西藏笨多高位變形體遙感解譯與危險(xiǎn)性預(yù)測分析

衛(wèi)童瑤，殷躍平，李 濱，褚宏亮，高 楊，王 猛，趙超英，劉曉杰

（1.中國地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)力學(xué)研究所，北京 100081；2.中國地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院（自然資源部地質(zhì)災(zāi)害防治技術(shù)指導(dǎo)中心），北京 100081；3.四川省地質(zhì)調(diào)查院，四川成都 610081；4.長安大學(xué)地質(zhì)工程與測繪學(xué)院，陜西西安 710054）

0 引言

易貢藏布流域是我國高位地質(zhì)災(zāi)害的高發(fā)區(qū)[1?3]。由于該流域構(gòu)造運(yùn)動活躍，地殼上升以及河流下切最為強(qiáng)烈，沿易貢藏布特大崩塌、滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害鏈頻繁發(fā)生[4?5]。1900年扎木弄溝發(fā)生特大冰川泥石流，堆積體堵塞易貢藏布的河道，形成了易貢湖[6?7]。2000年4月9日扎木弄溝再次發(fā)生巨型山體坍塌滑坡，松散堆積體再次堵塞河道形成堰塞湖，堰塞湖潰決后洪水災(zāi)害形成的洪峰流量達(dá)到124 000m3/s，沖毀了下游道路、橋梁、農(nóng)田及沿岸村莊，形成了規(guī)模巨大的鏈?zhǔn)綖?zāi)害[8?10]。自2000年以來，該流域每年發(fā)生滑坡泥石流多達(dá)10 余次，這些超大規(guī)模的滑坡泥石流常堵塞易貢藏布，后潰決形成巨大的洪水，形成巨大的地質(zhì)災(zāi)害鏈過程：崩滑——碎屑流——泥石流——堰塞壩——潰決洪水。

本文以忠玉鄉(xiāng)笨多高位變形體為例，結(jié)合野外地面調(diào)查、無人機(jī)綜合攝影調(diào)查、光學(xué)遙感動態(tài)調(diào)查和數(shù)值模擬預(yù)判等方法，對笨多高位地質(zhì)災(zāi)害的成災(zāi)條件和發(fā)育特征，以及對其形成災(zāi)害鏈的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行定量化評估。笨多高位變形體位于易貢藏布上游雄右岸，距離嘉黎縣忠玉鄉(xiāng)8.2 km。隨著笨多高位變形體的變形進(jìn)一步加劇，其潛在的災(zāi)害鏈風(fēng)險(xiǎn)將對忠玉鄉(xiāng)以及下游的生命和財(cái)產(chǎn)安全造成嚴(yán)重威脅。本文的研究可為流域性災(zāi)害鏈的防災(zāi)減災(zāi)提供一定依據(jù)。

1 笨多高位變形體遙感分析

1.1 光學(xué)數(shù)據(jù)

在2020年對易貢藏布區(qū)域的笨多高位變形體進(jìn)行無人機(jī)航空遙感數(shù)據(jù)采集。此次笨多崩塌多源光學(xué)遙感動態(tài)分析，收集了笨多崩塌天地圖、Google 地球、無人機(jī)正射影像、無人機(jī)傾斜攝影等多源遙感數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)分辨率分別為2.0m、2.0m、0.20m、0.20m。遙感數(shù)據(jù)主要用于：①笨多崩塌高位地質(zhì)災(zāi)害精細(xì)化解譯；②笨多崩塌高位地質(zhì)災(zāi)害光學(xué)遙感特征分析（表1）。

表1 笨多崩塌光學(xué)遙感數(shù)據(jù)一覽表Table 1 Summary of optical remote sensing data of Benduo collapse

1.2 變形體整體特征

笨多高位變形體位于西藏嘉黎縣忠玉鄉(xiāng)笨多易貢藏布上游雄曲河段右岸斜坡（圖1）。其位于易貢藏布右岸第一斜坡帶，后緣起于高程4 700m 處的冰雪覆蓋區(qū)，前緣直抵易貢藏布的河道，河面高程為3 098m，高差1 611m，兩側(cè)邊界為兩條溝道。崩塌變形區(qū)平面形態(tài)為一簸箕形，前緣直抵坡腳，崩塌堆積體擠壓河道，河道輕微彎曲；后緣以坡頂山脊為界，變形區(qū)邊界明顯；上游和下游均以山脊負(fù)地形沖溝為界，沖溝切割深度較大。笨多崩塌前緣斜坡坡體崩滑變形跡象明顯，左側(cè)邊界沖溝亦存在明顯的崩塌變形跡象（圖2）。

圖1 笨多高位變形體遙感全貌圖Fig.1 The overall view of Benduo's high-position deformable body

圖2 笨多高位變形體現(xiàn)場照片F(xiàn)ig.2 Photos of Benduo high-position deformed body

笨多高位變形體發(fā)育有兩處強(qiáng)變形區(qū)域，分為位于3 500～4 000m 高程和4 000～4 600m 高程處。目前在3 500～4 000m 高程處的變形區(qū)已發(fā)生規(guī)模較小的崩滑-碎屑流，但坡腳處堆積體的體積尚不足以完全堵江，暫未形成堰塞湖-洪水災(zāi)害。高程在4 000～4 600m的變形巖體規(guī)模較大，目前正處于蠕滑變形狀態(tài)，一旦這些大規(guī)模不穩(wěn)定巖體崩滑入江，將引起堰塞湖-洪水災(zāi)害鏈，導(dǎo)致上游、下游均存在被淹沒的可能，該將對原本交通不便、經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)的忠玉鄉(xiāng)造成嚴(yán)重打擊（圖3）。崩塌變形體縱長約2 645m，平均寬度約972m，變形區(qū)平面面積約250.44×104m2，估算體積約為3 806.69×104m3，為一大型崩塌。

圖3 笨多高位變形體工程地質(zhì)剖面示意圖Fig.3 Profile of Benduo's high-position deformable body

1.3 變形體分區(qū)特征

采用2020年無人機(jī)航測成果對崩塌進(jìn)行精細(xì)解譯，分析了笨多變形體的地質(zhì)條件，解譯結(jié)果顯示笨多高位變形體共發(fā)育有強(qiáng)烈變形的節(jié)理裂隙64 條，崩塌變形體12 處。根據(jù)崩塌的變形特征，將變形體分布為Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)和Ⅲ區(qū)三個區(qū)域（圖4）。

圖4 笨多高位變形體遙感解譯分區(qū)圖Fig.4 The remote sensing interpretation map of Benduo high-position deformable body

Ⅰ區(qū)主要分布在崩塌區(qū)右側(cè)，平面面積約909 603m2，坡體發(fā)育1 處崩塌體和23 處節(jié)理裂隙，前緣發(fā)育有1 處泥石流溝。其后緣為一崩塌危巖體，崩積物主要匯入崩塌前緣的邊界沖溝內(nèi)，崩塌壁呈半圓弧型，長度約為2 069m，目前該崩滑體處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，但坡表節(jié)理裂隙極其發(fā)育，極易產(chǎn)生崩滑破壞。Ⅰ區(qū)前緣邊界沖溝為1 泥石流沖溝，溝口堆積扇呈不規(guī)則扇形堆積，扇長約220m，扇寬約333m，堆積扇面積約35 415m2，估算體積約為10.05×104m3，泥石流溝道物源豐富，面積約58 186m2，估算體積約為13.68×104m3。

Ⅱ區(qū)主要分布在崩塌區(qū)左側(cè)，平面面積約1 297 192m2，該區(qū)域后緣變形較強(qiáng)烈，共發(fā)育有7 處小型崩塌體和28 處節(jié)理裂隙。Ⅱ區(qū)左側(cè)邊界沖溝為1 泥石流沖溝，溝口堆積扇呈不規(guī)則扇形堆積，扇長約60m，扇寬約120m，堆積扇面積約4 770m2，估算體積約為1.03×104m3，泥石流溝道物源豐富，面積約31 315m2，估算體積約為10.18×104m3。

Ⅲ區(qū)主要分布在崩塌區(qū)正前緣，其后緣為Ⅲ-1 區(qū)，其與Ⅰ、Ⅱ區(qū)相鄰，且該區(qū)域的變形體處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，但坡表節(jié)理裂隙極其發(fā)育，極易產(chǎn)生小規(guī)模坡面流。Ⅲ-2 區(qū)為一典型的高位崩滑-碎屑流區(qū)域，其崩滑體處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，崩塌堆積物堆積于斜坡中部負(fù)地形溝道內(nèi)，成為高位懸掛堆積物，嚴(yán)重威脅坡腳河道。Ⅲ-3 區(qū)是Ⅲ-2 區(qū)部分崩滑體的碎屑流堆積區(qū)，崩塌堆積體面積約為72 639m2，估算體積約為108.38×104m3，目前崩塌堆積物堆積于斜坡坡腳，嚴(yán)重威脅坡腳公路、橋梁和河道。

1.4 巖體結(jié)構(gòu)特征

笨多高位變形體所在區(qū)域?qū)儆趯姿?騰沖地層區(qū)，主要為古-中生代沉積巖、岡底斯花崗巖體和第四系松散堆積。笨多高位變形體主要受嘉黎斷裂帶控制，嘉黎斷裂帶寬度可達(dá)1～2 km，延伸近百公里，屬晩第四紀(jì)強(qiáng)烈活動斷裂[11?12]。

另外，基于高分辨率的無人機(jī)航空傾斜攝影三維模型，對笨多崩塌后緣崩源區(qū)高位基巖裸露處的結(jié)構(gòu)面進(jìn)行識別。通過讀取結(jié)構(gòu)面的空間三維坐標(biāo)（x，y，z），利用最小二乘法擬合結(jié)構(gòu)面，在MATLAB 軟件中編程得到每處結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀。笨多崩塌后緣滑源區(qū)受4 組結(jié)構(gòu)面控制，提取不同結(jié)構(gòu)面的位置信息，從而獲取了滑坡滑源區(qū)4 組控制性結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀（圖5），分別是：結(jié)構(gòu)面1：311°～5°∠38°～55°、結(jié)構(gòu)面2：100°～170°∠48°～70°、結(jié)構(gòu)面3：32°～80°∠55°～80°、結(jié)構(gòu)面4：200°～225°、結(jié)構(gòu)面5：∠81°～87°（表2）。

圖5 笨多崩塌崩源區(qū)控制性結(jié)構(gòu)面Fig.5 Controlling structural p lane in the source area of the Benduo collapse

表2 控制性結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀統(tǒng)計(jì)表Table 2 Occurrence statistics of controlled structural planes /(°)

笨多崩塌后緣受構(gòu)造作用發(fā)育多組優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面，多種結(jié)構(gòu)面的優(yōu)勢組合形成楔形體。崩塌后緣危巖體在自重應(yīng)力、積雪融蝕、物理風(fēng)化等作用下，向臨空方向產(chǎn)生崩滑破壞，加之危巖體處于高位，崩落勢能極大，對斜坡坡腳造成極大的威脅。

2 笨多高位變形體變形分析

在地震、強(qiáng)降雨等極端條件下，笨多斜坡體的巖體極有可能變形加劇并發(fā)生大規(guī)模的失穩(wěn)現(xiàn)象。為了定量化的研究其變形體的發(fā)育特征，本研究使用InSAR解譯得到了其2014年11月至2020年5月的雷達(dá)視線向（LOS）年均地表形變速率。根據(jù)變形速率將其分為兩處變形區(qū)，分別命名為BX1 與BX2。其中BX1 變形區(qū)域范圍較大，且最大形變區(qū)域位于BX1 上部，即滑坡頂部后緣地區(qū)，其最大形變速率達(dá)到?85mm/a，該區(qū)域發(fā)生大規(guī)模失穩(wěn)的風(fēng)險(xiǎn)較高。BX2 形變區(qū)域即為目前已發(fā)生小規(guī)模坡面流的區(qū)域，產(chǎn)生大規(guī)模災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)相對較低。

為進(jìn)一步分析笨多崩塌形變隨時間演化趨勢，分別在BX1 和BX2 變形區(qū)選取兩個監(jiān)測點(diǎn)得到了其累積形變量，所提取點(diǎn)位置如圖6所示。由圖7 可以看出該滑坡兩處變形區(qū)自2014年11月均已基本處于勻速變形過程中，其中BX1 和BX2 兩處變形區(qū)最大累積形變量分別達(dá)到了?441mm 和?303mm，形變量級均較大。

圖6 笨多高位變形體2014年11月至2020年5月雷達(dá)視線向年均地表形變速率Fig.6 The average annual surface deformation rate of the Benduo high-level landslide from Novem ber 2014 to May 2020 in the direction of the radar line of sight

圖7 笨多高位滑坡2014年11月至2020年5月雷達(dá)視線事件序列地表形變Fig.7 Ground deformation of the Benduo high-level landslide from November 2014 to M ay 2020 in the radar line of sight event sequence

3 笨多高位變形體危險(xiǎn)性分析

根據(jù)對InSAR 解譯結(jié)果的分析可知，BX1 變形區(qū)為可能發(fā)生大規(guī)模失穩(wěn)的區(qū)域。為了定量化評估其失穩(wěn)后的風(fēng)險(xiǎn)，本研究選取BX1 變形區(qū)的巖體為滑體，采用無網(wǎng)格光滑粒子流方法，國際通用DAN-3D 數(shù)值模擬軟件，預(yù)測模擬了其失穩(wěn)后的運(yùn)動堆積全過程，同時對其堵江潰決后形成災(zāi)害鏈的全過程進(jìn)行了預(yù)測。測得BX1 變形體的面積約為61×104m2，預(yù)測變形體的平均厚度為50m，計(jì)算出變形體的體積約為3 050×104m3。本研究選取的計(jì)算模型和參數(shù)均參考2000年發(fā)生于易貢藏布下游扎木弄溝滑坡反演計(jì)算的參數(shù)[13]。

3.1 笨多滑坡動力學(xué)過程

滑坡的運(yùn)動堆積過程如圖8、表3所示，圖中已用紅色線圈定真實(shí)滑坡范圍，滑坡的初始體積為3 050×104m3。根據(jù)模擬結(jié)果可知，滑坡運(yùn)動持續(xù)時間為250 s，笨多滑坡最大運(yùn)動距離達(dá)2 200m。在運(yùn)動初始階段，巖體高位啟動，失穩(wěn)下滑，經(jīng)過勢動能轉(zhuǎn)換，速度不斷增加。在部分滑體運(yùn)動到溝谷中后，滑體的整體運(yùn)動速度開始下降，并且有部分滑體殘留在斜坡上，但大部分滑體已堆積到易貢藏布溝谷內(nèi)。當(dāng)滑坡停止運(yùn)動時，堆積厚度最大的地方位于河谷中，形成堰塞壩，壩體最大高度約為115m，平均高度約為90m，壩體寬度為230m，縱長850m，面積約為0.21 km2。

圖8 運(yùn)動過程堆積厚度等值線圖Fig.8 Contour map of accumulated thickness during movement

表3 模擬結(jié)果統(tǒng)計(jì)表Table 3 Statistics of simulation results

3.2 笨多滑坡發(fā)生堵江潰壩洪水流量計(jì)算

根據(jù)滑坡動力學(xué)數(shù)值模擬結(jié)果，得到笨多高位巖崩碎屑流下滑后堰塞壩體最大堆積厚度約為115m，平均厚度約為90m。笨多高位巖崩碎屑流形成滑坡壩的壩體呈上寬下窄的梯形，可知滑坡壩的壩頂寬度為450m，壩底和壩頂?shù)母叱谭謩e為3 113m 和3 203m。基于衛(wèi)星圖像和遙感技術(shù)計(jì)算出回水區(qū)域可向上游延伸25 km，并且將淹沒忠玉村，可預(yù)測出堰塞湖的庫容量約為9×108m3。

本文基于潰壩水力學(xué)、土力學(xué)和邊坡穩(wěn)定分析，計(jì)算潰口洪水大小，結(jié)合二維洪水演進(jìn)算法和調(diào)洪計(jì)算，分析潰壩后洪水演進(jìn)過程以及向下游洪水演進(jìn)得出沿程各處的流量、波前和洪峰到達(dá)時間等[14?15]。根據(jù)DAN-3D 計(jì)算得到的堰塞體和堰塞湖等相關(guān)參數(shù)，預(yù)測笨多滑坡失穩(wěn)堵江后的洪水演進(jìn)過程。模型計(jì)算參數(shù)取值如表4所示。

表4 笨多高位變形體堵江潰決模型參數(shù)Table 4 M odel parameters of Benduo high-level landslide blocking the river and breaking the river

洪水演進(jìn)的流量隨時間變化如圖9所示，滑坡壩址處洪峰流量為79 294 m3/s，出現(xiàn)洪峰流量的歷時為50m in，約16 h 后堰塞體的洪水幾乎消散干凈，流量恢復(fù)到堵江前的水平。根據(jù)壩址上游600m3/s 的徑流量，預(yù)測高位巖崩發(fā)生堵江后約17 天后壩體開始潰決。洪水演進(jìn)計(jì)算出下游八蓋鄉(xiāng)處的洪峰流量為71 034m3/s，水位最大上升高度約為54m；易貢鄉(xiāng)處的洪峰流量為56 036m3/s，水位最大上升高度約為41m，洪水對易貢鄉(xiāng)的居民和易貢茶場的威脅較大，將淹沒部分茶場所在區(qū)域；通麥的洪峰流量為51 504m3/s，水位最大上升高度37m，沿岸的公路和通麥大橋?qū)⑹艿酵{。

圖9 笨多高位變形體發(fā)生堵江潰決洪水流量過程線Fig.9 The flood flow process line of Benduo high-level landslide b locking the river and breaking the river

根據(jù)預(yù)測結(jié)果可知，笨多高位巖崩碎屑流會堆積到溝谷底部并堵塞易貢藏布，平均堆積厚度為90m，堰塞湖回水長度達(dá)25 km，堵江時間約為17 天。壩體堵塞形成的回水區(qū)域?qū)ι嫌蔚闹矣翊逡约皾Q后對下游易貢鄉(xiāng)和易貢茶場的威脅程度均較高。

4 笨多高位變形體風(fēng)險(xiǎn)防范對策初探

根據(jù)上述危險(xiǎn)性預(yù)測內(nèi)容可知，當(dāng)形成滑坡并堵塞易貢藏布后，對上游的忠玉村以及下游易貢鄉(xiāng)和易貢茶場的威脅程度均較高。為防治笨多滑坡發(fā)生后產(chǎn)生的堵江潰壩等一系列災(zāi)害鏈，從該區(qū)域的實(shí)際情況出發(fā)，對河道所處的位置提出預(yù)設(shè)修建泄洪排洪隧洞工程治理建議。即當(dāng)主河道被滑坡堆積體阻塞時，利用泄洪隧洞排泄洪水，以達(dá)到防災(zāi)減災(zāi)的目的。泄洪洞的位置和斷面尺寸是笨多區(qū)域治理工程的關(guān)鍵問題。其中泄洪洞的位置如圖10所示，因此本文詳細(xì)探討了泄洪洞的斷面尺寸。

圖10 笨多高位地質(zhì)災(zāi)害泄洪洞應(yīng)急措施示意圖Fig.10 Schematic diagram of emergency measures for the flood discharge tunnel of Benduo high-level geological disaster

根據(jù)表5 可知易貢藏布7月份的徑流量最高為1 180m3/s，即當(dāng)發(fā)生堵江事件時，上游的最大補(bǔ)給量為1 180m3/s。如果泄洪洞的流量可超過最大補(bǔ)給量，即可滿足水位不再上升的要求。設(shè)計(jì)一個水平放置的泄洪洞，要求瀉流洞的最大流量超過1 200m3/s 即可，泄洪洞的高程和截面積為所需要求解的參數(shù)，壩前的水位高程是所需要的變量，也是對泄洪洞流量影響最大的參數(shù)。目前不考慮壩前的流速水頭以及泄洪洞的粗糙度等因素。分別計(jì)算了單孔泄洪洞和雙孔泄洪洞在堰上水頭為20m、30m、40m 時的泄流能力和泄流洞的尺寸。

表5 易貢藏布各月份平均流量Table 5 Average monthly flow of Yigong Zangbo

設(shè)計(jì)思路：

（1）設(shè)計(jì)一個水平放置的泄洪洞：要求瀉流洞的最大流量超過1 200m3/s。

（2）需要考慮的因素：泄洪洞高程（可容許水位高度、水頭）；壩前水的流速（速度水頭）；泄洪洞傾斜度；泄洪洞截面積。

（3）已知河床高程為3 113m，設(shè)計(jì)平洞洞底施工高程為3 120m。

（4）將容許水位高程分為三種工況：3 140m、3 150m、3 160m。

（5）為了考慮施工的可行性，設(shè)計(jì)兩套施工方案，分別為單孔和雙孔泄洪洞。

基本計(jì)算公式如下：

式中：m——泄洪洞自由出流的流量系數(shù)，它反映泄洪洞相對大小對泄流量的影響；

σs——淹沒系數(shù)，自由出流時通常取 σs=1，即h<0.75h0；

e——泄洪洞開啟高度；

n——泄洪洞孔數(shù)；

B——泄洪洞凈寬；

H——堰上水頭(本文忽略流速水頭)。

從表中計(jì)算結(jié)果來看（表6、表7），容許水位高程越高，泄流洞所需的尺寸越小，同時對堰塞湖區(qū)和下游的威脅越高。對比方案一和方案二，方案二的雙孔泄洪洞在施工和實(shí)際操作過程中相對更容易。具體施工投資以及結(jié)合實(shí)際的方案選取尚未計(jì)算。

表6 單孔泄洪洞計(jì)算結(jié)果（方案一）Table 6 Calculation results of single-hole spillway tunnel(Scheme 1)

表7 雙孔泄洪洞計(jì)算結(jié)果（方案二）Table 7 Calculation results of double-hole spillway tunnel(Scheme 2)

通過修建泄洪洞，可以基本避免或削減再發(fā)生類似于2000年扎木弄溝堰塞湖潰決而引起的洪水災(zāi)害及次生災(zāi)害，保護(hù)下游居民人身安全以及公路、橋梁等基礎(chǔ)設(shè)施安全?？捎行Ы档蛯σ棕暡夭枷掠魏佣文酥僚谅〔夭肌⒀鹏敳夭冀掠螀^(qū)域的威脅。

5 結(jié)論

（1）由于共有五條斷層穿過笨多高位變形體，導(dǎo)致其巖體結(jié)構(gòu)面發(fā)育、強(qiáng)度較低。笨多高位變形體區(qū)域內(nèi)共發(fā)育有小型崩塌變形體12 處，節(jié)理裂隙64 條，泥石流2 條。

（2）笨多高位變形體目前共有兩處變形區(qū)，其中BX2 變形區(qū)目前正發(fā)生小規(guī)模的坡面溜滑，且距河面落差較小，不足以形成堵江災(zāi)害；BX1 變形區(qū)的變形體體積約為3 050×104m3，且最大形變速率達(dá)到?85mm/a，一旦失穩(wěn)下滑具有較高的堵江風(fēng)險(xiǎn)。

（3）根據(jù)災(zāi)害鏈全過程的預(yù)測結(jié)果可知，笨多高位變形體發(fā)生失穩(wěn)后會堵塞易貢藏布，堆積體平均厚度為90m，形成堰塞湖回水長度達(dá)25 km。壩體堵塞形成的回水區(qū)域?qū)ι嫌蔚闹矣翊逡约皾Q后對下游易貢鄉(xiāng)和易貢茶場的威脅程度均較高。

（4）本文探討了開挖泄洪洞排泄洪水的處理方案，從預(yù)測的淹沒水位、滑坡體壅高湖水位對下游的影響、泄洪洞斷面尺寸的選擇等方面進(jìn)行了分析，科學(xué)合理地確定了泄洪洞規(guī)模。