金沙江上游某特大型滑坡發(fā)育特征及堵江機(jī)制

，，

(1. 中國地質(zhì)調(diào)查局成都地質(zhì)調(diào)查中心，成都 610081； 2.成都理工大學(xué) 地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境研究保護(hù)國家重點實驗室，成都 610059)

1 工程概況

金沙江上游地區(qū)地處青藏高原東南側(cè)，是我國一級階梯和二級階梯的過渡地帶，地形高差大，為典型的高山峽谷地貌。同時，由于印度洋板塊對歐亞板塊的俯沖作用，青藏高原數(shù)千年來處于不斷隆升過程中，其周邊構(gòu)造活動強(qiáng)烈。受此影響，金沙江上游地區(qū)地震災(zāi)害頻發(fā)，再加之獨特的工程地質(zhì)條件，使該地區(qū)堵江滑坡廣泛發(fā)育，給當(dāng)?shù)厝嗣駧砹藝?yán)重的災(zāi)難和各種不良環(huán)境效應(yīng)，誘發(fā)的次生地質(zhì)災(zāi)害所造成的損失更是難以估計。

20世紀(jì)70年代后，滑坡堵江問題引起世界各國地質(zhì)學(xué)家廣泛關(guān)注[1-5]。我國是堵江災(zāi)害較為發(fā)育的國家之一，目前收集的典型實例已超過200多起[6-8]。在堵江機(jī)制研究方面，胡卸文等(2009)[9]在對唐家山堰塞湖詳細(xì)調(diào)查的基礎(chǔ)上，結(jié)合地震前資料，對唐家山滑坡堵江機(jī)制以及堵江過程進(jìn)行了詳盡的闡述，將唐家山滑坡堵江過程概括為：地震誘發(fā)→滑坡體前緣剪切、后緣拉裂→高速下滑、形成氣浪、前緣刨蝕河床、對岸阻化隆起→后緣邊坡坐落下滑→堰塞堵江；徐文杰等(2010)[10]以肖家橋滑坡為例，在對滑坡區(qū)進(jìn)行詳細(xì)的地質(zhì)調(diào)查基礎(chǔ)上，結(jié)合動力有限元分析技術(shù)，再現(xiàn)滑坡在地震作用下的三維空間堵江過程；陳超等[11]對西南某水電站庫區(qū)的古滑坡堵江成因以及變形機(jī)理進(jìn)行了分析，利用UDEC軟件對其變形破壞過程進(jìn)行了還原;陳語等[12]以拉月滑坡為例，分析了溝谷型滑坡的變形破壞機(jī)制與災(zāi)害鏈的成災(zāi)模式。從整體上看，由于人們對滑坡堵江事件研究的起步較晚，而且研究尚處于初步階段，滑坡堵江的研究程度遠(yuǎn)沒有對滑坡本身的研究程度高，針對滑坡的堵江機(jī)制研究還相對較少。

本文以金沙江上游某特大型堵江滑坡為例，分析了滑坡的發(fā)育特征與堵江特征，在此基礎(chǔ)上，對其堵江機(jī)制進(jìn)行了系統(tǒng)研究，期望研究成果有利于豐富和擴(kuò)展人們對金沙江上游地區(qū)堵江機(jī)制的認(rèn)識，為今后相關(guān)研究工作提供一定的參考價值，對這類災(zāi)害問題的處理提供科學(xué)的依據(jù)。

2 滑坡發(fā)育特征

2.1 滑坡發(fā)育地質(zhì)背景

滑坡區(qū)屬于侵蝕高山區(qū)，滑坡后緣高程3 150 m，前緣高程2 535 m，高差達(dá)615 m，見圖1?；滤幍牡貙訋r性主要為云母石英片巖，多以薄層狀為主，現(xiàn)場實測云母石英片巖產(chǎn)狀傾向為260°～275°，傾角為70°～78°，為順層陡傾巖質(zhì)斜坡，軟弱的石英片巖在地質(zhì)歷史演化過程中，易出現(xiàn)層間擠壓、滑動，進(jìn)而發(fā)生彎曲、傾倒變形。

圖1 滑坡區(qū)地貌特征Fig.1 Geomorphic features of landslide area

滑坡位于鮮水河—滇東地震帶內(nèi)，多條斷裂帶從區(qū)域內(nèi)通過，地震活動頻繁，近300 a以來區(qū)域內(nèi)多次發(fā)生6級以上地震。同時，金沙江上游，侵蝕切割作用強(qiáng)烈，后緣有雄松—蘇洼龍斷裂通過，該斷裂在此處呈NNE向延伸，傾向NW280°～290°，傾角為45°～50°。根據(jù)鉆孔資料，滑坡淺部基巖結(jié)構(gòu)面發(fā)育，陡緩結(jié)構(gòu)面均有發(fā)育，其中陡傾結(jié)構(gòu)面傾角為60°～70°，密度為2～3條/m，緩傾角結(jié)構(gòu)面傾角為10°～15°，密度為2～3條/m。在滑坡區(qū)周邊正常巖層中統(tǒng)計的大量結(jié)構(gòu)面見圖2、圖3和表1。

圖2 滑坡優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面等密度圖Fig.2 Density contours of landslide’s dominant plane

圖3 滑坡優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面玫瑰花圖Fig.3 Rose diagram of landslide’s dominant plane

組號傾向/(°)傾角/(°)與岸坡的關(guān)系129971斜向傾下游坡外225045順傾坡外321832斜向傾上游坡外411279斜向傾下游坡內(nèi)56177反傾坡內(nèi)

2.2 滑坡形態(tài)特征

滑坡平面呈圈椅狀，前緣向兩側(cè)擴(kuò)散開，歷史上曾發(fā)生兩期較大規(guī)模的滑坡。目前滑坡體縱向長約1 300 m，橫向平均寬約570 m，總面積75萬m2，總方量達(dá)6 000萬m3，屬于特大型滑坡，滑坡體后部與前緣較陡、中部較緩，整體呈陡-緩-陡發(fā)育。根據(jù)滑坡的發(fā)育特征，可將滑坡分為滑坡滑源區(qū)(Ⅰ區(qū))和滑坡堆積區(qū)(Ⅱ區(qū))。又可以將堆積區(qū)分為次級滑動堆積區(qū)(Ⅱ1)、左岸主堆積區(qū)(Ⅱ2)、右岸殘體區(qū)(Ⅱ3)，滑坡平面分布見圖4，剖面圖見圖5。

圖4 滑坡平面分布圖Fig.4 Plane distribution of landslide

圖5 滑坡縱剖面圖Fig.5 Longitudinal profile of landslide

2.3 滑坡堵江特征

滑坡以較快的速度沖向?qū)Π兑院?，現(xiàn)今兩岸發(fā)育大量滑坡堵江潰壩以后殘留的地質(zhì)特征：

(1)在滑坡上游側(cè)河流兩岸均堆積有較為密實的湖相沉積粉土(圖6(a))；在滑坡下游側(cè)，分布有堰塞壩潰決后的堆積體，堆積體隨距離增加而逐漸減小。堆積物主要由塊石組成，呈棱角狀。滑坡下游堆積體見圖6(b)。

(2)滑坡附近河床水面寬度差異大，堵江段水面寬度約80 m，未堵江段約250 m；河床物質(zhì)差異大，主要表現(xiàn)為堵江段河床中大塊石多，而未堵江段比較少(圖6(c)、圖6(d))。

(3)靠近滑坡上游邊界附近的河對面的河邊堆積物沖刷剖面上，可以比較清楚地看到河對面的堆積物顏色、物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)、顆粒大小等具有明顯的分層性(圖6(e))。堆積物上層的塊碎石成分主要為花崗巖、云母石英片巖、石英巖，細(xì)粒物質(zhì)主要為粉粒和砂粒；堆積物下層的塊碎石成分主要為云母石英片巖，細(xì)粒物質(zhì)主要為片巖磨碎的巖屑與巖粉，下層堆積物的物質(zhì)成分與河對面的滑坡的滑坡體堆積物成分類似。

圖6 滑坡堵江特征Fig.6 Characteristics of blocking the river

當(dāng)滑坡的滑距超過了對岸的河岸線，則河流有可能被堵斷，按照滑體大致可能的整體運(yùn)動的原則，堵江高度H可以采用式(1)計算。

H=(1-L1/Lmax)(1+f)h1+Lmax/B。

(1)

圖7 研究區(qū)內(nèi)傾倒變形現(xiàn)象Fig.7 Toppling deformation in the study area

式中：L1為滑坡前緣到江對岸距離(m)；f為動摩擦系數(shù)；h1為滑體平均厚度(m)；Lmax為滑坡滑距(m)；B為河流寬度。

式(1)主要適用于滑坡運(yùn)動距離較遠(yuǎn)，且明顯大于河道寬度的滑坡。通過分析現(xiàn)今滑坡前緣形態(tài)推測，發(fā)生滑坡時河道寬60～80 m，滑坡前緣距離江邊約100 m，滑坡運(yùn)動最大距離1 226 m。通過前人研究的堰塞壩高度計算公式(1)可以計算出堵江高度，各參數(shù)取值見表2。根據(jù)滑坡剖面圖可知，右岸殘留滑坡體最高處距河谷高差約180 m，與計算所得堵江高度176 m基本一致。

表2 堵江高度計算Table 2 Parameters of calculating river blocking height

據(jù)此，堰塞壩堵江長約730 m，橫河向?qū)捈s350 m，堵江高度176 m，推測堰塞壩面積約12.8×104m2，體積為2 248×104m3?？梢娫摶略斐傻难呷麎我?guī)模巨大，曾造成嚴(yán)重的堵江災(zāi)害。

3 滑坡堵江機(jī)制研究

3.1 滑坡成因機(jī)制分析

由于金沙江河谷下切作用和側(cè)蝕作用十分強(qiáng)烈，滑坡區(qū)原始岸坡呈上緩下陡的凸型邊坡，坡頂坡角約15°，前緣坡角約35°，局部可達(dá)40°以上，高差615 m，這樣的坡形為滑坡形成提供了較好的臨空面；構(gòu)成邊坡的巖體巖性主要為云母石英片巖，受斷層影響，巖層陡傾，傾向為260°～275°，傾角為70°～78°，裂隙發(fā)育，為滑坡形成提供了較好物質(zhì)條件；同時滑坡區(qū)位于鮮水河—滇東地震帶內(nèi)，地震活動頻繁，為滑坡形成提供了良好的動力條件。

任光明等[13]研究表明，在坡度超過40°，巖層傾角超過65°的軟弱巖體構(gòu)成的斜坡內(nèi)，容易發(fā)生滑移-傾倒變形。該斜坡上部平緩，但中前部較陡，局部超過40°，基巖為軟弱的云母石英片巖，傾角為70°～75°，同時地震活動頻繁，具備形成此類傾倒變形的條件。研究發(fā)現(xiàn)，在距滑坡區(qū)約2 km的壩址區(qū)，金沙江左岸的象鼻山處發(fā)育有此類傾倒變形，平硐PD304勘探資料也揭露研究區(qū)內(nèi)大量發(fā)育此類順層傾倒變形(圖7)。可將整個滑坡變形破壞分為：巖體卸荷回彈→滑移-傾倒變形→根部折斷，滑面貫通。

3.2 滑坡堵江機(jī)制分析

根據(jù)恢復(fù)剖面推測，發(fā)生滑坡時江水深約95 m，寬約220 m，巖土體飽水狀態(tài)下的內(nèi)摩擦角取28°。根據(jù)周必凡等(1991)[14]提出的堵江最小入江體積公式計算得出所需最小土石方量1 203.14×104m3。根據(jù)前文分析，滑坡總方量達(dá)6 000萬m3，目前左岸堆積體為3 300萬m3，右岸殘留1 400萬m3，江水沖刷約1 300萬m3，發(fā)生滑坡時入江方量必然>1 300萬m3，滑坡具備造成完全堵江的物質(zhì)。

該段金沙江流域最大洪峰流量6 525 m3/s，即便發(fā)生滑坡時洪峰流量稍大于現(xiàn)在，單位時間的入江土石方量也遠(yuǎn)大于河水流量，具備造成完全堵江的水動力條件。

胡廣韜《滑坡動力學(xué)》中將此類滑坡運(yùn)動模式總結(jié)為“劇動式高速滑坡”，根據(jù)該書中提出的速度計算公式表明，該滑坡啟動速度達(dá)1.9 m/s，滑體質(zhì)心運(yùn)動至剪出口上方時速度達(dá)46.5 m/s，與對岸山體碰撞后速度達(dá)50.6 m/s，具有強(qiáng)大的沖擊力。因此當(dāng)滑坡形成以后，大量的滑坡體堆積于河床內(nèi)，且滑坡體以非常高的速度撞擊河床，巨大沖擊力使滑坡體十分密實，而河床的江水流量，不足以沖毀堰塞壩也不會形成繞壩滲流，致使堰塞壩體能夠長期穩(wěn)定的存在。

3.3 滑坡數(shù)值模擬研究

離散元法適用于節(jié)理巖體的特征分析，尤其適用于節(jié)理控制的滑坡變形特征和破壞過程研究，是分析滑坡形成與運(yùn)動的重要工具。目前常用的離散元軟件主要有ITASCA公司的二維離散元(UDEC)、三維離散元(3DEC)、PFC2D、PFC3D，其中通用離散元程序(UDEC)是用于模擬非連續(xù)介質(zhì)承受靜載或動載作用下響應(yīng)的二維離散元程序，在節(jié)理裂隙切割的巖體中運(yùn)用得非常廣泛。

3.3.1 模型的建立以及參數(shù)的確定

根據(jù)滑坡恢復(fù)剖面(圖8)，并結(jié)合滑坡特征，建立了二維離散元概化模型(圖9)。

圖8 滑坡恢復(fù)剖面圖Fig.8 Landslide recovery profile

圖9 滑坡概化模型Fig.9 Generalized model of landslide

模型中將巖體分為了風(fēng)化石英片巖和微新石英片巖兩部分。模型底部邊界長2 373 m，左右邊界高度分別為1 054 m、564 m，共產(chǎn)生塊體1 035個，劃分單元10 534個，生成節(jié)點10 940個。由于研究的是斜坡失穩(wěn)破壞過程，滑體中塊體自身變形相對其運(yùn)動位移極小可忽略不計，因此模型采用剛性本構(gòu)模型。

計算參數(shù)根據(jù)工程類比及經(jīng)驗取值并結(jié)合試驗數(shù)據(jù)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行確定，表3和表4給出了邊坡在初期變形時的部分計算參數(shù)。

表3 邊坡巖體主要計算參數(shù)Table 3 Physico-mechanical parameters of slope rock mass

表4 結(jié)構(gòu)面主要計算參數(shù)Table 4 Mechanical parameters of structural planes

3.3.2 動力輸入和邊界條件

該滑坡曾完全堵塞金沙江，遇反坡受阻后爬高近10 m堆積，所展現(xiàn)出來的規(guī)模大、滑速快的特點讓人驚嘆，地震誘發(fā)應(yīng)當(dāng)是其主要影響因素。誘發(fā)該斜坡發(fā)生大規(guī)?；瑒拥牡卣饏?shù)有所欠缺，因此，此次計算采用“5·12”汶川地震時文縣臺網(wǎng)監(jiān)測到的地震波以反映該滑坡大致運(yùn)動過程，雖不能完全符合當(dāng)時運(yùn)動情況，但整體運(yùn)動過程應(yīng)當(dāng)較為類似，并不影響運(yùn)動特征研究。施加在模型底部的水平加速度時程曲線見圖10[15-16]。為了盡量減小地震波向外傳播后發(fā)射到模型內(nèi)部以及能量發(fā)散對模型的影響，模型底部采用黏滯邊界，兩側(cè)則采用自由場邊界(圖11)。

圖10 施加在模型底部的水平加速度時程曲線Fig.10 Time-history curve of horizontal acceleration input in bottom of numerical model

圖11 數(shù)值模型邊界條件示意圖Fig.11 Boundary condition of numerical model

3.3.3 結(jié)果分析

在地震荷載作用下，滑坡整個堵江過程如圖12所示。

圖12 滑坡在輸入動力條件后不同時段的運(yùn)動特征Fig.12 Movement characteristics of landslide under dynamic action in different periods

在地震波輸入的10 s內(nèi)，坡體還未有明顯變形；隨著地震波的持續(xù)作用，到10 s時變形加劇，后緣開始滑動，地震波作用使得坡體淺表部有小規(guī)模塊石脫離母巖；20 s時坡體變形規(guī)模增大，后緣繼續(xù)向下滑動;30 s時滑動規(guī)模急劇擴(kuò)大，且前后緣滑動速度存在差異，使得滑體中部有擠壓變形的趨勢。到40 s時滑坡體后緣下滑距離進(jìn)一步增加，前緣已滑動至河谷內(nèi)，受強(qiáng)烈的碰撞作用，更多的塊碎石脫離母巖水平拋出；70 s時滑坡體前緣受阻，而后緣仍處于高速滑動，推動前緣塊碎石繼續(xù)運(yùn)動；到80 s時，因前后緣速度的差異，在滑坡體前緣出現(xiàn)急劇的碰撞堆積，形成鼓丘，強(qiáng)夯成壩；150 s以后，地震荷載取消，斜坡在慣性作用下，繼續(xù)運(yùn)動，沖向?qū)Π渡襟w。隨后，滑坡體逐步停積，速度降低，滑坡整體趨于穩(wěn)定，完全堵塞金沙江。結(jié)合數(shù)值模擬分析，可以將滑坡的堵江機(jī)制總結(jié)為：順層斜坡高速滑動→前緣碰撞堆積→后緣推動形成一定沖高→強(qiáng)夯成壩→完全堵江。

另外，由于軟件的局限性，此次數(shù)值模擬分析忽略了水對滑坡堵江過程的影響，這也是今后研究滑坡堵江的重要內(nèi)容。

4 結(jié) 論

本文通過現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查以及鉆孔勘探等資料，分析了滑坡的堵江特征與堵江機(jī)制，主要取得以下結(jié)論和認(rèn)識：

(1)滑坡區(qū)屬于侵蝕高山區(qū)，滑坡后緣高程3 150 m，前緣高程2 535 m，高差達(dá)615 m；滑坡所處的地層巖性主要為云母石英片巖，多以薄層狀為主；滑坡位于鮮水河—滇東地震帶內(nèi)，多條斷裂帶從區(qū)域內(nèi)通過，地震活動頻繁。

(2)該滑坡平面呈圈椅狀，規(guī)模達(dá)6 000×104m3，歷史上曾發(fā)生嚴(yán)重的堵江事故，現(xiàn)今在滑坡區(qū)上下游發(fā)育有大量堵江地質(zhì)證據(jù)?；露陆?guī)模巨大，計算表明堵江高度達(dá)176 m，堵江規(guī)模達(dá)2 248×104m3。

(3)該斜坡上部平緩，但中前部較陡，局部超過40°，基巖為軟弱的云母石英片巖，傾角為70°～75°，同時地震活動頻繁，為滑坡的形成提供良好的地質(zhì)條件，可將整個滑坡變形破壞分為：巖體卸荷回彈→滑移-傾倒變形→根部折斷，滑面貫通。

(4)滑坡區(qū)特有的地質(zhì)背景，使該滑坡具備發(fā)生完全堵江的地質(zhì)條件，根據(jù)二維離散元軟件UDEC，再現(xiàn)了滑坡堵江的全過程，可以將滑坡的堵江機(jī)制總結(jié)為：順層斜坡高速滑動→前緣碰撞堆積→后緣推動形成一定沖高→強(qiáng)夯成壩→完全堵江。