甘肃陇南泻流坡滑坡-碎屑流变形特征与成因机制

2021-09-09叶振南陈宗良高幼龙

科学技术与工程 2021年22期

叶振南，陈宗良，高幼龙，郭宁

(1.中国地质调查局水文地质环境地质调查中心，保定 071051; 2.中国地质大学工程学院，武汉 430074)

滑坡-碎屑流是一种沿着斜坡表面作远程运动的岩石碎屑流动体[1],高位孕育的特征使其运动过程常具有运动速度快、运行距离远的特点，部分学者也称之为高速远程滑坡[2]。自19世纪末，Heim[3-4]在研究瑞士Elm滑坡中首次提出滑坡-碎屑流现象以来，中外众多学者针对该类滑坡的发育特征、成因机制、高速远程机理、颗粒流运动特性等开展了大量研究工作，取得了丰硕的研究成果[5-8]。已有研究表明，地震和强降雨是诱发滑坡-碎屑流的最主要因素，其运动破坏过程具有流态化、尺寸效应、层序保持现象和反序现象的基本特征。由于此类滑坡高位孕育的隐蔽性和爆发的突然性，现有研究多通过已发生滑坡现场调查[9]、模型试验[10]、数值模拟[11]等手段开展，滑坡孕育及初始变形破坏阶段研究案例较为少见。

白龙江流域位于青藏高原东部、秦岭山地西缘，中国纵横向地震带在此交汇穿过，地质构造复杂，新构造运动强烈，地震活动频繁，加之极端降雨和日益增强的人类工程活动的影响，滑坡、泥石流等地质灾害频发，是中国地质灾害高发区和重灾区。较多学者对此开展了大量调查研究工作，积累了丰富的地质灾害数据及成灾背景资料[12-14]。泻流坡滑坡位于陇南市武都区白龙江右岸，属于典型的滑坡-碎屑流灾害，受地震及极端降雨影响，历史上发生多次较大变形，其成因机制尚不明确，防治难度较大。

鉴于此，2020年初，依托于中国地质调查局地质调查项目(DD20190646)，选取该滑坡作为普适性监测仪器设备应用示范点，对高位滑源区开展了实时监测，包括地表位移、降雨量等。2020年8月11—17日，区内发生强降雨，7日累计降雨量达206.4 mm，滑源区发生较大变形，位移速率、降雨量等多指标触发红色预警。险情发生后，应甘肃省陇南市相关部门邀请，中国地质调查局水文地质环境地质调查中心组织专家开展了应急调查工作，通过地形地质资料与遥感影像资料的收集整理、现场调查和监测数据分析，为现场研判滑坡动态变形趋势和制订应急处置措施提供了技术支撑，避免了人员伤亡和财产损失。通过全程参与该滑坡地面调查、监测系统建设与应急处置全过程，综合地面调查、低空测量以及实时监测等手段，详细阐述滑坡发育与变形特征，并对其成因机理进行探讨，可为该滑坡的综合防治提供技术支撑。另外，该点是中国地质调查局组织实施的首批普适性监测设备应用示范点之一，为普适性监测设备在类似地区的推广应用积累经验，监测系统有效捕捉滑坡-碎屑流在初始阶段的变形破坏过程，以期为同类型滑坡-碎屑流成因机理及后续研究提供参考。

1 地质环境背景

泻流坡滑坡-碎屑流位于陇南市武都区城区白龙江右岸，坡脚有姚武公路沿白龙江南岸穿过。复杂的区域构造格局与强烈的新构造运动等塑造了白龙江流域山高坡陡、河谷深切的中高山-峡谷地貌，研究区位于白龙江干流中下游，区内以中山区为主，属暖温带湿润气候，具有垂直气候分带明显和干湿季分明的特点，年均气温约15 ℃，年均降水量494.8 mm，主要集中于5—9月，且以短时强降雨为主。

如图1所示，山高坡陡的地形地貌、千枚岩等易滑地层广泛分布、复杂的地质构造等为滑坡发生提供了有利条件，使得白龙江右岸两水-武都段形成了一个滑坡聚集区，发育了大量堆积层滑坡。近年来，受汶川地震及强降雨影响，区内泻流坡滑坡等均多次发生较大变形，造成了严重危害。

2 滑坡发育特征

2.1 平面形态特征

滑坡平面形态呈“哑铃”型(沙漏型)，后缘高程1 310 m，前缘高程约975 m，相对高差(H)为340 m，前后缘水平距离(L)为600 m，等效摩擦系数(H/L)<0.6，属“一般远程滑坡-碎屑流”[16],根据滑坡运移堆积特征，将滑坡分为滑源区I、流通区II(运移转化区)和堆积区III(图2)。

图2 泻流坡滑坡全貌

(1)滑源区I：滑源区位于斜坡上部，长210 m，平均宽度160 m，滑体平均厚度15 m，体积50.4万m3，属中型滑坡。后缘高程1 310 m，滑坡后壁呈近圆弧状地形展布，下错陡坎明显，滑坡前缘高程1185 m，因流通区滑体下错形成高15 m的高陡坎，前后缘高差125 m，平均坡度约30°，主滑方向为50°。滑源区发育两处次级滑坡，边界明显，I-1滑坡长200 m，宽60 m，滑体厚度8～15 m，主滑方向46°，属小型浅层滑坡；I-2滑坡长140 m，宽80 m，滑体厚度15 m，主滑方向60°，属中型滑坡。

(2)流通区II：流通区是滑源区滑体向下运移并转化为碎屑流的通道，夹于左右两侧山梁之间。平面形态为长条形，该段长175 m，均宽50 m，该段高程在1 090～1 185 m，斜坡剖面为直线型，坡向43°，整体坡度30°。经历多次变形堆积过程，堆积体上薄下厚，平均约5 m。

(3)堆积区III：堆积区位于斜坡下部，是碎屑流物质堆覆区，平面形态呈完整扇形。堆积扇上部宽70 m，下部宽270 m，坡面斜长200 m，高程在975～1 095 m，上下部高差约120 m，剖面形态呈直线型，扇体平均坡度30°。扇形体两侧边界原为自然冲沟，后人工修建排水沟，目前排水沟多处损毁严重。

受汶川地震及强降雨影响，堆积区分别于2009年和2018年发生两次较大变形，根据滑坡变形堆积特征，将堆积区划分为3个亚区。2009年III-1区域发生滑动，滑体平面形态呈三角形，长约240 m，宽约120 m，平均厚度12 m，体积约35万m3，主滑方向38°，随后当地国土部门先后对该滑坡灾害实施了局部治理工程，主要治理措施包括截排水、坡脚支挡、坡面整修、坡面绿化、防护网工程；2018年III-2区域发生滑动，平面形态呈长条形，长180 m，均宽40 m，平均厚度5 m，体积3.6万m3，主滑方向40°，中上部形成深3～5 m、宽30 m的槽状地形，下部及前缘堆积鼓胀，坡面绿化林被毁。III-3块体位于堆积体右侧，平面形态呈半圆形，长约100 m，宽约65 m，主滑方向80°。III-1和III-3是目前堆积体主要变形区，III-2滑动后经人工平整和水流冲刷，目前形态不明显。

2.2 物质结构特征

现场调查及勘查资料表明，滑体主要物质成为碎石土(图3)，土体结构松散，碎石含量80%～90%，主要为片状千枚岩碎屑和棱角状灰岩块碎石，碎石粒径2～10 cm，偶夹漂石颗粒，分选性较差，多呈棱角状，粉土、砂土填充。滑体厚度在空间上呈现较大差异性，滑源区堆积体厚度17 m，且其中上部有大量灰岩块石堆积，块石粒径20～50 cm；流通区滑体平均厚度6 m，灰岩漂石较少；堆积区堆积体厚度呈中间厚两侧薄，中间碎石土覆盖厚度达14 m，两侧覆盖厚度约10 m，且堆积区中部钻孔揭露在10～14 m深度处，碎石土中夹大量粒径达1 m左右的灰岩漂石颗粒。

图3 滑坡工程地质剖面图

下伏地层为志留系中上统白龙江群(S2+3bl)，岩性以千枚岩、炭质千枚岩、板岩为主，颜色为灰色、灰黑色，地层产状215°∠42°。受迭部-白龙江断裂影响，岩层内揉皱发育，结构破碎，表层岩体强风化，强度较低。

3 滑源区变形监测

3.1 监测系统

监测系统于2020年6月中旬建成并开始运行，监测系统平面布置图如图4所示。根据滑源区变形特征及裂缝发育情况，共部署了GNSS(全球导航卫星系统)地表位移计(5套)、含水率计(2套)、雨量计(1套)和裂缝计(2套)，地表位移监测点GP01、GP02分别位于I-1变形区的上、中部，GP03、GP04位于I-2变形体的下部和中部，且GP03安装位置位于下部右侧靠近I-1块体，裂缝计LF01、LF02分别位于I-2变形体右后缘和滑源区中后部。

图4 滑源区监测系统平面布置图

3.2 宏观变形过程

2020年8月11—16日陇南地区普降暴雨，诱发大量滑坡等地质灾害，泻流坡滑坡滑源区17日开始出现持续变形。8月18日后，位移速率、降雨量多次触发红色技术预警，因滑坡区道路中断，地调局水环中心技术人员依据监测数据，分别于8月19日和22日两次向武都区地质环境监测站提交了红色技术预警及响应建议报告，相关部门紧急组织人员撤离，并制订了应急治理工程措施，包括排危石、截排水等。

8月26日道路恢复后开展了第一次地面调查(图5)。I-1滑坡中上部变形迹象明显，在原有陡坎基础上，左侧缘下沉3～4 m，右侧缘下沉2～3 m，滑体表面拉张、剪张裂缝纵横分布，最大宽度达30 cm；滑体中下部变形轻微，滑体前缘裂缝较为发育，松散迹象明显。I-2滑坡中上部无明显变形迹象，下部公路上发育剪张裂缝，宽3～10 cm，延伸8 m，延伸方向与公路斜交，前缘岩土体松散，局部坍塌，左前缘发育小型滑坡。

图5 滑源区变形特征(8月26日)

9月以后，滑坡变形速率减缓，预警级别降为橙色。在此期间，截排水工程开始施工，相关技术人员持续关注滑坡变形趋势，并于10月13日开展了第二次地面调查(图6)。调查结果显示地表变形迹象更加明显，I-1滑坡后缘进一步下错，中部鼓胀明显，拉张、剪张裂缝持续扩展，造成GP02监测点立杆歪斜，下部右侧边界有局部滑动面出露，指示滑动方向与滑坡主滑方向一致；公路变形迹象明显，局部下错1～2 m，前缘受推挤作用进一步塌滑。流通区和堆积区以坡面冲蚀和局部溜滑为主，整体处于基本稳定状态。

图6 滑源区全貌(10月13日)

3.3 监测数据分析

监测系统均为实时监测，以天为单位对监测数据进行整理，2020年8—11月降雨与地表累积位移量和日位移速率关系曲线如图7所示。

由图7(a)可知，8月15日前，各监测点处于基本稳定状态，累积位移量均在30 mm以内。8月16日以后滑坡开始出现变形：I-1变形体上部GP01监测点，8月16—18日累计水平位移分别为39、647、662 mm，18日之后因GNSS立杆倒塌，数据缺失；GP02和GP03监测点变形趋势基本一致，在8月下旬和10月中上旬经历了两次大的变形过程，监测曲线呈两级台阶状，11月份以后趋于稳定，GP02累积位移量达10 160 mm(水平)、4 461 mm(垂直)，GP03累积位移量达4 632 mm(水平)、2 263 mm(垂直)，平台显示两处监测点运动方向分别为46°、60°，与所在两个次级滑坡主滑方向一致；I-2变形体中部监测点GP04始终处于稳定状态。

图7 降雨与地表累计位移、日位移速率关系曲线

第一次加速过程：8月11—17日累积雨量达206.4 mm，最大日降雨量77 mm(17日)，GP02和GP03于17日开始出现变形，19日变形速率达到最大，水平位移速率分别为384、160 mm/d；后又经历了8月22日(降雨量27.8 mm)和8月30日(降雨量40.6 mm)两次降雨过程，两处监测点变形速率随之出现小幅增长；8月19日—9月2日期间，GP02水平位移速率达260～360 mm/d，GP03水平位移速率达80～130 mm/d,9月3日后变形速率变缓。垂直位移变形趋势与水平位移一致，位移量相对较小。

第二次加速过程：9月中旬—10月初为连阴雨天气，10月1—6日，累积雨量达57.4 mm，日降雨量8～12 mm，GP02和GP03于3日开始出现变形加速，9日变形速率达到最大，水平位移速率分别为305、130 mm/d，随后降雨减少，监测点变形速率变缓。

图7(a)与图7(b)对照显示：监测点变形速率变化趋势与降雨响应关系较好，整体呈现正相关关系。统计结果表明，8月16日以后，前期1～3 d累计降雨达到25 mm以上时，监测点变形速率均出现明显响应，且降雨结束2～3 d后变形速率达到最大。

空间上来说，I-2滑坡中部监测点GP04累积水平位移为35 mm，裂缝位移计LF01、LF02累积位移量均小于15 mm，说明I-2中上部及滑源区上部趋于均处于基本稳定状态。I-1滑坡是主要变形区，其中上部GP01最早出现变形，累积位移急剧增长且立杆倒塌，后现场调查发现仪器所在位置距安装点水平距离达20 m，同时中部GP02监测点的累积位移量、位移速率均大于下部GP03监测点。

综上所述，地面调查与监测数据基本一致，滑源区上部和I-2滑坡中上部区域基本稳定，I-1滑坡和I-2滑坡下部区域是主要变形区，6—10月受两次持续强降雨过程影响，滑坡发生两次加速变形，中上部地表水平位移达10～20 m，下部整体水平位移约5 m，呈现推移式运动特征。10下旬以后随降雨减少，滑坡变形速率趋于稳定，滑坡处于蠕滑状态，日变形速率2～5 mm/d。滑坡截排水工程已完成验收，但考虑到滑坡持续变形导致滑体裂缝不断扩展，结构更加松散，强降雨、地震条件下仍可能发生进一步变形破坏，应该加强汛期地面巡查及监测预警工作，尽快实施抗滑桩等支挡工程。

4 滑源区变形机制分析

4.1 滑坡变形影响因素

众所周知，滑坡变形破坏是内因和外因共同作用的结果，其中内因包括地形地貌、地层岩性和地质构造，外因包括地震和降雨。

4.1.1 地质条件对滑坡的控制作用

受复杂的区域构造格局和强烈的新构造运动控制，滑坡区属构造侵蚀中高山地貌。滑源区前后缘高差达125 m，坡度较陡，前缘发育15 m的高陡坎，临空条件较好，为滑坡变形提供了有利的地形条件；滑源区顶部地处漏斗状低洼地形，汇水条件较好。

滑坡区位于沿白龙江南岸展布的逆冲大断裂北侧，下伏基岩为志留系中上统白龙江群灰黑色千枚岩、板岩，受逆冲断裂影响，基岩产状变化较大，局部小褶皱较为发育，岩体结构破碎，表层风化强烈，遇水极易软化，饱和后强度迅速降低(表1)，其中单轴抗拉强度折减为干燥状态下的1/5，抗拉强度折减为干燥状态下的1/7，抗剪强度折减接近一半。志留系板岩千枚岩是区内典型的易滑地层。

表1 千枚岩物理力学参数

4.1.2 地震对岩土体结构的累积损伤

滑坡区属地震多发区，历史上有文字记载的7级以上地震达15次，近年来发生的汶川地震、九寨沟地震对滑坡影响较大，直接诱发堆积区发生两次大规模变形。以往调查工作表明，地震过程中滑源区未发生大规模滑动，但多次地震使得滑源区岩土体破碎松动，后缘裂缝发育，在长期重力作用下后缘裂缝不断贯通，为降雨入渗等提供了通道，为滑坡变形提供了结构基础。

4.1.3 强降雨诱发滑坡变形

监测数据表明，2020年6—10月滑坡区累积降雨量达590.2 mm，是历年同期降雨量的数倍，其中8月11—17日累积雨量达206.4 mm，最大日降雨量77 mm(17日)，均刷新了历史极值。监测数据表明，8月11—17日降雨过程是诱发滑坡发生变形的直接影响因素，8—10月间滑坡变形速率动态变化趋势与降雨响应关系较好，降雨是滑坡变形的最主要诱发因素。

4.2 变形机制

综合监测数据及地面调查结果，该滑坡属蠕滑-拉裂型推移式滑坡。山高坡陡、前缘临空的地形条件和“碎石土+千枚岩”的二元结构为滑坡形成奠定了基础。滑坡中上部的破坏受软弱带(强-全风化千枚岩)基本力学特性控制，在多次地震和长期重力作用下，滑体沿千枚岩表层强风化带向临空方向蠕滑，随时效变形的不断发展，后缘拉张裂缝不断扩展贯通，形成下错陡坎，滑坡形成进入临界状态。强降雨条件下，滑源区上部低洼地形使得地表径流快速聚集，沿后缘裂缝等入渗至基覆界面，强风化千枚岩饱和后泥化，强度迅速降低形成塑流状滑带，加上雨水入渗造成的滑体重度增加、动水压力等不利影响，上部滑体失稳变形，形成推移式滑动，11月以后，降雨减少，滑坡也随之趋于稳定。

变形区累积水平位移5～20 m，且前缘临空条件较好，但并未完全剪出下滑，这种现象并不常见。根据现场调查结果推测：一方面受前缘岩土体剪切特性控制，另一方面受流通区顶部“锁口段”阻滑作用影响，建议进一步采用数值模拟等手段开展深入研究。