滑坡型堰塞壩典型特征分析

石北嘯

(1.水利部土石壩破壞機(jī)理與防控技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210024；2.南京水利科學(xué)研究院，江蘇 南京 210029)

地震或降雨作用導(dǎo)致坡體滑坡失穩(wěn)進(jìn)而堵塞河道形成的堰塞壩，從誘因上看，約占所有堰塞壩總量的90%以上[1-4]。地震或強(qiáng)降雨作用下，河谷兩岸山體內(nèi)某一潛在軟弱結(jié)構(gòu)面上的剪應(yīng)力超過其自身抗剪強(qiáng)度，則軟弱結(jié)構(gòu)面上的山體會沿著結(jié)構(gòu)面發(fā)生整體滑動，僅2008年我國的汶川地震就誘發(fā)830余座堰塞壩，且約90%以上的堰塞壩會在形成1 a時間內(nèi)發(fā)生破壞[5]。形成堰塞壩的過程具有過程突發(fā)、持續(xù)時短、運(yùn)動高速、波及遠(yuǎn)程等顯著特征，進(jìn)而在空間形態(tài)、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、顆粒堆積狀態(tài)等方面，與同樣由散粒體堆積而成的堆石壩有顯著差別。近年來，不乏有堰塞壩被開發(fā)利用的成功實(shí)例[6-7]，但如果堰塞壩與堆石壩的顯著區(qū)別得不到充分重視，按照常規(guī)堆石壩的除險(xiǎn)加固方法對其改造并利用，可能會帶來嚴(yán)重后果，有些可能是災(zāi)難性的。因此，有必要對地震形成堰塞壩的空間結(jié)構(gòu)、物質(zhì)組成、堆積密度、堆積狀態(tài)等進(jìn)行總結(jié)，對堰塞壩在開發(fā)利用時應(yīng)注意的關(guān)鍵問題提出合理建議。

1 堰塞壩空間形態(tài)特征

較為松散的巖土體，在地震作用下會以高速遠(yuǎn)程滑坡的形式?jīng)_入并阻塞河道形成堰塞壩，具有以大型巖崩、巖滑為主的初始破壞形式，后續(xù)運(yùn)動過程中，巖體經(jīng)過碎屑化作用而逐漸分解為大小不同的碎屑顆粒，其運(yùn)動狀態(tài)不同于一般滑坡，是一種速度超高、運(yùn)動距離超長、方量巨大、能量巨大的干碎屑流或低含水量碎屑流[8-9]。

堰塞壩的空間形態(tài)與滑坡規(guī)模、滑動速度、滑動距離、山體及河谷形態(tài)有關(guān)，滑坡產(chǎn)生的大量巖土體高度運(yùn)動并在河溝谷堆積形成壩體，不像人工堆石壩一樣有不同設(shè)計(jì)分區(qū)的規(guī)律性，與泥石流這種水與巖土體的混合物下泄也有明顯區(qū)別。以下就我國近期幾座典型滑坡型堰塞壩的形成過程及其空間形態(tài)進(jìn)行分析。

2008年汶川地震造成的唐家山滑坡，滑體自右岸高速下滑至河谷后反向沖擊左岸，并在左岸順坡爬高達(dá)140 m。從滑體啟動到停止的滑動時間約37 s，在最初的25 s內(nèi)最大滑速達(dá)25 m/s，平均滑速15 m/s，最大滑距達(dá)380余米。因滑體高速下沖并在左岸爬坡，導(dǎo)致原坡體下部基巖堆積在左側(cè)，上部殘坡碎石土和基巖混合物堆積在右側(cè)，形成了左高右低的堰塞壩。壩體沿河流方向長802 m，垂直河流方向的橫向?qū)挾壬?00～600 m不等，最寬處達(dá)611.8 m。最大壩高約82 m，壩體總方量為2037萬m3[10]。總體形態(tài)上呈傘狀或扇狀，扇面上表現(xiàn)出波狀橫向脊或縱向脊(見圖1)。

圖1 唐家山堰塞壩

自1900年以來，我國發(fā)生最大、同時也是全世界非地震引發(fā)的超大型滑坡，是2000年4月9日，西藏易貢鄉(xiāng)扎木弄溝發(fā)生的易貢滑坡[11]。該滑坡是約9000萬m3巖土體自雪峰頂端沿扎木弄溝河谷高速下滑，滑坡的垂直落差超過3000 m，滑動沿途夾帶原始沉積碎屑流堆積物，傾瀉至易貢湖水流出口處?；麦w自啟動至山腳僅耗時約3 min，滑坡前緣最大速度達(dá)100 m/s，滑體平均速度42 m/s，滑坡總滑動里程8～10 km，最大水平位移7 km，形成了總方量達(dá)3億m3、且長寬約2.5 km、高度在60～100 m左右的天然堰塞壩，堵塞了易貢藏布河，因本次滑坡的滑體方量大、下滑速度快、水平位移長、河口處寬廣，形成的堰塞壩平面形態(tài)呈扇面狀在河道口處展開(見圖2)。

圖2 易貢堰塞壩

西藏昌都地區(qū)波羅鄉(xiāng)白格區(qū)域內(nèi)構(gòu)造強(qiáng)烈，巖體破碎，完整性差，傾角結(jié)構(gòu)面發(fā)育，且區(qū)域內(nèi)地震多發(fā)。2018年10月10日和11月3日，波羅鄉(xiāng)白格村原山體分別發(fā)生兩次滑坡形成擁堵金沙江的白格堰塞壩[12]。兩次滑坡均處在同一剖面上，第一次滑坡是高程3400 m以下部分巖體滑落，第二次滑體延伸到高程3700 m左右的位置上。白格堰塞壩沿河道呈長舌狀分布(見圖3)，在河道縱向上長約1330 m，橫向?qū)挾葹?70～720 m不等，平面面積約為76.7萬m2。形成的堰塞壩在順河向高度上，呈現(xiàn)中部最高，最高位置達(dá)55 m；下游其次，高度約為25～45 m，上游側(cè)較低，約為15～35 m。堰塞壩總體量達(dá)2380萬m3。

圖3 金沙江白格堰塞壩

2014年8月3日16時30分，云南省魯?shù)榭h發(fā)生6.5級地震[13]，在魯?shù)榭h火德紅鄉(xiāng)李家山村和巧家縣包谷垴鄉(xiāng)紅石巖村交界的牛欄江干流上，左岸坡崩積物及強(qiáng)風(fēng)化巖體沿河床方向崩塌滑動；右岸滑坡體先復(fù)活滑向河床形成泥石流向下游運(yùn)動，加劇了中上部邊坡巖體的變形破壞，高速傾倒崩滑，向河床堆積并阻塞牛欄江形成紅石巖堰塞壩。紅石巖堰塞壩頂部左岸高，右岸低，頂部順河向平均寬度約262 m，頂部橫河向平均長度301 m，上游迎水面平均坡比約1∶2.5，下游面平均坡比約1∶5.5，堰塞壩最高處達(dá)103 m，估算總方量約1000萬m3(見圖4)。從航拍圖和平面圖上都能看出，紅石巖堰塞壩以滑坡出口位置分為上下游，上游迎水面較短，下游背水面較長，沿河道總體呈長舌狀分布。

圖4 紅石巖堰塞壩

從以上四座典型堰塞壩空間結(jié)構(gòu)特征上看，滑坡型堰塞壩在平面形態(tài)上基本上呈長舌狀、傘狀或扇狀分布，當(dāng)河道狹窄或呈深“V”型分布，滑坡體出口處上下游海拔落差較大，滑坡體下滑速度較快時，一般形成長舌狀堰塞壩平面形態(tài)居多；當(dāng)河道狹窄或呈深“V”型分布，滑坡體出口處上下游海拔落差較小、滑坡體下滑速度很快時，滑坡體下滑后容易在對岸形成爬坡，進(jìn)而形成傘狀平面結(jié)構(gòu)的堰塞壩；當(dāng)河道尤其是滑坡出口處平坦寬廣，滑坡體出口處上下游海拔落差較小、滑坡體下滑速度很快時，尤其是滑坡體較為松散的情況下，容易以滑坡體出口為軸形成扇形平面形態(tài)的堰塞壩。

2 堰塞壩顆粒堆積特征

堰塞壩的顆粒組成主要與滑坡體、滑坡體下滑形成的溝槽、河床基巖及對岸巖體性質(zhì)有關(guān)，其堆積過程與滑坡體下滑速度、河道形勢、山體坡度等有關(guān)。

2.1 唐家山堰塞壩顆粒堆積特征

由原滑坡上部殘積碎石土和兩岸層狀粉砂巖、板巖、泥巖等經(jīng)下滑、擠壓、破碎形成的碎裂巖組成，其中由粉質(zhì)壤土和塊碎石組成的碎石土約占14%，粉質(zhì)壤土在碎石土中占比達(dá)60%左右；碎裂巖約占86%，其中碎石約為30%～35%，粒徑以小于5 cm的碎石為主，5～20 cm的塊石占5%～10%。泥巖、片巖等軟質(zhì)巖形成的碎裂巖粒徑多小于20 cm，砂巖等硬質(zhì)巖形成的碎裂巖主要為塊石，粒徑多為1～3 m，個別巨石粒徑可達(dá)幾米到數(shù)米不等，且以堰塞壩淺表層居多，見圖5。

圖5 唐家山堰塞壩淺表層巨石

唐家山堰塞壩顆粒組成從上到下主要分為五層(見圖6)：表層至5 m以內(nèi)淺表層的巨石顆粒，5～15 m厚由粉質(zhì)壤土、巖屑和塊石組成的黃色碎石土，10～30 m厚以6～40 cm粒徑為主的強(qiáng)風(fēng)化、弱風(fēng)化碎裂巖，50～67 m厚以2～6 cm粗顆粒為主的弱風(fēng)化粉砂巖層，最下面是滑坡下滑時滑帶上被碾壓為較細(xì)顆粒的砂及粉土層，厚度約6～15 m，小于2 cm顆粒約占60%。

圖6 唐家山堰塞壩顆粒分層圖[10]

2.2 紅石巖堰塞壩顆粒堆積特征

紅石巖堰塞壩物質(zhì)主要來自右岸高處邊坡崩塌堆積物，左岸亦有少量滑崩物質(zhì)匯入，主要以弱、微風(fēng)化、新鮮白云質(zhì)灰?guī)r、白云巖的碎塊石為主，夾雜粉土和黏土。堰塞壩大體上分上部、下部兩部分，上部為孤石、塊石夾碎石和少量砂土(見圖7)，孤石直徑最大達(dá)15 m；下部塊石、碎石混合粉土或粉土夾碎塊石，碎塊石主要是弱風(fēng)化及微新風(fēng)化淺灰色灰?guī)r夾少量白云質(zhì)灰?guī)r，局部為灰黑色白云巖、泥質(zhì)白云巖夾白云質(zhì)泥巖及砂頁巖。紅石巖堰塞壩中塊石粒徑50 cm以上的約占50%，粒徑2～50 cm以上的約占35%，粒徑2 cm 以下的約占15%。

圖7 紅石巖堰塞壩表層顆粒特征

2.3 堰塞壩形成過程與其顆粒組成相關(guān)性分析

從唐家山和紅石巖兩座典型堰塞壩顆粒堆積特征反映出來，因堰塞壩是不同大小的巖石和土體自然堆積而成，顆粒分布極不均勻，尤其是不同位置處的顆粒級配特征差異較大，可能有滑坡體自身完整性、滑落速度及岸坡結(jié)構(gòu)有關(guān)。此外，兩座堰塞壩顆粒級配整體上呈現(xiàn)出較為規(guī)律的反粒序級配特征，即，巨粒一般在堰塞壩淺表層，中部為粗粒土和碎石土的混合物，下部一般則為粗粒土和細(xì)粒土及黏土顆粒的混合物，與河床接觸的最底部是由河床殘積物和滑坡滑動刮削山體形成的碎屑和黏土顆粒等組成的滑動剪切帶，見圖8所示，該反粒序結(jié)構(gòu)與文獻(xiàn)[13]中提到的高速遠(yuǎn)程滑坡反粒序特征一致。

圖8 堰塞壩反粒序特征圖

分析認(rèn)為，滑坡下滑過程中，顆粒間相互碰撞且處于離散運(yùn)動狀態(tài)，在離散應(yīng)力作用下，大顆粒會趨向于向剪切應(yīng)變速率較小的上層移動，另外，顆粒滾動過程中，細(xì)小顆粒在篩分作用下會從大顆粒間隙向下滲漏，從而形成了典型的大顆粒在上部、細(xì)小顆粒在下部的反粒序特征。

巖石體在形成過程中，顆粒沿裂隙崩解或在外力作用下發(fā)生斷裂，大小巖石顆粒上均會有較明顯的尖角，顆粒形態(tài)各異，與土石壩中常見的爆破堆石料顆粒形態(tài)相似(見圖9)。因?yàn)榛滦脱呷麎卧诨孪禄^程中，巖石顆粒間摩擦碰撞劇烈，顆粒原有突出的尖角在碰撞過程中被損壞，整體呈現(xiàn)出較好的渾圓度，見圖10所示。

圖9 土石壩爆破堆石料顆粒

圖10 滑坡型堰塞壩堆石顆粒

堰塞壩顆粒級配雖大體上呈反粒序特征，但在不同位置處的顆粒級配特征差異較大，滑坡體在地震、降雨等作用下高速運(yùn)行、撞擊并解體，沖擊河床與岸坡，兩岸山體的形態(tài)對堰塞壩不同部位的顆粒級配特征也會有明顯影響。

當(dāng)滑坡體所在岸坡較緩，對岸較陡，滑坡下滑速度較慢時，崩滑碎屑體以較慢的速度進(jìn)入河道并覆蓋于河床上，自然堆積而成堰塞壩，形狀見圖11所示[4]。通常該類堰塞壩的除壩頂粗顆粒相對較多、滑坡后緣部分細(xì)顆粒較多外，壩體顆粒級配特征和原始滑坡體的級配特征基本保持一致。2018年10月10日，白格第一次滑坡形成的堰塞壩Ⅰ區(qū)[11]，是右岸邊坡失穩(wěn)后緩慢下滑，下滑時受對岸Ⅱ區(qū)滑坡體的影響而逐步在河床形成的主堆積區(qū)，見圖12所示。該堆積區(qū)表層塊石居多，上方細(xì)顆粒較多，靠下游側(cè)有明顯的滑坡體從河床推出來的砂礫石，符合這種緩慢滑入型堰塞壩級配特征。

圖11 緩慢滑入型堰塞壩

圖12 白格10.10堰塞壩物質(zhì)分區(qū)圖[11]

當(dāng)滑坡體對岸較平緩，滑坡下滑后會直接沖向河道平鋪發(fā)展，或在滑坡動力作用下沿對岸平緩山體繼續(xù)上爬，直至能量消耗殆盡而停止形成堰塞壩，可稱之為過流型堰塞壩。此類堰塞壩后緣細(xì)顆粒較多，滑出河道或上爬到對岸的部分則大顆粒較為明顯，呈現(xiàn)出自前向后顆粒逐漸減小的形態(tài)，易貢滑坡形成的堰塞壩顆粒級配就符合這種過流型堰塞壩的特征，見圖13所示。

圖13 過流型堰塞壩

當(dāng)滑坡體對岸較陡峭，滑坡體量大且下滑速度很快，滑坡下滑后沿對岸陡峭山體上爬后折返并覆蓋壩體形成回蕩型堰塞壩。因滑坡體自身顆粒撞擊造成顆粒較破碎，形成的堰塞壩表層和后緣細(xì)顆粒和破碎巖塊較多，中間部分則有巨粒出現(xiàn)，紅石巖堰塞壩因滑坡體量巨大且下滑速度快，就形成該回蕩型堰塞壩，見圖14所示。

圖14 回蕩型堰塞壩

2.4 堰塞壩級配特征對其穩(wěn)定性的影響

從滑坡形成堰塞壩的過程來看，滑坡體自身顆粒組成、滑坡體的滑動過程、河谷形狀都會影響到堰塞壩的顆粒級配特征，且粒徑可從小于0.075 mm的黏粒到大于十余米，甚至幾十米的巨石，顆粒級配寬泛且變幅非常大，如岷江上游支流宗渠溝的兩河口堰塞壩，其最大的巨石長徑達(dá)17.2 m，組成顆粒d90達(dá)1.7 m；老虎嘴堰塞壩的組成顆粒d90更是達(dá)到1.9 m。不同類型的滑坡形成堰塞壩，哪怕是同一滑坡體，不同部位上的顆粒級配特征也不相同，圖15是11·03白格滑坡形成的堰塞壩，彭雙麟等[14]對圖像采用PCAS識別技術(shù)分析了堰塞壩不同分區(qū)的表面顆粒粒徑分布情況，發(fā)現(xiàn)各區(qū)均有大于10 m的巨粒出現(xiàn)，且順下游方向分布的B1-B5區(qū)的顆粒級配呈規(guī)律性分布，見圖16所示。

圖15 “11·03”白格滑坡堰塞壩全貌及粒徑識別分區(qū)[14]

圖16 白格堰塞壩不同分區(qū)表面粒徑分布

即便如此，滑坡型堰塞壩與泥石流型堰塞壩，在顆粒組成上也有較為明顯的區(qū)別，如岷江上游的3個滑坡型堰塞壩，其d90均等于或大于1.7 m；而6個泥石流壩的d90均在0.61 m左右[15-16]，表明滑坡型堰塞壩要比泥石流型堰塞壩的顆粒級配更寬。

采用了王兆印[16]部分研究成果，將收集到的部分典型堰塞壩平均顆粒級配曲線繪制于圖17。其中，顆粒級配曲線為虛線的堰塞壩已潰壩，其他為目前仍保留的堰塞壩。從圖上多座堰塞壩的顆粒級配曲線可以看出，不同類型堰塞壩的顆粒粒徑從幾毫米到幾米不等，粒徑范圍比土石壩最大粒徑僅不到2 m的范圍要寬的多。另外，從潰決和保留的堰塞壩粗細(xì)顆粒含量上看有如下明顯差別：

圖17 部分堰塞壩平均顆粒級配曲線

(1)潰決的堰塞壩顆粒粒徑小于10 mm顆粒含量均大于20%，保留下來的堰塞壩顆粒粒徑小于10 mm的顆粒含量均小于10%；

(2)潰決的堰塞壩顆粒粒徑大于100 mm的顆粒含量均小于50%，保留下來的堰塞壩顆粒粒徑大于100 mm的顆粒含量均大于40%；

(3)潰決的堰塞壩最大顆粒粒徑一般都比保存下來的堰塞壩最大顆粒粒徑小。

從級配曲線上反映出來的以上三點(diǎn)來看，顆粒級配對堰塞壩的穩(wěn)定性起到了關(guān)鍵性作用，尤其是顆粒粒徑小于10 mm和大于100 mm的含量，是決定堰塞壩穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素之一。對不同堰塞壩的不均勻系數(shù)Cu和中值粒徑d50的統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1。從統(tǒng)計(jì)結(jié)果上看，不均勻系數(shù)Cu小于30，中值粒徑d50大于100 mm的堰塞壩均是現(xiàn)在保留下來的堰塞壩。

表1 堰塞壩不均勻系數(shù)與中值粒徑

因此，從以上統(tǒng)計(jì)分析的結(jié)果可以得到如下結(jié)論，堰塞壩的顆粒級配具有如下特征時其穩(wěn)定性較好：顆粒粒徑小于10 mm的顆粒含量小于10%，大于100 mm的顆粒含量大于40%，且不均勻系數(shù)Cu小于30，中值粒徑d50大于100 mm。

3 結(jié) 論

對我國部分典型滑坡型堰塞壩的空間特征和級配特征及其形成過程進(jìn)行了分析，得到了如下有益結(jié)論：

(1)滑坡型堰塞壩在平面形態(tài)上基本上呈長舌狀、傘狀或扇狀分布，當(dāng)河道狹窄、滑坡體下滑速度較快，一般形成長舌狀堰塞壩；滑坡體出口處上下游海拔落差較小時，堰塞壩易形成傘狀平面結(jié)構(gòu)；當(dāng)滑坡出口處平坦寬廣，滑坡體出口處上下游海拔落差較小、滑坡體下滑速度快時，容易形成扇形平面形態(tài)的堰塞壩。

(2)堰塞壩顆粒級配在空間上呈反粒序特征，但堰塞壩不同分區(qū)顆粒級配受堰塞壩形成類型的影響，堰塞壩形成過程可分為緩慢滑入型、過流型和回蕩型三種類型。

(3)堰塞壩不同區(qū)域的顆粒級配特征有所差別，與其形成過程有關(guān)；當(dāng)堰塞壩顆粒粒徑小于10 mm的顆粒含量小于10%，大于100 mm的顆粒含量大于40%，且不均勻系數(shù)Cu小于30、中值粒徑d50大于100 mm時，堰塞壩則趨于穩(wěn)定。

以上對國內(nèi)部分滑坡型堰塞壩進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，其他類型堰塞壩是否符合該特征，國外堰塞壩與國內(nèi)堰塞壩在形成過程、空間狀態(tài)上的差異性，還有待進(jìn)一步研究。