滑坡滑前地質(zhì)模型重建方法與思路——以鮮水河斷裂帶老虎嘴滑坡為例

王東輝，肖紅勇，李明輝

(1.中國地質(zhì)調(diào)查局成都地質(zhì)調(diào)查中心，四川 成都 610081；2.四川省地質(zhì)工程勘察院，四川 成都 610072)

模型一詞已廣泛應(yīng)用于社會生活的各個領(lǐng)域。其基本定義為用以分析問題的概念、數(shù)學(xué)關(guān)系、邏輯關(guān)系和算法序列的表示體系。工程地質(zhì)領(lǐng)域中“地質(zhì)模型”概念前身為“地質(zhì)模式”［1］，是反映邊坡穩(wěn)定性狀態(tài)各種因素的綜合體現(xiàn)，不但包括與邊坡有關(guān)的基本地質(zhì)條件，而且也包括邊坡巖體的變形特點(diǎn)與相應(yīng)的破壞方式，以及影響邊坡穩(wěn)定性的各種人為的及自然的動力因素［2］。是經(jīng)過科學(xué)的、符合實(shí)際地質(zhì)狀況簡化的一種巖體等效模型［3］。其定義為依據(jù)工程性狀，將重要的工程地質(zhì)條件，亦可稱要素，按實(shí)際狀態(tài)，進(jìn)行抽象和概化以一種簡潔的模式表示［4］?；碌刭|(zhì)模型可定義為依據(jù)滑坡內(nèi)在性狀，將滑坡發(fā)育的工程地質(zhì)條件中主要的特征地質(zhì)內(nèi)容(或要素)、形態(tài)和變形破壞狀況，結(jié)合影響滑坡發(fā)生的外在因素，經(jīng)過綜合分析，進(jìn)行抽象和概化以一種簡潔的模型表示。

滑坡地質(zhì)模型并不是簡單的幾何圖形，它是建立力學(xué)—數(shù)學(xué)模型、監(jiān)測模型，正確地進(jìn)行滑坡定量分析及穩(wěn)定性評價(jià)與預(yù)測的基礎(chǔ)，是進(jìn)行工程分析及設(shè)計(jì)施工的基礎(chǔ)。因此建立精確的滑坡地質(zhì)模型，對于評價(jià)滑坡穩(wěn)定性，分析其成因機(jī)制等具有非常重要的意義。

晏鄂川等通過對三峽庫區(qū)滑坡的研究，提出類、型、式、期組合的滑坡基本地質(zhì)模型體系［5］，在實(shí)際應(yīng)用中取得了較好的效果［6～7］。但在進(jìn)行滑前地質(zhì)模型重建的過程中則不夠適用，滑前地質(zhì)模型重在考慮影響滑坡發(fā)育的內(nèi)在地質(zhì)因素、外在地形因素及自然或人為影響因素，對滑坡的變形運(yùn)動特征及發(fā)育階段的劃分則是滑坡地質(zhì)模型重建后進(jìn)行滑坡成因機(jī)制分析時需考慮的內(nèi)容。

在復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境條件下，必須充分認(rèn)識地質(zhì)體本質(zhì)屬性即原始地質(zhì)屬性及其在降雨、地震、人類工程活動等外部營力作用下的反應(yīng)，研究中必須十分重視工程地質(zhì)基礎(chǔ)工作的研究，還原滑坡原始地質(zhì)環(huán)境條件，準(zhǔn)確認(rèn)識并確定滑前地質(zhì)模型，是分析滑坡在外部營力作用下變形機(jī)理，討論滑坡形成機(jī)制的基礎(chǔ)所在。筆者以鮮水河斷裂帶老虎嘴滑坡為例，提出了滑坡滑前地質(zhì)模型重建的方法與思路，為研究強(qiáng)活動斷裂帶滑坡易發(fā)性提供了依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

老虎嘴滑坡位于鮮水河斷裂帶北西段斷層破碎帶內(nèi)，前緣為川藏公路北線G317國道。滑坡前部覆蓋于達(dá)曲河二級階地之上，階地形成年代為14C 28000±1300年［8］?；聟^(qū)右側(cè)為基巖山脊，其上有薄層殘坡積土覆蓋，左側(cè)邊界外圍見厚5～30m殘坡積土，具成層性，下部以碎石為主，厚約5～10m，上部為淺黃色含碎石粉砂質(zhì)粘土，膠結(jié)較好，厚約3～20m?；w平面形態(tài)呈“舌”形，前部最寬952m，縱向最長810m(圖1)，最厚處位于滑體右側(cè)，可達(dá)66.9m。總體坡向62°。滑體及周邊無常駐居民，前緣威脅G317國道。

圖1 老虎嘴滑坡全貌Fig.1 Full view of Laohuzui landslide

2 滑前地質(zhì)模型重建研究內(nèi)容

要對滑坡滑前地質(zhì)模型進(jìn)行重建需對滑前各要素進(jìn)行研究，筆者將其歸納為三大類:地質(zhì)要素、形態(tài)要素、環(huán)境要素，具體見圖2。

圖2 滑前地質(zhì)模型重建要素框圖Fig.2 Sketch of elements of geological model reconstruction

3 地質(zhì)模型重建的形態(tài)要素

3.1 滑前地形

為精確掌握現(xiàn)今滑體物質(zhì)組成，在滑體及滑坡后部布置了10個鉆孔、4個探槽、5條地質(zhì)雷達(dá)測線、3條視電阻率測深測線(圖3)。

3.1.1 滑床面的確定

根據(jù)勘探資料，結(jié)合滑坡后部出露的滑床面形態(tài)，繪制出連續(xù)的滑床面形態(tài)，其剖面形態(tài)呈“凹”形，二級階地后側(cè)為基巖陡崖，滑床坡度為15°。平面形態(tài)呈“簸箕”狀，上寬、下窄，最寬處約910m，最窄處約459m，地勢上右側(cè)略高于左側(cè)(圖4)。

圖3 滑坡現(xiàn)今地貌及勘探工程布置Fig.3 Landform after failure and exploration engineering map

圖4 滑床面地形Fig.4 Topography of slip surface

3.1.2 滑體體積的確定

利用ArcGIS對1∶2000滑坡區(qū)現(xiàn)狀地形圖及滑體底面地形圖進(jìn)行處理，生成DEM后進(jìn)行柵格減計(jì)算后得到滑體厚度圖，計(jì)算得體積為918.1887×104m3。

目前滑體中部及右側(cè)有大量碎塊石堆積，其間極少粉砂或粘土充填，在滑坡外圍斜坡兩側(cè)未見松散的碎塊石堆積層，可以認(rèn)為該碎塊石堆積來源為斜坡上原有的穩(wěn)定基巖。在ZK9后部10m處見寬60m、高20～30m陡坎，剖面下部見穩(wěn)定基巖(圖5)，巖性為中風(fēng)化變質(zhì)石英砂巖，于ZK9鉆孔下部見沖洪積卵礫石。可以判定老虎嘴滑坡為基巖滑坡，于ZK9附近堆積于河流階地之上。據(jù)鉆孔及物探資料，碎塊石堆積主要在滑體兩個部位集中，一處為ZK9以東及ZK2至ZK1一線以西(圖6)，另一處為TC4至ZK7之間(圖7)，其中ZK8附近地表即可見大量碎塊石堆積(圖8)。碎塊石體積計(jì)算可以采用公式V石=V總－V土(式1)，為便于計(jì)算，在此假設(shè)物探剖面中解釋的土石比例即為滑體中粘土與碎塊石的比例，即=，式中S表示土(石)在物探剖面上所占面積，i代表8條物探剖面的序號。經(jīng)計(jì)算=0.329，代入式(1)得 V石=227.3018 ×104m3。

上覆殘坡積土結(jié)構(gòu)特征遵循相關(guān)地貌學(xué)原理［9］并結(jié)合周圍發(fā)育特征進(jìn)行恢復(fù)，詳見下文論述。

圖5 電測深DL2縱剖面Fig.5 Vertical section of DL2

圖6 電測深DL1橫剖面Fig.6 Cross section of DL1

圖7 地質(zhì)雷達(dá)LD3測線(ZK8－ZK10間)Fig.7 LD3 of geological radar(between ZK8 and ZK10)

圖8 滑體碎塊石分布區(qū)Fig.8 Distribution of fragment stone

綜合考慮上述因素，重建了老虎嘴滑坡滑前地貌形態(tài)。滑前斜坡剖面呈凸型，高程3545～3602m為5°～10°緩坡，3440 ～3545m 為 10°～15°緩坡，3342 ～3440m為30°～40°基巖陡坡，具較好臨空條件。

3.2 滑前邊界確定

(1)左側(cè)邊界:地形上為一基巖山脊，在3468m處形成埡口，滑坡在此處受左前方基巖阻擋后向右移動，左側(cè)邊界呈向右迅速收口的半圓弧形。

(2)右側(cè)邊界:在滑坡右側(cè)外側(cè)高程 3400～3410m間見四川省地震局開挖地震探槽［8］，探槽長20m，揭露大小地震斷層共19條，走向多為北西，其中2條走向北85°東，傾向南東，傾角65°，性質(zhì)以扭性為主，為鮮水河斷裂左旋扭動形成的剪切型斷裂。該組斷層在地貌上顯示為北東走向的溝槽，構(gòu)成滑坡右側(cè)邊界。

(3)后緣滑壁:滑壁總體呈半月型，長約390m，坡度20°～25°之間，后壁長度所占滑坡長度比例為1/4，反映滑坡滑動速度較快［10］。

(4)剪出口位置:剪出口位于ZK9后部，海拔3420～3440m之間，下方為坡度30～40°的基巖陡坡，距二級階地高差約80～100m。

4 地質(zhì)模型重建的地質(zhì)要素

4.1 物質(zhì)結(jié)構(gòu)

4.1.1 滑體結(jié)構(gòu)

滑體由上部殘坡積土、下部強(qiáng)風(fēng)化變質(zhì)砂巖兩部分組成。

(1)變質(zhì)砂巖呈碎裂結(jié)構(gòu)，局部糜棱巖化，產(chǎn)狀307°∠75°，發(fā)育 3組優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面，產(chǎn)狀分別為 75°∠25°、320°∠60°、100°∠65°。多呈中-強(qiáng)風(fēng)化狀態(tài)，強(qiáng)風(fēng)化厚度約3～10m，基巖被結(jié)構(gòu)面切割呈直徑3～5cm碎塊，其物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 滑體及滑床基巖的物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)Table 1 Physical-mechanical properties of the sliding body and the sliding bedrock

(2)上部殘坡積土

斜坡右側(cè)土體較薄，厚約1～5m，局部基巖出露，巖性以粉砂質(zhì)粘土為主，而左側(cè)中部見厚約30m土體，上部粉砂質(zhì)粘土層厚約20m，下部碎石層厚約10m，前部厚度變薄，于近陡崖的埡口處開始向陡崖尖滅。結(jié)合地表調(diào)查，殘坡積土主要分布于斜坡后部及左側(cè)，厚度分布上呈南西薄、北東厚，在北東角3520～3440m之間厚度最大。主要為淺黃色含碎石粉砂質(zhì)粘土，半膠結(jié)狀態(tài)，具垂向裂隙，碎石含量小于30%，直徑以3～10cm為主，磨圓較差，分選較差，天然重度19.5 kN/m3。最厚處位于斜坡北東角，厚度可達(dá)30余米，結(jié)構(gòu)上呈現(xiàn)下部以碎石為主，上部以粉砂質(zhì)粘土為主，兩者厚度比例約1∶2。

4.1.2 滑面特征

通過現(xiàn)今滑坡特征可判斷滑前滑面位置為基巖的強(qiáng)風(fēng)化層與中－微風(fēng)化層界面，產(chǎn)狀75°∠25°?；瑤翞榉凵百|(zhì)粘土夾碎石，碎石含量約5%。硬塑，見較完整絹云母碎片，其抗剪強(qiáng)度指標(biāo)見表2。

表2 滑帶土抗剪強(qiáng)度建議值Table 2 Shear strength of slip band soil

4.1.3 滑床特征

據(jù)鉆孔及槽探揭露，滑床為中-微風(fēng)化的變質(zhì)砂巖，巖體相對完整，其力學(xué)參數(shù)見表1。

4.2 地質(zhì)構(gòu)造

研究區(qū)位于鮮水河斷裂帶北西段破碎帶內(nèi)，鮮水河主干斷裂及丘洛斷層從滑坡區(qū)后側(cè)通過，格底村斷層及然達(dá)斷層從滑坡中前部及達(dá)曲左岸通過。鮮水河斷裂北西段走向315°，為第四紀(jì)強(qiáng)活動斷裂，晚更新世以來左旋走滑錯距最大達(dá)1700m，年滑動速率13±5mm［8］。其強(qiáng)烈的左旋走滑作用致兩側(cè)巖體發(fā)育多組與斷裂走向斜交的羽狀剪切節(jié)理。筆者測量鮮水河斷裂帶北西段沿線337處節(jié)理結(jié)構(gòu)面，統(tǒng)計(jì)出3組區(qū)域上的優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面，產(chǎn)狀分別為7°∠17°、57°∠49°、100°∠51°。

5 地質(zhì)模型重建的環(huán)境要素

5.1 氣象水文

屬高原寒溫帶、亞熱帶大陸性季風(fēng)高原型氣候，年降水量較少。地下水主要賦存于碎(塊)石土的孔隙中，形成上層滯水和孔隙潛水。地下水埋深3.6～5.2m?；靶逼挛挥诨鶐r陡崖之上，不受河流沖刷影響。

5.2 地震

研究區(qū)位于鮮水河強(qiáng)地震帶，北西20km左右侏倭一帶1800年以來6.0級以上2次，研究區(qū)南東40km雅德1973年發(fā)生7.9級地震。區(qū)內(nèi)地震動峰值加速度 0.2g。

6 滑前地質(zhì)模型

通過各要素對比分析，老虎嘴滑坡滑前地質(zhì)模型為:碎裂狀基巖內(nèi)部結(jié)構(gòu)面控制的強(qiáng)風(fēng)化層與中風(fēng)化層間剪切錯動帶構(gòu)成底部滑面，受地形控制的左側(cè)山脊邊界及剪切型斷裂控制的右側(cè)沖溝邊界，基巖陡坡之上的剪出口構(gòu)成有效臨空面，中厚層殘坡積層及強(qiáng)風(fēng)化基巖構(gòu)成滑體，中風(fēng)化基巖構(gòu)成滑床?；暗刭|(zhì)模型各要素特征見表3。

表3 老虎嘴滑坡滑前地質(zhì)模型各要素基本特征Table 3 Basic characteristics of the geological model

7 滑坡觸發(fā)因素分析

利用GEOSLOPE/W軟件對滑前主剖面進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算，使用地質(zhì)模型重建獲取的參數(shù)值，計(jì)算時完全指定滑移面位置，計(jì)算方法采用Morgenstern-Price法。在天然、飽水狀態(tài)下計(jì)算得安全系數(shù)分別為1.292、1.063，均處于穩(wěn)定狀態(tài)。地震為區(qū)內(nèi)滑坡發(fā)生的主要誘發(fā)因素之一。在GEOSLOPE/W軟件中，對天然狀態(tài)下的斜坡施加地震荷載進(jìn)行計(jì)算，ah/av取經(jīng)驗(yàn)值2/3(ah為地震動水平加速度，av為地震動垂直加速度)，對ah從0.10～0.20逐一代入計(jì)算，當(dāng)ah取0.12時，安全系數(shù)為0.969，斜坡處于不穩(wěn)定狀態(tài)，對應(yīng)地震烈度為Ⅶ度。初步判定老虎嘴滑坡為某次地震引發(fā)。

8 結(jié)論

(1)提出了滑坡滑前地質(zhì)模型重建要素，即反映滑坡內(nèi)部屬性特征的地質(zhì)要素；反映滑坡外部形態(tài)特征的形態(tài)要素；反映滑坡影響及誘發(fā)因素的環(huán)境要素。

(2)提出了滑前地質(zhì)模型重建的流程:現(xiàn)今滑坡特征——滑前地形恢復(fù)——確定滑前滑坡邊界——地質(zhì)要素重建——環(huán)境要素重建——滑前地質(zhì)模型。

(3)通過滑前地質(zhì)模型重建，獲取了滑前地形地貌、剪出口位置、滑體結(jié)構(gòu)等一系列滑坡分析所需參數(shù)，通過對模型的進(jìn)一步分析可以初步斷定老虎嘴滑坡應(yīng)為地震誘發(fā)。

(4)通過對老虎嘴滑坡滑前地質(zhì)模型重建，為進(jìn)一步分析該滑坡成因機(jī)制，研究強(qiáng)活動斷裂帶滑坡易發(fā)性提供了依據(jù)，同時也進(jìn)一步驗(yàn)證了本文研究思路的可行性和準(zhǔn)確性。

(5)由于滑坡發(fā)育的影響因素在各地區(qū)具有極大的差異，本文以鮮水河斷裂帶典型滑坡為例提出的滑坡地質(zhì)模型建立要素及方法在其他地區(qū)適用性還有待進(jìn)一步研究。

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