扎木弄沟滑坡型泥石流物源及堵河溃坝可能性分析

李 俊,陈宁生,欧阳朝军,李爱国,左玺龙

(1.中国科学院·水利部成都山地灾害与环境研究所 山地灾害与地表过程重点实验室, 四川 成都 610041；2.中国科学院大学，北京 100049；3.长江岩土工程总公司(武汉)，湖北 武汉 430010)

扎木弄沟滑坡型泥石流物源及堵河溃坝可能性分析

李 俊1，2,陈宁生1,欧阳朝军1,李爱国3,左玺龙3

(1.中国科学院·水利部成都山地灾害与环境研究所 山地灾害与地表过程重点实验室, 四川 成都 610041；2.中国科学院大学，北京 100049；3.长江岩土工程总公司(武汉)，湖北 武汉 430010)

研究易贡乡扎木弄沟泥石流物源及再次形成滑坡型泥石流堵河溃坝的可能性，对选择川藏铁路跨越易贡藏布的基础工程及附属设施具有重要的意义。首先基于工程地质分析方法和野外实际调查得出了扎木弄沟泥石流的物源总量。其次，通过三维数值模拟估算今后再次发生类似2000年滑坡型泥石流的堆积范围和深度。最后，基于四种工况下滑坡型泥石流的堆积形态和2000年堰塞坝物质组成分析了泥石流堵河及溃坝可能性。通过研究得出了如下结论：扎木弄沟泥石流物源总量为2.37×108m3；在地震(地震烈度为Ⅷ度)和极端气候工况下，今后再次发生类似2000年的滑坡型泥石流有可能造成堵河；在流域源头崩滑起动方量增大的情况下，堰塞坝溃决的风险逐渐增加。

滑坡型泥石流；堵河数值模拟；扎木弄沟；西藏波密县易贡乡；川藏铁路

滑坡型泥石流为泥石流流域源头的高位崩滑体在水击机制作用下失稳形成高速滑坡[1]，受强降雨和深V型沟谷的影响[2]，该高速滑坡在运动1～2 km后即转化为高速运动的泥石流[3-4]。2000年4月9日易贡扎木弄沟滑坡型泥石流输移的大量松散固体物质堵塞易贡藏布并形成堰塞坝。6月10日堰塞坝溃决，最大溃决洪峰流量为12.4×104m3/s。溃决洪水冲毁了易贡藏布和帕隆藏布沿江的318国道通麦大桥、墨脱解放桥、公路等基础设施，G318国道中断76 d。由此可见，2000年扎木弄沟滑坡型泥石流+堰塞湖+溃决洪水灾害对易贡藏布和帕隆藏布两岸的基础设施造成了较大的破坏。

目前有关西藏波密县易贡乡扎木弄沟物源和再次发生类似2000年的特大滑坡型泥石流堵河溃坝的可能性虽然做了一些研究，但依然存在以下问题：据目前研究，流域源头的岩体破碎，崩塌滑坡发育，流域仍有较多的泥石流松散固体物质[5-8]，但该流域泥石流松散物源量还缺乏定量研究； Delaney通过数值模型模拟了2000年滑坡型泥石流堵河的淤积范围和深度[9]，但今后发生类似2000年的滑坡型泥石流堵河的数值模拟研究依然较少； 2000年堰塞坝的物质组成虽然有较多的研究[8-10]，但是以堰塞坝物质组成分析其溃决成因的研究还鲜有报道。研究显示扎木弄沟流域内松散固体物质丰富，基础和激发条件依然存在，今后仍然存在滑坡泥石流灾害风险。因此定量地确定物源量和再次发生特大滑坡型泥石流堵河溃坝的可能性对保护川藏铁路通麦段的基础设施及附属工程具有重要的意义。本文从地质学角度描述BH01和BH02潜在崩滑体的范围，通过FLAC数值模拟方法[11]计算扎木弄沟BH01和BH02潜在崩滑体的体积，结合实际调查和物源计算模型[12-13]确定扎木弄沟其他物源的体积。然后基于泥石流运动深度积分的数值模型[14]估算2000年滑坡型泥石流的运动参数，进而把BH01、BH02潜在崩滑体体积和2000年滑坡型泥石流运动参数作为该数值模型的计算参数，采用该模型模拟地震(地震烈度为Ⅷ度)和极端气候工况下今后发生类似2000年的特大滑坡型泥石流的堆积范围和深度，分析滑坡型泥石流堵河的可能性。本文试图为进一步研究扎木弄沟特大滑坡型泥石流+堰塞湖+溃决洪水对川藏铁路的影响程度提供一定的理论依据。

1 扎木弄沟地质背景概况

易贡乡扎木弄沟位于南巴迦瓦峰北北西侧，易贡藏布左岸(图1a)，地势上西高东低，其地貌类型属于高山地貌，流域面积29.4 km2，流域最高海拔5 616 m，最低点海拔2 185.72 m，相对高差3 430.28 m。扎木弄沟海拔5 200 m以上为冰蚀地貌发育的高山寒冻和高山冰雪带，海拔4 500～5 200 m为现代冰缘地貌发育的寒冻风化带，基岩裸露，岩石遭受的冻融破坏作用强烈。海拔4 000～4 500 m为灌丛草甸带，海拔3 500～4 000 m为针叶林带，海拔2 198～3 500 m为针阔混交林带(图1b)。扎木弄沟为“V”型河谷，海拔2 660 ～ 5 616 m以上沟道狭窄，平均宽度7 m以下，走向为S42°W，沟道纵比降27.7%。

图1 扎木弄沟地理位置及地形

2 物源量

扎木弄沟泥石流松散物源类型多，数量大，物源类型为滑坡、崩塌、沟岸崩滑物、沟道堆积物(图2)。扎木弄沟目前物源总量为2.37×108m3。扎木弄沟主要物源来自BH01和BH02潜在崩滑体，这两处潜在崩滑体的体积之和为1.86×108m3，占物源总量的68%。

图2 扎木弄沟物源分布(据1:20万通麦地质图和1∶25万边坝地质图改绘)

2.1 BH01和BH02潜在崩滑体体积

从BH01和BH02地形、地质构造、岩体风化程度和地表水补给情况来看，这两处均为潜在的崩滑体。

BH01地处扎木弄沟流域源头右侧，该处地形高差大，山体形状呈角峰状，平均山体坡度为38°(图3a)。受达德—阿尼扎断裂(F22)和达嫩—则普断裂(F3)的影响(图3b)，BH01岩体结构十分破碎，节理裂隙发育。距离该处山体4 km处宗本—则普断裂(F18)为活动断裂带，受此影响，BH01会受到地震的持续的影响而趋于不稳定的状态。该处降水丰富，地表水补给条件好，季节性冰雪冻融循环作用强，长期冻融循环作用会进一步降低BH01结构面的力学性质，促进BH01山体往临空面方向进一步倾斜。

BH02地处扎木弄沟源头左侧，2000年BH02所在山峰发生了大规模的崩塌，该处山体在崩塌后地形更加陡峭，平均坡度为41°，最大坡度为60°(图3a)。达嫩—则普断裂(F3)穿过该处山体，达德—阿尼扎断裂(F22)也在该处下部穿过(图3b)，受这两个断裂影响，该处山体节理裂隙十分发育，主要发育倾南方向的节理，其破裂面的产状主要为203°∠34°，94°∠57°，211°∠86°。距离该处山体4 km处宗本—则普断裂(F18)为活动断裂带，受此影响，BH02会受到地震的持续的影响而趋于不稳定的状态。该处降水丰富，地表水补给条件好，季节性冻融循环作用强烈，长期的冻融风化作用会进一步降低BH02结构面的力学性质，促进BH02山体往临空面方向进一步倾斜。

另外扎木弄沟邻近区域的自然斜坡工程类比法计算结果也显示，BH01和BH02均为潜在崩滑体。

图3 BH01和BH02潜在崩滑体平面图及似立面图

2.1.1 FLAC数值模拟方法和模型计算参数

采用FLAC数值模拟方法估算这两处潜在崩滑体在地震极端工况下的崩滑纵面积，基于潜在崩滑体的坡度特点，参照2000年崩滑的坡形确定潜在崩滑体的宽度，估算其方量。FLAC数值模拟方法是基于强度折减概念的有限元法或快速拉格朗日法。FLAC数值模拟方法中安全系数Fs的实际计算过程在抗剪强度不断折减条件下的FLAC计算过程，该计算过程如公式(1)所示。

c′=c/RF，φ′=arctam(φ/RF) 。

(1)

式中：c′和φ′为折减之后的强度参数，c和φ为折减之前的强度参数，RF为强度折减系数，当某一强度折减系数使滑动面塑性区完全贯通时，强度折减系数RF即为所求的安全系数Fs值。

扎木弄沟BH01和BH02潜在崩滑体的计算剖面位置如图4所示。在BH01和BH02可能崩滑范围内分别选取两条沿花岗岩节理方向的剖面线，BH01潜在崩滑体的花岗岩节理倾向为211°，BH02潜在崩滑体的花岗岩节理方向为163°。然后根据剖面线切取计算剖面，采用FLAC数值模拟方法得出BH01和BH02可能的崩滑深度。

图4 BH01和BH02建模剖面线平面图

通过MTS815岩石力学试验获取了饱水条件下的BH01和BH02花岗岩岩体强度参数和其他参数。岩体强度参数和其他参数可作为扎木弄沟BH01和BH02潜在崩滑体的计算参数，其取值如表1所示。由表1可知，BH01和BH02潜在崩滑体的岩体强度参数和密度均一致，主要差别为弹性模量、泊松比和抗压强度取值不同。因F3断层直接穿过BH02潜在崩滑体，该崩滑体内的岩体节理和裂隙更加发育，这是造成BH01和BH02潜在崩滑体的弹性模量、泊松比和抗压强度取值不同的主要原因。

表1 饱水条件下BH01和BH02花岗岩体计算参数

2.1.2 潜在崩滑体体积计算结果

采用FLAC数值模拟方法计算的BH01和BH02崩滑深度如图5所示。图5中蓝色图块是可能崩滑的塑性岩体，白色图块为稳定岩体。这两个崩滑体在计算剖面上可能的崩滑面积如图5中红线所示，在图5上统计了崩滑面积和崩滑深度。

图5 BH01和BH02崩滑深度模拟结果

将以上计算的BH01和BH02潜在崩滑体的平均面积、平均宽度和体积统计于表2。由表2知，BH01和BH02潜在崩滑体的体积分别为0.94×108m3和0.92×108m3，总体积高达为1.86×108m3。

表2 BH01和BH02潜在崩滑体总计方量

2.2 扎木弄沟其他物源量

其他物源包括滑坡、崩塌、沟岸崩滑物和沟道堆积物。通过计算知，滑坡物源方量为3 292.46×104m3，崩塌物源方量为1 620.94×104m3，沟岸崩滑物物源方量为1 55.74×104m3，沟道堆积物物源方量为80.4×104m3。

图6 四种工况下的堆积深度

3 今后发生类似2000年的滑坡型泥石流堵河的可能性分析

3.1 数值模拟方法

由文献可知，2000年的滑坡型泥石流形成运动过程及运动机理非常复杂[15-16]，一般的CFD计算流体软件不能很好地模拟这种特大滑坡型泥石流的运动过程。基于泥石流运动深度积分的MacCormack-TVD有限差分数值方法模拟今后扎木弄沟滑坡型泥石流可能的运动过程，其数值方法具体介绍见文献[14]。今后再次发生类似2000年的滑坡型泥石流堵江的数值模拟思路为：首先，以2000年滑坡型泥石流堆积范围和堆积深度为校核标准，调整基于泥石流深度积分的数值模型的运动参数，包括运动摩擦系数和泥石流规模放大系数等，使模型计算的泥石流堆积深度和堆积范围与2000年扎木弄沟滑坡型泥石流的堆积深度和堆积范围相吻合。再以估算得出的2000年滑坡型泥石流的运动参数和BH01和BH02潜在崩滑体体积为计算参数，考虑4种工况，基于泥石流运动深度积分的数值模型模拟得出不同工况下的今后类似2000年的滑坡型泥石流的堆积范围和深度。

3.2 2000年滑坡型泥石流运动参数估算结果

三维数值模拟的2000年滑坡型泥石流堆积结果显示沟口最大堆积深度为76 m，而文献[17]显示该位置处的堆积深度范围为72～80 m，数值模拟的沟口最大堆积深度及位置与实际结果相差较小。经核实，本次模拟的泥石流堆积体积与文献[17]中实际调查确定的2000年滑坡型泥石流堆积体积相差较小。这说明基于泥石流深度积分的三维数值模型能够较为准确地模拟扎木弄沟滑坡型泥石流的运动过程和堆积过程，可以通过基于泥石流深度积分的三维数值模型模拟今后类似2000年的滑坡型泥石流运动和堆积过程。

表4 2000年滑坡型泥石流的运动参数取值

表4是2000年滑坡型泥石流的计算参数。该次泥石流的崩滑起动方量为0.91×108m3，泥石流与沟床之间的摩擦系数取0.23，内摩擦角取25°。将2000年滑坡型泥石流的摩擦系数、内摩擦角作为今后类似2000年的滑坡型泥石流的运动参数。

3.3 今后发生类似2000年的滑坡型泥石流堆积形态的三维数值模拟结果

由2.1.2小节可知，BH01和BH02的崩滑方量分别为0.94×108m3和0.92×108m3。BH01和BH02潜在崩滑体的方量可作为模型参数中的起动方量。第1种工况为BH01和BH02潜在崩滑体在地震(地震烈度为Ⅷ度)和极端气候情况下局部少量崩滑，崩滑起动方量为0.20×108m3。第2种工况为BH01和BH02潜在崩滑体在地震(地震烈度为Ⅷ度)和极端气候情况下局部崩滑，崩滑起动方量为0.50×108m3。因扎木弄沟F3断层直穿BH02潜在崩滑体，所以BH02潜在崩滑体更危险，第3种工况为BH02潜在崩滑体在地震(地震烈度为Ⅷ度)和极端情况下全部崩滑形成滑坡型泥石流，崩滑起动方量为0.92×108m3。第4种工况为BH01和BH02潜在崩滑体在地震(地震烈度为Ⅷ度)和极端气候情况下全部崩滑，崩滑起动方量为1.86×108m3。通过三维数值模拟的4种地震和极端气候工况下滑坡型泥石流堆积物的深度和范围如图6所示。

图7 各种工况下的滑坡型泥石流堆积范围

由图7可知，滑坡型泥石流在4种工况下搬运的松散固体物质均堵塞易贡藏布并形成松散堰塞坝。为进一步分析这4种工况下堰塞坝溃决的可能性，我们分析了2000年堰塞坝物质组成。2000年堰塞坝物质呈散体，结构松散，并含有大量的粗粒固体物质，堰塞坝的岩性均以花岗岩为主，大理岩、灰岩、片麻岩和片岩次之，堆积物的磨圆度大多为棱角状和次棱角状，堰塞坝物质颗分曲线连续，无粒径缺失，粘粒含量高，为典型的高粘粒含量的宽级配土体。这种物质组成决定了2000年堰塞坝在形成初期结构强度较大，但随着浸润面的升高，高粘粒含量(3%～6%)的堰塞坝结构强度大幅度减少，堰塞坝容易漫顶溃决。

根据2000年堰塞坝的物质组成，推测类似2000年滑坡泥石流形成的堰塞坝在初期不会溃决，这种高粘粒含量的堰塞坝结构强度随浸润面的升高(堰塞湖水位升高)而大幅度减小，当结构强度减小到某一值时堰塞坝就会发生溃决。这说明当堰塞湖水位快速升高时，堰塞坝的结构强度大幅度减小，随堰塞坝规模的增大，堰塞坝溃决的风险有可能逐渐增大[18]。

4 结论

通过以上研究，本文得出了以下三个结论。

(1)易贡扎木弄沟泥石流的物源总量为2.37×108m3，其中滑坡物源方量为0.33×108m3，崩塌物源方量为2.02×108m3，沟岸崩滑体物源方量为155.74×104m3，沟道堆积物物源方量为80.40×104m3。扎木弄沟BH01和BH02潜在崩滑体是今后特大滑坡型泥石流的主要物源，其方量分别为0.94×108m3和0.92×108m3。

(2)在地震(地震烈度为Ⅷ度)和极端气候工况下，今后发生类似2000年的滑坡型泥石流有可能造成堵河。

(3)当堰塞湖水位快速升高时，堰塞坝的结构强度大幅度减小，随源头崩滑起动方量增大，堰塞坝溃决的风险有可能逐渐增大。

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Volume of Loose Materials and the Analysis of Possibility of Blocking and Dam Break Triggered by Debris Flows in Zhamunonggou

LI Jun1, 2, CHEN Ningsheng1, OUYANG Chaojun1, LI Aiguo3and ZUO Xilong3

(1.KeyLaboratoryofMountainHazardsandLandSurfaceProcess,InstituteofMountainHazardsandEnvironment,CAS,Chengdu610041,China; 2.GraduateUniversityoftheChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China; 3.ChangjiangGeotechnicalEngineeringCorporation,Wuhan430010,China)

ThestudyofvolumeofloosematerialsandthepossibilityofblockinganddambreaktriggeredbydebrisflowmobilizationfromlandslidesinZhamunonggouhasimportantscientificandengineeringsignificance.Firstly,wegetthetotalvolumeofsourceofdebrisflowbasedontheengineeringgeologyanalysismethodandfieldinvestigation.Secondly,weestimatedthedepositionrangeanddepthoffuturedebrisflowbythreedimensionalnumericalsimulations.Lastly,wegetthepossibilityofdebrisflowblockingriveranddambreakbytheanalysisofdepositionandmaterialcompositionofthedamin2000.Thefollowingconclusionsareobtainedthroughthestudy: (1)thetotalvolumeofloosematerialsofdebrisflowis2.37×108m3; (2)undertheearthquake(seismicintensityisⅧdegrees)andextremeclimateconditions,debrisflowmobilizationfromlandslidessimilartothe2000incidentarelikelytocauseblockage; (3)dambreakriskmayincreasegraduallywiththestartingvolumeincreases.

debrisflowmobilizationfromlandslides;numericalsimulationofblockagemodel;ZhamunonggouinTibet;SichuanTibetrailway;YigongcountyofBomiinTibet

10.3969/j.issn.1000-811X.2017.01.014.]

2016-05-23

2016-08-04

国家自然科学基金重大项目(41190084)

李俊(1989-),男,四川乐山人,博士研究生，研究方向为山地灾害形成机理及其防治技术. E-mail:lijunxiaoyouxiang@163.com

X43；P694

A

1000-811X(2017)01-0080-06

10.3969/j.issn.1000-811X.2017.01.014

李俊,陈宁生,欧阳朝军，等. 扎木弄沟滑坡型泥石流物源及堵河溃坝可能性分析[J]. 灾害学，2017，32(1)：80-84,116. [LI Jun,CHEN Ningsheng,OUYANG Chaojun,et al. Volume of loose materials and the analysis of possibility of blocking and dam break triggered by debris flows in Zhamunonggou[J]. Journal of Catastrophology，2017，32(1)：80-84,116.