川西高原的巖土體的凍融破壞類型及其災害效應

鐵永波, 白永健, 宋 志

(成都地質礦產研究所/中國地質調查局 成都地質調查中心， 四川 成都 610081)

川西高原的巖土體的凍融破壞類型及其災害效應

鐵永波, 白永健, 宋 志

(成都地質礦產研究所/中國地質調查局 成都地質調查中心， 四川 成都 610081)

資助項目：國家自然科學基金項目“凍融條件下冰磧補給型泥石流物源匯集機制研究”(41101086)； 中國地質調查局公益性調查項目(12120113010200)

第一作者：鐵永波(1979—),男(漢族),云南省大關縣人,博士,副研究員,主要從事環境地質和災害地貌學研究。E-mail:tyongbo@cgs.cn。

摘要：[目的] 探明川西高原凍融過程對巖土體的破壞類型、成因機制及其產生的災害效應。[方法] 通過對川西高原道孚縣全縣境內的地質災害詳細調查，對凍融破壞類型進行了室內統計分析，并在此基礎上總結了凍融過程所產生的災害效應。[結果] 提出了凍融過程產生“剝皮效應”、滑坡的“淺表層效應”及泥石流物源的“碎化效應”；發現川西高原上的泥石流流體攜帶塊石含量較少且粒徑多小于1 m，其成災模式多以於埋破壞為主；縣境內約70%的滑體厚度小于20 m滑坡，多以淺層小規模為主，危害相對較小。[結論] 道孚縣境內發育的泥石流具有相對較弱的沖擊力，防治時應以疏導工程為主；道孚縣境內發育的滑坡具有規模相對小的特點，且易在冰雪融水或降雨作用下產生滑動，地表排水對其穩定性的維持極為重要。

關鍵詞：凍融過程; 碎化作用; 災害效應; 川西高原

凍融是指巖土體由于溫度降到零度以下和升至零度以上而產生凍結—融化的物理地質作用和現象。在寒冷氣候條件下，土壤或巖層中冰在白天融化，晚上凍結，或者夏季融化，冬季凍結。這種融化—凍結過程稱為凍融作用[1]。它主要見于冰川作用區、高山區和凍土區。凍融區溫度周期性地發生正負變化，巖石裂隙或土層中的水體和冰不斷發生相變和位移，使巖土體發生凍脹、融沉、流變等一系列應力變形，使其成為松散土體，穩定性下降[2]。凍融作用使松散沉積物受到擾動與再分選，導致巖土體沿坡面產生整體運動，并在溝道內形成大量的松散固體物源，為滑坡、崩塌及泥石流等地質災害的發生提供了必要條件。

受到自然條件的影響，川西高原面晝夜溫差大，凍融作用強烈。而且，成土環境極不穩定，晝夜的凍融和干濕交替以及季節間的凍融和干濕交替，都極易破壞表層土體的完整性。川西高原面多數草甸區分布在海拔3 000 m以上，尤其是海拔超過3 500 m以上，凍融作用較為強烈。在道孚縣境內，從氣溫的年際特征上看，年均溫差極大，一年中最高溫度為31 ℃，最低溫度可達-21.9 ℃，年均溫差為52.9 ℃。從季節性溫差特征上看，春、夏、秋三季的晝夜溫差大，其中月最高溫度出現在7月份，為15.8 ℃。最低溫度出現在1月份，為-20 ℃，季節性溫差可達35.8 ℃。較大的溫差導致一些低海拔地區(3 500～3 800 m之間)產生季節性的凍融，而高海拔地區(如海拔大于3 800 m以上)則晝夜和季節性凍融均有出現。近年來，因凍融過程直接或間接誘發的各種地質災害對當地生產建設和人民生活造成顯著危害。為此，探索川西高原凍融過程對巖土體的破壞類型、成因機制及其產生的災害效應，對這類發育在特殊高寒地區的地質災害形成機理研究及防災減災具有重要的理論和實踐意義。

1凍融破壞類型

自然環境條件是決定凍融過程是否發生和凍融強度及深度的重要先決條件，而凍融過程則是影響川西高原面地質災害發育類型、數量及規模的一個重要因素。環境條件對凍融過程的影響包括海報高度、坡向(陽坡和陰坡日照的差異)、地表植被覆蓋類型與覆蓋率、土壤濕度及溫度等。在川西高原面上，由于地表植被多以草叢和灌木為主，覆蓋類型和覆蓋率基本一致，故地表植被對凍融的影響差異不大。海拔高度對凍融土體的厚度及凍融強度影響較為明顯，在海拔3 800 m的地區，調查時測量的凍融剖面厚度多介于5～15 cm之間，而隨著海拔高度的增加，在4 000 m海拔的區域，凍融土體的厚度平均增加到35 cm。由于對川西高原土體產生凍融時的溫度缺少觀測數據，故本研究對產生凍融過程中土體溫度的變化過程未進行闡述。

1.1　表層土體凍融剝離

在川西高原面上，大部分地區都被表層土體覆蓋。這些表層土體具有35 cm左右的腐殖層，為草被的發育提供了有利條件。川西高原面上的表層草地土多由殘坡積土組成，表層土體中有機質和土壤顆粒等物質含量及特性與下層土體具有較大的差異，在凍融過程中表層土體和下層土體的脹縮性就會存在一定的差異，從而引起表層草被土體與下層土之間形成一個凍融墊層。在凍脹和融沉的過程中沿垂直方向上反復發生脹—沉交替，最終使得表層土體與下層土體分裂，并成為松散固體物質堆積在坡面上。在徑流的作用下啟動而成為泥石流的物源。川西高原表層草被土體被“剝皮”，并呈現出魚鱗狀的斑塊特征，是凍融作用后的典型表現形式(圖1a)。

1.2　基巖的凍脹碎裂

巖石風化作用有物理風化、化學風化和生物風化。就川西高原而言，巖石風化主要是物理風化中的凍融風化作用。基巖因其節理中水分在凍結時體積膨脹而使巖石破裂，是造成川西高原上巖石破壞的最主要外營力。如道孚縣七美鄉及鮮水鎮白日山等地的山頂上堆積著大量松散的砂板巖塊，就是因凍融作用破壞后形成的(圖1b)。凍融風化作用是由于巖體中的水分凍脹而使巖體的完整性遭到破壞。此外，凍融作用通過巖石礦物成份的凍脹系數差異而引起巖石破壞。在川西高原面上，基巖裂縫因凍融循環作用而擴張，還會形成寒凍石流類特殊地貌。其特征為：在山坡上，凍融作用形成的地表裸露塊石呈現似流體狀的分布特征，并堆積成一定寬度和長度，看上去就像由塊石流動而形成的石流(“寒凍石流”)(圖1c)。寒凍石流多發生在嚴冬季節。川西高原的高山陰坡發生較為普遍[3]。寒凍石流的破壞機理跟基巖的凍脹碎裂極為相似。不同的是寒凍石流位于相對較弱的凍融作用區，地貌部位分布相對較低，形成的石塊粒徑多介于0.5～1.5 m。而凍脹碎裂則主要發育在相對較強的凍融作用區，其地貌部位分布較高，海拔高度多>4 000 m，形成的巖塊石粒徑多介于5～50 cm，凍融土體的厚度多大于35 cm。

1.3　溝壁的凍融垮塌

溝壁上部土體融化時呈片狀或塊狀崩塌的現象，多發生在溝頭跌水或溝壁陡峭處。溝壁凍結從上方和側面兩個方向進行。土體上部的凍脹量大于下部，凍裂也比下部寬，致使土體向溝道一側傾斜。當春季融化時，上部融化的速度遠遠快于下部。土體因抗剪強度迅速降低而產生崩塌[3]。此類凍融侵蝕過程多持續整個凍融期，凍融土體的厚度多介于5～10 cm之間。高峰期在春、秋兩季。通常是產生松散層后迅速融瀉，而后又產生新的松散層，如此反復進行(圖1d)。

圖1　川西高原面凍融過程引起的巖土體破壞特征

1.4　凍融泥流

山坡上凍土消融后，活躍層的穩定受到破壞，不斷向下蠕動，這一過程稱為凍融泥流。凍融泥流多發生在陡坡上[4]。凍土融化過程中，外界水分向土壤中入滲，土體重量增大，而土體融化時間和空間上的差異，致使解凍層和凍土層之間形成一個滑動面。隨著土體重量的加大，沿滑動面方向的滑動力也隨之增大。當滑動力超過滑動面上的阻滑力時，土體就沿著滑動面向下蠕動。凍融產生的泥流運動距離主要取決于所在的地形條件，尤其是坡度條件對其影響較為顯著。若坡度較緩，泥流的運動距離會相對較短，從數厘米到數米；若坡度較陡，則泥流運動距離則會較遠。凍融泥流蠕動后，產生垂直剪切和沿滑動面移動兩個過程，結果使山坡形成一級級的臺階狀和波浪起伏狀的特殊坡面形態。

2凍融過程產生的災害效應

2.1　表層土體的“剝皮效應”

在垂直方向和水平方向的凍融作用破壞作用下，坡體的表層土壤因結構疏松而在重力作用下沿坡面滑動，形成斑塊狀的裸露面，似高原面的表層土皮被剝落一樣。當表層土體產生滑動后，便會提供新的裸露空間，其原覆蓋層以下的土體得以出露。這些裸露的土體在反復的凍融作用下又繼續發生循環破壞，使得土體不斷滑落，并在坡腳堆積大量的松散土體，為泥石流的發育提供物源件。川西高原面凍融面積較大，表層土體產生剝皮后的松散固體物質的分布零散。川西高原面的泥石流物源分布的非集中性和廣泛性在一定程度上增加了對這類泥石流的預測評價難度。

2.2　塊體災害的“淺表層效應”

受到川西高原面海拔高度及溫度差異強度的影響，凍融過程的垂直深度受到一定的限制。故川西高原面上發育的滑坡及不穩定斜坡多以淺表層為主，最大厚度一般約為20 m(圖2)。通過對道孚縣境內31處滑坡和42處不穩定斜坡的平均厚度統計結果顯示(表1)，滑坡中，最厚的滑坡體厚度為20 m，滑坡體厚度>20 m的只有9處，占總數的29%(其中厚度為20 m的有4處，厚度介于10～20 m之間的滑坡有5處)；其余22處厚度<10 m，約占總數的71%。在42個不穩定斜坡中，厚度>10 m的有14處，占總數的33%；厚度<10 m的有28處，占總數的67%。

表1　道孚縣滑坡與不穩定斜坡平均厚度統計

2.3　泥石流物質結構的“碎化效應”

凍融風化侵蝕過程在川西高原面產生的直接結果就是使得原本堅硬的基巖解體破碎，基巖表層脫離，在坡面上形成碎石狀的塊體堆積。巖土體碎化過程產生的直接結果就是為地質災害的形成提供小粒徑的松散固體物質。

a 滑坡及崩塌數量與厚度關系b 泥石流數量與溝口最大塊石粒徑統計

圖2道孚縣不同類型地質災害特征統計

凍融作用使得巖土體碎化的特征主要產生以下幾種災害效應。

(1) 低臨界啟動效應。泥石流體中的固體物質占有重要地位。固體物質發生啟動并產生持續的運動，就標志著泥石流的形成。固體物質往往需要一定的臨界條件才能滿足其啟動條件，如溝道徑流量、流速、徑流深度等等。通常情況下，固體物質的粒徑越大，其啟動時對所需的臨界流速、流量及徑流深度等參數值的需求也就越大，反之則小。在川西高原面上，由于凍融作用導致的巖土體產生碎化過程，使得固體物質的粒徑相對較小。故這類泥石流在形成時對降雨臨界值條件的要求也就較低。

(2) 堆積體小粒徑效應。通過對道孚縣境內道孚縣98條泥石流溝溝口堆積物最大粒徑統計結果顯示，溝口粒徑最大為2.2 m，約80%泥石流沖出的塊石最大粒徑均<1 m，約49%的塊石最大粒徑<0.5 m(圖2)。

這類泥石流體中的塊石粒徑較小的特征與內地高山峽谷區塊徑可達數十米的泥石流沖出堆積物形成了鮮明的對比。從川西高原面泥石流沖出物的特征可以分析，這些地區泥石流災害的破壞主要以淤埋為主，而其沖擊破壞力要遠比其它地質環境條件下發育的泥石流破壞力小許多(圖3)。此外，由于這類泥石流的小粒徑固體物質含量較多，在運動過程中流體的黏稠度相對較大，這在一定程度上導致泥石流沖出距離相對較短。

圖3　典型凍融區泥石流沖出物粒徑的碎化特征

(3) 泥石流流域的“混合分區效應”。通常情況下，泥石流的流域分區有三分法(形成區、流通區及堆積區)和四分法(清水區、物源區、流通區及堆積區)。而在川西高原面上，由于受到凍融作用的影響，泥石流物源具有分散補給的特點，且多以溝道岸坡的凍融坍塌為主，整個流域的溝道兩岸均是物源補給區，使得泥石流的流通區被弱化，很難將其與形成區和堆積區進行明顯的區分。為此，多數泥石流溝的流域分區只能進行“二分法”，即分為形成流通區—堆積區或形成區—流通堆積區。在泥石流評價及開展工程防治方案的確定過程中，劃分出明確的泥石流形成區流通區和堆積區極為重要。因為在泥石流評價時，需確定危險區的大致范圍，為泥石流危險區內的工程建設及人類工程活動提出針對性的措施，以降低泥石流可能帶來的潛在危害。而川西高原面上泥石流的混合分區特征使得我們很難對泥石流的形成特征及機制進行深入的了解，這在一定程度上降低我們對泥石流潛在危害的評價精度。

3結 論

(1) 通過川西高原凍融作用對泥石流發育的影響發現，泥石流形成區的巖土體在凍融作用下形成一種典型的“碎化效應”。對這一地區巖土體碎化效應的分析對深入認識這類泥石流的物源區、物源類型、破壞模式及形成機理有重要的指導意義。同時，凍融過程產生的碎化效應還使得高原面上泥石流形成時物源啟動所需的臨界雨量條件相對較低。此外，因攜帶少量小粒徑塊石而造成的泥石流沖擊破壞作用不顯著，使得其破壞主要以淤埋為主，可為川西高原面泥石流的防治工程設計提供理論依據。

(2) “剝皮效應”的提出，可為泥石流物源量估算及危險性評價提供重要參考。根據產生剝皮效應區的面積和厚度，可以估算一次泥石流可能沖出的最大規模；另一方面，剝皮區的確定可為通過控制泥石流物源從而實現抑制泥石流發生的目的提供參考。

[參考文獻]

[1]邱國慶,劉經仁,劉鴻緒,等.凍土學辭典[M].甘肅 蘭州:甘肅科學技術出版社,1994.

[2]程國棟.青藏鐵路工程與多年凍土相互作用及環境效應[J].中國科學院院刊,2002,17(1):21-25.

[3]景國臣.凍融侵蝕的類型及其特征研究[J].中國水土保持,2003(10):17-18.

[4]靳德武,孫劍鋒,付少蘭.青藏高原多年凍土區兩類低角度滑坡災害形成機理探討[J].巖土力學,2005,26(5):774-778.

Damage Types and Hazards Effects from Freezing-Thawing Process in Plateau of Western Sichuan Province

TIE Yongbo, BAI Yongjian, SONG Zhi

(ChengduInstituteofGeologyandMineralResources/ChengduCenterofChinaGeologicalSurvey,Chengdu,Sichuan610081,China)

Abstract：[Objective] To Study the damage types and hazard effects from freezing—thawing process and the mechanism of geo-hazards/soil erosion in plateau of Western Sichuan Province.[Methods] On the basis of the specific survey of geological hazards in Daofu County of the plateau of Western Sichuan Province, the hazard effects of freezing and thawing were analyzed and summarized, and different damage types were counted.[Results] We put forward several damage effects as the “peeling effect” of freezing—thawing，the “surface effect” of landslide and the “fragmentation effect” of debris flow source. The carried stones of debris flow were less than 1 m in diameter. Therefore, burying was the main damage type of debris flow. More than 70% of landslides had the depth less than 20 m, the volume of these landslides were relative smaller, and the potential hazards from landslide is lower.[Conclusion] The damage power from debris flow in the plateau of Western Sichuan Province is weak, the prevention engineering should be consider as drainage oriented types. The landslide in the plateau of Western Sichuan Province had small volume, and this type landslide can slide easily under the lubrication of snow melt water or rainfall, and keep the slope flow away from landslide is important to the stability of this type of landslide.

Keywords:freezing-thawing process; fragmentation effect; hazards effects; the plateau of Western Sichuan Province

文獻標識碼：A

文章編號：1000-288X(2015)02-0241-05

中圖分類號：S157.1， P694

收稿日期：2014-01-15修回日期：2014-04-10