韓 方，陳 興 長，孫 聿 卿，唐 勤

(西南科技大學(xué) 環(huán)境與資源學(xué)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(gòu)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(xiāng)溝再次發(fā)生泥石流，導(dǎo)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(fā)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(dǎo)致斷道16 d[2-3]。川藏公路沿線地質(zhì)災(zāi)害引起了眾多學(xué)者的高度重視，尤其是川藏公路南線沿線的泥石流災(zāi)害，前人對其分布規(guī)律、發(fā)育特征及其危害性進行了深入研究[4-5]。基于信息量法、熵權(quán)法等，對川藏公路南線泥石流災(zāi)害開展了危險性評價和動態(tài)分析[6-7]；并在分析總結(jié)公路泥石流不同災(zāi)害特征的基礎(chǔ)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(qū)地質(zhì)災(zāi)害的影響方面[11-12]。事實上，川藏北線區(qū)內(nèi)新構(gòu)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(xiàn)的強降雨誘發(fā)泥石流災(zāi)害，淹沒了部分耕地農(nóng)田，損毀道路和公共設(shè)施[13]；2017年7月8日，江達縣覺布寺溝暴發(fā)泥石流，淹沒了下游左岸縣城規(guī)劃建設(shè)區(qū)和城鎮(zhèn)居民區(qū)，對溝口國道G317造成了淤堵；同時還造成麥曲河堵塞，直接經(jīng)濟損失約1 000萬元[14]。

川藏公路北線泥石流災(zāi)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(tǒng)的研究。本文以川藏公路北線新都橋鎮(zhèn)-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(jié)合統(tǒng)計分析，研究公路沿線泥石流的發(fā)育特征及其危害方式，并根據(jù)該區(qū)域泥石流的發(fā)育狀況和致災(zāi)特征提出了相應(yīng)的防治對策。

1 研究區(qū)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(qū)，路線長，范圍廣。本文研究區(qū)主要以公路沿線兩側(cè)的流域為界，具體范圍如圖1所示。

1.1 地形地貌

研究區(qū)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(fù)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(qū)交通位置及地形Fig.1 Traffic location and topographic map of the study area

區(qū)域內(nèi)最高海拔6 085 m，最低海拔2 882 m，整體地勢較高。研究區(qū)域內(nèi)高程大于3500 m的面積超過92%。其中，約42%的區(qū)域分布在海拔4 000～4 500 m，約22%的區(qū)域分布在海拔4 500～5 000 m之間(見表1)。區(qū)域內(nèi)約65%的區(qū)域地面坡度小于25°(見表2)；約35%的區(qū)域分布在25°～45°的坡度范圍內(nèi)，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(qū)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(qū)。

表1 研究區(qū)高程分級統(tǒng)計情況

表2 研究區(qū)地面坡度分級統(tǒng)計

1.2 地質(zhì)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(zhì)巖和火山巖為主。研究區(qū)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(qū)巖體穩(wěn)定性差，蘊藏豐富的松散固體物質(zhì)，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F(xiàn)ig.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(xiàn)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(huán)狀構(gòu)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(zhì)滑坡和局部垮塌為主，規(guī)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(fā)育，寒凍風化物質(zhì)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(nèi)，以崩滑物質(zhì)、泥石流堆積物和工程棄渣為主。溝床物質(zhì)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(huán)流的影響，研究區(qū)垂直氣候差異明顯。昌都地區(qū)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(qū)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(qū)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(qū)的降水量整體上較藏東地區(qū)大，其中，四川新都橋鎮(zhèn)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(qū)月平均降水量Fig.3 Monthly average rainfall in main areas

2 研究區(qū)泥石流發(fā)育特征

2.1 泥石流類型和性質(zhì)

調(diào)查發(fā)現(xiàn)：川藏公路北線沿線共發(fā)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(qū)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(jù)泥石流形成的激發(fā)條件，研究區(qū)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(jù)泥石流活動頻率可以判斷，研究區(qū)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(xù)活動誘發(fā)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(jù)泥石流流體性質(zhì)，可以認為研究區(qū)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(qū)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(qū)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(xué)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(qū)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(shù)的85.8%。大于30.00 km2的流域僅占14.2%。這表明研究區(qū)域內(nèi)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(fā)生泥石流。

表3 研究區(qū)不同面積的泥石流流域統(tǒng)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(fā)所需的水源，暴發(fā)泥石流。相反，面積較大的溝谷，即使物源豐富，流域內(nèi)暴發(fā)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(fā)稀性泥石流。據(jù)統(tǒng)計，區(qū)域內(nèi)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(nèi)，坡降越大，勢能越大，就越容易暴發(fā)泥石流[16]。研究區(qū)內(nèi)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(shù)212.24‰(見表4)。平均數(shù)和中位數(shù)相差甚小，說明區(qū)域內(nèi)坡降分布集中，離散程度低。區(qū)域內(nèi)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(shù)的70.00%；坡降大于400‰的溝數(shù)量最少，僅占4.72%。

表4 研究區(qū)泥石流溝床縱坡降統(tǒng)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(fā)生泥石流。流域形狀可用流域完整系數(shù)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(jù)完整系數(shù)(δ)，可將流域形態(tài)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(qū)的泥石流流域完整系數(shù)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(qū)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(fā)生。

3 泥石流的危害及防治對策

研究區(qū)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(nèi)引發(fā)泥石流。因此，研究區(qū)公路沿線泥石流數(shù)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(qū)泥石流對道路的危害主要體現(xiàn)在，威脅橋梁、涵洞、路基路面等道路結(jié)構(gòu)工程。其中，受泥石流災(zāi)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(jié)構(gòu)

調(diào)查發(fā)現(xiàn)，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(fā)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(dǎo)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(nèi)運動受阻力時，往往容易導(dǎo)致涵洞雍堵。③ 涵洞本身斷面尺寸過小而淤堵。部分涵洞設(shè)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(dǎo)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(xù)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(jié)構(gòu)造成破壞(見圖6)；研究區(qū)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(fù)沖擊、磨蝕結(jié)構(gòu)面表面，形成裂紋、坑穴，增大了泥石流運動的阻力；進而對結(jié)構(gòu)的沖磨作用力進一步加大，加速涵洞結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)

研究區(qū)部分橋梁橋下凈空設(shè)計不足，排泄能力較小，出現(xiàn)橋下嚴重淤積現(xiàn)象。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，共有29座橋梁出現(xiàn)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(dǎo)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(zhì)在橋下淤積，已經(jīng)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(jié)構(gòu)(橋臺、橋墩和基礎(chǔ)等)和附屬結(jié)構(gòu)(錐坡、護墻、導(dǎo)流工程等)也有可能受到泥石流的沖擊和磨蝕。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，共有10座橋梁下部結(jié)構(gòu)及其附屬結(jié)構(gòu)遭受沖擊和磨蝕。這些橋臺，或?qū)Я鞑圩o底等受到泥石流的沖擊和磨蝕，導(dǎo)致構(gòu)筑物表面坑洼不平；在反復(fù)的沖擊和磨蝕作用下，最終會導(dǎo)致構(gòu)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(dǎo)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(dǎo)流槽Fig.9 Diversion groove

3.1.3淤埋路面，淘蝕路基

研究區(qū)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(zāi)害8處，沖刷災(zāi)害6處。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，泥石流對路基路面的危害可歸結(jié)為以下3種原因。

(1) 由于橋涵排泄能力不足，導(dǎo)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(cè)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(dǎo)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?qū)Π?，也可能?dǎo)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(fā)生改變，形成曲流，迫使河流沖刷對岸路基[20]，導(dǎo)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(qū)泥石流數(shù)量眾多，活動頻繁，嚴重威脅川藏公路北線的安全和暢通?；谀嗍鞯陌l(fā)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(dǎo)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(nèi)多植樹種草，控制放牧規(guī)模，以減少水土流失；與道路交叉處完善排導(dǎo)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(jié)合”的治理思路。具體措施可在流域內(nèi)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(dǎo)措施，以順暢排泄來流。

(2) 不同性質(zhì)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(dǎo)流堤、急流槽、排導(dǎo)槽等，以順暢、快速地排導(dǎo)來流，防止淤積；必要時，可在中上游修建格柵壩、網(wǎng)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(wěn)攔排結(jié)合”的綜合治理方式[22]。具體可在流域內(nèi)修建潛壩、谷坊壩和攔砂壩等，以穩(wěn)定溝床，反壓岸坡，攔蓄泥石流固體物質(zhì)；溝口完善排導(dǎo)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(jù)淤堵的原因，采取相應(yīng)的防治對策。直接停淤導(dǎo)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(shè)置停淤空間，以停積固體物質(zhì)，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(jié)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(guī)模較小，可在公路上方設(shè)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(dǎo)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(shè)施被沖毀的情況，建議及時修復(fù)；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(jié) 論

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

(1) 川藏公路北線沿線共發(fā)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(shù)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(qū)內(nèi)流域高差大，匯水能力和輸移能力較好，有利于泥石流的發(fā)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(jié)構(gòu)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(fā)育和危害特征，對不同活動性、不同性質(zhì)和不同危害方式的泥石流，建議采取針對性的防治對策。