藏东南察达沟谷典型高位斜坡特征及风险分析*
2021-06-10王杜江赖琪毅孟祥连陈柯宇代欣然李俊青
王杜江 赖琪毅 孟祥连 陈柯宇 代欣然 李俊青
张晓宇①② 杜世回①② 赵建军③
(①中铁第一勘察设计院集团有限公司, 西安 710034, 中国)
(②陕西省铁道及地下交通工程重点实验室(中铁一院), 西安 710043, 中国)
(③地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室(成都理工大学), 成都 610059, 中国)
0 引 言
高位斜坡岩崩是一种致灾能力强、隐蔽性较高的地质灾害,崩塌物质在长距离的运动中往往发生转化形成崩塌-碎屑流等高速远程崩滑灾害,具备运动速度快、运移距离远、冲击破坏力强等特点(刘传正, 2010; 赵志明等, 2020)。这类高速远程大型崩滑往往地质力学模式复杂(郭长宝等, 2020)。斜坡具有高烈度地震、陡峭地形、有利失稳的岸坡结构与岩性组合等条件。在启动后岩质滑体沿运动路径的后续运动中岩体经过强烈碎裂,形成类似流体的形式(王玉峰等, 2021)。青藏高原东南部强烈的构造运动、复杂的地形及构造条件,导致高位崩滑-碎屑流地质灾害问题突出,是中国大型高速远程崩滑最发育的地区(文宝萍等, 2020)。如雅鲁藏布江容那崩塌体、夺嘎崩塌体、甘登崩塌体、扎曲—夺嘎河段崩塌体等高位岩质崩塌(邹子南等, 2019)。
随着各类基建项目的逐步开展,藏东南及邻近地区发育的高位斜坡地质灾害目前备受关注。如发育于川藏线上的毛垭坝乱石包滑坡,失稳方量约3700×104m3,堆积方量约4800×104m3,纵长约4.1km,垂直落差约821m(郭长宝等, 2016)。2000年4月9日,西藏易贡乡发生超大规模的山体滑坡,沟谷内的块石碎屑物质在猛烈的撞击下形成高速碎屑流,堵塞了易贡藏布河,形成一个长宽均约2.5km、堆积厚度为60~100m的大型天然堰塞坝,造成了包括山下易贡茶场以及易贡、八盖两乡等共计4000余人受灾,直接经济损失高达1.4亿元(夏式伟, 2018)。2013年3月西藏甲玛矿区发生的高速远程滑坡,滑动距离3km,总方量约200×104m3,造成83名工人被埋,该滑坡是在地形陡峻、岩体破碎、冰雪冻融强烈等因素作用下造成的(郭长宝等, 2016)。2017年6月24日,四川省茂县叠溪镇新磨村新村组后山山体发生高位滑坡,瞬间摧毁坡脚的新磨村,掩埋64户农房和1500m的道路,堵塞河道1000m,导致10人死亡、73人失踪(Gianvito et al.,2018)。2018年10月11日和11月3日在西藏白格村与四川则巴村交界处的金沙江右岸发生的白格滑坡,先后多次堵江,造成上游地段的淹没及下游地区的洪水(许强等, 2018)。雅鲁藏布江历史上多次发生冰崩-岩崩-滑坡-碎屑流/泥石流—堵江事件的色东普沟,在2017年10月、2017年12月、2018年10月先后发生堵江并形成堰塞湖,后又引发溃坝洪水灾害,引起一系列的连锁次生灾害,对沿途的地区造成大面积的影响(童立强等, 2018)。
目前对高速远程崩滑灾害的研究多集中于近期发生的地质灾害案例,通过地质灾害前后的变化及丰富的地质资料查明斜坡地质条件和成因机理,从而较为准确地评价其稳定性和灾害风险,从现场物质堆积特征反演运动特征,利用室内模型试验再现其运动过程,并选用颗粒流离散元等软件模拟及逻辑回归模型等方法分析计算(刘明学等, 2014; 刘春等, 2019; 刘伦杰等, 2020),研究其活动特征。但对于形成历史较为久远、地质成因复杂、斜坡受后期改造作用强烈的高位斜坡,现阶段尚未形成统一的评价模式和具体的研究成果。加上研究对象斜坡地质资料的欠缺及坡体结构的不明确,对高位崩滑体的工程适宜性研究尚存在局限性。
藏东南某拟建铁路车站左侧发育的察达1号高位斜坡高程3700~5328m,沟谷内堆积大量块石、碎石、角砾等松散物,后方岩壁高300~500m,岩性为宗白群砾岩,距拟建铁路车站水平距离约2.6km。李元灵等(2021)认为察达后山砾岩斜坡历史上曾发生大型岩质崩塌并具有高速远程的运动特征。该斜坡高位岩壁是否会再次形成大规模崩塌,已有的堆积体稳定性如何,对拟建车站建筑物和线路是否存在潜在地质灾害威胁,尚需论证。本文重点从查明察达1号高位斜坡现有坡体结构特征,识别高位危岩分布,分析斜坡稳定性和潜在高位崩塌运动路径入手,对高位斜坡灾害风险进行深入分析,为铁路车站建设及防灾工作提供参考。
1 地质背景
察达1号高位斜坡沟谷位于西藏昌都市洛隆县腊久乡八美村冻措曲右岸(图1)。研究区为高山峡谷地貌,主河谷冻措曲为“U”型谷,宽缓平坦,宽350~700m,两岸支沟深切。
图1 察达1号高位斜坡位置及区域地质简图
该区地处冈底斯-念青唐古拉陆块,构造活动强烈,构造线方向以北西向为主。区域性断裂主要有巴曲-东村断裂、信本断裂、苦子曲-巴曲断层。区内分布的基岩地层岩性主要有古近系宗白群砾岩、二叠系雄恩错组灰岩、石炭-二叠系来姑组板岩夹砂岩以及燕山期侵入花岗岩,河谷及坡体普遍分布第四系碎石类土、砂类土。根据《中国地震动峰值加速度区划图(GB18306-2015)》,该区属地震频发区,地震动加速度峰值为0.20g,地震基本烈度为Ⅷ度,区域极限震级为7.5级。
2 斜坡特征
2.1 斜坡整体特征
察达1号高位斜坡(图2)山顶高程5328m,斜坡前缘堆积体最低处高程3700m,河床高程3697m,高差1631m,水平长度约3712.5m,坡向298°。斜坡整体形态呈上缓下陡、上宽下窄的长舌状,上部为簸箕状凹槽地形,平均宽度约520m,中下部为瓶颈状狭窄沟道,平均宽度约211m,底部为覆盖于冻措曲阶地上的平缓堆积扇,平均宽度约275m。
图2 察达1号高位斜坡立面图
研究区地层主要有第四系崩坡积(Qpcol+dl)、冲洪积(Qpal+pl)、冰碛(Qpgl)等物质,分布于整个坡体及堆积扇区; 第三系宗白群(E2z)紫红色砾岩,分布于顶部高位岩质斜坡区,砾状结构,中厚层状构造,钙质胶结,节理发育; 二叠系中统雄恩错组(P2x)灰岩夹板岩,出露于斜坡中下游左侧,与下伏来姑组呈不整合接触,岩体为灰色,风化面呈灰黄色,隐晶质结构,中厚层状构造,局部片理化构造,节理发育; 石炭系中统至二叠系下统来姑组(C2P1l)板岩夹砂岩,为坡体堆积物下伏基岩,岩体为灰色-灰黑色,板岩为变余结构,板状构造,板状劈理发育,局部含泥炭质软弱夹层,砂岩为变余砂状结构,块状构造,钙质胶结。斜坡发育义俄-巴曲断层(F34-1),为信本断裂支断层。断层隐伏经过斜坡中部,为逆断层,产状为N10W/60°N,物探解译断带宽度为5~30m,在第四系地层中未发现活动迹象,断层及岩层倾向均与坡向相反,断层对岸坡稳定性影响较小,后续分析中不考虑断层效应。
2.2 斜坡结构特征
依据斜坡地貌形态和岩性特征,可以将其划分为3段区域(图2,图3):顶部高位岩质斜坡(4763~5328m)、上部堆积体(4366~4763m)、下部堆积体(3700~4366m)。
图3 察达1号高位斜坡剖面图
2.2.1 顶部高位岩质斜坡(4763~5328m)
该段斜坡为陡峭岩壁(图4),高程4763~5328m,坡度68°~75°,横宽430~770m,纵长700~800m。岩壁平面形态呈弧形,为向斜构造,核部紫红色硬质砾岩,下层岩体为来姑组板岩夹砂岩。两套地层在坡脚位置呈角度不整合接触,局部形成上硬下软结构。岩壁北翼层面产状为N80E/25°~40°S,南翼层面产状为N45E/16°S。山顶陡崖坡向N19E/68°N,向斜轴面为N32.5°W/82.5°S,两者相互斜交。岩层及褶皱组合产状均倾向坡内,砾岩表层受风化冻融作用,节理发育。结构面产状为:J1:N68°W/63°S,陡倾向坡内,结构面微张,岩屑充填; J2:N76°E/67°N,与坡面斜交,结构面闭合(图5); J3:N65°W/79°N,陡倾向坡外,结构面闭合。在岩壁上部结构面的倾斜摄影及无人机测量记录中,长大优势结构面普遍闭合,顶部岩壁未见明显裂缝。
图4 高位岩壁全貌
图5 砾岩节理赤平投影图(北半球)
2.2.2 上部堆积体(4366~4763m)
上部堆积体与下部堆积体以高程4366m处的基岩面分界,在区内上下游该高程部位均发育基岩陡壁。上部堆积体为“U”型槽谷状地形(图6),主体部分为宽缓大平台(图7),平均坡度约10°~15°,横宽480~650m,纵长700~870m。堆积体厚度约15~20m。宽缓大平台地表堆积物主要由碎石、块石组成,母岩成分主要为紫红色砾岩,岩性较为单一。下部物质颗粒变细,主要为碎石土、角砾土等,砾石成分主要为板岩、砂岩。下伏基岩为来姑组板岩夹砂岩(图8上部堆积体剖面)。平台植被发育良好,与下方植被无明显分带和错植,表明堆积物形成时间早且近期无大规模变形、错动。
图6 上部堆积体全貌
2.2.3 下部堆积体(3700~4366m)
下部堆积体分布位置为斜坡前端河流至斜坡高程4366m处的基岩部位,根据地形陡缓程度可以从坡脚划分为前端平缓堆积体和沟道堆积体,在沟道堆积体内,存在一处缓坡平台,无植被发育(图7)。
图7 缓坡平台全貌
沟道堆积区域在地形上相对狭窄,平均坡度约20°~25°,上覆堆积体横宽100~250m,纵长450~550m,平均宽度约211m。堆积体表层为大粒径块石,坡内为粗角砾、细角砾等小粒径碎石土。缓坡平台位于高程4070~4110m处,平台宽约150m,长约200m,坡度较缓,平均坡度约为10°~15°。堆积物主要由灰岩夹板岩碎石、块石组成,风化程度严重,大部分被风化为薄片状,块径0.05~1m,灰岩块石表面溶蚀线槽发育。
前端的平缓堆积区域(图8)地形平缓,平均坡度约5°~10°,整体形态似“山包”状,边界曲折近扇形,扇体横宽约700m,纵长约500m,中心高程较高,后缘与边缘部位高程相对较低,形成弧形凹槽; 扇体中部凸出堆积物横宽210~300m,纵长170~300m,平均宽度约275m。堆积体表层为散乱分布的巨型块石,主要成分为宗白群紫红色砾岩,一般块径2~6m,最大块径约17m,块石岩性比较单一,受风化作用强烈,磨圆度较差,最远处分布于河道内; 堆积体下部物质主要为碎石、角砾,成分以板岩、砂岩、灰岩为主,局部夹含紫红色砾岩块石。整体来看,沟道与扇体堆积物结构相似(图9),表层以大粒径块石为主,中下部碎石类土粒径较小,呈一定的反粒序结构(Wang et al.,2018)。
图8 下部堆积体前缘堆积
图9 堆积体内部结构
2.3 斜坡潜在危险
采用遥感解译、InSAR监测、现场调查等方法,分析斜坡自2015年以来的变形特征,综合判断分析斜坡潜在危险。
InSAR监测和多期遥感影像选用C波段的Sentinel-1A卫星IW模式下的level-1A级影像,其分辨率均为5m×20m,时间跨度为2015年11月12日~2020年12月27日(128景,降轨),极化方式为VV极化,侧视角为44.36°。采用SBAS-InSAR技术开展数据处理,分析结果发现(图10),自2015年以来,斜坡高位后壁未发生大范围的地形改变,整体形状轮廓无明显变化,斜坡上、下部堆积体范围无明显变化。顶部岩体3处InSAR监测点周围出现一定周期性的变形,推测与降雨和积雪冻融有关。现场复核调查,高位岩壁下方存在小型崩塌和岩屑坡堆积体。结合上述分析及李元灵等(2021)对顶部潜在危险的研究结果,认为顶部岩质斜坡和上、下部堆积体整体稳定性均较好,潜在危险主要为高位岩质斜坡的局部变形破坏,破坏模式表现为危岩体的倾倒式、滑移式崩塌。
图10 不同部位InSAR时序变形特征
对高位岩质斜坡发育的危岩体进行解译,主要包括大规模(体积>1×104m3)和小规模(体积小于1×104m3)2类。其中大规模危岩体主要发育于结构面组合发育的地形突出部位,根据其结构面组合特征划分出9处,编号d1~d9(图11)。小规模危岩体主要分布于基岩陡壁面上,由于其控制性节理裂隙产状、切割组合方式、体积及失稳运动特征基本一致,因此这里选择危岩d2与其附近发育的小规模危岩体为案例对小规模危岩体特征进行描述,共划分出16处,编号x1~x16(图12)。
图11 大规模危岩体分布及部分危岩素描图
图12 危岩d2附近小规模危岩体分布位置
对于斜坡上部、下部堆积体两个区域,仅发现有表层的局部坍塌。从钻孔揭露的上下部堆积体结构可得,主要由表层的大粒径块碎石和内部的粗角砾土、细角砾土组成,巨型块石主要成分为宗白群紫红色砾岩,一般块径2~6m,最大块径约17m。较小的粗砂、细砂等物质筛分粒径主要集中在2~20mm,其次为0.5~2mm,密实度较好,堆积体的透水性较好,具备整体稳定的地形、物质特征,极端条件下可能形成浅表层的局部蠕滑变形。
表1 岩土体物理力学参数综合取值
另外考虑到斜坡上部堆积体地形较缓,坡表大粒径块石镶嵌较好,下部堆积体表层大粒径块石局部结构松散、块石裸露且临空面较大,下伏堆积体在饱水或受地震波影响下软化,使孤石失稳形成滚石运动。结合现场调查和倾斜影像分析对下部坡度较陡段堆积体表面大粒径孤石进行解译,识别出危险孤石9处,编号p1~p9(图13)。
图13 下部堆积体坡面孤石分布图
3 稳定性分析
分别针对高位斜坡危岩体、上部和下部堆积体进行稳定性分析。采用理正岩土计算软件和Geo-Studio软件,选用极限平衡法进行计算。
3.1 岩土体物理力学参数
岩体物理力学参数在岩石单轴抗压等试验结果的基础上,以《铁路工程地质勘察规范(TB 10012-2019)》、水电工程高边坡中的参数成果为参考进行综合取值。堆积体物理力学参数根据察达沟谷堆积体现场大剪试验结果,结合堆积物实际工程地质特征进行综合取值(表1)。
3.2 高位危岩体稳定性分析
根据危岩体结构面组合确定边界条件,建立危岩体稳定性计算模型(图14),考虑计算工况如下。
图14 部分危岩体计算模型
(1)天然工况:自重条件下危岩稳定性;
(2)暴雨工况:暴雨融雪条件下危岩饱水稳定性;
(3)地震工况:强震作用下危岩稳定性,岩体受到的水平及竖向地震荷载取相同值;
(4)暴雨+地震工况:岩体饱水条件时叠加强震作用下的危岩稳定性。
采用理正软件计算危岩稳定性,根据《崩塌防治工程勘查规范(T/CAGHP011-2018)》判断出危岩体的稳定性系数和状态,结果如表2所示。大规模的危岩块体稳定性在天然、冻融、地震等工况下均处于稳定或基本稳定状态,整体稳定性较好; 在风化、冻融作用影响下,大规模危岩块体表面大量短小结构面进一步发育,逐渐连通,可能引发局部小规模危岩的变形破坏。小规模危岩体天然工况多数处于稳定、基本稳定状态,暴雨、冻融工况部分处于欠稳定、不稳定状态,在地震、暴雨+地震、冻融+地震工况下危岩落石风险较高。
表2 高位危岩体稳定性计算结果
表3 堆积体稳定性计算结果
3.3 沟谷堆积体稳定性分析
利用Geo-Studio软件对两处堆积体进行稳定性分析。假设基覆界面为整体滑面,对上部、下部堆积体整体进行稳定性计算; 同时采用搜索方法分析上、下部堆积体局部潜在滑面及稳定性。分5种工况进行计算:
(1)天然工况:自重条件下的坡体稳定性。
(2)暴雨工况:暴雨条件下堆积体饱水稳定性。
(3)地震工况:由于受到山体放大效应影响,斜坡顶部地形突出,水平向及垂向地震动峰值加速度可使放大系数达到3~6倍(罗永红, 2011)。上部堆积体靠近斜坡顶部,倍率取3倍,地震加速度取0.6g,下部堆积体地震加速度取0.2g。
(4)暴雨+地震工况:在堆积体饱水时叠加强震时的坡体稳定性。
(5)暴雨+地震+顶部崩塌冲力:根据现场崩塌落石70%分布在上部堆积体后缘的特征,推测崩塌发生后形成的冲击作用将可能对上部堆积体稳定性造成较大影响。由此考虑极端条件下堆积体后缘受到顶部冲击作用的计算工况。
根据叶四桥等(2010)的落石冲击力计算公式:
(1)
(2)
在极端工况下,所有危岩块体同时掉落时对上部堆积体整体施加的单位长度下的冲击力约为5.865×107kN。工程上对于动荷载计算,通常采用保守的能量平衡方程来近似估算冲积物与受冲击物受冲击荷载与冲击应力(张耀等, 2015)。在危岩体冲击力计算时将数值较大的动荷载简化为均布荷载,计算出的稳定性系数比实际的小,更有利于工程上的评价。因此模型中堆积体后缘设置均布荷载作用,大小为5.865×107kN。
根据《建筑边坡工程技术规范(GB50330-2013)》,判断各种工况下堆积体的稳定系数和稳定状态。稳定性计算结果如图15和表3所示,滑面编号1~9代表自动搜索潜在滑面中稳定性系数最低的9个滑面。表明坡面堆积体在各种工况下均处于整体稳定状态; 极端条件下高位大规模危岩体崩塌也不会造成上部堆积体的失稳; 地形较陡部位的堆积体可能在地震+暴雨条件下局部发生浅表层蠕滑-拉裂式变形破坏。
图15 堆积体稳定性计算模型及部分计算结果
4 崩塌滚石风险分析
由于在暴雨和地震等极端工况下,高位岩质斜坡区小规模危岩体可能失稳。鉴于此,采用Rockfall模拟高位岩质斜坡区危岩及堆积体表层孤石的运动轨迹及其运动距离,分析其对线路的威胁程度。
4.1 高位崩塌运动计算
4.2 坡表孤石滚石运动计算
孤石所在的下部堆积体植被覆盖良好,由潜在危险分析,主要考虑孤石在地震条件下启动。下部堆积体距顶部崩塌源区高度较低,不考虑高边坡的放大效应,地震加速度为0.2g。计算结果显示,运动最远的孤石为7号、8号块体,运动终止点位于沟口到桥位之间的堆积扇上,距离线路440m,其余孤石均止落在坡脚位置,未运动至拟建线路工程(图16)。
图16 高位危岩体和堆积体表层松动块石潜在运动路径及线路风险分析
5 结 论
察达1号斜坡的稳定性和潜在风险是影响拟建铁路车站选址合理性的关键因素。本文采用现场调查、钻探、遥感、无人机测绘、模拟计算等手段对该斜坡进行深入分析研究,得到以下结论:
(1)察达1号高位斜坡结构特征明显,可分为顶部危岩体、上部堆积体、下部堆积体3部分,其整体稳定性较好,仅在极端条件下可能发生小规模危岩体崩塌和堆积体浅表层破坏。稳定性分析结果表明:
1)大规模危岩体稳定性较好,小规模危岩在极端条件下部分块体稳定性降低,甚至发生倾倒式、滑移式崩塌。
2)上部堆积体在各种工况下整体稳定性均较好,地形较陡部位的浅表层可能在降雨、地震等条件下局部变形,出现浅表层蠕滑-拉裂式破坏失稳。
3)下部堆积体在各种工况下整体稳定性均较好,局部地形突出处可能在暴雨或地震条件下发生浅表层蠕滑-拉裂式破坏。
(2)采用滚石运动理论模拟了滚石运动路径,结果表明,高位危岩块体失稳后落石运动仅停留在上部堆积体平台上,运动终止点距线路大于2150m。斜坡堆积体表层的孤石滚落运动最远的为7号、8号块体,可运动至沟口与桥位之间的堆积扇上,距离线路440m,未到达线路位置。
(3)察达1号高位斜坡不会对拟建铁路车站正线工程造成直接危害,风险可控,线路方案可行; 便道等车站附属构筑物可通过适当的防护措施消除坡面滚石风险。