甘肅舟曲泄流坡滑坡活動機理分析

蔣 樹，文寶萍，趙 成，李瑞冬

(1.中國地質大學(北京) 水資源與環(huán)境學院，北京 100083;2.甘肅省地質環(huán)境監(jiān)測院，甘肅蘭州 730050)

0 引言

泄流坡滑坡位于甘肅省舟曲縣白龍江下游約5.5km處的河流左岸。20世紀以來該滑坡發(fā)生過8次劇烈滑動，最近2次劇烈滑動分別發(fā)生于1963年9月12日和1981年4月9日，后者堵江高度達21m，淹沒公路和大片農田、危及舟曲縣城安全。1981年以后該滑坡雖未再度發(fā)生大規(guī)模劇烈滑動，但是根據(jù)長江上游舟曲二級監(jiān)測站近20年的監(jiān)測資料，泄流坡仍在緩慢滑動之中。

國內許多專家學者曾對該滑坡的活動特征和變形機理做了研究。邊義成認為泄流坡滑坡的活動性與降雨量關系密切［1］;余志山認為白龍江水流對滑坡前緣沖刷淘蝕和大氣降水入滲是滑坡持續(xù)滑動的主要誘因，其次為地震因素［2］;吳其偉、黃大庭等認為斷裂在滑坡的發(fā)育形成和活動中起著控制作用［4］;吳瑋江認為，除斷層帶外，易滑的地層條件、斜坡地形、豐富的地下水以及白龍江的強烈侵蝕都對滑坡活動有控制作用或顯著影響［5］;王景榮認為盡管該滑坡的形成原因是綜合性的，但是河流沖刷對其整體下滑不起主導作用［6］。前人研究對該滑坡的認識既有共性，又具有差異。共性如斷裂帶的控制作用，差異則體現(xiàn)在其他因素的控制或影響作用，但這些研究都缺乏對滑坡所在部位斷裂特征以及滑坡發(fā)育特征的詳細調查，且均為簡單的定性分析，對滑坡動態(tài)及其趨勢的深入分析和定量評價尚為空白。本文以野外詳細調查為基礎，建立了針對滑坡發(fā)育特征的三維地質模型，選取針對滑坡活動特點的蠕變本構模型，通過數(shù)值模擬手段，對泄流坡滑坡的活動機理進行了初步分析。

1 區(qū)域地質環(huán)境和滑坡發(fā)育特征

1.1 區(qū)域地質環(huán)境

泄流坡滑坡地處隴南構造侵蝕斷塊中高山區(qū)的白龍江峽谷中，地形陡峻，切割強烈，滑坡發(fā)育于白家山與管家山之間的埡口斜坡地帶(圖1)。

圖1 泄流坡滑坡全貌及鉆孔位置Fig.1 Overview of the Xiliupo landslide and locations of boreholes on the landslide

滑坡區(qū)在構造上地處秦嶺東西向構造帶西延部分的光蓋山-迭山斷裂帶內，光蓋山-迭山斷裂帶西起光蓋山西段，向東沿迭山北緣大致S70°E方向延伸，最東段至武都以北的大懸里，長約250km。斷裂東段由三條近平行斷裂組成，分別為光蓋山-迭山北緣斷裂、坪定-化馬斷裂和舟曲斷裂。三條斷裂平行展布，形成寬約5～12km的斷層帶(圖2)。斷裂帶總體走向130°、傾向 NE、傾角50°～80°。斷裂性質以擠壓逆沖為主，兼具左旋走滑［7］。根據(jù)中國地震局地質研究所對該地區(qū)活動斷裂近三年的GPS觀測數(shù)據(jù)，光蓋山-迭山斷裂的走滑速率1.4mm/a，擠壓逆沖速率3.7mm/a［8］。同時，該斷裂長期緩慢滑移、但未發(fā)震的特點，顯示其為典型的蠕滑型活斷層。

滑坡區(qū)及其周圍出露地層有:泥盆系中統(tǒng)西漢水群古道嶺組上段(D22g2)的板巖、炭質板巖、千枚巖、砂巖夾灰?guī)r;石炭系中上統(tǒng)(C2+3)的中厚層狀灰?guī)r、硅質條帶灰?guī)r和鮞狀灰?guī)r和第四系中上更新統(tǒng)(Q2+3)黃土狀土。泥盆系、石炭系地層分別出露于滑坡北、南兩側，其間為兩山所夾的埡口地形，區(qū)域上光蓋山斷裂帶中坪定-化馬斷裂即從埡口處穿過沿NW-SE方向展布，南側灰?guī)r山體側壁近于直立，地勢陡峻，表面光滑，為斷裂下盤斷面。

圖2 光蓋山-迭山構造地質簡圖Fig.2 Simplified geological map along the fault zone of Guangai mountain-Die mountain

1.2 滑坡發(fā)育特征

泄流坡滑坡平面上呈長舌狀，形態(tài)不規(guī)則(圖1)?；虑熬壣烊氚埥哟?，高程1300～1310m;滑坡后緣以啞口處分水嶺為界，高程2100m，前后緣高差約800m;滑坡南側邊界受斷裂控制，北側以沖溝為界;滑坡縱長約2.6km，上部寬度650m，中部最窄處寬約450m，下部寬約550m，平均寬度約550m;鉆探查明滑坡平均厚度約50m，總體積約7150×104m3。滑坡所處斜坡平均坡度19°，受地形控制，滑坡上部主滑方向 330°，中部 286°，下部 270°。

由于泄流坡滑坡一直處于緩慢滑動狀態(tài)，滑坡區(qū)發(fā)育多個次級小滑坡，這些次級滑坡在與滑坡同時滑動過程中，由于滑移速度的差異，逐漸解體，因此滑坡表面起伏不平，裂縫、臺坎、臺地發(fā)育，在滑坡中上部尤為集中。最大臺地出現(xiàn)在滑坡上部管家山村的農田內，高約70～92m、坡度38°，其下有三處規(guī)模較大的次級滑坡，以靠近管家山的次級滑坡規(guī)模最大，滑體長約600m，伸展至中部泄流坡村附近;中下部坡體表面裂縫發(fā)育，以縱向裂縫居多，一般長5～60m，數(shù)條裂縫長達300m，裂縫可見深度0.2～1.5m，寬度0.02～0.2m。

地表調查和鉆探揭露，滑體由第四系黃土狀土、泥盆系炭質板巖、炭質千枚巖強風化碎石土組成(圖3)。兩層物質在滑坡各處厚度變化大，中后部黃土狀土較薄，強風化碎石土泥化嚴重?；矌r性以泥盆系中統(tǒng)西漢水群古道嶺組上段弱風化的炭質板巖、炭質千枚巖為主，在滑坡的后緣山體鞍部以南，斷層的下盤則為石炭系中上統(tǒng)的灰?guī)r。滑帶沿板巖、千枚巖強風化碎石土與弱風化層界面發(fā)育，滑帶物質由炭質板巖、炭質千枚巖泥化后的粘性土夾少量碎石構成，厚約1m?；挛匆姺€(wěn)定地下水。鉆探過程中發(fā)現(xiàn)，隨著深度增加，巖土體濕度增大，但是遠未達到飽和程度，滑帶附近，濕度最大，土體呈可塑軟塑狀。由于坡體表面破碎松散、裂縫發(fā)育，所以降水極易滲入坡體內，增大坡體含水量。

2004年以前，白龍江水流湍急，流速較大，對滑坡前緣的沖刷側蝕作用強烈;2004年當?shù)卦诨孪掠涡藿ɑ⒓已滤娬?，將白龍江水通過右岸引水洞引入電站，此后流經(jīng)滑坡前緣的江水水位下降、流速減緩，河流沖刷作用也隨之減弱。

圖3 泄流坡滑坡主縱剖面圖Fig.3 Geological cross section map of the Xieliupo landslide

2 計算模型與計算條件

2.1 地質模型概化

地質模型以2012年2月實測的1∶1000工程地質圖和鉆探結果為基礎進行概化。為了能較全面反映滑坡區(qū)地形特征，數(shù)值模擬采用三維地質模型。模型東西長4km，南北寬3km，覆蓋滑坡后緣分水嶺另一側、滑坡兩側及對岸的一定范圍的基巖山地。由于斷層帶穿過埡口，滑坡北側的泥盆系板巖、千枚巖以斷層接觸方式推覆于石炭系灰?guī)r之上，因此在滑坡南側灰?guī)r出露處按斷層走向設置界面單元，滑體與滑床之間為厚約1m的滑帶。

為了提高計算精度，將滑坡內、外設置為不同大小的網(wǎng)格單元，其中滑坡外網(wǎng)格為100～300m的楔形體單元，滑坡區(qū)內加密為40m楔形體單元，計算模型共有67985個單元和39311個節(jié)點(圖4)。數(shù)值模擬采用適合模擬巖土大變形、基于快速拉格朗日法的有限差分計算軟件FLAC3D。

圖4 泄流坡滑坡三維模型與計算監(jiān)測點(JC1－JC7)Fig.4 3D model of the Xieliupo landslide and locations of the virtual monitoring points

2.2 材料本構模型與計算參數(shù)

泄流坡滑坡長期處于緩慢滑動之中，具有典型的流變特性。為了模擬滑坡的緩慢滑移過程，針對滑體物質的松軟特性，數(shù)值模擬中選取由表征松軟材料流變特性的Burgers模型與表征巖土材料剪切破壞特性的Mohr-Coulomb模型串聯(lián)而成的復合黏彈塑性模型Cvisc模型為流變狀態(tài)下滑坡材料的本構模型，同時采用Mohr-Coulomb模型(M-C模型)為非流變狀態(tài)下滑坡材料的本構模型，與流變狀態(tài)的變形特征進行比較。

計算參數(shù)見表1，其中巖土基本物理力學參數(shù)來自于鉆探試樣的室內試驗資料，巖土流變參數(shù)則在試驗基礎上綜合經(jīng)驗參數(shù)選取［9-10］。

表1 泄流坡滑坡材料物理力學參數(shù)Table 1 Parameters of the landslide materials used for numerical simulation

2.3 計算邊界與計算條件

本次數(shù)值模擬的目的是分析斷層活動、河流側蝕對滑坡活動特性控制作用或影響程度。如前所述，該區(qū)域光蓋山-迭山斷裂的走滑速率為1.4mm/a，因此在計算模型上的斷層上盤，即滑坡北側白家山-青崖頭-安子坪一線的巖土體上施加順斷層走向290°方向的速度邊界，模擬斷層活動情況下的滑坡活動特征。

河流對滑坡側蝕的主要作用是河水在側岸坡腳產生流向方向的拖拽力，將坡腳巖土體掏空，上覆巖土體由于失去支撐則在重力作用下不斷坍塌，進而牽引后部坡體不斷變形。所以，河流對滑坡的側蝕作用采用施加流向方向的切向力近似模擬。根據(jù)彎道切應力公式τ0s=和曼寧公式［11］，結合泄流坡前緣白龍江的沖刷特征，假定在河流水深5m和10m時，可得切應力分別為1.25kPa和6.54kPa，將該力施加到滑坡前緣與河流接觸的各節(jié)點上以研究不同水深條件下河流側蝕作用對滑坡的影響。

3 不同條件下的滑坡變形特征

3.1 非流變狀態(tài)下的滑坡變形特征

非流變狀態(tài)下，即當滑坡穩(wěn)定性以及變形特征受制于滑帶的瞬時抗剪強度時，數(shù)值模擬結果顯示(圖5)，經(jīng)過8237時步的運算后，系統(tǒng)收斂，各部分的位移趨于一個量值很小的恒定值，最大位移僅為3.76cm;并且從管家山農田前緣陡坎向下位移大體呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢，下部前緣段未出現(xiàn)明顯位移，滑體內沒有出現(xiàn)貫通塑形區(qū)。因此，在非流變條件下，滑坡整體基本穩(wěn)定，這與滑坡整體處于緩慢滑移狀態(tài)不符，表明由瞬時強度控制的滑坡巖土彈塑性變形不能導致滑坡整體失穩(wěn)和長期緩慢滑移。值得注意的是，斷層兩側滑坡位移出現(xiàn)不連續(xù)的現(xiàn)象，表明滑坡變形受到斷層界面約束，但是滑坡穩(wěn)定性和活動特征未有顯著影響。

3.2 流變狀態(tài)下的滑坡變形特征

3.2.1 自重作用下

圖5 非流變條件下滑坡位移云圖(上)和監(jiān)測點位移-時步曲線Fig.5 Displacement contour diagram and the curves showing relationship between displacement of the monitoring points and time steps when landslide materials have no viscous properties

若僅考慮斜坡自重，將斷層作為模型中的分割界面，但不考慮斷層活動和河流側蝕作用，經(jīng)過29024時步的蠕變后，滑坡整體均處于滑移之中(圖6)。隨時間各監(jiān)測點的位移均趨于勻速蠕變狀態(tài)，蠕滑速率為0.03～0.23mm/d，最大變形區(qū)域出現(xiàn)在管家山農田前緣陡坎北側，農田后至后緣埡口一帶變形較小，從陡坎向下位移速率呈現(xiàn)遞減趨勢，個別點受局部地形影響位移速率較上方滑體快，滑坡總體呈現(xiàn)推移式蠕滑特征，與滑坡表面以縱向裂縫多的現(xiàn)象比較吻合。與非流變狀態(tài)相同，斷層兩側滑坡變形在量值上有一定差異，也顯示斷層面對滑坡變形的約束作用。

3.2.2 活動斷層在滑坡中的作用

考慮斷層活動時，所得模擬結果反映，滑坡的總體變形特征與斷層不活動時大體類似(圖7)。變形最大區(qū)域同樣出現(xiàn)在管家山農田前緣陡坎附近，陡坎以下滑坡變形仍呈推移式特征，農田后至埡口一帶變形逐漸減小，又有牽引式特征。但是達到勻速蠕變階段的速率較斷層不活動條件下有所增大，同一位置的監(jiān)測點的勻速蠕滑速率0.14～0.3mm/d，也較前一條件加快。以JC2號點為例，在斷層不活動時，滑移速率0.11mm/d，而在斷層活動時，蠕滑速率0.14 mm/d，增大幅度27%。另外，與斷層不活動條件下陡坎下方監(jiān)測點JC5的速率大于陡坎后緣平臺監(jiān)測點JC6不同的是，斷層活動條件下，JC6的速率明顯大于JC5的滑移速率(圖7)。這與實地調查中JC6附近錯落，拉張裂縫等非常發(fā)育，而JC5附近變形跡象不甚明顯的特點基本吻合。

圖6 流變狀態(tài)下自重作用時滑坡位移云圖(上)和監(jiān)測點位移-時步曲線Fig.6 Displacement contour diagram and the curves showing relationship between displacement of the monitoring points and time steps when landslide materials have no viscous properties and the fault is not active

依據(jù)初步模擬結果，斷層活動加劇了滑坡的滑移速率和位移量，但是未改變滑坡的總體變形破壞模式。因此，泄流坡滑坡的蠕滑至少是斷層活動和斜坡重力共同作用的結果，即光蓋山-迭山斷裂在運動過程中不僅擠壓碾磨巖土，導致泥盆系炭質板巖泥化、破碎，形成具有顯著流變性質的軟弱物質，而且牽引、或拖拽斷層附近斜坡隨之蠕變，因此光蓋山-迭山斷裂的存在及其持續(xù)活動是泄流坡滑坡長期滑移的關鍵因素。

圖7 斷層活動對蠕滑速率的影響Fig.7 The curves showing relationship between displacement of the monitoring points and time steps when landslide materials have no viscous properties and the fault is active

3.3 河流側蝕對滑坡的影響

如前所述，河流對滑坡產生側蝕的主要方式是河水在側岸坡腳產生順河流流向的拖拽力，因此通過施加順河流流向的切向力近似模擬河流的側蝕作用。

經(jīng)過相同的29000時步計算，由滑坡主軸剖面前緣的位移云圖可以看出，5m水深的條件下位移云圖過渡自然，位移跡線整體平順，僅在坡腳幾米范圍內表現(xiàn)出河流側蝕引起的牽引變形，前緣整體表部位移大于深部位移，位移由后向前發(fā)展，變形模式及量值與天然條件下相差不大，坡腳處的位移量僅有1.05m(圖8a)，表明河流側蝕的作用不明顯。在10m水深條件下，滑坡主軸剖面前緣的變形特征與5m水深條件下基本相同，但是河流側蝕形成的牽引區(qū)范圍明顯擴大，位移跡線在臨河部位發(fā)生了明顯偏轉，由小角度傾斜轉變?yōu)槎噶?，位移量值也較前一條件顯著增大，前緣坡腳部位的位移量達2.92m(圖8b)，顯然河流側蝕作用急劇增強，因此，河流側蝕作用對滑坡影響似乎與河水水位正相關。另一方面，10m河水位條件下，河流側蝕后僅在滑坡前緣附近約70m范圍內變形增大較明顯，也就是現(xiàn)在的S313省道附近，滑坡上部變形則未發(fā)生明顯變化。目前，泄流坡滑坡前緣的白龍江水由于虎家崖水電站引水工程的運營，河水深度不足5m，所以河流側蝕對泄流坡滑坡的影響更加微弱。與斷層活動相比，河流側蝕對滑坡的影響程度較低，顯然不是滑坡產生長期緩慢滑移的主導因素。

圖8 滑坡主軸剖面前緣在不同水深條件下的位移云圖Fig.8 Sectional contour diagram of the landslide displacement when the river incision occurs with different water level

4 結論

(1)受制于巖土瞬時強度的彈塑性變形不是滑坡長期緩慢滑動的主因，斷層破碎帶物質的松軟流變特性控制滑坡的長期緩慢滑移特征。泄流坡滑坡在管家山農田前緣的陡坎以下部分總體呈推移式的活動模式，滑坡變形管家山農田至后緣埡口一帶變形較小。

(2)斷層活動加劇滑坡速率和變形量，但是未改變滑坡活動模式。

(3)河流側蝕作用對滑坡的影響范圍在前緣70m范圍內較明顯，但是對滑坡整體滑移特性影響不大。

(4)斜坡重力和光蓋山-迭山斷裂的長期活動共同作用造成泄流坡滑坡的長期緩慢滑移，白龍江的側蝕僅對滑坡前緣變形有加劇作用。

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