汶川地震灾区滑坡的成因及典型实例分析

董金玉，杨国香，杨继红，王 东

(1.华北水利水电学院，河南 郑州 450011;2.中国科学院地质与地球物理研究所工程地质力学重点实验室，北京 100029)

汶川地震灾区滑坡的成因及典型实例分析

董金玉1，杨国香2，杨继红1，王 东2

(1.华北水利水电学院，河南 郑州 450011;2.中国科学院地质与地球物理研究所工程地质力学重点实验室，北京 100029)

滑坡是汶川地震灾区最主要的次生地质灾害类型，在灾区分布广泛，数量众多，破坏强度大，造成了大量的人员伤亡和安全隐患.首先，从地形地貌、坡体地质结构、地层岩性、地震动、坡体的稳定状态、风化作用和河流作用等方面对汶川地震灾区滑坡形成原因进行研究，断裂带附近强地震动和坡体地质结构是大量滑坡形成的主要原因;其次，对典型实例王家岩滑坡和北川新中滑坡成因进行分析，距离断裂带较近或沿断裂带的强地震动和倾向坡外发育的结构面是滑坡形成的主要原因，而坡度较陡或坡体已经处于欠稳定状态则进一步促进了滑坡的发生.研究成果对地震灾区滑坡灾害的认识和防治有一定的意义.

坡体地质结构;强地震动;结构面;坡度;破坏过程

汶川地震主震强度大、震源浅、发震时间较长，同时主震区又位于我国西部山区，地形地貌梯度大，河流切割深，斜坡陡峻，因此，触发了大量的滑坡、崩塌、碎屑流、滚石、泥石流和堰塞湖等次生地质灾害.在这些数量众多的次生地质灾害中，滑坡是汶川地震灾区最主要的次生地质灾害类型，在灾区广泛分布，数量众多，破坏强度大，造成了惨重的人员伤亡和巨大的财产损失，并为灾后的重建工作增加了很大难度.

1 汶川地震灾区滑坡的形成原因

1.1 地形地貌

汶川地震边坡地质灾害有沿河流及河谷两岸呈线状分布的特点，典型的有沿岷江上游干流(都江堰—映秀—汶川—茂县段)及其支流河谷、北川湔江河谷、青川青竹江河谷、绵远河上游、安县茶坪河上游等.这些河道两侧，由于山坡坡度陡，切割深，斜坡岩石破碎，在地震时发育了大量的滑坡、崩塌等，并造成河道堰塞成湖，形成了大量的地震次生山地灾害.汶川地震灾区滑坡多发生在山高坡陡的地段，滑坡发生的坡度大多为40°～50°.孤突地形对地震滑坡产生的影响与其本身的高度有关，因此局部地形地貌对地震滑坡的影响也值得重视.滑坡灾害也多发生在孤立的山头以及多面临空的山体或山脊部位，且滑坡两侧多为沟谷，为地震滑坡的发生提供了有利的地形条件.

1.2 坡体地质结构

斜坡地质结构是斜坡岩土体地震失稳的一个决定性因素.斜坡地质体结构类型不同，地震时其变形破坏形式也不同.基于详细的野外地质调查和参照相关的研究成果，从斜坡动力失稳的角度，坡体地质结构可分为基岩－堆积物或强风化层地质结构、层状基岩地质结构、块状结构以及碎裂或散体状结构等［1］.汶川地震诱发了大量的斜坡中上部堆积层、强风化层岩体斜坡的失稳，这是由于很多斜坡上部特别是靠近顶部的位置，以及微冲沟两侧都有厚度不大的残坡积土层以及一定厚度的强风化层.这部分岩土体是斜坡的潜在不稳定部分，在一般重力及降雨作用下，也经常发生滑移失稳灾害.此外，松散层对地震波有选择性的放大作用，例如较薄的松散层对高频地震波有放大作用，而较厚的松散层对低频的地震波放大的较为明显.因此在地震力的作用下，此类斜坡中上部覆盖土层、强风化岩体常沿斜坡坡面或斜坡上发育的微冲沟发生滑移并堆积于坡脚，堵塞道路或河道.

层状基岩斜坡地质结构根据岩层层面产状与边坡坡向的关系，可进一步分为顺层、反倾和斜交层状结构.对于顺层状结构斜坡而言，地震力作用下层面对斜坡的破坏起到主要的控制作用.在地震力作用下此类斜坡易于沿层面发生大规模滑动;而对于反倾层状结构斜坡而言，岩体中发育的节理裂隙往往对斜坡的变形破坏起控制作用，汶川地震诱发的此类滑坡，大部分是由于斜坡中发育有与层面近垂直或倾向坡体外侧的节理裂隙，斜坡岩体被强烈切割，完整性差，在强震作用下，坡体上部及浅表部岩体首先发生碎裂解体，然后沿坡体发生大规模滑移失稳;对于斜交层状结构斜坡而言，层面对斜坡的变形破坏不起控制作用，其变形破坏主要受斜坡岩体风化程度及发育的结构面控制，如北川王家岩滑坡即为典型的斜交层状结构基岩滑坡，该斜坡发育有3组节理裂隙，其中2组对岩体起切割作用，而滑坡的滑面即为另外1组倾向坡外的节理.

块状结构岩体完整性好，边坡往往较为高陡，在地震力作用下主要表现为表层岩体松动以及小规模的滑移或发生岩体坠落、滚石等灾害.

对于碎裂或散体状地质结构斜坡而言，岩体在长期风化及卸荷作用下，节理裂隙发育，在长持时的地震作用下往往解体并形成碎屑流沿坡体发生滑移破坏.

1.3 地层岩性

汶川地震灾区地层发育较全，自中元古界至第四系均有发育.据黄润秋等的研究表明，汶川地震灾区岩性一般包括土层、砂岩、砂砾岩、砂板岩、千枚岩、泥页岩、碳酸盐岩和岩浆岩8大类［2］.地震地质灾害在各类岩层中均较发育，滑坡地质灾害多发生于土层、砂板岩、千枚岩、泥页岩等软岩地层之中，而硬岩地层中通常发生的是崩塌类型的灾害.

1.4 地震动

地震动强度和持时是地震滑坡形成的动力条件，地震动强度越大历时越长，则越易引起滑坡的产生.地震发生时，强烈的地震动对斜坡潜在滑移面岩土体具有累进破坏效应，即由于坡体波动振荡在斜坡内产生附加应力，并在坡体内裂纹尖端产生应力集中，从而加速了裂纹的扩展，以致最终贯通形成滑面［3］.坡体滑动破坏前为潜在滑移面，随着地震历时的加长潜在滑移面岩土体的破坏范围将不断的增加，所以地震持续时间对滑坡的产生具有重要的影响.汶川大地震地震动历时较长，并且从地震序列上讲，汶川大地震属于主震余震型地震，主震发生后又发生了多次余震，而主震及余震串接到一起也可视作地震动持时的加强.这种长持时作用极易导致滑坡产生.另外，地震波的频谱特性也是影响滑坡产生的一个重要因素，每一种岩土体特别是位于地表的松散或软弱土层，由于其组成、厚度及结构不同，具有不同的卓越周期，当地震动频率接近于岩土体的自振频率时，将引起岩土体产生共振，从而大大加重地面的烈度，也就易于引起斜坡的滑动破坏.汶川地震诱发滑坡大部分表层具有松散覆盖物或堆积层，部分层状结构斜坡具有软弱面，因此在强地震动作用下这些土层及沿着软弱结构面极易于发生滑动破坏.

从分布特征上看，汶川地震诱发滑坡主要沿断裂带分布且主要分布于发震断裂20 km的范围内.野外地质调查及遥感解译表明，汶川地震滑坡灾害的分布具有明显的上下盘效应，即断层上盘滑坡的发育密度和规模都明显大于断层下盘，这说明强地震动作用下断层错动冲击作用对滑坡的发生也具有重要的影响.越靠近断层，地震动越强，地表烈度越大，因此越易导致滑坡发生;而断层上盘由于地震峰值加速度大于下盘，因此也易导致滑坡发生［2－4］.

值得说明的是，斜坡动力响应特征也影响着边坡的稳定性，而斜坡动力响应主要受斜坡地貌特征、几何形态以及岩性条件等因素的影响，高陡斜坡、地貌突出部位地震放大效应明显，因此边坡也较容易出现破坏.

1.5 坡体的稳定状态

边坡在地震作用下的破坏与否还与坡体地震前所处的稳定状态有关.如果斜坡在地震前有很高的安全储备，能够抵抗地震力，则在地震作用下也不会发生破坏;如果地震前边坡已经处于极限平衡状态或欠稳定状态，则在地震的触发作用下很容易发生破坏.

1.6 风化作用

详细的野外地质调查发现，汶川地震诱发滑坡部分多为坡体浅表层发生大规模滑动，也有滑坡经历了多级滑动，即强震作用下浅表层岩体滑动之后其底部基岩再次发生滑动.此类斜坡基岩多为易风化岩体，坡体浅表层岩体在长期的阳光照射、雨水冲刷及重力卸荷作用下，裂隙发育，岩体极为破碎，这些浅表层岩体多呈散体状堆积于斜坡体上，而斜坡体内部未出露的基岩则相对较完整，导致地震作用下斜坡浅表层岩土体沿风化界面发生大规模的滑移.

1.7 河流作用

汶川地震诱发滑坡另外一个明显的分布特征是沿河流水系分布，这说明河流水系对滑坡的发生也具有重要的影响.汶川地震诱发滑坡多数发育于河流侵蚀岸拐弯处，在此处由于河流长期对坡脚的冲刷而降低了坡体的稳定性，除此之外，由于河流的拐弯地带对于地震波也具有放大作用，因此山地河流谷坡上部的地震水平力比河床部分的地震水平力要高0.5～1.0倍，以致斜坡上的地震烈度相对于谷底要增加1度左右.此外，由于长期的下切侵蚀作用，致使斜坡卸荷裂隙发育，使岩体变得破碎，强度降低，在地震力作用下也易于发生变形破坏.

2 典型滑坡成因分析

2.1 北川王家岩滑坡

王家岩滑坡导致北川县医院、计生委、公检法、小学和商业居民区等大面积房屋被埋毁，约1 600人被埋死亡，如图 1所示.该滑坡体长 400 m，宽400 m，厚度30 m，体积约480×104m3.滑坡距离主中央断裂地表破裂带300 m［5－6］.滑体岩性为碎石夹土，碎石含量大于50%，结构零乱;滑床为寒武系下统清平组(∈1c)砂质页岩、粉砂岩以及薄层砂板岩;滑面后部较陡，约75°，中部稍缓，约35°，前部平缓，小于10°，滑面埋深约15 m，滑面倾向80°.

图1 王家岩滑坡

滑坡前的自然边坡坡度在40°～50°，上下游均为沟谷，上游为米石沟，下游为沈家沟，坡面为凸型.滑坡发生以后，后缘形成高150 m的滑坡后壁，形态呈近直线型，坡度75°，局部近直立.经现场对岩体进行地质调查，实测层面产状350°∠30°，节理主要发育3组，第1组节理产状120°∠68°，第2组节理产状200°∠65°，第 3 组节理产状72°∠65°，自然边坡(未滑动前)坡面产状80°∠40°～50°.

通过赤平投影分析，如图2所示，发现第3组节理与坡向基本一致，且该组节理倾角为陡倾(67°)，这和现场调查到的后缘陡壁产状一致，推断滑坡后壁主要是追踪第1组节理形成的;层面与坡面倾向夹角为近90°，判断该边坡结构为斜向坡;受层面和2组节理切割的岩体呈碎裂结构，具备产生滑坡的条件.

图2 王家岩边坡岩体结构赤平投影图

王家岩滑坡的形成主要受以下几个因素影响:狭窄的峡谷断面形态，上下游受沟谷切割，斜坡坡度较陡，以及凸坡地形，构成了滑坡发生的地形地貌条件;第3组裂隙倾向坡外，为王家岩滑坡的形成提供了主要滑动面;王家岩滑坡距北川主中央断裂地表破裂带仅300 m，在强大的地震动作用下，并且边坡上部受高山地震放大作用影响下，岩土体破裂变形，滑动面追踪贯通，导致滑体高速地下滑，为一大型高速岩质滑坡.

2.2 北川新中滑坡

北川县城的新中滑坡，体积为180×104m3左右，掩埋毁坏了新北川中学3层高的一排教学楼及邻近建筑物，导致高中部师生约500人遇难，如图3所示［7］.

图3 北川新中滑坡

现场调查新中滑坡的天然坡度大于50°，坡长200 m，坡宽150 m，厚度10 m，坡向330°，坡面呈直线形.地层岩性为泥盆系上统沙窝子组(D3sh)，灰白色灰岩、白云质灰岩，层面产状100°∠25°，为顺向破.从岩体结构来分析，北川新中滑坡岩体主要为厚层状白云质灰岩、灰岩，顺坡的缓裂和反向的陡裂等多组节理发育，特别是溶蚀裂隙较为发育，岩体呈块状结构;从地质构造来分析，NE向走向的龙门山发震断裂通过北川新中附近，导致山体产生较大的位移;从地形地貌来分析，滑坡发生位置斜坡坡度较大，地形较陡;另外地震前坡体已经处于欠稳定状态，坡体小规模崩塌时有发生.上述4点是北川新中滑坡发生的工程地质原因，而地震时的强震动则是滑坡的触发因素.

3 结语

1)从地形地貌、坡体地质结构、地层岩性、地震动、坡体的稳定状态、风化作用和河流作用等方面对汶川地震灾区滑坡形成原因进行了分析，断裂带附近强地震动和坡体地质结构是大量滑坡形成的主要原因.

2)对典型实例王家岩滑坡和北川新中滑坡成因进行了分析，距离断裂带较近的强地震动和倾向坡外发育的结构面是滑坡形成的主要原因，而坡度较陡或坡体已经处于欠稳定状态则进一步促进了滑坡的发生.

［1］杨志法，赵汝斌，王靖，等.安县西部地震次生地质灾害及工程地质力学问题思考［J］.岩石力学与工程学报，2008，27(9):1807 －1813.

［2］黄润秋，李为乐.“5.12”汶川大地震触发地质灾害的发育分布规律研究［J］.岩石力学与工程学报，2008，27(12):2585－2592.

［3］毛彦龙，胡广韬，毛新虎，等.地震滑坡启程剧动的机理研究及离散元模拟［J］.工程地质学报，2001，9(1):74－80.

［4］王秀英，聂高众.汶川MS8.0级地震诱发崩滑特点及其与地震动参数对应关系初析［J］.岩土工程学报，2009.31(9):1378－1383.

［5］殷跃平.汶川八级地震滑坡高速远程特征分析［J］.工程地质学报，2009，17(2):153 －166.

［6］王根龙，张军慧，刘红帅.汶川地震北川县城地质灾害调查与初步分析［J］.中国地质灾害与防治学报，2009，20(3):47－51.

［7］吴树仁，王涛，石玲，等.2008汶川大地震极端滑坡事件初步研究［J］.工程地质学报，2010，18(2):145 －159.

Analysis of Causes and Typical Examples of the Landslide in Wenchuan Earthquake Disaster Area

DONG Jin-yu1，YANG Guo-xiang2，YANG Ji-hong1，WANG Dong2
(1.North China Institute of Water Conservancy and Hydroelectric Power，Zhengzhou 450011，China;2.Key Laboratory of Engineering Geomechanics，Geology and Geophysics Institute of Chinese Academy of Science，Beijing 100029，China)

The landslide is the uppermost type of secondary geological disasters in Wenchuan earthquake disaster area，widely distributed in the disaster area，and its quantity is large，its damage intensity is strong and has caused a large number of casualties and a hidden peril.First of all，the causes of landslides in disaster area are studied from the aspects of topography，geological structure of the slope body，stratum lithology，seismic ground motion，the steady state of the slope，weathering and fluvial action.Strong earthquake ground motion near the fault zone and geological structure of the slope body are the main reasons for the formation of a large number of landslides.Secondly，as a typical example，the causes of Wangjiayan landslide and Xinzhong Landslide are analyzed，and it is discovered that strong earthquake motion near or along the fault zone and the structural planes inclined outwards from the slope are their main reasons，but steeper slope or the slope body in an unsteady state is to further promote the occurrence of landslides.The research achievements are significant for awareness and prevention of landslides in the earthquake disaster areas.

geological structure of slope body;strong seismic ground motion;structural plane;slope gradient;failure process

1002－5634(2011)05－0010－04

2011－05－25

汶川地震地质灾害调查评价项目(1212010914029);华北水利水电学院高层次人才引进项目(201105).作者简介:董金玉(1977—)，男，河南济源人，副教授，博士，主要从事地质工程方面的研究.

(责任编辑:陈海涛)