Remote sensing interpretation and risk prediction analysis of Benduo high deformation body in Tibet
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摘要: 以易贡藏布上游笨多高位变形体为例,结合野外地面调查、无人机综合摄影调查、光学遥感动态调查和数值模拟预判等方法,对笨多高位变形体的发育特征及其可能形成灾害链的危险性进行预测分析。研究结果认为:(1)笨多高位变形体位于断层内,岩体破碎、岩体结构面发育、强度较低。目前笨多高位变形体内强烈变形的小型崩塌体12处,裂隙64条。(2)根据InSAR解译结果发现笨多高位变形体共有两处变形区,其中BX1变形区域规模较大,且最大形变速率达到85 mm/a,一旦失稳下滑具有较高的堵江风险。(3)对变形体失稳后危险性预测分析可知,笨多高位变形体发生失稳后会堵塞易贡藏布,堆积体平均厚度为90 m,形成堰塞湖回水长度达25 km。坝体堵塞形成的回水区域对上游的忠玉村溃决后对下游村镇的威胁程度均较高。(4)根据堰塞体的风险特征,探讨了开挖泄洪洞排泄洪水的处理方案。Abstract: This article takes the Benduo high deformed body in the upper reaches of Yigong Zangbo as an example, combined with the methods of field ground survey, UAV integrated photographic survey, optical remote sensing dynamic investigation and numerical simulation prediction, the development characteristics and possibility of the Benduo high deformed body are analyzed. Predict and analyze the risk of forming a disaster chain. The results of the study are as follows: (1) The Benduo high-position deformable body is located in the fault, the rock mass is broken, the rock mass structural surface is developed, and the strength is low. At present, there are 12 small collapses and 64 cracks in the strong deformation of Benduo's high deformation body. (2) According to the interpretation results of InSAR, it is found that the Benduo high-position deformable body has two deformation areas. Among them, the BX1 deformation area is larger and the maximum deformation rate reaches 85 mm/a. Once it loses stability and slides, it has a higher risk of blocking the river. (3) Prediction and analysis of the risk of the deformed body after the instability shows that the Benduo high-level deformed body will block the Yigong Zangbu after the instability, the average thickness of the accumulation body is 90 m, and the backwater length of the dammed lake is 25 km. The backwater area formed by the blockage of the dam poses a higher threat to the downstream villages and towns after the failure of the upstream Zhongyu Village. (4) According to the risk characteristics of the dam body, the treatment plan for the excavation of the spillway tunnel is discussed.
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Keywords:
- geological disasters /
- Yigong Zangbu /
- remote sensing interpretation /
- DAN3D /
- risk analysis
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0. 引言
易贡藏布流域是我国高位地质灾害的高发区[1-3]。由于该流域构造运动活跃,地壳上升以及河流下切最为强烈,沿易贡藏布特大崩塌、滑坡、泥石流等地质灾害链频繁发生[4-5]。1900年扎木弄沟发生特大冰川泥石流,堆积体堵塞易贡藏布的河道,形成了易贡湖[6-7]。2000年4月9日扎木弄沟再次发生巨型山体坍塌滑坡,松散堆积体再次堵塞河道形成堰塞湖,堰塞湖溃决后洪水灾害形成的洪峰流量达到124 000 m3/s,冲毁了下游道路、桥梁、农田及沿岸村庄,形成了规模巨大的链式灾害[8-10]。自2000年以来,该流域每年发生滑坡泥石流多达10余次,这些超大规模的滑坡泥石流常堵塞易贡藏布,后溃决形成巨大的洪水,形成巨大的地质灾害链过程:崩滑—碎屑流—泥石流—堰塞坝—溃决洪水。
本文以忠玉乡笨多高位变形体为例,结合野外地面调查、无人机综合摄影调查、光学遥感动态调查和数值模拟预判等方法,对笨多高位地质灾害的成灾条件和发育特征,以及对其形成灾害链的风险进行定量化评估。笨多高位变形体位于易贡藏布上游雄右岸,距离嘉黎县忠玉乡8.2 km。随着笨多高位变形体的变形进一步加剧,其潜在的灾害链风险将对忠玉乡以及下游的生命和财产安全造成严重威胁。本文的研究可为流域性灾害链的防灾减灾提供一定依据。
1. 笨多高位变形体遥感分析
1.1 光学数据
在2020年对易贡藏布区域的笨多高位变形体进行无人机航空遥感数据采集。此次笨多崩塌多源光学遥感动态分析,收集了笨多崩塌天地图、Google地球、无人机正射影像、无人机倾斜摄影等多源遥感数据,数据分辨率分别为2.0 m、2.0 m、0.20 m、0.20 m。遥感数据主要用于:①笨多崩塌高位地质灾害精细化解译;②笨多崩塌高位地质灾害光学遥感特征分析(表1)。
表 1 笨多崩塌光学遥感数据一览表Table 1. Summary of optical remote sensing data of Benduo collapse序号 日期 数据来源 分辨率 1 2006-04-30 Google地球 2.0 m 2 — 天地图影像 2.0 m 3 2020-10-24 无人机航空正射影像 0.2 m 4 2020-10-24 无人机航空倾斜影像 0.2 m 1.2 变形体整体特征
笨多高位变形体位于西藏嘉黎县忠玉乡笨多易贡藏布上游雄曲河段右岸斜坡(图1)。其位于易贡藏布右岸第一斜坡带,后缘起于高程4700 m处的冰雪覆盖区,前缘直抵易贡藏布的河道,河面高程为3098 m,高差1611 m,两侧边界为两条沟道。崩塌变形区平面形态为一簸箕形,前缘直抵坡脚,崩塌堆积体挤压河道,河道轻微弯曲;后缘以坡顶山脊为界,变形区边界明显;上游和下游均以山脊负地形冲沟为界,冲沟切割深度较大。笨多崩塌前缘斜坡坡体崩滑变形迹象明显,左侧边界冲沟亦存在明显的崩塌变形迹象(图2)。
笨多高位变形体发育有两处强变形区域,分为位于3500~4000 m高程和4000~4600 m高程处。目前在3500~4000 m高程处的变形区已发生规模较小的崩滑-碎屑流,但坡脚处堆积体的体积尚不足以完全堵江,暂未形成堰塞湖-洪水灾害。高程在4000~4600 m的变形岩体规模较大,目前正处于蠕滑变形状态,一旦这些大规模不稳定岩体崩滑入江,将引起堰塞湖-洪水灾害链,导致上游、下游均存在被淹没的可能,该将对原本交通不便、经济欠发达的忠玉乡造成严重打击(图3)。崩塌变形体纵长约2645 m,平均宽度约972 m,变形区平面面积约250.44×104 m2,估算体积约为3806.69×104 m3,为一大型崩塌。
1.3 变形体分区特征
采用2020年无人机航测成果对崩塌进行精细解译,分析了笨多变形体的地质条件,解译结果显示笨多高位变形体共发育有强烈变形的节理裂隙64条,崩塌变形体12处。根据崩塌的变形特征,将变形体分布为Ⅰ区、Ⅱ区和Ⅲ区三个区域(图4)。
Ⅰ区主要分布在崩塌区右侧,平面面积约909603 m2,坡体发育1处崩塌体和23处节理裂隙,前缘发育有1处泥石流沟。其后缘为一崩塌危岩体,崩积物主要汇入崩塌前缘的边界冲沟内,崩塌壁呈半圆弧型,长度约为2069 m,目前该崩滑体处于基本稳定状态,但坡表节理裂隙极其发育,极易产生崩滑破坏。Ⅰ区前缘边界冲沟为1泥石流冲沟,沟口堆积扇呈不规则扇形堆积,扇长约220 m,扇宽约333 m,堆积扇面积约35415 m2,估算体积约为10.05×104 m3,泥石流沟道物源丰富,面积约58186 m2,估算体积约为13.68×104 m3。
Ⅱ区主要分布在崩塌区左侧,平面面积约1297192 m2,该区域后缘变形较强烈,共发育有7处小型崩塌体和28处节理裂隙。Ⅱ区左侧边界冲沟为1泥石流冲沟,沟口堆积扇呈不规则扇形堆积,扇长约60 m,扇宽约120 m,堆积扇面积约4770 m2,估算体积约为1.03×104 m3,泥石流沟道物源丰富,面积约31315 m2,估算体积约为10.18×104 m3。
Ⅲ区主要分布在崩塌区正前缘,其后缘为Ⅲ-1区,其与Ⅰ、Ⅱ区相邻,且该区域的变形体处于基本稳定状态,但坡表节理裂隙极其发育,极易产生小规模坡面流。Ⅲ-2区为一典型的高位崩滑-碎屑流区域,其崩滑体处于欠稳定状态,崩塌堆积物堆积于斜坡中部负地形沟道内,成为高位悬挂堆积物,严重威胁坡脚河道。Ⅲ-3区是Ⅲ-2区部分崩滑体的碎屑流堆积区,崩塌堆积体面积约为72639 m2,估算体积约为108.38×104 m3,目前崩塌堆积物堆积于斜坡坡脚,严重威胁坡脚公路、桥梁和河道。
1.4 岩体结构特征
笨多高位变形体所在区域属于冈底斯-腾冲地层区,主要为古-中生代沉积岩、冈底斯花岗岩体和第四系松散堆积。笨多高位变形体主要受嘉黎断裂带控制,嘉黎断裂带宽度可达1~2 km,延伸近百公里,属晩第四纪强烈活动断裂[11-12]。
另外,基于高分辨率的无人机航空倾斜摄影三维模型,对笨多崩塌后缘崩源区高位基岩裸露处的结构面进行识别。通过读取结构面的空间三维坐标(x,y,z),利用最小二乘法拟合结构面,在MATLAB软件中编程得到每处结构面的产状。笨多崩塌后缘滑源区受4组结构面控制,提取不同结构面的位置信息,从而获取了滑坡滑源区4组控制性结构面产状(图5),分别是:结构面1:311°~5°∠38°~55°、结构面2:100°~170°∠48°~70°、结构面3:32°~80°∠55°~80°、结构面4:200°~225°、结构面5:∠81°~87°(表2)。
表 2 控制性结构面产状统计表Table 2. Occurrence statistics of controlled structural planes/(°) 编号 走向 倾向 倾角 结构面1 115~175 205~265 45~52 结构面2 172~211 282~301 40~45 结构面3 120~145 30~55 72~86 结构面4 285~313 195~223 58~71 结构面5 190~210 100~120 71~81 笨多崩塌后缘受构造作用发育多组优势结构面,多种结构面的优势组合形成楔形体。崩塌后缘危岩体在自重应力、积雪融蚀、物理风化等作用下,向临空方向产生崩滑破坏,加之危岩体处于高位,崩落势能极大,对斜坡坡脚造成极大的威胁。
2. 笨多高位变形体变形分析
在地震、强降雨等极端条件下,笨多斜坡体的岩体极有可能变形加剧并发生大规模的失稳现象。为了定量化的研究其变形体的发育特征,本研究使用InSAR解译得到了其2014年11月至2020年5月的雷达视线向(LOS)年均地表形变速率。根据变形速率将其分为两处变形区,分别命名为BX1与BX2。其中BX1变形区域范围较大,且最大形变区域位于BX1上部,即滑坡顶部后缘地区,其最大形变速率达到−85 mm/a,该区域发生大规模失稳的风险较高。BX2形变区域即为目前已发生小规模坡面流的区域,产生大规模灾害的风险相对较低。
为进一步分析笨多崩塌形变随时间演化趋势,分别在BX1和BX2变形区选取两个监测点得到了其累积形变量,所提取点位置如图6所示。由图7可以看出该滑坡两处变形区自2014年11月均已基本处于匀速变形过程中,其中BX1和BX2两处变形区最大累积形变量分别达到了−441 mm和−303 mm,形变量级均较大。
3. 笨多高位变形体危险性分析
根据对InSAR解译结果的分析可知,BX1变形区为可能发生大规模失稳的区域。为了定量化评估其失稳后的风险,本研究选取BX1变形区的岩体为滑体,采用无网格光滑粒子流方法,国际通用DAN-3D数值模拟软件,预测模拟了其失稳后的运动堆积全过程,同时对其堵江溃决后形成灾害链的全过程进行了预测。测得BX1变形体的面积约为61×104 m2,预测变形体的平均厚度为50 m,计算出变形体的体积约为3050×104 m3。本研究选取的计算模型和参数均参考2000年发生于易贡藏布下游扎木弄沟滑坡反演计算的参数[13]。
3.1 笨多滑坡动力学过程
滑坡的运动堆积过程如图8、表3所示,图中已用红色线圈定真实滑坡范围,滑坡的初始体积为3050×104 m3。根据模拟结果可知,滑坡运动持续时间为250 s,笨多滑坡最大运动距离达2200 m。在运动初始阶段,岩体高位启动,失稳下滑,经过势动能转换,速度不断增加。在部分滑体运动到沟谷中后,滑体的整体运动速度开始下降,并且有部分滑体残留在斜坡上,但大部分滑体已堆积到易贡藏布沟谷内。当滑坡停止运动时,堆积厚度最大的地方位于河谷中,形成堰塞坝,坝体最大高度约为115 m,平均高度约为90 m,坝体宽度为230 m,纵长850 m,面积约为0.21 km2。
表 3 模拟结果统计表Table 3. Statistics of simulation results名称 模拟时间/s 最大速度/(m·s−1) 最大流量/(m2·s−1) 铲刮深度/m 数值 250 93 1100 1.5 坝体
横宽/m坝体平面
面积/km2坝体最大
高度/m坝体平均
高度/m230 0.21 115 90 3.2 笨多滑坡发生堵江溃坝洪水流量计算
根据滑坡动力学数值模拟结果,得到笨多高位岩崩碎屑流下滑后堰塞坝体最大堆积厚度约为115 m,平均厚度约为90 m。笨多高位岩崩碎屑流形成滑坡坝的坝体呈上宽下窄的梯形,可知滑坡坝的坝顶宽度为450 m,坝底和坝顶的高程分别为3113 m和3203 m。基于卫星图像和遥感技术计算出回水区域可向上游延伸25 km,并且将淹没忠玉村,可预测出堰塞湖的库容量约为9×108 m3。
本文基于溃坝水力学、土力学和边坡稳定分析,计算溃口洪水大小,结合二维洪水演进算法和调洪计算,分析溃坝后洪水演进过程以及向下游洪水演进得出沿程各处的流量、波前和洪峰到达时间等[14-15]。根据DAN-3D计算得到的堰塞体和堰塞湖等相关参数,预测笨多滑坡失稳堵江后的洪水演进过程。模型计算参数取值如表4所示。
表 4 笨多高位变形体堵江溃决模型参数Table 4. Model parameters of Benduo high-level landslide blocking the river and breaking the river模型参数 坝前河面
平均宽度/m坝前上游
水深/ m堰塞湖最大
库容量/m3取值 450 90 9000000000 洪峰流量时的
溃口宽度/m坝后下游水深/m 坝前上游补给
流量/(m3·s−1)100 5 600 洪水演进的流量随时间变化如图9所示,滑坡坝址处洪峰流量为79294 m3/s,出现洪峰流量的历时为50 min,约16 h后堰塞体的洪水几乎消散干净,流量恢复到堵江前的水平。根据坝址上游600 m3/s的径流量,预测高位岩崩发生堵江后约17天后坝体开始溃决。洪水演进计算出下游八盖乡处的洪峰流量为71034 m3/s,水位最大上升高度约为54 m;易贡乡处的洪峰流量为56036 m3/s,水位最大上升高度约为41 m,洪水对易贡乡的居民和易贡茶场的威胁较大,将淹没部分茶场所在区域;通麦的洪峰流量为51504 m3/s,水位最大上升高度37 m,沿岸的公路和通麦大桥将受到威胁。
根据预测结果可知,笨多高位岩崩碎屑流会堆积到沟谷底部并堵塞易贡藏布,平均堆积厚度为90 m,堰塞湖回水长度达25 km,堵江时间约为17天。坝体堵塞形成的回水区域对上游的忠玉村以及溃决后对下游易贡乡和易贡茶场的威胁程度均较高。
4. 笨多高位变形体风险防范对策初探
根据上述危险性预测内容可知,当形成滑坡并堵塞易贡藏布后,对上游的忠玉村以及下游易贡乡和易贡茶场的威胁程度均较高。为防治笨多滑坡发生后产生的堵江溃坝等一系列灾害链,从该区域的实际情况出发,对河道所处的位置提出预设修建泄洪排洪隧洞工程治理建议。即当主河道被滑坡堆积体阻塞时,利用泄洪隧洞排泄洪水,以达到防灾减灾的目的。泄洪洞的位置和断面尺寸是笨多区域治理工程的关键问题。其中泄洪洞的位置如图10所示,因此本文详细探讨了泄洪洞的断面尺寸。
根据表5可知易贡藏布7月份的径流量最高为1180 m3/s,即当发生堵江事件时,上游的最大补给量为1180 m3/s。如果泄洪洞的流量可超过最大补给量,即可满足水位不再上升的要求。设计一个水平放置的泄洪洞,要求泻流洞的最大流量超过1200 m3/s即可,泄洪洞的高程和截面积为所需要求解的参数,坝前的水位高程是所需要的变量,也是对泄洪洞流量影响最大的参数。目前不考虑坝前的流速水头以及泄洪洞的粗糙度等因素。分别计算了单孔泄洪洞和双孔泄洪洞在堰上水头为20 m、30 m、40 m时的泄流能力和泄流洞的尺寸。
表 5 易贡藏布各月份平均流量Table 5. Average monthly flow of Yigong Zangbo月份 1 2 3 4 5 6 平均流速/(m3·s−1) 68.9 55.1 59.7 91.8 266.3 775.9 月份 7 8 9 10 11 12 平均流速/(m3·s−1) 1180 918.2 670.3 284.6 133.1 87.2 设计思路:
(1)设计一个水平放置的泄洪洞:要求泻流洞的最大流量超过1200 m3/s。
(2)需要考虑的因素:泄洪洞高程(可容许水位高度、水头);坝前水的流速(速度水头);泄洪洞倾斜度;泄洪洞截面积。
(3)已知河床高程为3113 m,设计平洞洞底施工高程为3120 m。
(4)将容许水位高程分为三种工况:3140 m、3150 m、3160 m。
(5)为了考虑施工的可行性,设计两套施工方案,分别为单孔和双孔泄洪洞。
基本计算公式如下:
式中:m—泄洪洞自由出流的流量系数,它反映泄洪 洞相对大小对泄流量的影响;
—淹没系数,自由出流时通常取 =1,即h< 0.75 h0;e—泄洪洞开启高度;
n—泄洪洞孔数;
B—泄洪洞净宽;
H—堰上水头(本文忽略流速水头)。
从表中计算结果来看(表6、表7),容许水位高程越高,泄流洞所需的尺寸越小,同时对堰塞湖区和下游的威胁越高。对比方案一和方案二,方案二的双孔泄洪洞在施工和实际操作过程中相对更容易。具体施工投资以及结合实际的方案选取尚未计算。
表 6 单孔泄洪洞计算结果(方案一)Table 6. Calculation results of single-hole spillway tunnel (Scheme 1)水位高程/m 高度/m 宽度/m 最大泄流量/(m3·s−1) 洪峰流量/(m3·s−1) 3130 10 20 1218 2735 3140 8 15 1258.3 4439 3150 8 12 1287.5 9161 3160 8 10 1265.2 15058 表 7 双孔泄洪洞计算结果(方案二)Table 7. Calculation results of double-hole spillway tunnel (Scheme 2)水位高程/m 高度/m 宽度/m 最大泄流量/(m3·s−1) 洪峰流量/(m3·s−1) 3130 8 12 1234.5 2735 3140 6 10 1300 4439 3150 6 8 1314 9161 3160 5.5 7 1241 15058 通过修建泄洪洞,可以基本避免或削减再发生类似于2000年扎木弄沟堰塞湖溃决而引起的洪水灾害及次生灾害,保护下游居民人身安全以及公路、桥梁等基础设施安全。可有效降低对易贡藏布下游河段乃至帕隆藏布、雅鲁藏布江下游区域的威胁。
5. 结论
(1)由于共有五条断层穿过笨多高位变形体,导致其岩体结构面发育、强度较低。笨多高位变形体区域内共发育有小型崩塌变形体12处,节理裂隙64条,泥石流2条。
(2)笨多高位变形体目前共有两处变形区,其中BX2变形区目前正发生小规模的坡面溜滑,且距河面落差较小,不足以形成堵江灾害;BX1变形区的变形体体积约为3050×104 m3,且最大形变速率达到−85 mm/a,一旦失稳下滑具有较高的堵江风险。
(3)根据灾害链全过程的预测结果可知,笨多高位变形体发生失稳后会堵塞易贡藏布,堆积体平均厚度为90 m,形成堰塞湖回水长度达25 km。坝体堵塞形成的回水区域对上游的忠玉村以及溃决后对下游易贡乡和易贡茶场的威胁程度均较高。
(4)本文探讨了开挖泄洪洞排泄洪水的处理方案,从预测的淹没水位、滑坡体壅高湖水位对下游的影响、泄洪洞断面尺寸的选择等方面进行了分析,科学合理地确定了泄洪洞规模。
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表 1 笨多崩塌光学遥感数据一览表
Table 1 Summary of optical remote sensing data of Benduo collapse
序号 日期 数据来源 分辨率 1 2006-04-30 Google地球 2.0 m 2 — 天地图影像 2.0 m 3 2020-10-24 无人机航空正射影像 0.2 m 4 2020-10-24 无人机航空倾斜影像 0.2 m 表 2 控制性结构面产状统计表
Table 2 Occurrence statistics of controlled structural planes
/(°) 编号 走向 倾向 倾角 结构面1 115~175 205~265 45~52 结构面2 172~211 282~301 40~45 结构面3 120~145 30~55 72~86 结构面4 285~313 195~223 58~71 结构面5 190~210 100~120 71~81 表 3 模拟结果统计表
Table 3 Statistics of simulation results
名称 模拟时间/s 最大速度/(m·s−1) 最大流量/(m2·s−1) 铲刮深度/m 数值 250 93 1100 1.5 坝体
横宽/m坝体平面
面积/km2坝体最大
高度/m坝体平均
高度/m230 0.21 115 90 表 4 笨多高位变形体堵江溃决模型参数
Table 4 Model parameters of Benduo high-level landslide blocking the river and breaking the river
模型参数 坝前河面
平均宽度/m坝前上游
水深/ m堰塞湖最大
库容量/m3取值 450 90 9000000000 洪峰流量时的
溃口宽度/m坝后下游水深/m 坝前上游补给
流量/(m3·s−1)100 5 600 表 5 易贡藏布各月份平均流量
Table 5 Average monthly flow of Yigong Zangbo
月份 1 2 3 4 5 6 平均流速/(m3·s−1) 68.9 55.1 59.7 91.8 266.3 775.9 月份 7 8 9 10 11 12 平均流速/(m3·s−1) 1180 918.2 670.3 284.6 133.1 87.2 表 6 单孔泄洪洞计算结果(方案一)
Table 6 Calculation results of single-hole spillway tunnel (Scheme 1)
水位高程/m 高度/m 宽度/m 最大泄流量/(m3·s−1) 洪峰流量/(m3·s−1) 3130 10 20 1218 2735 3140 8 15 1258.3 4439 3150 8 12 1287.5 9161 3160 8 10 1265.2 15058 表 7 双孔泄洪洞计算结果(方案二)
Table 7 Calculation results of double-hole spillway tunnel (Scheme 2)
水位高程/m 高度/m 宽度/m 最大泄流量/(m3·s−1) 洪峰流量/(m3·s−1) 3130 8 12 1234.5 2735 3140 6 10 1300 4439 3150 6 8 1314 9161 3160 5.5 7 1241 15058 -
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