金沙江白格滑坡失穩機理及影響因素分析

楊 連 偉

(江西省地質環境監測總站，江西 南昌 330096)

0 引 言

滑坡堵江是指河谷斜坡巖土體因崩塌、滑坡及其轉化成的碎屑流等造成江河堵塞和回水的現象[1]。河谷發育過程中，隨著河流下切，岸坡巖體卸荷回彈，形成一系列的順坡向裂縫，其后裂縫間的巖橋在巖體重力或降雨、地震等荷載的作用下被突破，造成滑坡或崩塌堵塞主河道，形成堰塞湖；隨著堰塞湖水的增高，堰塞體會潰壩并形成洪水事件。這一過程，會對上下游造成巨大的破壞。目前對滑坡堵江的研究主要集中在歷史滑坡堵江的識別統計[2]、堰塞體的特征[3-4]、潰壩最大洪水量估算、滑坡堵江的危害及治理等方面[5]。

2018年10月11日(另據地震臺網監測為10日22：06[6])和11月3日，西藏自治區江達縣波羅鄉白格村與四川省白玉縣絨蓋鄉則巴村交界處兩次發生大規模高位滑坡災害(以下分別簡稱“10·11”和“11·3”白格滑坡)，巖土體阻斷金沙江干流，形成堰塞壩。這兩次滑坡-堵江事件發生后，先形成堰塞湖淹沒上游(江達縣波羅鄉、白玉縣金沙鄉等)，堰塞體潰決之后，形成洪水沖擊下游，尤其是第二次堵江壩體潰決后，使下游多座橋梁被沖毀，多個城鎮被淹，在建的蘇洼龍水電站也受到沖擊，造成了巨大的經濟損失和廣泛的社會影響。

白格滑坡-堵江事件具有嚴重的災害鏈效應，事后諸多學者對其進行了詳細研究，主要包括白格堰塞湖應急搶險處置[7-9]及水文監測預報[10-12]的經驗總結、滑坡殘留體后期穩定性及堵江風險分析[13-15]、堰塞湖潰壩洪水數值分析[16-18]以及白格滑坡的形成演化過程分析[19-23]。盡管前人從不同角度對白格滑坡進行了調查研究，但由于早期交通條件限制及研究目的不同，對于其失穩機理及關鍵影響因素仍未形成統一的認知。因此，本文對滑坡區的地質條件進行了詳細的現場調查和分析，在分析相關資料及數值的基礎上，對白格滑坡首次滑動的形成機理、演化過程和關鍵影響因素進行了認真研究，并計算了滑坡的運動速度。研究結果可為青藏高原周邊高山峽谷地區斜坡災害的研判和預警工作提供借鑒。

1 金沙江白格滑坡概況

1.1 白格滑坡基本特征

白格滑坡區處于青藏高原東部，金沙江縫合帶上，周邊溝谷縱橫，山谷相間。兩次滑坡的滑源區均位于金沙江“Ⅴ”形河谷右岸的豬背形山脊上(見圖1)，山脊走向約N10°～15°E，斜坡朝向80°～100°，海拔高程3 720～2 880 m，垂直高差達840 m。

圖1 主滑坡區出露地層Fig.1 The stratums and their distribution in landslide area

經調查，滑坡區斜坡中上部主要出露華力西期蛇紋巖(φω4)(見圖1)，高程在3 400～3 700 m之間；受構造影響，蛇紋巖整體成碎粉巖狀，呈灰綠-綠白色。滑源區下游側及3 400 m高程以下主要為元古界雄松群(Ptxna)英長片麻巖，層面內傾，產狀235°∠40°，發育有60°～80°∠75°～85°、100°～115°∠80°兩組結構面，片麻巖表面風化后呈土黃色-青灰色。

2018年10月11日第1次發生滑坡時，滑坡后緣高程約3 700 m，滑源區剪出口高程約3 000 m。主滑區共有2 200萬～2 300萬m3巖土體失穩，堵塞金沙江后形成堰塞壩。堰塞湖水于10月12日開始自然漫壩下泄，至13日，泄洪基本完成。11月3日在第1次滑坡的后壁上發生第2次滑坡，約370萬m3巖體失穩形成碎屑流，與第1次堰塞殘留體一起形成新的堰塞壩，第2次堵塞金沙江。經人工干預，至11月13日下午堰塞壩被完全沖開。

“10·11”滑坡發生后，在滑坡源區(Ⅰ)形成高陡巖質后壁，而主滑區后部為后部變形體(K1)，下游側變形體(K2)和上游側變形體(K3)分布于主滑區兩側(見圖2(a))。在下部堆積體中，近滑源區側(W側)地勢相對低洼，主要以蛇紋巖碎屑體為主；遠滑源區側(E側)高程相對較高，主要以片麻巖堆積體為主。“10·11”和“11·3”兩次滑坡后的泄洪通道均位于地勢相對低洼的蛇紋巖堆積體中。因此，研究“10·11”白格滑坡的形成機理，需要深入研究滑坡堰塞體的具體特征。

圖2 兩次白格滑坡后影像Fig.2 Aerial image after each landslide

1.2 “10·11”白格滑坡-堰塞體特征分析

堰塞體主要位于主滑坡區下部的流通堆積區(Ⅱ)中。依據坡面特征，將Ⅱ區劃分為圖3所示4個亞區；Ⅱ區外側為涌浪影響區(Ⅲ)。

圖3 “10·11”白格滑坡堆積-堰塞體特征(攝于2018年10月12日)Fig.3 Characteristic of accumulation-barrier body of “10·11” Baige landslide on October 12，2018

(1) 流通鏟刮亞區(Ⅱ-1)和表層鏟刮亞區(Ⅱ-2和Ⅱ-3)。巖土體失穩后鏟刮下部斜坡覆蓋層。Ⅱ-1區位于滑坡源區正下方，受到鏟刮最嚴重，斜坡表面后退約20 m，形成一個槽狀區，該區域寬約150 m，高約170 m。

兩側的Ⅱ-2區和Ⅱ-3區位于剪出口側邊，受失穩巖土體的沖擊力和鏟刮力較小，僅被鏟刮掉表面覆蓋層，裸露出兩處片麻巖基巖陡壁。

(2) 堰塞體(主堆積體，Ⅱ-4)。整個堰塞體平面呈紡錘形(見圖3)，沿河谷方向長約1 100 m，中部垂直河谷方向寬約500 m，水平投影面積約33萬m2。圖3中三角形所示為整個堰塞體的最高點。

堰塞體近滑源區側(西側)地勢相對低洼(見圖3① )，坡體呈灰綠-綠白色，以蛇紋巖碎屑為主，夾有粒徑不同的墨綠色蛇紋巖晶體。該區域上游側寬220～240 m，下游側寬140～160 m。遠滑源區側(東側)地勢相對較高(見圖3② )，坡體整體呈灰黃色夾青灰色，主要以片麻巖碎屑為主，其間分布大量直徑約0.5～1.0 m的片麻巖塊石。該區域上游側寬140～150 m，下游側寬100～120 m。

沿河谷方向，Ⅱ-1區下部的堆積體地勢最高，整體呈條壟狀，走向45°～50°，壟脊高出河床約80～90 m。條壟南側為緩斜坡，發育4級與壟走向近平行的下錯臺坎(見圖4)，臺坎下部為張性裂縫。臺坎1下部以厚度小于10 m的松散粉砂性土為主，現場調查期間本區飽水，人踩后易濕陷。壟的北側為陡坡，堆積體向下被堰塞湖水體淹沒(見圖5)。

圖4 主堆積區南側的橫向臺坎(鏡向NW)Fig.4 The sill on the south side of the main accumulation area(mirror NW)

圖5 主堆積體北側的陡坡(鏡向S)Fig.5 The steep slope on the north side of the main deposit(mirror S)

兩次泄流的泄洪槽均位于堰塞體西側相對低洼的蛇紋巖堆積區中(見圖3)。蛇紋巖與片麻巖分布區的界線特征如圖6所示。

圖6 堰塞體上蛇紋巖與片麻巖分布區界線Fig.6 Boundary of serpentinite and gneiss in the dam

(3) 涌浪影響區(Ⅲ)。金沙江水受失穩巖體沖擊后形成涌浪沖向對岸，被對岸斜坡阻擋后再落回江底，期間沖刷坡表的覆蓋層。經調查，涌浪影響區斜坡上的灌木和植草大面積倒伏，倒伏方向指向江底。經測量，影響區邊界高程最高可達3 065 m，高出金沙江河床約180 m。

飽水土體被涌浪裹挾沖上對岸斜坡后又沿坡表滑下，留下深色殘留體。涌浪回落反向沖刷已經停積的堆積體，造成堆積體與涌浪影響區接觸部位形成一條沖溝。涌浪反向沖刷并在堆積體表面形成與主滑向相反的泥漿沖刷痕跡(見圖7)。

圖7 泥漿沖刷痕跡(鏡向S)Fig.7 Mud scour traces(mirror S)

2 白格滑坡首次滑動的失穩機理及動力特性

2.1 “10·11”白格滑坡的失穩機理分析

(1) 堆積區中的巖石都呈碎塊-碎粉狀，原巖結構不可辨，碎塊石平均粒徑為40～60 cm，局部出露直徑超過1.5 m的塊石。據地質資料，研究區受深層韌性剪切作用，使蛇紋巖碎裂成碎粉巖狀，片麻巖體節理裂隙發育。巖體失穩后經過近2 km的運動和內部相互碰撞，會變得更加破碎，使原巖的結構在堆積體中難以分辨；但堆積區的巖性層序與滑源區層序一致，上部(西側)為蛇紋巖，下部(東側)為片麻巖，故白格滑坡為巖質滑坡。

(2) 斜坡失穩區呈紡錘形(見圖3)，其上部蛇紋巖中滑坡后壁的平均坡度約為35°，后緣局部陡壁坡度可達60°左右；而下部剪出口內側片麻巖中滑面的平均坡度約為25°。滑坡失穩后，下滑合力P向前(見圖8)，主應力作用面近于垂直，破裂面與主應力作用面的夾角α=45°+φ/2(φ為巖體內摩擦角)，則破裂面傾角β=90°-α=45°-φ/2，φ值越大則β值越小，反之則β越大。由于軟質蛇紋巖中的滑面傾角較大，而硬質片麻巖中的滑面傾角較小，從而在滑源區中部形成一個巨大的槽狀區。

注：Px和Py分別為滑坡物質在運動方向上的水平推力和法向自重力，P為合力。圖8 滑體運動鏟刮作用細觀機制Fig.8 Meso-mechanism of the entrainment effect during mass movement process

(3) 調查發現：① 堆積體東側有涌浪回落時的反向沖刷痕跡；② 堰塞湖水體在堰塞體西側的低洼區過流。此處蛇紋巖碎屑體質軟，易受沖蝕，很快形成泄洪槽，槽壁因受洪水側蝕、塌岸而逐漸后退，泄洪槽兩側坡體上無沖刷痕跡；③ 坡體上未見到二次涌浪拍打跡象。因此，“10·11”白格滑坡為一次性失穩破壞并沖擊江面。

(4) 綜上所述，斜坡上部破碎的蛇紋巖在岸坡卸荷及表生時效作用下，內部的裂隙漸進性地發展為貫通性裂縫(滑坡區20世紀50年代即有變形)，裂縫逐漸向下延展，受到下部硬質片麻巖的阻擋。在各種外部因素的影響下，片麻巖體最終被剪斷，斜坡完全失穩，巖土體堵塞金沙江，形成白格堰塞湖。

(5) 巖體失穩后，斜坡下部的片麻巖被推擠到堆積體前部，停積時因受到擠壓而隆起；蛇紋巖碎屑體在滑坡體后部受到滑坡體牽引而松散，地形相對低洼。

2.2 “10·11”白格滑坡數值模擬結果分析

為驗證對“10·11”白格滑坡失穩機理的認識，對滑源區進行二維有限元數值模擬分析。表1為計算所采用的主要巖土體參數，圖9所示為所建立的失穩前斜坡剖面模型，計算模型考慮區分強風化和新鮮巖體。

表1 白格滑坡主要物理力學參數

圖9 “10·11”白格滑坡數值計算剖面Fig.9 Simulation section of “10·11” Baige landslide

結合歷史遙感影像[19]、現場調查和數值計算結果，將“10·11”白格滑坡的失穩-停積過程描述如下：① 受構造深層韌性剪切作用，蛇紋巖碎裂成碎粉巖狀。② 金沙江兩岸巖體向臨空面卸荷回彈變形，蛇紋巖體中形成卸荷裂隙。③ 裂隙逐漸沿軟弱面成集束發展，在坡表形成宏觀裂縫。坡內裂隙向下擴展，受到硬質片麻巖的阻礙。④ 片麻巖“鎖固體”被剪斷，變形體失穩。變形巖體在剪斷“鎖固體”時，破裂面發生偏轉，在軟硬巖接觸部位形成一個巨型凹槽。⑤ 失穩巖土體停積在河谷中形成堰塞體。遠滑源區側片麻巖分布區因受到后部巖體的推擠而隆起，而堰塞體近滑源區側蛇紋巖區則相對低洼。巖體高速撞擊江面形成涌浪，沖刷對岸坡表壤土和植被，形成涌浪影響區。⑥ 堰塞湖水位逐漸抬升，從相對低洼的蛇紋巖區漫壩，水流侵蝕軟質的蛇紋巖堆積體，形成貫通的泄洪槽。⑦ 變形體失穩后，后部巖體突然失去支撐，形成了新的變形體。11月3日，變形體失穩，再次堵塞金沙江。

數值模擬計算結果顯示(見圖10)，上部軟質的蛇紋巖在重力作用下向斜坡下部蠕變，剪切面沿強弱風化界面向下延展。上部變形體遇到下部硬質巖阻擋后，主應力在軟硬巖接觸面附近發生應力集中。直到下部硬巖發生大變形，被剪出，如圖10(c)所示，剪出口上部網格隆起，斜坡失穩，剪出口位移超過4 m。由計算結果可以看到，巖體失穩后滑移面在軟硬巖接觸帶附近變緩，滑面上部傾角約為35°，下部滑面傾角降低為10°～20°左右，局部反傾，在滑源區下部形成一個凹槽。

數值模擬計算結果與前文白格滑坡失穩機理的認識相互印證。

圖10 “10·11”白格滑坡滑源區位移有限元計算結果Fig.10 Contour cloud map of displacement with FEM of “10·11” Baige landslide source area

2.3 白格滑坡失穩后的動力特性分析

“10·11”白格滑坡從滑坡源區陡壁后緣至堆積體最前緣的水平距離為L=1 832 m，垂直高差H=773.6 m。則滑坡的遠程運動特性參數，亦即崩落體的等價摩擦系數μ=H/L=0.422，遠小于0.6(約等于tan32°，為國際公認的巖質材料摩擦系數經驗值)，白格滑坡失穩后進行了遠程運動。采用謝德格爾法[24]對滑坡體的運動速度進行估算，計算公式如式(1) 所示。

(1)

式中：v為估算崩滑體速度，m/s；g為重力加速度，取9.8 m/s2；H為崩塌后壁頂點至崩落體沿途計算點高差，m；L為崩塌后壁頂點至崩落體沿途計算點水平距離，m；μ為崩落體的等價摩擦系數，取μ=H/L。

利用滑坡主剖面(剖面線位置參見圖2)計算白格滑坡體首次滑動的全程運動速度，結果曲線如圖11所示。巖土體在脫離剪出口不遠速度就達到38.7 m/s，此后隨著斜坡高程的降低，巖土體的運動速度不斷增大，在河谷底部速度達到峰值64.2 m/s。此后，巖土體受到江水和對岸山體的阻擋，在大約300 m距離內速度急劇降低，直至停積下來，形成堰塞壩。同理，“11·3”白格滑坡巖土體峰值運動速度為59.8 m/s。

圖11 白格滑坡沿途運動速度分布Fig.11 Velocity profile of Baige landslide

3 影響“10·11”金沙江白格滑坡的主要因素

白格滑坡位于金沙江峽谷中，山區復雜的地質背景、長期的斜坡卸荷及表生改造作用和惡劣的氣候條件對滑坡的形成起到了重要作用[25]。

3.1 滑坡區的構造及巖性條件

白格滑坡位于金沙江縫合帶上，多次深水中基性火山噴發造成沿縫合帶或旁側派生斷裂發生多次超鎂鐵質巖帶狀構造侵位，白格滑坡區的蛇紋巖體就是沿縫合帶串珠狀分布的超鎂鐵質巖帶的一處。受金沙江縫合帶深層韌性剪切作用，研究區蛇紋巖體碎裂成碎粉巖狀，破碎的巖體結構降低了巖體強度及抗風化能力，為巖坡在重力作用下加速變形提供了基礎條件。

此外，白格滑坡的特殊巖性組合也為其邊坡變形破壞提供了條件。如圖12所示，滑坡所在山體斜坡為巖質坡，中上部為蛇紋巖體，中下部為片麻巖體，蛇紋巖和片麻巖接觸帶位于高程3 300～3 400 m附近，軟硬巖的組合使得交界面附近容易產生應力集中，而紡錘形失穩區厚度最大處正是位于蛇紋巖和片麻巖接觸面附近，最大可達80余米。

注：1.奧陶系上統雄松群片麻巖組；2.華力西期金沙江超鎂鐵質巖帶、蛇紋巖；3.滑坡堆積體；4.第四系覆蓋層；5.角閃石斜長片麻巖；6.蛇紋巖；7.斷層及代號；8.第一次堰塞壩泄洪通道。圖12 金沙江白格滑坡剖面Fig.12 Longitudinal section of Baige landslide in Jinsha River

3.2 巖體卸荷及表生改造作用

隨著金沙江河谷下切，兩岸巖體向臨空方向卸荷回彈變形，谷坡應力場產生新的調整，最小主應力向垂直谷坡方向偏轉。這種表生改造作用使斜坡產生了兩個不同應力狀態的區域，一個是一向受壓、一向受拉的拉-壓應力組合區(此時，σ1+3σ3≥0)，位于近坡面一定深度范圍；另一個是雙向受壓的壓-壓應力組合，位于拉-壓應力組合區與應力增高區之間[26]。伴隨這一過程，斜坡巖體產生一系列新的變形和破裂，以適應新的平衡狀態。當卸荷引起的最小主應力變為拉應力，且超過巖體的抗拉強度時，巖體發生平行坡面的單向拉張破壞。這樣，新的變形和破裂追蹤斜坡陡傾角構造裂隙，逐漸形成傾向坡外的貫通性潛在滑移面。區內破碎的蛇紋巖體為潛在貫通性滑移面的形成提供了便利。

受青藏高原隆升的影響，藏中和藏南地區地震活動頻繁。白格滑坡區背靠地震多發區，當壓縮地震波向東傳播達到金沙江西岸坡表面時，反射成拉伸波。當拉伸波的幅值大于壓縮波的幅值，兩種波疊加后就會在斜坡表面產生拉伸應力[27]。這種拉伸作用會促進斜坡巖體進一步變形破裂。

3.3 氣候條件影響

滑坡區屬大陸性季風高原型氣候，溫度、降水量等時空分布不均勻。白玉縣境內3 600 m高程年均降水量671 mm，3 800 m高程年均降水量706 mm；縣內年均陸地水分蒸發量為838.7 mm[28]。圖13所示為白玉縣絨蓋鄉仲學村雨量站1 a降水過程曲線(2017年9月至2018年10月)，當地進入冬季后(2017年11月至2018年3月)，雨量基本為零，4月以后逐漸開始增多，6～9月降雨量最多，單日最大降水量為22.7 mm(2018年9月9日)。至滑坡發生時，年累積降水量為657.3 mm，春季以來累積降水量(2018年4月1日至10月11日)為611.9 mm。滑坡前降水量遠小于縣年均蒸發量，降雨對滑坡形成的影響較小。

圖13 白玉縣絨蓋鄉仲學村雨量站降雨過程曲線Fig.13 Cumulative curve of rainfall station in Zhongxue Village of Ronggai Town，Baiyu County

白玉地區四季溫差大。最冷月為1月，月均溫度為-1.6℃，最低值可達-19.2℃；最熱月為7月，月平均溫度為15.8℃，最高溫度可達39.4℃。圖14是白玉地區月平均晝夜溫差柱狀圖。區內晝夜溫差大，其中10、11月和12月晝夜溫差最大，可達19℃。這種驟冷驟熱的氣候，使得滑坡區巖體在冬季或夜晚溫度下降時被凍脹，加重巖體的劣化，產生一系列基體裂隙，加速巖體的卸荷風化過程，造成斜坡巖體的抗剪強度快速降低。

圖14 白玉地區月平均晝夜溫差Fig.14 The average temperature differences between days and nights of Baiyu County

綜上所述，“10·11”白格滑坡不是某一次地震或某一場降雨觸發的，它是深切河谷斜坡巖體長期卸荷和表生時效作用的產物，但是歷史地震和歷史降雨等是其加速時效變形的重要因素。隨著時間的推移，各種影響因素不斷疊加，由量變轉化為質變，使斜坡上部蛇紋巖變形體突破下部片麻巖的阻擋后快速下滑，形成滑坡-碎屑流，堵塞金沙江。

4 結 論

結合白格滑坡-堰塞體的實地調查及數值分析，對“10·11”白格滑坡首次滑動的失穩機理及影響因素進行了詳細分析，得到以下結論：

(1) “10·11”白格滑坡為一次性失穩的巖質滑坡。斜坡上部破碎的蛇紋巖在岸坡卸荷及表生時效作用下，內部的裂隙漸進性地發展為貫通性裂縫，裂縫向下延展；在巖體自重和各種外部因素的聯合作用下，裂縫突破下部硬質片麻巖的阻擋，使片麻巖體被剪斷而產生一次性失穩下滑堵塞金沙江，最終形成白格堰塞湖。

(2) “10·11”白格滑坡不是一次地震或降雨觸發的，它是深切河谷斜坡巖體長期卸荷和表生時效作用的產物，但是歷史地震和歷史降雨是其加速時效變形的重要影響因素。隨著時間的推移，各種影響因素不斷疊加，最終量變轉化為質變造成斜坡巖體失穩。

(3) 經過初步計算，主應力在軟硬巖接觸面附近發生應力集中，下部硬巖發生大變形被剪出，剪出口位移超過4 m，斜坡最終失穩破壞。“10·11”白格滑坡失穩后巖土體的速度峰值達64.2 m/s，巨大的勢能是巖土體能夠進行遠程運動和克服江水阻力完全堵江的重要因素。

致 謝

本文的研究工作尤其是資料獲取方面包含了眾多人員的心血，在此向他們表示衷心感謝。感謝四川省測繪地理信息局、四川省川核測繪地理信息有限公司等單位在基礎數據收集方面提供的幫助。感謝四川省國土資源廳、四川省地質環境監測總站、甘孜州國土資源局、白玉縣國土資源局、白玉縣氣象局相關領導的指導和大力支持。成都理工大學郭晨、任敬、馮澤濤、葉震等研究生參與了現場地質調查、無人機航拍以及室內數據的分析處理。在此，向以上部門、單位和個人一并表示感謝。