金沙江上游沃达滑坡发育特征与堵江危险性分析

2021-09-16吴瑞安马海善张俊才杨志华倪嘉伟

水文地质工程地质 2021年5期

吴瑞安，马海善，张俊才，杨志华，李雪，倪嘉伟，钟宁

（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.西藏自治区地质环境监测总站，西藏拉萨 850000；4.青海省地质环境监测总站，青海西宁 810008）

金沙江上游具有构造破碎、岩体结构复杂、河谷深切强卸荷改造等多种不良因素叠合的特征[1]，区内大型-巨型滑坡发育，历史上发生过多次滑坡堵江事件[2-4]。2018年10月10日和11月3日，金沙江上游西藏江达县波罗乡白格村先后发生两次大型高位滑坡堰塞堵江事件，泄洪后导致金沙江大桥等多座桥梁被冲毁，影响范围波及下游1 000 km，造成150亿元的重大损失[5-10]。险情发生后，有关单位组织专业力量采用InSAR、无人机测绘、地面调查等技术手段对金沙江流域开展了地质灾害堵江风险排查和调查研究工作，发现在白格滑坡上、下游仍然发育多处存在堵江风险的大型滑坡隐患点[11-12]，部分滑坡目前处于复活蠕滑变形阶段[13-14]，威胁区内交通、水利水电工程建设与运营安全，如雄巴滑坡[13]、色拉滑坡[14]等。李雪等[13]研究认为，西藏贡觉县雄巴滑坡发育两级滑带，目前处于深层蠕滑变形中，前缘已经局部复活，大规模失稳后可能形成堰塞湖-溃坝-洪水灾害链；朱赛楠等[14]通过多种方法研究了贡觉县色拉滑坡的复活变形特征和稳定性发展趋势，认为其前部发生进一步破坏失稳的可能性较大，并探讨了高位堵江滑坡早期识别与灾害风险管理问题。已有的相关研究多侧重于滑坡发育特征和形成机理方面，而对滑坡失稳后的堵江危险性定量分析工作相对较少。笔者在金沙江流域开展大型地质灾害调查时发现，江达县境内金沙江右岸的沃达滑坡地表复活变形迹象明显，一旦大规模失稳滑入江中，极可能形成堵江灾害，严重威胁上下游居民生命财产安全。因此，本文采用遥感解译、现场调查、工程地质钻探和滑坡综合监测等方法，分析了沃达滑坡空间结构和变形破坏特征，阐明复活变形机制和潜在失稳模式，定量分析了沃达滑坡的堵江风险，对防范和管控金沙江上游类似于白格滑坡的流域性大型地质灾害链具有参考意义。

1 地质背景

沃达滑坡位于西藏昌都市江达县岩比乡沃达村，江达县境内以构造侵蚀地貌为主，受金沙江深切影响，河谷两岸斜坡高陡，构造上处于金沙江构造缝合带内，区内以NW或NNW走向的构造为主体，由系列大致平行的不同规模褶皱和逆冲断层组成。除寒武系、志留系外，区内自奥陶系到第四系均有不同程度的出露，岩性异常复杂，主要有板岩、页岩、片岩、砂岩、灰岩、大理岩和岩浆岩等。受构造影响，岩石片理化现象严重，金沙江沿岸岩体尤其破碎。区内属高原寒温带半湿润气候区，年内降水分布不均，干湿雨季分明，多年平均降水量650 mm，最大年降水量1 067 mm，最大日降水量41.4 mm，6—9月降水量约占全年的87.2%，总体上雨量较少，降水量时空分布不均，东北部多、西南部少。沃达滑坡所在的岩比乡位于江达县西南部（图1），多年平均降水量为466 mm。区内局地暴雨时有发生，成为地质灾害重要诱发因素。由于地处活跃构造区，江达县周边邻区地震活动频繁，对岩土体结构和斜坡稳定性造成一定影响。

图1 研究区地质背景图Fig.1 Geological background map of the study area

2 沃达滑坡基本特征

沃达滑坡位于金沙江上游右岸，滑坡后部圈椅状地貌明显（图2），后缘顶点高程约3 990 m，前缘高程约2 970 m，纵长约2 100 m，平均宽约1 660 m，面积约2.8 km2，主滑方向为35°。滑坡失稳滑动后形成高达450 m的陡壁，坡度约40°，陡壁以下为相对平缓的斜坡地带，平均坡度为20°～25°，呈多级台地地貌，大量滑体堆积于斜坡上，目前已发生明显复活变形。滑坡复活范围纵长约800 m，宽约1 200 m，面积约1.13 km2，两侧以冲沟为界，后部与滑坡后壁陡缓过渡相接，前缘为坡度45°～70°的陡坎。从前缘陡坎剖面上，可以清晰看到松散堆积体和完整基岩的分界线，即滑坡剪出口位置。滑坡堆积体后缘高程为3 475～3 603 m，前缘剪出口高程为2 970～3 197 m，金沙江河面高程约2 950 m，剪出口位置与坡脚金沙江的相对高差最大达247 m。滑坡剪出口位置距金沙江高差大，且高于区内河流Ⅱ级阶地[15]，推断其为晚更新世（Q3）以前形成的古滑坡。

图2 沃达滑坡工程地质平面图Fig.2 Engineering geological planar graph of the Woda landslide

根据现场调查和钻探揭露情况，滑体物质由表往里分别为粉土夹角砾、碎石土和碎块石等（图3）。粉土夹角砾层主要为粉土，碎石角砾含量为5%～15%，该层主要分布于滑坡前部右侧表层，最大厚度为8.2 m。碎石土是滑体的主要组成部分，厚9.0～37.8 m，碎石含量达50%～70%，粒径一般4～7 cm，呈棱角状，磨圆度差，母岩以板岩为主，含少量页岩，多呈强风化状态；碎块石为滑坡发生后形成的岩块，主要为强-全风化的炭质页岩，呈碎块状或碎屑状，该层厚6.0～15.9 m。滑体物质结构较松散，中前部发育多处冲沟，最大切割深度达38 m。滑坡发育两层滑带，浅层滑带沿古滑坡体内部的岩土体分界面发育，平均埋深约15 m；深部滑带沿古滑坡滑带发育，主要物质成分为含碎石粉质黏土，平均埋深约25.5 m，据此计算出滑坡复活范围的体积约28.81×106m3，为一特大型滑坡。滑床为三叠系拉纳山组（T3l）的灰黑色板岩和炭质页岩，产状为240°～280°∠10°～25°，岩层反倾坡内，节理裂隙发育。

图3 沃达滑坡工程地质剖面（a-a’）图Fig.3 Engineering geological profile (a-a’) of the Woda landslide

3 沃达滑坡复活变形特征

3.1 滑坡地表变形特征

目前沃达滑坡的地表变形主要表现为裂缝、挫坎和局部滑塌（图4）。据现场访问调查，该滑坡1985年左右开始出现裂缝，之后趋于稳定。近几年受强降雨影响，每年雨季均有新裂缝形成，局部发生小规模滑塌。调查统计表明，裂缝、挫坎等主要位于滑坡前缘，裂缝发育具有明显的分带性和时序性，挫坎对滑坡变形分区具有较好指示作用。挫坎下通常有较长的拉裂缝与之相连，并伴生延伸较短的羽状裂隙。根据目前地表变形特征和微地貌形态，将滑坡复活部分分为强变形区和一般变形区。强变形区内发育40多条长短不一的裂缝，多呈圆弧形排列，走向与滑坡主滑方向大体垂直或呈大角度斜交，具拉张性质，最大宽度达45 cm，裂缝附近岩土体松散，连通性较好。此外，有10多条裂缝伴生挫坎发育，挫坎最长达360 m，最宽约50 cm，最大高度达260 cm。在强变形区内可见马刀树及树木歪斜等，一般变形区内裂缝发育少，规模最大的裂缝L37长约430 m，最宽约40 cm，下挫高度达25 cm。

图4 沃达滑坡复活变形特征图Fig.4 Reactivation deformation characteristics of the Woda landslide

3.2 滑坡变形综合监测分析

2020年6月开始对沃达滑坡进行专业监测，主要包括GNSS地表位移监测、钻孔深部位移监测等。滑坡体上共布设10个GNSS监测站，1个GNSS基站布设于滑坡后部右侧边界外的稳定位置，各监测点平面分布情况见图2。根据地表水平累积位移监测曲线（图5）可知，各监测点的变形大体具有同步性，但速率有较大差异。在经历了2020年6—8月持续频繁降雨后，G1、G2、G3、G4、G5监测点的水平累积位移在2020年8月28日之后逐渐增加，这主要由降雨滞后效应引起。G3监测点变形速率最快，水平累积位移在8月26日至10月28日达到150 mm，而位于滑坡前部左侧的G6、G7、G8监测点水平位移量变化一直很小。由此可见，目前滑坡复活变形主要集中在中前部的强变形区，且呈现向后渐进变形破坏特征，复活区右侧变形比左侧强烈，这与地表形变InSAR监测分析的认识基本一致[16]。

图5 沃达滑坡GNSS地表水平累积位移监测曲线Fig.5 GNSS surface horizontal cumulative displacement monitoring curve of the Woda landslide

沃达滑坡上共布设6个深部位移监测孔，用于获取滑坡深部位移特征。ZK1、ZK2、ZK3位于a-a’剖面上，ZK4、ZK5、ZK6位于c-c’剖面上。2020年8月1日监测设备安装调试完成后，通过自动测斜数据采集传输系统获取了ZK1、ZK2、ZK3、ZK5、ZK6共5个钻孔的深部位移监测曲线（图6），ZK4监测数据异常。曲线突变位置即为滑带埋深，滑坡内发育的两层滑带分别在埋深14～18 m和20～26 m附近位置，这与钻孔揭露情况一致。对钻孔深部位移监测数据（2020-08-01—2020-11-01）分析可知，ZK2在埋深4 m和22 m处滑带发生的最大水平累积位移分别为68 mm和38 mm，ZK3在埋深4 m和24 m处滑带发生的最大水平累积位移分别为100 mm和60 mm，而ZK1在孔口和埋深22 m滑带处的位移量分别为18 mm和34 mm，ZK3在孔口处水平累积位移量最大，ZK1在滑带处水平累积位移量最小。由此可见，在3个月内，ZK2和ZK3附近区域埋深4 m内浅层岩土体发生了较大水平位移，浅表层的变形速率大于深层滑带，且越靠近滑坡前部，其深层滑动位移量越大。ZK5在埋深12～16 m处滑带位置水平累积位移量最大达50 mm，ZK6在埋深14 m处的浅层滑带和埋深26 m处的深层滑带位置的水平累积位移量分别为22 mm和10 mm，表明ZK5和ZK6附近岩土体的变形主要集中在埋深16 m以内，这与滑坡前部右侧表层分布的粉土渗透性较小、降雨入渗深度有限有关。滑坡堆积体不同部位的复活变形特征存在差异，主要与岩土体物质成分不均一、不连续和多层次等有关。

图6 沃达滑坡钻孔深部测斜位移曲线Fig.6 Displacement curve of deep borehole survey of the Woda landslide

4 沃达滑坡堵江危险性分析

4.1 滑坡潜在复活失稳模式分析

沃达滑坡的孕育形成与区域地形地貌、地层岩性及地质构造条件密切相关。沃达滑坡所在区域构造活跃，历史地震频发，区内金沙江上、下游河谷两岸发育大量大型古滑坡，结合滑坡地貌特征[17]，推测其可能由晚更新世（Q3）之前的地震诱发形成。由于沃达滑坡的滑体不在金沙江洪水期江面波动影响范围内，其复活变形不受坡脚江水的影响。图5所示的滑坡GNSS地表水平累积位移与降雨之间的关系曲线，反映出降雨对滑坡地表变形具有明显促进作用。

综合分析滑坡地形、地表变形特征和监测数据，结果表明沃达滑坡复活变形持续时间较长，目前呈局部多级复活、整体蠕滑变形和浅表层加速变形同步驱动的特征，目前滑坡变形主要集中在前部右侧，并有向后渐进扩展趋势。根据滑坡空间结构和变形特征，推断其潜在失稳模式主要有2种：①多级浅层潜在滑面贯通形成较大范围的浅层滑动；②坡体前部岩土体沿基覆界面经历长时间蠕滑变形后形成贯通性破坏面，失稳下滑高位剪出牵引后部滑体渐进破坏。

4.2 沃达滑坡堵江危险性分析

根据上述分析，沃达滑坡存在失稳堵江的可能。河床纵向坡降角为β，一般情况河床坡降β较小，在距离较短时可近似视为水平，即β=0。一般天然堆石坝上游坝体较陡，其坡度应满足滑体物质堵江的饱和内摩擦角，下游的坡角可以采用堵江物质发生水石流的起始坡度，一般取14°（图7）。因此，可以由式（1）计算滑坡完全堵江最小土石体积Vmin。

图7 滑坡堵江堰塞坝纵剖面示意图[18]Fig.7 Cross section of a landslide dam

式中：Ld—坝底宽度/m；

Hr—平均河水深度/m；

Br—河床宽度/m；

φs—堵江岩土体饱和内摩擦角/（°）。

通过统计分析国内外典型滑坡天然坝形态，发现坝底宽是坝高的8～10倍，若取Ld=9Hr，式（1）可以简化为式（2），取Hr=15 m、Br=94 m、φs=25°，计算结果如表1。

表1 完全堵江最小土石方量Table 1 The minimum sliding-mass of complete landslide-damming

采用黄润秋等[19]提出的滑坡堵江高度统计经验公式（3），对强变形区沿浅层滑带滑动（V1=6.5×106m3）和整体沿深层滑带滑动（V2=28.81×106m3）两种情况的滑坡堵江高度进行计算。结果表明，第1种工况下的滑坡堵江高度约87.2 m；第2种工况下的滑坡堵江高度约129.2 m。

分析表明，沃达滑坡存在形成滑坡-堵江-溃决-洪水链式灾害的危险性，建议进一步加强滑坡监测，针对性进行排水和加固治理工程。需要说明的是，刘威等[20]基于多物理模型耦合方法开展沃达滑坡诱发灾害链演化过程的预测模拟分析，假定滑体入水体积为29×106m3，计算得到滑坡在狭窄地形作用下最终堵塞河道，并形成高69 m、长1.8 km的堰塞坝。不难看出，采用经验公式和基于多物理模型耦合的数值模拟两种方法计算得到的滑坡坝高度有较大差异。无论是经验统计公式还是数值模拟方法，均有其局限性，经验统计公式中对影响滑坡坝高度的滑距、河谷形态、滑坡堵江宽度、河流水动力条件以及堵江方式等因素均未考虑，而数值模拟方法过度依赖于参数准确性、模型精度与可靠性。因此，针对已经出现明显变形的潜在堵江滑坡，及时开展InSAR、GNSS等长时间序列地表形变与深部钻孔位移监测，准确分析研判滑坡失稳范围、规模和变形破坏模式，进一步提高数值模拟计算参数和模型的可靠性，对提升滑坡-堰塞湖-溃决洪水灾害链应急管理与防灾减灾水平具有重要支撑作用。