足1%，不利于泥石流物源的积累和储存，往往是泥石流形成的清水区。

表1 研究区高程分级统计情况

表2 研究区地面坡度分级统计

1.2 地质条件

川藏公路北线沿线出露的地层自元古界至第四系均有，其中出露最多、分布最广的是三叠系。地层岩性主要以碎屑沉积岩、碳酸岩、浅变质岩和火山岩为主。研究区整体上沿鲜水河断裂西北段、甘孜-玉树断裂东南段以及金沙江断裂带展布。各断层之间的相互作用使研究区岩体稳定性差，蕴藏丰富的松散固体物质，形成各类泥石流物源；主要有冰碛物物源、崩滑类物源、坡面及冲沟物源和沟道物源4类(见图2)。

图2 泥石流物源照片Fig.2 Provenance photos of debris flow

冰碛物物源主要分布于海拔3 000 m以上的流域上游，以冰碛物为主。这些冰碛物多由现代冰川作用形成，由无分选的大漂砾、砾石、碎石块组成，冰碛物表面半环状构造明显，冰川作用清晰。崩滑类物源主要位于流域中下游及支沟，以浅表层土质滑坡和局部垮塌为主，规模中小型，偶见大型滑坡。坡面及冲沟物源主要位于流域中上游及支沟。该地段基岩裸露，寒冻风化强烈，坡面普遍较陡，冲沟发育，寒冻风化物质通过坡面侵蚀作用，由坡面冲沟输送至下方沟道。沟道物源主要位于流域中下游的主沟道内，以崩滑物质、泥石流堆积物和工程弃渣为主。沟床物质成分主要为砂板岩、花岗岩等，黏粒含量相对较少。

1.3 气象条件

由于地势起伏大，加之受季风环流的影响，研究区垂直气候差异明显。昌都地区气候为高原亚温带亚湿润气候，干燥寒冷，无霜期短，日照强，年均气温2.4～10.4 ℃。甘孜地区属于青藏高原气候，气温低，日照时间长，年均气温6.7 ℃～8.2 ℃。研究区降水量在时段和地域上分布不均(见图3)。时间分布上，全年降水主要集中在5～9月，超过年总降水量的80%；空间分布上，川西地区的降水量整体上较藏东地区大，其中，四川新都桥镇年均降水量最多，约为709 mm，而西藏昌都市降雨量最少，约为526 mm。

图3 主要地区月平均降水量Fig.3 Monthly average rainfall in main areas

2 研究区泥石流发育特征

2.1 泥石流类型和性质

调查发现：川藏公路北线沿线共发育有沟谷型泥石流沟339条，主要分布在道孚-甘孜段，德格-青泥洞段以及妥坝-昌都段(见图4)。

图4 研究区各类型泥石流分布情况Fig.4 The map of different types of debris flow distribution in the study area

根据泥石流形成的激发条件，研究区以暴雨型泥石流沟为主，共有暴雨型泥石流沟324条，冰雪融水混合型泥石流沟15条。混合型泥石流主要分布在雀儿山-新路海一带，上游有冰雪覆盖，部分路段分布有大量的冰碛物。在冰雪融水和降雨的作用下，冰碛物被冲刷带走，参与形成泥石流。

根据泥石流活动频率可以判断，研究区以中-低频泥石流为主；其中，低频泥石流沟有164条，中频泥石流沟有90条，高频泥石流沟有85条。中低频泥石流主要分布在德格县和江达县附近。高频泥石流主要分布在炉霍县、昌都市附近，炉霍县位于鲜水河断裂带最活跃的地段[11]，断裂持续活动诱发不同级别的地震；昌都市位于中强地震带。频繁的地震活动加快了泥石流物源的形成和积累。

根据泥石流流体性质，可以认为研究区以稀性和过渡性泥石流为主。其中，稀性泥石流沟有166条，过渡性泥石流沟有139条，黏性泥石流沟只有34条。稀性泥石流沟所占面积也最大，大约有3 437.36 km2，超过了研究区泥石流总面积的60%，主要分布在德格-青泥洞段。该路段除金沙江沿岸海拔较低外，其余区域海拔均高于3 500 m，地表气温低，以寒冻风化作用为主，化学风化较弱，风化后形成的矿物黏粒含量较低。过渡性泥石流流域总面积次之，约1 809.17 km2，超过泥石流流域总面积的30%，主要分布在道孚-甘孜段。黏性泥石流分布最少，不到泥石流流域总面积的10%，主要分布在炉霍县附近。

2.2 泥石流流域特征

2.2.1流域面积普遍较小

泥石流流域面积影响到了沟道汇流能力[15]。该研究区的泥石流流域面积分布在2.01～146.75 km2之间(见表3)。其中，面积小于10.00 km2的泥石流沟有190条，10.00～20.00 km2有68条，20.00～30.00 km2有33条，三者共计291条，约占泥石流沟总数的85.8%。大于30.00 km2的流域仅占14.2%。这表明研究区域内泥石流流域面积普遍较小，面积小于30.00 km2的小流域更易发生泥石流。

表3 研究区不同面积的泥石流流域统计情况

通常情况下，碎屑物丰富的小流域在强降水作用下能够迅速汇集泥石流暴发所需的水源，暴发泥石流。相反，面积较大的沟谷，即使物源丰富，流域内暴发的泥石流也难以到达沟口。因此，一些面积过大的流域，多暴发稀性泥石流。据统计，区域内20条面积大于50.00 km2的泥石流沟中，有70%是稀性泥石流沟(见图4)。

2.2.2流域沟床纵坡降大

沟床纵坡降是反映流域势能大小的重要指标。在一定范围内，坡降越大，势能越大，就越容易暴发泥石流[16]。研究区内泥石流沟床纵坡降最大为630.87‰，最小为44.66‰，平均值为219.26‰，中位数212.24‰(见表4)。平均数和中位数相差甚小，说明区域内坡降分布集中，离散程度低。区域内沟床比降为200.00‰～300.00‰范围的泥石流沟最多，有131条，其次是沟床比降为100.00‰～200.00‰，有129条，两者总计260条，超过总数的70.00%；坡降大于400‰的沟数量最少，仅占4.72%。

表4 研究区泥石流沟床纵坡降统计情况

2.2.3泥石流流域形状多为长条形

流域形状同样会影响流域的汇流能力[17]。不同形状的流域，其集水能力也不同；集水能力强的流域更容易发生泥石流。流域形状可用流域完整系数δ来表征[18]：

(1)

式中：A为泥石流流域面积，km2；L为泥石流流域的主沟长度，km。

根据完整系数(δ)，可将流域形态分为长条形(δ≤0.3)、栎叶形(0.3<δ≤0.7)和漏斗形(δ≥0.7)共3种[19]。研究区的泥石流流域完整系数分布在0.10～0.68之间，其中长条形泥石流沟有223条，约占66%，栎叶形泥石流沟有116条，约占34%。研究区泥石流流域形状大多呈长条形，其次为栎叶形，流域上游水源充足，汇流迅速，易于泥石流的发生。

3 泥石流的危害及防治对策

研究区地形起伏大，流域的主沟道短小，沟床纵比降整体较大，汇水能力和沟道搬运能力强，能够在较短时间内引发泥石流。因此，研究区公路沿线泥石流数量众多，活动较为频繁，危害性强。

3.1 泥石流的危害特征

研究区泥石流对道路的危害主要体现在，威胁桥梁、涵洞、路基路面等道路结构工程。其中，受泥石流灾害影响的涵洞有60处，桥梁53处，路基路面23处；造成损毁的涵洞48处，桥梁39处，路基路面14处。

3.1.1淤积涵洞，破坏结构

调查发现，泥石流对涵洞的危害方式主要有淤积和冲击磨蚀等方式。

(1) 淤积涵洞：淤积涵洞是最常见的泥石流危害方式之一(见图5)。在受影响的60处涵洞中，淤积为主的共计40处。主要有以下3种情形：① 泥石流直接停淤在涵洞中而淤积。这种情形往往发生在泥石流一次过程总量较小，流速也小，运动的能量不足的情况下。当这种泥石流运动到涵洞中时，由于坡度忽然变缓而停积下来，导致淤积。② 涵洞排泄能力不足而淤堵。当泥石流流量过大，超过涵洞排泄能力或泥石流在涵洞内运动受阻力时，往往容易导致涵洞雍堵。③ 涵洞本身断面尺寸过小而淤堵。部分涵洞设计过小，入口很容易被泥石流挟带的树枝或大石块阻挡，排泄遇阻而导致淤积。

图5 公路涵洞被淤积Fig.5 Road culverts silted

泥石流淤堵涵洞虽然不会直接危害公路，但淤积致使涵洞的过流能力降低，后续泥石流会冲上路面，危害交通。

(2) 冲击磨蚀：冲击磨蚀会对涵洞整体或局部结构造成破坏(见图6)；研究区泥石流对涵洞的损毁以冲击、磨蚀为主的共有8处。泥石流运动过程中，泥沙和石块反复冲击、磨蚀结构面表面，形成裂纹、坑穴，增大了泥石流运动的阻力；进而对结构的冲磨作用力进一步加大，加速涵洞结构的破坏。

图6 公路涵洞冲蚀破坏Fig.6 Road culverts destroyed by erosion

3.1.2淤积桥下过流空间，破坏桥梁及附属结构

研究区部分桥梁桥下净空设计不足，排泄能力较小，出现桥下严重淤积现象。调查发现，共有29座桥梁出现了桥下严重淤积的情况。桥下沟槽坡度过缓或桥下过流不畅是导致泥石流淤积的主要原因。图7所示为道孚段K421+500处“母猪笼桥”，泥石流物质在桥下淤积，已经严重影响桥下过流空间，若不及时清理，将会威胁桥梁和道路的安全。

图7 母猪笼桥Fig.7 Sow cage bridge

除了桥下淤堵，桥梁下部结构(桥台、桥墩和基础等)和附属结构(锥坡、护墙、导流工程等)也有可能受到泥石流的冲击和磨蚀。调查发现，共有10座桥梁下部结构及其附属结构遭受冲击和磨蚀。这些桥台，或导流槽护底等受到泥石流的冲击和磨蚀，导致构筑物表面坑洼不平；在反复的冲击和磨蚀作用下，最终会导致构筑物损毁。如甘孜段K260.000处“错丁桥”桥台锥坡由于泥石流的冲蚀作用被破坏(见图8)，导流槽护底和护堤在泥石流的冲磨作用下被损毁(见图9)。

图8 错丁桥Fig.8 Cuoding brige

图9 导流槽Fig.9 Diversion groove

3.1.3淤埋路面，淘蚀路基

研究区泥石流对路基路面的危害以淤埋和冲刷作用为主；其中淤埋灾害8处，冲刷灾害6处。调查发现，泥石流对路基路面的危害可归结为以下3种原因。

(1) 由于桥涵排泄能力不足，导致泥石流堵塞涵洞后，部分泥石流冲上公路，造成淤埋，部分泥石流沿着涵洞一侧的边沟流动，掏蚀路基(见图10)。

图10 路基被掏蚀Fig.10 The roadbed was eroded

(2) 由于公路走线过低，泥石流出口高于路面，导致泥石流冲出物直接冲上路面造成淤埋、断道(见图11)。

图11 路面被淤埋Fig.11 The pavement was buried

(3) 若公路在泥石流流域对岸，也可能导致路基受损。泥石流冲入主河形成堵塞体，河床淤积抬高，使河流中轴线发生改变，形成曲流，迫使河流冲刷对岸路基[20]，导致路基悬空、路面垮塌(见图12)。

图12 主河掏蚀路基Fig.12 Roadbed cutted by the main river

3.2 防治建议

研究区泥石流数量众多，活动频繁，严重威胁川藏公路北线的安全和畅通。基于泥石流的发育和危害特征，提出以下防治对策与建议。

(1) 不同活动性泥石流的防治建议。中低频泥石流的活动性受制于物源的积累，建议该类泥石流的防治以生物防治措施为主，以排导措施为辅的治理思路；对于危害性较大的泥石流辅以必要的土木控制工程措施。此类泥石流主要分布在德格县和江达县附近，建议在流域内多植树种草，控制放牧规模，以减少水土流失；与道路交叉处完善排导措施，以顺畅排泄来流。

高频泥石流主要分布在炉霍县和昌都市附近，物源补给较及时，建议采取“以拦为主，拦排结合”的治理思路。具体措施可在流域内修建多级谷坊坝或拦砂坝，以控制和提高沟道侵蚀基准面，防止沟道下切和岸坡垮塌，抑制泥石流物源的形成。同样地，与道路交叉处完善排导措施，以顺畅排泄来流。

(2) 不同性质泥石流的防治对策。稀性泥石流主要分布在德格-青泥洞段，针对该路段泥石流的治理可采取“以排为主”的方式[21]。具体可在流域下游，尤其是与道路交叉处修建导流堤、急流槽、排导槽等，以顺畅、快速地排导来流，防止淤积；必要时，可在中上游修建格栅坝、网格坝等拦挡工程，以拦蓄大石块，减小流量，防止堵塞。

黏性泥石流主要分布在道孚-甘孜段，针对该路段泥石流的防治可采取“稳拦排结合”的综合治理方式[22]。具体可在流域内修建潜坝、谷坊坝和拦砂坝等，以稳定沟床，反压岸坡，拦蓄泥石流固体物质；沟口完善排导措施，以顺畅排流，防止淤积和冲刷。同时建议在全流域进行生物防治。

(3) 不同危害方式泥石流的防治对策。对于淤堵型危害，根据淤堵的原因，采取相应的防治对策。直接停淤导致的涵洞淤积，由于泥石流流速、流量均较小，可在涵洞上方设置停淤空间，以停积固体物质，并及时进行清理。涵洞排泄能力不足而淤堵的情形，一方面可改建涵洞，并增大洞底坡度，扩大其过流能力；无法改建的情况下，可结合流域治理工程，降低泥石流的来流量，以防淤堵。

对于淤埋危害，如果一次泥石流规模较小，可在公路上方设置停淤空间；对于桥下淤积，在无法改变线路标高的情况下，建议及时清淤，保障足够的过流空间；条件允许的情况下，可在桥梁上下游段理顺沟道，修建排导措施，以保障来流能快速地从桥下通过，避免淤积。

对于桥梁附属设施被冲毁的情况，建议及时修复；同时在桥梁上下游段，归顺泥石流流路，防止顶冲和磨蚀。

4 结 论

川藏公路北线是联接中国西藏与内地的重要交通枢纽之一；沿线地形起伏大，地质条件复杂，泥石流分布广泛，危害严重。本文对公路沿线泥石流的发育状况及其危害特征进行了总结和分析，得出以下结论。

(1) 川藏公路北线沿线共发育有各类泥石流沟339条；其中，暴雨型泥石流沟324条，混合型泥石流沟15条；低频泥石流沟164条，中频泥石流沟90条，高频泥石流沟85条，以中-低频泥石流为主；稀性泥石流沟166条，过渡性泥石流沟139条，黏性34条，以稀性和过渡性泥石流为主。

(2) 川藏公路北线沿线泥石流流域多呈长条形，其次是栎叶形；流域面积普遍较小，超过半数的流域面积小于10.00 km2；主沟道较短，约84.00%的主沟长度不大于10.00 km；纵比降较大，而且主要集中在100.00‰～300.00‰范围。区内流域高差大，汇水能力和输移能力较好，有利于泥石流的发生。

(3) 川藏公路北线沿线泥石流的主要危害对象是桥涵和路基路面，危害方式以淤积、淤埋、冲刷和磨蚀为主；其中桥涵被淤积有69处，桥涵及附属结构被冲击和磨蚀破坏的有18处，路基路面被淤埋和冲刷的分别有8处和6处。

(4) 基于泥石流的发育和危害特征，对不同活动性、不同性质和不同危害方式的泥石流，建议采取针对性的防治对策。