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原文传递川藏铁路鲁朗通麦段堰塞坝的地貌演化及灾害预测分析

论文题名：	川藏铁路鲁朗通麦段堰塞坝的地貌演化及灾害预测分析
关键词：	铁路工程;滑坡预测;堰塞坝;地貌特征
摘要：	新建川藏铁路是国家实施西部大开发战略的一个重要举措，将极大推动川藏地区经济发展，然而复杂的环境致使川藏铁路成为迄今为止全球最具挑战性的线路工程，全线将穿越七江八山和十余条活动断裂，以致铁路沿线地质安全问题极为突出。川藏铁路林芝通麦段穿越东喜马拉雅构造结北侧，受区域地壳隆升、地震活动、气候变化影响，河流两岸的重力式地质灾害频发，经常堵塞河流形成堰塞坝。本世纪初发生的易贡滑坡形成堰塞坝，坝体溃决导致沿雅鲁藏布江下游中印境内数百公里居民受灾，经济损失达数千亿元。因此，潜在滑坡堵江形成堰塞坝的研究成为区域线路比选、隧道进出口位置、跨江大桥和车站营地安全等方面的重要研究课题。早期堰塞坝的识别、成因机制、动力过程和参数分析的研究将为潜在滑坡堵江的预防、风险评估和综合治理提供参考意义，而且长期存在的大型堰塞坝还对河流地貌产生深远影响。　　为达上述研究目的，本研究选取川藏铁路鲁朗至通麦段流域内的堰塞坝为研究对象，通过现场详实的地质调查和室内数值模拟实验，开展以下方面的工作。首先，结合现场地质调查和遥感解译，对研究区内堰塞坝的地貌特征、物质特征和分布类型进行识别，并对其时空影响规律进行总结。其次，鉴于河流地貌往往记录着大型堰塞坝对区域的重要影响作用，考虑以河流动力侵蚀理论为基础，分别从参考凹度选择、河流裂点识别、河道古剖面重建和裂点演化方面分析区域堰塞坝的影响。接着，基于离散元软件PFC3D对古滑坡的反演，分析滑坡过程的参数特性和动力学特征。最后，以川藏铁路通麦车站对岸的滑坡堵江预测为背景，对潜在堆积体的特征识别、变形分析和堵江规模预测开展研究。主要研究成果如下：　　（1）根据地形地貌、堰塞坝残余物质特征、湖相沉积物特征、河流阶地等方面的分析，判断研究区三个大型堆积体的特征：角不弄滑坡和德伦滑坡都成形成堰塞坝堵江，并基于ArcGIS估算两者堰塞湖范围分别为7.12km2和3.56km2；但白木堆积残体并未能长时间堵江，而是造成了河流改道。总共解译区域内27个堰塞坝，对于堰塞坝的形成机制归结为四个主要类型，其中以大型滑坡堵江形成的堰塞坝时空影响范围最广。　　（2）通过坡度面积分析法和积分分析法，利用Matlab识别了拉月河流域共计52个裂点，结果表明流域内裂点多数分布在3km高程以上，并且在4km的附近集中分布，由此区分了具有同源性和移动性的4k裂点群与固定在空间位置的堰塞型两种不同裂点。利用归一化陡峭指数区分了裂点上下游的遗留河段和现代河段，发现堰塞坝的分布位置响应于陡峭指数的突变，角不弄滑坡和德伦滑坡都对应这种突变，突变量超过200，而白木堆积体的突变量明显小于这一值，认为其未能长时间堵塞河流，这一认识也符合现场调查情况。　　（3）以鲁朗河为例重建河流古剖面，结果表明两种分析方法的差异仅为4.6%。由15条河道古剖面重建过程量化了拉月河流域的河流切割历史，估算区域河流侵蚀量和古地形起伏度，结果表明拉月河流域经历了大约1500m的净隆升量（下切侵蚀量），导致流域内的起伏度增量为35.3%~214.3%，平均增加量为104%。　　（4）明显的堰塞型裂点表明堰塞坝对河流地貌的演化起到控制性作用。测年数据和时间体积替代法确定了拉月河流域的4k裂点群侵蚀起始时间约为1~6Ma前。应用侵蚀速度（celerity）模型还原拉月河流域4k裂点群溯源迁移的过程，并估算裂点的迁移平均速率为10.8~51.7km/Ma。基于上述研究推断角不弄裂点为堰塞型裂点，提出在较短的地质时间范围内（＜10ka），堰塞坝事件将对河流剖面产生类似于气候和构造作用所驱动的明显影响。　　（5）利用离散元软件模拟角不弄滑坡形成堰塞坝的动力过程，滑坡物质在滑动45s达到平均速度的峰值为51m/s。堆积物整体在100s左右基本趋于稳定，形成最大高度为250m，沿河长度为5.4km的堰塞坝。　　（6）数值反演过程中参数敏感性分析为滑坡预测提供指导。直剪试验的参数标定结果显示平行粘结模型的抗拉强度均值、内聚力均值与冰碛物抗剪强度呈正相关；而有效模量则呈先增大后减小并趋于稳定；法向和切向刚度比在1~2之间结果最为合理；且微观参数之间相互影响。通过滑坡峰值速度和地貌参数对比，墙体、球体摩擦系数对滑坡形态存在一定影响，但前者比后者变化区间更小，而接触强度对滑坡形态控制最为明显，高强度的接触可以使得滑坡物质难以破碎，极大降低的峰值速度。　　（7）实地调查结果显示通麦堆积体存在于帕隆藏布江左岸1.6km范围内，主要物质为冰碛物，可能形成于末次冰期之后，并在形成过程中破坏或掩埋了下方的三级河流阶地。通过TCP-InSAR技术分析了通麦堆积体所在的区域临时变形速率达到200mm/yr，三年平均变形速率为53.99mm/yr；根据变形分析结果，选取滑动厚度为变量对通麦堆积体潜在滑动区进行不同规模的堵江预测，利用SFLOW和PFC3D两种方法进行数值模拟结果的对比。结果表明，临界滑动厚度以下的堵江预测会形成堰塞坝的最大厚度为95m~145m，虽未对通麦车站造成直接影响，但难免波及影响；在极端情况下，通麦堆积体将形成152m高的堰塞坝，将对通麦车站造成直接影响。最后，结合对古滑坡的研究，提出了一条通麦堆积体可能存在的演化序列。
作者：	李志海
专业：	土木工程
导师：	王清
授予学位：	博士
授予学位单位：	吉林大学
学位年度：	2022