青藏高原巴塘断裂带地震滑坡危险性预测研究

杨志华 ，郭长宝 ，吴瑞安 ，钟 宁 ，任三绍

（1.中国地质科学院地质力学研究所，北京 100081；2.自然资源部活动构造与地质安全重点实验室，北京 100081；3.中国地质调查局新构造与地壳稳定性研究中心，北京 100081）

我国地质条件复杂，地质灾害点多面广、防范难度大，是世界上地质灾害最严重、受威胁人口最多的国家之一[1]。青藏高原是我国现今构造活动最为强烈的地区，地形地貌和地质构造复杂，是地质灾害高易发区。区内构造活动强烈，活动断裂发育，历史地震频发，并诱发了大量滑坡、堵江堰塞湖等次生地质灾害，地震地质灾害危险性高。近年来，青藏高原发生了多次强震事件。2008年汶川Ms8.0级地震触发了大量的次生地质灾害，对震区居民和重大工程安全构成严重威胁[2]。汶川地震后，又相继发生了2013年芦山Ms7.0级地震[3]、2014年鲁甸Ms6.5级地震和2014年康定Ms6.3级地震，地震造成的大量松散堆积物为地质灾害发生提供了丰富物源，在震后降雨作用下易再次转化为地质灾害，地震作用增加了地质灾害易发性和活动强度。地震滑坡已经引起地质灾害研究领域的广泛关注，国内外学者对地震滑坡发育特征[4-5]、地震滑坡形成机理[6-7]、活动断裂的地质灾害效应[8]以及地震滑坡易发性、危险性和风险性评价方面[9]开展了大量研究工作，取得了一些成果，推进了地震滑坡的研究进展。目前，地震滑坡危险性研究成果较为丰富，但活动断裂带等地震高发区域的潜在地震滑坡预测研究尚需加强。

随着我国西部大开发战略实施，青藏高原铁路、公路、水电站和跨区域电网等重大工程建设势必面临着活动构造区潜在地震地质灾害的严重威胁[10-11]。巴塘断裂带地处西藏和四川的交界部位，是一条右旋走滑断裂带，全新世以来活动速率高，为地震强活动带[12-13]。断裂带岩土体结构破碎，地质灾害发育，具有发生频率高、运动速度快、危害严重等特点。巴塘断裂带控制着自川入藏的交通大廊道，在未来一段时间内，巴塘断裂带仍将处于地震活跃期，地震滑坡的长期防控面临着严峻形势，有必要针对巴塘断裂带潜在地震滑坡危险性开展深入研究。基于巴塘断裂带地震活动特征、重大工程和城镇规划建设的地震滑坡长期防控需要，在分析总结巴塘断裂带地质灾害成灾背景和典型地震滑坡的基础上，采用Newmark斜坡累积位移模型[14-16]开展了巴塘断裂带50年超越概率10%的潜在地震滑坡危险性预测评价，初步反映了巴塘断裂带潜在地震滑坡危险性空间分布特征，研究结果可为巴塘断裂带重大工程和城镇规划建设的地震滑坡长期防控提供科学参考。

1 地质背景

1.1 区域地质背景

巴塘断裂带位于青藏高原东部（图1），全长约200 km，总体走向呈NE 30°，倾向NW，倾角较陡，是一条以右旋走滑活动为主的全新世活动断裂带，斜切金沙江断裂带，晚新生代以来的右旋总位移量至少在10 km左右[17]。巴塘断裂带晚更新世以来活动迹象较显著，表现为河流深切、比降大、阶地发育；在莽岭段，断裂切错古近纪红层，形成达40 m的构造破碎带。巴塘断裂带分段活动性差异明显，存在由SW 向NE逐渐减弱的趋势。巴塘段的活动性明显不如莽岭段，但在黄草坪、雅洼及巴塘县城附近也发育了坡中槽地貌。综合前人研究成果和现今GPS观测数据，巴塘断裂全新世晚期以来的水平滑动速率在3～4 mm/a[12-13，18]。莽岭乡探槽剖面揭露出4次古地震事件，倒数第二次古地震事件时间限定在距今850±30～730±30 a BP，最新一次古地震事件时间限定在距今550±30 a BP，说明距今约850年以来，巴塘断裂带可能进入了一个新的活跃期，重复间隔约700年[19]。

图1 巴塘断裂带地质背景图Fig.1 Geological setting of the Batang fault zone

据《中国地震动峰值加速度区划图》（GB 18306—2015），巴塘断裂带最高地震动峰值加速度为0.2g，地震基本烈度为VIII度，属丽江—巴塘地震块体，为地震强活动带。历史上多次发生6.0级以上地震（图2），1870年发生Ms7.2级地震，震中在巴塘附近，震中烈度X度，诱发大量山崩、滑坡，并堵塞河流，地裂缝长约30 km，宽0.5～1 m，垂直错动1～2 m[20]。1989年发生Ms6.7级地震（共发生6级以上地震4次），震源深度10～15 km，震中在巴塘县城东南小巴村[21]。1996年12月，措拉区境内发生M5.5级地震，导致山体滑坡、房屋倒塌、公路垮陷、桥梁断裂、水渠错位，震害极为严重[22]。

图2 巴塘断裂带地质灾害分布图Fig.2 Geohazard map of the Batang fault zone

巴塘断裂带属于巴颜喀拉地层区和玉树—中甸地层分区，地层岩性复杂，以广泛发育区域变质岩和岩浆岩为特征，出露地层以三叠系和二叠系最为广泛（据1∶25万区域地质图）。奥陶系—石炭系主要分布在巴塘县莫多乡、松多乡和白玉县沙马乡、盖玉乡，以及金沙江东界断裂西侧。第四系分布于各级河流漫滩、Ⅰ、Ⅱ级阶地及山坡地带，以冲洪积、残坡积、冰碛为主。巴塘断裂带属青藏高原东部亚湿润气候区，年均气温12.8 ℃，年均降水量503.69 mm。区内河流主要有金沙江及其支流巴曲等。区内地下水主要为松散岩类孔隙水、基岩（碎屑岩类、岩浆岩、变质岩）裂隙水和碳酸盐岩裂隙岩溶水三大类。

1.2 地质灾害发育特征

巴塘断裂带地质构造复杂，岩体破碎，在地震、断裂蠕滑、强降雨和人类工程扰动等内外动力因素作用下，地质灾害强烈发育，危害极大。根据资料收集、遥感地质解译和野外地质调查，巴塘断裂带地质灾害主要为滑坡、崩塌、泥石流、不稳定斜坡、坡面碎屑流和深切冲沟等，沿巴塘断裂带两侧各30 km范围内发育有滑坡、崩塌和泥石流等地质灾害共452处（图2），具有点多面广、分布不均、局部集中等特点。滑坡类型主要有岩质滑坡和堆积体滑坡，以堆积体滑坡为主，且老滑坡较发育，规模上以中小型滑坡为主；崩塌主要为岩质崩塌，规模上以中小型崩塌为主；泥石流主要以低频稀性降雨型泥石流为主，规模上以中小型泥石流为主。

巴塘断裂带及其邻区老滑坡、古滑坡、地震滑坡极为发育，包括1870年巴塘Ms7.2级地震和1989年巴塘Ms6.7级地震形成的地震滑坡，并且多以坐落型滑坡为主。部分地震滑坡发生失稳复活，对城镇安全和公路安全运营造成影响，如巴塘茶树山滑坡等[23-24]。巴塘断裂直接穿越部分滑坡、泥石流等灾害体，并控制着其稳定性。巴曲党巴乡—巴塘县城段两岸岩体破碎，在坡面堆积层和岩体强风化层中发育大量蠕滑型滑坡，厚层堆积体中发育大量冲沟，且泥石流发育。巴曲松多乡段发育大量中小型地震滑坡，形成地震滑坡群，主要沿河流左岸和巴塘断裂呈串珠状分布（图3a），如郎多二村滑坡和龙巴村滑坡等，这些地震滑坡堆积体覆于河流II级阶地之上，推测地震滑坡发生时间最早在河流II级阶地形成之后，如图3（a）所示。在巴塘断裂带邻区的金沙江沿岸，地震诱发大型堵江滑坡也极为发育，如雪隆囊堵江滑坡、苏洼龙堵江滑坡和特米堵江滑坡[25]，如图3（b）（c）所示。

图3 巴塘断裂带典型地震滑坡特征Fig.3 Characteristics of typical seismic landslides in the Batang fault zone

2 巴塘断裂带潜在地震滑坡危险性评价

近年来，地震滑坡危害愈加突出，对地震滑坡危险性研究也逐渐从定性向半定量、定量化发展，采用的模型方法也愈加丰富。包括：（1） 基于统计分析的综合评价法：是在统计分析地震滑坡与地震地质背景相关性的基础上，揭示地震地质背景对滑坡发生的控制作用，挖掘地震滑坡的主控因素，采用支持向量机、信息量和逻辑回归等方法完成基于多因素的地震滑坡危险性评价[26-27]；（2） 基于极限平衡理论的拟静力法：将作用于坡体上的地震动力沿滑动面（或最大坡度方向）分解，然后计算地震动作用下的斜坡下滑力与抗滑力比值来评价滑坡危险性；（3） 基于Newmark的边坡累积位移模型：通过计算地震荷载作用下的斜坡位移来预测评价地震滑坡危险性[14]，并得到广泛应用[15,28]。本文在考虑区域地震地质背景基础上，基于Newmark模型方法的定量化评价优势，开展巴塘断裂带地震滑坡危险性评价研究。

2.1 Newmark斜坡位移模型

Newmark模型理论基础是无限斜坡的极限平衡理论，该模型将滑体视为一个刚体，主要研究坡体本身的临界加速度和稳定系数，当受到的外力作用大于临界加速度时，就会发生有限位移，滑块的永久位移是在地震荷载作用下，滑动块体失稳后位移不断累积所致[14]。将外荷载加速度与临界加速度的差值部分对时间进行二次积分即可得到永久位移（图4）[14-16，29]。

图4 Newmark累积位移计算过程示意图[15]Fig.4 Calculation process diagram of Newmark cumulative displacement[15]

许多学者基于全球大量地震滑坡统计分析结果对Newmark模型进行了改进，增加了其适应性，针对地震加速度记录、阿里亚斯强度（Arias）、峰值地面加速度等地震参数，分别发展了基于统计规律的计算模型[15，30]。本文潜在地震参数采用概率地震条件下的地震动峰值加速度，采用的地震滑坡危险性计算步骤主要有：（1）基于区域地质背景，选择合适的岩土体强度和斜坡形态参数，计算区域斜坡静态稳定系数（Fs）；（2）进一步利用Fs和斜坡形态参数，计算坡体临界加速度（ac）；（3）利用ac和地震动峰值地面加速度（PGA），计算概率地震扰动下的坡体永久滑动位移（Dn）；（4）根据斜坡位移和滑坡发生概率的统计规律，预测评价概率地震滑坡危险性[28,31-32]。

采用ArcGIS平台实现基于Newmark模型的潜在地震滑坡危险性评价，地层岩性和工程地质岩组数据来自于1∶20万区域地质图，DEM数据来自于1∶5万地形数据，地形坡度由DEM生成，潜在地震荷载参考中国第五代地震动峰值地面加速度。计算栅格分辨率为25 m×25 m，工程地质岩组和PGA等矢量数据转换为栅格数据参与计算。

2.2 静态稳定系数

采用基于极限平衡理论的斜坡稳定系数公式（式1）计算区域斜坡体的静态稳定系数（Fs）[15,30]。

式中：c′—岩土体有效黏聚力/kPa；

φ′—岩土体有效内摩擦角/（°）；

γ—岩土体重度/（kN·m-3）；

γw—地下水重度/（kN·m-3）；

t—潜在滑体厚度/m；

α—潜在滑面倾角/（°）；

m—潜在滑体中饱和部分占总滑体厚度的比例。

综合考虑地质成因、岩性组合、岩石坚硬程度和岩体完整程度等因素将巴塘断裂带地层岩土体划分为13个工程地质岩组（图5，表1）。根据工程地质手册[33]、工程岩体分级标准（GB/T 50218—2014）[34]和相关文献资料[15,28]中的参考值，综合初始化工程地质岩组的物理力学参数，作为有效强度参数c′和φ′。然后，采用式（1）计算斜坡静态稳定系数，在多次迭代循环计算过程中，调整模型参数，保证斜坡在无内外动力作用下的静态稳定系数大于1，以此确定模型参数为：c′，φ′和γ见表1，γw=10 kN/m3，t=2.5 m，m=0.3，α取值地形坡度（图6）。计算得到的巴塘断裂带斜坡静态稳定系数见图7。

图5 巴塘断裂带工程地质岩组Fig.5 Engineering geological groups in the Batang fault zone

图6 巴塘断裂带地形坡度Fig.6 Terrain slope in the Batang fault zone

图7 巴塘断裂带斜坡静态稳定系数Fig.7 Static factor of safety in the Batang fault zone

表1 巴塘断裂带工程地质岩组物理力学性质Table 1 Physical and mechanical properties of engineering geological groups in the Batang fault zone

2.3 斜坡临界加速度

在地震动荷载作用下，滑块的下滑力等于抗滑力时（极限平衡状态）对应的地震动加速度即为斜坡临界加速度（ac），可以表征在地震荷载作用下，斜坡由于固有属性而发生坡体失稳的潜势。通过比较静力和地震动力条件下的滑块受力状态，可以建立地震动作用下的滑块极限平衡状态方程，进而推导出斜坡临界加速度的计算公式（式2）[35]，计算过程中采用地形坡度。计算得到的巴塘断裂带斜坡临界加速度见图8。

图8 巴塘断裂带临界加速度Fig.8 Critical acceleration in the Batang fault zone

式中：g—重力加速度/（m·s-2）；

α—滑面倾角/（°）。

2.4 地震诱发斜坡位移

通过统计大量地震加速度记录和地震滑坡实例，分析它们之间的相关性，获得了地震诱发斜坡累积位移（Dn）与斜坡临界加速度（ac）、地震动峰值地面加速度（PGA）的函数关系式（式3）[36]。采用我国第五代地震动峰值地面加速度区划图，采用反距离插值方法，细化地震动峰值地面加速度区划（图9），区划间隔为0.01g，然后计算巴塘断裂带区域50年超越概率10%地震诱发斜坡位移，计算结果见图10。

图9 巴塘断裂带地震动峰值地面加速度Fig.9 Seismic peak ground acceleration in the Batang fault zone

图10 巴塘断裂带斜坡位移Fig.10 Slope displacement in the Batang fault zone

2.5 地震滑坡危险性

地震荷载条件下，斜坡发生位移并不表征一定会发生滑坡灾害，只有斜坡位移累积到一定程度，斜坡才会失稳并沿滑动面滑动而发生滑坡灾害。根据斜坡位移和滑坡发生概率之间的统计关系（式4）[15]，计算巴塘断裂带潜在50年超越概率10%地震动作用下的滑坡发生概率（P）。

3 巴塘断裂带地震滑坡危险性评价结果

3.1 地震滑坡危险性分区结果

根据地震滑坡发生概率，参考《地质灾害危险性评估规范》（DZ/T 0286—2015）和国内外地震滑坡危险性分区研究成果[15]，把地震滑坡危险性划分为4个等级（图11）：低危险性（地震滑坡发生概率小于5%），约占区域面积的62.87%，中等危险性（地震滑坡发生概率为5%～15%），约占区域面积的22.19%，高危险性（地震滑坡发生概率为15%～25%），约占区域面积的13.23%，极高危险性（地震滑坡发生概率大于25%），约占区域面积的1.71%。

图11 巴塘断裂带潜在概率地震滑坡危险性分布图Fig.11 Potential probabilistic seismic landslide hazard in the Batang fault zone

3.2 地震滑坡危险区分布特征

巴塘断裂带潜在地震滑坡危险区（包括极高危险区和高危险区）（图12）的空间分布主要有以下特点：（1）潜在地震滑坡危险区具有沿断裂带集中分布的趋势，尤其是NNE向巴塘断裂带及其临近的金沙江断裂带区域具有较高的地震滑坡危险性，距离断裂越近，地震滑坡危险性越高，地震滑坡危险区面积越大，这主要是由于断裂活动形成高山峡谷等构造地貌，且断裂带区域地震动参数较高，岩体破碎，增加了滑坡灾害发生的有利条件；（2）潜在地震滑坡危险区具有沿大江大河等峡谷区分布特征，尤其是金沙江及其支流巴曲两岸具有较高的地震滑坡危险性，高陡斜坡在自身重力长期作用下卸荷裂隙发育，且部分斜坡存在蠕滑形变，叠加地震作用，滑坡危险性高，坡度越大，地震滑坡危险性越大；（3）总体上，巴塘断裂带潜在地震滑坡危险性评价结果符合断裂带地震滑坡空间分布特征的已有研究成果和既有认识[2,28,32]。

图12 潜在地震滑坡极高和高危险区分布特征Fig.12 Distribution characteristics of very high and high seismic landslides hazard zone

3.3 潜在地震滑坡危险性讨论

3.3.1 概率地震和设定地震滑坡危险性

地震危险性分析主要包括确定分析和概率分析两种方法。概率地震分析方法强调地震发生的随机性和不确定性，我国《中国地震动峰值加速度区划图》（GB 18306—2001）除考虑地震发生的不确定性，还考虑地震时空分布的不均匀性和地震预测研究成果的应用，给出了区域未来一定时间内可能的地震危险程度。本文采用50年超越概率10%的基本地震动（地震复发周期约为475年）开展了潜在地震滑坡危险性研究，反映了巴塘断裂带区域未来一段时间内可能遭受的潜在地震滑坡危险性，是一段时间内区域静态地震滑坡危险性。确定分析也称设定地震法，主要是总结地震构造特征和历史地震发生规律，给出确切的震中位置与震级，该方法较少考虑地震的复发周期，其结果不具有概率意义，一般用于破坏后果无法承受的重大工程场地地震滑坡危险性分析中。两种方法各有特点，且适用范围也不同，概率地震滑坡危险性适用于区域社会经济和重大工程选线选址规划，设定地震滑坡危险性适用于典型重大工程和城镇场地工程地质条件评价。

3.3.2 潜在地震滑坡危险性对重大工程建设的影响

巴塘断裂带控制着自川入藏的交通大廊道，如重要入藏公路G318穿越巴塘断裂带区域，时常发生地质灾害掩埋、阻断公路等事件，受到地质灾害严重威胁，需加强潜在地震地质灾害防控意识和处置措施。川藏铁路是我国正在规划建设中的一条西南入藏重要铁路，规划铁路线经巴塘县德达乡、白玉县沙马乡，向西北延伸，跨越金沙江，可以穿越较少的潜在地震滑坡危险区。

金沙江沿岸高陡边坡、大型堆积层（或强风化带）蠕滑型滑坡、地震堵江滑坡极为发育，如雄巴滑坡、特米堵江滑坡和雪隆囊堵江滑坡等。在潜在强震作用下，金沙江河谷区地震滑坡危险性高，水电站库区岸坡存在发生滑坡-堵江-堰塞湖-溃决洪水、滑坡涌浪、冲击坝体等潜在灾害威胁，水电工程规划建设需加强潜在地震滑坡危害研判及防控。

4 结论

（1）巴塘断裂带是川西藏东重要的工程建设区，基于区域地震滑坡长期防控需要，本文采用Newmark斜坡累积位移模型完成了潜在地震滑坡危险性预测评价，为区域重大工程和城镇规划建设提供防灾减灾科学参考。

（2）50年超越概率10%潜在地震动力作用下，巴塘断裂带地震滑坡危险性空间分布的主要特征有：潜在地震滑坡危险区具有沿断裂带集中分布的总体趋势，尤其是NE向巴塘断裂带及其临近的金沙江断裂带区域具有较高的地震滑坡危险性，距离断裂越近，地震滑坡危险性越高；潜在地震滑坡危险区具有沿大江大河等峡谷区分布特征，受地形地貌影响显著，尤其是金沙江及其支流沿岸具有较高的地震滑坡危险性。

（3）巴塘断裂带控制着川西藏东交通大廊道，川藏铁路是我国正在规划建设中的一条西南入藏重要铁路，规划铁路线经巴塘县德达乡、白玉县沙马乡，向西北延伸，跨越金沙江，可以穿越较少的潜在地震滑坡危险区。

（4）金沙江河谷潜在地震滑坡危险性高，水电站库区边坡存在发生滑坡-堵江-堰塞湖-溃决洪水、滑坡涌浪、冲击坝体等潜在灾害威胁，水电工程规划建设需加强潜在地震滑坡危害研判及防控。