川西公路低频泥石流发育特征与防治综述★

向 兵，谢万银，苏玉杰，黄 洪

(1.四川省地质工程勘察院集团有限公司,四川 成都 620072;2.四川省公路规划勘察设计研究院有限公司,四川 成都 610041;3.中国科学院、水利部成都山地灾害与环境研究所,四川 成都 610041)

0 引言

川西山区位于我国第一阶梯和第二阶梯的交接带上,拥有陡峭的地形、充沛的水源条件,区域内新构造运动强烈、内外动力地质作用频发,成为我国泥石流、滑坡等山地灾害的重灾区。中国在过去几十年里,经济增长和减贫取得举世瞩目的成就。公路作为经济的载体,对川西山区沿线地方经济具有重要的带动作用。据四川交通年鉴显示,随着西部大开发战略的提档升级,2020年四川高速公路里程突破8 000 km,建成和在建总里程数突破10 000 km[1]。川西地区新增汶马、乐西等29条高速公路,新开工马久等9条高速公路,均不同程度遭受泥石流破坏。泥石流是一种重要的公路水毁类型,对于横跨泥石流堆积扇的路基、隧道、涵洞、桥梁具有极大威胁,特别是一次冲出固体物质量大的低频泥石流。对于公路这种线性工程,一旦造成破坏,往往导致全线交通瘫痪,因泥石流导致的交通中断占公路通行时间的30%～40%[2]。典型的案例:2021年7月15日,雅康高速公路至新沟暴发低频泥石流,导致K51+400紫石隧道被淤埋,交通中断[3];2020年8月17日,都汶高速公路沿线簇头沟发生泥石流灾害,导致道路双向中断[4];2019年8月20日,汶川县芦山县多条高速公路发生山洪泥石流,导致映汶高速、国道213线等多条道路中断[5];2018年7月11日,受强降雨影响,四川省多地暴发泥石流灾害,共造成包括8条国道、3条省道在内的29处交通阻断[6];2017年8月8日四川普格县低频泥石流摧毁公路5 km,桥梁5座[7];2016年7月25日,九寨沟甘沟发生特大低频泥石流灾害,省道205被掩埋超过1 km[8];2015年9月19日,四川康定水井子突发泥石流灾害,国道318及其周边建筑物被淤埋[9];2013年7月10日,都汶高速沿线7条沟暴发泥石流,造成9座桥梁垮塌或掩埋、3座隧道入口被埋、至少16处公路造成严重破坏和堵塞[10];2012年7月14日,四川石棉唐家沟发生泥石流灾害,公路、桥梁等基础设施造成严重破坏[11]。四川绵竹县高桥沟低频泥石流,受“5·12”汶川地震影响,在2010年和2011年连续两年在雨季形成大规模泥石流,导致绵茂公路汉清段多次交通中断[12]。2008年汶川地震以后,区域地质环境遭到破坏,不良地质现象频发,产生大量松散固体物质,为泥石流的暴发提供了充足的物源条件,低频泥石流暴发频率逐渐提高。因此,研究探讨川西山区低频泥石流的发育特征和防治模式,有效防治公路沿线尤其是重大交通干线沿线的低频泥石流,确保山区公路交通畅通无阻,具有重要的经济、社会及国防意义,是当前西山区公路建设和运营亟待解决的问题。

目前国内外对低频泥石流的发育特征和防治模式已经开展大量研究,但由于低频泥石流的隐蔽性,形成机制的复杂性,爆发规模大,其预防和防治仍十分困难。当前,对低频泥石流的研究主要集中在发育特征[13]、风险评估[14]、启动机理[15]、运动特征[16]、灾害监测与工程防治等[17]。针对一些典型低频泥石流,如汶川茶园沟泥石流、舟曲三眼峪泥石流、丹巴梅龙沟泥石流,对其研究已经取得阶段性成果。但目前还未完全揭示低频泥石流的成因,例如低频泥石流爆发前的极端天气是如何控制其形成尚未明了。此外,目前的研究范围大多还局限于单沟小流域的低频泥石流研究,对于区域性的、重大交通干线沿线的低频泥石流研究较少。本文梳理当前低频泥石流形成机制的研究现状,总结川西交通干线沿线低频泥石流特征,并对川西山区特定背景下的防治原则与模式进行归纳,最后探讨了未来研究的几个问题。

1 川西公路沿线低频泥石流发育特征

IPCC AR6[18]在2021年的报告指出,2001年—2020年陆地增温1.47 ℃,全球平均降雨以5.41 mm/10年的速度增加,在此背景下干旱、地震、洪涝等极端天气频发,低频泥石流的危害日益凸显。典型案例:1999年12月委内瑞拉爆发300年一遇的泥石流导致的经济损失高达20亿美元[19];2017年8月3日西藏波密县倾多镇抄布隆巴暴发超过70年一遇泥石流导致30余户民房被毁[20];2017年8月8日四川普格县百年一遇低频率泥石流造成经济损失1.7亿元[21];2010年8月7日中国甘肃省舟曲县百年一遇的低频泥石流导致直接经济损失数亿元[22];2003年7月12四川丹巴县邛山沟暴发百年一遇的低频泥石流造成巨大经济损失与人员伤亡[23]。因此,阐明低频泥石流的发育特征,降低其带来的经济损失和人员伤亡,成为迫在眉睫的事情。普通泥石流的形成主要由降雨控制[24-25]。在同一地区,降雨和地形地貌条件在短时间内难以发生巨大改变。在相同的降雨条件下,同一地区却暴发了几十年一遇,甚至百年一遇的低频泥石流,说明低频泥石流的形成不仅与降雨相关,更由其他复杂因素耦合控制。

对于低频泥石流的划分,目前学者的意见尚未统一,划分年限上至百年以上,下至几年几十年不等(见表1)。结合上述学者分类并考虑研究区实际情况,本文将暴发频率不小于30 a的泥石流定义为低频泥石流。

表1 泥石流按频率划分表

1.1 国内外典型低频泥石流成因

低频泥石流的形成由不同的因素控制。表2列出了国内外主要低频泥石流事件,可以看出大部分低频泥石流的形成与干湿循环、火灾、地震等内外动力地质作用密切相关。

表2 国内外典型低频泥石流事件

2018年2月16日雅江县暴发大规模森林火灾,过火面积达20.59 km2,同年6月,该流域15条低频泥石流沟道暴发不同规模的泥石流灾害[42];著名的甘肃舟曲低频泥石流,后研究发现在泥石流暴发前经历了连续干旱的冬春两季[43];2012年6月28日宁南矮子沟暴发低频泥石流,研究发现该地区在近20年暴发了16次四级以上的地震,在2012年该地区更是暴发了百年一遇的干旱[44];1999年我国台湾集集地震以后,Chenyulan River流域的泥石流暴发频率明显增加[45]。

1.2 川西山区公路沿线低频泥石流成因研究现状

川西山区位于青藏高原东部,横断山脉中段,以高山峡谷地貌为主。区域海拔500 m～4 500 m,相对高差变化明显,地形陡峭,切割强烈。地处扬子准地台西缘与松潘—甘孜造山带结合部,新构造运动活跃,区域分布有鲜水河断裂带、龙门山断裂带、小江断裂带、安宁河断裂带,沿断裂带形成一系列谷地,两侧风化剥蚀搬运作用显著,为泥石流的形成提供了良好的发育环境。

地形地貌的特征既影响泥石流流体的性质、类别、规模、危害程度,也影响着灾害方案的制定、防治措施的选择以及泥石流防治工程的施工和管理。针对川西地区特殊的地形地貌条件,有学者把熵的概念引入了地貌学,运用流域地貌信息熵理论,去解释地貌的发展和演变,以此来概化泥石流形成的可能性[46],流域地貌信息熵理论已被大量运用到川西地区的震后泥石流、公路泥石流研究[47-48]。也有研究发现川西地区具有焚风效应的大气环流特性对泥石流的形成具有重要影响(见图1),如美姑河流域、三江流域(怒江、澜沧江、金沙江)泥石流[49]。焚风效应是导致其植被减少、水土流失的重要原因[50]。沟床比降是泥石流势能转化为动能的基础,影响着泥石流形成和运动。根据统计,我国西山区泥石流沟的平均沟床比降可分为如下几类:≤50‰的小沟床比降,该类沟床不易发生泥石流;50%‰～100‰的中小沟床比降,此类沟床发生泥石流可能性较小;100%～300‰的较大沟床比降,此类沟床发生泥石流可能性较大;300%～500‰的大沟床比降,此类沟床发生泥石流可能性大;>500‰的极大沟床比降,该类沟床不易发生泥石流[51]。研究表明,流域相对高差大于300 m就能够满足泥石流暴发的条件[52]。而川西山区泥石流的沟床比降大多在100%～500%之间,流域相对高差超过300 m,这为泥石流的暴发提供了充足的动力势能条件。此外,受西季风和太平洋的东南季风的影响,西山区年降雨量大,多集中在夏季6月份—9月份[53]。降雨大且集中,为泥石流提供丰富的水源条件。

在雨强条件和地形条件均满足的情况下,物源成为控制该地区泥石流形成的关键因素。物源是指泥石流形成区内参与泥石流形成的松散固体物质的总称。物源对于泥石流的影响主要包括松散固体物质的结构对于泥石流的形成影响、松散固体物质组成对于泥石流形成的影响、物源数量对于泥石流形成的影响[54]。Chen,Bin等学者提出物源控制理论,认为引发泥石流的关键因素不是降雨而是松散固体物质[55]。典型案例:四川省汶川县8·13特大泥石流、唐家山泥石流,这些泥石流沟灾害暴发的根本原因是流域内丰富的松散固体物源[56]。相关研究表明,干湿循环、地震、火灾等内外动力地质作用是通过改变土体结构,增加物源量,降低泥石流发生的临界阈值,从而控制泥石流的发生[57-58]。

1.3 川西低频泥石流流域特征

川西低频泥石流流域植被覆盖度相对较高,一般大于60%。植被覆盖度可用植被指数(NDVI)表示,可准确反映地表植被覆盖状况。本文NDVI来自于中国季度1 km植被指数空间分布[59]。NDVI值越接近1,说明植被覆盖度越大。查阅资料并结合现场勘察,统计出川西山区公路沿线低频泥石流22条(见图2(a))。从图2中可以看出,低频泥石流沟的NDVI均较大,说明植被覆盖度高。例如九绵高速的任家沟低频泥石流(沟口坐标为:32°35′53.89″N,104°31′33.57″E), NDVI值0.856,现场勘察发现该沟植被覆盖度大于70%,沟道两侧无崩塌滑坡等不良地质现象发生,仅沟床内均有大量的沟道堆积物,残、坡积物(见图2(b))。又例如乐西高速的石头洼低频泥石流(沟口坐标为:32°35′53.89″N,104°31′33.57″E),NDVI值0.888,流域被绿落叶针林覆盖,植被繁茂,植被覆盖率超过80%(见图2(c))。此外,川西低频泥石流的总物源规模和动物源数量巨大,以沟道堆积物为主,量级一般在几百万到几千万立方米之间。例如峨汉高速沿线的尔苦滩沟低频泥石流(沟口坐标为:32°35′53.89″N,104°31′33.57″E),流域面积27.2 km2,总物源数量达到263.35×104m3。汶马公路的石古磨沟低频泥石流(沟口坐标为:32°35′53.89″N,104°31′33.57″E),流域面积10.5 km2,总物源和动物源数量分别达到497.78×104m3,73.49×104m3。丰富的物源储备是低频泥石流造成巨大人员伤亡和经济损失的关键。

2 山区公路沿线低频泥石流防治

在康志成等老一辈泥石流专家的不懈努力下,我国的泥石流防治取得了显著的进展,泥石流灾害防治技术从无到有。目前,泥石流的防治可以分为非工程防治和工程防治。非工程防治主要包括生物工程(农业工程、林业工程等)、群测群防等;工程防治包括拦挡工程、排导工程、护坡固底工程等,具体防治措施见表3。防治应遵循安全可靠、因害设防、突出重点、经济合理、取材便捷、环境协调等原则。

表3 泥石流防治工程及措施

2.1 山区公路沿线泥石流的危害方式

山区泥石流危害对象主要是泥石流危险范围内的道路和房屋(见图3)。泥石流是一种快速的沿着沟道向下游侵蚀堆积的地质过程[69],并含有大量泥砂、石块等固体碎屑物质,具有强大的冲击、破坏力[70]。穿越泥石流沟道的道路形式有隧道、涵洞、路基路面、桥梁。低频泥石流具有暴发规模大的特点,一次固体冲出物往往达到上百万立方米,这些固体物质堆积在沟口形成堆积扇,淤埋通过沟口的路基路面(见图3(a))。泥石流在运动过程中,对沟道内桥梁和路基冲刷、冲切,导致桥基下沉和变形(见图3(b))。此外,泥石流在运动过程中具有巨大的搬运能力,沿途夹着巨石对横跨沟道的桥墩和上部结构产生巨大冲击破坏(见图3(c))。泥石流中的夹砂水流还对混凝土具有磨蚀作用。对于下穿泥石流沟的隧道,泥石流的危害形式表现为侵蚀下切,遭遇大规模冲淤变动小的泥石流则可能遭到淤埋危害(见图3(d))。泥石流对于道路的危害可概化为上部结构冲击破坏、桥墩路基冲刷、淤埋路基路面、涵洞隧道掏蚀下切、堵塞挤压河道形成堰塞湖灾害链等[71]。

2.2 山区公路沿线低频泥石流防治

多数学者认为低频泥石流应当采取工程措施进行治理。工程防治总体思想是削弱泥石流形成的条件,控制物源和水源,削峰滞流、蓄流停淤。以“预防为主、防治结合、因势利导、顺应水势、绿色防治、全面系统”为基本原则[72]。在沟道形成区内修建谷坊群、引水截水工程,结合植树造林等生物工程,减少泥石流形成所需的物源和水源,抑制其发生;在沟道流通区修建各类拦挡坝和防护网,拦挡泥石流固体物质,减小泥石流规模,防止对下游房屋公路等造成破坏;在沟道的堆积区修建排导槽、停淤场等,对于穿过泥石流堆积扇的公路往往采用下穿隧道、桥梁、明硐、渡槽、过水路面等方式,避免泥石流堆积淤埋。对一些大型低频泥石流,采用多种工程综合运用的模式,取得了良好的效果。甘肃舟曲低频泥石流采用拦为主,拦排结合的工程措施,配合生物措施效果显著[73];针对西山区特殊的地形地貌、丰富的物源和水源条件,陈宁生[74]提出土木工程和生物工程相结合的综合防治体系;金川县曾达沟低频泥石流暴发时工程防治与群测群防相结合的模式,有效避免了820人员死亡[75]。在汶川地震以后,川西泥石流进入新的活跃期,尽管国家投入大量人力和财力,但是治理速度远赶不上新增速度,在此背景下,非工程防治措施群测群防体系在防灾减灾中发挥重要作用。2018年7月19日,群测群防人员提前10 min预警四川玻璃村滑坡有效避免281人死亡。也有相关文献认为[76-77]泥石流工程防治主要针对高频泥石流,若对低频泥石流进行工程防治往往需要花费大量人力和财力,得不偿失,且效果不明显,因此对于低频泥石流主要采取“预防为主,治理为辅”的原则。

针对公路泥石流的危害形式,其防治应当以“公路及其构筑物安全稳定,确保交通畅通无阻”为指导思想。公路泥石流的防治模式由泥石流的性质、跨越泥石流沟的部位、泥石流沟与主河的关系、公路的重要性等综合决定,目前尚未形成单一固定的防治模式。针对西山区公路跨越不同部位的低频泥石流,高云建[78]对公路横跨堆积区、桥梁跨沟、下穿隧道,采取不同防治模式。陈洪凯[79]提出横跨黏性泥石流堆积扇的公路以隧道的形式跨越泥石流沉积区;在抗冲刷方面,刘丽[80]将格宾箱体结构和格栅笼与传统浆砌挡墙相结合应用于国道315线茫崖—且末段取得良好效果;针对具有大冲大淤、沖淤路径变得大的大型及特大型公路泥石流,唐红梅[81]采用速流结构、底埋隧道、翼型墩汇流技术及糙桩技术相组合的综合治理模式表现出良好的治理效果;针对我国西部地区类别多样、成灾防治多变的特性,魏学利[82]提出了不同防治分类下的公路泥石流防治模式。崔鹏[83]认为道路泥石流防治主要是减轻、避免泥石流对车辆与道路设施的冲毁和淤埋,提出以“排”和“避”为主的道路泥石流防治理念。

3 川西山区公路沿线低频泥石流研究趋势

川西低频泥石流活动加剧,虽然研究已经取得了阶段性成果,但仍然还有一些问题亟需解决。未来川西山区公路沿线低频泥石流的研究方向应侧重于以下几个方面:

1)高频泥石流暴发频繁,人们往往对于此类泥石流具有足够的重视。但缺乏对于一些长期未发生泥石流的沟谷的判别与调查,特别是植被覆盖度较好的沟谷。未来应当加强对近几十年未发生泥石流沟谷的判识与排查,特别是区域性的、重大交通干线沿线的低频泥石流,并对潜在泥石流沟采取相应的防治措施。此外,人们对于低频泥石流危害认识不足,低频泥石流平缓的堆积扇很容易成为人们居住、生产的场所。未来应当加强监测预警,加大科普宣传力度、组织人员群众进行应急演练,建立完善群测群防体系,强调灾害风险管理,提高防灾减灾能力。

2)目前川西低频泥石流形成机制的研究主要集中在泥石流形成的三大条件(物源、水源、地形地貌),但随着全球性地质活动程度加剧、极端气象条件频繁出现的宏观地学背景下,加之研究区位于龙门山断裂带、鲜水河断裂带、安宁河断裂带上,构造运动活跃,地震频发。在此背景下川西低频泥石流灾情急剧恶化。然而目前还尚未揭示低频泥石流的成因,如泥石流发生前的异常极端天气如何影响泥石流形成尚未明确。

3)在防治模式方面,当前研究主要集中在单沟小流域的综合防治体系以及某种特定功能下的工程措施研究,研究重视公路水毁防治技术,但是缺乏系统性、针对性,治理工程缺乏规范,工程形式单一。特别对于公路这种线性工程,其横跨多个地貌单元,地形起伏大、地层岩性多变、地质构造复杂,这导致沿线泥石流沟类型、规模差异大。此外,公路跨越泥石流沟道部位不同,公路的重要性不同,而公路泥石流的防治原则和模式又与工程特性、泥石流活动特征密切相关,公路沿线泥石流沟防治措施需要因害设防。如何把公路的易损性和重要性相结合,详细探讨不同情况下的防治模式与原则,还需要未来进一步研究与实践。

4 结语

在全球极端天气频发的大背景下,低频泥石流尤其是重大交通干线沿线低频泥石流危害日渐凸显。围绕低频泥石流的发育特征、形成机制、启动机理、运动特征、灾害监测、工程防治等已展开大量研究,但是由于低频泥石流成因的复杂性,交通干线沿线泥石流防治的多变性,川西山区地理位置的特殊性,该地区交通干线低频泥石流的发育特征和防治模式的研究依然任重而道远。未来应加强前期极端异常天气对低频泥石流形成分析,针对重大交通干线沿线隐蔽性强、类型多样、致灾方式多变的低频泥石流,提出相对应的防治模式。