茶隆隆巴曲山地災害特征及冰崩碎屑流致災風險研究*

張曉宇 杜世回 孟祥連 杜慶者 楊宗佶 楊瑩輝

苗曉岐①② 羅 鋒①②

(①中鐵第一勘察設計院集團有限公司， 西安 710043， 中國)

(②陜西省鐵道及地下交通工程重點實驗室(中鐵一院)， 西安 710043， 中國)

(③中國科學院， 水利部成都山地災害與環境研究所， 成都 610041， 中國)

(④地質環境保護及地質災害防治國家重點實驗室(成都理工大學)， 成都 610059， 中國)

0 引 言

川藏鐵路波密至通麥段穿越藏東南橫斷山高山峽谷區，屬喜馬拉雅東構造結段，受強烈氣候變化、復雜地質地形條件、高烈度地震、高地應力等影響，線路所經過的帕隆藏布流域是滑坡、泥石流、冰湖潰決、高位巖崩冰崩等山地災害的易發區和頻發區，該區的山地災害常以災害鏈的形式呈現，具有多災種、復合型、多過程、時空拓展及突發性強等特征(唐得勝等， 2013； 戴興建等， 2019)。研究區2000年4月9日發生的易貢特大山體崩塌滑坡事件是我國歷史上規模罕見的崩塌滑坡地質災害(許強等， 2007)。古鄉、培龍貢支、天魔溝等泥石流溝曾多次毀壞川藏公路。魯新安等(2006)研究了古鄉溝泥石流年際分布特點及暴發頻率，認為古鄉泥石流溝2005年7～8月暴發的泥石流原因與1953年相似，均是由集中降雨和持續高溫共同作用的天氣所致。劉洋(2013)基于RS技術及GIS技術分析了帕隆藏布流域培龍溝、天摩溝、米堆溝冰崩-冰湖潰決等泥石流災害鏈的發育特征。前人對于藏東南波密至通麥地區的山地災害研究積累了大量的成果，對川藏鐵路的選線及工程設置具有一定的指導意義。

冰崩-巖崩碎屑流是一種由高位冰崩引發或在高位巖崩滑坡運動過程中鏟刮大量含冰碎屑物形成的特殊碎屑流(童立強等， 2020)。Salzmann et al.(2003)通過統計參數、遙感建模和GIS技術對阿爾卑斯山地區的潛在冰崩進行了運動路徑模擬及風險評估。Schneider et al.(2011)根據物理模型試驗和世界各處64個大型冰-巖碎屑流的經驗數據，揭示了冰-巖碎屑流活動的驅動因素，為相關情景建模及風險評估的參數選取提供了經驗依據。鄭光等(2020)通過開展碎屑流滑槽試驗，觀測了碎屑流運動過程中的粒徑分選過程，并重點研究了碎屑流堆積體的垂向和滑移方向層序，揭示出碎屑流堆積體內部不僅在垂向上具有反粒序結構，還在滑移方向上具有雙峰分布形態。楊情情等(2015)通過斜槽實驗分析了2000年易貢扎木弄溝高位冰-巖碎屑流堵江潰決洪水災害鏈的發育影響因素，認為冰屑可能進入碎屑流的內部和底部，起到降低摩擦系數的作用。

冰巖崩碎屑流往往形成較大的地質災害。李俊等(2017)研究了2015年易貢扎木弄特大群發性泥石流的規模變化趨勢，認為該溝存在大規模潛在冰巖崩塌體，未來仍可能暴發特大型泥石流災害。童立強等(2018)、劉傳正等(2019)研究了2018年的色東普冰崩-巖崩-冰磧物滑坡-碎屑流-堵江-堰塞湖-潰決洪水災害鏈，認為其頻發多發態勢仍將長期持續。鄭光等(2020)研究了2019年7月23日貴州水城縣雞場鎮滑坡-碎屑流，結果表明其發生前斜坡無明顯的變形跡象，表現出極強的隱蔽性和突發性，滑坡發生后碎屑流遠程運動了約1.3km，造成了巨大的危害。裴麗鑫(2019)分析了西藏阿汝錯、然則日、色東普地區冰崩災害的特征，將青藏高原冰崩災害類型初步劃分為冰崩直接災害、冰湖潰決災害及堵潰鏈式災害。研究結果表明，青藏高原地區近年來冰崩巖崩災害呈多發態勢，且具有規模大、危害巨大等特點。

根據大量前人研究，冰崩雪崩災害具有在同一位置、同一冰川多次發生的特點，如近年來雅魯藏布江則隆弄冰川、色東普冰川活動引發的冰崩碎屑流堵江、西藏阿汝錯冰川冰崩事件等都出現了在同一位置多次發生的繼發性特點。1950年、1968年、1984年則隆弄冰川躍動，引發直白溝多次發生冰崩沖入雅魯藏布江，堵江后造成水位壅高(張沛全等， 2008)。雅魯藏布江色東普段數十年來多次發生滑坡碎屑流堵江事件，其中2014年以來發生過8次滑坡碎屑流堵江事件， 2018 年堵江災害發生前，該河段三分之二處于堰塞狀態(童立強等， 2018； 劉傳正等， 2020)。2016年西藏阿里地區阿汝錯冰川在短時間內連續兩次發生規模巨大的冰崩災害(裴麗鑫， 2019)。國際上2002年發生的Kolka冰崩是有歷史記錄以來規模最大的一次冰崩，該冰川在20世紀初期和70年代曾發生兩次類似的冰川活動(Kotlyakov et al.，2004)。1984～2016年阿拉斯加國家冰川保護公園因多年凍土退化發生了多次冰崩-巖崩事件(Jeffrey et al.，2018)。因此，基于其繼發性特點，歷史上冰崩雪崩的發生頻率-規模特征對未來災害的發生具有很好的指示作用。

川藏鐵路波密—通麥段所經帕隆藏布流域高位冰崩、雪崩、巖崩碎屑流為泥石流的發展提供了大量物源，地質災害通常規模大、易發性強、危險度高，鐵路選線時需充分考慮其對工程的影響。茶隆隆巴曲位于林芝市波密縣與通麥鎮之間，流域內兩岸坡面陡峻，川藏鐵路擬以橋梁形式跨越茶隆隆巴曲，大橋全長199m，主體工程為168m鋼桁拱橋，橋梁最大凈空43.5m，茶隆隆巴曲溝谷地質災害主要為泥石流，上游發育冰川，存在暴發冰崩碎屑流的風險。

本文以川藏鐵路跨越茶隆隆巴曲的工程為例，根據現場調查、遙感解譯、遙感形變監測分析、堆積物地質年代學分析、工程類別分析了茶隆隆巴曲山地災害的發育特征及規模-頻率，并通過Massflow全過程分析軟件對上游冰川可能形成的冰崩碎屑流災害進行全過程模擬，深化了對川藏鐵路交通廊道內冰崩碎屑流運動特性的認識，探討了其對鐵路工程的影響，為預防高位冰崩碎屑流災害風險提供了科學依據。

1 地質概況

1.1 地形地貌

茶隆隆巴曲屬于高中山峽谷地貌(圖1)，溝口海拔為2178m，最高峰海拔為5886m，流域最大高差達3708m，山谷平均坡度為34.7°，流域面積為53.38km2，主溝長度為13.26km。線路在溝谷下游經過，地形狹窄，縱坡降為28°～35°。根據茶隆隆巴曲海拔高程、地貌形態及物源分布特征，從源頭到溝口，可以將主溝劃分為3個階梯：

圖1 茶隆隆巴曲流域與川藏鐵路示意圖

第1階梯于流域上游源頭，海拔高程為4000～5886m，平均縱比降為678‰，該區由冰雪和基巖陡壁組成，發育4處小型冰川，皆位于流域東側支溝。該區段屬寒凍風化強烈地帶，是冰崩、雪崩及巖崩的發育區(圖2、圖3)。

圖2 茶隆隆巴曲溝心縱平面示意圖

圖3 高分遙感影像不良地質體解譯成果圖

第2階梯位于流域的上游，海拔高程為3200～4000m，平均縱比降為200‰，以固態降水為主，年降雨量大于2000mm。該區段主要為冰舌、風化物的堆積區，是泥石流的主要物源區。

第3階梯位于流域的中下游，海拔低于3200m，平均縱比降為123‰，溝道順直，出山口略有彎曲，溝床比降漸趨平緩，溝口狹窄，呈V型谷地，該階梯植被長勢極好，流域出口左側為一個平坦的冰磧臺地。

1.2 氣象水文

該區屬亞熱帶半濕潤氣候，區內年平均降水量為1276.0mm，年最大降水量為1514.7mm，位于藏東南舌狀多雨帶，日降雨最大可達100mm以上。區內年均氣溫介于7.98～10.20℃，多年平均氣溫8.99℃。研究區氣溫呈顯著上升趨勢，降水量亦呈增加趨勢，水熱組合相對濕熱、濕冷的環境均為冰崩碎屑流及泥石流等地質災害暴發提供了有利的外界因素。

1.3 地 震

茶隆隆巴曲位于波密—墨脫活動構造帶，屬青藏高原南部中強度地震區。區內地震動峰值加速度為0.15～0.20g，地震動加速度反應譜特征周期為0.45s。波密地區內近50年來發生6級以上的強烈地震達9次之多， 4.7～5.9級地震約40余次，有感地震發生頻繁，頻率達3～5次/年。在氣候變化、地震活動作用下，研究區內冰崩碎屑流、泥石流等災害有可能出現周期性暴發。

1.4 地質條件

1.4.1 地層巖性

茶隆隆巴曲屬于岡底斯—念青唐古拉地層區，巖性復雜多變，中上游出露地層為石炭系諾錯組(C1n)變細砂巖與板巖互層； 中下游出露地層為元古界念青唐古拉巖群(Pt1-2)各類片麻巖，以及燕山期侵入閃長巖； 下游溝口兩岸分布有大量的第四系沖洪堆積層、殘坡積層、冰磧堆積體碎石類土等。該流域位于構造混雜巖帶強變形區，出露嘉黎—察隅構造混雜巖，主要為大理巖、鈣質砂巖等，巖體極其破碎，工程性質差。

1.4.2 地質構造

研究區一級構造單元屬岡底斯-喜馬拉雅造山系，位于東構造結北緣，發育嘉黎—易貢藏布斷裂與嘉黎—迫龍藏布斷裂，其中嘉黎—迫龍藏布斷裂為全新世活動斷裂，區內產狀為N60°W/55°N，斷裂帶及影響帶寬度為260～900m不等，該斷層為脆韌性逆沖剪切帶，構造混雜巖及碎裂巖發育。

2 山地災害類型及規模頻率分析

2.1 山地災害活動基本特征

2.1.1 不良地質遙感解譯

茶隆隆巴曲溝內流域面積53.38km2，根據高分2號及高清航片解譯成果，共發育31處不良地質體(圖3)，主要集中在陰坡，其中滑坡3處，冰雪堆積體4處，危巖體22處，碎屑流2處。對線路影響較大的山地災害類型有山洪泥石流、冰崩、滑坡及巖崩等。

2.1.2 山地災害活動分析

應用歷史遙感影像、高清遙感影像以及現場調查成果表明茶隆隆巴曲山地災害相對并不活躍。

首先未在主溝內發現大量明顯的新鮮碎巖和碎屑，主溝道內可見大量表面光滑的卵礫石。其次流域范圍內森林植被非常發育，全流域生長高大喬木， 2～3m以上胸徑的高山櫟在溝谷中下游連續分布?？傮w上看近200～500年來溝道內未發生過大規模毀滅性地質災害(圖3、圖4)。

圖4 茶隆隆巴曲流域內森林植被照片

2.1.3 堆積物地質年代學分析

在河口左岸的湖相沉積剖面處采集2個14C年代測定樣品，在河口臺地采集2個光釋光(OSL)年代測定樣品。測試結果表明，茶隆隆巴曲溝口湖相沉積為4～7千年以前帕隆藏布下游堵河形成，近期未發生災害堵河事件； 溝口臺地和下游冰磧物年代為1～1.6萬年，說明帕隆藏布流域早期存在堵江事件或者為末次冰期的產物。

2.2 主要山地災害規模-頻率分析

2.2.1 山洪泥石流

根據現場調查結合遙感解譯，茶隆隆巴曲溝口與主河垂直相交，未發現泥石流逼彎、堵塞主河的現象。溝口堆積物主要是古冰磧物和冰水堆積物，部分出露湖相沉積。在溝口也未發現有現代泥石流堆積物，可判斷茶隆隆巴泥石流性質為低頻泥石流。茶隆隆巴曲泥石流流通堆積區的溝道兩側森林植被十分發育，許多區段溝道甚至被森林完全覆蓋，未發現明顯洪痕、泥位等災害跡象，推測泥石流溝道在相當長的時間內比較穩定。

2.2.2 冰崩雪崩

從多期遙感影像和高清遙感影像發現1號冰川雪崩錐溝谷前緣和對岸的地表植被茂密(圖5)，主要為多年生高大喬木，揭示了近50年內1號冰川發生的小規模冰崩雪崩都局限于冰崩錐和冰磧壟的范圍內，未發生過大規模高速遠程冰崩碎屑流災害。因此，茶隆隆巴曲流域內的冰崩雪崩以小規模的冰崩雪崩為主。常年冰雪崩的影響主要增加了流域內的松散物源，并可能局部堵塞溝道。

圖5 高分遙感影像1號冰川解譯成果圖

2.2.3 滑坡崩塌

茶隆隆巴曲滑坡災害主要有兩種類型，其中在流域中下游溝道兩側冰磧體上發育10余處土質滑坡，推斷未來在降雨和溝道侵蝕聯合作用下，沿冰磧體兩岸的滑坡仍然會出現高頻高發的特征，但由于冰磧土結構致密、膠結程度較好，土體強度較高，滑坡以淺層中小規?；聻橹?。在流域中游發育2處巖質滑坡(圖6)，為大規模巖質崩塌滑坡，該處溝道明顯彎曲，推測其在歷史上曾堵斷主溝。

圖6 高分遙感影響大型巖質滑坡及堆積體解譯成果圖

2.3 典型災害工程類比分析

類比帕隆藏布流域古鄉溝、培龍貢支等災點(陳寧生等， 2002； 魯安新等， 2006)，古鄉溝和培龍貢支不管從冰川、冰崩以及泥石流規模都超過了茶隆隆巴曲，但是歷史上發生的冰崩巖崩災害都近源堆積在溝道內，沒有形成出溝的碎屑流。由于茶隆隆巴區主溝道較長、溝谷彎曲，從工程類比角度分析，茶隆隆巴即使發生大規模冰崩巖崩災害，其演化成超強流動碎屑流出溝的可能性較低，冰崩、巖崩和滑坡等山地災害的主要影響是為后續的泥石流提供松散物源。

3 冰崩碎屑流對橋梁致災風險分析

根據上文分析認為，未來在川藏鐵路建設和運營階段，需要重點關注流域內的大型崩滑、冰崩災害為后續的泥石流提供松散物質以及山洪泥石流對橋梁工程的影響。另外基于工程安全底線考慮，認為上游冰川存在發生冰崩碎屑流的風險，本文采用數值模擬方法對高位冰崩碎屑流進行了分析計算，并進行了橋梁致災風險分析。

3.1 數值模擬方法

本研究數值計算采用了Massflow計算軟件。Massflow是基于深度積分的連續介質力學原理和方法，利用改進的Mac Cormack-TVD有限差分方法，采用Fortran和C#語言，結合MPICH和OpenMP并行處理技術建立的全過程數值模擬軟件，能夠考慮復雜地形地貌和溝床侵蝕等特征，具有二階精度和自適應求解功能。Massflow與理論分析、模型試驗吻合均較好(Ouyang et al.，2013； 段學良等， 2019)。

3.2 高位冰崩碎屑流模擬計算

為確定冰崩碎屑流的規模，應用遙感影像獲取冰川分布特征和面積，結果表明上游左岸有4處小型冰川，最大的1號冰川面積約0.69km2； 其次根據三維高清航片冰面與下伏基巖的高差獲取冰川平均厚度為15m，體積約1035×104m3。基于遙感技術的地表位移監測主要分為合成孔徑雷達干涉(InSAR)測量和光學影像子像素匹配兩種技術手段。馮文凱等(2020)利用 SBAS-InSAR 技術對金沙江流域沃達村滑坡進行地表形變監測，獲取了2017年 3 月30日至2019年 9 月28日內的形變結果，分析了滑坡復活區整體和局部滑塌地表形變速率、累積位移變化趨勢和主裂縫形變情況。劉亞嵐等(2015)利用多光譜遙感影像對汶川地震重災區的次生地質災害進行了研究。為確定冰川變形特征及演變趨勢，本次研究采用基于多光譜遙感數據匹配技術的地表位移監測方法，選取3個時段哨兵2號多光譜數據，獲得了2020年初冰川形變監測結果，該冰川上部總體穩定，局部年份存在不均勻運動(圖7)。

圖7 1號冰川堆積體形變監測結果(2020.04.13～05.28)

表1 多期遙感影像監測冰川變形情況匯總表

表2 運動參數取值表

監測結果表明3個時間段大于2m的變形面積為308532～452703m2，大于5m變形面積為47001～322834m2。以2020.4.13～2020.5.28期間1號冰川堆積體大于2m的冰川變形范圍及位置為基礎(圖7、表1)，結合歷史冰崩經驗，認為該冰川一次性整體全部發生冰崩的可能性極小，研究考慮1號冰川上部極端情況下發生冰崩，總面積約0.45km2，總體積約675×104m3，根據該冰崩量來確定冰崩碎屑流災害對茶隆隆巴曲橋梁的影響。正常工況在模擬過程中考慮溝道的植被、地層等實際情況取合理的計算運動參數，采用RAMMS軟件推薦的數值，其中摩擦系數μ=0.14和紊流系數ξ=1000(Christen， et al.，2010)。

另外基于工程安全的底線意識，采用相關最不利參數，計算了1號冰川冰崩碎屑流發生超強流動出溝的極端工況，從而評價其對川藏鐵路橋梁工程的影響。運動參數的選取借鑒洪水摩擦系數，并結合DAN-3D軟件在易貢滑坡分析中最利于災害運動的經驗反演參數，取值摩擦系數μ=0.05和紊流系數ξ=1000(戴興建等， 2019)(表2)。

3.3 正常工況下1號冰川冰崩碎屑流

正常工況下，考慮1號冰川675×104m3發生冰崩碎屑流，摩擦系數μ=0.14，紊流系數ξ=1000。

圖8 冰崩碎屑流最終堆積厚度云圖

3.4 極端工況下1號冰川冰崩碎屑流

極端工況下，考慮1號冰川675×104m3發生冰崩碎屑流，摩擦系數μ=0.05，紊流系數ξ=1000。

圖9 茶隆隆巴冰崩碎屑流動力過程運動速度云圖

圖10 冰崩碎屑流演進到橋位處堆積厚度云圖

600s后，冰崩碎屑流全部到達溝口，由于沿程鏟刮，此時體積增大為1030×104m3。

3.5 高位冰崩巖崩碎屑流災害對工程的影響

茶隆隆巴曲上游冰崩碎屑流對川藏鐵路致災風險模擬結果表明，工況1模擬正常情況下， 1號冰川發生冰崩形成碎屑流，但并未到達橋位，碎屑流堆積在溝道內。工況2模擬考慮冰崩碎屑流極端流動條件下，冰崩碎屑流在橋位的最大流深為24m，茶隆隆巴曲大橋全長199m，主體工程為168m鋼桁拱橋，橋梁凈空為43.5m(圖11)。綜合以上分析認為川藏鐵路茶隆隆巴曲流域內的潛在冰崩碎屑流災害對川藏鐵路橋梁工程無直接影響，對橋址岸坡可能存在沖刷等，對于正線工程風險屬于可防可控范疇。

圖11 茶隆隆巴曲大橋冰崩碎屑流泥位線示意圖

4 工程措施建議

為最大限度地保障茶隆隆巴曲大橋的安全，保證在設計頻率范圍內將高位冰崩碎屑流、泥石流對大橋造成的損失降到最低，針對性提出以下優化防治工程設計方案：為防治泥石流及洪水的側蝕，建議疏通橋位上游200m及下游100m范圍內溝道，增大過流面積，降低泥石流及洪水的影響高度。橋址處左側岸坡以強風化巖體為主，為防治泥石流、洪水、冰崩碎屑流沖刷，建議對冰崩碎屑流影響范圍內的邊坡進行適當加固。

5 結論及建議

(1)茶隆隆巴流域內發育的山地災害類型主要為冰崩雪崩災害、高位崩塌落石、崩滑堆積體堵溝形成的堵潰災害及泥石流災害。

(2)綜合分析認為，茶隆隆巴曲內山地災害相對并不活躍， 200～500年來未發生過大規模毀滅性地質災害，整體上溝內泥石流活動頻率較低，溝內滑坡均處于較為穩定的狀態，冰崩、巖崩和滑坡等山地災害的主要影響是為后續的泥石流提供松散物源。

(4)為最大限度地保障茶隆隆巴曲大橋的安全，降低泥石流、冰崩碎屑流對大橋造成的影響，建議采用疏通河道、岸坡防護、邊坡加固等綜合治理措施。