祁連山黑河流域油葫蘆段凍土區融凍泥流特征及其形成機理

白 云， 謝 雷， 陳 豪

(四川省冶金地質勘查局六○五大隊，四川 彭山 620860)

1 引言

中國多年凍土面積占全國面積的22.3%，主要分布在東北北部山區、西部高山與青藏高原，青藏高原地區，凍土分布面積達 1.5×106km2。近年來，隨著大規模巖土工程活動，在凍土區進行土方開挖、填土及其他對地質環境的擾動活動，多年凍土區斜坡穩定性日益受到威脅。祁連縣地處青藏高原北部，青海省東北部，境內共有大通河水系的默勒河和祁連山內陸水系的黑河兩大流域，年內降水分配極不均勻，降水多集中在每年6～9月，占全年降水總量89.7%，祁連縣平均海拔3 169 m，幾乎每年都有凍土，隨著全球氣候變暖，最大深度總體呈減小趨勢，月平均最大凍深值在3月份，最小值在9月，全球變暖對多年凍土最直接的影響就是地溫升高和活動層厚度增大，導致表層土壤含水量減少，從而對多年凍土區植被產生影響。凍土為特殊性土，是一種對溫度極為敏感的土體介質，影響其凍深的主要因素是溫度。溫度的變化導致凍土在凍與融之間循環，而凍與融對應于凍土的高強度與低強度，故其高強度僅存在于氣溫寒冷月份。長期而言，凍土具有低強度特征，這種特征在氣溫較高月份容易造成表層融化土層流動，形成融凍泥流，然后在雨水的誘發下產生滑坡和泥石流等地質災害。祁連縣境內融凍泥流主要發育在河流侵蝕岸與小型沖溝側坡的多年凍土區。由于侵蝕作用與坡腳開挖使埋深的凍土表露出來，加快了凍土的融化，產生了一系列邊坡融塌和泥流。

2 研究區地質環境特征

2.1 地形地貌

研究區屬構造侵蝕中山地貌，滑坡后緣海拔3 175 m，前緣海拔3 055 m，相對高差約120 m，總體坡度10°～20°，坡向約6°。研究區微地貌屬于單斜的斜坡地貌類型。

2.2 地層巖性

研究區出露的地層由老到新有：三疊系南營兒群下巖組砂巖、頁巖和第四系中更新統冰水堆積層、第四系全新統沖洪積層。

2.3 地質構造與地震

受區域地質構造影響，巖層朝西南傾斜，由于受斷裂構造的影響，區內褶皺構造殘缺不全，出露不明顯。區內新構造運動總體表現為震蕩式的隆升運動，溝道下切較強烈。

2.4 工程地質條件

根據巖性的組合情況和工程地質特征、地形、地貌、巖性、構造等因素的組合關系，研究區巖土可劃分為兩個工程地質巖組。(1)松散巖組，①第四系全新統沖洪積層，主要為細砂土，厚度大于5 m(鉆探及現場調查)，結構松散，承載力低。分布于黑河河床。②第四系中更新統冰水堆積層，主要由黃土狀土、角礫、圓礫組成，含少量碎石、塊石，厚度3.5～13.5 m(鉆探揭露)，結構較松散，承載力較低。分布于整個研究區。(2)軟巖巖組，三疊系南營兒群下巖組，主要為灰、綠色中細粒砂巖夾粉砂質頁巖，厚層狀構造，巖層產狀210°∠35°。強風化砂巖天然抗壓強度0.7 MPa，承載力350 kPa；中風化砂巖飽和抗壓強度20.2 MPa，承載力650 kPa。主要出露于陡坎、陡坡地帶。

2.5 水文地質條件

工作區水文地質特征較復雜，根據地下水的賦存條件、水理性質及水動力特征，將地下水劃分為碎屑巖類裂隙孔隙水和松散巖類孔隙水。(1)碎屑巖類裂隙孔隙水，含水層巖性主要為白堊系的砂巖、砂礫巖、礫巖，補給來源主要為山區地表水、基巖裂隙水的側向補給，下部為承壓水，但富水性較弱，單位涌水量一般在0.002 4～0.667 L/(s·m)之間，水質復雜。(2)松散巖類孔隙潛水，含水組巖性為中更新統冰水堆積含碎石粉質黏土層(Q2fgl)和全新統沖洪積砂卵礫石層(Q4al+pl)。中更新統冰水堆積含碎石粉質黏土層(Q2fgl)和全新統沖洪積砂卵礫石層(Q4al+pl)的地層透水性強，基本被疏干，在溝谷切割低洼處泄處及在斜坡體前緣與階地的接觸處泄出，水量較豐富，主要接受大氣降水和冰雪融化水補給，含水層厚度一般為5～10 m，單泉流量小于1 L/s。

3 融凍泥流特征

3.1 發育特征

經過野外勘查發現，融凍泥流區范圍清晰，各特征發育明顯。融凍泥流位于野牛溝鄉大龍村，地處祁連縣黑河流域油葫蘆段南岸，為堆積層蠕滑，地形整體上南高北低，坡底為黑河。區域后壁、側壁明顯，裂縫發育，滑體物質主要有粉質黏土、碎石、塊石、角礫等組成，成分混雜，排列無規律性，結構松散，滑體物質受凍融作用，土質松散，塊碎石母巖成分為頁巖、砂巖。根據勘探鉆孔揭露的滑帶情況，將滑帶形態特征敘述如下：勘探鉆孔揭露滑帶基本清晰，總體滑帶傾向為西南向，傾角呈上陡下緩分布，傾角由后部12°～22°，至中部8°～12°，過渡到前部的4°～8°左右，滑帶形態總體呈弧形，局部略有起伏。根據勘探剖面，可以看出滑坡不同部位其滑帶形態和特征變化較大。從滑坡鉆孔揭露看，滑動面較清晰，土體有擾動擠壓跡象。另外，由于滑坡滑動擠壓，擾動下層基巖，使土中夾有零星片狀砂泥巖碎屑，略有擦痕。融凍泥流平面形態呈舌狀，剖面形態呈階梯狀，扇長940 m，寬240 m，厚3.5～9.2 m，平均坡度20°，主滑方向6°，由于時間、地形、巖層等影響，融凍泥流斜坡主要形成4個區，分別為滑動區、強變形區、弱變形區、堆積區。

圖1 融凍泥流全景

滑動區縱向長約400 m、橫向平均寬約120 m，滑體平均厚度約5.2 m，體積方量21.60×104m3。滑面坡度平緩，約8°左右(圖2)，后緣形成多級平臺(圖3)，寬3～8 m不等，滑坡側壁跡象明顯(圖4)，滑體物質受凍融作用，土質松軟。

強變形區長約300 m，寬約130 m，滑體平均厚度約5.0 m，體積方量19.5×104m3。滑面坡度平緩，約10°左右(圖5)，后緣受牽引，形成多條拉張裂縫(圖6)，裂縫深約0.5～1.5 m，長約50～150 m，寬約0.1～0.5 m，將原始土體切割成大小不一的塊狀體。滑體物質受凍融作用，土質松軟。

圖4 滑動區側壁

圖5 強變形區剖面簡圖

圖6 強變形區變形特征

弱變形區長約460 m，寬約100 m，滑體平均厚度約3.0 m，體積方量9.2×104m3。滑面坡度平緩，約10°左右，后緣受牽引，形成少量拉張裂縫(圖7)，裂縫深約0.5～1.0 m，長約100～200 m，寬約0.2～0.6 m。滑體物質受冰凍溶蝕作用不明顯，無明顯擾動跡象。

圖7 弱變形區

堆積區長185 m，寬95 m，堆積厚度13 m，約16×104m3，物質組成主要為塊石、碎石、粉質黏土、角礫等，結構松散，目前堆積區已擠占黑河河道約100 m(圖8、圖9)。

圖8 堆積區剖面簡圖

圖9 堆積區俯視

3.2 穩定性及危害程度

融凍泥流災害體自2016年發生大規模滑動以來，近幾年未再次發生整體下滑，但常發生小規模的溜滑，特別是雨季，在暴雨的作用下，滑體因凍融形成的土塊易隨雨水沖向黑河，已擠占黑河河道約100 m。災害體誘發的主要因素是極端氣象條件下的強降雨及凍融作用。在暴雨季節滑動區有繼續變形跡象，且可能出現新的裂縫，有進一步發生滑動的可能。一旦再次產生滑動，將牽引周邊產生次生地質災害，對生態環境破壞嚴重，對人民生命財產造成威脅。通過對滑帶附近的土樣進行試驗分析，受凍融作用影響，土體的黏聚力與內摩擦角都非常小(表1)，常年的冰凍及融化已導致土體結構遭受嚴重破壞，基巖的風化砂質成分與土體結合以及土體擾動，使其本身的抗滑能力急劇減小，即使在較平緩的斜坡也會發生滑動。

表1 滑帶土物理性質分析試驗結果統計表

4 融凍泥流體形成機理分析

4.1 地質環境背景

4.1.1 地形地貌

該融凍泥流產生于斜坡地帶，平均坡度20°，高差80～120 m，為滑動形成提供了地形地貌條件；另外，坡體在黑河水流不斷側向侵蝕作用下，前部坡度變大，致使融凍泥流體前部的應力產生分異，坡腳處最大主應力顯著增高，致使斜坡前部多處發生滑塌，陡坎發育，致使整個斜坡在自身重力作用下沿著融凍層面向河谷方向位移，產生蠕動。

4.1.2 地層巖性

坡體上部為土層，結構松散，易于水的入滲，增加土體容重，重力加大，并且經寒凍作用使土體中的水分凍結膨脹形成裂縫，又為水的進入提供了有利條件，周而復始，受擾動的土體就開始蠕滑。下伏物質為灰綠色砂巖，結構較完整，節理裂隙不發育，為相對隔水層。因此，水體集中在淺層坡體中，坡體上部巖土體易沿著飽水層或軟弱夾層與下伏相對隔水層接觸面發生滑動。

4.1.3 水文地質條件

地下水是導致坡體產生變形的主要原因，暴雨季節，雨水入滲土體，加之融凍作用，不僅增大坡體靜水壓力，導致土體抗剪強度降低，而且增大了滑體的容重，降低了表層土體的抗滑力，最終導致坡體沿飽水層向下蠕動變形。

4.1.4 凍融作用

祁連縣冬夏兩季和早晚溫差較大，斜坡后緣海拔較高(3 200 m)，冬季來臨時易產生凍土現象，凍脹時對下部坡體有擠壓加載作用，增加坡體的下滑力；夏季地溫上升后，凍土開始解凍，隨著溫度的上升，地下冰融化，巖土體強度顯著降低，從而產生局部的變形破壞現象；地下水對下部土體產生滲透壓力，同時融化水向下運動，增加了坡體的含水量，提高地下水位，使部分土體飽和，從而降低整個坡體的抗滑力，使整體穩定性下降。坡體后緣每年隨著氣溫的波動發生周期性凍融現象，這種周期性反復堆載作用最終促使它向下流動形成泥流。

4.1.5 人類工程活動

研究區內主要人類工程經濟活動為放牧及道路修建。道路修建時形成較多高陡臨空陡坎，人為造成了斜坡結構破壞，為地質災害的形成和發展提供了條件，極易導致斜坡失穩。另外，過度放牧，使工作區林草植被遭到嚴重破壞，水土流失現象嚴重，使得地質環境日趨惡化。該類工程經濟活動對勘查區地質環境條件破壞較大。綜上所述，工作區內人類工程活動對地質環境的破壞影響程度屬較強烈。

4.2 發育形態特征

融凍泥流主要分布于凍土區，多發生在有一定匯水面積的溝谷地帶，坡面傾角一般較緩，緩坡上覆細粒土，細粒土下伏層為相對隔水的巖層或者永凍層，土體易形成飽水狀態，飽水土體在反復的凍融作用下結構產生破壞，抗剪強度下降，不足以抵抗重力作用，產生向斜坡下方滑動的現象，當其影響范圍內存在威脅對象時，會有形成災害的可能。土體各層含水量不同，其流速與流動狀態不同，表層土體受融凍作用強于下層，其結構破壞更強，相應流速更快，流動狀態多表現為泥流，下層流動狀態多表現為塊體滑動，故融凍泥流即有泥石流形態特征，又有滑坡形態特征。融凍泥流多在融季蠕滑，祁連縣的融季為6～9月，而其降雨也集中在6～9月，由冰凍期的暫時穩定狀態到融凍季的蠕滑時常表現為一定的突發性，以粉質黏土為主的細粒土夾帶著碎塊石滑動，形成較平滑的泥流扇扇面，前緣形成堆積扇以及條帶狀鼓丘，規模較大的中后緣多發育拉張裂縫。

圖10 緩坡融凍泥流蠕滑區

圖11 融凍泥流中后部拉張裂縫

5 防治措施與建議

融凍泥流目前威脅兩戶居民、牧場、村道等，經濟損失約55萬元。土體一旦失穩，可能牽引其周邊斜坡發生次生地質災害，造成生態環境的破壞，對人民生命財產造成威脅。建議采取讓兩戶人家搬遷避讓，再添加坡面整理、植草復綠作為生態修復，并進行不定期監測，在其兩側立警示牌。

6 結語

融凍泥流主要分布在凍土地區，是我國寒區特有的自然坡體失穩發生破壞的現象，與人為擾動沒有必然聯系，是不可控的自然災害。主要受融凍作用、大氣降水、地形地貌、地層巖性等影響，其存在分層流速與流動狀態不同的特點，具有滑坡與泥石流綜合的形態特征。融凍泥流不易治理，應以搬遷避讓、綠化監測為主，不宜上大量工程，治理效果不佳容易轉化為融凍泥流的物源，增加坡體荷載，形成更嚴重的災害。