根据实地调查结果, 冻土灾害在雄巴乡场镇范围内普遍发育, 受灾范围主要集中分布在4个区域。

(1)雄巴乡易地扶贫搬迁安置点。区域位于场镇西南角, 面积约7 000 m²。钻孔资料显示, 出露地层以冲洪积物卵石土为主, 其上为厚约1 m的黏土层, 地下水水位深约1.2 m。部分房屋的室内地面于2019年5月出现下沉现象, 7月完成修缮后, 8月再次出现大面积下沉, 砖混结构的房屋主体有轻微裂缝, 院墙、暖廊和道路有较明显的裂缝, 每户院墙均存在开裂现象, 裂缝最大宽度10 mm。

(2)雄巴乡小学。区域整体地势北高南低, 面积约38 000 m²。出露地层以湖积物黏土层为主, 地下水水位深约1 m。小学大门两侧自2019年8月开始形成大面积积水滩, 导致围墙基础长期被水浸泡后向外倾斜, 存在严重的倒塌安全隐患。地势较低的路面从2019年开始出现冬季冻胀鼓包、夏天消融塌陷的现象。

(3)雄巴乡乡政府。区域出露地层以冲洪积物卵石土为主, 上部为少量黏土, 面积约19 600 m²。锅炉房的地面于2018年开始出水, 现结冰厚度约10 cm; 2005年修建的48套砖混结构周转房中有2间房屋在2019年2月至2020年2月期间陆续出现室内地面下沉塌陷、内墙轻微裂缝、暖廊裂缝等现象; 2012年修建的砖混结构周转房在2019年11月至2020年2月期间出现裂缝, 暖廊出现裂缝, 墙体向外侧倾斜; 框架结构的乡镇政权业务用房轻微裂缝, 外踏步内侧下沉, 局部受损; 乡院内公共厕所整体建筑下沉, 周围硬化路面鼓包、开裂。

(4)乡政府周边民房。区域位于雄巴乡易地扶贫搬迁安置点北侧约500 m, 面积约12 000 m²。出露地层以冲洪积物卵石土为主, 上部为少量黏土。砖木结构的房屋存在不同程度的墙体裂缝和外倾、地面下沉和空鼓、室内墙面返潮结冰、散水变形等现象。牧民自建房均存在不同程度的墙体裂缝、地面下沉和渗水问题。自2019年9月以来, 房屋陆续倒塌13间(其中2019年倒塌11间), 部分房屋还出现了承重墙严重开裂、房屋基础长期浸水导致脱落等问题, 存在房屋倒塌的重大安全隐患。

调查发现场镇内冻土灾害的破坏形式包括冻胀丘、融沉坑、冻融草丘、冻土裂缝、电线杆倾斜5种形式(图2)。其中冻胀丘一般呈丘状或盾状, 直径从数米至十余米不等, 高度为2~5 cm, 顶部发育“ X” 型裂缝。冻土裂缝包括地裂缝和房屋裂缝, 地裂缝主要分布在空地上, 以大致平行建筑物长方向的纵向裂缝为主, 横向裂缝较少, 并呈垂直方向切割纵向裂缝。纵向裂缝长1~25 m, 宽0.5~3.0 cm, 延伸方向为240° ~290° ; 横向裂缝延伸相对较短, 长0.5~3.0 m, 宽0.2~1.0 cm, 延伸方向为130° ~150° 。房屋裂缝受建筑物结构、基础结构及埋深、朝向等因素影响, 表现特征不一。房屋裂缝最早出现在2018年末, 长0.5~4.0 m, 宽0.1~3.0 cm, 在2020年3月有加剧的趋势, 部分裂缝已经贯穿成为结构性裂缝, 降低了墙体的承载力, 增加了建筑物的安全隐患。冻融草丘在场镇北东周缘的沼泽地带较为常见, 高度为20~30 cm, 底面直径为20~40 cm, 呈似瘤状或拱形, 在地面形成凹凸不平的地貌形态, 表面有少量盐霜覆盖。

图2

Fig.2

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	图2 雄巴乡场镇冻土灾害表现形式Fig.2 Forms of Permafrost disasters in Xiongba town

据调查显示, 雄巴乡场镇冻土灾害在2019年10月威胁户数155户, 人数674人, 威胁财产约3 000万元; 在2020年5月已造成452户1 180间房屋不同程度受损, 部分倒塌, 受威胁群众人数达677人, 造成的直接经济损失近4 500万元。

王绍令等^[11]将冻土区地下水划分为冻结层上水、冻结层间水和冻结层下水, 冻结层上水以上还存在包气带水。不同气候条件和冻土特征的地下水具有不同的补给、径流和排泄特征。季节融化层中的上层滞水和冻结层上水的状态受到温度的影响, 在温度稳定低于0 ℃时期, 这些地下水以固态存在, 在温度稳定高于0 ℃的季节, 这些固态水会参与水循环。冻结层下水与冻结层上水的分布基本一致, 多为承压水, 通过融区补给或排泄。调查发现雄巴乡场镇及周边地下水的补给、径流和排泻特征表现为: 补给的主要来源是大气降水, 其次是高寒山区的冰雪融化水。地下水运动与区内气象、水文条件关系密切, 同时受地质构造、地层、岩性、地形地貌及植被发育状况等条件的控制。雄巴乡场镇及周边的地下水一部分为地下水或地表水的径流, 受地形地貌和岩土体特征的影响, 径流深度较浅。在场镇内径流表现为3个方向, 分别为雄巴乡小学后山沿130° 方向径流、场镇南侧结克藏布沿45° 方向径流以及场镇东侧由色卡执向响曲沿330° 方向径流, 这部分地下水沿浅部或谷坡地带径流、运移, 其途径短、循环深度浅, 在含水层被淤泥阻挡切割后, 以下降泉形式排泄。另一部分地下水在补给下伏基岩裂隙水后, 通过断裂带运移, 径流途径长, 循环深度深, 以温泉形式排泄。总体上, 场镇内地下水以接受大气降水补给和河流下渗补给为主, 径流主要为潜水形式, 以蒸发、下降泉和温泉的形式排泄。

2.3.1 样品采集与测试

本研究在雄巴乡场镇内采集了土工试验样, 测试工作由四川省地矿局川西北地质队完成。测试项目包括含水率、湿密度、干密度等物理性指标, 测试结果见表1。根据土工试验样的分析结果以及野外调查发现, 场镇内以卵石土、粉土和黏土为主。

表1

Tab.1

表1(Tab.1)

表1 雄巴乡场镇土工试验样分析结果 Tab.1 Analysis results of geotechnical test samples in Xiongba town 物理性指标 TY01 TY02 总含水率/% 25.8 25.6 湿密度/(g· cm-3) 2.0 2.0 干密度/(g· cm-3) 1.6 1.6 天然重度/(kN· m-3) 20.0 20.0 干重度/(kN· m-3) 15.9 15.9 天然孔隙比 0.7 0.7 饱和度/% 100.0 100.0 液限/% 22.6 23.5 塑限/% 15.1 14.8 塑性指数 7.5 8.7 液性指数 1.4 1.2 土粒密度/(g· cm-3) 2.7 2.7

表1 雄巴乡场镇土工试验样分析结果 Tab.1 Analysis results of geotechnical test samples in Xiongba town

2.3.2

根据斯蒂芬公式^[12]计算冻土灾害的最大冻结深度, 公式为

H=2λT—tLγck(ω-ωu)。 (1)

式中: H为冻结深度, m;λ为冻土的导热系数, W/(m· ℃);T—为冻结季节平均地表温度, ℃;t为冻结季节持续时间, s;L为冻土的融化潜热, 取3.3×10⁵ J/kg;γ_ck为土壤的干重度, kg/m³;ω为土体的总含水率, %;ω_u为未冻水含水率, %。

本文在计算地表温度和冻结季节持续时间时选用中国气象局提供的西藏实测数据^[4], 公式为

T=33.99-0.002 5H-0.895N , (2)

t=0.058H+11.49N-506.52 。 (3)

式中: T为冻结期平均地表温度, ℃;t为冻结的持续时间, d;N为十进制表示的纬度, (°);H为海拔高度, m。

冻土的冻胀率是评价冻胀性的关键指标, 且随含水率的增大而增大, 随干密度的增大而减小^[13], 其与土体的含水率和干密度的关系^[14]为

η=1.09ρd2ρw(ω-ωp)≈0.8(ω-ωp)。 (4)

式中: η为冻土的冻胀率, %;ρ_d为干密度, g/cm³;ρ_w为水的密度, 取1 g/cm³;ω为总含水率, %;ω_P为塑限含水率, %。

也可以根据钻孔实测数据, 计算冻土的冻胀率^[14], 公式为

η=▽zh-▽z×100% 。 (5)

式中: η为冻土的冻胀率, %; ▽z为地表冻胀量, mm;h为冻层厚度, mm。

另外, 冻土的融沉系数也是评价融沉性的关键指标^[15], 公式为

δ_ο=h1-h2h1=e1-e21+e1×100% 。 (6)

式中: δ_ο为融沉系数;h₁和h₂为冻土试样融化前和融化后的高度, mm;e₁和e₂为冻土试样融化前和融化后的孔隙比。

根据土工试验样分析结果(表1), 按上述评判标准, 计算出场镇内粉土样的最大冻结深度为1.4 m; 冻涨率为6%~12%, 冻胀等级为Ⅳ 级, 属于强冻胀土^[14]。总含水率为25%, 融沉系数为3~10, 融沉等级为Ⅲ 级^[15], 属于富冰冻土^[14]。

由于雄巴乡场镇地处藏西北边缘, 人类工程活动原本相对较弱, 但近年来有逐渐增强的趋势, 表现为房屋建设、公路建设和城镇建设等工程不断增多。这些建筑物的结构多以土木结构、砖混结构等为主, 少量为钢混结构, 不同结构的房屋对地表的载荷量不同, 不均匀的载荷量会破坏冻土层上部土体结构的稳定性, 从而导致地表不均匀沉降。另一方面, 在人类工程活动中, 地基工程可能会扰乱地下水系统, 破坏土体之间的结构。在昼夜温差变化的情况下, 地基土体反复发生冻胀冻融后结构发生变化, 进而会诱发冻土灾害, 破坏人类工程建设, 带来生命财产损失。

冻土一般指温度低于0 ℃且含有冰的土^[14], 而季节性冻土是土体中冬胀夏融的冻结融化层。季节性冻土在气候变化的条件下, 会加剧土体的不均匀冻胀和融沉, 而不均匀冻胀和融沉会引起地表不均匀沉降, 从而破坏地表上的建筑物。可以看出, 冻土灾害的发生离不开气候变化以及水、土体和人类工程活动的影响^[16]。近年来, 由于全球气候变暖使降雨量增加、气温上升, 进而加剧了高寒地区的冻土灾害^[17]。

3.1.1 地貌因素

冻土区别于其他土壤类型的重要特征是土中含有数量不等的地下冰, 地下冰的形成和发展与地貌条件有较为密切的关系。张中琼等^[18]的研究表明地下冰一般发育在坡度小于10° 的山坡上, 其中: 4° ~8° 的坡度最有利于地下冰生长; 0° ~16° 的坡度上, 地下冰发育条件较差; 大于16° 的山坡上一般见不到厚层地下冰; 坡度大于25° 时, 一般只有裂隙冰存在。同时, 地下冰的形成也受土质条件影响, 粒径为0.002~0.050 mm的粉黏粒是分凝冰形成的最佳粒度范围。对于细粒土而言, 析冰能力粉质亚黏土> 亚黏土> 粉质亚砂土> 黏土> 亚砂土> 粉砂。对粗粒土来说, 如果小于0.05 mm粒径的含量大于15%, 在充分饱水条件下也可形成高含冰量的冻土。

3.1.2 气候因素

气温的变化通过对流、传导等方式传递到冻土中, 是冻土形成的必要条件。雄巴乡场镇的平均海拔高度为4 600 m, 年平均气温低于0 ℃, 最低气温-26 ℃, 昼夜温差大。据气象资料显示, 由于全球气候变暖, 雄巴乡场镇的年平均气温在1990— 2014年整体处于上升趋势(图3(a))^[4], 2016— 2019年的年平均降雨量相比之前明显增加(图3(b))。雄巴乡场镇气温升高、降雨量增加, 使区内地下水增加、潜水位上升, 昔日干枯的水塘重新积水, 并于2019年达到高位^[19]。

由阿里地区最大冻结深度与温度、降雨量的关系^[4]可以看出, 最大冻结深度与年平均气温(图3(c))、年平均降雨量(图3(d))均呈反比, 西藏地区年平均气温每升高1 ^oC, 最大冻结深度将减小约11.1 cm; 而年降水量每升高100 mm, 最大冻结深度将减小约12.3 cm。随着气温升高和年降雨量增加, 最大冻结深度将减小, 从而更容易引发冻土冻胀冻融灾害。由此可见, 全球气候变暖是冻土灾害发生的最主要诱发因素。

图3

Fig.3

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	图3 雄巴乡场镇1990— 2019年气候变化趋势[4]Fig.3 Climate change trend in Xiongba town from 1990 to 2019[4]

3.1.3 水文因素

冻土灾害的发生离不开地下水的影响。根据雄巴乡场镇内的水文地质条件判断, 地下水补给来源主要是大气降水, 其次是高寒山区的冰雪融水。另外, 地下水水位调查的结果显示, 场镇内地下水水位的海拔在4 586.5~4 591.5 m之间, 水位线距地表1~3 m, 且分布十分不均匀, 呈岛状起伏形态。受灾严重区域的地下水水位明显较浅且水位线海拔集中在4 588.5~4 591.5 m之间, 表明地下水水位埋深越浅, 冻土灾害越易发生。

3.1.4 土壤性质与人类活动因素

冻土的土质也是影响冻土形成的重要因素之一。大量的试验数据证实: 透水性差的粉土构成的地表土体最容易发生冻胀冻融, 其次是细砂构成的地表土体, 最难发生冻胀冻融的是砂砾土构成的地表土体^[17]。不同的土体具有不同的含水率特征, 而土体的融化和冻胀作用均与含水率呈正相关性^[13], 含水率越大越易形成冻胀和冻融灾害。雄巴乡场镇内的冻土属强冻胀土或富冰冻土, 含水率较高, 易形成冻土灾害。根据对受灾严重区域的观测, 大部分冻土灾害分布在湖积物的粉土、黏土层中, 少量分布在冲洪积物的粉土、卵石土层中。

人类工程活动也是影响冻土形成的因素之一。下垫面影响着冻土的吸热状况。人类活动对冻土的主要影响是改变了下垫面原有的特性。下垫面性质的改变影响着下伏冻土中的水热传输过程。人类在工程活动中铲除草皮, 挖填原有的土壤, 改变了地表形态, 特别是工程建设过程中土石方的开挖、地表植被的破坏、建筑材料的堆放, 都会改变下垫面的性质, 引起冻土的变化和灾害的发展。工程建设的人为扰动很难恢复。

通过观测受灾严重区域, 发现土木结构的房屋发生了严重的倒塌, 而砖混结构的房屋仅墙体出现裂缝或地面不均匀沉降, 表明人类工程建筑物的荷载越小, 受冻土灾害的影响越大。

综上所述, 雄巴乡场镇内冻土灾害的成因为近年来全球气候变暖使气温升高, 降雨量增大, 使上游结克藏布一带冰雪融化, 河流地表水及地下水径流的流量增加, 地表水及地下水径流在雄巴乡盆地聚集, 加之场镇内土体属强冻胀土与富冰冻土, 土体的含水率易富集升高; 由于雄巴乡盆地为东北向倾斜的不均匀盆地, 且盆地中第四系下伏为雄巴组火山岩, 具隔水特性, 地下水仅少量沿火山岩裂隙下渗, 大部分只能在上覆的第四纪沉积物中径流, 而粉土、黏土也会对地下水径流产生阻隔, 致使土体的含水率高, 含水率高的土体在高寒地区气温交替变化的条件下, 于人类工程活动处发生了冻土灾害。由此可见, 场镇内的土体、水和人类工程活动是冻土灾害的成因条件, 而全球气候变暖是冻土灾害的诱发因素。

判断冻土灾害的发展趋势必须考虑工程地质中的岩土体特征、水文地质中的地下水水位线特征以及人类工程活动特征。根据地质灾害风险调查评价^[18], 将雄巴乡场镇的岩土体类型指标、地下水水位指标、房屋结构指标纳入指标因子。

由于雄巴乡场镇内的年平均气温、年平均降雨量等气象指标基本一致, 因此, 本文确定以土壤类型、坡度、地下水埋深、房屋结构类型等作为评价要素, 采用信息模量法进行冻土灾害评价, 公式为

IXi=lnNi/NSi/S。 (7)

式中: X_i为评价因子X的第i个区间;I为评价因子X的第i个区间的信息量;N为雄巴乡场镇内冻土灾害观测点总数;S为调查区总面积, km²;N_i为分布在评价因子X_i内的冻土灾害观测点数量;S_i为X_i区间对应的面积, km²。

场镇内冻土灾害的影响因子总的信息量值由各因子的信息量叠加而成, 公式为

I总=∑i=1nIXi=∑i=1nlnNi/NSi/S。 (8)

式中: X_i为评价因子X的第i个区间;N为雄巴乡场镇内冰土灾害观测点总数;S为调查区总面积, km²;N_i为分布在评价因子X_i内的冻土灾害观测数量;S_i为X_i区间对应的面积, km²;n为评价因子总数, I_总为评价单元总信息量。

通过信息模量法公式, 计算出雄巴乡场镇冻土灾害各评价因子的信息量值, 各影响因子信息量见表2。

表2

Tab.2

表2(Tab.2)

表2 雄巴乡场镇影响冻土灾害各评价因子的信息量 Tab.2 Information scale of factors affecting permafrost diasters in Xiongba town 评价因子 观测点 数量/个 观测点 总数/个 面积/ km2 总面积/ km2 信息 量 工程地质特征 湖积粉土、黏土体 6 13 1.33 8.64 1.10 冲洪积物卵石土体 7 13 7.31 8.64 -0.45 房屋结构类型 土木结构 8 13 0.13 8.64 3.73 砖混结构 5 13 0.39 8.64 2.13 地下水埋深 0.0~0.5 m 4 13 3.22 8.64 -0.19 0.5~1.5 m 8 13 4.30 8.64 0.21 > 1.5 m 1 13 1.12 8.64 -0.52 坡度 0° ~10° 13 13 10.53 10.78 0.02 10° ~16° 0 13 0.23 10.78 -0.52 16° ~25° 0 13 0.01 10.78 -0.52 > 25° 0 13 0.01 10.78 -0.52 注: 观测点数量为0的评价因子, 其信息量取所有评价因子信息量中的最小值。

表2 雄巴乡场镇影响冻土灾害各评价因子的信息量 Tab.2 Information scale of factors affecting permafrost diasters in Xiongba town

将各评价因子的信息量按照坡度0.4、土体类型0.3、水位深度0.2以及建筑物结构0.1的权重进行叠加, 结合ARCmap栅格计算功能, 对场镇内冻土灾害的评价结果如图4所示。各因子信息量叠加综合值越高, 说明发生冻融灾害的风险性越高。本文将冻土灾害风险性分为4个等级。

图4

Fig.4

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	图4 雄巴乡场镇冻土灾害风险性分布(栅格5 m×5 m)Fig.4 Risk distribution of permafrost disasters in Xiongba town (Grid 5 m×5 m)

(1)稳定区。以雄巴组火山岩为主, 坡度在10° ~30° 之间, 地下水水位较深, 发生冻土灾害的可能性非常小。

(2)低风险区。以冲洪积物卵石土为主, 分布于场镇的西南侧, 地下水水位为1.0~1.5 m, 坡度为0° ~10° , 无人类工程活动, 发生灾害的可能性很小。

(3)中风险区。以冲洪积物卵石土为主, 地下水水位为0~1 m, 坡度为0° ~10° , 人类工程活动表现为砖混结构房屋, 发生冻土灾害的可能性中等。

(4)高风险区。以湖积物粉土为主, 地下水水位为0~1 m, 坡度为0° ~10° , 人类工程活动表现为房屋结构以土木结构为主, 发生冻土灾害的可能性非常大。

针对雄巴乡场镇内冻土灾害的风险等级和已遭受的危害, 采取必要的防治措施势在必行。根据场镇内冻土灾害的成因和风险性分析, 最大程度地阻隔地下水与场镇内土体的结合可以有效减弱冻土灾害的发生概率。水文地质条件显示, 造成冻土灾害的水体主要来自于结克藏布向场镇内的地下水径流, 局部地方由小学后山斜坡地下水向场镇径流。

根据雄巴乡场镇内冻土灾害的发育特征, 要从根本上解决灾害的发生需要阻断地下水和地表水的径流, 建议采取“ 导流+防洪+排水+工程建设” 的综合防治措施^[19]。首先在结克藏布中游修建导流堤, 将结克藏布导流汇入东侧的响曲; 其次在场镇以南650 m处的结克藏布下游左岸修建防洪堤, 阻挡汛期洪水对场镇的侵袭; 第三在雄巴乡场镇积水区施工排水渠, 将已有积水排至东侧响曲中; 第四是人类工程建设, 尽量采取抬高地基面、地基加深至最大冻结深度以下等措施^[20]。

以上防治措施竣工后, 将在一定程度上阻隔结克藏布向场镇内的地表水和地下水径流, 减缓雄巴乡场镇内地下水位升高的趋势, 从而减少冻土灾害带来的危害。