祁連山黑河流域油葫蘆段凍土區(qū)融凍泥流特征及其形成機(jī)理

白 云， 謝 雷， 陳 豪

(四川省冶金地質(zhì)勘查局六○五大隊(duì)，四川 彭山 620860)

1 引言

中國(guó)多年凍土面積占全國(guó)面積的22.3%，主要分布在東北北部山區(qū)、西部高山與青藏高原，青藏高原地區(qū)，凍土分布面積達(dá) 1.5×106km2。近年來(lái)，隨著大規(guī)模巖土工程活動(dòng)，在凍土區(qū)進(jìn)行土方開(kāi)挖、填土及其他對(duì)地質(zhì)環(huán)境的擾動(dòng)活動(dòng)，多年凍土區(qū)斜坡穩(wěn)定性日益受到威脅。祁連縣地處青藏高原北部，青海省東北部，境內(nèi)共有大通河水系的默勒河和祁連山內(nèi)陸水系的黑河兩大流域，年內(nèi)降水分配極不均勻，降水多集中在每年6～9月，占全年降水總量89.7%，祁連縣平均海拔3 169 m，幾乎每年都有凍土，隨著全球氣候變暖，最大深度總體呈減小趨勢(shì)，月平均最大凍深值在3月份，最小值在9月，全球變暖對(duì)多年凍土最直接的影響就是地溫升高和活動(dòng)層厚度增大，導(dǎo)致表層土壤含水量減少，從而對(duì)多年凍土區(qū)植被產(chǎn)生影響。凍土為特殊性土，是一種對(duì)溫度極為敏感的土體介質(zhì)，影響其凍深的主要因素是溫度。溫度的變化導(dǎo)致凍土在凍與融之間循環(huán)，而凍與融對(duì)應(yīng)于凍土的高強(qiáng)度與低強(qiáng)度，故其高強(qiáng)度僅存在于氣溫寒冷月份。長(zhǎng)期而言，凍土具有低強(qiáng)度特征，這種特征在氣溫較高月份容易造成表層融化土層流動(dòng)，形成融凍泥流，然后在雨水的誘發(fā)下產(chǎn)生滑坡和泥石流等地質(zhì)災(zāi)害。祁連縣境內(nèi)融凍泥流主要發(fā)育在河流侵蝕岸與小型沖溝側(cè)坡的多年凍土區(qū)。由于侵蝕作用與坡腳開(kāi)挖使埋深的凍土表露出來(lái)，加快了凍土的融化，產(chǎn)生了一系列邊坡融塌和泥流。

2 研究區(qū)地質(zhì)環(huán)境特征

2.1 地形地貌

研究區(qū)屬構(gòu)造侵蝕中山地貌，滑坡后緣海拔3 175 m，前緣海拔3 055 m，相對(duì)高差約120 m，總體坡度10°～20°，坡向約6°。研究區(qū)微地貌屬于單斜的斜坡地貌類型。

2.2 地層巖性

研究區(qū)出露的地層由老到新有：三疊系南營(yíng)兒群下巖組砂巖、頁(yè)巖和第四系中更新統(tǒng)冰水堆積層、第四系全新統(tǒng)沖洪積層。

2.3 地質(zhì)構(gòu)造與地震

受區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造影響，巖層朝西南傾斜，由于受斷裂構(gòu)造的影響，區(qū)內(nèi)褶皺構(gòu)造殘缺不全，出露不明顯。區(qū)內(nèi)新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)總體表現(xiàn)為震蕩式的隆升運(yùn)動(dòng)，溝道下切較強(qiáng)烈。

2.4 工程地質(zhì)條件

根據(jù)巖性的組合情況和工程地質(zhì)特征、地形、地貌、巖性、構(gòu)造等因素的組合關(guān)系，研究區(qū)巖土可劃分為兩個(gè)工程地質(zhì)巖組。(1)松散巖組，①第四系全新統(tǒng)沖洪積層，主要為細(xì)砂土，厚度大于5 m(鉆探及現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查)，結(jié)構(gòu)松散，承載力低。分布于黑河河床。②第四系中更新統(tǒng)冰水堆積層，主要由黃土狀土、角礫、圓礫組成，含少量碎石、塊石，厚度3.5～13.5 m(鉆探揭露)，結(jié)構(gòu)較松散，承載力較低。分布于整個(gè)研究區(qū)。(2)軟巖巖組，三疊系南營(yíng)兒群下巖組，主要為灰、綠色中細(xì)粒砂巖夾粉砂質(zhì)頁(yè)巖，厚層狀構(gòu)造，巖層產(chǎn)狀210°∠35°。強(qiáng)風(fēng)化砂巖天然抗壓強(qiáng)度0.7 MPa，承載力350 kPa；中風(fēng)化砂巖飽和抗壓強(qiáng)度20.2 MPa，承載力650 kPa。主要出露于陡坎、陡坡地帶。

2.5 水文地質(zhì)條件

工作區(qū)水文地質(zhì)特征較復(fù)雜，根據(jù)地下水的賦存條件、水理性質(zhì)及水動(dòng)力特征，將地下水劃分為碎屑巖類裂隙孔隙水和松散巖類孔隙水。(1)碎屑巖類裂隙孔隙水，含水層巖性主要為白堊系的砂巖、砂礫巖、礫巖，補(bǔ)給來(lái)源主要為山區(qū)地表水、基巖裂隙水的側(cè)向補(bǔ)給，下部為承壓水，但富水性較弱，單位涌水量一般在0.002 4～0.667 L/(s·m)之間，水質(zhì)復(fù)雜。(2)松散巖類孔隙潛水，含水組巖性為中更新統(tǒng)冰水堆積含碎石粉質(zhì)黏土層(Q2fgl)和全新統(tǒng)沖洪積砂卵礫石層(Q4al+pl)。中更新統(tǒng)冰水堆積含碎石粉質(zhì)黏土層(Q2fgl)和全新統(tǒng)沖洪積砂卵礫石層(Q4al+pl)的地層透水性強(qiáng)，基本被疏干，在溝谷切割低洼處泄處及在斜坡體前緣與階地的接觸處泄出，水量較豐富，主要接受大氣降水和冰雪融化水補(bǔ)給，含水層厚度一般為5～10 m，單泉流量小于1 L/s。

3 融凍泥流特征

3.1 發(fā)育特征

經(jīng)過(guò)野外勘查發(fā)現(xiàn)，融凍泥流區(qū)范圍清晰，各特征發(fā)育明顯。融凍泥流位于野牛溝鄉(xiāng)大龍村，地處祁連縣黑河流域油葫蘆段南岸，為堆積層蠕滑，地形整體上南高北低，坡底為黑河。區(qū)域后壁、側(cè)壁明顯，裂縫發(fā)育，滑體物質(zhì)主要有粉質(zhì)黏土、碎石、塊石、角礫等組成，成分混雜，排列無(wú)規(guī)律性，結(jié)構(gòu)松散，滑體物質(zhì)受凍融作用，土質(zhì)松散，塊碎石母巖成分為頁(yè)巖、砂巖。根據(jù)勘探鉆孔揭露的滑帶情況，將滑帶形態(tài)特征敘述如下：勘探鉆孔揭露滑帶基本清晰，總體滑帶傾向?yàn)槲髂舷?，傾角呈上陡下緩分布，傾角由后部12°～22°，至中部8°～12°，過(guò)渡到前部的4°～8°左右，滑帶形態(tài)總體呈弧形，局部略有起伏。根據(jù)勘探剖面，可以看出滑坡不同部位其滑帶形態(tài)和特征變化較大。從滑坡鉆孔揭露看，滑動(dòng)面較清晰，土體有擾動(dòng)擠壓跡象。另外，由于滑坡滑動(dòng)擠壓，擾動(dòng)下層基巖，使土中夾有零星片狀砂泥巖碎屑，略有擦痕。融凍泥流平面形態(tài)呈舌狀，剖面形態(tài)呈階梯狀，扇長(zhǎng)940 m，寬240 m，厚3.5～9.2 m，平均坡度20°，主滑方向6°，由于時(shí)間、地形、巖層等影響，融凍泥流斜坡主要形成4個(gè)區(qū)，分別為滑動(dòng)區(qū)、強(qiáng)變形區(qū)、弱變形區(qū)、堆積區(qū)。

圖1 融凍泥流全景

滑動(dòng)區(qū)縱向長(zhǎng)約400 m、橫向平均寬約120 m，滑體平均厚度約5.2 m，體積方量21.60×104m3?；嫫露绕骄?，約8°左右(圖2)，后緣形成多級(jí)平臺(tái)(圖3)，寬3～8 m不等，滑坡側(cè)壁跡象明顯(圖4)，滑體物質(zhì)受凍融作用，土質(zhì)松軟。

強(qiáng)變形區(qū)長(zhǎng)約300 m，寬約130 m，滑體平均厚度約5.0 m，體積方量19.5×104m3。滑面坡度平緩，約10°左右(圖5)，后緣受牽引，形成多條拉張裂縫(圖6)，裂縫深約0.5～1.5 m，長(zhǎng)約50～150 m，寬約0.1～0.5 m，將原始土體切割成大小不一的塊狀體?；w物質(zhì)受凍融作用，土質(zhì)松軟。

圖4 滑動(dòng)區(qū)側(cè)壁

圖5 強(qiáng)變形區(qū)剖面簡(jiǎn)圖

圖6 強(qiáng)變形區(qū)變形特征

弱變形區(qū)長(zhǎng)約460 m，寬約100 m，滑體平均厚度約3.0 m，體積方量9.2×104m3?；嫫露绕骄?，約10°左右，后緣受牽引，形成少量拉張裂縫(圖7)，裂縫深約0.5～1.0 m，長(zhǎng)約100～200 m，寬約0.2～0.6 m?；w物質(zhì)受冰凍溶蝕作用不明顯，無(wú)明顯擾動(dòng)跡象。

圖7 弱變形區(qū)

堆積區(qū)長(zhǎng)185 m，寬95 m，堆積厚度13 m，約16×104m3，物質(zhì)組成主要為塊石、碎石、粉質(zhì)黏土、角礫等，結(jié)構(gòu)松散，目前堆積區(qū)已擠占黑河河道約100 m(圖8、圖9)。

圖8 堆積區(qū)剖面簡(jiǎn)圖

圖9 堆積區(qū)俯視

3.2 穩(wěn)定性及危害程度

融凍泥流災(zāi)害體自2016年發(fā)生大規(guī)?；瑒?dòng)以來(lái)，近幾年未再次發(fā)生整體下滑，但常發(fā)生小規(guī)模的溜滑，特別是雨季，在暴雨的作用下，滑體因凍融形成的土塊易隨雨水沖向黑河，已擠占黑河河道約100 m。災(zāi)害體誘發(fā)的主要因素是極端氣象條件下的強(qiáng)降雨及凍融作用。在暴雨季節(jié)滑動(dòng)區(qū)有繼續(xù)變形跡象，且可能出現(xiàn)新的裂縫，有進(jìn)一步發(fā)生滑動(dòng)的可能。一旦再次產(chǎn)生滑動(dòng)，將牽引周邊產(chǎn)生次生地質(zhì)災(zāi)害，對(duì)生態(tài)環(huán)境破壞嚴(yán)重，對(duì)人民生命財(cái)產(chǎn)造成威脅。通過(guò)對(duì)滑帶附近的土樣進(jìn)行試驗(yàn)分析，受凍融作用影響，土體的黏聚力與內(nèi)摩擦角都非常小(表1)，常年的冰凍及融化已導(dǎo)致土體結(jié)構(gòu)遭受嚴(yán)重破壞，基巖的風(fēng)化砂質(zhì)成分與土體結(jié)合以及土體擾動(dòng)，使其本身的抗滑能力急劇減小，即使在較平緩的斜坡也會(huì)發(fā)生滑動(dòng)。

表1 滑帶土物理性質(zhì)分析試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

4 融凍泥流體形成機(jī)理分析

4.1 地質(zhì)環(huán)境背景

4.1.1 地形地貌

該融凍泥流產(chǎn)生于斜坡地帶，平均坡度20°，高差80～120 m，為滑動(dòng)形成提供了地形地貌條件；另外，坡體在黑河水流不斷側(cè)向侵蝕作用下，前部坡度變大，致使融凍泥流體前部的應(yīng)力產(chǎn)生分異，坡腳處最大主應(yīng)力顯著增高，致使斜坡前部多處發(fā)生滑塌，陡坎發(fā)育，致使整個(gè)斜坡在自身重力作用下沿著融凍層面向河谷方向位移，產(chǎn)生蠕動(dòng)。

4.1.2 地層巖性

坡體上部為土層，結(jié)構(gòu)松散，易于水的入滲，增加土體容重，重力加大，并且經(jīng)寒凍作用使土體中的水分凍結(jié)膨脹形成裂縫，又為水的進(jìn)入提供了有利條件，周而復(fù)始，受擾動(dòng)的土體就開(kāi)始蠕滑。下伏物質(zhì)為灰綠色砂巖，結(jié)構(gòu)較完整，節(jié)理裂隙不發(fā)育，為相對(duì)隔水層。因此，水體集中在淺層坡體中，坡體上部巖土體易沿著飽水層或軟弱夾層與下伏相對(duì)隔水層接觸面發(fā)生滑動(dòng)。

4.1.3 水文地質(zhì)條件

地下水是導(dǎo)致坡體產(chǎn)生變形的主要原因，暴雨季節(jié)，雨水入滲土體，加之融凍作用，不僅增大坡體靜水壓力，導(dǎo)致土體抗剪強(qiáng)度降低，而且增大了滑體的容重，降低了表層土體的抗滑力，最終導(dǎo)致坡體沿飽水層向下蠕動(dòng)變形。

4.1.4 凍融作用

祁連縣冬夏兩季和早晚溫差較大，斜坡后緣海拔較高(3 200 m)，冬季來(lái)臨時(shí)易產(chǎn)生凍土現(xiàn)象，凍脹時(shí)對(duì)下部坡體有擠壓加載作用，增加坡體的下滑力；夏季地溫上升后，凍土開(kāi)始解凍，隨著溫度的上升，地下冰融化，巖土體強(qiáng)度顯著降低，從而產(chǎn)生局部的變形破壞現(xiàn)象；地下水對(duì)下部土體產(chǎn)生滲透壓力，同時(shí)融化水向下運(yùn)動(dòng)，增加了坡體的含水量，提高地下水位，使部分土體飽和，從而降低整個(gè)坡體的抗滑力，使整體穩(wěn)定性下降。坡體后緣每年隨著氣溫的波動(dòng)發(fā)生周期性凍融現(xiàn)象，這種周期性反復(fù)堆載作用最終促使它向下流動(dòng)形成泥流。

4.1.5 人類工程活動(dòng)

研究區(qū)內(nèi)主要人類工程經(jīng)濟(jì)活動(dòng)為放牧及道路修建。道路修建時(shí)形成較多高陡臨空陡坎，人為造成了斜坡結(jié)構(gòu)破壞，為地質(zhì)災(zāi)害的形成和發(fā)展提供了條件，極易導(dǎo)致斜坡失穩(wěn)。另外，過(guò)度放牧，使工作區(qū)林草植被遭到嚴(yán)重破壞，水土流失現(xiàn)象嚴(yán)重，使得地質(zhì)環(huán)境日趨惡化。該類工程經(jīng)濟(jì)活動(dòng)對(duì)勘查區(qū)地質(zhì)環(huán)境條件破壞較大。綜上所述，工作區(qū)內(nèi)人類工程活動(dòng)對(duì)地質(zhì)環(huán)境的破壞影響程度屬較強(qiáng)烈。

4.2 發(fā)育形態(tài)特征

融凍泥流主要分布于凍土區(qū)，多發(fā)生在有一定匯水面積的溝谷地帶，坡面傾角一般較緩，緩坡上覆細(xì)粒土，細(xì)粒土下伏層為相對(duì)隔水的巖層或者永凍層，土體易形成飽水狀態(tài)，飽水土體在反復(fù)的凍融作用下結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞，抗剪強(qiáng)度下降，不足以抵抗重力作用，產(chǎn)生向斜坡下方滑動(dòng)的現(xiàn)象，當(dāng)其影響范圍內(nèi)存在威脅對(duì)象時(shí)，會(huì)有形成災(zāi)害的可能。土體各層含水量不同，其流速與流動(dòng)狀態(tài)不同，表層土體受融凍作用強(qiáng)于下層，其結(jié)構(gòu)破壞更強(qiáng)，相應(yīng)流速更快，流動(dòng)狀態(tài)多表現(xiàn)為泥流，下層流動(dòng)狀態(tài)多表現(xiàn)為塊體滑動(dòng)，故融凍泥流即有泥石流形態(tài)特征，又有滑坡形態(tài)特征。融凍泥流多在融季蠕滑，祁連縣的融季為6～9月，而其降雨也集中在6～9月，由冰凍期的暫時(shí)穩(wěn)定狀態(tài)到融凍季的蠕滑時(shí)常表現(xiàn)為一定的突發(fā)性，以粉質(zhì)黏土為主的細(xì)粒土夾帶著碎塊石滑動(dòng)，形成較平滑的泥流扇扇面，前緣形成堆積扇以及條帶狀鼓丘，規(guī)模較大的中后緣多發(fā)育拉張裂縫。

圖10 緩坡融凍泥流蠕滑區(qū)

圖11 融凍泥流中后部拉張裂縫

5 防治措施與建議

融凍泥流目前威脅兩戶居民、牧場(chǎng)、村道等，經(jīng)濟(jì)損失約55萬(wàn)元。土體一旦失穩(wěn)，可能牽引其周邊斜坡發(fā)生次生地質(zhì)災(zāi)害，造成生態(tài)環(huán)境的破壞，對(duì)人民生命財(cái)產(chǎn)造成威脅。建議采取讓兩戶人家搬遷避讓，再添加坡面整理、植草復(fù)綠作為生態(tài)修復(fù)，并進(jìn)行不定期監(jiān)測(cè)，在其兩側(cè)立警示牌。

6 結(jié)語(yǔ)

融凍泥流主要分布在凍土地區(qū)，是我國(guó)寒區(qū)特有的自然坡體失穩(wěn)發(fā)生破壞的現(xiàn)象，與人為擾動(dòng)沒(méi)有必然聯(lián)系，是不可控的自然災(zāi)害。主要受融凍作用、大氣降水、地形地貌、地層巖性等影響，其存在分層流速與流動(dòng)狀態(tài)不同的特點(diǎn)，具有滑坡與泥石流綜合的形態(tài)特征。融凍泥流不易治理，應(yīng)以搬遷避讓、綠化監(jiān)測(cè)為主，不宜上大量工程，治理效果不佳容易轉(zhuǎn)化為融凍泥流的物源，增加坡體荷載，形成更嚴(yán)重的災(zāi)害。