黃河上游曲哇加薩滑坡“9·20”動力學(xué)過程模擬與分析

周 保，馬 濤，魏正發(fā)，王文沛

（1.青海省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測總站,青海 西寧 810008；2.中國地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院（自然資源部地質(zhì)災(zāi)害防治技術(shù)指導(dǎo)中心）,北京 100081）

0 引言

曲哇加薩（軍功）滑坡位于青海省果洛藏族自治州瑪沁縣拉加鎮(zhèn)，是發(fā)育于黃河上游新近系巖層中的巨型老滑坡。滑體前緣長期受黃河強(qiáng)烈侵蝕切割，以及修建公路、坡腳削坡建房等人類工程活動影響，滑體變形跡象明顯，歷史上曾多次發(fā)生局部滑動（圖1）。

圖1 瑪沁縣拉加鎮(zhèn)曲哇加薩滑坡位置圖Fig.1 Location map of Quwajiasa landslide in Laga Town,Maqin County

1985年7月21日老滑坡體中段發(fā)生滑坡。2011年8月12日當(dāng)?shù)鼐用裨诶匣麦w前緣削坡建房引發(fā)局部滑動。2013年6月1日、2018年5月2日受降雨影響，老滑坡體局部變形加劇。2019年9月20日老滑坡體上H1、H2、H4 滑坡發(fā)生滑動，造成國道G227上山路段嚴(yán)重變形，損毀公路400 m，前緣18 戶居民受災(zāi)，51 間房屋倒塌。同時，造成老滑坡體中前部，即拉加鎮(zhèn)軍功路南側(cè)坡體出現(xiàn)變形跡象。2020年3月1日，老滑坡體中前部拉加鎮(zhèn)軍功路南側(cè)坡體前緣局部變形加劇，威脅住戶120 戶、商鋪65 戶，其中19 戶139 間房屋出現(xiàn)不同程度傾斜、地基下沉、墻體開裂等情況[1?4]。

針對曲哇加薩滑坡復(fù)雜的變形破壞特征，程強(qiáng)等[5]提出：這種特殊的新近系以來沉積的高原紅層，成巖時間短，力學(xué)強(qiáng)度相對較弱，易發(fā)生紅層與上覆土體界面的大型滑坡災(zāi)害。張永康等[6]通過現(xiàn)場勘查提出青海高原紅層滑坡的具有多區(qū)、多級、多層的變形破壞特征，且各滑體滑動速度不同。吳永剛等[7]通過物理模型試驗認(rèn)為青海高原紅層滑坡河谷下切引起的坡體卸荷回彈變形使得淺層滑面位移大于深層滑面位移，雨水浸潤引起材料強(qiáng)度軟化進(jìn)一步加劇了變形。殷志強(qiáng)等[8]指出：黃河上游巨型滑坡主要發(fā)育于氣候的溫暖濕潤期和氣候變化的快速轉(zhuǎn)型期，具有多期次滑動過程特征。Wang 等[9?13]利用安全系數(shù)云圖分析法模擬出了茂縣梯子槽高位滑坡多層滑面安全系數(shù)分布，并據(jù)此進(jìn)行防治結(jié)構(gòu)設(shè)計，提出了針對性的小口徑組合樁群治理方案。李濱等[14?19]提出此類特大高位地質(zhì)災(zāi)害易形成泥石流、堵江等災(zāi)害鏈，需加強(qiáng)調(diào)查與識別能力、監(jiān)測預(yù)警與風(fēng)險防范能力以及防災(zāi)減災(zāi)能力建設(shè)。

文章以2019年9月20日19 時發(fā)生于曲哇加薩老滑坡東北段中前緣 H1 滑坡為例，在野外調(diào)查、形變數(shù)據(jù)以及穩(wěn)定性分析的基礎(chǔ)上，研究該滑坡的變形破壞特征，并進(jìn)一步通過動力學(xué)模擬分析滑坡的成災(zāi)范圍，可為后續(xù)的綜合防治方案提供科學(xué)參考。

1 研究區(qū)地質(zhì)環(huán)境條件

曲哇加薩老滑坡所處位置為黃河強(qiáng)烈下切侵蝕區(qū)，河谷形態(tài)為峽谷。拉加鎮(zhèn)段因黃河呈急劇“S”拐彎形成相對開闊的一小型河谷型盆地，其凸岸發(fā)育有黃河Ⅱ、Ⅶ級階地，階面地形較為平緩。凹岸坡體和河床直接接觸，長期遭受強(qiáng)烈的侵蝕切割，形成高幾十米至數(shù)百米不等的陡坡、陡崖?；聟^(qū)地形地貌主要為黃河Ⅱ、Ⅶ級階地組成的河谷平原地貌。黃河Ⅱ級階地分布于滑坡前緣，現(xiàn)為居民區(qū)，黃河Ⅶ級階地分布于老滑坡后緣。老滑坡西側(cè)坡腳長期受黃河沖刷、侵蝕下切（圖1）。

滑坡區(qū)北側(cè)發(fā)育有拉家壓扭性逆斷層（F1），該斷層位于拉加北山，NE60°方向延展，為逆沖斷層，斷層破碎帶寬度10～30 m。挽近時期的隆拗運(yùn)動在滑坡區(qū)的表現(xiàn)也較明顯，其隆拗的長軸方向繼承了老構(gòu)造斷裂帶的走向，多呈東西向展布。該地區(qū)地震活動頻繁，地震基本烈度Ⅶ度。

老滑坡整體呈寬簸箕形，坡體發(fā)育有3～6 級滑移臺坎。東、南側(cè)滑坡后壁明顯，呈陡坡狀，局部為陡崖，高度40～50 m，西側(cè)滑坡邊界以深切的塔爾隆溝為界；滑體寬約1 900 m，長700～900 m，厚30～100 m，方量約1.67×108m3，整體坡度約25°，主滑方向307°?；w后緣高程3 225～3 340 m，前緣高程3 040 m，相對高差185～300 m。老滑坡后緣出露地層上部為“二元結(jié)構(gòu)”黃土狀土和卵石，下部為新近系泥巖，泥巖產(chǎn)狀NE5°∠25°，組成順向緩傾坡（圖2）。

圖2 曲哇加薩滑坡平面圖Fig.2 The engineering geological plane of Quwajiasa landslide

2 2019年9月20日滑坡特征

2019年9月20日，曲哇加薩老滑坡東北段中前緣H1、H2、H4 滑坡發(fā)生滑動，造成路面隆起、損毀公路400 m，18 戶居民受災(zāi)，51 間房屋倒塌。H4 滑坡滑動后造成原來公路的20 根抗滑樁裸露，懸臂5～10 m，出現(xiàn)樁間土坍塌變形，樁后 H3 滑坡內(nèi)也形成多條縱向裂縫。災(zāi)害發(fā)生后，采取了拆除房屋和回填壓腳措施[2]（圖3—6）。

圖3 曲哇加薩滑坡發(fā)生前后對比Fig.3 Comparison before and after the occurrence of Quwajiasa landslide

圖5 前緣鼓脹引起房屋倒塌Fig.5 The swelling of the front edge caused the houses to collapse

由圖4—5 可以看出，臨近公路位置H1、H2 滑坡前緣發(fā)育多處土體解體，并擠壓公路產(chǎn)生多處放射狀鼓脹張拉裂縫，裂縫寬度30～60 cm，深度2 m，裂縫走向與滑坡方向平行或呈小角度相交。公路外側(cè)擋墻產(chǎn)生嚴(yán)重的鼓脹變形，裂縫寬度達(dá)5 cm。公路下方由于滑坡滑動鼓脹導(dǎo)致地表隆起，造成51 間房屋倒塌?；虑熬売绊懛秶凉窊鯄蛙姽β分g。

圖4 曲哇加薩“9·20”滑坡前緣Fig.4 Frontal edge of “9·20”landslide in Quwajiasa

由圖6 可以看出，H1 滑坡后緣陡坡下錯約2.0 m，側(cè)界清晰，滑坡呈現(xiàn)蠕滑特征，表面裂縫遍布。現(xiàn)場后緣可見水體入滲跡象，土體含水量較高。

圖6 曲哇加薩“9·20”H1 滑坡后緣Fig.6 Back edge of “9·20”H1 landslide in Quwajiasa

為避免滑坡進(jìn)一步變形致災(zāi)，災(zāi)害發(fā)生后，采取了拆除房屋、回填壓腳及截排水措施，9 天后，該滑坡逐漸趨于穩(wěn)定狀態(tài)。

實際上H1、H2、H4 歷史上曾出現(xiàn)多次變形。2011年8月12日，由于省道S101 線（現(xiàn)為國道G227）修建時開挖該區(qū)西側(cè)滑體前緣和當(dāng)?shù)鼐用裣髌陆ǚ康裙こ袒顒?，引發(fā)老滑坡前緣部分滑動，使得H1、H2 滑坡后緣和右側(cè)緣形成連續(xù)的圈椅狀陡壁，高2～6 m?；潞缶壚瓘埩芽p密集發(fā)育。

根據(jù)2013年8月—2014年10月地表變形監(jiān)測數(shù)據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，監(jiān)測點的位移量在2014年6月、2014年8月出現(xiàn)兩次明顯階躍，最大水平變形累計達(dá)到900 mm[1?4]。根據(jù)2014年7月—2019年6月時間序列InSAR 監(jiān)測數(shù)據(jù)，獲得滑坡的年平均形變速率超過70 mm，說明曲哇加薩滑坡一直在變形。

從圖7 可以看出，8月27日—9月22日近1 個月累計降雨量為91.5 mm，其中18—20日3日連續(xù)降雨量為23.5 mm，占比25.7%。降雨沿著密集發(fā)育的裂縫下滲，加速了地下水的滲流作用，進(jìn)一步降低了巖土體的強(qiáng)度，最終導(dǎo)致北側(cè)滑坡發(fā)生滑動。

圖7 曲哇加薩滑坡2019年8月27日—9月22日降雨量Fig.7 Rainfall from August 27 to September 22,2019

為更好說明東北段中前緣滑坡發(fā)生的相關(guān)機(jī)理，選擇H1 滑坡進(jìn)行具體分析。結(jié)合物探、鉆探及探井資料，H1 滑坡由上至下共發(fā)育4 層滑面（圖8），從上至下分別為滑面1：位于碎石土與粉質(zhì)黏土交界層前部，深度約5～10 m，飽水，呈泥團(tuán)狀；滑面2：位于碎石土與粉質(zhì)黏土交界層附近，深度約20～30 m，含水率較高，呈軟塑狀，局部可見擦痕；滑面3：位于黏土層與粉質(zhì)黏土交界層處，深度約35～50 m，含水率較高，呈可塑-軟塑狀，可見擦痕；滑面4：位于基巖與黏土層的交界處，深度約60～80 m，含水率較高，呈硬塑-可塑狀。

圖8 曲哇加薩滑坡典型工程地質(zhì)剖面（A—A′）Fig.8 Typical engineering geological profile of Quwajiasa landslide (A—A′)

選取圖8 典型剖面進(jìn)行滑坡穩(wěn)定性計算，確定降雨對滑坡穩(wěn)定性的影響程度，根據(jù)程柯力等[2]計算結(jié)果表明淺層滑面1、滑面2 的穩(wěn)定系數(shù)為0.94、1.02，處于不穩(wěn)定狀態(tài)和欠穩(wěn)定狀態(tài)，易于繼續(xù)發(fā)生變形破壞（圖9）。模擬結(jié)果很好驗證了此次東北段中前緣滑坡主要是由于淺層滑面1 蠕滑形成，同時滑面2 的滑動可能性也較高，需做相關(guān)的動力學(xué)預(yù)測分析。而深層滑面3、滑面4 的穩(wěn)定系數(shù)均為1.35，處于穩(wěn)定狀態(tài)，故不需做相關(guān)動力學(xué)預(yù)測分析。

圖9 滑坡典型剖面安全系數(shù)分區(qū)Fig.9 Safety factor zoning of typical landslide profile

3 滑坡動力學(xué)反演模擬及預(yù)測評價

3.1 DAN-W 基本原理

為了分析滑坡剪出后動力學(xué)特征和評估成災(zāi)范圍，采用加拿大Hungr 教授開發(fā)的DAN-W 二維的動力模擬方法進(jìn)行正演分析。DAN-W 是一種基于Windows程序，在連續(xù)介質(zhì)模型基礎(chǔ)上將滑體等效為具有流變性質(zhì)的流體，選用不同的流變模型，通過設(shè)定滑坡的滑動路徑的參數(shù)，從而達(dá)到模擬滑坡的運(yùn)動速度、時間、路程以及堆積體特征效果[20?29]。大量的模擬結(jié)果表明摩擦準(zhǔn)則和Volleymy 準(zhǔn)則最能表達(dá)滑坡的運(yùn)動。

摩擦準(zhǔn)則是一個單變量的流變準(zhǔn)則，其抗剪強(qiáng)度表達(dá)式為：

式中：τ——滑坡底部剪應(yīng)力/Pa；

σ——垂直運(yùn)動方向的總應(yīng)力/Pa；

ru——孔隙水壓力與總正應(yīng)力之比；

φ——摩擦角/（°）。

Volleymy 準(zhǔn)則的抗剪應(yīng)力表達(dá)式為：

式中：f——摩擦系數(shù)；

ρ——滑坡的密度/（kg·m?3）；

g——重力加速度/（m·s?2）；

v——滑坡平均速度/（m·s?2）；

ε——湍流系數(shù)/（m·s?2）。

該準(zhǔn)則中f和ε 為兩個待定的參數(shù)。

3.2 模型建立及反演模擬對比

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)，滑坡主要運(yùn)動模式是蠕滑，并且前部有公路擋墻和房屋阻擋，并未發(fā)生遠(yuǎn)程滑坡，因此選用摩擦流變模型較為合適。當(dāng)然，為更好的說明摩擦流變模型的有效性，再選取Volleymy 流變模型共同與H1 滑坡1 號滑面淺層滑動現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果進(jìn)行對比。采用試參法對摩擦流變模型進(jìn)行模擬[20]，Volleymy流變模型內(nèi)摩擦角與摩擦流變模型一致，同時，摩擦系數(shù)，湍流系數(shù)采取工程類比，從而對已發(fā)生滑動的曲哇加薩1 號淺層滑面進(jìn)行運(yùn)動反演模擬對比分析（表1）。

表1 模型參數(shù)選取Table 1 Model parameters

從圖10 可以看出，1 號滑面淺層滑坡運(yùn)動后，若按照摩擦流變模型將運(yùn)動堆積到623 m 位置，即擋墻至軍功路段國道G227 和居民區(qū)，暫時不會影響到軍功路至黃河段。同時，滑坡體積超過50%基本停留在上部滑面上，其余均勻停留在運(yùn)動路徑上，這與現(xiàn)場調(diào)查滑坡堆積特征基本相符。若按照Volleymy 流變模型運(yùn)動堆積到682 m 位置，即軍功路至黃河段居民區(qū)，與現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果不符，大于實際運(yùn)動距離。同時，滑坡體積主要停留在坡腳位置，也與實際情況不符。

圖10 1 號滑面淺層滑坡運(yùn)動前后剖面形態(tài)對比圖Fig.10 Comparation of longitudinal cross-section of No.1 sliding mass before and after sliding

3.3 欠穩(wěn)定狀態(tài)2 號滑面運(yùn)動預(yù)測評價

利用上述反演分析摩擦流變模型的同一套參數(shù)（表1）對處于欠穩(wěn)定狀態(tài)的2 號淺層滑面進(jìn)行運(yùn)動預(yù)測模擬分析，得出了堆積厚度、范圍等運(yùn)動特征，并與上述1 號淺層滑面進(jìn)行對比（圖11）。

圖11 2 號滑面淺層滑坡運(yùn)動前后剖面形態(tài)圖Fig.11 Longitudinal cross-section of No.2 sliding mass before and after sliding

研究發(fā)現(xiàn)：2 號滑面淺層滑坡一旦運(yùn)動后，將運(yùn)動堆積到673 m 位置，即軍功路至黃河段居民區(qū)?；麦w均勻停留在運(yùn)動路徑上。模擬結(jié)果說明：目前2 號滑面淺層滑坡一旦發(fā)生滑動，威脅軍功路至黃河段居民區(qū)及商鋪房屋，但不至引起堵塞黃河災(zāi)害發(fā)生。

4 結(jié)語

（1）曲哇加薩滑坡坡體呈現(xiàn)多區(qū)、多級、多層的變形破壞特征，目前變形破壞強(qiáng)烈，尤其是東北段中前緣滑坡近期頻繁出現(xiàn)變形破壞。

（2）東北段中前緣滑坡地表監(jiān)測曲線、形變速率曲線、鉆探數(shù)據(jù)和現(xiàn)場調(diào)查表明，降雨沿著密集發(fā)育的裂縫下滲，加速了地下水的滲流作用，進(jìn)一步降低了巖土體的強(qiáng)度，最終導(dǎo)致滑坡發(fā)生變形滑動。

（3）以H1 滑坡為代表，在降雨穩(wěn)定性計算基礎(chǔ)上進(jìn)行動力學(xué)反演，反演分析發(fā)現(xiàn)1 號滑面淺層滑坡按照摩擦流變模型運(yùn)動后，將運(yùn)動堆積到擋墻至軍功路段國道G227 和居民區(qū)，這與現(xiàn)場調(diào)查滑坡堆積特征基本相符，而Volleymy 流變模型運(yùn)動堆積到682 m 位置，即軍功路至黃河段居民區(qū)，與現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果不符，大于實際運(yùn)動距離。同時，滑坡體積主要停留在坡腳位置，也與實際情況不符。

（4）利用上述反演分析摩擦流變模型的同一套參數(shù)對處于欠穩(wěn)定狀態(tài)的2 號淺層滑面進(jìn)行運(yùn)動預(yù)測模擬分析，發(fā)現(xiàn)2 號滑面淺層滑坡運(yùn)動后，將運(yùn)動堆積到軍功路至黃河段居民區(qū)，但不至于引起堵塞黃河災(zāi)害發(fā)生。

（5）本文的研究內(nèi)容可為黃河上游該類滑坡運(yùn)動預(yù)測評價方法提供一定參考。