茶隆隆巴曲山地灾害特征及冰崩碎屑流致灾风险研究*

张晓宇 杜世回 孟祥连 杜庆者 杨宗佶 杨莹辉

苗晓岐①② 罗 锋①②

(①中铁第一勘察设计院集团有限公司， 西安 710043， 中国)

(②陕西省铁道及地下交通工程重点实验室(中铁一院)， 西安 710043， 中国)

(③中国科学院， 水利部成都山地灾害与环境研究所， 成都 610041， 中国)

(④地质环境保护及地质灾害防治国家重点实验室(成都理工大学)， 成都 610059， 中国)

0 引 言

川藏铁路波密至通麦段穿越藏东南横断山高山峡谷区，属喜马拉雅东构造结段，受强烈气候变化、复杂地质地形条件、高烈度地震、高地应力等影响，线路所经过的帕隆藏布流域是滑坡、泥石流、冰湖溃决、高位岩崩冰崩等山地灾害的易发区和频发区，该区的山地灾害常以灾害链的形式呈现，具有多灾种、复合型、多过程、时空拓展及突发性强等特征(唐得胜等， 2013； 戴兴建等， 2019)。研究区2000年4月9日发生的易贡特大山体崩塌滑坡事件是我国历史上规模罕见的崩塌滑坡地质灾害(许强等， 2007)。古乡、培龙贡支、天魔沟等泥石流沟曾多次毁坏川藏公路。鲁新安等(2006)研究了古乡沟泥石流年际分布特点及暴发频率，认为古乡泥石流沟2005年7～8月暴发的泥石流原因与1953年相似，均是由集中降雨和持续高温共同作用的天气所致。刘洋(2013)基于RS技术及GIS技术分析了帕隆藏布流域培龙沟、天摩沟、米堆沟冰崩-冰湖溃决等泥石流灾害链的发育特征。前人对于藏东南波密至通麦地区的山地灾害研究积累了大量的成果，对川藏铁路的选线及工程设置具有一定的指导意义。

冰崩-岩崩碎屑流是一种由高位冰崩引发或在高位岩崩滑坡运动过程中铲刮大量含冰碎屑物形成的特殊碎屑流(童立强等， 2020)。Salzmann et al.(2003)通过统计参数、遥感建模和GIS技术对阿尔卑斯山地区的潜在冰崩进行了运动路径模拟及风险评估。Schneider et al.(2011)根据物理模型试验和世界各处64个大型冰-岩碎屑流的经验数据，揭示了冰-岩碎屑流活动的驱动因素，为相关情景建模及风险评估的参数选取提供了经验依据。郑光等(2020)通过开展碎屑流滑槽试验，观测了碎屑流运动过程中的粒径分选过程，并重点研究了碎屑流堆积体的垂向和滑移方向层序，揭示出碎屑流堆积体内部不仅在垂向上具有反粒序结构，还在滑移方向上具有双峰分布形态。杨情情等(2015)通过斜槽实验分析了2000年易贡扎木弄沟高位冰-岩碎屑流堵江溃决洪水灾害链的发育影响因素，认为冰屑可能进入碎屑流的内部和底部，起到降低摩擦系数的作用。

冰岩崩碎屑流往往形成较大的地质灾害。李俊等(2017)研究了2015年易贡扎木弄特大群发性泥石流的规模变化趋势，认为该沟存在大规模潜在冰岩崩塌体，未来仍可能暴发特大型泥石流灾害。童立强等(2018)、刘传正等(2019)研究了2018年的色东普冰崩-岩崩-冰碛物滑坡-碎屑流-堵江-堰塞湖-溃决洪水灾害链，认为其频发多发态势仍将长期持续。郑光等(2020)研究了2019年7月23日贵州水城县鸡场镇滑坡-碎屑流，结果表明其发生前斜坡无明显的变形迹象，表现出极强的隐蔽性和突发性，滑坡发生后碎屑流远程运动了约1.3km，造成了巨大的危害。裴丽鑫(2019)分析了西藏阿汝错、然则日、色东普地区冰崩灾害的特征，将青藏高原冰崩灾害类型初步划分为冰崩直接灾害、冰湖溃决灾害及堵溃链式灾害。研究结果表明，青藏高原地区近年来冰崩岩崩灾害呈多发态势，且具有规模大、危害巨大等特点。

根据大量前人研究，冰崩雪崩灾害具有在同一位置、同一冰川多次发生的特点，如近年来雅鲁藏布江则隆弄冰川、色东普冰川活动引发的冰崩碎屑流堵江、西藏阿汝错冰川冰崩事件等都出现了在同一位置多次发生的继发性特点。1950年、1968年、1984年则隆弄冰川跃动，引发直白沟多次发生冰崩冲入雅鲁藏布江，堵江后造成水位壅高(张沛全等， 2008)。雅鲁藏布江色东普段数十年来多次发生滑坡碎屑流堵江事件，其中2014年以来发生过8次滑坡碎屑流堵江事件， 2018 年堵江灾害发生前，该河段三分之二处于堰塞状态(童立强等， 2018； 刘传正等， 2020)。2016年西藏阿里地区阿汝错冰川在短时间内连续两次发生规模巨大的冰崩灾害(裴丽鑫， 2019)。国际上2002年发生的Kolka冰崩是有历史记录以来规模最大的一次冰崩，该冰川在20世纪初期和70年代曾发生两次类似的冰川活动(Kotlyakov et al.，2004)。1984～2016年阿拉斯加国家冰川保护公园因多年冻土退化发生了多次冰崩-岩崩事件(Jeffrey et al.，2018)。因此，基于其继发性特点，历史上冰崩雪崩的发生频率-规模特征对未来灾害的发生具有很好的指示作用。

川藏铁路波密—通麦段所经帕隆藏布流域高位冰崩、雪崩、岩崩碎屑流为泥石流的发展提供了大量物源，地质灾害通常规模大、易发性强、危险度高，铁路选线时需充分考虑其对工程的影响。茶隆隆巴曲位于林芝市波密县与通麦镇之间，流域内两岸坡面陡峻，川藏铁路拟以桥梁形式跨越茶隆隆巴曲，大桥全长199m，主体工程为168m钢桁拱桥，桥梁最大净空43.5m，茶隆隆巴曲沟谷地质灾害主要为泥石流，上游发育冰川，存在暴发冰崩碎屑流的风险。

本文以川藏铁路跨越茶隆隆巴曲的工程为例，根据现场调查、遥感解译、遥感形变监测分析、堆积物地质年代学分析、工程类别分析了茶隆隆巴曲山地灾害的发育特征及规模-频率，并通过Massflow全过程分析软件对上游冰川可能形成的冰崩碎屑流灾害进行全过程模拟，深化了对川藏铁路交通廊道内冰崩碎屑流运动特性的认识，探讨了其对铁路工程的影响，为预防高位冰崩碎屑流灾害风险提供了科学依据。

1 地质概况

1.1 地形地貌

茶隆隆巴曲属于高中山峡谷地貌(图1)，沟口海拔为2178m，最高峰海拔为5886m，流域最大高差达3708m，山谷平均坡度为34.7°，流域面积为53.38km2，主沟长度为13.26km。线路在沟谷下游经过，地形狭窄，纵坡降为28°～35°。根据茶隆隆巴曲海拔高程、地貌形态及物源分布特征，从源头到沟口，可以将主沟划分为3个阶梯：

图1 茶隆隆巴曲流域与川藏铁路示意图

第1阶梯于流域上游源头，海拔高程为4000～5886m，平均纵比降为678‰，该区由冰雪和基岩陡壁组成，发育4处小型冰川，皆位于流域东侧支沟。该区段属寒冻风化强烈地带，是冰崩、雪崩及岩崩的发育区(图2、图3)。

图2 茶隆隆巴曲沟心纵平面示意图

图3 高分遥感影像不良地质体解译成果图

第2阶梯位于流域的上游，海拔高程为3200～4000m，平均纵比降为200‰，以固态降水为主，年降雨量大于2000mm。该区段主要为冰舌、风化物的堆积区，是泥石流的主要物源区。

第3阶梯位于流域的中下游，海拔低于3200m，平均纵比降为123‰，沟道顺直，出山口略有弯曲，沟床比降渐趋平缓，沟口狭窄，呈V型谷地，该阶梯植被长势极好，流域出口左侧为一个平坦的冰碛台地。

1.2 气象水文

该区属亚热带半湿润气候，区内年平均降水量为1276.0mm，年最大降水量为1514.7mm，位于藏东南舌状多雨带，日降雨最大可达100mm以上。区内年均气温介于7.98～10.20℃，多年平均气温8.99℃。研究区气温呈显著上升趋势，降水量亦呈增加趋势，水热组合相对湿热、湿冷的环境均为冰崩碎屑流及泥石流等地质灾害暴发提供了有利的外界因素。

1.3 地 震

茶隆隆巴曲位于波密—墨脱活动构造带，属青藏高原南部中强度地震区。区内地震动峰值加速度为0.15～0.20g，地震动加速度反应谱特征周期为0.45s。波密地区内近50年来发生6级以上的强烈地震达9次之多， 4.7～5.9级地震约40余次，有感地震发生频繁，频率达3～5次/年。在气候变化、地震活动作用下，研究区内冰崩碎屑流、泥石流等灾害有可能出现周期性暴发。

1.4 地质条件

1.4.1 地层岩性

茶隆隆巴曲属于冈底斯—念青唐古拉地层区，岩性复杂多变，中上游出露地层为石炭系诺错组(C1n)变细砂岩与板岩互层； 中下游出露地层为元古界念青唐古拉岩群(Pt1-2)各类片麻岩，以及燕山期侵入闪长岩； 下游沟口两岸分布有大量的第四系冲洪堆积层、残坡积层、冰碛堆积体碎石类土等。该流域位于构造混杂岩带强变形区，出露嘉黎—察隅构造混杂岩，主要为大理岩、钙质砂岩等，岩体极其破碎，工程性质差。

1.4.2 地质构造

研究区一级构造单元属冈底斯-喜马拉雅造山系，位于东构造结北缘，发育嘉黎—易贡藏布断裂与嘉黎—迫龙藏布断裂，其中嘉黎—迫龙藏布断裂为全新世活动断裂，区内产状为N60°W/55°N，断裂带及影响带宽度为260～900m不等，该断层为脆韧性逆冲剪切带，构造混杂岩及碎裂岩发育。

2 山地灾害类型及规模频率分析

2.1 山地灾害活动基本特征

2.1.1 不良地质遥感解译

茶隆隆巴曲沟内流域面积53.38km2，根据高分2号及高清航片解译成果，共发育31处不良地质体(图3)，主要集中在阴坡，其中滑坡3处，冰雪堆积体4处，危岩体22处，碎屑流2处。对线路影响较大的山地灾害类型有山洪泥石流、冰崩、滑坡及岩崩等。

2.1.2 山地灾害活动分析

应用历史遥感影像、高清遥感影像以及现场调查成果表明茶隆隆巴曲山地灾害相对并不活跃。

首先未在主沟内发现大量明显的新鲜碎岩和碎屑，主沟道内可见大量表面光滑的卵砾石。其次流域范围内森林植被非常发育，全流域生长高大乔木， 2～3m以上胸径的高山栎在沟谷中下游连续分布。总体上看近200～500年来沟道内未发生过大规模毁灭性地质灾害(图3、图4)。

图4 茶隆隆巴曲流域内森林植被照片

2.1.3 堆积物地质年代学分析

在河口左岸的湖相沉积剖面处采集2个14C年代测定样品，在河口台地采集2个光释光(OSL)年代测定样品。测试结果表明，茶隆隆巴曲沟口湖相沉积为4～7千年以前帕隆藏布下游堵河形成，近期未发生灾害堵河事件； 沟口台地和下游冰碛物年代为1～1.6万年，说明帕隆藏布流域早期存在堵江事件或者为末次冰期的产物。

2.2 主要山地灾害规模-频率分析

2.2.1 山洪泥石流

根据现场调查结合遥感解译，茶隆隆巴曲沟口与主河垂直相交，未发现泥石流逼弯、堵塞主河的现象。沟口堆积物主要是古冰碛物和冰水堆积物，部分出露湖相沉积。在沟口也未发现有现代泥石流堆积物，可判断茶隆隆巴泥石流性质为低频泥石流。茶隆隆巴曲泥石流流通堆积区的沟道两侧森林植被十分发育，许多区段沟道甚至被森林完全覆盖，未发现明显洪痕、泥位等灾害迹象，推测泥石流沟道在相当长的时间内比较稳定。

2.2.2 冰崩雪崩

从多期遥感影像和高清遥感影像发现1号冰川雪崩锥沟谷前缘和对岸的地表植被茂密(图5)，主要为多年生高大乔木，揭示了近50年内1号冰川发生的小规模冰崩雪崩都局限于冰崩锥和冰碛垄的范围内，未发生过大规模高速远程冰崩碎屑流灾害。因此，茶隆隆巴曲流域内的冰崩雪崩以小规模的冰崩雪崩为主。常年冰雪崩的影响主要增加了流域内的松散物源，并可能局部堵塞沟道。

图5 高分遥感影像1号冰川解译成果图

2.2.3 滑坡崩塌

茶隆隆巴曲滑坡灾害主要有两种类型，其中在流域中下游沟道两侧冰碛体上发育10余处土质滑坡，推断未来在降雨和沟道侵蚀联合作用下，沿冰碛体两岸的滑坡仍然会出现高频高发的特征，但由于冰碛土结构致密、胶结程度较好，土体强度较高，滑坡以浅层中小规模滑坡为主。在流域中游发育2处岩质滑坡(图6)，为大规模岩质崩塌滑坡，该处沟道明显弯曲，推测其在历史上曾堵断主沟。

图6 高分遥感影响大型岩质滑坡及堆积体解译成果图

2.3 典型灾害工程类比分析

类比帕隆藏布流域古乡沟、培龙贡支等灾点(陈宁生等， 2002； 鲁安新等， 2006)，古乡沟和培龙贡支不管从冰川、冰崩以及泥石流规模都超过了茶隆隆巴曲，但是历史上发生的冰崩岩崩灾害都近源堆积在沟道内，没有形成出沟的碎屑流。由于茶隆隆巴区主沟道较长、沟谷弯曲，从工程类比角度分析，茶隆隆巴即使发生大规模冰崩岩崩灾害，其演化成超强流动碎屑流出沟的可能性较低，冰崩、岩崩和滑坡等山地灾害的主要影响是为后续的泥石流提供松散物源。

3 冰崩碎屑流对桥梁致灾风险分析

根据上文分析认为，未来在川藏铁路建设和运营阶段，需要重点关注流域内的大型崩滑、冰崩灾害为后续的泥石流提供松散物质以及山洪泥石流对桥梁工程的影响。另外基于工程安全底线考虑，认为上游冰川存在发生冰崩碎屑流的风险，本文采用数值模拟方法对高位冰崩碎屑流进行了分析计算，并进行了桥梁致灾风险分析。

3.1 数值模拟方法

本研究数值计算采用了Massflow计算软件。Massflow是基于深度积分的连续介质力学原理和方法，利用改进的Mac Cormack-TVD有限差分方法，采用Fortran和C#语言，结合MPICH和OpenMP并行处理技术建立的全过程数值模拟软件，能够考虑复杂地形地貌和沟床侵蚀等特征，具有二阶精度和自适应求解功能。Massflow与理论分析、模型试验吻合均较好(Ouyang et al.，2013； 段学良等， 2019)。

3.2 高位冰崩碎屑流模拟计算

为确定冰崩碎屑流的规模，应用遥感影像获取冰川分布特征和面积，结果表明上游左岸有4处小型冰川，最大的1号冰川面积约0.69km2； 其次根据三维高清航片冰面与下伏基岩的高差获取冰川平均厚度为15m，体积约1035×104m3。基于遥感技术的地表位移监测主要分为合成孔径雷达干涉(InSAR)测量和光学影像子像素匹配两种技术手段。冯文凯等(2020)利用 SBAS-InSAR 技术对金沙江流域沃达村滑坡进行地表形变监测，获取了2017年 3 月30日至2019年 9 月28日内的形变结果，分析了滑坡复活区整体和局部滑塌地表形变速率、累积位移变化趋势和主裂缝形变情况。刘亚岚等(2015)利用多光谱遥感影像对汶川地震重灾区的次生地质灾害进行了研究。为确定冰川变形特征及演变趋势，本次研究采用基于多光谱遥感数据匹配技术的地表位移监测方法，选取3个时段哨兵2号多光谱数据，获得了2020年初冰川形变监测结果，该冰川上部总体稳定，局部年份存在不均匀运动(图7)。

图7 1号冰川堆积体形变监测结果(2020.04.13～05.28)

表1 多期遥感影像监测冰川变形情况汇总表

表2 运动参数取值表

监测结果表明3个时间段大于2m的变形面积为308532～452703m2，大于5m变形面积为47001～322834m2。以2020.4.13～2020.5.28期间1号冰川堆积体大于2m的冰川变形范围及位置为基础(图7、表1)，结合历史冰崩经验，认为该冰川一次性整体全部发生冰崩的可能性极小，研究考虑1号冰川上部极端情况下发生冰崩，总面积约0.45km2，总体积约675×104m3，根据该冰崩量来确定冰崩碎屑流灾害对茶隆隆巴曲桥梁的影响。正常工况在模拟过程中考虑沟道的植被、地层等实际情况取合理的计算运动参数，采用RAMMS软件推荐的数值，其中摩擦系数μ=0.14和紊流系数ξ=1000(Christen， et al.，2010)。

另外基于工程安全的底线意识，采用相关最不利参数，计算了1号冰川冰崩碎屑流发生超强流动出沟的极端工况，从而评价其对川藏铁路桥梁工程的影响。运动参数的选取借鉴洪水摩擦系数，并结合DAN-3D软件在易贡滑坡分析中最利于灾害运动的经验反演参数，取值摩擦系数μ=0.05和紊流系数ξ=1000(戴兴建等， 2019)(表2)。

3.3 正常工况下1号冰川冰崩碎屑流

正常工况下，考虑1号冰川675×104m3发生冰崩碎屑流，摩擦系数μ=0.14，紊流系数ξ=1000。

图8 冰崩碎屑流最终堆积厚度云图

3.4 极端工况下1号冰川冰崩碎屑流

极端工况下，考虑1号冰川675×104m3发生冰崩碎屑流，摩擦系数μ=0.05，紊流系数ξ=1000。

图9 茶隆隆巴冰崩碎屑流动力过程运动速度云图

图10 冰崩碎屑流演进到桥位处堆积厚度云图

600s后，冰崩碎屑流全部到达沟口，由于沿程铲刮，此时体积增大为1030×104m3。

3.5 高位冰崩岩崩碎屑流灾害对工程的影响

茶隆隆巴曲上游冰崩碎屑流对川藏铁路致灾风险模拟结果表明，工况1模拟正常情况下， 1号冰川发生冰崩形成碎屑流，但并未到达桥位，碎屑流堆积在沟道内。工况2模拟考虑冰崩碎屑流极端流动条件下，冰崩碎屑流在桥位的最大流深为24m，茶隆隆巴曲大桥全长199m，主体工程为168m钢桁拱桥，桥梁净空为43.5m(图11)。综合以上分析认为川藏铁路茶隆隆巴曲流域内的潜在冰崩碎屑流灾害对川藏铁路桥梁工程无直接影响，对桥址岸坡可能存在冲刷等，对于正线工程风险属于可防可控范畴。

图11 茶隆隆巴曲大桥冰崩碎屑流泥位线示意图

4 工程措施建议

为最大限度地保障茶隆隆巴曲大桥的安全，保证在设计频率范围内将高位冰崩碎屑流、泥石流对大桥造成的损失降到最低，针对性提出以下优化防治工程设计方案：为防治泥石流及洪水的侧蚀，建议疏通桥位上游200m及下游100m范围内沟道，增大过流面积，降低泥石流及洪水的影响高度。桥址处左侧岸坡以强风化岩体为主，为防治泥石流、洪水、冰崩碎屑流冲刷，建议对冰崩碎屑流影响范围内的边坡进行适当加固。

5 结论及建议

(1)茶隆隆巴流域内发育的山地灾害类型主要为冰崩雪崩灾害、高位崩塌落石、崩滑堆积体堵沟形成的堵溃灾害及泥石流灾害。

(2)综合分析认为，茶隆隆巴曲内山地灾害相对并不活跃， 200～500年来未发生过大规模毁灭性地质灾害，整体上沟内泥石流活动频率较低，沟内滑坡均处于较为稳定的状态，冰崩、岩崩和滑坡等山地灾害的主要影响是为后续的泥石流提供松散物源。

(4)为最大限度地保障茶隆隆巴曲大桥的安全，降低泥石流、冰崩碎屑流对大桥造成的影响，建议采用疏通河道、岸坡防护、边坡加固等综合治理措施。