青海省祁連縣小冬筍泥石流形成機(jī)理及治理方法研究

(成都理工大學(xué) 四川 成都 610059)

一、引言

本文作者在“祁連縣祁連山‘山水林田湖’生態(tài)修復(fù)”項(xiàng)目的工作中發(fā)現(xiàn)：研究區(qū)山前地帶中土質(zhì)滑坡[1-2]轉(zhuǎn)化為泥石流的致災(zāi)模式非常發(fā)育[3]，其具有分布廣泛、危害大、致災(zāi)能力強(qiáng)的特點(diǎn)，尤其是近年來，此類地質(zhì)災(zāi)害的愈演愈烈直接威脅到研究區(qū)的經(jīng)濟(jì)建設(shè)以及“山水林田湖”命運(yùn)共同體[4-5]的保護(hù)。

對于泥石流，學(xué)者們主要針對的是短歷時強(qiáng)降雨條件下泥石流的預(yù)警計(jì)算模型[6-7]、形成條件[8-10]、危險(xiǎn)性評價[11-12]以及防治措施[13-14]的研究。但本研究區(qū)屬高原大陸性氣候，氣象特點(diǎn)為降水量少，蒸發(fā)量大，同時還應(yīng)考慮季節(jié)性凍融對誘發(fā)泥石流的影響。另一方面，針對研究區(qū)當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)災(zāi)害[15-17]和地表生態(tài)[18]研究相對較少，且由于不同歷史時期工作的側(cè)重點(diǎn)不同，二者彼此之間缺乏聯(lián)系，并沒有考慮到“山水林田湖”命運(yùn)共同體的概念。

本文選取的研究對象小冬筍泥石流，位于青海省祁連縣阿咪東索景區(qū)內(nèi)，目前其堆積體已經(jīng)破壞了景區(qū)道路，堵塞了河道，對景區(qū)的地表生態(tài)以及人類的生命財(cái)產(chǎn)構(gòu)成

了嚴(yán)重威脅(圖1)，且該泥石流仍在繼續(xù)發(fā)展。開展該項(xiàng)研究為進(jìn)一步認(rèn)識該地區(qū)泥石流災(zāi)害提供參考，由于目前小冬筍泥石流還未進(jìn)行治理，該研究同時可為其防災(zāi)減災(zāi)提供依據(jù)。

圖1 小冬筍泥石流堆積體掩埋溝口道路、堵塞河道

二、小冬筍泥石流孕育條件分析

泥石流的形成具備3個基本條件：地形條件、水源條件和物源條件，地形相對高度提供的勢能和勢能轉(zhuǎn)化的動能以及水源徑流提供的動能共同構(gòu)成了泥石流形成的主要能量來源。小冬筍流域內(nèi)的滑坡物源為泥石流的啟動提供了松散物質(zhì)，有利于泥石流活動。

(一)地形條件

小冬筍流域中下游呈現(xiàn)典型的樹葉型，上游為一條長2550m的高山峽谷(圖2)，溝域面積4.72km2，流域最高點(diǎn)為南部山脊，最高海拔4260m，最低點(diǎn)位于主溝道與景區(qū)公路交匯處，海拔3092m，相對高差1168m，流域平均溝床縱比降233‰。小冬筍流域上游段較為狹窄，呈現(xiàn)“V”型谷，平均縱坡354‰，下游溝谷寬度略大，溝谷寬度約為60～50m，平均縱坡為108‰。綜上所述，小冬筍流域具備了泥石流發(fā)生的地形條件和動力條件。

圖2 小冬筍流域示意圖(引自Google)

(二)水源條件

小冬筍流域地處大陸性高原-高山-嚴(yán)寒氣候帶，氣象特點(diǎn)為降水量少，蒸發(fā)量大，季節(jié)性凍融作用強(qiáng)烈。因此，將小冬筍流域的水源條件分為：降雨(雪)條件和季節(jié)性凍融兩個方面。

降雨(雪)條件：年平均降水量為273.5～394.7mm，最大日降水量40.5mm，全年降水量的80%以上集中在6～9四個月，地勢每上升1000m，年降水量增加約200～390mm，蒸發(fā)量減少約50～400mm。

季節(jié)性凍融：研究區(qū)屬多年凍土區(qū)，季節(jié)性凍融發(fā)育，陰坡3500m及陽坡3800m為多年凍土下界，標(biāo)準(zhǔn)凍結(jié)深度250cm。此外，根據(jù)相關(guān)溫度監(jiān)測結(jié)果[19](圖3)顯示，深度0.5m和0.7m處傳感器在6～9月和7～9月監(jiān)測的月平均溫度在0℃以上，深度3.3m及更深處傳感器全年監(jiān)測的溫度均在0℃一下。

圖3 溫度監(jiān)測結(jié)果

小冬筍流域縱坡陡峻，利于地表水的匯流，同時在上述兩方面因素共同作用下，為該泥石流的發(fā)生提供了有利的水源條件。

(三)物源條件

通過現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)小冬筍流域內(nèi)物源主要為滑坡物源和溝道堆積體物源，其中滑坡物源主要分布于流域中游兩岸，其中左岸(海拔3164～3360m)為小冬筍主滑坡(圖4)，規(guī)模較大，為泥石流形成的主要物源，右岸(海拔3207～3313m)分布多處小規(guī)?；?圖5)。溝道堆積體物源主要分布于流域中游主溝道內(nèi)(圖6)。通過計(jì)算，該流域物源總量43.6萬m3，其中左岸主滑坡物源36.6萬m3，右岸滑坡群物源5萬m3，溝道堆積體物源2萬m3。目前小冬筍泥石流主要由左岸主滑坡發(fā)生流動堆積而形成。

從物源分布位置上看，物源主要分布于小冬筍流域中游段，物源具有相對集中的特點(diǎn)。上述物源為小冬筍泥石流的孕育和發(fā)生提供了物源條件。

圖4 小冬筍主滑坡

圖5 右岸滑坡群及溝道堆積體物源

三、小冬筍泥石流形成機(jī)理

(一)小冬筍泥石流發(fā)生及運(yùn)動特征

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查和訪問，小冬筍主滑坡發(fā)生于2008年前后，起先為一規(guī)模較大的淺層土質(zhì)滑坡，主滑體沿斜坡表面滑動之后趨于穩(wěn)定，滑坡后緣由于形成新的臨空面，發(fā)生牽引式小滑塌，后緣滑塌的不斷擴(kuò)展使主滑坡的范圍和方量不斷增加。當(dāng)時阿咪東索景區(qū)尚未建立，且滑坡無直接威脅對象，并沒有引起相關(guān)部門重視。但自2015年開始，受全球性氣候影響，青海省東北部地區(qū)出現(xiàn)55年以來的年平均最高氣溫5.6℃[20]。主滑體所在斜坡積雪相對往年消融量增大，流水沿地表徑流匯聚至主滑坡拉線槽內(nèi)，與此同時斜坡凍土層消融增強(qiáng)，消融水沿地下流水孔隙也匯聚至主滑坡拉線槽內(nèi)。最終主滑體多處潰決，水流裹挾滑體的松散物質(zhì)帶往下游，在流域下游左岸，及下游主溝道中形成堆積。其中主滑體上一處決口形成的泥石流堆積淤塞了主溝道，形成堰塞湖，在流域上游冰雪和凍土消融量增加的影響下，導(dǎo)致主溝道水流量變大，同時流域中游右岸處于凹岸，在流水掏蝕和水位上升的共同作用下，流域中游右岸發(fā)生多處滑坡，形成流域中游右岸滑坡群。

圖6 地下水、地表水流動掏蝕滑體

圖7 小冬筍主滑坡滑體多處潰決形成泥石流

綜上所述，小冬筍泥石流具有暴發(fā)突然、持續(xù)時間短、物源量大等特點(diǎn)，并且流域內(nèi)仍然有大量物源，具有再次暴發(fā)的可能性。

(二)小冬筍泥石流形成機(jī)理分析與討論

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，現(xiàn)對小冬筍泥石流的形成機(jī)理做如下四點(diǎn)分析與討論：

1.關(guān)于小冬筍主滑坡的形成機(jī)理

小冬筍主滑坡位于流域中游左岸山前傾斜平原處，主要是由上更新統(tǒng)冰水洪積物(Q3fgl-pl)構(gòu)成，為含泥砂礫卵石層、碎石層夾亞砂土透鏡體，結(jié)構(gòu)松散，分選差，礫石成份以變質(zhì)巖、花崗巖為主。起初，主滑坡的規(guī)模相較現(xiàn)在略小，主要誘因是由于冰雪和凍土的消融增加了土體的含水量，軟化了潛在滑動面，增加了孔隙水壓力，使?jié)撛诨瑒用娴目辜魪?qiáng)度降低，也增大了滑體的比重和下滑力，與此同時地下水的變化也使得坡體內(nèi)的動水壓力變大，最終導(dǎo)致主滑坡的失穩(wěn)。

將現(xiàn)場調(diào)查的現(xiàn)象與2017年9月發(fā)生的青海玉樹稱多縣牧場山體垮塌——“草皮滑坡”[21]類比發(fā)現(xiàn)，小冬筍主滑坡與之類似?；掳l(fā)生之后，滑體沿斜坡表面向下部“流動”，這是由于草皮相對來說是不透水層，導(dǎo)致本就結(jié)構(gòu)疏松的滑帶土飽和含水率大于液限，而上部滑體的飽和含水率未達(dá)到液限，這就形成了滑體在草皮上“流動”的現(xiàn)象。

主滑體滑動之后，滑坡后緣斜坡出現(xiàn)臨空面，抗滑力減小，致使后緣斜坡產(chǎn)生變形，坡面出現(xiàn)裂縫。同時新的臨空面形成改變了原有的微地貌，原地下水平緩浸潤線阻斷，出水口下移，浸潤線變陡，加之坡面出現(xiàn)的裂縫為地下水和地表水的下滲提供了通道，在有相應(yīng)隔水層的地段，裂縫可能會穿透隔水層，使水流滲入到斜坡的更深處。潛在滑動面遇水軟化之后，其孔隙水壓力增加，抗剪強(qiáng)度降低，上部土體重度增加，土體內(nèi)部產(chǎn)生一定的靜水壓力，其動水壓力也隨之變大，形成牽引式破壞，導(dǎo)致小冬筍主滑坡規(guī)模不斷擴(kuò)大。最后冰雪和凍土的消融加劇，對該變形破壞起到了催化作用。

圖8 小冬筍主滑坡與青海玉樹“草皮滑坡”類比

圖9 主滑坡后緣牽引式滑塌

2.關(guān)于小冬筍滑坡群的形成機(jī)理

小冬筍主滑坡發(fā)生之后，改變了原有斜坡的微地貌和地下、地表水的流通途徑，致使水流在滑坡拉線槽匯集，最終導(dǎo)致滑體局部潰決。其中一處潰決形成的泥石流堵塞了主溝道，使堰塞壩后部水位線迅速升高，增大了流域右岸斜坡的浸水面積，降低了潛在滑面上的有效應(yīng)力和滑帶強(qiáng)度，導(dǎo)致其顆粒間的黏結(jié)力和摩阻系數(shù)減小，削弱了斜坡的穩(wěn)定性。另一方面，斜坡內(nèi)部的地下水位不斷升高使?jié)撛诨瑒用骘柡?，減小了其抗剪強(qiáng)度，潛在滑動面以上部分虛壓力大于實(shí)壓力體，斜坡下部被淹沒產(chǎn)生浮托力，浸水土體的有效質(zhì)量因孔隙水壓力發(fā)生改變，降低了斜坡穩(wěn)定性?；氯核幍男逼挛挥诹饔虬及?，流水對坡腳的掏蝕作用強(qiáng)烈，與此同時，冰雪和凍土的消融加劇，改變了土體的含水量和滲流場的變化。在上述因素的共同作用下，形成了堰塞壩上游的滑坡群。

圖10 主溝道堰塞湖和后緣滑坡群

3.小冬筍流域上游屬于高山峽谷地貌，溝道縱坡較大，流域中游兩岸斜坡區(qū)坡度較陡。陡峻的地形條件為泥石流的形成提供了充足的勢能。同時溝谷兩岸斜坡匯流面積大，巖土體結(jié)構(gòu)相對松散，滑坡發(fā)生之后形成的凹槽使得地表徑流和地下水易于匯流。

4.氣候變化對泥石流形成的影響

小冬筍泥石流發(fā)生于2015年，該年份氣候變化異常，達(dá)到55年來青海省東北部最高氣溫5.6℃。溫度的升高，使該流域的冰雪和凍土消融更加強(qiáng)烈。除了對土體的物理力學(xué)性質(zhì)有直接影響外，當(dāng)土體處于凍土狀態(tài)時，可以減少雨水和冰雪融水的入滲，對地表徑流和陸面水文循環(huán)起到調(diào)節(jié)作用，因而凍土的消融必定會對該地區(qū)的水文循環(huán)產(chǎn)生影響。相關(guān)的研究表明[22-25]，凍土區(qū)的地表徑流和地下徑流增加與凍土消融有直接關(guān)系。以上冰雪和凍土的消融，為小冬筍泥石流的暴發(fā)提供了充足的水源條件，是泥石流發(fā)生的直接誘因。

(三)小冬筍泥石流發(fā)展趨勢分析

小冬筍泥石流的暴發(fā)說明當(dāng)遇到異常氣候，溫度升高，冰雪和凍土消融加劇時，該地區(qū)山區(qū)極易發(fā)生類似的滑坡、泥石流活動。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查的結(jié)果，現(xiàn)今小冬筍流域內(nèi)還存在大量的固體物源，2015年發(fā)生的泥石流絕大部分堆積在流域下游主溝道內(nèi)，仍然作為溝道松散堆積物源存在，并且流域中游堰塞壩已經(jīng)堵塞溝道。目前，小冬筍泥石流仍處于形成期-發(fā)展期，因此，在原本水動力條件較好的前提下，如遇氣候異常變化或強(qiáng)降雨時，小冬筍流域發(fā)生泥石流災(zāi)害的可能性仍然很大。

四、防治方案及建議

根據(jù)以上分析，小冬筍流域存在的大量松散堆積體物源和堰塞壩可能會降低泥石流啟動的臨界水源條件?，F(xiàn)階段該泥石流的威脅對象為溝口公路、河流以及阿咪東索景區(qū)，但是從更深層次的“山水林田湖”命運(yùn)共同體的角度來看，其對地表生態(tài)(1.地形地貌；2.表層土壤；3土壤種子庫；4植被及種類)的威脅影響更加深遠(yuǎn)。因此，針對小冬筍流域的防治方案應(yīng)綜合考慮地表生態(tài)效應(yīng)和地質(zhì)災(zāi)害等多方面因素，現(xiàn)作者提出如下建議：

(一)場地平整結(jié)合局部護(hù)坡

首先，對流域左岸的主滑坡及斜坡上的泥石流堆積體進(jìn)行最大限度的場地平整和壓實(shí)，盡可能的恢復(fù)原始的地形地貌景觀。其次，針對流域右岸的滑坡群，其主要特點(diǎn)就是規(guī)模較小，但是數(shù)量眾多，因此建議采用格賓擋墻對滑坡群進(jìn)行支擋，主要優(yōu)點(diǎn)是：石籠內(nèi)的石材可以就地取材；即對滑坡進(jìn)行了支擋，也防止水流對坡腳的掏蝕；格賓擋墻易于與植被恢復(fù)方案結(jié)合。再次，對主溝道堰塞壩進(jìn)行逐步疏通，防止其突然潰決，暴發(fā)新的災(zāi)害。最后，對主溝道內(nèi)的泥石流堆積體進(jìn)行場地平整和壓實(shí)，平整為中間略高，兩側(cè)略低的地形，為下一步截排水工程的實(shí)施做好鋪墊。

(二)截排水工程結(jié)合植被恢復(fù)

在場地平整的基礎(chǔ)上，對小冬筍流域?qū)嵤┙嘏潘こ?，以減少地表和地下徑流對物源及斜坡穩(wěn)定性的影響。針對主滑坡和滑坡群，沿滑坡邊界范圍外設(shè)置截、排水溝，并在主滑坡場地平整范圍內(nèi)設(shè)置排水溝，同時在主溝道堆積體兩側(cè)設(shè)置排水溝，并在主溝道堆積體上部設(shè)置截、排水溝，降低水流對平整場地后的斜坡穩(wěn)定性的影響。最后，在上述工作的基礎(chǔ)上，針對平整后的場地、滑坡群的格賓擋墻，進(jìn)行植被恢復(fù)，植被選取流域內(nèi)的原生植被，在植被恢復(fù)場地內(nèi)如遇不易植被生長的土壤，應(yīng)在表層回填耕植土，以提高植被的存活率。

(三)實(shí)時監(jiān)測結(jié)合臨災(zāi)預(yù)警

由于流域內(nèi)目前無泥石流監(jiān)測措施，建議加強(qiáng)水源量監(jiān)測，尤其是針對冰雪和凍土消融季節(jié)土壤含水量的監(jiān)測。在6～9月消融季節(jié)和雨季應(yīng)加強(qiáng)群防群治，設(shè)置專門的巡視人員，做好應(yīng)急準(zhǔn)備，必要時啟動防災(zāi)預(yù)案進(jìn)行撤離。最后應(yīng)對恢復(fù)的植被進(jìn)行養(yǎng)護(hù)和監(jiān)測，確保植被恢復(fù)率達(dá)到相應(yīng)指標(biāo)。

五、結(jié)論

在野外調(diào)查和上述分析的基礎(chǔ)上，作者得出以下三點(diǎn)結(jié)論：

(1)小冬筍泥石流目前處于形成期-發(fā)展期，其上游為高山峽谷地貌，中下游流域近似樹葉狀，流域面積4.72km2，物源方量43.6萬m3，主溝平均縱坡降為233‰。

(2)小冬筍泥石流形成原因主要是冰雪和凍土消融改變了斜坡土體的含水量，影響了土體的物理力學(xué)性質(zhì)，2008年主滑坡發(fā)生之后，其后緣不斷發(fā)生牽引式滑動，使主滑坡范圍不斷擴(kuò)大。在2015年氣候變化異常，冰雪和凍土消融加劇，地表和地下徑流匯聚于主滑坡拉線槽內(nèi)，最終導(dǎo)致主滑體局部潰決形成泥石流。

(3)目前，小冬筍流域內(nèi)仍然堆積有大量物源，如遇氣候異常變化或強(qiáng)降雨時，其發(fā)生泥石流災(zāi)害的可能性很大。文章最后在地表生態(tài)和地質(zhì)災(zāi)害相結(jié)合的前提下，提出以場地平整、局部護(hù)坡、截排水工程、植被恢復(fù)和監(jiān)測預(yù)警的綜合治理方案。