金沙江上游某特大型滑坡发育特征及堵江机制

2019-03-18，，

长江科学院院报 2019年2期

，，

(1. 中国地质调查局成都地质调查中心，成都 610081； 2.成都理工大学地质灾害防治与地质环境研究保护国家重点实验室，成都 610059)

1 工程概况

金沙江上游地区地处青藏高原东南侧，是我国一级阶梯和二级阶梯的过渡地带，地形高差大，为典型的高山峡谷地貌。同时，由于印度洋板块对欧亚板块的俯冲作用，青藏高原数千年来处于不断隆升过程中，其周边构造活动强烈。受此影响，金沙江上游地区地震灾害频发，再加之独特的工程地质条件，使该地区堵江滑坡广泛发育，给当地人民带来了严重的灾难和各种不良环境效应，诱发的次生地质灾害所造成的损失更是难以估计。

20世纪70年代后，滑坡堵江问题引起世界各国地质学家广泛关注[1-5]。我国是堵江灾害较为发育的国家之一，目前收集的典型实例已超过200多起[6-8]。在堵江机制研究方面，胡卸文等(2009)[9]在对唐家山堰塞湖详细调查的基础上，结合地震前资料，对唐家山滑坡堵江机制以及堵江过程进行了详尽的阐述，将唐家山滑坡堵江过程概括为：地震诱发→滑坡体前缘剪切、后缘拉裂→高速下滑、形成气浪、前缘刨蚀河床、对岸阻化隆起→后缘边坡坐落下滑→堰塞堵江；徐文杰等(2010)[10]以肖家桥滑坡为例，在对滑坡区进行详细的地质调查基础上，结合动力有限元分析技术，再现滑坡在地震作用下的三维空间堵江过程；陈超等[11]对西南某水电站库区的古滑坡堵江成因以及变形机理进行了分析，利用UDEC软件对其变形破坏过程进行了还原;陈语等[12]以拉月滑坡为例，分析了沟谷型滑坡的变形破坏机制与灾害链的成灾模式。从整体上看，由于人们对滑坡堵江事件研究的起步较晚，而且研究尚处于初步阶段，滑坡堵江的研究程度远没有对滑坡本身的研究程度高，针对滑坡的堵江机制研究还相对较少。

本文以金沙江上游某特大型堵江滑坡为例，分析了滑坡的发育特征与堵江特征，在此基础上，对其堵江机制进行了系统研究，期望研究成果有利于丰富和扩展人们对金沙江上游地区堵江机制的认识，为今后相关研究工作提供一定的参考价值，对这类灾害问题的处理提供科学的依据。

2 滑坡发育特征

2.1 滑坡发育地质背景

滑坡区属于侵蚀高山区，滑坡后缘高程3 150 m，前缘高程2 535 m，高差达615 m，见图1。滑坡所处的地层岩性主要为云母石英片岩，多以薄层状为主，现场实测云母石英片岩产状倾向为260°～275°，倾角为70°～78°，为顺层陡倾岩质斜坡，软弱的石英片岩在地质历史演化过程中，易出现层间挤压、滑动，进而发生弯曲、倾倒变形。

图1 滑坡区地貌特征Fig.1 Geomorphic features of landslide area

滑坡位于鲜水河—滇东地震带内，多条断裂带从区域内通过，地震活动频繁，近300 a以来区域内多次发生6级以上地震。同时，金沙江上游，侵蚀切割作用强烈，后缘有雄松—苏洼龙断裂通过，该断裂在此处呈NNE向延伸，倾向NW280°～290°，倾角为45°～50°。根据钻孔资料，滑坡浅部基岩结构面发育，陡缓结构面均有发育，其中陡倾结构面倾角为60°～70°，密度为2～3条/m，缓倾角结构面倾角为10°～15°，密度为2～3条/m。在滑坡区周边正常岩层中统计的大量结构面见图2、图3和表1。

图2 滑坡优势结构面等密度图Fig.2 Density contours of landslide’s dominant plane

图3 滑坡优势结构面玫瑰花图Fig.3 Rose diagram of landslide’s dominant plane

组号倾向/(°)倾角/(°)与岸坡的关系129971斜向倾下游坡外225045顺倾坡外321832斜向倾上游坡外411279斜向倾下游坡内56177反倾坡内

2.2 滑坡形态特征

滑坡平面呈圈椅状，前缘向两侧扩散开，历史上曾发生两期较大规模的滑坡。目前滑坡体纵向长约1 300 m，横向平均宽约570 m，总面积75万m2，总方量达6 000万m3，属于特大型滑坡，滑坡体后部与前缘较陡、中部较缓，整体呈陡-缓-陡发育。根据滑坡的发育特征，可将滑坡分为滑坡滑源区(Ⅰ区)和滑坡堆积区(Ⅱ区)。又可以将堆积区分为次级滑动堆积区(Ⅱ1)、左岸主堆积区(Ⅱ2)、右岸残体区(Ⅱ3)，滑坡平面分布见图4，剖面图见图5。

图4 滑坡平面分布图Fig.4 Plane distribution of landslide

图5 滑坡纵剖面图Fig.5 Longitudinal profile of landslide

2.3 滑坡堵江特征

滑坡以较快的速度冲向对岸以后，现今两岸发育大量滑坡堵江溃坝以后残留的地质特征：

(1)在滑坡上游侧河流两岸均堆积有较为密实的湖相沉积粉土(图6(a))；在滑坡下游侧，分布有堰塞坝溃决后的堆积体，堆积体随距离增加而逐渐减小。堆积物主要由块石组成，呈棱角状。滑坡下游堆积体见图6(b)。

(2)滑坡附近河床水面宽度差异大，堵江段水面宽度约80 m，未堵江段约250 m；河床物质差异大，主要表现为堵江段河床中大块石多，而未堵江段比较少(图6(c)、图6(d))。

(3)靠近滑坡上游边界附近的河对面的河边堆积物冲刷剖面上，可以比较清楚地看到河对面的堆积物颜色、物质组成、结构、颗粒大小等具有明显的分层性(图6(e))。堆积物上层的块碎石成分主要为花岗岩、云母石英片岩、石英岩，细粒物质主要为粉粒和砂粒；堆积物下层的块碎石成分主要为云母石英片岩，细粒物质主要为片岩磨碎的岩屑与岩粉，下层堆积物的物质成分与河对面的滑坡的滑坡体堆积物成分类似。

图6 滑坡堵江特征Fig.6 Characteristics of blocking the river

当滑坡的滑距超过了对岸的河岸线，则河流有可能被堵断，按照滑体大致可能的整体运动的原则，堵江高度H可以采用式(1)计算。

H=(1-L1/Lmax)(1+f)h1+Lmax/B。

(1)

图7 研究区内倾倒变形现象Fig.7 Toppling deformation in the study area

式中：L1为滑坡前缘到江对岸距离(m)；f为动摩擦系数；h1为滑体平均厚度(m)；Lmax为滑坡滑距(m)；B为河流宽度。

式(1)主要适用于滑坡运动距离较远，且明显大于河道宽度的滑坡。通过分析现今滑坡前缘形态推测，发生滑坡时河道宽60～80 m，滑坡前缘距离江边约100 m，滑坡运动最大距离1 226 m。通过前人研究的堰塞坝高度计算公式(1)可以计算出堵江高度，各参数取值见表2。根据滑坡剖面图可知，右岸残留滑坡体最高处距河谷高差约180 m，与计算所得堵江高度176 m基本一致。

表2 堵江高度计算Table 2 Parameters of calculating river blocking height

据此，堰塞坝堵江长约730 m，横河向宽约350 m，堵江高度176 m，推测堰塞坝面积约12.8×104m2，体积为2 248×104m3。可见该滑坡造成的堰塞坝规模巨大，曾造成严重的堵江灾害。

3 滑坡堵江机制研究

3.1 滑坡成因机制分析

由于金沙江河谷下切作用和侧蚀作用十分强烈，滑坡区原始岸坡呈上缓下陡的凸型边坡，坡顶坡角约15°，前缘坡角约35°，局部可达40°以上，高差615 m，这样的坡形为滑坡形成提供了较好的临空面；构成边坡的岩体岩性主要为云母石英片岩，受断层影响，岩层陡倾，倾向为260°～275°，倾角为70°～78°，裂隙发育，为滑坡形成提供了较好物质条件；同时滑坡区位于鲜水河—滇东地震带内，地震活动频繁，为滑坡形成提供了良好的动力条件。

任光明等[13]研究表明，在坡度超过40°，岩层倾角超过65°的软弱岩体构成的斜坡内，容易发生滑移-倾倒变形。该斜坡上部平缓，但中前部较陡，局部超过40°，基岩为软弱的云母石英片岩，倾角为70°～75°，同时地震活动频繁，具备形成此类倾倒变形的条件。研究发现，在距滑坡区约2 km的坝址区，金沙江左岸的象鼻山处发育有此类倾倒变形，平硐PD304勘探资料也揭露研究区内大量发育此类顺层倾倒变形(图7)。可将整个滑坡变形破坏分为：岩体卸荷回弹→滑移-倾倒变形→根部折断，滑面贯通。

3.2 滑坡堵江机制分析

根据恢复剖面推测，发生滑坡时江水深约95 m，宽约220 m，岩土体饱水状态下的内摩擦角取28°。根据周必凡等(1991)[14]提出的堵江最小入江体积公式计算得出所需最小土石方量1 203.14×104m3。根据前文分析，滑坡总方量达6 000万m3，目前左岸堆积体为3 300万m3，右岸残留1 400万m3，江水冲刷约1 300万m3，发生滑坡时入江方量必然>1 300万m3，滑坡具备造成完全堵江的物质。

该段金沙江流域最大洪峰流量6 525 m3/s，即便发生滑坡时洪峰流量稍大于现在，单位时间的入江土石方量也远大于河水流量，具备造成完全堵江的水动力条件。

胡广韬《滑坡动力学》中将此类滑坡运动模式总结为“剧动式高速滑坡”，根据该书中提出的速度计算公式表明，该滑坡启动速度达1.9 m/s，滑体质心运动至剪出口上方时速度达46.5 m/s，与对岸山体碰撞后速度达50.6 m/s，具有强大的冲击力。因此当滑坡形成以后，大量的滑坡体堆积于河床内，且滑坡体以非常高的速度撞击河床，巨大冲击力使滑坡体十分密实，而河床的江水流量，不足以冲毁堰塞坝也不会形成绕坝渗流，致使堰塞坝体能够长期稳定的存在。

3.3 滑坡数值模拟研究

离散元法适用于节理岩体的特征分析，尤其适用于节理控制的滑坡变形特征和破坏过程研究，是分析滑坡形成与运动的重要工具。目前常用的离散元软件主要有ITASCA公司的二维离散元(UDEC)、三维离散元(3DEC)、PFC2D、PFC3D，其中通用离散元程序(UDEC)是用于模拟非连续介质承受静载或动载作用下响应的二维离散元程序，在节理裂隙切割的岩体中运用得非常广泛。

3.3.1 模型的建立以及参数的确定

根据滑坡恢复剖面(图8)，并结合滑坡特征，建立了二维离散元概化模型(图9)。

图8 滑坡恢复剖面图Fig.8 Landslide recovery profile

图9 滑坡概化模型Fig.9 Generalized model of landslide

模型中将岩体分为了风化石英片岩和微新石英片岩两部分。模型底部边界长2 373 m，左右边界高度分别为1 054 m、564 m，共产生块体1 035个，划分单元10 534个，生成节点10 940个。由于研究的是斜坡失稳破坏过程，滑体中块体自身变形相对其运动位移极小可忽略不计，因此模型采用刚性本构模型。

计算参数根据工程类比及经验取值并结合试验数据相关参数进行确定，表3和表4给出了边坡在初期变形时的部分计算参数。

表3 边坡岩体主要计算参数Table 3 Physico-mechanical parameters of slope rock mass

表4 结构面主要计算参数Table 4 Mechanical parameters of structural planes

3.3.2 动力输入和边界条件

该滑坡曾完全堵塞金沙江，遇反坡受阻后爬高近10 m堆积，所展现出来的规模大、滑速快的特点让人惊叹，地震诱发应当是其主要影响因素。诱发该斜坡发生大规模滑动的地震参数有所欠缺，因此，此次计算采用“5·12”汶川地震时文县台网监测到的地震波以反映该滑坡大致运动过程，虽不能完全符合当时运动情况，但整体运动过程应当较为类似，并不影响运动特征研究。施加在模型底部的水平加速度时程曲线见图10[15-16]。为了尽量减小地震波向外传播后发射到模型内部以及能量发散对模型的影响，模型底部采用黏滞边界，两侧则采用自由场边界(图11)。

图10 施加在模型底部的水平加速度时程曲线Fig.10 Time-history curve of horizontal acceleration input in bottom of numerical model

图11 数值模型边界条件示意图Fig.11 Boundary condition of numerical model

3.3.3 结果分析

在地震荷载作用下，滑坡整个堵江过程如图12所示。

图12 滑坡在输入动力条件后不同时段的运动特征Fig.12 Movement characteristics of landslide under dynamic action in different periods

在地震波输入的10 s内，坡体还未有明显变形；随着地震波的持续作用，到10 s时变形加剧，后缘开始滑动，地震波作用使得坡体浅表部有小规模块石脱离母岩；20 s时坡体变形规模增大，后缘继续向下滑动;30 s时滑动规模急剧扩大，且前后缘滑动速度存在差异，使得滑体中部有挤压变形的趋势。到40 s时滑坡体后缘下滑距离进一步增加，前缘已滑动至河谷内，受强烈的碰撞作用，更多的块碎石脱离母岩水平抛出；70 s时滑坡体前缘受阻，而后缘仍处于高速滑动，推动前缘块碎石继续运动；到80 s时，因前后缘速度的差异，在滑坡体前缘出现急剧的碰撞堆积，形成鼓丘，强夯成坝；150 s以后，地震荷载取消，斜坡在惯性作用下，继续运动，冲向对岸山体。随后，滑坡体逐步停积，速度降低，滑坡整体趋于稳定，完全堵塞金沙江。结合数值模拟分析，可以将滑坡的堵江机制总结为：顺层斜坡高速滑动→前缘碰撞堆积→后缘推动形成一定冲高→强夯成坝→完全堵江。

另外，由于软件的局限性，此次数值模拟分析忽略了水对滑坡堵江过程的影响，这也是今后研究滑坡堵江的重要内容。