金沙江上游沃達滑坡發(fā)育特征與堵江危險性分析

吳瑞安 ，馬海善 ，張俊才 ，楊志華 ，李 雪 ，倪嘉偉 ，鐘 寧

（1.中國地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)力學(xué)研究所，北京 100081；2.自然資源部活動構(gòu)造與地質(zhì)安全重點實驗室，北京 100081；3.西藏自治區(qū)地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測總站，西藏 拉薩 850000；4.青海省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測總站，青海 西寧 810008）

金沙江上游具有構(gòu)造破碎、巖體結(jié)構(gòu)復(fù)雜、河谷深切強卸荷改造等多種不良因素疊合的特征[1]，區(qū)內(nèi)大型-巨型滑坡發(fā)育，歷史上發(fā)生過多次滑坡堵江事件[2-4]。2018年10月10日和11月3日，金沙江上游西藏江達縣波羅鄉(xiāng)白格村先后發(fā)生兩次大型高位滑坡堰塞堵江事件，泄洪后導(dǎo)致金沙江大橋等多座橋梁被沖毀，影響范圍波及下游1 000 km，造成150億元的重大損失[5-10]。險情發(fā)生后，有關(guān)單位組織專業(yè)力量采用InSAR、無人機測繪、地面調(diào)查等技術(shù)手段對金沙江流域開展了地質(zhì)災(zāi)害堵江風(fēng)險排查和調(diào)查研究工作，發(fā)現(xiàn)在白格滑坡上、下游仍然發(fā)育多處存在堵江風(fēng)險的大型滑坡隱患點[11-12]，部分滑坡目前處于復(fù)活蠕滑變形階段[13-14]，威脅區(qū)內(nèi)交通、水利水電工程建設(shè)與運營安全，如雄巴滑坡[13]、色拉滑坡[14]等。李雪等[13]研究認為，西藏貢覺縣雄巴滑坡發(fā)育兩級滑帶，目前處于深層蠕滑變形中，前緣已經(jīng)局部復(fù)活，大規(guī)模失穩(wěn)后可能形成堰塞湖-潰壩-洪水災(zāi)害鏈；朱賽楠等[14]通過多種方法研究了貢覺縣色拉滑坡的復(fù)活變形特征和穩(wěn)定性發(fā)展趨勢，認為其前部發(fā)生進一步破壞失穩(wěn)的可能性較大，并探討了高位堵江滑坡早期識別與災(zāi)害風(fēng)險管理問題。已有的相關(guān)研究多側(cè)重于滑坡發(fā)育特征和形成機理方面，而對滑坡失穩(wěn)后的堵江危險性定量分析工作相對較少。筆者在金沙江流域開展大型地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查時發(fā)現(xiàn)，江達縣境內(nèi)金沙江右岸的沃達滑坡地表復(fù)活變形跡象明顯，一旦大規(guī)模失穩(wěn)滑入江中，極可能形成堵江災(zāi)害，嚴重威脅上下游居民生命財產(chǎn)安全。因此，本文采用遙感解譯、現(xiàn)場調(diào)查、工程地質(zhì)鉆探和滑坡綜合監(jiān)測等方法，分析了沃達滑坡空間結(jié)構(gòu)和變形破壞特征，闡明復(fù)活變形機制和潛在失穩(wěn)模式，定量分析了沃達滑坡的堵江風(fēng)險，對防范和管控金沙江上游類似于白格滑坡的流域性大型地質(zhì)災(zāi)害鏈具有參考意義。

1 地質(zhì)背景

沃達滑坡位于西藏昌都市江達縣巖比鄉(xiāng)沃達村，江達縣境內(nèi)以構(gòu)造侵蝕地貌為主，受金沙江深切影響，河谷兩岸斜坡高陡，構(gòu)造上處于金沙江構(gòu)造縫合帶內(nèi)，區(qū)內(nèi)以NW或NNW走向的構(gòu)造為主體，由系列大致平行的不同規(guī)模褶皺和逆沖斷層組成。除寒武系、志留系外，區(qū)內(nèi)自奧陶系到第四系均有不同程度的出露，巖性異常復(fù)雜，主要有板巖、頁巖、片巖、砂巖、灰?guī)r、大理巖和巖漿巖等。受構(gòu)造影響，巖石片理化現(xiàn)象嚴重，金沙江沿岸巖體尤其破碎。區(qū)內(nèi)屬高原寒溫帶半濕潤氣候區(qū)，年內(nèi)降水分布不均，干濕雨季分明，多年平均降水量650 mm，最大年降水量1 067 mm，最大日降水量41.4 mm，6—9月降水量約占全年的87.2%，總體上雨量較少，降水量時空分布不均，東北部多、西南部少。沃達滑坡所在的巖比鄉(xiāng)位于江達縣西南部（圖1），多年平均降水量為466 mm。區(qū)內(nèi)局地暴雨時有發(fā)生，成為地質(zhì)災(zāi)害重要誘發(fā)因素。由于地處活躍構(gòu)造區(qū)，江達縣周邊鄰區(qū)地震活動頻繁，對巖土體結(jié)構(gòu)和斜坡穩(wěn)定性造成一定影響。

圖1 研究區(qū)地質(zhì)背景圖Fig.1 Geological background map of the study area

2 沃達滑坡基本特征

沃達滑坡位于金沙江上游右岸，滑坡后部圈椅狀地貌明顯（圖2），后緣頂點高程約3 990 m，前緣高程約2 970 m，縱長約2 100 m，平均寬約1 660 m，面積約2.8 km2，主滑方向為35°?；率Х€(wěn)滑動后形成高達450 m的陡壁，坡度約40°，陡壁以下為相對平緩的斜坡地帶，平均坡度為20°～25°，呈多級臺地地貌，大量滑體堆積于斜坡上，目前已發(fā)生明顯復(fù)活變形?；聫?fù)活范圍縱長約800 m，寬約1 200 m，面積約1.13 km2，兩側(cè)以沖溝為界，后部與滑坡后壁陡緩過渡相接，前緣為坡度45°～70°的陡坎。從前緣陡坎剖面上，可以清晰看到松散堆積體和完整基巖的分界線，即滑坡剪出口位置。滑坡堆積體后緣高程為3 475～3 603 m，前緣剪出口高程為2 970～3 197 m，金沙江河面高程約2 950 m，剪出口位置與坡腳金沙江的相對高差最大達247 m?；录舫隹谖恢镁嘟鹕辰卟畲?，且高于區(qū)內(nèi)河流Ⅱ級階地[15]，推斷其為晚更新世（Q3）以前形成的古滑坡。

圖2 沃達滑坡工程地質(zhì)平面圖Fig.2 Engineering geological planar graph of the Woda landslide

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查和鉆探揭露情況，滑體物質(zhì)由表往里分別為粉土夾角礫、碎石土和碎塊石等（圖3）。粉土夾角礫層主要為粉土，碎石角礫含量為5%～15%，該層主要分布于滑坡前部右側(cè)表層，最大厚度為8.2 m。碎石土是滑體的主要組成部分，厚9.0～37.8 m，碎石含量達50%～70%，粒徑一般4～7 cm，呈棱角狀，磨圓度差，母巖以板巖為主，含少量頁巖，多呈強風(fēng)化狀態(tài)；碎塊石為滑坡發(fā)生后形成的巖塊，主要為強-全風(fēng)化的炭質(zhì)頁巖，呈碎塊狀或碎屑狀，該層厚6.0～15.9 m。滑體物質(zhì)結(jié)構(gòu)較松散，中前部發(fā)育多處沖溝，最大切割深度達38 m?；掳l(fā)育兩層滑帶，淺層滑帶沿古滑坡體內(nèi)部的巖土體分界面發(fā)育，平均埋深約15 m；深部滑帶沿古滑坡滑帶發(fā)育，主要物質(zhì)成分為含碎石粉質(zhì)黏土，平均埋深約25.5 m，據(jù)此計算出滑坡復(fù)活范圍的體積約28.81×106m3，為一特大型滑坡。滑床為三疊系拉納山組（T3l）的灰黑色板巖和炭質(zhì)頁巖，產(chǎn)狀為240°～280°∠10°～25°，巖層反傾坡內(nèi)，節(jié)理裂隙發(fā)育。

圖3 沃達滑坡工程地質(zhì)剖面（a-a’）圖Fig.3 Engineering geological profile (a-a’) of the Woda landslide

3 沃達滑坡復(fù)活變形特征

3.1 滑坡地表變形特征

目前沃達滑坡的地表變形主要表現(xiàn)為裂縫、挫坎和局部滑塌（圖4）。據(jù)現(xiàn)場訪問調(diào)查，該滑坡1985年左右開始出現(xiàn)裂縫，之后趨于穩(wěn)定。近幾年受強降雨影響，每年雨季均有新裂縫形成，局部發(fā)生小規(guī)?；?。調(diào)查統(tǒng)計表明，裂縫、挫坎等主要位于滑坡前緣，裂縫發(fā)育具有明顯的分帶性和時序性，挫坎對滑坡變形分區(qū)具有較好指示作用。挫坎下通常有較長的拉裂縫與之相連，并伴生延伸較短的羽狀裂隙。根據(jù)目前地表變形特征和微地貌形態(tài)，將滑坡復(fù)活部分分為強變形區(qū)和一般變形區(qū)。強變形區(qū)內(nèi)發(fā)育40多條長短不一的裂縫，多呈圓弧形排列，走向與滑坡主滑方向大體垂直或呈大角度斜交，具拉張性質(zhì)，最大寬度達45 cm，裂縫附近巖土體松散，連通性較好。此外，有10多條裂縫伴生挫坎發(fā)育，挫坎最長達360 m，最寬約50 cm，最大高度達260 cm。在強變形區(qū)內(nèi)可見馬刀樹及樹木歪斜等，一般變形區(qū)內(nèi)裂縫發(fā)育少，規(guī)模最大的裂縫L37長約430 m，最寬約40 cm，下挫高度達25 cm。

圖4 沃達滑坡復(fù)活變形特征圖Fig.4 Reactivation deformation characteristics of the Woda landslide

3.2 滑坡變形綜合監(jiān)測分析

2020年6月開始對沃達滑坡進行專業(yè)監(jiān)測，主要包括GNSS地表位移監(jiān)測、鉆孔深部位移監(jiān)測等。滑坡體上共布設(shè)10個GNSS監(jiān)測站，1個GNSS基站布設(shè)于滑坡后部右側(cè)邊界外的穩(wěn)定位置，各監(jiān)測點平面分布情況見圖2。根據(jù)地表水平累積位移監(jiān)測曲線（圖5）可知，各監(jiān)測點的變形大體具有同步性，但速率有較大差異。在經(jīng)歷了2020年6—8月持續(xù)頻繁降雨后，G1、G2、G3、G4、G5監(jiān)測點的水平累積位移在2020年8月28日之后逐漸增加，這主要由降雨滯后效應(yīng)引起。G3監(jiān)測點變形速率最快，水平累積位移在8月26日至10月28日達到150 mm，而位于滑坡前部左側(cè)的G6、G7、G8監(jiān)測點水平位移量變化一直很小。由此可見，目前滑坡復(fù)活變形主要集中在中前部的強變形區(qū)，且呈現(xiàn)向后漸進變形破壞特征，復(fù)活區(qū)右側(cè)變形比左側(cè)強烈，這與地表形變InSAR監(jiān)測分析的認識基本一致[16]。

圖5 沃達滑坡GNSS地表水平累積位移監(jiān)測曲線Fig.5 GNSS surface horizontal cumulative displacement monitoring curve of the Woda landslide

沃達滑坡上共布設(shè)6個深部位移監(jiān)測孔，用于獲取滑坡深部位移特征。ZK1、ZK2、ZK3位于a-a’剖面上，ZK4、ZK5、ZK6位于c-c’剖面上。2020年8月1日監(jiān)測設(shè)備安裝調(diào)試完成后，通過自動測斜數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)獲取了ZK1、ZK2、ZK3、ZK5、ZK6共5個鉆孔的深部位移監(jiān)測曲線（圖6），ZK4監(jiān)測數(shù)據(jù)異常。曲線突變位置即為滑帶埋深，滑坡內(nèi)發(fā)育的兩層滑帶分別在埋深14～18 m和20～26 m附近位置，這與鉆孔揭露情況一致。對鉆孔深部位移監(jiān)測數(shù)據(jù)（2020-08-01—2020-11-01）分析可知，ZK2在埋深4 m和22 m處滑帶發(fā)生的最大水平累積位移分別為68 mm和38 mm，ZK3在埋深4 m和24 m處滑帶發(fā)生的最大水平累積位移分別為100 mm和60 mm，而ZK1在孔口和埋深22 m滑帶處的位移量分別為18 mm和34 mm，ZK3在孔口處水平累積位移量最大，ZK1在滑帶處水平累積位移量最小。由此可見，在3個月內(nèi)，ZK2和ZK3附近區(qū)域埋深4 m內(nèi)淺層巖土體發(fā)生了較大水平位移，淺表層的變形速率大于深層滑帶，且越靠近滑坡前部，其深層滑動位移量越大。ZK5在埋深12～16 m處滑帶位置水平累積位移量最大達50 mm，ZK6在埋深14 m處的淺層滑帶和埋深26 m處的深層滑帶位置的水平累積位移量分別為22 mm和10 mm，表明ZK5和ZK6附近巖土體的變形主要集中在埋深16 m以內(nèi)，這與滑坡前部右側(cè)表層分布的粉土滲透性較小、降雨入滲深度有限有關(guān)?；露逊e體不同部位的復(fù)活變形特征存在差異，主要與巖土體物質(zhì)成分不均一、不連續(xù)和多層次等有關(guān)。

圖6 沃達滑坡鉆孔深部測斜位移曲線Fig.6 Displacement curve of deep borehole survey of the Woda landslide

4 沃達滑坡堵江危險性分析

4.1 滑坡潛在復(fù)活失穩(wěn)模式分析

沃達滑坡的孕育形成與區(qū)域地形地貌、地層巖性及地質(zhì)構(gòu)造條件密切相關(guān)。沃達滑坡所在區(qū)域構(gòu)造活躍，歷史地震頻發(fā)，區(qū)內(nèi)金沙江上、下游河谷兩岸發(fā)育大量大型古滑坡，結(jié)合滑坡地貌特征[17]，推測其可能由晚更新世（Q3）之前的地震誘發(fā)形成。由于沃達滑坡的滑體不在金沙江洪水期江面波動影響范圍內(nèi)，其復(fù)活變形不受坡腳江水的影響。圖5所示的滑坡GNSS地表水平累積位移與降雨之間的關(guān)系曲線，反映出降雨對滑坡地表變形具有明顯促進作用。

綜合分析滑坡地形、地表變形特征和監(jiān)測數(shù)據(jù)，結(jié)果表明沃達滑坡復(fù)活變形持續(xù)時間較長，目前呈局部多級復(fù)活、整體蠕滑變形和淺表層加速變形同步驅(qū)動的特征，目前滑坡變形主要集中在前部右側(cè)，并有向后漸進擴展趨勢。根據(jù)滑坡空間結(jié)構(gòu)和變形特征，推斷其潛在失穩(wěn)模式主要有2種：①多級淺層潛在滑面貫通形成較大范圍的淺層滑動；②坡體前部巖土體沿基覆界面經(jīng)歷長時間蠕滑變形后形成貫通性破壞面，失穩(wěn)下滑高位剪出牽引后部滑體漸進破壞。

4.2 沃達滑坡堵江危險性分析

根據(jù)上述分析，沃達滑坡存在失穩(wěn)堵江的可能。河床縱向坡降角為β，一般情況河床坡降β較小，在距離較短時可近似視為水平，即β=0。一般天然堆石壩上游壩體較陡，其坡度應(yīng)滿足滑體物質(zhì)堵江的飽和內(nèi)摩擦角，下游的坡角可以采用堵江物質(zhì)發(fā)生水石流的起始坡度，一般取14°（圖7）。因此，可以由式（1）計算滑坡完全堵江最小土石體積Vmin。

圖7 滑坡堵江堰塞壩縱剖面示意圖[18]Fig.7 Cross section of a landslide dam

式中：Ld—壩底寬度/m；

Hr—平均河水深度/m；

Br—河床寬度/m；

φs—堵江巖土體飽和內(nèi)摩擦角/（°）。

通過統(tǒng)計分析國內(nèi)外典型滑坡天然壩形態(tài)，發(fā)現(xiàn)壩底寬是壩高的8～10倍，若取Ld=9Hr，式（1）可以簡化為式（2），取Hr=15 m、Br=94 m、φs=25°，計算結(jié)果如表1。

表1 完全堵江最小土石方量Table 1 The minimum sliding-mass of complete landslide-damming

采用黃潤秋等[19]提出的滑坡堵江高度統(tǒng)計經(jīng)驗公式（3），對強變形區(qū)沿淺層滑帶滑動（V1=6.5×106m3）和整體沿深層滑帶滑動（V2=28.81×106m3）兩種情況的滑坡堵江高度進行計算。結(jié)果表明，第1種工況下的滑坡堵江高度約87.2 m；第2種工況下的滑坡堵江高度約129.2 m。

分析表明，沃達滑坡存在形成滑坡-堵江-潰決-洪水鏈式災(zāi)害的危險性，建議進一步加強滑坡監(jiān)測，針對性進行排水和加固治理工程。需要說明的是，劉威等[20]基于多物理模型耦合方法開展沃達滑坡誘發(fā)災(zāi)害鏈演化過程的預(yù)測模擬分析，假定滑體入水體積為29×106m3，計算得到滑坡在狹窄地形作用下最終堵塞河道，并形成高69 m、長1.8 km的堰塞壩。不難看出，采用經(jīng)驗公式和基于多物理模型耦合的數(shù)值模擬兩種方法計算得到的滑坡壩高度有較大差異。無論是經(jīng)驗統(tǒng)計公式還是數(shù)值模擬方法，均有其局限性，經(jīng)驗統(tǒng)計公式中對影響滑坡壩高度的滑距、河谷形態(tài)、滑坡堵江寬度、河流水動力條件以及堵江方式等因素均未考慮，而數(shù)值模擬方法過度依賴于參數(shù)準確性、模型精度與可靠性。因此，針對已經(jīng)出現(xiàn)明顯變形的潛在堵江滑坡，及時開展InSAR、GNSS等長時間序列地表形變與深部鉆孔位移監(jiān)測，準確分析研判滑坡失穩(wěn)范圍、規(guī)模和變形破壞模式，進一步提高數(shù)值模擬計算參數(shù)和模型的可靠性，對提升滑坡-堰塞湖-潰決洪水災(zāi)害鏈應(yīng)急管理與防災(zāi)減災(zāi)水平具有重要支撐作用。

5 結(jié)論

（1）沃達滑坡發(fā)育于金沙江構(gòu)造縫合帶內(nèi)，圈椅狀地貌明顯，剪出口高出金沙江最大達247 m，體積約28.81×106m3，為一特大型滑坡?；掳l(fā)育兩層滑帶，淺層滑帶沿古滑坡體內(nèi)部的巖土體分界面發(fā)育，深部滑帶沿古滑坡的滑帶發(fā)育，平均埋深分別約15 m和25.5 m。

（2）沃達滑坡目前地表宏觀變形跡象明顯，發(fā)育多處挫坎和拉裂縫。地表和鉆孔深部位移監(jiān)測表明，滑坡復(fù)活變形主要集中在中前部的強變形區(qū)，且呈現(xiàn)向后漸進變形破壞特征，復(fù)活區(qū)右側(cè)變形比左側(cè)強烈?；抡w目前處于蠕滑變形階段，局部處于加速變形階段。

（3）沃達滑坡的形成受地層巖性和地質(zhì)構(gòu)造等地質(zhì)因素控制，降雨促進了其復(fù)活變形發(fā)展。主要存在的潛在失穩(wěn)模式有兩種：一是多級淺層潛在滑面貫通形成較大范圍的淺層滑動；二是前部巖土體沿基覆界面發(fā)生失穩(wěn)下滑高位剪出，后部滑體受牽引而發(fā)生漸進破壞。

（4）計算表明，沃達滑坡若發(fā)生強變形區(qū)沿淺層滑帶失穩(wěn)滑動時，將形成高度約87.2 m的堵江堰塞壩。若整體沿深層滑帶失穩(wěn)滑動，將形成高度約129.2 m的堵江堰塞壩。沃達滑坡存在形成滑坡-堵江-潰決-洪水鏈式災(zāi)害的危險性，建議進一步加強監(jiān)測和防治。