汶马高速公路斜坡地质灾害分布规律及演化模式

2022-04-02张文居孟陆波

成都理工大学学报（自然科学版） 2022年2期

张文居, 孟陆波, 李磊, 成威, 李攀

(1.四川藏区高速公路有限责任公司，成都 610000；2.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)

中国地质灾害频发，且大型地质灾害对人民生命财产及社会公共安全构成严重威胁，尤其是在地形地质条件复杂的西部山区。汶川大地震后，中国西部地区地质构造运动强烈，地质灾害更易发生。汶川至马尔康高速公路(简称“汶马高速公路”)作为内地通往西藏、青海等地区的重要交通大动脉，其地形高差跨度极大(在较短的150～200 km水平距离内，海拔高度从四川盆地丘陵的不足 1 000 m跨越到 4 000多米的青藏高原东缘)，地形陡峻、走廊带狭窄、沟壑纵横，岩性复杂、活动断裂发育、地震烈度高，沿线斜坡地质灾害极具发育，而这些沿线易发灾害的斜坡对公路的建设和日常运营形成重大威胁。因此，对汶马高速公路斜坡地质灾害的分布特征及形成演化模式的研究具有重要意义。

多年来，众多学者对地质灾害发育分布规律及影响因素进行了大量研究。如张春山等[1]研究了黄河上游地区地质灾害的发育规律；段丽萍等[2]分析了川西高原地质灾害发育影响因素；丁俊等[3]研究了四川大渡河流域地质灾害发育特征；2008年汶川大地震后，黄润秋等[4]对汶川灾区做了大量的地质灾害成因机制研究，认为地质灾害发育与距断裂带距离、坡度、高程、地层岩性、锁固段、活动断裂两盘及方向等众多因素有关；彭亮[5]、王佳运等[6]研究了玉树地震后的地质灾害分布规律；李秀珍等[7]与殷志强等[8]研究对比了芦山地震和汶川地震后地质灾害发育分布规律的相似性和差异性；祝建等[9]研究了川藏公路地质灾害分布规律；魏昌利等[10]分析了岷江上游地质灾害发育规律。地质灾害的分布及成因由于地质条件的差异性和复杂性在不同地区表现出不同特点。已有的研究成果较少涉及汶马高速公路条带状地质灾害发育分布规律，缺乏对不同路段地质灾害形成演化过程的探讨。

本文通过现场调研和浅表生改造理论分析，从整体上总结汶马高速公路斜坡地质灾害发育特征与分布规律，探讨汶马高速公路典型地质灾害影响因素及形成演化模式，为汶马高速公路建设和运营过程中潜在斜坡地质灾害的识别、监测预警和防治提供依据。

1 研究区概况

汶马高速公路位于四川盆地西北边缘与青藏高原东缘交错接触带，起点顺接已建的映秀至汶川高速公路，路线沿国道G317线走廊分布，途经汶川、理县、马尔康，止于四川省阿坝藏族羌族自治州马尔康，路线总长172.319 km。

研究区位于青藏高原东南缘，主要受印度洋暖流、西伯利亚的西风气流和太平洋东南季风3个环流的影响，属于季风气候[11]。冬季受青藏高原与北方冷气流的影响，具有降水稀少、寒冷干燥、日照强烈、晴朗多大风等特点，形成旱季；夏季西南向季风增强，降水增多，形成雨季。

研究区内地形复杂，地势总体西北高、东南低。东南为龙门山，中西部为邛崃山脉。研究区内多为高山峡谷区，海拔高度约1.1～5.5 km，属于构造侵蚀深切峡谷的中高山、高山地貌。区内地形陡峭，谷坡区呈现陡缓交替的阶梯状。区内水系发育，江河溪流纵横交错，主要发育有来苏河、杂古脑河、梭罗沟，属于岷江水系，河谷具有深切的特点，且水流湍急、支沟交错，大致呈“V”字形，两岸地势较开阔，部分区域为陡崖[12]。

汶马高速公路沿线出露地层主要为第四系全新统(Q4)、上三叠统新都桥组(T3x)、侏倭组(T3zh)及中三叠统杂谷脑组(T2z)。本区域在构造上位于北西向鲜水河大断裂带与北东向龙门山华夏系构造带之间的金汤弧形构造北侧，地质构造分布情况见图1。构造形迹以紧密状弧形褶皱为主，大中型断裂构造不发育。公路沿线主要跨越了3个构造形迹群：马尔康北西向构造形迹群、族郎帚状构造形迹群以及薛城-卧龙“S”形构造形迹群。

图1 汶马高速公路地质构造图[12]Fig.1 Structural and earthquake distribution map along Wenchuan-Maerkang expressway

研究区属地震活动区，并紧邻地震活动频繁而强烈的松潘、龙门山地震带。根据GB18306-2001《中国地震动参数区划图》国家标准第1号修改单，汶川大地震灾后重建评价，研究区地震动峰值加速度为0.20～0.10 Gal (1 Gal=1 cm/s2)，地震动反应谱特征周期为0.35～0.4 s，基本地震烈度调整为7～8度。

2 斜坡地质灾害时空发育分布规律

结合汶马高速公路沿线复杂的地质及气候条件，从空间和时间上，分析沿线斜坡地质灾害的发育分布规律，总结斜坡地质灾害分布特点与地质条件之间的联系，有助于把握汶马高速公路斜坡地质灾害分布的总体特征，为分析汶马高速公路斜坡地质灾害的致灾因子和演化模式提供基础。

通过汶马高速公路沿线地质灾害调查，统计了103处地质灾害点，主要地质灾害类型为危岩、滑坡、泥石流3种，其中危岩22处、滑坡44处、泥石流37处(表1)，分布情况见图2。

表1 汶马高速公路地质灾害数量统计Table 1 Statistics of geological hazards along Wenchuan-Maerkang expressway

图2 汶马高速公路地质灾害分布示意图Fig.2 Map showing geological disaster distribution along Wenchuan-Maerkang expressway

2.1 斜坡地质灾害空间分布规律

通过分析汶马高速公路沿线地质灾害调查结果可知，在汶川—理县段的地质灾害点的分布明显比理县—马尔康段密集(图2)。其中汶川—理县段地质灾害点有54处，包括危岩15处、滑坡25处、泥石流14处；理县—马尔康段地质灾害点有49处，包括危岩7处、滑坡19处、泥石流23处。

根据搜集的汶马高速公路勘察资料和前人研究成果，结合现场调研，对汶马高速公路沿线重大滑坡、崩塌、泥石流地质灾害进行归纳整理，并通过分析汶马高速公路沿线斜坡地质灾害的形成条件和发育分布规律，得出汶马高速公路沿线斜坡地质灾害在空间分布上呈现出分段性、相对集中性、相关性的特点。

2.1.1 分段性

结合汶马高速公路地质灾害分布特征及其地形地貌、地层岩性及地质构造等因素，可将汶马高速公路分为2段：汶川—理县段和理县—马尔康段，统计结果见表2。

表2 汶马高速公路地质灾害分段统计Table 2 Subsection statistics of geological hazards of Wenchuan-Maerkang expressway

汶川—理县段：两侧山体较高，边坡海拔高度普遍在1.5 km以上；整体坡度较陡，平均坡度在50°以上，部分斜坡的坡度大于70°。形成这样地貌的原因，主要是杂谷脑河谷逐步下蚀的结果，导致两岸斜坡前缘临空[13]。山顶部分既凸出又陡峻，卸荷裂隙发育；且降雨较少，坡面植被较少，基岩裸露。同时，该段穿越茂汶活动断裂，具备发生强震的能力，使得该段岩土体震裂松动，因此灾害分布相对密集。根据现场调查，汶川—理县段有灾害点54处，占所有地质灾害点的52.4%。

理县—马尔康段：植被发育较好，基岩裸露较少，据调查该段地质灾害点为49处，占所有地质灾害点的47.6%。

2.1.2 集中性

地质灾害的主控因素控制地质灾害的发育和分布，因此相似地质条件范围内发育发生的地质灾害也具有一定的相似性且相对集中。在地形陡峭、水系发育、地面切割强烈的地段，同时地层岩性复杂、断层通过、节理裂隙发育，使得地质灾害的发育具有相对集中分布的特点。如图2所示，汶川—理县段的地质灾害相对密集，地质灾害分布密度达到0.93处/km。

2.1.3 相关性

地质灾害的相关性，是指在同一种外界因子的作用下，造成多种灾害同时或相继发生，从而使受灾范围和强度加大[14]。2008年5月12日汶川特大地震后，破碎的山体、多变的气候，以及时有发生的余震，使得公路沿线崩塌、滑坡、泥石流等次生地质灾害频频发生。受地形条件限制，公路基本都是沿河流穿行，崩塌、滑坡灾害可为泥石流的形成提供大量的物源，从而加剧泥石流灾害的规模和强度。同时，崩塌、泥石流等地质灾害往往会造成河道堵塞，从而形成堰塞湖、江水冲刷岸坡及路基坍塌等灾情。汶马高速公路建设过程中，坡脚开挖、爆破等人类工程活动也会对地质灾害产生较大影响。

2.2 斜坡地质灾害时间分布规律

汶马高速公路沿线地质灾害的时间分布规律主要受降雨和冻融循环作用控制。由于西南向季风的影响，多雨季节主要集中在5～6月份以及9～10月份，形成雨季。7～8月份因副热带高压向西延伸，青藏高原处于稳定期，降水较少，造成伏旱。降雨对地质灾害的促进作用主要在于雨水饱和岩土体、增大容重、强度降低；雨水入渗，降低潜在滑面附近的抗滑阻力，容易引起岩土体滑动变形破坏。在每年旱季或者河流枯水期，斜坡处于稳定状态；在雨季或冰雪融化季节，斜坡稳定性降低，可能失稳，从而在时间上体现出季节性和重复性。

3 斜坡地质灾害影响因素分析

3.1 与地形坡度和微地貌的关系

通过地质灾害点与坡度(α)相关性分析(图3)，发现汶马高速公路沿线地质灾害点基本都分布在坡度为30°～70°的范围内，共计93个，占总数量的90.2%。其中发育灾害点最多的地形坡度为30°～40°，共计29个；且在此坡度范围内以泥石流发育较多，共19处。

图3 地形坡度与灾害点数量统计结果Fig.3 Statistics of topographic slope

3.2 与高程的关系

通过地质灾害点与海拔高度(h)相关性分析(图4)，表明地质灾害点主要位于海拔高度1.5～2.5 km内，即分布在汶川至理县一带，占总数的62.4%。在海拔高度为1.5～2 km，地质灾害点最多，有37处，占总数的35.9%。汶川至理县这一带地形起伏剧烈、坡度陡，且具有严重的河谷下切侵蚀地貌，致使边坡变形剧烈，引发大量的地质灾害隐患点。而海拔高度>2.5 km的区域，植被覆盖率高，水土保持良好，不利于地质灾害的形成。

图4 海拔高度与灾害点数量统计结果Fig.4 Elevation statistics

3.3 与地层岩性的关系

汶马高速公路沿线出露的地层岩性主要为土层、千枚岩、板岩、变质砂岩等。将地质灾害点与岩性进行统计分析(图5)，可见地质灾害主要集中在土质斜坡和板岩斜坡中。其中土质斜坡地质灾害有51处，占49.5%，而板岩斜坡有27处，占26.2%。板岩和变质砂岩斜坡易发生崩塌灾害，千枚岩斜坡易发生滑坡灾害，而土质斜坡通常发生滑坡、泥石流灾害。

图5 地层岩性与灾害点数量统计图Fig.5 Statistics of lithology

3.4 与断裂带的关系

汶马高速公路沿线的断裂带主要有米亚罗断裂、松岗断裂及茂汶断裂，均属于活动断裂(图6)。区内岩体受到卸荷作用，普遍较为破碎，岩体整体性遭受破坏，节理、裂隙发育。通过地质灾害点与断裂带相关性分析(图7)，可见受茂汶断裂带影响的灾害点最多，为60个，占总数的58.2%；且距离茂汶断裂带0～20 km范围内的灾害点最密集，分布有34个灾害点。主要由于此段距离龙门山断裂带较近，地质构造活动较其他路段更活跃；再加上汶川地震使该段山体破裂，岩体破碎，导致该段地质灾害的数量最多。

图6 汶马高速公路受断裂带影响示意图[14]Fig.6 Diagram showing Wenchuan-Maerkang expressway affected by fault belts

图7 灾害点数量受断裂带影响统计结果Fig.7 Statistics of fault belt influence on expressway

4 斜坡地质灾害演化模式

采用浅表生改造理论[15]，结合地质地貌演化，分析汶马高速公路斜坡地质灾害演化模式。汶马高速公路地质灾害在空间分布上的分段性说明汶川—理县、理县—马尔康这两段地质灾害的演化模式相异，因此按段分别建立其演化模式。

4.1 汶川-理县段地质灾害演化模式

根据汶川至理县段的地质条件与典型地质灾害特征，垂直线路截取典型横断面，探讨建立其浅表生改造演化模式——中倾角岩层深切演化模式(图8)。

图8 汶川-理县段浅表生改造地质灾害演化模式示意图Fig.8 Sketch of epigenetic reformation of Wenchuan-Lixian section

中倾角岩层深切演化可简化为3个阶段：①夷平初始阶段(图8-A)，地层倾角以中倾角为主，此阶段没有产生岩体剥蚀；②夷平面剥蚀阶段(图8-B)，夷平面至剥蚀面间的岩体受风化等作用完全剥落，岩体发生垂向的卸荷作用，下部地层发生卸荷回弹，新地表下产生大量沿地层产状发育的离面卸荷裂隙；③峡谷快速下切阶段(图8-C)，河谷下蚀卸荷使河谷岩体产生卸荷回弹，岸坡地层向河谷方向发生卸荷拉裂作用，产生平行于岸坡的卸荷裂隙，与中倾角结构面组合，易形成潜在滑坡或潜在危岩。该段地形陡峭、植被稀少、岩体风化强烈，并且受龙门山断裂带影响大，加上2008年发生的汶川地震的震裂松动等影响，部分卸荷裂隙发育并贯通，由此形成大量危岩和滑坡。

4.2 理县-马尔康段地质灾害演化模式

根据理县-马尔康段的地质条件与典型地质灾害特征，探讨并建立其浅表生改造演化模式——陡倾角岩层深切演化模式(图9)。

图9 理县-马尔康段浅表生改造地质灾害演化模式示意图Fig.9 Sketch of epigenetic reformation of Lixian-Maerkang section

陡倾角岩层深切演化可简化为3个阶段：①夷平初始阶段(图9-A)，地层陡立，倾角为70°～90°，此阶段没有发生岩体剥蚀；②夷平面剥蚀阶段(图9-B)，夷平面至剥蚀面间的岩体受风化等作用完全剥落，岩体由于发生垂向的卸荷作用，下部地层发生卸荷回弹，新地表下产生大量平行地表卸荷裂隙和沿地层产状发育的离面卸荷裂隙；③峡谷快速下切阶段(图9-C)，河谷下蚀卸荷使河谷岩体产生卸荷回弹，岸坡地层易向河谷方向发生卸荷回弹错动作用，产生平行于岸坡的卸荷裂隙，和陡倾角结构面组合，易形成潜在滑坡。同时，由于地层倾角大、岩层陡立，在重力作用下，地层容易发生倾倒变形，从而形成潜在滑坡。由于此段地质构造运动较汶川至理县段弱，裂隙数量相对较少，并且该段植被发育，因此主要形成滑坡，而危岩灾害明显少于汶川至理县段。