青海省祁連縣小冬筍泥石流形成機理及治理方法研究

(成都理工大學 四川 成都 610059)

一、引言

本文作者在“祁連縣祁連山‘山水林田湖’生態修復”項目的工作中發現：研究區山前地帶中土質滑坡[1-2]轉化為泥石流的致災模式非常發育[3]，其具有分布廣泛、危害大、致災能力強的特點，尤其是近年來，此類地質災害的愈演愈烈直接威脅到研究區的經濟建設以及“山水林田湖”命運共同體[4-5]的保護。

對于泥石流，學者們主要針對的是短歷時強降雨條件下泥石流的預警計算模型[6-7]、形成條件[8-10]、危險性評價[11-12]以及防治措施[13-14]的研究。但本研究區屬高原大陸性氣候，氣象特點為降水量少，蒸發量大，同時還應考慮季節性凍融對誘發泥石流的影響。另一方面，針對研究區當地的地質災害[15-17]和地表生態[18]研究相對較少，且由于不同歷史時期工作的側重點不同，二者彼此之間缺乏聯系，并沒有考慮到“山水林田湖”命運共同體的概念。

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內，目前其堆積體已經破壞了景區道路，堵塞了河道，對景區的地表生態以及人類的生命財產構成

了嚴重威脅(圖1)，且該泥石流仍在繼續發展。開展該項研究為進一步認識該地區泥石流災害提供參考，由于目前小冬筍泥石流還未進行治理，該研究同時可為其防災減災提供依據。

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化的動能以及水源徑流提供的動能共同構成了泥石流形成的主要能量來源。小冬筍流域內的滑坡物源為泥石流的啟動提供了松散物質，有利于泥石流活動。

(一)地形條件

小冬筍流域中下游呈現典型的樹葉型，上游為一條長2550m的高山峽谷(圖2)，溝域面積4.72km2，流域最高點為南部山脊，最高海拔4260m，最低點位于主溝道與景區公路交匯處，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“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-嚴寒氣候帶，氣象特點為降水量少，蒸發量大，季節性凍融作用強烈。因此，將小冬筍流域的水源條件分為：降雨(雪)條件和季節性凍融兩個方面。

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，蒸發量減少約50～400mm。

季節性凍融：研究區屬多年凍土區，季節性凍融發育，陰坡3500m及陽坡3800m為多年凍土下界，標準凍結深度250cm。此外，根據相關溫度監測結果[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測的溫度均在0℃一下。

圖3 溫度監測結果

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，為該泥石流的發生提供了有利的水源條件。

(三)物源條件

通過現場調查發現小冬筍流域內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)分布多處小規模滑坡(圖5)。溝道堆積體物源主要分布于流域中游主溝道內(圖6)。通過計算，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。上述物源為小冬筍泥石流的孕育和發生提供了物源條件。

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理

(一)小冬筍泥石流發生及運動特征

根據現場調查和訪問，小冬筍主滑坡發生于2008年前后，起先為一規模較大的淺層土質滑坡，主滑體沿斜坡表面滑動之后趨于穩定，滑坡后緣由于形成新的臨空面，發生牽引式小滑塌，后緣滑塌的不斷擴展使主滑坡的范圍和方量不斷增加。當時阿咪東索景區尚未建立，且滑坡無直接威脅對象，并沒有引起相關部門重視。但自2015年開始，受全球性氣候影響，青海省東北部地區出現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，與此同時斜坡凍土層消融增強，消融水沿地下流水孔隙也匯聚至主滑坡拉線槽內。最終主滑體多處潰決，水流裹挾滑體的松散物質帶往下游，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突然、持續時間短、物源量大等特點，并且流域內仍然有大量物源，具有再次暴發的可能性。

(二)小冬筍泥石流形成機理分析與討論

根據現場調查，現對小冬筍泥石流的形成機理做如下四點分析與討論：

1.關于小冬筍主滑坡的形成機理

小冬筍主滑坡位于流域中游左岸山前傾斜平原處，主要是由上更新統冰水洪積物(Q3fgl-pl)構成，為含泥砂礫卵石層、碎石層夾亞砂土透鏡體，結構松散，分選差，礫石成份以變質巖、花崗巖為主。起初，主滑坡的規模相較現在略小，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，使潛在滑動面的抗剪強度降低，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的動水壓力變大，最終導致主滑坡的失穩。

將現場調查的現象與2017年9月發生的青海玉樹稱多縣牧場山體垮塌——“草皮滑坡”[21]類比發現，小冬筍主滑坡與之類似。滑坡發生之后，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，導致本就結構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到液限，這就形成了滑體在草皮上“流動”的現象。

主滑體滑動之后，滑坡后緣斜坡出現臨空面，抗滑力減小，致使后緣斜坡產生變形，坡面出現裂縫。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，加之坡面出現的裂縫為地下水和地表水的下滲提供了通道，在有相應隔水層的地段，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，抗剪強度降低，上部土體重度增加，土體內部產生一定的靜水壓力，其動水壓力也隨之變大，形成牽引式破壞，導致小冬筍主滑坡規模不斷擴大。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.關于小冬筍滑坡群的形成機理

小冬筍主滑坡發生之后，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力和滑帶強度，導致其顆粒間的黏結力和摩阻系數減小，削弱了斜坡的穩定性。另一方面，斜坡內部的地下水位不斷升高使潛在滑動面飽和，減小了其抗剪強度，潛在滑動面以上部分虛壓力大于實壓力體，斜坡下部被淹沒產生浮托力，浸水土體的有效質量因孔隙水壓力發生改變，降低了斜坡穩定性。滑坡群所處的斜坡位于流域凹岸，流水對坡腳的掏蝕作用強烈，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，巖土體結構相對松散，滑坡發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

小冬筍泥石流發生于2015年，該年份氣候變化異常，達到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烈。除了對土體的物理力學性質有直接影響外，當土體處于凍土狀態時，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起到調節作用，因而凍土的消融必定會對該地區的水文循環產生影響。相關的研究表明[22-25]，凍土區的地表徑流和地下徑流增加與凍土消融有直接關系。以上冰雪和凍土的消融，為小冬筍泥石流的暴發提供了充足的水源條件，是泥石流發生的直接誘因。

(三)小冬筍泥石流發展趨勢分析

小冬筍泥石流的暴發說明當遇到異常氣候，溫度升高，冰雪和凍土消融加劇時，該地區山區極易發生類似的滑坡、泥石流活動。根據現場調查的結果，現今小冬筍流域內還存在大量的固體物源，2015年發生的泥石流絕大部分堆積在流域下游主溝道內，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堵塞溝道。目前，小冬筍泥石流仍處于形成期-發展期，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降雨時，小冬筍流域發生泥石流災害的可能性仍然很大。

四、防治方案及建議

根據以上分析，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。現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，但是從更深層次的“山水林田湖”命運共同體的角度來看，其對地表生態(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。因此，針對小冬筍流域的防治方案應綜合考慮地表生態效應和地質災害等多方面因素，現作者提出如下建議：

(一)場地平整結合局部護坡

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

(二)截排水工程結合植被恢復

在場地平整的基礎上，對小冬筍流域實施截排水工程，以減少地表和地下徑流對物源及斜坡穩定性的影響。針對主滑坡和滑坡群，沿滑坡邊界范圍外設置截、排水溝，并在主滑坡場地平整范圍內設置排水溝，同時在主溝道堆積體兩側設置排水溝，并在主溝道堆積體上部設置截、排水溝，降低水流對平整場地后的斜坡穩定性的影響。最后，在上述工作的基礎上，針對平整后的場地、滑坡群的格賓擋墻，進行植被恢復，植被選取流域內的原生植被，在植被恢復場地內如遇不易植被生長的土壤，應在表層回填耕植土，以提高植被的存活率。

(三)實時監測結合臨災預警

由于流域內目前無泥石流監測措施，建議加強水源量監測，尤其是針對冰雪和凍土消融季節土壤含水量的監測。在6～9月消融季節和雨季應加強群防群治，設置專門的巡視人員，做好應急準備，必要時啟動防災預案進行撤離。最后應對恢復的植被進行養護和監測，確保植被恢復率達到相應指標。

五、結論

在野外調查和上述分析的基礎上，作者得出以下三點結論：

(1)小冬筍泥石流目前處于形成期-發展期，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性質，2008年主滑坡發生之后，其后緣不斷發生牽引式滑動，使主滑坡范圍不斷擴大。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，最終導致主滑體局部潰決形成泥石流。

(3)目前，小冬筍流域內仍然堆積有大量物源，如遇氣候異常變化或強降雨時，其發生泥石流災害的可能性很大。文章最后在地表生態和地質災害相結合的前提下，提出以場地平整、局部護坡、截排水工程、植被恢復和監測預警的綜合治理方案。