雅魯藏布江色東普溝崩滑-碎屑流過程模擬及運(yùn)動(dòng)特征分析

李昆仲，張明哲，邢愛國

（1.西藏自治區(qū)地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站，西藏 拉薩 850001；2.上海交通大學(xué)海洋工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200240）

0 引言

西藏自治區(qū)地質(zhì)環(huán)境脆弱、地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜。區(qū)內(nèi)超過85%的面積在海拔4 000 m 以上，高山峽谷縱橫、高陡斜坡發(fā)育。受地震活動(dòng)、降雨和氣候變暖等因素影響，近年來特大高位遠(yuǎn)程地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)，造成了重大的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失[1?3]。西藏自治區(qū)是我國冰川面積最大的省區(qū)，冰川總面積28 664 km2，占全國冰川總面積的48%[4]。氣候變化導(dǎo)致冰川消融加速，冰崩災(zāi)害頻發(fā)。冰崩啟動(dòng)時(shí)攜帶或在運(yùn)動(dòng)時(shí)鏟刮裹入冰屑而形成特殊的含冰碎屑流，動(dòng)力過程極其復(fù)雜，破壞能力較大，易引發(fā)碎屑物堵塞河道、冰湖潰決等次生災(zāi)害[5?8]。2018年10月17日西藏自治區(qū)雅魯藏布江西岸色東普溝(N29°45′1.47″，E94°56′14.37″)發(fā)生冰崩巖崩，沖刷侵蝕下部冰積堆積體和溝床松散堆積物，形成碎屑流沖入雅魯藏布江，堆積后形成堰塞壩堵塞河道。上游回水嚴(yán)重威脅加拉村、直白村和赤白村公路水利設(shè)施、電力通訊設(shè)施和耕地等。堰塞壩潰決嚴(yán)重破壞了下游墨脫縣、墨脫亞讓水電站，16 600 人受災(zāi)，0.34 km2耕地受災(zāi)，7 km 公路受損，初步估算經(jīng)濟(jì)損失3×108元以上。

目前國內(nèi)外對(duì)于色東普溝崩滑-碎屑流的研究主要集中在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和滑坡機(jī)理研究等[9?11]，也有學(xué)者用色東普溝崩滑災(zāi)害引發(fā)的地震波信號(hào)分析災(zāi)害誘發(fā)歷史及強(qiáng)度特征[12]。上述相關(guān)研究成果為本文提供了理論基礎(chǔ)，但是針對(duì)色東普溝崩滑-碎屑流運(yùn)動(dòng)全過程的動(dòng)力學(xué)研究較少。因此，本文在現(xiàn)場(chǎng)勘查基礎(chǔ)上，利用DAN3D軟件反演了色東普溝崩滑-碎屑流運(yùn)動(dòng)全過程，分析其動(dòng)力學(xué)特性，確定合理的數(shù)值分析流變模型和參數(shù)；通過物探解譯結(jié)果驗(yàn)證數(shù)值模擬的可靠性，為數(shù)值分析流變模型及參數(shù)的校驗(yàn)提供了新途徑。

1 色東普崩滑-碎屑流基本概況

1.1 研究區(qū)環(huán)境條件

色東普溝崩滑-碎屑流位于米林縣派鎮(zhèn)加拉村，雅魯藏布江左岸色東普溝。該溝流域面積約66.8 km2，坡度大于30°的流域面積占總面積的61.6%；地形上呈陡-緩的地勢(shì)，區(qū)域整體為南低北高，最高點(diǎn)位于流域北東側(cè)，海拔7 283 m，最低點(diǎn)位于溝道溝口處，海拔2 750 m，溝域相對(duì)高差4 533 m；冰川極為發(fā)育，終年冰川面積23.6 km2，約占流域面積的35%。根據(jù)地形和溝域情況，共可劃分15 座冰川山峰，雪線海拔在4 200 m 左右；溝域形態(tài)呈“樹葉”狀，由主溝和多條支溝組成，支溝中有4 條較大的支溝，整個(gè)流域衛(wèi)星圖見圖1。米林縣氣候?qū)俑咴瓬貛О霛駶?rùn)季風(fēng)氣候區(qū)，崩滑-碎屑流暴發(fā)期間，日最高溫度在15 ℃左右，最低溫度在?5～0 ℃(圖2a)，該溫度范圍有利于泥石流的暴發(fā)。區(qū)域內(nèi)降雨多集中在6—9月份，色東普流域氣象站顯示，在2018年10月17日崩滑-碎屑流發(fā)生前2—4 天出現(xiàn)過集中降水(圖2b)。

圖1 色東普溝崩滑-碎屑流地理位置Fig.1 Location of the ice avalanche-debris flow in Sedongpu Basin

圖2 色東普流域氣溫、降水變化曲線Fig.2 Temperature and precipitation variation in Sedongpu Basion

2018年10月17日該溝發(fā)生大規(guī)模崩滑-碎屑流災(zāi)害，堵斷雅魯藏布江干流并形成堰塞湖，泥石流沖出堆積量約2.05×107m3。10月19日13 時(shí)30 分左右堰塞體局地出現(xiàn)過流，20日9 時(shí)50 分堰塞湖壩前水位基本恢復(fù)至災(zāi)前水位。

1.2 崩滑-碎屑流分區(qū)

根據(jù)色東普溝崩滑-碎屑流運(yùn)動(dòng)和堆積特征，將其分為崩滑區(qū)、流通區(qū)和堆積區(qū)（圖3）。

圖3 色東普溝主溝剖面圖Fig.3 Longitudinal profile of the main gully in Sedongpu Basin

(1)崩滑區(qū)：崩滑區(qū)面積約52.42 km2，海拔多在4 000 m 以上，分布于冰川頂至下部冰斗、冰舌溝段，距離主溝約1～3 km。上部冰川縱坡較陡，坡度多在40°～50°，坡頂可達(dá)60°，該區(qū)長(zhǎng)年冰雪覆蓋，基巖出露，風(fēng)化凍融凍脹作用強(qiáng)烈，易產(chǎn)生巖質(zhì)崩塌，堆積在坡腳處；下部冰斗、冰舌處坡度在15°～25°，局部可達(dá)8°～10°，長(zhǎng)期的冰水堆積作用形成厚度超過10 m 的冰積和冰磧物源。在上部產(chǎn)生大規(guī)模的冰崩、雪崩或巖崩時(shí)，這類堆積物質(zhì)被大量刨鏟帶走。該區(qū)主要為崩滑-碎屑流的形成匯集水源和提供水動(dòng)力條件、物源條件。

(2)流通區(qū)：該區(qū)位于溝道形成區(qū)以下至溝口堆積區(qū)以上，面積約14.18 km2，溝道長(zhǎng)度6.79 km，平均坡降182‰。根據(jù)地形和溝道可分為上、下兩段。

上段：為冰舌末端至冰蝕凹地前緣，長(zhǎng)度3.48 km，平均坡降144‰，以冰水堆積為主。早期冰川退縮后，在冰蝕凹地處堆積大量的冰磧物，厚度超過30 m，并形成小規(guī)模的冰湖。1～3 支溝及主溝上部的冰積物源，被冰雪及降雨攜帶，堆積在流通區(qū)上段冰蝕凹地內(nèi)，形成上部寬度約2.0 km，下部寬度約1.0 km 的溝道堆積物源。近期，隨著全球變暖冰川融化和降雨沖刷作用，原來堆積的固體物質(zhì)大量被沖刷帶走，亦形成泥石流的溝道固體物源。

下段：該段長(zhǎng)度3.31 km，地形較陡，平均坡降222‰，為深切V 型溝谷，溝道已可見基巖出露。在暴雨和泥石流的沖刷、側(cè)蝕作用下，兩岸坡腳堆積體不斷被掏空，斜坡穩(wěn)定性降低，最終發(fā)生垮塌，參與碎屑流活動(dòng)。在經(jīng)歷過2017年和2018年兩次特大規(guī)模的泥石流后，溝道兩側(cè)150～250 m 范圍內(nèi)的絕大多數(shù)的固體物質(zhì)，已被沖刷帶走，兩側(cè)坡體已可見明顯的基巖出露，溝床后期以沖刷底蝕作用為主。

(3)堆積區(qū)：堆積體主要分布溝口附近，長(zhǎng)度2.0 km，寬度0.6 km，堆積厚度20～40 m，堆積體總體積2.40×107m3。目前，大部分仍堆積在溝口，未被水流沖刷帶走。

2 崩滑-碎屑流動(dòng)力學(xué)分析

2.1 DAN3D 簡(jiǎn)介

DAN(Dynamic Analysis)是加拿大學(xué)者HUNGR[13]開發(fā)的等效流體動(dòng)力分析軟件，是滑坡動(dòng)力分析的重要工具之一，在高速遠(yuǎn)程滑坡模擬中已有較多的應(yīng)用[14?16]，其基本思想是將滑體等效為連續(xù)介質(zhì)流體模型，通過不同流變關(guān)系，設(shè)定滑坡的運(yùn)動(dòng)路徑，模擬運(yùn)動(dòng)速度、時(shí)間、路程以及堆積體等特征。多項(xiàng)研究表明，F(xiàn)rictional模型結(jié)合Voellmy 模型能較好的模擬滑坡動(dòng)力特征[17?19]，因此本文選用Frictional-Voellmy 復(fù)合模型反演色東普溝崩滑-碎屑流的運(yùn)動(dòng)過程。

Frictional 方程假設(shè)抗剪強(qiáng)度(τ)與正應(yīng)力(σ)有如下關(guān)系：

式中：ru?孔隙水壓力系數(shù)(即孔隙水壓力與基底正應(yīng)力之比)；

φ?動(dòng)摩擦角/(°)。

其中，孔隙水壓力系數(shù)和動(dòng)摩擦角之間有如下關(guān)系：

孔隙水壓力系數(shù)(ru)和動(dòng)摩擦角(φ )可用綜合摩擦角(φb)表示，即：

Voellmy 模型假設(shè)滑體受到的阻力來源于摩擦力和湍流造成的阻力之和，表達(dá)式為：

式中：f?摩擦系數(shù)，等同于t anφb；

ρ?滑體密度；

g?重力加速度；

v?滑體平均速度；

ξ?紊流系數(shù)，與碎屑流的運(yùn)動(dòng)速度和密度有關(guān)。

2.2 模型及參數(shù)選取

根據(jù)1∶10 000 的比例尺生成的色東普溝崩滑-碎屑流數(shù)字高程模型如圖4所示。通過試錯(cuò)反演，在崩滑區(qū)采用Frictional 模型，流通區(qū)和堆積區(qū)采用Voellmy模型，反演得到一組最優(yōu)計(jì)算參數(shù)如表1所示。

圖4 色東普溝崩滑-碎屑流數(shù)字高程模型Fig.4 Digital elevation model of the ice avalanche-debris flow in Sedongpu Basin

表1 流變模型和計(jì)算參數(shù)Table 1 Rheological model and simulation parameters

2.3 DAN3D 運(yùn)動(dòng)過程模擬結(jié)果

利用DAN3D計(jì)算的色東普溝崩滑-碎屑流運(yùn)動(dòng)全過程如圖5。

模擬結(jié)果表明：色東普溝崩滑-碎屑流運(yùn)動(dòng)時(shí)長(zhǎng)約480 s，最遠(yuǎn)運(yùn)動(dòng)距離10 000 m，平均運(yùn)動(dòng)速度20.83 m/s。

0～30 s 階段，上部冰川發(fā)生大規(guī)模的冰崩，并混雜巖崩。崩塌體啟動(dòng)后，沿NE-SW 方向運(yùn)動(dòng)，鏟蝕下部陡坡，坡面可見明顯的冰川擦痕和溝槽。30 s 時(shí)滑體離開崩滑區(qū)，進(jìn)入流通區(qū)。60～150 s 階段，滑體運(yùn)動(dòng)于流通區(qū)上段，此段堆積有大量的冰磧物質(zhì)，伴有小型冰水湖泊，滑體運(yùn)動(dòng)到該處時(shí)，將其全部沖刷帶走。150～250 s 階段，滑體運(yùn)動(dòng)于流通區(qū)下段，沖刷冰磧溝道物質(zhì)和流通區(qū)兩側(cè)的固體物質(zhì)，于300 s 時(shí)運(yùn)動(dòng)至雅魯藏布江河道。350 s 時(shí)，滑體前緣運(yùn)動(dòng)至河道對(duì)岸。至480 s，滑體后緣停止運(yùn)動(dòng)，堆積形態(tài)不再變化，滑體停止運(yùn)動(dòng)。最終堆積形態(tài)如圖5（i）所示，堆積體大致呈扇形分布，最大堆積厚度30 m，平均厚度20 m，右岸堆積體最寬1 200 m。DAN3D模擬得到的滑坡堆積范圍與實(shí)際較為吻合。

圖5 崩滑-碎屑流過程不同時(shí)刻滑坡堆積形態(tài)Fig.5 Time-lapse image of deposit distribution during the ice avalanche-debris flow in Sedongpu Basin

崩滑-碎屑流模擬鏟刮分布如圖6所示，高程3 200～4 200 m 位置處，鏟刮深度較大，平均鏟刮深度20 m，最大鏟刮深度35 m?，F(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，色東普溝高程4 000～4 200 m 處，災(zāi)后坡面呈溝域形態(tài)，有明顯切割，可見冰蝕擦痕，測(cè)量得實(shí)際鏟刮深度為20～40 m。在高程3 100～4 000 m 之間，溝內(nèi)無植被發(fā)育，堆積有大量泥、泥沙夾碎塊石的溝道堆積物，災(zāi)后實(shí)際鏟刮深度為30～40 m。與圖6DAN3D模擬結(jié)果對(duì)比發(fā)現(xiàn)，模擬得到的鏟刮分布與實(shí)際較為符合。

圖6 崩滑-碎屑流鏟刮分布Fig.6 Scraping distribution of the ice avalanche-debris flow

最大速度分布模擬結(jié)果如圖7所示。崩滑區(qū)高程較大，崩滑-碎屑流啟動(dòng)后，巨大的勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，滑體獲得較快的速度，在地形轉(zhuǎn)折處最大速度增加至24 m/s (運(yùn)動(dòng)距離2 000 m)?；w進(jìn)入流通區(qū)上段，地形坡度變緩，同時(shí)沖刷切割大量冰磧物質(zhì)，運(yùn)動(dòng)速度降低，最大速度降至8 m/s(運(yùn)動(dòng)距離4 500 m)?；w進(jìn)入流通區(qū)下段，坡度增加，運(yùn)動(dòng)速度再次增大，運(yùn)動(dòng)距離6 500 m處，最大速度達(dá)24 m/s。進(jìn)入堆積區(qū)后，溝道變寬，坡降變緩，泥石流流速逐步降低，直至沖入雅魯藏布江停積。將DAN3D模擬得到的速度分布與利用色東普溝崩滑-碎屑流地震波信號(hào)反演得到的運(yùn)動(dòng)速度[12]對(duì)比，發(fā)現(xiàn)二者較為吻合，證明了本次模擬的可靠性。

圖7 崩滑-碎屑流最大速度分布圖Fig.7 Maximum velocity contour of theice avalanche-debris flow

3 崩滑-碎屑流堆積物特征和內(nèi)部構(gòu)造的高密度電阻率法探測(cè)

物探是滑坡勘察的重要手段之一，為詳細(xì)了解滑坡堆積物深度和內(nèi)部結(jié)構(gòu)，本文利用高密度電法(Electrical Resistivity Tomography)測(cè)量了3 組縱向測(cè)線(ERT1-ERT3)和4 組橫向測(cè)線(ERT4-ERT7)，根據(jù)電阻率的大小、形態(tài)、變化趨勢(shì)，較為準(zhǔn)確地確定了堆積物與基巖的邊界。

3.1 測(cè)線布置

如圖8所示，物探測(cè)線位于色東普溝崩滑-碎屑流的流通區(qū)與堆積區(qū)，共3 條縱向剖面，4 條橫剖面。物探測(cè)線采用Wenner 電極陣列進(jìn)行電阻率測(cè)量，利用RES2Dinv 軟件對(duì)電阻率數(shù)據(jù)進(jìn)行反演分析[20]。

3.2 物探解譯結(jié)果

橫向測(cè)線(ERT4-ERT7)物探成果見圖9。結(jié)果顯示：不同剖面的滑坡沉積物厚度不同，同一剖面不同位置處也不相同。ERT7 剖面表層電阻率較低，在150 Ω·m以內(nèi)，推測(cè)為地表覆蓋層、堆積層。地表低阻層以下巖體電阻率逐漸升高，整體在2 000 Ω·m 以上，推測(cè)為較完整基巖。整條剖面堆積物深度變化不大，為5～18 m，最大堆積物厚度位于距測(cè)線起點(diǎn)400 m 處(圖9a)；ERT6剖面測(cè)量結(jié)果表明，該剖面表層電阻率在300 Ω·m 以內(nèi)，地表低阻層以下電阻率大于2 000 Ω·m，堆積物的深度范圍為10～20 m，最大堆積物厚度位于距測(cè)線起點(diǎn)180 m 處(圖9b)；ERT5 剖面表層電阻率在200 Ω·m 以內(nèi)，地表低阻層下巖體電阻率整體在2 000 Ω·m 以上，堆積物的深度范圍為5～15 m，最大堆積物厚度位于距測(cè)線起點(diǎn)60 m 處(圖9c)；ERT4 表層電阻率在300 Ω·m以內(nèi)，地表低阻層下巖體電阻率整體在1 500 Ω·m 以上，堆積物的深度范圍為10～12 m，最大堆積物厚度位于距測(cè)線起點(diǎn)50 m 處(圖9d)。

圖10為縱向測(cè)線(ERT1-ERT3)的物探成果，ERT1剖面位于河道堆積區(qū)內(nèi)，堆積物深度較大，深度范圍為10～29 m，最大堆積物厚度位于距測(cè)線起點(diǎn)200 m 處(圖10a)；ERT2 剖面位于流通區(qū)下段和堆積區(qū)，高程范圍2 750～3 000 m，堆積物深度范圍為5～40 m，最大堆積物厚度位于距測(cè)線起點(diǎn)1 420 m 處(圖10b)；ERT3 剖面堆積物深度范圍為10～19 m，最大堆積物厚度位于距測(cè)線起點(diǎn)420 m 處(圖10c)。

3.3 物探解譯與 DAN3D 模擬結(jié)果對(duì)比

DAN3D模擬得到的堆積物最終分布如圖8所示，堆積物的平均深度20 m，最大深度30 m。物探解譯與DAN3D模擬結(jié)果對(duì)比見表2和圖11。如表2所示，DAN3D模擬與物探解譯得到的最大碎屑流堆積厚度基本一致，在ERT2 測(cè)線處有一定差異，相差15 m，但在其他測(cè)線處較為吻合。如圖11所示，DAN3D可以較好地模擬此次崩滑-碎屑流堆積形態(tài)分布，盡管由于DAN3D模型將滑坡體視為了等效流體[21]，導(dǎo)致ERT4 測(cè)線處，DAN3D模擬值偏大2～4 m(圖11b)，堆積物深度被高估，但模擬的準(zhǔn)確性仍然較高。

圖8 崩滑-碎屑流物探測(cè)線分布Fig.8 ERT survey lines distribution of the ice avalanche-debris flow

4 結(jié)論

本文針對(duì)2018年10月17日色東普崩滑-碎屑流，基于真實(shí)遙感影像建立三維數(shù)值模型，利用DAN3D分析其動(dòng)力學(xué)特征，在野外探測(cè)基礎(chǔ)上，結(jié)合高密度電阻率法分析了滑體的堆積特征，得到如下結(jié)論：

(1)利用動(dòng)力學(xué)模型DAN3D反演得到碎屑流堆積特征與滑體運(yùn)動(dòng)速度、鏟刮深度等動(dòng)力特征參數(shù)，發(fā)現(xiàn)Frictional-Voellmy 復(fù)合模型具有很好的模擬效果，并通過反演試算給出最佳流變參數(shù)。結(jié)果表明，色東普溝崩滑-碎屑流運(yùn)動(dòng)時(shí)長(zhǎng)約480 s，最遠(yuǎn)運(yùn)動(dòng)距離10 000 m，平均運(yùn)動(dòng)速度20.83 m/s。通過對(duì)比，發(fā)現(xiàn)DAN3D模擬得到的運(yùn)動(dòng)持續(xù)時(shí)間和速度變化與地震波反演結(jié)果基本一致，最終堆積分布與現(xiàn)場(chǎng)勘察結(jié)果基本一致，證明模擬結(jié)果具有較好的準(zhǔn)確度。

圖9 橫向測(cè)線(ERT4-ERT7)物探成果圖Fig.9 Transverse ERT profiles along the lines ERT4 to ERT7

圖10 縱向測(cè)線(ERT1-ERT3)物探成果圖Fig.10 Longitudinal ERT profiles along the lines ERT1 to ERT3

表2 物探解譯與DAN3D 模擬堆積物最大深度對(duì)比（單位:m）Table 2 Comparison of the maximum deposition depth between the ERT method and DAN3D simulation (Unit:m)

(2)在野外調(diào)查的基礎(chǔ)上，結(jié)合高密度電阻率成像(ERT)技術(shù)，分析了滑體的堆積特征，對(duì)比DAN3D模擬和物探解譯得到的碎屑流堆積厚度，發(fā)現(xiàn)兩種方法得到的滑坡碎屑流堆積厚度基本一致，模擬的準(zhǔn)確性較好，研究結(jié)論及方法對(duì)于此類災(zāi)害的機(jī)理研究及未來防治工程提供了新的研究思路。

圖11 物探解譯和DAN3D 模擬堆積物厚度對(duì)比Fig.11 Comparison of the landslide deposits depth from the ERT interpretation and DAN3D