汶馬高速公路斜坡地質(zhì)災害分布規(guī)律及演化模式

張文居, 孟陸波, 李 磊, 成 威, 李 攀

(1.四川藏區(qū)高速公路有限責任公司，成都 610000；2.地質(zhì)災害防治與地質(zhì)環(huán)境保護國家重點實驗室(成都理工大學)，成都 610059)

中國地質(zhì)災害頻發(fā)，且大型地質(zhì)災害對人民生命財產(chǎn)及社會公共安全構(gòu)成嚴重威脅，尤其是在地形地質(zhì)條件復雜的西部山區(qū)。汶川大地震后，中國西部地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造運動強烈，地質(zhì)災害更易發(fā)生。汶川至馬爾康高速公路(簡稱“汶馬高速公路”)作為內(nèi)地通往西藏、青海等地區(qū)的重要交通大動脈，其地形高差跨度極大(在較短的150～200 km水平距離內(nèi)，海拔高度從四川盆地丘陵的不足 1 000 m跨越到 4 000多米的青藏高原東緣)，地形陡峻、走廊帶狹窄、溝壑縱橫，巖性復雜、活動斷裂發(fā)育、地震烈度高，沿線斜坡地質(zhì)災害極具發(fā)育，而這些沿線易發(fā)災害的斜坡對公路的建設(shè)和日常運營形成重大威脅。因此，對汶馬高速公路斜坡地質(zhì)災害的分布特征及形成演化模式的研究具有重要意義。

多年來，眾多學者對地質(zhì)災害發(fā)育分布規(guī)律及影響因素進行了大量研究。如張春山等[1]研究了黃河上游地區(qū)地質(zhì)災害的發(fā)育規(guī)律；段麗萍等[2]分析了川西高原地質(zhì)災害發(fā)育影響因素；丁俊等[3]研究了四川大渡河流域地質(zhì)災害發(fā)育特征；2008年汶川大地震后，黃潤秋等[4]對汶川災區(qū)做了大量的地質(zhì)災害成因機制研究，認為地質(zhì)災害發(fā)育與距斷裂帶距離、坡度、高程、地層巖性、鎖固段、活動斷裂兩盤及方向等眾多因素有關(guān)；彭亮[5]、王佳運等[6]研究了玉樹地震后的地質(zhì)災害分布規(guī)律；李秀珍等[7]與殷志強等[8]研究對比了蘆山地震和汶川地震后地質(zhì)災害發(fā)育分布規(guī)律的相似性和差異性；祝建等[9]研究了川藏公路地質(zhì)災害分布規(guī)律；魏昌利等[10]分析了岷江上游地質(zhì)災害發(fā)育規(guī)律。地質(zhì)災害的分布及成因由于地質(zhì)條件的差異性和復雜性在不同地區(qū)表現(xiàn)出不同特點。已有的研究成果較少涉及汶馬高速公路條帶狀地質(zhì)災害發(fā)育分布規(guī)律，缺乏對不同路段地質(zhì)災害形成演化過程的探討。

本文通過現(xiàn)場調(diào)研和淺表生改造理論分析，從整體上總結(jié)汶馬高速公路斜坡地質(zhì)災害發(fā)育特征與分布規(guī)律，探討汶馬高速公路典型地質(zhì)災害影響因素及形成演化模式，為汶馬高速公路建設(shè)和運營過程中潛在斜坡地質(zhì)災害的識別、監(jiān)測預警和防治提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

汶馬高速公路位于四川盆地西北邊緣與青藏高原東緣交錯接觸帶，起點順接已建的映秀至汶川高速公路，路線沿國道G317線走廊分布，途經(jīng)汶川、理縣、馬爾康，止于四川省阿壩藏族羌族自治州馬爾康，路線總長172.319 km。

研究區(qū)位于青藏高原東南緣，主要受印度洋暖流、西伯利亞的西風氣流和太平洋東南季風3個環(huán)流的影響，屬于季風氣候[11]。冬季受青藏高原與北方冷氣流的影響，具有降水稀少、寒冷干燥、日照強烈、晴朗多大風等特點，形成旱季；夏季西南向季風增強，降水增多，形成雨季。

研究區(qū)內(nèi)地形復雜，地勢總體西北高、東南低。東南為龍門山，中西部為邛崍山脈。研究區(qū)內(nèi)多為高山峽谷區(qū)，海拔高度約1.1～5.5 km，屬于構(gòu)造侵蝕深切峽谷的中高山、高山地貌。區(qū)內(nèi)地形陡峭，谷坡區(qū)呈現(xiàn)陡緩交替的階梯狀。區(qū)內(nèi)水系發(fā)育，江河溪流縱橫交錯，主要發(fā)育有來蘇河、雜古腦河、梭羅溝，屬于岷江水系，河谷具有深切的特點，且水流湍急、支溝交錯，大致呈“V”字形，兩岸地勢較開闊，部分區(qū)域為陡崖[12]。

汶馬高速公路沿線出露地層主要為第四系全新統(tǒng)(Q4)、上三疊統(tǒng)新都橋組(T3x)、侏倭組(T3zh)及中三疊統(tǒng)雜谷腦組(T2z)。本區(qū)域在構(gòu)造上位于北西向鮮水河大斷裂帶與北東向龍門山華夏系構(gòu)造帶之間的金湯弧形構(gòu)造北側(cè)，地質(zhì)構(gòu)造分布情況見圖1。構(gòu)造形跡以緊密狀弧形褶皺為主，大中型斷裂構(gòu)造不發(fā)育。公路沿線主要跨越了3個構(gòu)造形跡群：馬爾康北西向構(gòu)造形跡群、族郎帚狀構(gòu)造形跡群以及薛城-臥龍“S”形構(gòu)造形跡群。

圖1 汶馬高速公路地質(zhì)構(gòu)造圖[12]Fig.1 Structural and earthquake distribution map along Wenchuan-Maerkang expressway

研究區(qū)屬地震活動區(qū)，并緊鄰地震活動頻繁而強烈的松潘、龍門山地震帶。根據(jù)GB18306-2001《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》國家標準第1號修改單，汶川大地震災后重建評價，研究區(qū)地震動峰值加速度為0.20～0.10 Gal (1 Gal=1 cm/s2)，地震動反應譜特征周期為0.35～0.4 s，基本地震烈度調(diào)整為7～8度。

2 斜坡地質(zhì)災害時空發(fā)育分布規(guī)律

結(jié)合汶馬高速公路沿線復雜的地質(zhì)及氣候條件，從空間和時間上，分析沿線斜坡地質(zhì)災害的發(fā)育分布規(guī)律，總結(jié)斜坡地質(zhì)災害分布特點與地質(zhì)條件之間的聯(lián)系，有助于把握汶馬高速公路斜坡地質(zhì)災害分布的總體特征，為分析汶馬高速公路斜坡地質(zhì)災害的致災因子和演化模式提供基礎(chǔ)。

通過汶馬高速公路沿線地質(zhì)災害調(diào)查，統(tǒng)計了103處地質(zhì)災害點，主要地質(zhì)災害類型為危巖、滑坡、泥石流3種，其中危巖22處、滑坡44處、泥石流37處(表1)，分布情況見圖2。

表1 汶馬高速公路地質(zhì)災害數(shù)量統(tǒng)計Table 1 Statistics of geological hazards along Wenchuan-Maerkang expressway

圖2 汶馬高速公路地質(zhì)災害分布示意圖Fig.2 Map showing geological disaster distribution along Wenchuan-Maerkang expressway

2.1 斜坡地質(zhì)災害空間分布規(guī)律

通過分析汶馬高速公路沿線地質(zhì)災害調(diào)查結(jié)果可知，在汶川—理縣段的地質(zhì)災害點的分布明顯比理縣—馬爾康段密集(圖2)。其中汶川—理縣段地質(zhì)災害點有54處，包括危巖15處、滑坡25處、泥石流14處；理縣—馬爾康段地質(zhì)災害點有49處，包括危巖7處、滑坡19處、泥石流23處。

根據(jù)搜集的汶馬高速公路勘察資料和前人研究成果，結(jié)合現(xiàn)場調(diào)研，對汶馬高速公路沿線重大滑坡、崩塌、泥石流地質(zhì)災害進行歸納整理，并通過分析汶馬高速公路沿線斜坡地質(zhì)災害的形成條件和發(fā)育分布規(guī)律，得出汶馬高速公路沿線斜坡地質(zhì)災害在空間分布上呈現(xiàn)出分段性、相對集中性、相關(guān)性的特點。

2.1.1 分段性

結(jié)合汶馬高速公路地質(zhì)災害分布特征及其地形地貌、地層巖性及地質(zhì)構(gòu)造等因素，可將汶馬高速公路分為2段：汶川—理縣段和理縣—馬爾康段，統(tǒng)計結(jié)果見表2。

表2 汶馬高速公路地質(zhì)災害分段統(tǒng)計Table 2 Subsection statistics of geological hazards of Wenchuan-Maerkang expressway

汶川—理縣段：兩側(cè)山體較高，邊坡海拔高度普遍在1.5 km以上；整體坡度較陡，平均坡度在50°以上，部分斜坡的坡度大于70°。形成這樣地貌的原因，主要是雜谷腦河谷逐步下蝕的結(jié)果，導致兩岸斜坡前緣臨空[13]。山頂部分既凸出又陡峻，卸荷裂隙發(fā)育；且降雨較少，坡面植被較少，基巖裸露。同時，該段穿越茂汶活動斷裂，具備發(fā)生強震的能力，使得該段巖土體震裂松動，因此災害分布相對密集。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，汶川—理縣段有災害點54處，占所有地質(zhì)災害點的52.4%。

理縣—馬爾康段：植被發(fā)育較好，基巖裸露較少，據(jù)調(diào)查該段地質(zhì)災害點為49處，占所有地質(zhì)災害點的47.6%。

2.1.2 集中性

地質(zhì)災害的主控因素控制地質(zhì)災害的發(fā)育和分布，因此相似地質(zhì)條件范圍內(nèi)發(fā)育發(fā)生的地質(zhì)災害也具有一定的相似性且相對集中。在地形陡峭、水系發(fā)育、地面切割強烈的地段，同時地層巖性復雜、斷層通過、節(jié)理裂隙發(fā)育，使得地質(zhì)災害的發(fā)育具有相對集中分布的特點。如圖2所示，汶川—理縣段的地質(zhì)災害相對密集，地質(zhì)災害分布密度達到0.93處/km。

2.1.3 相關(guān)性

地質(zhì)災害的相關(guān)性，是指在同一種外界因子的作用下，造成多種災害同時或相繼發(fā)生，從而使受災范圍和強度加大[14]。2008年5月12日汶川特大地震后，破碎的山體、多變的氣候，以及時有發(fā)生的余震，使得公路沿線崩塌、滑坡、泥石流等次生地質(zhì)災害頻頻發(fā)生。受地形條件限制，公路基本都是沿河流穿行，崩塌、滑坡災害可為泥石流的形成提供大量的物源，從而加劇泥石流災害的規(guī)模和強度。同時，崩塌、泥石流等地質(zhì)災害往往會造成河道堵塞，從而形成堰塞湖、江水沖刷岸坡及路基坍塌等災情。汶馬高速公路建設(shè)過程中，坡腳開挖、爆破等人類工程活動也會對地質(zhì)災害產(chǎn)生較大影響。

2.2 斜坡地質(zhì)災害時間分布規(guī)律

汶馬高速公路沿線地質(zhì)災害的時間分布規(guī)律主要受降雨和凍融循環(huán)作用控制。由于西南向季風的影響，多雨季節(jié)主要集中在5～6月份以及9～10月份，形成雨季。7～8月份因副熱帶高壓向西延伸，青藏高原處于穩(wěn)定期，降水較少，造成伏旱。降雨對地質(zhì)災害的促進作用主要在于雨水飽和巖土體、增大容重、強度降低；雨水入滲，降低潛在滑面附近的抗滑阻力，容易引起巖土體滑動變形破壞。在每年旱季或者河流枯水期，斜坡處于穩(wěn)定狀態(tài)；在雨季或冰雪融化季節(jié)，斜坡穩(wěn)定性降低，可能失穩(wěn)，從而在時間上體現(xiàn)出季節(jié)性和重復性。

3 斜坡地質(zhì)災害影響因素分析

3.1 與地形坡度和微地貌的關(guān)系

通過地質(zhì)災害點與坡度(α)相關(guān)性分析(圖3)，發(fā)現(xiàn)汶馬高速公路沿線地質(zhì)災害點基本都分布在坡度為30°～70°的范圍內(nèi)，共計93個，占總數(shù)量的90.2%。其中發(fā)育災害點最多的地形坡度為30°～40°，共計29個；且在此坡度范圍內(nèi)以泥石流發(fā)育較多，共19處。

圖3 地形坡度與災害點數(shù)量統(tǒng)計結(jié)果Fig.3 Statistics of topographic slope

3.2 與高程的關(guān)系

通過地質(zhì)災害點與海拔高度(h)相關(guān)性分析(圖4)，表明地質(zhì)災害點主要位于海拔高度1.5～2.5 km內(nèi)，即分布在汶川至理縣一帶，占總數(shù)的62.4%。在海拔高度為1.5～2 km，地質(zhì)災害點最多，有37處，占總數(shù)的35.9%。汶川至理縣這一帶地形起伏劇烈、坡度陡，且具有嚴重的河谷下切侵蝕地貌，致使邊坡變形劇烈，引發(fā)大量的地質(zhì)災害隱患點。而海拔高度>2.5 km的區(qū)域，植被覆蓋率高，水土保持良好，不利于地質(zhì)災害的形成。

圖4 海拔高度與災害點數(shù)量統(tǒng)計結(jié)果Fig.4 Elevation statistics

3.3 與地層巖性的關(guān)系

汶馬高速公路沿線出露的地層巖性主要為土層、千枚巖、板巖、變質(zhì)砂巖等。將地質(zhì)災害點與巖性進行統(tǒng)計分析(圖5)，可見地質(zhì)災害主要集中在土質(zhì)斜坡和板巖斜坡中。其中土質(zhì)斜坡地質(zhì)災害有51處，占49.5%，而板巖斜坡有27處，占26.2%。板巖和變質(zhì)砂巖斜坡易發(fā)生崩塌災害，千枚巖斜坡易發(fā)生滑坡災害，而土質(zhì)斜坡通常發(fā)生滑坡、泥石流災害。

圖5 地層巖性與災害點數(shù)量統(tǒng)計圖Fig.5 Statistics of lithology

3.4 與斷裂帶的關(guān)系

汶馬高速公路沿線的斷裂帶主要有米亞羅斷裂、松崗斷裂及茂汶斷裂，均屬于活動斷裂(圖6)。區(qū)內(nèi)巖體受到卸荷作用，普遍較為破碎，巖體整體性遭受破壞，節(jié)理、裂隙發(fā)育。通過地質(zhì)災害點與斷裂帶相關(guān)性分析(圖7)，可見受茂汶斷裂帶影響的災害點最多，為60個，占總數(shù)的58.2%；且距離茂汶斷裂帶0～20 km范圍內(nèi)的災害點最密集，分布有34個災害點。主要由于此段距離龍門山斷裂帶較近，地質(zhì)構(gòu)造活動較其他路段更活躍；再加上汶川地震使該段山體破裂，巖體破碎，導致該段地質(zhì)災害的數(shù)量最多。

圖6 汶馬高速公路受斷裂帶影響示意圖[14]Fig.6 Diagram showing Wenchuan-Maerkang expressway affected by fault belts

圖7 災害點數(shù)量受斷裂帶影響統(tǒng)計結(jié)果Fig.7 Statistics of fault belt influence on expressway

4 斜坡地質(zhì)災害演化模式

采用淺表生改造理論[15]，結(jié)合地質(zhì)地貌演化，分析汶馬高速公路斜坡地質(zhì)災害演化模式。汶馬高速公路地質(zhì)災害在空間分布上的分段性說明汶川—理縣、理縣—馬爾康這兩段地質(zhì)災害的演化模式相異，因此按段分別建立其演化模式。

4.1 汶川-理縣段地質(zhì)災害演化模式

根據(jù)汶川至理縣段的地質(zhì)條件與典型地質(zhì)災害特征，垂直線路截取典型橫斷面，探討建立其淺表生改造演化模式——中傾角巖層深切演化模式(圖8)。

圖8 汶川-理縣段淺表生改造地質(zhì)災害演化模式示意圖Fig.8 Sketch of epigenetic reformation of Wenchuan-Lixian section

中傾角巖層深切演化可簡化為3個階段：①夷平初始階段(圖8-A)，地層傾角以中傾角為主，此階段沒有產(chǎn)生巖體剝蝕；②夷平面剝蝕階段(圖8-B)，夷平面至剝蝕面間的巖體受風化等作用完全剝落，巖體發(fā)生垂向的卸荷作用，下部地層發(fā)生卸荷回彈，新地表下產(chǎn)生大量沿地層產(chǎn)狀發(fā)育的離面卸荷裂隙；③峽谷快速下切階段(圖8-C)，河谷下蝕卸荷使河谷巖體產(chǎn)生卸荷回彈，岸坡地層向河谷方向發(fā)生卸荷拉裂作用，產(chǎn)生平行于岸坡的卸荷裂隙，與中傾角結(jié)構(gòu)面組合，易形成潛在滑坡或潛在危巖。該段地形陡峭、植被稀少、巖體風化強烈，并且受龍門山斷裂帶影響大，加上2008年發(fā)生的汶川地震的震裂松動等影響，部分卸荷裂隙發(fā)育并貫通，由此形成大量危巖和滑坡。

4.2 理縣-馬爾康段地質(zhì)災害演化模式

根據(jù)理縣-馬爾康段的地質(zhì)條件與典型地質(zhì)災害特征，探討并建立其淺表生改造演化模式——陡傾角巖層深切演化模式(圖9)。

圖9 理縣-馬爾康段淺表生改造地質(zhì)災害演化模式示意圖Fig.9 Sketch of epigenetic reformation of Lixian-Maerkang section

陡傾角巖層深切演化可簡化為3個階段：①夷平初始階段(圖9-A)，地層陡立，傾角為70°～90°，此階段沒有發(fā)生巖體剝蝕；②夷平面剝蝕階段(圖9-B)，夷平面至剝蝕面間的巖體受風化等作用完全剝落，巖體由于發(fā)生垂向的卸荷作用，下部地層發(fā)生卸荷回彈，新地表下產(chǎn)生大量平行地表卸荷裂隙和沿地層產(chǎn)狀發(fā)育的離面卸荷裂隙；③峽谷快速下切階段(圖9-C)，河谷下蝕卸荷使河谷巖體產(chǎn)生卸荷回彈，岸坡地層易向河谷方向發(fā)生卸荷回彈錯動作用，產(chǎn)生平行于岸坡的卸荷裂隙，和陡傾角結(jié)構(gòu)面組合，易形成潛在滑坡。同時，由于地層傾角大、巖層陡立，在重力作用下，地層容易發(fā)生傾倒變形，從而形成潛在滑坡。由于此段地質(zhì)構(gòu)造運動較汶川至理縣段弱，裂隙數(shù)量相對較少，并且該段植被發(fā)育，因此主要形成滑坡，而危巖災害明顯少于汶川至理縣段。

5 結(jié) 論

本文通過汶馬高速公路沿線斜坡地質(zhì)災害的現(xiàn)場調(diào)查分析，對斜坡地質(zhì)災害從時間上和空間上的發(fā)育分布規(guī)律和特征進行總結(jié)，并對其誘發(fā)因素和演化模式進行了探討，得到以下結(jié)論：

a.結(jié)合地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造以及降雨水文條件，汶馬高速公路沿線斜坡地質(zhì)災害呈現(xiàn)出分段性、相對集中性和相關(guān)性的空間特征以及季節(jié)重復性的時間特征。

b.從地質(zhì)環(huán)境條件來看，汶馬高速公路沿線斜坡地質(zhì)災害的發(fā)育分布規(guī)律主要受坡度和微地貌、海拔高度、地層巖性以及與斷層間的距離等因素的影響。

c.基于淺表生改造理論，并結(jié)合地質(zhì)地貌演化，建立了汶馬高速公路2種斜坡地質(zhì)災害演化模式，分別為汶川-理縣段的中傾角巖層深切模式和理縣-馬爾康段的陡傾角巖層深切模式。