中國西藏高海拔河谷崩塌災(zāi)害及其生態(tài)效應(yīng)研究

趙永輝，王 黎，任才讓旦主，王 赟，楊金華，洛桑次仁

1. 西藏自治區(qū)水利電力規(guī)劃勘測設(shè)計研究院，西藏 拉薩 850000；2. 中國水電基礎(chǔ)局有限公司西藏分公司，天津301700

0 引言

隨著中國西藏的快速發(fā)展，西藏作為中國生態(tài)安全屏障，對高原生態(tài)環(huán)境保護提出了更高的要求，在工程建設(shè)過程中格外重視生態(tài)環(huán)境保護。

崩塌作為中國西藏常見的斜坡地質(zhì)災(zāi)害，專家學(xué)者關(guān)于斜坡崩塌災(zāi)害的相關(guān)研究從未間斷過。梁靖等依據(jù)影像分析、數(shù)值模擬等技術(shù)手段，將蘆葦海崩塌分為坡表局部崩塌、頂部危巖帶變形、撞擊坡表和碎屑流四個階段[1]；鄭光等在現(xiàn)場調(diào)查的基礎(chǔ)上基于無人機航拍等技術(shù)，提出了崩塌—碎屑流的破壞模式[2]；徐偉等把崩塌破壞過程分為初始震裂變形、累積變形、啟動破壞、穩(wěn)定與堆積四個階段[3]；肖銳鏵等將崩塌破壞過程歸納為沉陷帶變形崩塌、坡面局部崩塌、整體潰屈崩塌、撞擊地面和碎屑流五個階段[4]；王健等采用UDEC，將懸臂梁崩塌演化過程歸納為懸臂形成、裂隙產(chǎn)生、裂隙貫通、懸臂折斷和堆積坡腳五個階段[5]；曾芮等基于ABAQUS提出了上硬下軟地層是斜坡是產(chǎn)生崩塌的內(nèi)因[6]；張小輝等通過分析地質(zhì)背景和誘發(fā)因素，針對燕子河流域崩塌提出了碎裂—墜落式、彎折—傾倒—滑移式、碎裂—滑移式三種破壞模式[7]；劉傳正等基于有限差分法分析了紅石巖崩塌成因機理和誘發(fā)因素[8]；畢銀強等依據(jù)地質(zhì)條件，采用國際地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險管理方法對公路崩塌進行了定量風(fēng)險評估[9]；等通過持平投影等手段分析，認(rèn)為崩塌—碎屑流可演化為滑坡地質(zhì)災(zāi)害[10]；林鋒等采用MIDAS/GTS分析了巖溶區(qū)崩塌的成因機理，認(rèn)為強烈?guī)r溶結(jié)構(gòu)控制了崩塌的形成[11]。

不難看出，專家學(xué)者依據(jù)地質(zhì)條件，多采用數(shù)值模擬和公式計算法，主要針對崩塌成因機理、破壞模式等方面開展了大量研究，在理論研究和工程實踐中取得了不菲的成績，進而推動了崩塌地質(zhì)災(zāi)害研究工作的發(fā)展。同時也發(fā)現(xiàn)，針對中國西藏高海拔河谷區(qū)巖質(zhì)斜坡處崩塌災(zāi)害及其地表生態(tài)效應(yīng)的研究相對較少，而其又是青藏高原防災(zāi)減災(zāi)工作的重點。鑒于此，文章以中國西藏雅魯藏布江流域河谷斜坡崩塌為研究對象，基于區(qū)域地質(zhì)背景、基本地質(zhì)條件和歷史遙感影像，旨在研究崩塌發(fā)育特征、成因演化及其引起的地表生態(tài)效應(yīng)，以期為高原河谷區(qū)斜坡崩塌防治提供指導(dǎo)。

1 崩塌區(qū)地質(zhì)環(huán)境

1.1 區(qū)域地質(zhì)概況

研究區(qū)地處西藏高海拔河谷右岸，靠近雅魯藏布江結(jié)合帶，凍融、卸荷、風(fēng)化等物理地質(zhì)現(xiàn)象較明顯，區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定性較差，崩塌、滑坡等斜坡地質(zhì)災(zāi)害較發(fā)育[12-13]，見圖1。

圖1 研究區(qū)DEM（據(jù)SRTM）Fig. 1 DEM of study area

1.2 基本地質(zhì)條件

研究區(qū)崩塌位于河谷右岸公路內(nèi)側(cè)人工邊坡處，與上游沖溝交接，主崩方向約為NE80°～90°。崩塌區(qū)地層巖性主要為黑云母二長花崗巖（nγβK2）、殘坡積體（Qel）和崩塌堆積體（Qcol）。其中花崗巖構(gòu)成河谷斜坡主要地層，塊狀結(jié)構(gòu)，呈強—弱風(fēng)化，巖體內(nèi)裂隙較發(fā)育，完整性較差；殘坡積體廣泛分布于研究區(qū)斜坡淺表層，厚度不等，其上植被長勢較好；崩塌堆積體堆積于人工邊坡坡腳排水溝處，主要為塊碎石土。崩塌區(qū)未見地下水出露，主要物理地質(zhì)現(xiàn)象為凍融、風(fēng)化等，見圖2。

圖2 崩塌全貌圖Fig. 2 Panorama of collapse

2 崩塌發(fā)育特征及成因分析

2.1 天然斜坡歷史遙感影像解譯

依據(jù)2007年10月、2010年11月和2014年12月歷史遙感影像，2007年10月—2014年12月研究區(qū)崩塌源所在河谷天然斜坡坡面植被覆蓋率較高，以灌木為主，未發(fā)現(xiàn)裂縫等變形跡象，說明天然斜坡處崩塌源穩(wěn)定性較好，天然工況下產(chǎn)生巖崩的可能性較小，見圖3。

圖3 崩塌源歷史遙感影像（據(jù)Googel Earth）Fig. 3 Historical remote sensing image of collapse source

2.2 崩塌發(fā)育特征

崩塌位于沖溝與天然斜坡交接部位，其具有明顯的發(fā)育特征，具體如下：

2.2.1 楔形變形體

巖質(zhì)斜坡崩塌源區(qū)發(fā)育三組優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面，即J1、J2和J3。其中J1結(jié)構(gòu)面平直光滑，延伸長度大于5 m，產(chǎn)狀約為N50°～70°W/60°NE，基本無填充，呈閉合狀態(tài)；J2結(jié)構(gòu)面較光滑，多呈折線狀，延伸長度10 cm～50 cm，產(chǎn)狀約為N70°～90°W/70°SE，無填充，呈閉合狀態(tài)；J3結(jié)構(gòu)面較平直，據(jù)露頭推測延伸長度約為2 m～6 cm，產(chǎn)狀約為N0°～20°W/30°NW，呈閉合—微張開，局部泥質(zhì)填充，結(jié)構(gòu)面間可見擠壓破碎帶。經(jīng)J1、J2和J3三組優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面切割，崩塌源巖質(zhì)斜坡區(qū)楔形巖塊較發(fā)育，穩(wěn)定性較差區(qū)則表現(xiàn)為楔形變形體，見圖4（a）。

2.2.2 拉張變形區(qū)

巖質(zhì)斜坡崩塌后緣典型斷面處發(fā)育拉張破壞區(qū)，主要以拉張裂縫形式分布于斜坡淺表層，裂縫呈波狀彎曲，總體近直立，張開狀，寬約1 cm～5 cm不等，由斜坡表層向深部延伸，直至尖滅。拉張裂縫局部延伸發(fā)育與主裂縫呈相交關(guān)系的次級變形裂縫，拉張變形區(qū)主要由主拉張裂縫和次級拉張裂縫組成。崩塌后緣拉張裂縫傾向與崩塌主崩方向基本一致，拉張變形區(qū)巖體整體向河谷方向傾倒，見圖4（b）。

2.2.3 擠壓破碎帶

巖質(zhì)斜坡內(nèi)發(fā)育三組優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面，其中J3結(jié)構(gòu)面為反傾結(jié)構(gòu)面。在斜坡巖體自重作用下，J3結(jié)構(gòu)面間厚度相對較薄、強度相對較低的巖層被擠壓至碎裂狀，形成擠壓破碎帶，帶內(nèi)物質(zhì)組成主要為碎礫石土，碎石和礫石棱角分明。由于擠壓破碎帶發(fā)育主要受控于J3反傾結(jié)構(gòu)面，因此，其產(chǎn)狀與J3結(jié)構(gòu)面類似，擠壓破碎帶整體較平直，傾向NW，見圖4（c）。

圖4 崩塌發(fā)育特征圖Fig. 4 Characteristics of collapse development

2.3 崩塌成因分析

2.3.1 地形地貌

崩塌源所在河谷斜坡發(fā)育沖溝，崩塌源位于斜坡與沖溝交接“凸”出部位，使其同時向沖溝、河谷方向臨空。以往的斜坡臨空環(huán)境較單一，基本一面臨空，隨之而來的斜坡變形破壞方向也基本朝向臨空一側(cè)。相比之下，研究區(qū)崩塌源獲得了更為“寬廣”的臨空條件，其不僅可以朝河谷方向，也可以向沖溝一側(cè)產(chǎn)生變形破壞。因此，良好的臨空環(huán)境為研究區(qū)斜坡發(fā)育崩塌災(zāi)害提供了有利的地形條件。

2.3.2 地質(zhì)構(gòu)造

研究區(qū)區(qū)域穩(wěn)定性較差，受構(gòu)造作用、風(fēng)化卸荷等影響，研究區(qū)巖質(zhì)斜坡內(nèi)結(jié)構(gòu)面較發(fā)育。據(jù)發(fā)育特征分析，崩塌源斜坡內(nèi)發(fā)育三組優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面，在其影響下，斜坡內(nèi)發(fā)育楔形變形體和擠壓破碎帶，進而影響斜坡巖體整體性，不利于斜坡自身穩(wěn)定。

2.3.3 工程開挖

盡管崩塌源臨空環(huán)境較好、巖體整體性較差，由于天然斜坡經(jīng)歷了漫長的河谷演化，斜坡楔形變形體仍整體處于基本穩(wěn)定狀態(tài)。鑒于河谷斜坡公路工程建設(shè)需要，經(jīng)人工開挖，于崩塌源處形成人工邊坡，且公路人工邊坡坡度大于自然斜坡坡度，致使崩塌源處楔形變形體在重力作用下瞬間失穩(wěn)，形成巖崩。

“短期”分析，研究區(qū)斜坡地形地貌和地質(zhì)構(gòu)造為發(fā)育崩塌提供了基本地質(zhì)條件，工程開挖則是誘發(fā)因素。“長期”而言，研究區(qū)崩塌從孕育至產(chǎn)生經(jīng)歷了漫長的地質(zhì)歷史，是河谷演化的產(chǎn)物。

一般認(rèn)為，河谷下切過程中總是伴隨著岸坡的變形破壞，研究區(qū)崩塌演化過程大致可分三個階段，即寬谷階段、河谷下切—結(jié)構(gòu)面形成階段、邊坡開挖—崩塌產(chǎn)生階段。其中寬谷階段為崩塌源所在河谷較寬闊，兩岸斜坡坡度相對較緩，風(fēng)化、卸荷現(xiàn)象不明顯，巖體完整性好；隨著河谷不斷下切，岸坡變陡，且其內(nèi)部發(fā)育結(jié)構(gòu)面和擠壓破碎帶，進而形成楔形變形體，此為河谷下切—結(jié)構(gòu)面形成階段；邊坡開挖—崩塌產(chǎn)生階段即為公路邊坡開挖，崩塌源楔形變形體整體失穩(wěn)，產(chǎn)生崩塌災(zāi)害，崩塌后緣獲得有利的臨空環(huán)境持續(xù)形成拉張變形區(qū)。總體而言，研究區(qū)河谷斜坡崩塌以漸進性破壞為主。

3 崩塌地表生態(tài)效應(yīng)

高海拔河谷區(qū)崩塌災(zāi)害一定程度上可破壞原有的地表生態(tài)系統(tǒng)，易導(dǎo)致一系列地表生態(tài)效應(yīng)，研究區(qū)崩塌災(zāi)害亦是如此。首先，研究區(qū)崩塌改變了斜坡原有的地形地貌，與此同時，崩塌后緣拉張變形區(qū)又孕育著次級崩塌，致使地形地貌進一步被改變，產(chǎn)生新的微生境[14]；其次，研究區(qū)崩塌源處植被長勢較好，隨著崩塌災(zāi)害的產(chǎn)生，大部分斜坡坡表植被根系被迫脫離肥力充足的殘坡積土而死亡，造成河谷斜坡草地和灌木面積銳減；最后，研究區(qū)崩塌災(zāi)害產(chǎn)生后，造成天然斜坡大面積基巖裸露，降雨期間，雨水極易沖帥崩塌斷面并帶走崩塌堆積體內(nèi)細(xì)顆粒物質(zhì)，進而造成水土流失[14]，見圖5。因此，研究區(qū)崩塌災(zāi)害的產(chǎn)生破壞了河谷斜坡局部生態(tài)系統(tǒng)。鑒于此，研究區(qū)崩塌災(zāi)害治理措施不僅需要從工程防護出發(fā)，而且應(yīng)該考慮適當(dāng)?shù)纳鷳B(tài)修復(fù)措。

圖5 崩塌區(qū)現(xiàn)狀圖Fig. 5 Current situation map of collapse

據(jù)研究區(qū)崩塌發(fā)育特征，其后緣拉張變形區(qū)存在次級崩塌的可能，如果對拉張變形區(qū)巖土體做清除處理，將會進一步破壞河谷斜坡生態(tài)系統(tǒng)。同時，鑒于研究區(qū)局部小氣候特征明顯，植被長勢較好，建議采用生態(tài)護坡治理措施。具體為：拉張變形區(qū)做錨桿加固處理，整個崩塌巖質(zhì)斷面采用生態(tài)混凝土處理措施，兩種處理措施雙管齊下，不僅保證了邊坡穩(wěn)定性，而且一定程度上可修復(fù)已破壞的生態(tài)系統(tǒng)。

4 結(jié)論及建議

（1）崩塌源位于斜坡與沖溝交接“凸”出部位，特殊的地形地貌為產(chǎn)生崩塌地質(zhì)災(zāi)害提供了有利的地形條件；受構(gòu)造作用、風(fēng)化卸荷等影響，崩塌源斜坡內(nèi)發(fā)育優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面和擠壓破碎帶，進而形成了楔形變形體，其不利于斜坡自身穩(wěn)定。盡管如此，天然斜坡處崩塌源穩(wěn)定性較好，產(chǎn)生巖崩的可能性較小，人工邊坡開挖是產(chǎn)生崩塌的誘發(fā)因素。從孕育至產(chǎn)生，研究區(qū)崩塌演化過程大致可分三個階段，即寬谷階段、河谷下切—結(jié)構(gòu)面形成階段、邊坡開挖—崩塌產(chǎn)生階段，整個變形破壞表現(xiàn)出明顯的漸進性。

（2）高海拔河谷區(qū)崩塌災(zāi)害一定程度上可破壞原有的地表生態(tài)系統(tǒng)，導(dǎo)致了一系列地表生態(tài)效應(yīng)，具體為：①崩塌改變了河谷斜坡原有的地形地貌，與此同時，產(chǎn)生新的微生境；②崩塌使得斜坡坡表植被根系被迫脫離肥力充足的殘坡積土而死亡，造成河谷斜坡草地和灌木面積銳減；③崩塌災(zāi)害的產(chǎn)生，造成斜坡大面積基巖裸露和松散崩積體，易造成水土流失，建議采用生態(tài)護坡治理措施。