四川什邡青牛沱崩塌群特征及其形成的堰塞坝体稳定性评价
2012-05-25黄来源
黄来源,季 为
(北京市地质研究所,北京 100120)
0 引言
崩塌是2008-5.12汶川特大地震后,灾区最为常见的地质灾害之一,据截至2008年7月20日的灾区地质灾害应急排查数据,崩塌灾害隐患点2383处,仅次于滑坡灾害,占各类地质灾害隐患点总数的27.6%。大量的次生地质灾害不仅造成了严重的人员伤亡和财产损失,进一步加剧了地震灾害的破坏,而且给灾区抗震救灾、临时安置、恢复重建等工作造成了严重的威胁。
青牛沱崩塌群距离5.12地震震中仅35km,由于地震波强大能量破坏,昔日风光媲美九寨的“西部惊奇欢乐谷”瞬间天崩地裂,满目疮痍。大量边坡崩滑,形成多处不稳定崩塌源,巨量崩滑堆积体堵塞青牛沱河形成堰塞湖。青牛沱崩塌群的整体特征及随之产生的问题在地震灾区尤其在震中附近具有一定的代表性,根据前期勘查获取的崩塌群特征参数,青牛沱崩塌群产生主要问题之一就是堰塞湖坝体稳定性的问题。
1 青牛沱崩塌群形成的地质环境条件
1.1 地质概况
(1)地形地貌
青牛沱崩塌群位于石亭江上游支流青牛沱河流域,具体位于青牛沱河中游主河道及北岸宽缓斜坡地带,总体呈北西高南东低之势,地形坡度12°,局部可达20°。最高点位于工作区南东侧,海拔1892 m;最低点位于工作区北东侧青牛沱河道中,海拔1200m左右,相对高差近700 m,地貌类型属中山地貌。
(2)地层岩性
崩塌群周边所见岩性主要为二叠系下统(P1m)地层和三叠系上统须家河组(T3xj)地层,岩性特征为二叠系下统茅口组(P1m)的白云岩、灰岩和三叠系上统(T3xj)紫红色砂岩。规划安置点场地地表大面积覆盖新生界全新统第四系()的冲积、洪积、残坡积等松散固体碎屑物质,第四系全新统冲积、洪积、残坡积(Qad4)、崩坡积物等广泛分布于斜坡表层和青牛沱河道中,主要为碎块石土、碎石角砾土,局部见含漂石砂卵石土层,原岩主要为花岗岩、砂岩、灰岩、白云岩等(图1)。
(3)地质构造与地震
崩塌群区域上位于华夏构造体系龙门山褶皱带中段,区内新构造运动强烈,经历了三叠系以后褶皱-逆冲推覆-滑脱等多层次、多期次构造作用。地壳活动以挤压抬升为主,河谷狭窄,切割较深,地形变化较大,呈现出平原区、低山区、中山区、高山区地貌变化特点。
图1 工作区域地质图Fig.1 Geological map of the work area
区内断裂构造发育,由北向南依次有九顶山断裂、北川-映秀断裂、红星煤矿断裂、八角断裂及江油-灌县断裂呈北东-南西向展布(图2)。该区域地壳稳定性主要为北川-映秀断裂和江油-灌县断裂两大活动断裂所控制。
工作区位于北川—映秀深大断裂带上。该断裂为压性,走向北东,倾向北西,倾角60°~70°,北东起于唐家河,经岳家山、水磨沟、青牛沱,南西止于麻柳桥,其次级断裂十分发育,该断裂经过了金河磷矿矿区,破坏作用较大,发生于该断裂附近较大灾害有干沟泥石流、水磨沟地面塌陷,干河口崩塌、马槽滩泥石流等。在断层带上及附近岩石较破碎。”5.12”汶川地震即发生于此深大断裂带。据区域地质资料和近期地震的发生,说明该断裂目前还处于活动期。
据已有资料,晚近时期以来,工作区新构造运动比较强烈,主要表现为间歇性不均匀的上升。区内龙门山新构造活动常沿主干断裂发生。
区内1958~1997年有记载的6~8级地震有九次,弱震则常有发生。强震对测区的影响烈度最高为Ⅸ~Ⅺ度,而区内断裂活动相对较弱,地震烈度为Ⅸ度,区域上相对稳定,按国家地震烈度区划,龙门山地震基本烈度为Ⅸ度。2008年5月12日14时28分,四川汶川县映秀镇(北纬31°,东经103.4°)发生8.0级强烈地震(图3),该地震系龙门山断裂带上的映秀—北川断裂的破裂活动所引发。
图2 什邡市西北部地质及构造略图Fig.2 The geological and structural sketch map of Shifang
图3 汶川“5.12”地震烈度分布图(引自中国地震局,经整饰)Fig.3 “5.12”earthquake seismic in tensity maps
(4)水文地质条件
工作区主要地下水类型为第四系松散沉积物孔隙水和基岩风化带裂隙水。主要含水层为近地表风化残坡积层和受断层破碎带的影响,无良好隔水层,各含水层间互有水力联系。区内地下水补给为大气降雨,由于断裂较发育,且无隔水层,故大都以地下浸水形式沿断层破碎带、裂隙径流排泄,导出地表,以溢水点或下降泉形式排泄。区内地表水、地下水均受大气降水控制,威胁安置点安全的水文因素主要是暴雨后形成的地表径流、崩塌堆积体形成的堰塞湖、主河道内形成泥石流,同时崩塌坡体和崩积物表面形成坡面泥石流。
1.2 地质灾害危害特征和程度
青牛沱崩塌群位于木瓜坪村四组三坪,青牛沱河南岸,主要分为两处崩塌源,该处青牛沱河北岸三坪即为规划木瓜坪村重建家园安置点之一。
5.12地震中一号崩塌源崩塌堆积体堵塞河道形成堰塞湖,二号崩塌源由于形成的崩塌堆积体堆积并挤占主河道,使主河道北移,致使一号崩塌形成的堰塞坝体下游主河道高程与北侧道路和三坪安置点地面高程相当,一旦溃坝,直接威胁青牛沱河北岸简易公路和规划木瓜坪村重建家园三坪安置点。
2 崩塌群基本特征
青牛沱崩塌群位于木瓜坪村四组三坪,青牛沱河南岸,该处青牛沱河北岸三坪即为规划木瓜坪村重建家园安置点之一。
图4 崩塌群相对位置图Fig.4 Relative location map of collapses
5.12地震期间工作区内主要发生8处规模较大的山体崩塌灾害(编号分别为欢乐谷1#崩塌源 ~6#崩塌源,青牛沱1#崩塌源~2#崩塌源),形成了8个崩塌堆积体(图4)。崩塌源区内坡面岩体目前大部分处于自然稳定状态,调查中仍有两处崩塌源不时有碎石滑落。
青牛沱崩塌群位于什邡市红白镇木瓜坪村四组三坪,一号崩塌源位于三坪安置点南西侧,青牛沱河南岸。二号崩塌源位于三坪安置点南侧,青牛沱河南岸。一号崩塌堆积体堵塞河道形成堰塞湖,二号崩塌源由于5.12地震形成的崩塌堆积体堆积并挤占主河道,使主河道北移,致使一号崩塌堆积形成的堰塞坝体下游主河道高程与北侧道路和三坪安置点高程相当,一旦溃坝,洪水将直接威胁青牛沱河北岸简易公路和规划木瓜坪村重建家园三坪安置点(图5)。
图5 青牛沱崩塌群(镜向:南)Fig.5 Collapse groups of Qingniutuo
青牛沱两处崩塌源区坡面总面积达255000m2,崩塌发生的主崩方向330°~340°。5.12地震中各崩塌源区内被多组节理切割的岩体被震松,边坡顶部残留着大量稳定性差的松动岩土体而形成危岩卸荷带,在暴雨、连阴雨及地震等自然因素影响下,可能产生新的崩塌灾害,勘查中根据坡面危岩特征,对于尺寸较大且较为独立的岩块划分为单个危岩体进行稳定性分析,对于实际很难抽象为单一危岩体分布于坡面成面状的破碎岩体划分为危岩带进行稳定性分析,据此,2个崩塌源区内共划分出4个危岩体、3个危岩带,危岩方量达29900m3。(见表1、图6、图7)
表1 青牛沱崩塌群危岩带(体)一览表Table 1 UnsTable rock(body)list of Qingniutuo collapses
3 青牛沱堰塞坝特征
“5.12”地震中,青牛沱一号崩塌源位置处坡体上风化松散岩石直接崩塌垮落于青牛沱河河道中,淤塞河道,形成巨大堰塞体。地震以后在强降雨影响下,斜倚于坡脚的堆积体表面形成典型的坡面泥石流,排泄于主河道的堰塞堆积体上(图8)。
3.1 堰塞堆积的基本特征
(1)堰塞堆积形成坝体主要为粉砂岩崩坡积碎石及少量第四系残坡积物堆积在原有河道卵砾石层上。堆积体沿河道方向长约500m,堆积宽度约150m,堆积厚度约10~20m。
图6 青牛沱一号崩塌源(镜向:南)Fig.6 No.1 collapse of Qingniutuo
图7 青牛沱二号崩塌源(镜向:南)Fig.7 No.2 collapse of Qingniutuo
图8 青牛沱崩塌群一号崩塌堆积体形成的堰塞湖坝体(镜向:南)Fig.8 The barrier lake dam made by Collapse accumulation of No.1 collapse of Qingniutuo
(2)堰塞堆积西侧堰塞湖集水区面积约37316m2。
(3)堰塞堆积西侧堰塞湖目前水位与上游补给径流高差约100m。
(4)堰塞堆积西侧堰塞湖目前水位较低,与岸坡以往的浸润痕迹高差约7m。
(5)由于青牛沱河上游河道侧向泥石流发育,汇入堰塞湖中的泥沙含量较多,容易造成淤积,降低库容量,随着湖底泥沙的逐年堆积,湖中水位也会随之逐步提高,形成溃坝隐患。
3.2 堰塞湖危害性分析
一号崩塌堆积体堵塞河道形成的堰塞湖,堰塞坝体的堆积形态稳定,目前水位处于低位的补给排泄平衡状态,客观上堰塞坝体起到了拦石挡砂、蓄水的功能,对于主河道的泥石流隐患有一定抑制作用,但鉴于本地区降雨量的时空不均匀性,堰塞湖上游至分水岭的汇水面积为21.99km2,一旦突降暴雨,河水补给量突然增加,必然会打破之前建立的补排平衡,造成河水沿坝体较低的北侧溢流,而堰塞坝体下游主河道由于二号崩塌源5.12地震形成的崩塌堆积体的堆积和挤占,已经由原来的深切河谷形态变为主河道位置高程与北侧道路和三坪安置点高程相当,一旦溃坝,洪水将直接威胁青牛沱河北岸简易公路和规划木瓜坪村重建家园三坪安置点(图9~图13)。
图9 二号崩塌工程地质剖面图Fig.9 Engineering geological profile of the 2nd collapse
另一方面由于堰塞坝体高程高于或相当于堰塞湖旁边原有景区道路和景区看护人员临时居住点高程,故堰塞湖水位上升,有回水淹没原有景区道路和景区看护人员临时居住点危险。
4 堰塞湖形成机制
一般来说,岸坡崩滑堵江形成堰塞湖事件是岸坡条件、江河水文条件和地震等外动力地质作用共同作用的结果[1]。岸坡条件包括地形地貌、地质条件;江河水文条件包括主河道宽度、主河道流量和流速。
图10 青牛沱崩塌群一号崩塌堆积体形成的堰塞湖坝体下游主河道北移至三坪(镜向:东北)Fig.10 The barrier lake dam downstream
图11 青牛沱二号崩塌堆积体填平深切河谷使主河道北移(镜向:北)Fig.11 No.2 collapse accumulation body filled the deep valley of the main river northward movement
(1)地形地貌
崩塌群边坡坡度在55°~75°,部分坡面近直立,临空面开阔,从山顶到山脚最大高差300~350m,这为坡体崩滑提供了必要的地形条件和动力势能。
(2)岸坡地质条件
山体基岩主要为三叠系砂岩为主,岩体受多组结构面切割,呈块裂状结构,总体为顺向坡,发育垂直于坡面的竖向节理和平行于坡面的外倾节理裂隙结构面。由于经受强烈构造作用和物理风化作用,裂隙发育,岩体较破碎,局部充填土质并长有植被。坡体表层受构造、风化作用影响而较为破碎的岩土体是产生崩塌的主要物质来源(图14、15)。
图12 青牛沱崩塌群一号崩塌堆积体形成的堰塞湖坝体下游(镜向:南)Fig.12 The barrier lake dam downstream
图13 青牛沱二号崩塌堆积体北侧道路及房屋(镜向:南)Fig.13 No.2 collapse accumulation body northward house
(3)主河道宽度
青牛沱崩塌部位的主河道震前宽度在枯水期水面高程约1210m时对应的河宽30~50 m,水深0.5~5.0 m,并且此时河道分流成两个支流,中部形成心滩;同时,崩滑边坡对岸原貌山坡总体坡度 25°~40°,临空条件非常有限,高速崩滑体在河床部位快速剪切后很快会被对岸阻停而堵江。
(4)主河道水流流量和速度
根据调查,崩滑堵江区域丰水期(5~10月)平均流量为70.5 m3/s、相应流速约3 m/s;枯水期(1~4月,11、12 月)平均流量为 27.2 m3/s、相应流速约1.6m/s。发生地震时的2008年5月12日枯丰水期交界,估计流量在20~40 m3/s。由此可见,上述流量和流速不足以影响规模数百万方的高速崩滑体。
图14 被震松动的表层岩土体Fig.14 Loose surface rock and soil
图15 崩塌堆积体挤占主河道Fig.15 Collapse accumulation of body diverted the main river
(5)地震
根据统计资料,堰塞湖的形成90%以上与地震诱发形成的高速崩滑堵江有关[2-8]。震后地质调查及访问显示,受“5.12”地震触发影响,崩滑部位坡体表层破碎的岩体被震松动,节理裂隙长度扩大,迅速由自然稳定状态向极限平衡状态转变,并沿坡体中主控结构面或结构组合面发生变形,出现崩滑现象;具体过程可分解为:岸坡前缘剪切、后缘拉裂,高速崩滑、形成气浪、前缘刨蚀河床、对岸阻滑隆起,后缘边坡下滑,堰塞堵江。
5 青牛沱堰塞坝稳定性及可能溃坝模式分析
5.1 堰塞堆积坝体稳定性现状初步分析
(1)坝体沿河流方向的堆积宽度较大,顺河长度达500.4 m,横河向最大宽度150.8 m(平均宽度120 m),一般长短轴比达到3.3~5.0,坝体规模巨大。在垂直河流方向上整个堰塞坝体呈南高北低的堆积形态,北侧河岸及简易公路形成天然泄洪道。
(2)上下游坡坡比分别为 1∶7.4和 1∶8.75,与常规土石坝规范设计坡比相比[9](心墙堆石坝∶上下游坡一般为1∶1.8~1∶2.5;面板堆石坝∶上下游坡一般为1∶1.4~1∶1.6)均比2种不同类型的土石坝设计坡比要缓,据此,堰塞坝上下游坝坡比均属稳定坡比。
(3)“5.12”地震后,堰塞湖经历了至少一个洪水期的检验,曾出现过漫坝的情况,体现了坝体处于天然临界稳定状态。
(4)堰塞坝体的组成主要为粉砂岩碎石及少量第四系残坡积物,坝基主要为河道内的圆砾、卵石,坝体及坝基的天然渗透性能均较好,目前在上游河道流水不断补给的情况下,堰塞湖水位保持在低位说明堰塞湖的补给和排泄已经自然形成了一种动态平衡状态(图16)。综上,青牛沱堰塞坝现状处于稳定状态。
图16 一号崩塌堆积体堵塞河道形成的堰塞湖(镜向:东)Fig.16 The barrier lake
5.2 堰塞湖坝体破坏模式
现状稳定的堰塞坝体的破坏主要受到堰塞湖水压力、坝体内部渗透水压力[10]、漫坝水流动力或其他地表径流水动力、地震[11]等外部因素变化的控制,这些外部因素中除地震外均与上游汇水的变化有关,所以说现状稳定的堰塞坝体的平衡状态与上游汇水量的增加或者变化是息息相关的。
Costa和Schuster根据55个现实发生溃决的堰塞湖坝体分析,堰塞坝体破坏主要表现为三种模式:漫坝溢流、潜蚀与管涌、坝坡失稳,其中漫坝溢流是最主要的破坏模式[2]。根据上述青牛沱堰塞坝基本特征及形成机制的分析,青牛沱崩滑属于近水平倾角顺层岩质高速崩滑,下滑剪切位移空间有限,形成的堰塞坝在下滑过程中下部保持似层状结构,颗粒粗大;表层以破碎的砂岩和碎石土结构为特点,下粗上细;根据调查,主要渗流通道在坝体下游未见露头;2010年6月堰塞湖水位上升后,在堰塞坝下游坡脚部位发现的清水渗漏痕迹但渗水量很小,堰塞体稳定,所以在湖内水位上涨过程中,堰塞坝发生潜蚀与管涌破坏的可能性小。
根据堰塞坝的现状形态特征,堰塞体发生坝坡整体失稳的可能性也很小。
不过随着堰塞湖水位的抬升,当汇入堰塞湖水量持续大于坝基深部渗流水量后,堰塞湖内水位上升,达到库容极限后,极易发生漫坝溢流,2009年汛期曾出现过漫坝的情况就说明了青牛沱堰塞坝的破坏模式将主要是漫坝溢流的形式。
5.3 堰塞堆积坝体稳定性预测分析
(1)堰塞湖汇水区域包括青牛沱沟、牛滚凼沟、细石沟,汇水面积约为21.99km2,面积较大(图17),本地区年均降雨量在1600mm以上,日平均最大降雨125mm,在不考虑地表径流入渗的理想状态下,堰塞湖上游24h的最大补给量约为275×104m3,而堰塞湖的最大库容量约为55.97×104m3,目前地下暗河这种排泄方式难以匹配上游突降暴雨形成的补给水量,汛期漫坝的危险性大。根据调查访问,往年确实发生过漫坝情况。
图17 堰塞湖上游汇水图Fig.17 The barrier lake upstream Basin Plan
(2)堰塞左侧岸坡受地震影响,存在一滑坡体,剪出口位于坡脚,堰塞湖水位抬升会形成部分坍岸,汛期如发生强降雨,可能诱发滑坡滑动,巨大滑坡体滑入湖中,导致湖水发生漫坝溢流的可能性大。
(3)堰塞坝的破坏模式将以浅表层“溢流溃决破坏”的方式为主。
5.4 堰塞堆积坝体稳定性定量分析
Casagli和Erm ini等学者提出了分析坝体稳定性的几个主要变量:堰塞坝体积(Vd)、堰塞湖库容(Vl)、上游汇水面积(Ab)。坝体体积越大越不容易破坏,集水区面积则间接反应堰塞湖的汇入流量;集水区面积越大则流入堰塞湖的极限汇水量越大,堰塞坝体破坏的可能性增大;湖体积越大则坝体承受的水压力越大,坝体破坏的可能性增大[12]。Casagli和Ermini提出了堆积指数Ib(blockage index)和回水指数Ii(impoundment index)两个堰塞湖评价指数并利用这两个公式分别对意大利67个堰塞湖进行了分析,发现Ib和Ii越大堰塞湖越稳定。其中Ii的规律性较好,统计样本中的堰塞坝稳定则满足Ii>0,坝体不稳定则Ii<0。
堆积指数Ib和回水指数Ii的计算是用坝体体积分别除以集水面积及湖水体积然后取对数,如下式所示:
Ib=log(Vd/Ab)
Ii=log(Vd/Vl)
Casagli和 Ermini[13]随后又提出了一个新的指标无量纲堆积指数DBI(dimensionless blockage index),这个指标加入了堰塞坝高(Hd)这个变量,因为坝高越高,上下游的水头差越大,坝体承受的压力也就越大,稳定性随之降低,所以坝高是个非常重要的影响因素。Casagli和 Erm ini[13]利用这个指标对全球 84个堰塞湖坝体进行了分析,发现DBI越小,坝体越稳定。DBI如下式所示:
DBI=log(Ab×Hd/Vd)
表2 青牛沱堰塞湖相应的各项指数Table 2 The index of Qingniutuo barrier lake
与统计样本中的指标数值比较,青牛沱堰塞坝的稳定性程度为基本稳定。
6 结语
青牛沱崩塌群主要产生的危害情况为青牛沱一号崩塌堆积体堵塞河道形成的堰塞湖,而堰塞湖下游的青牛沱二号崩塌堆积体填平原为深切河谷的主河道,使主河道北移,三坪安置点和道路与现状河道的高程相当。上游堰塞坝体一旦溃坝,直接威胁三坪安置点。
通过野外踏勘分析,初步判定在自然状态下青牛沱河崩塌及堆积体处于自然稳定状态,在地震、连续降雨、堰塞湖水位涨落等不利条件下危岩体、崩塌堆积体均可能失稳,对规划安置点造成威胁。
根据《什邡市灾后重建总体实施规划》,工作区属于生态重建区,具体特点是区内重大地质灾害隐患点多、危险性大,人居环境不安全,生态系统极其脆弱,资源潜力特别是可利用土地资源潜力小,交通等基础设施建设维护代价极大,不适宜城镇及较大规模人口聚集和工业发展。恢复重建的重点是保护和修复生态,适度发展林业和旅游业。
长远来看,本着修复生态环境和适度发展旅游的原则,对木瓜坪村崩塌群的治理工作还是必要的,但现阶段有一些问题和建议需要具体说明。
(1)对青牛沱河上游地质灾害进行综合治理的工程措施复杂、工期长、工程量大、治理费用高。牛沱河上游地区整体自然环境治理工程的实施需要水利、国土、旅游、道路交通等部门联合进行立项,项目的实施要配合青牛沱河上游地区生态恢复和欢乐谷景区的重建分期实施。
(2)在堰塞坝体北侧较低处开挖泄洪通道,汛期水位持续升高时,可适度调节水位、水量,降低堰塞坝体中的渗透水压力;对堰塞坝体堆积形态进行修整,使其迎水坡和背水坡坡度减缓,既可以提高坝体整体稳定性,又可降低汛期堰塞湖内水体静水压力[14-16]。
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