崩塌滑坡-堰塞湖-溃决洪水-泥石流灾害链演化特征分析及防治对策研究

田士军

(中铁第一勘察设计院集团有限公司,西安 710043)

引言

灾害链是由某一种致灾因子或生态环境变化引发的一系列灾害现象。灾害链具有多灾种、复合型、多过程、时空拓展及突发性强的主要特征[1]。崩塌滑坡-堰塞湖-溃决洪水-泥石流灾害链是比较典型的一种山地灾害链现象[2]。失稳的巨型斜坡高速运动堵断河流形成堰塞湖,随着堰塞湖水位的上涨,最终导致堰塞坝发生漫顶溃决并形成大规模溃决洪水,进而诱发泥石流,对上下游人民群众生命财产和交通运输、房屋建筑等工程安全构成重大威胁[3]。

受复杂地形地质条件、强烈气候变化、高地应力、高烈度地震等因素影响,青藏高原东南高山峡谷区是我国山地灾害最发育、最活跃、类型最齐全、危害最严重的地区之一[4]。该区内滑坡、泥石流、冰湖溃决、高位岩崩冰崩等山地灾害易发、频发,且常常以灾害链的形式呈现。典型灾害链有1988年的米堆沟冰崩-冰湖溃决、2000年的易贡扎木弄沟高位崩塌碎屑流堵江溃决洪水,以及2018年的色东普冰崩岩崩-滑坡-碎屑流等[5-7]。

某沟谷两岸坡面陡峻,沟谷狭窄,纵坡降较大,两岸滑坡、碎屑流等不良地质发育,上游两侧沟谷发育有4处小型冰川,上游高海拔处基岩裸露,受地形地貌、地质构造、地层岩性、地震、气象等综合因素影响,存在泥石流、冰崩碎屑流、岩崩碎屑流、崩塌滑坡-堰塞湖-溃决洪水-泥石流等地质灾害风险,对该沟谷沟口的桥梁工程影响较大。因此,需分析研究该沟谷极端工况下发生崩塌滑坡堵塞沟道形成堰塞湖的位置与规模,评价堰塞湖溃坝后洪水侵蚀河道形成泥石流对下游沟口桥梁工程的影响,采取相应的防治措施,确保桥梁工程建设和运营安全。

1 灾害链特征及成灾环境

该沟谷流域集水面积约54 km2,主沟长度为12.18 km,沟谷狭窄,纵坡降较大,坡度为28°～35°。

结合高分遥感数据,对整个沟谷进行遥感解译,该沟内共包含33处不良地质体,其中滑坡3处、冰雪堆积体4处、危岩体22处、碎屑流2处、潜在威胁坡体2处,不良地质体分布如图1所示。

图1 沟谷内不良地质体分布Fig.1 Distribution of bad geological body in gully

沟内地层分区属于冈底斯—念青唐古拉地层区,流域范围内主要出露元古代和石炭纪的地层,在沟口附近分布有少量的第四系松散堆积物,出露的地层由老到新有:第四系覆盖层(Q3、Q4),念青唐古拉岩群(Pt1-2),诺错组(C1n),嘉黎—察隅构造混杂岩。此外,流域范围区内可见燕山期的侵入岩,岩性为灰色细粒英云闪长岩。

1.1 区域典型灾害链特征

沟谷所在区域属深切峡谷高山地貌区,山谷高差为2 000～3 500 m,山岭地区现代冰川极为发育,冰川湖泊星罗棋布,是我国现代海洋性冰川分布最大、最集中的地区。区域内山体陡峻而破碎,第四系松散坡残积物质储量大,江河多为峡谷险滩,水流湍急,沿岸支沟密集。滑坡、崩塌、泥石流等山地灾害暴发频繁,经常堵塞河道,形成回水淹没,堰塞坝溃决以后形成规模巨大的溃决洪水,甚至进而形成泥石流,使沿线公路及其他建筑物遭受冲刷或淹埋,导致严重的灾害链。

1.2 沟谷堵沟条件分析

通过遥感解译、无人机倾斜摄影、lidar及现场调查等勘察手段,发现沟谷流域内存在由于冰川运动和古滑坡崩塌发生的堵沟事件。

1.2.1 冰川阻塞体

冰川堰塞体位于该沟谷上游古冰川下方,古老冰川侧碛垄十分典型,上游侧侧碛垄长1.1 km,下游侧侧碛垄长1.0 km,侧碛垄间距约300m,阻塞体上游有一定的淤积现象。目前,沟道切穿两条侧碛垄,根据目前残留的冰碛垄微地貌,推测历史上冰川曾经堵塞过沟道,形成冰川阻塞型堰塞湖,如图2所示。

图2 古冰川堰塞体Fig.2 Ancient glacier weir body

根据冰碛垄完整性推测古冰川阻塞湖未发生大规模溃决。原因是冰川阻塞湖库容有限,湖水的静水压力相对较小,而冰川阻塞体规模巨大,估算古冰川面积超过1 km2,厚度超过100 m。沟道河流经过长时间的不断下切,使得沟道切穿了原冰碛体。目前该冰川阻塞体整体处于稳定状态,在河水冲刷作用下,局部可能发生溜坍。

1.2.2 滑坡堰塞体

在该沟谷中游左岸和右岸分别发现古滑坡崩塌堰塞体。左岸崩滑堰塞体总体上呈三角形,形态类似于倒石堆,纵长约940 m,平均宽约530 m,面积0.4 km2,滑坡后壁坡向30°,滑坡后壁坡度约35°,如图3所示。堰塞坝坝前有一定的淤积现象,由于堰塞体在上游侧的对岸有冲高现象,目前主沟从堰塞坝中部切穿而过,没有发现明显的溃决迹象。该堰塞体整体处于稳定状态,在河水冲刷作用下,局部可能发生溜坍。

图3 左岸崩滑堰塞体Fig.3 Left bank collapse weir body

右岸滑坡堰塞体总体呈“箕”形,滑坡堰塞体纵长约500 m,平均宽约400 m,面积0.2 km2,滑坡后壁坡向185°,滑坡后壁坡度约70°,堆积体上有明显平台和反翘地形,堰塞坝坝前有一定的淤积现象,堆积体前缘逼弯主沟,推测曾经堵断沟道,如图4所示。

图4 右岸崩滑堰塞体Fig.4 Right bank collapse weir body

该滑坡堆积体形状保持完整,未发现受到强烈侵蚀和溃坝迹象,推测虽然滑坡堵断主沟,但并未发生溃决事件,沟道河流经过长时间的不断下切,使得沟道改道从滑坡堆积体前缘通过。目前滑坡堆积体整体处于稳定状态。

1.2.3 潜在堵沟隐患点

沟谷沟道中游左岸崩滑堰塞体上方发育有一体积较大的危岩体,如图5所示,该危岩体距沟底高程落差约1 km,岩体纵长约700 m,平均宽约300 m,面积0.3 km2,平均坡度约45°,坡向30°,根据高清度倾斜摄影地形空间分析,推断危岩体体积约8×106m3,平均厚度约26 m。该危岩体所处山体坡度较陡,临空面较大,航空影像显示存在两组正交结构面,结构面产状较为清晰,无植被发育,在地震、降雨等极端工况下可能会发生崩塌,崩塌物质将成为泥石流的物源,并可能堵断沟道,为潜在崩滑堵沟隐患点。

图5 潜在崩滑堵沟隐患点Fig.5 Potential hidden point of sliding and plugging ditch

该崩滑隐患点岩性为片麻花岗岩,主要受两组结构面控制,如图6所示。第一组结构面(J1)产状30°∠35°,第二组结构面(J2)产状45°∠60°,两组主控结构面将岩体切割成楔形,第二组结构面切割岩体脱离母岩,楔形体可能以第一组结构面为潜在滑动面发生破坏。

图6 楔形体主控节理裂隙Fig.6 Master joint fissure of wedge shape body

楔形体的坡面和结构面走向、倾向均相同,且坡角大于结构面的倾角,在赤平投影图上表现为坡面投影圆弧包含在结构面投影圆弧之内,如图7所示。该危岩体总体稳定性差,目前处于基本稳定状态,受地震和降雨等不利因素影响极易产生顺结构面的滑动,从而发生崩塌滑坡,并覆盖和推动坡底古滑坡崩塌堰塞体共同形成堵河堰塞湖。

图7 楔形体赤平投影Fig.7 Equatorial projection of wedge shape body

2 崩塌滑坡-堰塞湖-溃决洪水-泥石流灾害链数值模拟分析和计算

2.1 数值模拟模型

崩塌滑坡-堰塞湖-溃决洪水-泥石流灾害链是由多种灾害组成的线状灾害,相对于单一灾害而言,具有时间尺度长、危害范围大和破坏程度高等显著特点。同时,此灾害链不同阶段分别属于不同灾害的演变过程,存在着一环诱发一环的现象。因此,针对此灾害链不同阶段的演化特征,需要采用不同的物理动力学模型进行模拟分析[9-11]。

在深入研究崩塌滑坡-堰塞湖-溃决洪水-泥石流灾害链物理力学机理的基础上[12],对此灾害链进行细化分析,确定灾害链不同阶段演化的动力特征以及影响因子,分别构建崩塌滑坡运动物理模型、溃坝及洪水演进物理模型,完成崩塌滑坡-堰塞湖溃决-洪水灾害链-泥石流的物理模型搭建。各阶段模型方程如下。

2.1.1 崩塌滑坡运动物理模型

在滑坡体三维运动方程的基础上,利用深度平均理论对纳维斯托克斯三维方程进行简化,即假设滑坡体在运动过程中其垂直方向上的变量保持一致,从而将复杂的三维运动方程简化为二维运动方程,同时进一步考虑滑坡体自身性质变化对其动力过程的影响,模型方程如下

(1)

式中,t为时间;h为滑坡体厚度;u,v分别为滑坡体水平、垂直速度;μ为基底摩擦系数;g为重力加速度;gx、gy、gz分别为沿实际地形下坡面、纵坡面和垂直坡面向下的重力加速度分量;ρ=(1-n)ρf+nρs为滑坡体密度;ρs为固相颗粒密度;ρf为液相密度;n为滑坡体孔隙度;(kx,ky)为侧向土应力系数,为土体内摩擦角φint和基底摩擦角φbed的函数。

2.1.2 溃坝及洪水演进物理模型

漫顶溃决是堰塞坝主要的溃决方式之一,其溃决过程往往是翻坝水流在坝顶造成一处缺口,通过不断侵蚀造成坝口扩大乃至坝体溃决,进而产生溃坝洪水。针对漫顶溢流造成的侵蚀现象,相应的计算公式如下

(2)

式中,E为侵蚀深度;α和β均为侵蚀经验系数;U=0.5ρ(u2+v2)/[ρ(ρs/ρf-1)gd]为水流侵蚀参数;Ul为基底物质启动临界参数。

近年来,洪水的演进过程预测一直是国内外研究的热点,也是研究较为成熟的问题之一。运用浅水波方程模拟洪水演进过程也得到众多学者的一致认可[13]。而洪水演进过程十分复杂,对其研究主要集中在两个方面:洪水运动以及河床高程演化。河床高程发生变化进而影响洪水的流动特征[14]。因此,基于浅水波方程构建洪水演进物理模型,则洪水演进方程可表达如下

(3)

式中,t为时间;h为水流高度;u和v分别为沿着x和y方向上的水流平均流速;g为重力加速度;c为单位水体体积内的基底物质浓度;ρ为水体密度,ρ=ρw(1-c)+ρsc;ρs为基底物质密度;ρw为清水密度;ρb为基底沉积物密度,ρb=ρw(1-αs)+ρsαs;αs为基底沉积物孔隙度;z为基底高程;Sfx和Sfy分别为水流沿x和y方向上所受到的摩擦阻力;D和E分别为单位面积上基底物质的沉积和被侵蚀速率。

2.2 数值计算方法

有限体积法,或称为控制容积积分法,是20世纪以来逐渐建立的一种主要应用于求解流动问题和导热问题的数值计算方法[15]。有限体积法相比于有限元法及有限差分法,其具有以下优点:(1)有限体积法的基础是积分形式的控制方程,此方程代表了相关变量在单元容积内的守恒特点;(2)控制方程的各项都存在确定的物理意义,进而导致方程在被离散时,离散形式的各项均能够赋予相关的物理解释;(3)区域离散的节点网格与进行积分的控制容积分立,进而确保了特征变量的守恒性[16]。

因此,根据上述模型特点选用有限体积法对模型方程进行求解,首先将方程组转化为向量形式,可表达如下

(4)

式中,U、F、G、S、T分别为模型方程的变量矩阵,通量矩阵(F,G)和源项矩阵(S,T)。为方便求解,运用算子分裂法将上述方程的向量形式转化成两个一维问题,可表示如下

(5)

上述方程为典型的两个一维黎曼问题[17]。基于此,采用Roe黎曼解公式来求解,以x方向上的黎曼问题为例,将上述方程中的子方程转化为以下形式

(6)

式中,J为通量F关于变量U的雅克比矩阵,J=∂F/∂U,可表达如下

(7)

(8)

由Roe公式求解方程界面通量的公式可表达如下

(9)

(10)

(11)

式中,M为通量限制器,采用Roe’ Superbee公式,可表达如下

M(x)=max(0,min(1,2x),min(2,x))

(12)

此外,采用McCormack公式提高计算时间精度,可表达如下

(13)

式中,上标pr和cr分别代表预测和校正步;n代表时间层;Δx为单元网格在x方向上的边长;Δt为时间步长,其计算公式可表达如下

(14)

式中,cfl为柯朗数,通常其值小于1。计算y方向上一维黎曼问题的步骤与上述步骤类似,将x方向和y方向上的一维黎曼问题分别求解后,下一时间步长的变量解可通过以下公式获得

(15)

式中,Lx和Ly分别代表求解x方向和y方向上一维黎曼问题的计算程序。

2.3 计算参数取值

经研究分析,本崩塌滑坡-堰塞湖-溃决洪水-泥石流灾害链模型计算采取的各项参数见表1。

表1 崩塌滑坡-堰塞湖-溃决洪水-泥石流灾害链计算参数Tab.1 Calculation parameter of the disaster chain of landslide-barrier lake-dam flood-debris flow

2.4 分析计算结果

2.4.1 滑坡运动阶段

因危岩体距沟底高程落差约1 km,山体平均坡度约45°,危岩体沿结构面崩塌后形成高位滑坡,如图8所示。

图8 模型计算地形及初始滑坡分布(单位:m)Fig.8 Model calculated terrain and initial landslide distribution(unit: m)

在滑坡运动阶段,楔形体失稳后发生迅速滑动变形,滑坡物质顺滑面下滑,根据滑坡运动过程中的形态变化分析,在滑坡体运动过程中其最大运动速度可达89 m/s,由于滑坡下滑速度非常高,部分滑坡物质越过沟谷冲击对岸,但在地形约束及沟底基底摩擦阻力作用下逐渐产生堆积形成堰塞坝。随着后续坡体物质的不断涌入和叠加,滑坡体停止运动后的最大堆积厚度为69 m,堆积体顺沟道长度约为1 000 m,堆积面积约为8.0×105m2,如图9所示。

图9 滑坡运动全过程分析云图(单位:m)Fig.9 Whole process analysis cloud picture of landslide movement(unit: m)

2.4.2 堵河及堰塞湖形成阶段

滑坡堆积区刚好位于沟道地形转折部位,其地形条件不利于堵塞,且滑坡堆积后占据大量库容,滑坡体堵塞沟谷形成堰塞坝,如图10所示。其坝体基本与坝前沟道顺陡坡连为一体,导致虽然堰塞坝范围和厚度较大,但是堵塞后形成的堰塞湖水深、范围和规模有限。

图10 堰塞坝平面Fig.10 Plane of weir plug dam

根据堰塞坝的纵横剖面(剖面Ⅰ和剖面Ⅱ),如图11和图12所示,对堰塞坝堵沟前后的地形进行对比分析,堰塞坝长度约1 000 m,平均宽度约430 m,堰塞坝最高点海拔约3 180 m,堰塞坝最大厚度约69 m,坝前沟道坡度较陡,基本与滑坡堰塞坝形成一体,形成的堰塞坝高度相对较低。随着上游河道水流不断在坝体前汇集,在坝体前端形成堰塞湖,最大水深为14.4 m,面积约为7.19×104m2,方量约为2.74×105m3。

图11 堰塞坝纵剖面(Ⅰ-Ⅰ′)Fig.11 Longitudinal section of weir plug dam(Ⅰ-Ⅰ′)

图12 堰塞坝横剖面(Ⅱ-Ⅱ′)示意Fig.12 Longitudinal section of weir plug dam(Ⅱ-Ⅱ′)

2.4.3 溃坝及溃决洪水阶段

当堰塞湖水位高程超过堰塞坝顶端高度时,发生漫顶溢流,在漫顶水流夹带作用下,坝体顶部形成溢流槽,并随着溃口的不断扩大,过流量增加的同时也加剧了侵蚀,堰塞坝总侵蚀量4.5×106m3,最终导致坝体溃决,形成溃坝洪水,如图13所示。模拟分析结果显示在溃决洪水过程中,沟口大桥处最大水深为4.43 m(不含原始水位),最大流速为7.54 m/s,峰值流量为807 m3/s。

图13 溃决洪水演进过程模拟成果(单位:m)Fig.13 Simulation results of outburst flood evolution(unit: m)

2.4.4 溃决洪水-泥石流灾害链

该沟谷流域下游至沟口段发育多处浅层土质滑坡、崩塌等地质灾害和不良地质现象,堰塞湖溃决洪水对沿程的揭底冲刷和冲刷岸坡,导致沟道沿途大量松散堆积物质加入,形成泥石流,如图14所示。经计算,崩塌滑坡-堰塞湖-溃决洪水转化成泥石流在沟口大桥处断面的最大水深为7.1 m,最大流速为8.0 m/s,峰值流量为1 685.51 m3/s,最大冲刷深度为16.58 m。

图14 灾害链空间分布Fig.14 Spatial distribution of disaster chain

3 灾害链对桥梁工程影响及防治措施

3.1 灾害链对桥梁工程影响

崩塌滑坡造成河流堵塞,形成堰塞湖,堰塞湖溃决放大了山区河流洪水的峰值流量,从而加剧河流沿程冲刷程度,且溃决洪水对沿程的揭底冲刷和冲刷岸坡导致沟道沿途大量松散堆积物质加入,形成泥石流。洪水及泥石流易造成桥梁工程毁坏,甚至交通中断,造成巨大经济损失[19]。如在施工阶段发生灾害,对施工人员及设备也易造成重大损害[20]。

3.2 防治对策

(1)为避免溃决洪水和泥石流对桥梁的影响,采用大跨桥梁一跨跨越沟谷,大桥两侧桥台伸入隧道,在沟道内不设置桥墩,且桥梁净空满足洪水位加安全高度15 m的要求。

(2)为防止溃决洪水及泥石流对沟床及两侧沟岸的掏刷破坏,进而影响两侧坡体稳定性,对桥位上游200 m、下游100 m 范围内沟道进行疏通,增大沟道过流面积,疏通后泥石流影响高程以下岸坡及沟道底铺设格宾石笼防护,石笼厚1 m。

(3)对桥台上下游的岸坡进行加固[21]。右岸桥台附近设置一排防冲刷预加固桩,采用C40钢筋混凝土钻孔灌注桩,桩径1.5 m,桩长10 m,桩间距3.0 m,桩顶设高1 m、宽2 m冠梁;钻孔灌注桩上部至桥梁桥台范围内采用拱形骨架+空心砖+栽植灌木防护;左侧桥台附近设锚索框架梁进行防护,框架梁采用C40钢筋混凝土现场浇筑,截面尺寸为0.4 m×0.4 m,间距为3.0 m×3.0 m;锚索采用4根φ15.2 mm高强度、低松弛钢绞线制作,钢绞线强度等级为1 860 MPa,单根锚索长度15 m,其中锚固段长10 m,自由段长5 m,锚索与水平面下夹角为20°;泥石流影响高度范围以下的框架梁采用钢筋混凝土与框架梁现浇一体成形。

(4)在工程建设过程中,对施工组织进行详细设计,做好施工场地布设以及施工设备、材料、弃渣堆放等管理工作,施工期间严禁在沟道内布置工程附属设施,严禁随意倾倒弃渣、垃圾,以确保施工人员和机械设备的安全。

(5)设置地质灾害监测和预警系统,对沟道内的降雨量、洪水位等关键特征和主要崩滑物源变形活动、沟道堵塞、岸坡坍塌等进行监测和预警,一旦发生崩塌滑坡,形成堰塞湖,尽快采取挖掘、爆破、拦截等方式进行引流和疏排,逐步降低水位,以免造成大的洪灾,从而保障铁路工程的建设和运营安全[22]。

4 结论

针对该沟谷链生性和灾害链潜在风险,对其左岸堆积体上方存在的潜在崩滑堵沟隐患点开展崩塌滑坡-堰塞湖-溃决洪水-泥石流灾害链全过程模拟及风险分析,根据分析计算结果采取相应的防治措施。

(1)该沟谷历史上曾经发生过冰川和滑坡堵塞沟道,形成冰川和滑坡阻塞型堰塞湖,目前堰塞体总体稳定,但在河流冲刷作用下,可能发生局部溜坍。

(2)研究的崩塌滑坡隐患点距沟底高程落差约1 km,危岩体纵长约700 m,平均宽约300 m,面积0.3 km2,平均坡度约45°,坡向30°,危岩体体积约8×106m3,平均厚度约26 m。该隐患点岩性为片麻花岗岩,主要受两组结构面控制,总体稳定性差,受地震和降雨等不利因素影响极易产生顺结构面的滑动,从而发生崩塌滑坡,并覆盖和推动坡底古滑坡崩塌堰塞体,共同形成堵河堰塞湖。根据数值模拟分析,崩塌滑坡堵河可形成最大水深14.4 m、方量约为2.74×105m3的堰塞湖。

(3)当堰塞湖水位高程超过堰塞坝顶端高度时,发生漫顶溢流,在漫顶水流夹带作用下,坝体顶部形成溢流槽,并随着溃口的不断扩大,过流量增加的同时也加剧了侵蚀,堰塞坝总侵蚀量4.5×106m3,最终导致坝体溃决,形成溃坝洪水,沟口大桥处最大洪水水深为4.43 m(不含原始水位),最大流速为7.54 m/s,峰值流量为807 m3/s。

(4)考虑在溃决洪水强烈揭底冲刷和侵蚀的条件下,沿沟道的松散堆积物受山洪裹挟,松散物质加入使得洪水转化成为泥石流,形成溃决型洪水泥石流灾害链。洪水转化成泥石流在沟口大桥处的最大水深为7.1 m,最大流速为8 m/s,峰值流量为1 685.51 m3/s,最大冲刷深度为16.58 m。

(5)为减少崩塌滑坡-堰塞湖-溃决洪水-泥石流灾害链对沟口桥梁工程的影响,以大跨桥梁形式一跨通过该沟谷,两端桥台深入隧道,不在河道内设置桥墩,并采取河道疏通、岸坡防护和监测预警等防治措施。