川藏公路北線泥石流特征及其防治措施研究

韓 方，陳 興 長，孫 聿 卿，唐 勤

(西南科技大學 環境與資源學院，四川 綿陽 621010)

0 引 言

川藏公路跨越青藏高原和四川盆地兩大地貌單元，新構造運動活躍，地勢高差大，氣候差異明顯。特殊的地形地理條件孕育了大量的泥石流溝，公路沿線泥石流活動頻繁，危害嚴重。比如，2005年7月30日，西藏波密的古鄉溝再次發生泥石流，導致川藏公路南線公路上的淤積物厚達2 m，長度超過20 m，道路被迫中斷[1]；2007年9月4日、2010年7月25日和9月4日以及2018年7月，西藏天摩溝多次暴發泥石流，堵塞了迫隆藏布主河，摧毀橋梁，淹沒房屋、耕地等，并沖毀了對岸的國道G318路基，致使G318被迫改道，且導致斷道16 d[2-3]。川藏公路沿線地質災害引起了眾多學者的高度重視，尤其是川藏公路南線沿線的泥石流災害，前人對其分布規律、發育特征及其危害性進行了深入研究[4-5]?；谛畔⒘糠?、熵權法等，對川藏公路南線泥石流災害開展了危險性評價和動態分析[6-7]；并在分析總結公路泥石流不同災害特征的基礎上，提出了有針對性的防治措施[8-10]。與南線相比較，目前對北線全路段泥石流研究相對較少，已有的研究主要集中在鮮水河斷裂帶對川西地區地質災害的影響方面[11-12]。事實上，川藏北線區內新構造運動活躍，地震活動頻繁，具備形成泥石流的條件，泥石流也比較活躍。比如，2000年8月23日，道孚縣出現的強降雨誘發泥石流災害，淹沒了部分耕地農田，損毀道路和公共設施[13]；2017年7月8日，江達縣覺布寺溝暴發泥石流，淹沒了下游左岸縣城規劃建設區和城鎮居民區，對溝口國道G317造成了淤堵；同時還造成麥曲河堵塞，直接經濟損失約1 000萬元[14]。

川藏公路北線泥石流災害也具有其鮮明的特征，目前，對于川藏公路北線全路段的泥石流還缺乏較為系統的研究。本文以川藏公路北線新都橋鎮-昌都市段沿線泥石流溝為研究對象，通過遙感解譯和野外考察，結合統計分析，研究公路沿線泥石流的發育特征及其危害方式，并根據該區域泥石流的發育狀況和致災特征提出了相應的防治對策。

1 研究區概況

川藏公路北線橫跨川西甘孜藏族自治州和藏東昌都地區，路線長，范圍廣。本文研究區主要以公路沿線兩側的流域為界，具體范圍如圖1所示。

1.1 地形地貌

研究區域橫跨青藏高原和四川盆地兩大地貌單元，總體地勢自北西向南東傾伏(見圖1)。地貌類型復雜，分布有高山、高山山原、高原以及谷地平壩和階地等。

圖1 研究區交通位置及地形Fig.1 Traffic location and topographic map of the study area

區域內最高海拔6 085 m，最低海拔2 882 m，整體地勢較高。研究區域內高程大于3500 m的面積超過92%。其中，約42%的區域分布在海拔4 000～4 500 m，約22%的區域分布在海拔4 500～5 000 m之間(見表1)。區域內約65%的區域地面坡度小于25°(見表2)；約35%的區域分布在25°～45°的坡度范圍內，十分有利于泥石流松散物的形成和積累；地面坡度大于45°的區域不足1%，不利于泥石流物源的積累和儲存，往往是泥石流形成的清水區。

表1 研究區高程分級統計情況

表2 研究區地面坡度分級統計

1.2 地質條件

川藏公路北線沿線出露的地層自元古界至第四系均有，其中出露最多、分布最廣的是三疊系。地層巖性主要以碎屑沉積巖、碳酸巖、淺變質巖和火山巖為主。研究區整體上沿鮮水河斷裂西北段、甘孜-玉樹斷裂東南段以及金沙江斷裂帶展布。各斷層之間的相互作用使研究區巖體穩定性差，蘊藏豐富的松散固體物質，形成各類泥石流物源；主要有冰磧物物源、崩滑類物源、坡面及沖溝物源和溝道物源4類(見圖2)。

圖2 泥石流物源照片Fig.2 Provenance photos of debris flow

冰磧物物源主要分布于海拔3 000 m以上的流域上游，以冰磧物為主。這些冰磧物多由現代冰川作用形成，由無分選的大漂礫、礫石、碎石塊組成，冰磧物表面半環狀構造明顯，冰川作用清晰。崩滑類物源主要位于流域中下游及支溝，以淺表層土質滑坡和局部垮塌為主，規模中小型，偶見大型滑坡。坡面及沖溝物源主要位于流域中上游及支溝。該地段基巖裸露，寒凍風化強烈，坡面普遍較陡，沖溝發育，寒凍風化物質通過坡面侵蝕作用，由坡面沖溝輸送至下方溝道。溝道物源主要位于流域中下游的主溝道內，以崩滑物質、泥石流堆積物和工程棄渣為主。溝床物質成分主要為砂板巖、花崗巖等，黏粒含量相對較少。

1.3 氣象條件

由于地勢起伏大，加之受季風環流的影響，研究區垂直氣候差異明顯。昌都地區氣候為高原亞溫帶亞濕潤氣候，干燥寒冷，無霜期短，日照強，年均氣溫2.4～10.4 ℃。甘孜地區屬于青藏高原氣候，氣溫低，日照時間長，年均氣溫6.7 ℃～8.2 ℃。研究區降水量在時段和地域上分布不均(見圖3)。時間分布上，全年降水主要集中在5～9月，超過年總降水量的80%；空間分布上，川西地區的降水量整體上較藏東地區大，其中，四川新都橋鎮年均降水量最多，約為709 mm，而西藏昌都市降雨量最少，約為526 mm。

圖3 主要地區月平均降水量Fig.3 Monthly average rainfall in main areas

2 研究區泥石流發育特征

2.1 泥石流類型和性質

調查發現：川藏公路北線沿線共發育有溝谷型泥石流溝339條，主要分布在道孚-甘孜段，德格-青泥洞段以及妥壩-昌都段(見圖4)。

圖4 研究區各類型泥石流分布情況Fig.4 The map of different types of debris flow distribution in the study area

根據泥石流形成的激發條件，研究區以暴雨型泥石流溝為主，共有暴雨型泥石流溝324條，冰雪融水混合型泥石流溝15條?；旌闲湍嗍髦饕植荚谌竷荷?新路海一帶，上游有冰雪覆蓋，部分路段分布有大量的冰磧物。在冰雪融水和降雨的作用下，冰磧物被沖刷帶走，參與形成泥石流。

根據泥石流活動頻率可以判斷，研究區以中-低頻泥石流為主；其中，低頻泥石流溝有164條，中頻泥石流溝有90條，高頻泥石流溝有85條。中低頻泥石流主要分布在德格縣和江達縣附近。高頻泥石流主要分布在爐霍縣、昌都市附近，爐霍縣位于鮮水河斷裂帶最活躍的地段[11]，斷裂持續活動誘發不同級別的地震；昌都市位于中強地震帶。頻繁的地震活動加快了泥石流物源的形成和積累。

根據泥石流流體性質，可以認為研究區以稀性和過渡性泥石流為主。其中，稀性泥石流溝有166條，過渡性泥石流溝有139條，黏性泥石流溝只有34條。稀性泥石流溝所占面積也最大，大約有3 437.36 km2，超過了研究區泥石流總面積的60%，主要分布在德格-青泥洞段。該路段除金沙江沿岸海拔較低外，其余區域海拔均高于3 500 m，地表氣溫低，以寒凍風化作用為主，化學風化較弱，風化后形成的礦物黏粒含量較低。過渡性泥石流流域總面積次之，約1 809.17 km2，超過泥石流流域總面積的30%，主要分布在道孚-甘孜段。黏性泥石流分布最少，不到泥石流流域總面積的10%，主要分布在爐霍縣附近。

2.2 泥石流流域特征

2.2.1流域面積普遍較小

泥石流流域面積影響到了溝道匯流能力[15]。該研究區的泥石流流域面積分布在2.01～146.75 km2之間(見表3)。其中，面積小于10.00 km2的泥石流溝有190條，10.00～20.00 km2有68條，20.00～30.00 km2有33條，三者共計291條，約占泥石流溝總數的85.8%。大于30.00 km2的流域僅占14.2%。這表明研究區域內泥石流流域面積普遍較小，面積小于30.00 km2的小流域更易發生泥石流。

表3 研究區不同面積的泥石流流域統計情況

通常情況下，碎屑物豐富的小流域在強降水作用下能夠迅速匯集泥石流暴發所需的水源，暴發泥石流。相反，面積較大的溝谷，即使物源豐富，流域內暴發的泥石流也難以到達溝口。因此，一些面積過大的流域，多暴發稀性泥石流。據統計，區域內20條面積大于50.00 km2的泥石流溝中，有70%是稀性泥石流溝(見圖4)。

2.2.2流域溝床縱坡降大

溝床縱坡降是反映流域勢能大小的重要指標。在一定范圍內，坡降越大，勢能越大，就越容易暴發泥石流[16]。研究區內泥石流溝床縱坡降最大為630.87‰，最小為44.66‰，平均值為219.26‰，中位數212.24‰(見表4)。平均數和中位數相差甚小，說明區域內坡降分布集中，離散程度低。區域內溝床比降為200.00‰～300.00‰范圍的泥石流溝最多，有131條，其次是溝床比降為100.00‰～200.00‰，有129條，兩者總計260條，超過總數的70.00%；坡降大于400‰的溝數量最少，僅占4.72%。

表4 研究區泥石流溝床縱坡降統計情況

2.2.3泥石流流域形狀多為長條形

流域形狀同樣會影響流域的匯流能力[17]。不同形狀的流域，其集水能力也不同；集水能力強的流域更容易發生泥石流。流域形狀可用流域完整系數δ來表征[18]：

(1)

式中：A為泥石流流域面積，km2；L為泥石流流域的主溝長度，km。

根據完整系數(δ)，可將流域形態分為長條形(δ≤0.3)、櫟葉形(0.3<δ≤0.7)和漏斗形(δ≥0.7)共3種[19]。研究區的泥石流流域完整系數分布在0.10～0.68之間，其中長條形泥石流溝有223條，約占66%，櫟葉形泥石流溝有116條，約占34%。研究區泥石流流域形狀大多呈長條形，其次為櫟葉形，流域上游水源充足，匯流迅速，易于泥石流的發生。

3 泥石流的危害及防治對策

研究區地形起伏大，流域的主溝道短小，溝床縱比降整體較大，匯水能力和溝道搬運能力強，能夠在較短時間內引發泥石流。因此，研究區公路沿線泥石流數量眾多，活動較為頻繁，危害性強。

3.1 泥石流的危害特征

研究區泥石流對道路的危害主要體現在，威脅橋梁、涵洞、路基路面等道路結構工程。其中，受泥石流災害影響的涵洞有60處，橋梁53處，路基路面23處；造成損毀的涵洞48處，橋梁39處，路基路面14處。

3.1.1淤積涵洞，破壞結構

調查發現，泥石流對涵洞的危害方式主要有淤積和沖擊磨蝕等方式。

(1) 淤積涵洞：淤積涵洞是最常見的泥石流危害方式之一(見圖5)。在受影響的60處涵洞中，淤積為主的共計40處。主要有以下3種情形：① 泥石流直接停淤在涵洞中而淤積。這種情形往往發生在泥石流一次過程總量較小，流速也小，運動的能量不足的情況下。當這種泥石流運動到涵洞中時，由于坡度忽然變緩而停積下來，導致淤積。② 涵洞排泄能力不足而淤堵。當泥石流流量過大，超過涵洞排泄能力或泥石流在涵洞內運動受阻力時，往往容易導致涵洞雍堵。③ 涵洞本身斷面尺寸過小而淤堵。部分涵洞設計過小，入口很容易被泥石流挾帶的樹枝或大石塊阻擋，排泄遇阻而導致淤積。

圖5 公路涵洞被淤積Fig.5 Road culverts silted

泥石流淤堵涵洞雖然不會直接危害公路，但淤積致使涵洞的過流能力降低，后續泥石流會沖上路面，危害交通。

(2) 沖擊磨蝕：沖擊磨蝕會對涵洞整體或局部結構造成破壞(見圖6)；研究區泥石流對涵洞的損毀以沖擊、磨蝕為主的共有8處。泥石流運動過程中，泥沙和石塊反復沖擊、磨蝕結構面表面，形成裂紋、坑穴，增大了泥石流運動的阻力；進而對結構的沖磨作用力進一步加大，加速涵洞結構的破壞。

圖6 公路涵洞沖蝕破壞Fig.6 Road culverts destroyed by erosion

3.1.2淤積橋下過流空間，破壞橋梁及附屬結構

研究區部分橋梁橋下凈空設計不足，排泄能力較小，出現橋下嚴重淤積現象。調查發現，共有29座橋梁出現了橋下嚴重淤積的情況。橋下溝槽坡度過緩或橋下過流不暢是導致泥石流淤積的主要原因。圖7所示為道孚段K421+500處“母豬籠橋”，泥石流物質在橋下淤積，已經嚴重影響橋下過流空間，若不及時清理，將會威脅橋梁和道路的安全。

圖7 母豬籠橋Fig.7 Sow cage bridge

除了橋下淤堵，橋梁下部結構(橋臺、橋墩和基礎等)和附屬結構(錐坡、護墻、導流工程等)也有可能受到泥石流的沖擊和磨蝕。調查發現，共有10座橋梁下部結構及其附屬結構遭受沖擊和磨蝕。這些橋臺，或導流槽護底等受到泥石流的沖擊和磨蝕，導致構筑物表面坑洼不平；在反復的沖擊和磨蝕作用下，最終會導致構筑物損毀。如甘孜段K260.000處“錯丁橋”橋臺錐坡由于泥石流的沖蝕作用被破壞(見圖8)，導流槽護底和護堤在泥石流的沖磨作用下被損毀(見圖9)。

圖8 錯丁橋Fig.8 Cuoding brige

圖9 導流槽Fig.9 Diversion groove

3.1.3淤埋路面，淘蝕路基

研究區泥石流對路基路面的危害以淤埋和沖刷作用為主；其中淤埋災害8處，沖刷災害6處。調查發現，泥石流對路基路面的危害可歸結為以下3種原因。

(1) 由于橋涵排泄能力不足，導致泥石流堵塞涵洞后，部分泥石流沖上公路，造成淤埋，部分泥石流沿著涵洞一側的邊溝流動，掏蝕路基(見圖10)。

圖10 路基被掏蝕Fig.10 The roadbed was eroded

(2) 由于公路走線過低，泥石流出口高于路面，導致泥石流沖出物直接沖上路面造成淤埋、斷道(見圖11)。

圖11 路面被淤埋Fig.11 The pavement was buried

(3) 若公路在泥石流流域對岸，也可能導致路基受損。泥石流沖入主河形成堵塞體，河床淤積抬高，使河流中軸線發生改變，形成曲流，迫使河流沖刷對岸路基[20]，導致路基懸空、路面垮塌(見圖12)。

圖12 主河掏蝕路基Fig.12 Roadbed cutted by the main river

3.2 防治建議

研究區泥石流數量眾多，活動頻繁，嚴重威脅川藏公路北線的安全和暢通。基于泥石流的發育和危害特征，提出以下防治對策與建議。

(1) 不同活動性泥石流的防治建議。中低頻泥石流的活動性受制于物源的積累，建議該類泥石流的防治以生物防治措施為主，以排導措施為輔的治理思路；對于危害性較大的泥石流輔以必要的土木控制工程措施。此類泥石流主要分布在德格縣和江達縣附近，建議在流域內多植樹種草，控制放牧規模，以減少水土流失；與道路交叉處完善排導措施，以順暢排泄來流。

高頻泥石流主要分布在爐霍縣和昌都市附近，物源補給較及時，建議采取“以攔為主，攔排結合”的治理思路。具體措施可在流域內修建多級谷坊壩或攔砂壩，以控制和提高溝道侵蝕基準面，防止溝道下切和岸坡垮塌，抑制泥石流物源的形成。同樣地，與道路交叉處完善排導措施，以順暢排泄來流。

(2) 不同性質泥石流的防治對策。稀性泥石流主要分布在德格-青泥洞段，針對該路段泥石流的治理可采取“以排為主”的方式[21]。具體可在流域下游，尤其是與道路交叉處修建導流堤、急流槽、排導槽等，以順暢、快速地排導來流，防止淤積；必要時，可在中上游修建格柵壩、網格壩等攔擋工程，以攔蓄大石塊，減小流量，防止堵塞。

黏性泥石流主要分布在道孚-甘孜段，針對該路段泥石流的防治可采取“穩攔排結合”的綜合治理方式[22]。具體可在流域內修建潛壩、谷坊壩和攔砂壩等，以穩定溝床，反壓岸坡，攔蓄泥石流固體物質；溝口完善排導措施，以順暢排流，防止淤積和沖刷。同時建議在全流域進行生物防治。

(3) 不同危害方式泥石流的防治對策。對于淤堵型危害，根據淤堵的原因，采取相應的防治對策。直接停淤導致的涵洞淤積，由于泥石流流速、流量均較小，可在涵洞上方設置停淤空間，以停積固體物質，并及時進行清理。涵洞排泄能力不足而淤堵的情形，一方面可改建涵洞，并增大洞底坡度，擴大其過流能力；無法改建的情況下，可結合流域治理工程，降低泥石流的來流量，以防淤堵。

對于淤埋危害，如果一次泥石流規模較小，可在公路上方設置停淤空間；對于橋下淤積，在無法改變線路標高的情況下，建議及時清淤，保障足夠的過流空間；條件允許的情況下，可在橋梁上下游段理順溝道，修建排導措施，以保障來流能快速地從橋下通過，避免淤積。

對于橋梁附屬設施被沖毀的情況，建議及時修復；同時在橋梁上下游段，歸順泥石流流路，防止頂沖和磨蝕。

4 結 論

川藏公路北線是聯接中國西藏與內地的重要交通樞紐之一；沿線地形起伏大，地質條件復雜，泥石流分布廣泛，危害嚴重。本文對公路沿線泥石流的發育狀況及其危害特征進行了總結和分析，得出以下結論。

(1) 川藏公路北線沿線共發育有各類泥石流溝339條；其中，暴雨型泥石流溝324條，混合型泥石流溝15條；低頻泥石流溝164條，中頻泥石流溝90條，高頻泥石流溝85條，以中-低頻泥石流為主；稀性泥石流溝166條，過渡性泥石流溝139條，黏性34條，以稀性和過渡性泥石流為主。

(2) 川藏公路北線沿線泥石流流域多呈長條形，其次是櫟葉形；流域面積普遍較小，超過半數的流域面積小于10.00 km2；主溝道較短，約84.00%的主溝長度不大于10.00 km；縱比降較大，而且主要集中在100.00‰～300.00‰范圍。區內流域高差大，匯水能力和輸移能力較好，有利于泥石流的發生。

(3) 川藏公路北線沿線泥石流的主要危害對象是橋涵和路基路面，危害方式以淤積、淤埋、沖刷和磨蝕為主；其中橋涵被淤積有69處，橋涵及附屬結構被沖擊和磨蝕破壞的有18處，路基路面被淤埋和沖刷的分別有8處和6處。

(4) 基于泥石流的發育和危害特征，對不同活動性、不同性質和不同危害方式的泥石流，建議采取針對性的防治對策。