川西高原凍融型高速滑坡特征與成因分析

李鵬岳， 鐵永波， 王東輝， 唐業(yè)旗

(成都地質(zhì)礦產(chǎn)研究所， 四川 成都 610081)

高速滑坡的研究始于20世紀(jì)30年代，首先是1932年著名地質(zhì)學(xué)家海姆對1881年瑞士埃爾姆滑坡的研究。海姆在其著作中,詳細(xì)地描述了埃爾姆巖崩—碎屑流的運(yùn)動學(xué)現(xiàn)象。但真正引起世界范圍內(nèi)的重視，是在1963年意大利瓦依昂發(fā)生災(zāi)難性滑坡后才開始的。高速遠(yuǎn)程滑坡動力學(xué)機(jī)理的研究,一直是國內(nèi)外工程地質(zhì)領(lǐng)域與山地災(zāi)害領(lǐng)域崩塌、滑坡災(zāi)害研究的前沿?zé)狳c(diǎn)問題, 在理論方面無論是在基礎(chǔ)研究還是在應(yīng)用基礎(chǔ)研究領(lǐng)域均具有重要的科學(xué)意義[1]。

目前的研究顯示，影響高速遠(yuǎn)程滑坡—碎屑流的運(yùn)動機(jī)制及位移的因素很多，而且不同地質(zhì)條件下，主控因素及各個因素之間的影響權(quán)重又有所不同[2]。研究發(fā)現(xiàn)，地震、降雨以及人類工程活動是高速滑坡最常見也是最主要的誘發(fā)因素，地震誘發(fā)高速滑坡成為近年來，特別是“5·12”汶川大地震后中國學(xué)者們爭相研究的話題[3-8]。在自然狀態(tài)下突發(fā)的高速滑坡因工程實(shí)例少而研究較少。本文著重研究了在無地震，無降雨，無人類工程活動影響下產(chǎn)生的高速遠(yuǎn)程滑坡。分析認(rèn)為，川西高原強(qiáng)烈的凍融作用及滑坡區(qū)特有的地質(zhì)構(gòu)造是產(chǎn)生高速遠(yuǎn)程滑坡的根本原因，此類滑坡隱蔽性極強(qiáng)，在沒有任何預(yù)兆的情況下突然潰滑，高速運(yùn)動，其危害性不容小覷，值得深入研究。

1 滑坡區(qū)地質(zhì)環(huán)境條件

2010年3月20日凌晨，四川省甘孜州德格縣中扎科鄉(xiāng)村科村趙瑪山發(fā)生山體滑坡，約5.25×105m3山體在無降雨及無地震的情況下突然下滑，迅即解體轉(zhuǎn)化為碎屑流，在巨大的重力勢能驅(qū)動下高速滑動，沿途不斷攜卷和鏟刮山坡表層松散物質(zhì)，到達(dá)溝谷谷底后向?qū)Π渡狡屡栏呓倜?，隨后轉(zhuǎn)向90 °向溝谷下游繼續(xù)高速運(yùn)動，最終運(yùn)動距離達(dá)1.9 km，滑坡物質(zhì)直接堆積于溝道內(nèi)，將溝底通村公路直接掩埋，并在堆積體上游側(cè)形成一小型堰塞湖。如果區(qū)域內(nèi)發(fā)生持續(xù)強(qiáng)降雨，會產(chǎn)生次生災(zāi)害，形成泥石流，將危及下游約18戶居民的生命財(cái)產(chǎn)安全。

1.1 地形地貌

滑坡區(qū)地處橫斷山系沙魯里山脈北部金沙江峽谷地帶，屬構(gòu)造侵蝕中切割高山。趙瑪山總體走向呈北西—南東，山脊兩側(cè)均有季節(jié)性水溝。趙瑪滑坡位于趙瑪山北東側(cè)溝谷上段。

趙瑪山山頂海拔高程4 765 m，滑坡滑源區(qū)頂部高程約4 690 m，滑坡前緣高程約4 230 m，堆積物前緣高程4 080 m，滑坡相對高差610 m，平均坡度30°。滑源區(qū)后緣和前緣高程分別為4 690 m和4 640 m，相對高差50 m。攜卷鏟刮區(qū)長約650 m，寬約160 m，出露高程4 230～4 640 m,高差410 m，地形坡度40°。主堆積區(qū)出露高程4 230～4 080 m。堆積體長1.3 km，高差150 m，堆積體平均坡度僅6.5°。

1.2 地層巖性

趙瑪山山體出露三疊系下統(tǒng)兩河口組中段(T3lh2)地層，坡體淺表層覆蓋第四系松散崩坡積層(Qcol+dl)。

(1)兩河口組地層(T3lh2)主要為灰色薄至厚層長石石英粉砂巖或綠灰色中層至塊狀長石巖屑砂巖，凝灰質(zhì)長石巖屑砂巖與灰黑色粉砂質(zhì)絹云板巖互層，滑坡區(qū)巖性主要為板巖。

(2)第四系主要分布于坡體淺表層，厚度0.5～1 m不等，由碎塊石組成，塊石粒徑0.3～0.5 m。

1.3 地質(zhì)構(gòu)造

滑坡區(qū)位于木同—產(chǎn)科溝背斜軸部，該背斜屬于瓦須褶皺束的一個褶皺，褶皺軸向305°，延長35 km，背斜核部為兩河口組中段砂巖、板巖組成，翼部為兩河口組上段，巖層傾角較陡，該背斜軸部從滑坡體中下段通過，背斜兩翼不對稱，南西翼傾角40°，北東翼傾角62°。

1.4 降雨情況

根據(jù)德格縣氣象局1971—2010年觀測資料統(tǒng)計(jì)，多年平均降雨量為624.6 mm，每年降雨集中在6—9月，其降雨量達(dá)500.9 mm，占全年降雨量的80.0%，月平均降雨量最多為133.9 mm(7月)，最少為1.6 mm(12月)；最大24 h降雨量為40.8 mm，最大30 min降雨量為19.3 mm，最大10 min降雨量為17.3 mm。

2 滑坡的基本特征

2.1 滑坡分區(qū)

根據(jù)滑坡發(fā)生的地形、地貌特征及滑坡的運(yùn)動和堆積特征，結(jié)合現(xiàn)場調(diào)查、室內(nèi)資料整理，沿主滑方向可將趙瑪滑坡分為滑源區(qū)(Ⅰ)，流通鏟刮區(qū)(Ⅱ)，堆積區(qū)(Ⅲ)。其中流通鏟刮區(qū)又進(jìn)一步細(xì)分為主滑流通區(qū)(Ⅱ1)，兩側(cè)鏟刮攜卷區(qū)(Ⅱ2)和對岸攜卷滑塌區(qū)(Ⅱ3)(圖1)。

圖1 趙瑪滑坡區(qū)遙感影像

2.2 滑源區(qū)特征

滑源區(qū)后緣高程4 690 m，前緣高程4 640 m，高差50 m。山體發(fā)生滑坡后，形成近50 m的陡壁(圖2)。受構(gòu)造及風(fēng)化作用的影響，滑源區(qū)巖體風(fēng)化卸荷強(qiáng)烈，坡體內(nèi)發(fā)育多組結(jié)構(gòu)面，其中對關(guān)鍵塊體起控制性作用的結(jié)構(gòu)面有兩組：一組產(chǎn)狀19°∠50°～55°，其走向與坡面近乎一致，陡傾坡外，結(jié)構(gòu)面長且貫通性較好，較平直粗糙，滑坡后壁面即由該組結(jié)構(gòu)面形成，亦是控制滑坡滑動的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)面。另一組結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀35°∠30°，傾坡外和溝谷下游，滑坡的底滑面就是沿此結(jié)構(gòu)面形成的。根據(jù)滑坡前后的坡體形態(tài)推測滑坡巖體主滑方向長約70 m，底面平均寬度150 m，據(jù)滑坡后壁高度推測巖體平均高度約50 m，估算滑源區(qū)巖體體積約5.25×105m3。

圖2 趙瑪滑坡滑源區(qū)和流通區(qū)特征

2.3 流通鏟刮區(qū)

滑坡的鏟刮區(qū)位于滑坡體兩側(cè)及對岸山體，根據(jù)滑坡流通區(qū)特征，可以將其分為3個亞區(qū)，即主滑流通區(qū)，兩側(cè)鏟刮攜卷區(qū)和對岸攜卷滑塌區(qū)。

2.3.1 主滑流通區(qū)特征 該區(qū)主要表現(xiàn)出沿流通區(qū)中軸線呈上大，中小，下大沙漏狀展布，處于整個攜卷鏟刮區(qū)中部，其長約620 m，最大寬度320 m，最小寬度70 m，為碎屑流高速運(yùn)動主要流經(jīng)區(qū)域。主滑區(qū)在剖面上為槽狀地形，為碎屑流高速運(yùn)動鏟刮所致。但在該區(qū)底部殘留了部分堆積物，厚度一般數(shù)米不等，在高程1 213～1 312 m區(qū)域，橫剖面上呈現(xiàn)出中間低兩邊高的地形，中間低為高速運(yùn)動碎屑流沖擊鏟刮形成，兩側(cè)高的地形為滑坡殘留物提供了堆積的平臺，此區(qū)域殘留了厚度較大的堆積物，主要受滑坡地形的控制，堆積物估算方量8×104m3。

2.3.2 兩側(cè)鏟刮攜卷區(qū)特征 該區(qū)貫穿于整個流通區(qū)，為高速碎屑流沿途鏟刮溝谷兩側(cè)山坡形成，在滑坡中部左側(cè)斜坡上留下了明顯的表層松散物質(zhì)被鏟刮的壁面(圖2)。根據(jù)擦痕分析認(rèn)為，下部的運(yùn)動痕跡為碎屑流高速運(yùn)動所致，主要為大致平行于坡面地形，中上部運(yùn)動痕跡傾角較下部陡，分析認(rèn)為是斜坡淺表層松散物質(zhì)局部滑塌所致。

2.3.3 對岸沖擊滑塌區(qū)特征 由于該滑坡滑源區(qū)位置較高，加之滑坡前緣溝谷較窄，滑坡產(chǎn)生的高速碎屑流直接沖擊到對岸山坡(圖3)，隨之鏟刮坡體，坡體物質(zhì)在強(qiáng)大的能量下，并未完全堆積，大部分巖土體沿溝谷下游方向繼續(xù)運(yùn)動。坡體上擦痕明顯(圖4)，擦痕的跡線清楚地表明，在緊鄰坡體剪出口前緣，擦痕傾向于坡體下游，傾角約45 °，隨后擦痕迅速變緩，傾角僅10 °左右，基本與溝谷谷底傾角相當(dāng)。

該區(qū)域在平面上呈矩形，高約100 m，寬度約500 m，被鏟刮厚度0.5～1 m不等，估算鏟刮方量2.5×104m3。鏟刮上部停留堆積的物質(zhì)以大塊石為主，粒徑20～80 cm的物質(zhì)占70%，下部物質(zhì)以塊碎石土為主，顆粒粒徑明顯變小，在立面圖上表現(xiàn)出從上到下顆粒逐漸變小的反堆積特點(diǎn)[9-11]。

圖3 趙瑪滑坡對岸沖擊滑塌區(qū)

圖4 趙瑪滑坡沖擊滑塌區(qū)擦痕

2.4 堆積區(qū)特征

由于趙瑪滑坡高度近500 m，巨大的勢能使得滑坡體物質(zhì)高速運(yùn)動到對岸坡體后并未完全堆積，而是在攜卷對岸坡體物質(zhì)轉(zhuǎn)向近90°后向溝谷下游繼續(xù)運(yùn)動，如水流似的在溝谷左右岸各爬高一次后逐漸堆積于溝道內(nèi)。其中右岸攜卷鏟刮高度約30 m，寬度150 m，鏟刮的過程中坡體物質(zhì)滑塌，擦痕清晰，擦痕上陡下緩，傾向溝谷下游。左岸攜卷鏟刮區(qū)的攜卷鏟刮高度約15 m，寬度約80 m。

堆積區(qū)在平面上呈現(xiàn)為上寬下窄的形態(tài)，上游最大寬度160 m，下游寬度50 m，長度1.3 km。該區(qū)堆積物厚度分布具有越向堆積物前緣越薄，且堆積物粒徑具有從后向前減小的趨勢。在縱向上，堆積區(qū)中上段堆積厚度一般為15～20 m，物質(zhì)組成為碎塊石土，其中碎石成分為灰黑色砂板巖，最大粒徑2.5 m，平均粒徑約0.8 m；而在堆積體前緣，其厚度約1～2 m，物質(zhì)組成為碎塊石土，土體含量明顯變少，最大粒徑為1.0 m，平均粒徑0.3 m，粒徑統(tǒng)計(jì)結(jié)果見圖5—6。由圖5—6可以看出，總的來說，堆積物平均粒徑從堆積區(qū)后緣向前緣變小，且堆積物前緣粒徑較均一，大多集中在0.5～1 m，細(xì)粒物質(zhì)明顯減少。

圖5 堆積體后緣粒徑統(tǒng)計(jì)結(jié)果

圖6 堆積體前緣粒徑統(tǒng)計(jì)結(jié)果

3 滑坡失穩(wěn)過程

(1)孕育階段。滑坡所處位置構(gòu)造作用強(qiáng)烈，褶皺發(fā)育，巖體節(jié)理裂隙發(fā)育；滑坡后緣山坡常年積雪，冰雪融水通過裂隙入滲坡體，使滑體的巖土體軟化，降低了巖土體的抗剪強(qiáng)度，增加了滑體的容重和下滑推力。由于凍融作用的影響，加劇了裂縫的發(fā)育，同時凍脹力使得鎖固段巖體范圍不斷縮小。

(2)高速運(yùn)動—碎屑化階段。巖體鎖固段消失后，在巨大的勢能條件下，滑坡體在啟動后沿NE20°方向運(yùn)動，勢能不斷轉(zhuǎn)化為動能，塊體的運(yùn)動速度越來越快，在主滑方向上遇陡坡加速，潰滑解體，形成碎屑流。并且沿途不斷攜卷鏟刮，隨后與谷底碰撞，并向?qū)Π渡狡屡栏呒s100 m，之后轉(zhuǎn)向近90 °向溝谷下游運(yùn)動。

通過現(xiàn)場調(diào)查及遙感影像分析，趙瑪滑坡啟動后水平運(yùn)動約1 900 m，滑動高差610 m左右。根據(jù)碎屑流的特征對其沿途速度進(jìn)行估算，采用Scheidegger提出的計(jì)算公式[12]：

式中：V——估算點(diǎn)滑體速度(m/s)；g——重力加速度值(m/s2)；H——滑坡后緣頂點(diǎn)至估算點(diǎn)高程差(m)；f——等效摩擦系數(shù)，其計(jì)算公式為滑坡最大高程差與最大水平距離的比值；L——滑坡后緣點(diǎn)至估算點(diǎn)水平距離(m)。

對于趙瑪滑坡，其f=610/1 900=0.321。根據(jù)滑坡的剖面形態(tài)特征及計(jì)算公式，可以得出趙瑪滑坡碎屑流沿其運(yùn)動軌跡鏟刮堆積的速度(圖7)。計(jì)算結(jié)果顯示，滑坡運(yùn)動經(jīng)歷一個先加速后減速的過程，最大速度達(dá)到了75 m/s，為一高速滑坡。

圖7 趙瑪滑坡碎屑流運(yùn)動速度隨水平距離的變化

(3)堆積階段。碎屑流高速運(yùn)動到谷底，碰撞后爬高到對岸形成一定規(guī)模的反堆積，之后在剩余能量的驅(qū)動下，向地勢較低的溝谷下游運(yùn)動堆積，運(yùn)動過程中分別于左右岸各爬高鏟刮一次。整個堆積區(qū)高程差僅150 m，但水平距離卻達(dá)到1 300 m，可見，碎屑流運(yùn)動到谷底轉(zhuǎn)向后其速度仍非?？臁?/p>

4 滑坡成因分析

4.1 地形地貌因素

趙瑪山所處地貌為中切割高山區(qū)，山高坡陡，相對高差600 m，最大坡度達(dá)40°，滑源區(qū)部位山體突出，滑體前緣臨空條件好，為滑源區(qū)巖體的失穩(wěn)破壞提供了較好的地形地貌條件。

4.2 地質(zhì)構(gòu)造因素

滑坡區(qū)位于瓦須褶皺束中木同—產(chǎn)科溝背斜的軸部，構(gòu)造作用一方面使得巖體節(jié)理裂隙發(fā)育，便于受到風(fēng)化作用的影響，另一方面，褶皺的核部沿軸線方向發(fā)育拉張裂縫，這些拉張裂縫切割巖體，構(gòu)成了滑坡的控滑結(jié)構(gòu)面。

4.3 凍融作用因素

滑坡區(qū)位于川西高原上，晝夜溫差大，凍融作用強(qiáng)烈。從遙感影像上可以看出，滑坡滑源區(qū)上部有常年積雪，這些積雪為凍融作用提供了源源不斷的水力條件。凍融作用對滑坡的影響有兩方面，一方面凍融作用使整個滑坡區(qū)巖體碎裂化，另一方面凍融作用加速了滑坡鎖固段的斷裂。

綜合分析，滑坡區(qū)構(gòu)造及凍融作用強(qiáng)烈，使得滑坡巖體碎裂化，構(gòu)造作用使褶皺核部沿軸線方向發(fā)育拉張裂縫。由于趙瑪滑坡坡面走向與褶皺軸線方向一致，且褶皺核部從滑坡體下部通過，因此，褶皺核部產(chǎn)生的拉張裂縫構(gòu)成了滑坡失穩(wěn)破壞的一條控制性結(jié)構(gòu)面。加之滑坡后緣常年積雪，雪水融化入滲坡體，這些雪水在水狀態(tài)下，主要表現(xiàn)為軟化結(jié)構(gòu)面，降低結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度，且存在一定的靜水壓力。在氣溫較低時，水轉(zhuǎn)化為冰，產(chǎn)生“冰劈”作用，直接作用于節(jié)理巖體，加速鎖固段破裂[13-15]。當(dāng)鎖固段消失后，滑體沿剪出口向臨空方向滑出，滑體鏟刮遭受強(qiáng)烈風(fēng)化作用的坡體繼而碎屑化，強(qiáng)大的勢能使得碎屑流高速運(yùn)動。

5 結(jié) 論

(1)趙瑪滑坡是在無降雨，無地震的情況下發(fā)生的一個高位高速巖質(zhì)滑坡，其高差610 m，最大滑動距離1 900 m，最大滑速達(dá)到75 m/s。

(2)滑坡區(qū)位于褶皺軸部，構(gòu)造作用強(qiáng)烈，節(jié)理裂隙發(fā)育，加之其位于川西高原上，強(qiáng)烈的凍融作用是誘發(fā)滑坡失穩(wěn)破壞的一個主要原因。

(3)根據(jù)滑坡發(fā)生的地形、地貌特征及滑坡的運(yùn)動和堆積特征，結(jié)合現(xiàn)場調(diào)查、室內(nèi)資料整理，可將趙瑪滑坡劃分為滑源區(qū)、流通鏟刮區(qū)和堆積區(qū)，其中流通鏟刮區(qū)可細(xì)化為主滑流通區(qū)、兩側(cè)鏟刮攜卷區(qū)和對岸攜卷滑塌區(qū)。

(4)滑坡的失穩(wěn)過程可分為3個階段：孕育階段、高速運(yùn)動并碎屑化階段和堆積階段，高位重力勢能及碎屑化是該滑坡高速遠(yuǎn)程運(yùn)動的一個重要原因。

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