北川唐家灣滑坡變形歷史與形成機(jī)制研究

楊 琴, 范宣梅, 許 強(qiáng)，戴嵐欣, 任 敬

(成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610059)

2016年9月5日凌晨，北川縣陳家壩鄉(xiāng)發(fā)生突發(fā)性滑坡，堆積體堵塞通口河的支流都?jí)魏硬⑿纬裳呷?。初步估?jì)滑坡體體積達(dá)6×105m3，堰塞湖庫(kù)容達(dá)6.2×105m3，嚴(yán)重威脅下游居民生命財(cái)產(chǎn)安全。

通過(guò)資料收集以及走訪(fǎng)，發(fā)現(xiàn)受“5.12”汶川8.0級(jí)特大地震影響，該處曾發(fā)生大型滑坡并形成具有高危險(xiǎn)性的唐家灣堰塞湖，本次滑坡為唐家灣同震滑坡的再次復(fù)活。2008年同震滑坡總方量約4×106m3，形成堰塞湖回水長(zhǎng)度達(dá)4 km?；麦w掩埋右岸李家灣村部分房屋，造成150人死亡。廣大學(xué)者在此處展開(kāi)應(yīng)急調(diào)查和研究工作。陳曉清[1]等以壩高、最大庫(kù)容及壩體結(jié)構(gòu)作為評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)唐家灣堰塞湖的危險(xiǎn)性進(jìn)行應(yīng)急評(píng)估；饒學(xué)建等[2]根據(jù)堰塞湖特征，提出應(yīng)急處理方案；石定國(guó)等[3]從構(gòu)造作用、坡體結(jié)構(gòu)和地形三方面對(duì)該堰塞體形成機(jī)制進(jìn)行分析；F C Dai等[4]通過(guò)野外調(diào)查，對(duì)唐家灣滑坡的特征進(jìn)行了描述，并分析了滑坡形成機(jī)制。前期研究者僅就唐家灣同震滑坡特征及形成機(jī)制展開(kāi)研究，同時(shí)研究工作主要基于野外調(diào)查，對(duì)于滑坡方量、堆積厚度以及堰塞湖庫(kù)容量則都是根據(jù)野外估算。

近年來(lái)，隨著遙感技術(shù)和GIS的發(fā)展，高分辨率衛(wèi)星影像、地理信息系統(tǒng)已在滑坡災(zāi)害中得到廣泛的應(yīng)用[5～6]。本文利用GIS和遙感技術(shù)，在廣大學(xué)者對(duì)唐家灣同震滑坡研究的基礎(chǔ)上，對(duì)比多期高精度遙感影像，分析了滑坡的變形歷史；對(duì)比多期DEM，精確測(cè)算了滑坡和堰塞湖的范圍及規(guī)模。根據(jù)水位監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，計(jì)算兩次事件水位庫(kù)容對(duì)應(yīng)關(guān)系曲線(xiàn)。同時(shí)，結(jié)合野外調(diào)查分析了該滑坡兩次失穩(wěn)的主控因素和形成機(jī)制。根據(jù)上述結(jié)果對(duì)唐家灣地區(qū)未來(lái)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行闡述。該滑坡作為2008年“5.12”汶川8.0級(jí)特大地震誘發(fā)同震滑坡及震后復(fù)活滑坡的典型實(shí)例，是汶川地震地質(zhì)災(zāi)害后效應(yīng)的一個(gè)縮影[7]。通過(guò)本文的研究可以更好地揭示該滑坡的形成機(jī)制和演化歷史。

1 研究區(qū)地理及地質(zhì)環(huán)境概況

研究區(qū)位于北川縣陳家壩鄉(xiāng)太洪村李家灣，距北川縣城20 km，屬湔江一級(jí)支流都?jí)魏恿饔?圖1)。河流流經(jīng)坡腳，流向大致為自東向西，河流下切、側(cè)蝕作用強(qiáng)烈，寬緩段河谷呈“U”型，狹窄段河谷呈“V”字形，河谷較狹窄，兩岸岸坡較陡。區(qū)內(nèi)地形北高南低，兩岸山體高程多在900～1 800 m。堰塞湖段左岸較緩，坡度在20°～25°；右岸地形陡峭，坡頂坡腳高差大于500 m，最大坡度在50°以上。

研究區(qū)地處前龍門(mén)山褶皺帶和后龍門(mén)山褶皺帶的接觸地帶，區(qū)內(nèi)構(gòu)造發(fā)育，主要有青林口倒轉(zhuǎn)復(fù)背斜，北東向龍門(mén)山中央斷裂。背斜軸線(xiàn)呈NE45°延伸，軸面傾向NW，傾角在70°左右。龍門(mén)山中央斷裂由北川向東北延伸，在北川—鄧家渡段的湔江東南岸還可見(jiàn)到斷層三角面的殘壁，其傾向NE，傾角60°～70°?；顒?dòng)性主要表現(xiàn)為右旋逆沖性質(zhì)，層間擠壓錯(cuò)動(dòng)帶較發(fā)育，巖性較為破碎，風(fēng)化強(qiáng)烈。據(jù)變形資料顯示，自1985年以來(lái)，斷層北段的陳家壩場(chǎng)地以蠕滑為主，為晚更新世以來(lái)的強(qiáng)活動(dòng)性斷裂。右岸為震旦系上統(tǒng)邱家河組碳質(zhì)頁(yè)巖、硅質(zhì)巖、白云巖、灰?guī)r，左岸為志留系羅惹坪-紗帽群中部灰綠色頁(yè)巖夾薄-厚層石灰?guī)r。

圖1 唐家灣滑坡位置圖Fig.1 Location of the study area

2 唐家灣滑坡特征及變形歷史

2.1 基于多期遙感影像的變形歷史分析

對(duì)比研究區(qū)2005年4月13日(圖2a)、2008年10月13日(圖2b)、2010年10月13日(圖2c)、2015年11月19日(圖2d)、2016年9月11日(圖2e)五期遙感影像，結(jié)果顯示研究區(qū)出現(xiàn)多次變形，推測(cè)至今共發(fā)生三次滑動(dòng)。

從2005年4月13日的影像分析，雖然植被茂密，但仍能看出圈椅狀地形(圖2a)。從野外調(diào)查和新聞報(bào)道中了解到2008年同震滑坡堆積體中有大量古木，推測(cè)為古滑坡發(fā)生時(shí)迅速掩埋植被而成。野外調(diào)查時(shí)，在下游邊界小沖溝中發(fā)現(xiàn)多層泥化錯(cuò)動(dòng)帶，推測(cè)為古滑坡滑動(dòng)過(guò)程中擠壓形成。因此推測(cè)研究區(qū)在2008年以前就曾發(fā)生過(guò)大型古滑坡。對(duì)比2008年10月13日(圖2b)和2005年4月13日(圖2a)兩期遙感影像，將推測(cè)古滑坡邊界與2008年同震滑坡邊界進(jìn)行疊加，可見(jiàn)2008年同震滑坡為在汶川地震作用下誘發(fā)的古滑坡復(fù)活，堆積體堵塞河道形成堰塞湖。將后期2010年10月13日的遙感影像(圖2c)與2008年10月13日影像(圖2b)進(jìn)行對(duì)比，可見(jiàn)輕微人工改造，坡腳受河流掏蝕，部分物質(zhì)被遷移。對(duì)比2015年11月19日(圖2d)和2010年10月13日(圖2c)兩期遙感影像，2015年對(duì)應(yīng)影像除一些光壁、深切溝槽外，植被大量恢復(fù)，研究區(qū)處于穩(wěn)定恢復(fù)狀態(tài)。從2015年11月—2016年9月，滑坡范圍內(nèi)植被幾乎全部恢復(fù)。2016年9月5日研究區(qū)再次出現(xiàn)滑坡局部復(fù)活，堆積體堵塞河道再次形成堰塞湖(圖2e)。

2.2 2008年唐家灣同震滑坡特征

利用多期高分辨率衛(wèi)星影像、無(wú)人機(jī)航拍影像和震后全景照片等數(shù)據(jù)，對(duì)2008年唐家灣同震滑坡進(jìn)行解譯，確定了滑坡范圍(圖2b)?；驴傮w地形呈“階梯”狀陡緩相間的特征，即“陡-緩-陡-緩”(圖3)。在斜坡上部可見(jiàn)多級(jí)平行裂縫，滑坡后緣邊界呈圈椅狀，延伸1 000余米，滑坡范圍內(nèi)可見(jiàn)4條明顯深切溝槽，最大寬度30 m，最長(zhǎng)379 m。堆積體主要堆積在河道形成堰塞湖，回水長(zhǎng)度達(dá)4 km，蓄水約1.5×106m3。

圖3 2008年唐家灣同震滑坡Fig.3 Panorama of the 2008 coseismic landslide

根據(jù)震后2011年數(shù)字高程模型(DEM)，運(yùn)用ArcGIS中Slope工具生成2008年同震滑坡滑后坡度圖(圖4a)?；潞蟊诙盖停露?0°～60°。堆積Ⅰ區(qū)坡度較緩，坡度20°～30°，少量堆積物堆積在此處。堆積Ⅰ區(qū)以下是最大坡度大于50°的陡崖，最大高差300 m，陡崖處于滑坡范圍內(nèi)卻并未受到較大擾動(dòng)。陡崖底部為堆積Ⅱ區(qū)，是主要堆積區(qū)，堆積體掩埋坡腳處部分房屋，堵塞河道形成滑坡壩，壩體上游側(cè)平均坡度30°，下游28°。

圖4 滑后地形坡度圖Fig.4 Slope map of the whole area

為精確測(cè)算滑坡和堰塞湖的范圍及規(guī)模,對(duì)比地震前后數(shù)字高程模型(DEM)，運(yùn)用ArcGIS中Cut Fill工具計(jì)算滑坡方量[8]。以地震前DEM(2008年)作為挖填前柵格輸入，地震后DEM(2011年)作為挖填后柵格輸入。計(jì)算結(jié)果Net Gain對(duì)應(yīng)堆積區(qū)增加體積，Net Loss對(duì)應(yīng)滑緣區(qū)減少體積。得出滑緣區(qū)體積減少2.86×106m3,堆積區(qū)體積增加3.74×106m3，松散系數(shù)1.31(圖5)。再利用Rater Calculator工具計(jì)算滑坡滑緣區(qū)以及堆積區(qū)厚度變化，將地震前后數(shù)字高程模型(DEM)對(duì)應(yīng)柵格高程相減，得出最大滑動(dòng)厚度59.4 m，最大堆積厚度40.6 m。

圖5 唐家灣同震滑坡地質(zhì)平面圖及方量計(jì)算結(jié)果Fig.5 Results of volume calculation and geological plan of the coseismic landslide

基于震前數(shù)字高程模型(DEM)數(shù)據(jù)，利用ArcGIS中Surface Volume工具，根據(jù)水位監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)得出水位庫(kù)容對(duì)應(yīng)關(guān)系曲線(xiàn)[9](圖6a)，在泄洪之前堰塞湖最大庫(kù)容達(dá)1.56×106m3，約1.50×106m3的水通過(guò)泄洪道順利瀉流。隨后根據(jù)滑坡壩幾何特征以及物質(zhì)組成，認(rèn)為最大蓄水高度為38 m，計(jì)算出最大蓄水庫(kù)容6.88×106m3。

圖6 水位庫(kù)容對(duì)應(yīng)關(guān)系曲線(xiàn)Fig.6 Relationship between the volume and water level of the barrier lake

2.3 2016年唐家灣滑坡特征

對(duì)比2016年滑坡前后高分辨率衛(wèi)星影像、滑后無(wú)人機(jī)航拍影像數(shù)據(jù)，可見(jiàn)2016年唐家灣滑坡為唐家灣同震滑坡的局部復(fù)活?；潞缶夁吔缃谥绷ⅲ由扉L(zhǎng)度約650 m，后壁最大寬度362 m，最大高程1 100 m。堆積體松散，主要堆積于河道和坡腳，在滑坡右側(cè)，受滑坡擾動(dòng)可見(jiàn)小型崩塌(圖7)。根據(jù)ArcGIS中Slope工具生成的坡度圖(圖4b)，滑坡后壁最大坡度達(dá)70°，一般為30°～50°，地形陡峭?；露逊e區(qū)隨高程降低地形逐漸變緩，最大坡度小于30°。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)估算，堆積體最大堆積高度25 m。堆積體沿河道呈“半圓”狀堆積，形成堰塞體堵塞河道，壩體平均高度20 m，順河長(zhǎng)230 m，橫河寬80 m，壩體上游側(cè)平均坡度34°，下游26°。

圖7 2016年唐家灣滑坡圖片F(xiàn)ig.7 Panorama of the Tangjiawan landslide in 2016

通過(guò)對(duì)比滑坡前后數(shù)字高程模型(DEM)，精確測(cè)算了2016年復(fù)活滑坡和堰塞湖的范圍及規(guī)模。同樣采用Cut Fill、Rater Calculator工具分別計(jì)算滑坡方量、厚度變化，得出滑緣區(qū)體積減少0.61×106m3，堆積區(qū)體積增加0.74×106m3，松散系數(shù)1.21；最大滑動(dòng)厚度30.3 m，最大堆積厚度22.5 m(圖8)。利用Surface Volume工具，根據(jù)水位監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)得出2016年水位庫(kù)容對(duì)應(yīng)關(guān)系曲線(xiàn)，泄洪之前庫(kù)容達(dá)0.69×106m3，約0.61×106m3的水通過(guò)泄洪道順利瀉流。根據(jù)壩高及壩體結(jié)構(gòu)，認(rèn)為最大蓄水深度為15 m，則最大庫(kù)容1.79×106m3(圖6b)。

圖8 2016年唐家灣地質(zhì)平面圖及方量計(jì)算結(jié)果Fig.8 Results of volume calculation and geological plan of the landslide in 2016

研究區(qū)在2008年汶川地震誘發(fā)唐家灣同震滑坡，堆積體堵塞河道形成堰塞湖。時(shí)隔8年，同震滑坡局部復(fù)活，堆積體再次堵塞河道形成堰塞湖。2016年滑坡方量及堰塞湖最大庫(kù)容對(duì)比于同震滑坡時(shí)期，顯著減小。研究區(qū)正處汶川地震災(zāi)害后高危險(xiǎn)區(qū)擂鼓—陳家壩段，黃潤(rùn)秋[7]指出汶川地震后災(zāi)區(qū)地質(zhì)災(zāi)害將以4～5年為周期呈震蕩式衰減，2016年唐家灣滑坡方量為同震滑坡的20%，堰塞湖庫(kù)容也僅為2008年時(shí)的44%，規(guī)模明顯衰減。但2016年唐灣滑坡的局部復(fù)活，使坡體應(yīng)力場(chǎng)發(fā)生變化，對(duì)坡體穩(wěn)定性具有較大影響[10～11]。坡體自身巖體松散、破碎，在區(qū)域構(gòu)造作用及河流侵蝕作用等內(nèi)外動(dòng)力地質(zhì)作用影響下，很有可能使其再次復(fù)活。前兩次的滑動(dòng)都導(dǎo)致都?jí)魏雍拥蓝氯纬裳呷?，在將?lái)如果出現(xiàn)局部復(fù)活或者整體滑動(dòng)，也可堵塞河道形成堰塞湖。

3 唐家灣滑坡成因機(jī)制分析

3.1 2008年唐家灣滑坡成因機(jī)制

石定國(guó)等[3]、F C Dai等[4]分別就唐家灣同震滑坡的機(jī)制進(jìn)行分析。研究區(qū)分布震旦系上統(tǒng)邱家河組碳質(zhì)頁(yè)巖、硅質(zhì)巖、白云巖、灰?guī)r，巖層產(chǎn)狀N30°E∠NW30°。F C Dai等通過(guò)野外調(diào)查，證實(shí)映秀—北川斷裂橫穿滑坡滑源區(qū)，其活動(dòng)性主要表現(xiàn)為右旋逆沖性質(zhì)。地震時(shí)強(qiáng)烈的斷層逆沖錯(cuò)動(dòng)，上盤(pán)抬升，短時(shí)間內(nèi)地震峰值加速度非常大，坡體在高地震峰值加速度的作用下瞬間失穩(wěn)[12～14]，沿基巖陡崖高速滑下，隨后堆積于坡腳處，堵塞河道形成堰塞湖。

3.2 2016年唐家灣滑坡成因分析

2016年唐家灣滑坡的局部復(fù)活與其工程地質(zhì)條件有關(guān)，受坡體結(jié)構(gòu)、地質(zhì)構(gòu)造及水文地質(zhì)條件等因素控制，而地震活動(dòng)等有誘發(fā)和加速作用。唐家灣滑坡局部復(fù)活主要有以下幾個(gè)因素：

(1)坡體結(jié)構(gòu)：研究區(qū)分布震旦系上統(tǒng)邱家河組碳質(zhì)、硅質(zhì)頁(yè)巖夾硅質(zhì)巖，受區(qū)域環(huán)境影響，部分強(qiáng)風(fēng)化巖體抗剪強(qiáng)度降低，且地形陡峭，容易失穩(wěn)。受2008年“5.12”汶川8.0級(jí)特大地震的影響，坡體結(jié)構(gòu)破碎、解體，松散的同震滑坡物質(zhì)堆積于斜坡上，坡體自身穩(wěn)定性大大降低。

(2)構(gòu)造作用：研究區(qū)地處前龍門(mén)山褶皺帶和后龍門(mén)山褶皺帶的接觸地帶，區(qū)內(nèi)構(gòu)造發(fā)育，主要有青林口倒轉(zhuǎn)復(fù)背斜，北東向龍門(mén)山中央斷裂。斷層北段的陳家壩場(chǎng)地以蠕滑為主，自晚更新世以來(lái)表現(xiàn)為強(qiáng)活動(dòng)性。

(3)地震活動(dòng)：根據(jù)中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)中心記錄的近期歷史地震信息，在綿陽(yáng)北川縣(N31°53′，E104°22′)于2016年6月27日發(fā)生4.6級(jí)地震；綿陽(yáng)安縣(N31°29′，E104°17′)于2016年5月29日發(fā)生4.3級(jí)地震。同時(shí)在進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查中了解到，在發(fā)生2016年滑坡前20天左右，坡體上開(kāi)始出現(xiàn)多次小型崩塌?？梢?jiàn)，近期的有感地震和中強(qiáng)震是2016年滑坡復(fù)活的又一誘發(fā)因素。

(4)河流侵蝕作用：湔江一級(jí)支流都?jí)魏恿鹘?jīng)研究區(qū)，流向大致為自東向西，河流下切、側(cè)蝕作用強(qiáng)烈。河流侵蝕坡腳，對(duì)滑坡的復(fù)活起到了促進(jìn)作用。

4 結(jié)論

(1)采用ArcGIS平臺(tái)中Cut Fill、Rater Calculator和Surface Volume計(jì)算了兩次滑坡和堰塞湖的范圍及規(guī)模、水位庫(kù)容對(duì)應(yīng)關(guān)系曲線(xiàn)。該方法方便快捷，且結(jié)果精確。

(2)對(duì)比從2005年以來(lái)研究區(qū)的5期遙感影像，研究區(qū)在2005年以前、2008年、2016年共發(fā)生三次滑坡，由于研究區(qū)自身結(jié)構(gòu)破碎，構(gòu)造作用強(qiáng)烈，在未來(lái)仍有可能受內(nèi)外動(dòng)力地質(zhì)作用影響再次出現(xiàn)復(fù)活，并堵塞河道形成堰塞湖。

(3)2008年同震滑坡主要是由于龍門(mén)山中央斷裂帶，映秀—北川斷裂橫跨滑源區(qū)，地震時(shí)強(qiáng)烈的斷層逆沖錯(cuò)動(dòng)，導(dǎo)致位于斷層上盤(pán)的坡體瞬間失穩(wěn)；而2016年滑坡局部復(fù)活主要是由于2008年地震造成坡體結(jié)構(gòu)破碎解體，松散的同震滑坡物質(zhì)堆積于陡峭斜坡上，導(dǎo)致坡體自身穩(wěn)定性大大降低，加之近期地震活動(dòng)和河流侵蝕坡腳等內(nèi)外動(dòng)力地質(zhì)作用的影響，導(dǎo)致滑坡復(fù)活。

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