冰磧湖潰決的冰滑坡力學(xué)機制與危險性評價★

彭程輝 王常明 王鋼城

0 引言

冰湖是一種在常年積雪的冰川上發(fā)育的蓄水湖泊。近年來，隨著全球性氣候變暖加劇[1]，冰川融化速度加快，冰湖的數(shù)量和面積都有增大的趨勢。發(fā)生潰決災(zāi)害的冰湖類型主要為兩種:冰川阻塞湖和冰磧阻塞湖(冰磧湖)[2]。據(jù)統(tǒng)計，喜馬拉雅山地區(qū)近50年來至少發(fā)生過20余次較大的冰湖潰決災(zāi)害[3]。發(fā)生災(zāi)害的冰湖類型中，冰磧湖幾乎占了全部。以下為了方便，將冰磧湖簡稱為冰湖。冰湖潰決的機制一般分成兩類:1)終磧壟內(nèi)部埋藏的冰核融化引起終磧堤管涌破壞;2)冰川崩塌或者滑坡導(dǎo)致湖水位上漲并引起涌浪，造成終磧堤溢流型潰決[4]。這兩種機制中，后者發(fā)生的次數(shù)多、災(zāi)害大，是研究的重點。對于冰湖潰決機制的研究，很多學(xué)者[4-8]從氣候條件、水文條件和數(shù)值模擬等做了大量的研究，但是冰川滑坡的研究相對較少。劉晶晶[5]分析了冰舌的穩(wěn)定性，但是沒有考慮冰川融水和后緣冰川對冰舌穩(wěn)定性的影響。本文重點研究了冰川滑動的力學(xué)條件，并采用潰決危險性指數(shù) Idl[9]判斷冰湖穩(wěn)定性。

1 冰川滑坡的力學(xué)分析

由于長期的風(fēng)化作用和應(yīng)力釋放，冰川前緣拉張裂縫密集發(fā)育。裂縫上部寬度可達0.5 m，下部寬度小于0.2 m，深入冰川內(nèi)部數(shù)米至十余米[10]，使冰川被切割成不連續(xù)的塊體。冰川前緣厚度較薄，容易發(fā)生滑動和崩塌，冰崩體可達數(shù)百萬立方米，相當(dāng)于冰湖蓄水容積的1/4～1/2[3]。下面對冰川前緣進行力學(xué)分析。

1.1 冰川前緣滑動力學(xué)模型

冰川與下覆基巖層的接觸面為滑動面，平面滑動。冰川前緣劃分為若干個相鄰的冰體來研究，文中取單位厚度的冰川進行研究。沿冰川潛在滑動方向?qū)Ρw編號，各冰體對應(yīng)的長度為li(i為冰體編號)，冰川總長度為L;冰川厚度為h;冰川坡角為θ。冰川前緣滑動力學(xué)模型如圖1所示。

圖1 冰川前緣滑動力學(xué)模型圖

1.2 冰體1受力穩(wěn)定性分析

冰體1位于模型的最上緣，裂縫發(fā)育密集，裂縫寬度較大，延伸到冰川深部，將冰體1與其上緣冰川分割開。冰體1受力條件如圖2所示。冰體1受力情況如下:自身重力G，基巖支持力N和抗滑力τl1。由于冰川融水沿著裂縫通道滲入到冰川內(nèi)部，對冰川滑動有一定的潤滑作用，因此需要對抗剪強度τ進行折減。設(shè)折減系數(shù)為m且0＜m＜1，則抗剪強度τ為:

其中，l1為冰體1的長度，m;θ為冰川的坡度，(°);c為內(nèi)聚力，kPa;φ 為內(nèi)摩擦角，(°)。下滑力 T滑=Gsinθ，抗滑力 T抗= τl1。冰體1穩(wěn)定平衡條件為:

將式(1)代入式(2)中，冰體1臨界平衡條件為Gsinθ=τl1即ρghl1sinθ=m(c+ ρghl1cosθ/l1tanφ)l1。其中，ρ為冰川的密度，kg/m3，得臨界冰川厚度h2:

圖2 冰體1受力示意圖

1.3 冰舌受力穩(wěn)定性分析

由于冰體不連續(xù)，不考慮下鄰冰體的作用，則冰體2～n受力條件相同，因此僅對冰舌進行穩(wěn)定性分析。冰舌受力條件如圖3所示。抗滑力 T抗= τln，下滑力 T滑=Pn－1+Gsinθ。其中，Pn－1為冰體n－1在冰舌上的作用力，分兩種情況討論:1)Pn－1=0時，冰體n－1穩(wěn)定，冰舌不受上部冰體的作用力;2)Pn－1＞0時，冰體n－1滑動，對冰舌有向下的推動力。此時臨界冰川厚度hn為:

由式(4)可見，當(dāng) Pn－1=0 時，冰川厚度和式(3)相同;當(dāng) Pn－1＞0時，臨界冰川厚度減小。

最不利的情況下，冰舌上緣整體滑動，此時下滑力T滑=(G1+G2+…+Gn)sinθ=ρghLsinθ，抗滑力不變。此時臨界冰川厚度hn'為:

計算結(jié)果hn'＜hn＜h1，說明冰川后緣滑動，需要較大的厚度，才能克服抗剪強度;在冰舌部位，冰川厚度小，容易發(fā)生滑動。

2 冰湖潰決危險性評價

2.1 臨界冰川厚度計算

取臨界冰川厚度最大值h1作為冰川滑動的判別依據(jù)。當(dāng)冰湖后緣冰川平均厚度大于h1時，冰川發(fā)生滑動。為了方便計算，對式(3)進行簡化:取折減系數(shù)m=1，冰川與基巖接觸面上的內(nèi)聚力 c=100 kPa[11]，內(nèi)摩擦角 φ =0°。則式(3)化簡為:

其中，ρ為冰川密度，取900 kg/m3;g為重力加速度，取10 m/s2。阿亞錯等五個冰湖野外調(diào)查統(tǒng)計資料如表1所示。

圖3 冰舌受力示意圖

表1 冰湖野外調(diào)查統(tǒng)計資料

2.2 冰湖潰決危險性指數(shù)計算

冰湖潰決危險性指數(shù)Idl，即危險冰川的體積與冰湖蓄水體積比值的倒數(shù)1/R[9]，R值越大冰湖潰決的可能性越小[12]。研究區(qū)冰川類型屬于亞大陸型冰川[13]，因此危險冰川的平均厚度H計算公式如下[14]:

其中，H為危險冰川平均厚度，m;F為危險冰川面積，km2。冰湖潰決危險性指數(shù)計算結(jié)果如表2所示。

表2 冰湖潰決危險性指數(shù)計算結(jié)果

2.3 冰湖潰決危險性分析

阿亞錯危險冰川平均厚度39.2 m遠小于臨界冰川厚度68 m，冰川較穩(wěn)定，不會發(fā)生滑動。桑旺錯危險冰川平均厚度71.8 m和臨界冰川厚度73.5 m，兩者相差很小，冰川滑動的可能性大。野外調(diào)查得知，該冰湖曾于1954年潰決過一次，終磧壟厚度超過600 m，且湖水位與下游河道沒有集中落差，因此冰湖的穩(wěn)定性較好。郭洛錯危險冰川平均厚度57 m遠大于臨界冰川厚度27.8 m，冰川容易發(fā)生滑動，冰湖不安全。郭洛強錯臨界冰川厚度37 m小于危險冰川平均厚度58.7 m，冰川可能發(fā)生滑動。印達普錯臨界冰川厚度74 m大于危險冰川平均厚度49.9 m，因此冰川不大可能發(fā)生滑動。潰決危險性指數(shù)0.26較小，說明冰湖穩(wěn)定，發(fā)生潰決可能性小。但現(xiàn)場調(diào)查顯示，終磧堤容易產(chǎn)生滲透變形破壞，引起冰湖潰決。

最終評價結(jié)果:阿亞錯和桑旺錯穩(wěn)定性較高，發(fā)生潰決的可能性較小;郭洛錯和郭洛強錯穩(wěn)定性較低，發(fā)生潰決的可能性較大;印達普錯穩(wěn)定性低，潰決可能性大。

3 結(jié)論和建議

冰湖地處高原地區(qū)，不可能做到實時監(jiān)測，而冰湖潰決造成的災(zāi)害往往是難以估量的，因此對冰湖潰決的危險性評價顯得尤為重要。通過文中研究得到了以下結(jié)論:1)冰川滑動的部位主要集中在冰川前緣，前緣裂縫發(fā)育。2)臨界冰川厚度可以作為冰川滑動的判別依據(jù)，對冰川的穩(wěn)定性進行定量分析。3)危險性指數(shù)適用于冰川滑坡引起的冰湖潰決危險性評價，而對于因終磧堤滲透變形破壞引起的冰湖潰決評價結(jié)果不甚理想。4)危險冰川的范圍界定是未來研究的一個重要方向。

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