汶川地震災區(qū)滑坡的成因及典型實例分析

董金玉，楊國香，楊繼紅，王 東

(1.華北水利水電學院，河南 鄭州 450011;2.中國科學院地質與地球物理研究所工程地質力學重點實驗室，北京 100029)

汶川地震災區(qū)滑坡的成因及典型實例分析

董金玉1，楊國香2，楊繼紅1，王 東2

(1.華北水利水電學院，河南 鄭州 450011;2.中國科學院地質與地球物理研究所工程地質力學重點實驗室，北京 100029)

滑坡是汶川地震災區(qū)最主要的次生地質災害類型，在災區(qū)分布廣泛，數(shù)量眾多，破壞強度大，造成了大量的人員傷亡和安全隱患.首先，從地形地貌、坡體地質結構、地層巖性、地震動、坡體的穩(wěn)定狀態(tài)、風化作用和河流作用等方面對汶川地震災區(qū)滑坡形成原因進行研究，斷裂帶附近強地震動和坡體地質結構是大量滑坡形成的主要原因;其次，對典型實例王家?guī)r滑坡和北川新中滑坡成因進行分析，距離斷裂帶較近或沿斷裂帶的強地震動和傾向坡外發(fā)育的結構面是滑坡形成的主要原因，而坡度較陡或坡體已經(jīng)處于欠穩(wěn)定狀態(tài)則進一步促進了滑坡的發(fā)生.研究成果對地震災區(qū)滑坡災害的認識和防治有一定的意義.

坡體地質結構;強地震動;結構面;坡度;破壞過程

汶川地震主震強度大、震源淺、發(fā)震時間較長，同時主震區(qū)又位于我國西部山區(qū)，地形地貌梯度大，河流切割深，斜坡陡峻，因此，觸發(fā)了大量的滑坡、崩塌、碎屑流、滾石、泥石流和堰塞湖等次生地質災害.在這些數(shù)量眾多的次生地質災害中，滑坡是汶川地震災區(qū)最主要的次生地質災害類型，在災區(qū)廣泛分布，數(shù)量眾多，破壞強度大，造成了慘重的人員傷亡和巨大的財產(chǎn)損失，并為災后的重建工作增加了很大難度.

1 汶川地震災區(qū)滑坡的形成原因

1.1 地形地貌

汶川地震邊坡地質災害有沿河流及河谷兩岸呈線狀分布的特點，典型的有沿岷江上游干流(都江堰—映秀—汶川—茂縣段)及其支流河谷、北川湔江河谷、青川青竹江河谷、綿遠河上游、安縣茶坪河上游等.這些河道兩側，由于山坡坡度陡，切割深，斜坡巖石破碎，在地震時發(fā)育了大量的滑坡、崩塌等，并造成河道堰塞成湖，形成了大量的地震次生山地災害.汶川地震災區(qū)滑坡多發(fā)生在山高坡陡的地段，滑坡發(fā)生的坡度大多為40°～50°.孤突地形對地震滑坡產(chǎn)生的影響與其本身的高度有關，因此局部地形地貌對地震滑坡的影響也值得重視.滑坡災害也多發(fā)生在孤立的山頭以及多面臨空的山體或山脊部位，且滑坡兩側多為溝谷，為地震滑坡的發(fā)生提供了有利的地形條件.

1.2 坡體地質結構

斜坡地質結構是斜坡巖土體地震失穩(wěn)的一個決定性因素.斜坡地質體結構類型不同，地震時其變形破壞形式也不同.基于詳細的野外地質調查和參照相關的研究成果，從斜坡動力失穩(wěn)的角度，坡體地質結構可分為基巖－堆積物或強風化層地質結構、層狀基巖地質結構、塊狀結構以及碎裂或散體狀結構等［1］.汶川地震誘發(fā)了大量的斜坡中上部堆積層、強風化層巖體斜坡的失穩(wěn)，這是由于很多斜坡上部特別是靠近頂部的位置，以及微沖溝兩側都有厚度不大的殘坡積土層以及一定厚度的強風化層.這部分巖土體是斜坡的潛在不穩(wěn)定部分，在一般重力及降雨作用下，也經(jīng)常發(fā)生滑移失穩(wěn)災害.此外，松散層對地震波有選擇性的放大作用，例如較薄的松散層對高頻地震波有放大作用，而較厚的松散層對低頻的地震波放大的較為明顯.因此在地震力的作用下，此類斜坡中上部覆蓋土層、強風化巖體常沿斜坡坡面或斜坡上發(fā)育的微沖溝發(fā)生滑移并堆積于坡腳，堵塞道路或河道.

層狀基巖斜坡地質結構根據(jù)巖層層面產(chǎn)狀與邊坡坡向的關系，可進一步分為順層、反傾和斜交層狀結構.對于順層狀結構斜坡而言，地震力作用下層面對斜坡的破壞起到主要的控制作用.在地震力作用下此類斜坡易于沿層面發(fā)生大規(guī)?；瑒?而對于反傾層狀結構斜坡而言，巖體中發(fā)育的節(jié)理裂隙往往對斜坡的變形破壞起控制作用，汶川地震誘發(fā)的此類滑坡，大部分是由于斜坡中發(fā)育有與層面近垂直或傾向坡體外側的節(jié)理裂隙，斜坡巖體被強烈切割，完整性差，在強震作用下，坡體上部及淺表部巖體首先發(fā)生碎裂解體，然后沿坡體發(fā)生大規(guī)?；剖Х€(wěn);對于斜交層狀結構斜坡而言，層面對斜坡的變形破壞不起控制作用，其變形破壞主要受斜坡巖體風化程度及發(fā)育的結構面控制，如北川王家?guī)r滑坡即為典型的斜交層狀結構基巖滑坡，該斜坡發(fā)育有3組節(jié)理裂隙，其中2組對巖體起切割作用，而滑坡的滑面即為另外1組傾向坡外的節(jié)理.

塊狀結構巖體完整性好，邊坡往往較為高陡，在地震力作用下主要表現(xiàn)為表層巖體松動以及小規(guī)模的滑移或發(fā)生巖體墜落、滾石等災害.

對于碎裂或散體狀地質結構斜坡而言，巖體在長期風化及卸荷作用下，節(jié)理裂隙發(fā)育，在長持時的地震作用下往往解體并形成碎屑流沿坡體發(fā)生滑移破壞.

1.3 地層巖性

汶川地震災區(qū)地層發(fā)育較全，自中元古界至第四系均有發(fā)育.據(jù)黃潤秋等的研究表明，汶川地震災區(qū)巖性一般包括土層、砂巖、砂礫巖、砂板巖、千枚巖、泥頁巖、碳酸鹽巖和巖漿巖8大類［2］.地震地質災害在各類巖層中均較發(fā)育，滑坡地質災害多發(fā)生于土層、砂板巖、千枚巖、泥頁巖等軟巖地層之中，而硬巖地層中通常發(fā)生的是崩塌類型的災害.

1.4 地震動

地震動強度和持時是地震滑坡形成的動力條件，地震動強度越大歷時越長，則越易引起滑坡的產(chǎn)生.地震發(fā)生時，強烈的地震動對斜坡潛在滑移面巖土體具有累進破壞效應，即由于坡體波動振蕩在斜坡內產(chǎn)生附加應力，并在坡體內裂紋尖端產(chǎn)生應力集中，從而加速了裂紋的擴展，以致最終貫通形成滑面［3］.坡體滑動破壞前為潛在滑移面，隨著地震歷時的加長潛在滑移面巖土體的破壞范圍將不斷的增加，所以地震持續(xù)時間對滑坡的產(chǎn)生具有重要的影響.汶川大地震地震動歷時較長，并且從地震序列上講，汶川大地震屬于主震余震型地震，主震發(fā)生后又發(fā)生了多次余震，而主震及余震串接到一起也可視作地震動持時的加強.這種長持時作用極易導致滑坡產(chǎn)生.另外，地震波的頻譜特性也是影響滑坡產(chǎn)生的一個重要因素，每一種巖土體特別是位于地表的松散或軟弱土層，由于其組成、厚度及結構不同，具有不同的卓越周期，當?shù)卣饎宇l率接近于巖土體的自振頻率時，將引起巖土體產(chǎn)生共振，從而大大加重地面的烈度，也就易于引起斜坡的滑動破壞.汶川地震誘發(fā)滑坡大部分表層具有松散覆蓋物或堆積層，部分層狀結構斜坡具有軟弱面，因此在強地震動作用下這些土層及沿著軟弱結構面極易于發(fā)生滑動破壞.

從分布特征上看，汶川地震誘發(fā)滑坡主要沿斷裂帶分布且主要分布于發(fā)震斷裂20 km的范圍內.野外地質調查及遙感解譯表明，汶川地震滑坡災害的分布具有明顯的上下盤效應，即斷層上盤滑坡的發(fā)育密度和規(guī)模都明顯大于斷層下盤，這說明強地震動作用下斷層錯動沖擊作用對滑坡的發(fā)生也具有重要的影響.越靠近斷層，地震動越強，地表烈度越大，因此越易導致滑坡發(fā)生;而斷層上盤由于地震峰值加速度大于下盤，因此也易導致滑坡發(fā)生［2－4］.

值得說明的是，斜坡動力響應特征也影響著邊坡的穩(wěn)定性，而斜坡動力響應主要受斜坡地貌特征、幾何形態(tài)以及巖性條件等因素的影響，高陡斜坡、地貌突出部位地震放大效應明顯，因此邊坡也較容易出現(xiàn)破壞.

1.5 坡體的穩(wěn)定狀態(tài)

邊坡在地震作用下的破壞與否還與坡體地震前所處的穩(wěn)定狀態(tài)有關.如果斜坡在地震前有很高的安全儲備，能夠抵抗地震力，則在地震作用下也不會發(fā)生破壞;如果地震前邊坡已經(jīng)處于極限平衡狀態(tài)或欠穩(wěn)定狀態(tài)，則在地震的觸發(fā)作用下很容易發(fā)生破壞.

1.6 風化作用

詳細的野外地質調查發(fā)現(xiàn)，汶川地震誘發(fā)滑坡部分多為坡體淺表層發(fā)生大規(guī)模滑動，也有滑坡經(jīng)歷了多級滑動，即強震作用下淺表層巖體滑動之后其底部基巖再次發(fā)生滑動.此類斜坡基巖多為易風化巖體，坡體淺表層巖體在長期的陽光照射、雨水沖刷及重力卸荷作用下，裂隙發(fā)育，巖體極為破碎，這些淺表層巖體多呈散體狀堆積于斜坡體上，而斜坡體內部未出露的基巖則相對較完整，導致地震作用下斜坡淺表層巖土體沿風化界面發(fā)生大規(guī)模的滑移.

1.7 河流作用

汶川地震誘發(fā)滑坡另外一個明顯的分布特征是沿河流水系分布，這說明河流水系對滑坡的發(fā)生也具有重要的影響.汶川地震誘發(fā)滑坡多數(shù)發(fā)育于河流侵蝕岸拐彎處，在此處由于河流長期對坡腳的沖刷而降低了坡體的穩(wěn)定性，除此之外，由于河流的拐彎地帶對于地震波也具有放大作用，因此山地河流谷坡上部的地震水平力比河床部分的地震水平力要高0.5～1.0倍，以致斜坡上的地震烈度相對于谷底要增加1度左右.此外，由于長期的下切侵蝕作用，致使斜坡卸荷裂隙發(fā)育，使巖體變得破碎，強度降低，在地震力作用下也易于發(fā)生變形破壞.

2 典型滑坡成因分析

2.1 北川王家?guī)r滑坡

王家?guī)r滑坡導致北川縣醫(yī)院、計生委、公檢法、小學和商業(yè)居民區(qū)等大面積房屋被埋毀，約1 600人被埋死亡，如圖 1所示.該滑坡體長 400 m，寬400 m，厚度30 m，體積約480×104m3.滑坡距離主中央斷裂地表破裂帶300 m［5－6］.滑體巖性為碎石夾土，碎石含量大于50%，結構零亂;滑床為寒武系下統(tǒng)清平組(∈1c)砂質頁巖、粉砂巖以及薄層砂板巖;滑面后部較陡，約75°，中部稍緩，約35°，前部平緩，小于10°，滑面埋深約15 m，滑面傾向80°.

圖1 王家?guī)r滑坡

滑坡前的自然邊坡坡度在40°～50°，上下游均為溝谷，上游為米石溝，下游為沈家溝，坡面為凸型.滑坡發(fā)生以后，后緣形成高150 m的滑坡后壁，形態(tài)呈近直線型，坡度75°，局部近直立.經(jīng)現(xiàn)場對巖體進行地質調查，實測層面產(chǎn)狀350°∠30°，節(jié)理主要發(fā)育3組，第1組節(jié)理產(chǎn)狀120°∠68°，第2組節(jié)理產(chǎn)狀200°∠65°，第 3 組節(jié)理產(chǎn)狀72°∠65°，自然邊坡(未滑動前)坡面產(chǎn)狀80°∠40°～50°.

通過赤平投影分析，如圖2所示，發(fā)現(xiàn)第3組節(jié)理與坡向基本一致，且該組節(jié)理傾角為陡傾(67°)，這和現(xiàn)場調查到的后緣陡壁產(chǎn)狀一致，推斷滑坡后壁主要是追蹤第1組節(jié)理形成的;層面與坡面傾向夾角為近90°，判斷該邊坡結構為斜向坡;受層面和2組節(jié)理切割的巖體呈碎裂結構，具備產(chǎn)生滑坡的條件.

圖2 王家?guī)r邊坡巖體結構赤平投影圖

王家?guī)r滑坡的形成主要受以下幾個因素影響:狹窄的峽谷斷面形態(tài)，上下游受溝谷切割，斜坡坡度較陡，以及凸坡地形，構成了滑坡發(fā)生的地形地貌條件;第3組裂隙傾向坡外，為王家?guī)r滑坡的形成提供了主要滑動面;王家?guī)r滑坡距北川主中央斷裂地表破裂帶僅300 m，在強大的地震動作用下，并且邊坡上部受高山地震放大作用影響下，巖土體破裂變形，滑動面追蹤貫通，導致滑體高速地下滑，為一大型高速巖質滑坡.

2.2 北川新中滑坡

北川縣城的新中滑坡，體積為180×104m3左右，掩埋毀壞了新北川中學3層高的一排教學樓及鄰近建筑物，導致高中部師生約500人遇難，如圖3所示［7］.

圖3 北川新中滑坡

現(xiàn)場調查新中滑坡的天然坡度大于50°，坡長200 m，坡寬150 m，厚度10 m，坡向330°，坡面呈直線形.地層巖性為泥盆系上統(tǒng)沙窩子組(D3sh)，灰白色灰?guī)r、白云質灰?guī)r，層面產(chǎn)狀100°∠25°，為順向破.從巖體結構來分析，北川新中滑坡巖體主要為厚層狀白云質灰?guī)r、灰?guī)r，順坡的緩裂和反向的陡裂等多組節(jié)理發(fā)育，特別是溶蝕裂隙較為發(fā)育，巖體呈塊狀結構;從地質構造來分析，NE向走向的龍門山發(fā)震斷裂通過北川新中附近，導致山體產(chǎn)生較大的位移;從地形地貌來分析，滑坡發(fā)生位置斜坡坡度較大，地形較陡;另外地震前坡體已經(jīng)處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，坡體小規(guī)模崩塌時有發(fā)生.上述4點是北川新中滑坡發(fā)生的工程地質原因，而地震時的強震動則是滑坡的觸發(fā)因素.

3 結語

1)從地形地貌、坡體地質結構、地層巖性、地震動、坡體的穩(wěn)定狀態(tài)、風化作用和河流作用等方面對汶川地震災區(qū)滑坡形成原因進行了分析，斷裂帶附近強地震動和坡體地質結構是大量滑坡形成的主要原因.

2)對典型實例王家?guī)r滑坡和北川新中滑坡成因進行了分析，距離斷裂帶較近的強地震動和傾向坡外發(fā)育的結構面是滑坡形成的主要原因，而坡度較陡或坡體已經(jīng)處于欠穩(wěn)定狀態(tài)則進一步促進了滑坡的發(fā)生.

［1］楊志法，趙汝斌，王靖，等.安縣西部地震次生地質災害及工程地質力學問題思考［J］.巖石力學與工程學報，2008，27(9):1807 －1813.

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［4］王秀英，聶高眾.汶川MS8.0級地震誘發(fā)崩滑特點及其與地震動參數(shù)對應關系初析［J］.巖土工程學報，2009.31(9):1378－1383.

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［6］王根龍，張軍慧，劉紅帥.汶川地震北川縣城地質災害調查與初步分析［J］.中國地質災害與防治學報，2009，20(3):47－51.

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Analysis of Causes and Typical Examples of the Landslide in Wenchuan Earthquake Disaster Area

DONG Jin-yu1，YANG Guo-xiang2，YANG Ji-hong1，WANG Dong2
(1.North China Institute of Water Conservancy and Hydroelectric Power，Zhengzhou 450011，China;2.Key Laboratory of Engineering Geomechanics，Geology and Geophysics Institute of Chinese Academy of Science，Beijing 100029，China)

The landslide is the uppermost type of secondary geological disasters in Wenchuan earthquake disaster area，widely distributed in the disaster area，and its quantity is large，its damage intensity is strong and has caused a large number of casualties and a hidden peril.First of all，the causes of landslides in disaster area are studied from the aspects of topography，geological structure of the slope body，stratum lithology，seismic ground motion，the steady state of the slope，weathering and fluvial action.Strong earthquake ground motion near the fault zone and geological structure of the slope body are the main reasons for the formation of a large number of landslides.Secondly，as a typical example，the causes of Wangjiayan landslide and Xinzhong Landslide are analyzed，and it is discovered that strong earthquake motion near or along the fault zone and the structural planes inclined outwards from the slope are their main reasons，but steeper slope or the slope body in an unsteady state is to further promote the occurrence of landslides.The research achievements are significant for awareness and prevention of landslides in the earthquake disaster areas.

geological structure of slope body;strong seismic ground motion;structural plane;slope gradient;failure process

1002－5634(2011)05－0010－04

2011－05－25

汶川地震地質災害調查評價項目(1212010914029);華北水利水電學院高層次人才引進項目(201105).作者簡介:董金玉(1977—)，男，河南濟源人，副教授，博士，主要從事地質工程方面的研究.

(責任編輯:陳海濤)