工程科学与技术   2020, Vol. 52 Issue (5): 38-49
青藏高原东南部大型岩质高速远程崩滑启动地质力学模式初探
文宝萍1, 曾启强1, 闫天玺1, 王凡1, 关丽春1, 张毅2, 朱雷2     
1. 中国地质大学(北京) 水资源与环境学院,北京 100083;
2. 中国科学院 成都山地灾害与环境研究所,四川 成都 610041
基金项目: 国家重点研发计划项目(2008YFC1505003)
摘要: 高速远程崩滑破坏性居各类崩滑之首。青藏高原东南部是中国大型高速远程崩滑最发育的地区。源区斜坡破坏是大型高速远程崩滑发生的前提,弄清源区斜坡破坏模式及其发生条件既是研究此类崩滑高速远程机理的基础,也是预防此类崩滑灾害的前提。基于青藏高原东南部15处具有不同流动特征和流通路径的大型高速远程崩滑现场调查数据、影像数据和前人资料,分析了15处崩滑源区斜坡地形地质条件、斜坡破坏模式和诱发因素。研究发现:1)源区斜坡高陡和剪出口高位是高速远程崩滑的必要条件,坡高大于150 m、坡度大于30°、剪出口高出坡底大于100 m可能是区内高速远程崩滑发生的基本地形条件;2)区内高速远程崩滑多发于花岗岩、玄武岩两类坚硬块状岩斜坡和片麻岩、变质砂岩+板岩、灰岩这3类坚硬–较坚硬层状岩斜向坡、逆向坡和陡倾顺向坡;3)斜坡破坏模式受结构面控制,具有复合楔形体滑动、不规则块体复合平面滑动、不规则块体倾倒–崩落、弯曲折断–滑移和顺层滑移–溃曲等5类破坏模式;4)崩滑受地震诱发最为普遍,冰川融水其次,自重作用下的累进性破坏也时有发生。以斜坡地质结构、破坏模式和失稳动力类型为切入点,青藏高原东南部大型高速远程崩滑源区斜坡破坏启动的地质力学分类模式可归为8类:坚硬块状岩复合楔形体高位剪出滑移模式、空隙水压浮托的坚硬块状岩复合楔形体高位剪出滑移模式、坚硬块状岩高位剪出复合平面滑移模式、较坚硬–坚硬层状岩高位剪出复合滑移模式、坚硬层状岩块体高位倾倒–崩落模式、坚硬–较坚硬层状岩高位剪出复合滑移模式、坚硬–较坚硬层状岩弯折–高位剪出滑移模式、坚硬–较坚硬层状岩平面滑移–溃曲–弹冲模式,地震抛射作用与上述模式叠加也是该区高速远程崩滑的主要特征之一。
关键词: 大型高速远程崩滑    岩体类型    斜坡结构    控制结构面    破坏模式    
Preliminary Analysis on Initial Failure Modes of Large Rock Avalanches’ Source Slopes in the Southeastern Qinghai–Tibet Plateau
WEN Baoping1, ZENG Qiqiang1, YAN Tianxi1, WANG Fan1, GUAN Lichun1, ZHANG Yi2, ZHU Lei2     
1. School of Water Resources and Environment,China Univ. of Geosciences (Beijing),Beijing 100083,China;
2. Inst. of Mountain Hazards and Environment,CAS,Chengdu 610041,China
Abstract: Large rock avalanche is the most devastating landslide type in the world. The southeastern Qinghai–Tibet Plateau is one of the most susceptible areas to large rock avalanche in the world. The slope failure in source area is the premise of large-scale high-speed and long-distance landslides. It is not only the basis of studying the long-distance mechanism of such landslides, but also the premise of preventing such landslides. To explore initial failure conditions of rock avalanches in the area, source slopes’ characteristics of 15 cases were analyzed with focusing on topographical and geological conditions, failure modes and trigger factors based on site investigation, satellite image analysis and unmanned aerial vehicle survey. It was found that: 1) runouts of the rock avalanches depended strongly on heights of source slopes and their drop heights with minimum slope height of 150 m, drop height of 100 m and slope angle of 30° ; 2) rock mass prone to rock avalanches were massive granite, basalt, and bedded limestone, sandy slate, slate and gneiss, all of which were either very competent or competent rocks with brittle failure natures, and of which occurrence of bedded rocks were either steeply dip slope, obliquely dip slope or reversely dip slope; 3) all of the source slopes’ failure were controlled strongly by discontinuities, including dip-slope, reverse dip-slope and obliquely joints as well as bedding planes. Field observation and joint survey revealed that five kinds of initial failure modes commonly occurred in those rock avalanches’ source slopes, specifically compound wedge slide, compound planar slide, flexural slide, toppling fall and buckling slide; 4) although it was common that some rock avalanches occurred with no specific trigger, earthquake was primary trigger of most rock avalanches, followed by glacier melting, both of which agitated those rock avalanches’ extremely rapid motion and exceptional long runout. Combining failure modes, rock mass type, slope structure, controlling discontinuities and driving forces, initial failure of rock avalanches’ source slopes in southeastern Qinghai–Tibet Plateau could be categorized into different groups in terms of geomechanics, including compound wedge slide or planar slide of massive rock slopes driven by gravity or plus earthquake, or pore water pressure, compound wedge slide or planar slide of obliquely dip bedded rock slope driven by gravity or plus earthquake, toppling fall or flexural slide of reversely dip bedded rock driven by gravity or plus earthquake, and buckling slide of steeply dip slope bedding rock driven by gravity or plus earthquake. The superposition of seismic ejection and the above-mentioned model was also one of the main characteristics of high-speed and long-distance landslides in this area.
Key words: large rock avalanche    rock type    slope structure    controlling discontinuity    initial failure mode    

青藏高原是世界上地壳演化最活跃的地区,也是地质环境最脆弱的地区[1-2]。因而,该地区是青藏高原内外动力作用最强烈的地带。青藏高原最强烈的构造活动、地壳抬升、河流下切和高速远程大型崩滑都集中于这一地区。中国历史上造成死亡人数最多的烂泥沟滑坡(1965年11月22日),在国际上造成巨大影响的易贡滑坡(2000年4月9日)都发生在这个地区。同时,中国多数已建、在建和拟建大型水电工程集中于这个地区;西部主要交通干线—川藏公路、滇藏公路和即将施工的川藏铁路也在这个地区。除了活动构造、高地应力、地震等内动力地质因素外,崩滑流一直是威胁这个地区民众生命安全和工程设施安全的最主要的外动力地质因素。显然,弄清这个地区崩滑流发育及其活动特征不仅是认识青藏高原外动力地质作用规律及其与内动力地质作用关系这一科学问题所必需的,也是保障该区民众生命安全和重大工程安全所亟需的。大量基础地质研究揭示,青藏高原及其东南部的活动构造、高地应力场和地震活动具有一定的成带规律,在弄清成带规律基础上,重大工程可以避绕对工程安全不利的地带。无数工程实践证明,各类中小型及部分大型崩滑流可以通过工程措施有效控制。然而,大型高速远程崩滑(体积大于106 m3)具有突发性和极破坏灭性,其变形信息常规监测难以扑捉,其活动性工程措施无法控制,预防这类崩滑最可行的途径只能是识别并避绕可能区段[3]。因此,研究该地区大型高速远程崩滑形成条件和发生规律对预防重大灾害尤为必要。

国外学者将岩质高速远程崩滑统称为“rock avalanche”[4],中国学者习惯根据启动时斜坡破坏方式将其归为滑坡、崩塌两类(本文采用此归类方法)。自1932年Heim[5]发表对瑞士灾难性大型高速远程滑坡—Elm滑坡的研究成果以来,大型高速远程崩滑一直是各国学者的研究热点,并对这类崩滑的运动、堆积及其地貌特征等,形成了一定共识[3-46-7]。但是,对这类崩滑的高速远程机理及其成生规律尚无共性认识。不同学者基于某个和某些现象,提出不同假说解释其内在机理,如:滑面峰残强度差效应[8]、滑面摩擦生热效应[9]、运动过程机械碎裂与颗粒流效应[710]、运动路径下垫面受载不排水液化效应[11]、声波振动效应[12]等。对这类崩滑“高速远程”的界定,国内外尚无统一标准。依据崩滑的速度、落差、滑程等特征指标及其关系(图1),不同学者提出不同的下限标准,如:速度5 m/s、滑程1 km[4],速度20 m/s、滑程1 km[13],速度100 km/h、滑程大于5倍落差[14]等。目前,多数学者接受落差与滑程比(H/L)上限0.6的界定及Hunger等[4]提出的速度5 m/s、滑程1 km的下限指标。本文高速远程崩滑的确定也采纳该界定指标。

图1 高速远程崩滑特征指标定义示意图 Fig. 1 Schematic diagram of characteristics index of rock avalanche

中国学者对青藏高原及其东南部大型高速远程崩塌研究一直以间断、零星案例研究为主。最早研究始于施雅风等[15]于1965年11月22日滑坡发生后对云南禄劝县上普福村烂泥沟滑坡的调查性研究。其在灾后现场调查基础上,对滑坡特征及斜坡失稳原因和高速运动过程进行了初步研究,提出地形、岩性、结构面控制源区斜坡稳定性的基本认识。2000年4月9日,西藏波密易贡滑坡发生后,许多学者围绕易贡滑坡的运动、堆积特征和高速远程机理、滑坡—碎屑流—堰塞坝灾害链等,进行了较深入研究,明确了源区楔形体滑坡对沟道路径上饱水松散冰碛物加载后的不排水液化是导致其高速远程的根本原因[16-18]。近5年来,为服务于即将启动的川藏铁路工程,部分学者对该地区该特征非常典型的乱石包滑坡、尼续滑坡的形成年代、堆积地貌和可能运动特征等进行了较深入的研究,大致厘清了滑坡形成时代、滑坡活动与区域构造关系等基本问题[19-23]。但是,区域上大型高速远程崩滑形成条件的规律如何、斜坡破坏模式怎样,尚不清楚。显然,聚焦源区探寻这类崩滑形成规律和斜坡破坏模式,不仅能完善对区内外动力作用规律的认识,研究结果在理论上也可为这类崩滑形成机理研究的概念模型的建立奠定基础,实践中可为这类崩滑隐患早期识别提供依据,为重大工程选址提供科学依据。

依照前述的H/L≤0.6和滑程L≥1 km两个指标,在对青藏高原东南部15处特征典型的高速远程崩滑源区地质条件分析的基础上,初步探讨了这类崩滑启动的地质力学模式。需要指出的是,除了本文的15处崩滑,青藏高原东南部的主干河流及其主要支流沿岸还发育有大量曾经堵江的大型崩滑,但其中大多数只满足高速远程崩滑界定指标中的一项,故未纳入本文。

1 数据来源与高速远程崩滑类型 1.1 数据来源

尽管从高分辨率影像上可以圈定崩滑区域,但是对于是否为高速远程崩滑,只能结合源区、流通区、堆积区关系和物质堆积形态及其内部结构进行确定。本文所列的15处大型高速远程崩滑均是在影像分析基础上,通过现场调查确定。其中,尼续滑坡、乱石包滑坡、烂泥沟滑坡、鲁车渡滑坡等13处崩滑为作者现场调查确定,通钦崩塌和易贡滑坡为前人现场调查确定[16-1823]。尽管崩滑数量有限,但这些崩滑自西向东散布于喜马拉雅高山区、藏南高原谷地区、藏东南高山峡谷区、川西高原区和滇西北纵向岭谷区等不同地形地貌单元和喜马拉雅构造区、三江—羌塘构造区及印度河—雅鲁藏布江缝合带、班公湖—怒江缝合带、甘孜—理塘缝合带、金沙江缝合带等不同地质构造单元和强烈活动构造区,且其岩石类型分别为区内广泛分布的中新生代变质岩、中生代花岗岩、灰岩和古近纪火山岩(图2)。因此,这些崩滑点在区域上具有一定的代表性。

1.第四系–新近系沉积;2.古近系–新近系沉积;3.古近纪火山岩;4.义敦岛弧花岗岩;5.羌塘地体中生代花岗岩;6.冈底斯花岗岩;7.中–新生元古界片麻岩;8.底喜马拉雅变质岩沉积序列;9.特提斯喜马拉雅山序列;10.主边界逆冲断层;11.主中央逆冲断层;12.藏南拆离系;13.印度和—雅鲁藏布江缝合带;14.班公湖—怒江缝合带;15.金沙江缝合带;16.甘孜—理塘缝合带;17.地体/地块及其编号,其中,Ⅰ为印度地体,Ⅱ为喜马拉雅地体,Ⅲ为拉萨地体,Ⅳ为羌塘地块,Ⅴ为川滇地块,Ⅵ为华南地块,Ⅶ为松潘—甘孜—可可西里地体;18.崩滑点及其编号。 图2 青藏高原东南部地质简图与崩滑点分布图[2] Fig. 2 Simplified geological map of the southeastern Qinghai–Tibet Plateau and distribution of large rock avalanches[2]

研究所用高分辨率影像为Google Earth影像。崩滑源区及其他区段地形数据是在影像分析的基础上,结合现场GPS测量确定。其中,5处滑坡(尼续滑坡、乱石包滑坡、然乃滑坡、七色海子滑坡、烂泥沟滑坡)地形数据采用无人机测量手段获取,崩滑源区和堆积物体积基于影像分析和现场调查估算确定,崩滑源区岩性、斜坡结构等地质数据为现场调查取得。15处崩滑的基本信息列于表1

表1 青藏高原东南部大型高速远程崩滑基本信息 Tab. 1 Basic information of the large rock avalanches in southern east area of Qinghai–Tibet Plateau

15处崩滑中,易贡滑坡、烂泥沟滑坡和鲁车渡滑坡都为近代滑坡。依据崩滑堆积物与周边第四纪地层的关系定性判断,其余12处崩滑为全新世老滑坡或者更早时期古滑坡。前人10Be测年数据显示,乱石包滑坡发生时间为公元前(3 510±346)年[22],通钦崩滑发生时间为公元前(12.5±1.2)~(15.5±1.5)千年之间[23]

1.2 高速远程崩滑类型

前人研究证实,高速远程崩滑启动后的流动特征、维持高速能力与流通区地形、下垫面物质抗切蚀能力、饱水程度等密切相关[3710-11]。本文所列的15处崩滑源区、流通区、堆积区地貌形态基本清晰,堆积物结构基本完整。依据堆积物结构特征、流通区地形和下垫层物质特性等,将15处崩滑从流动方式和流通路径上分别归类。

显著流动性是高速远程崩滑的最大特征之一。基于崩滑启动和运动过程中是否有水的大量参与,高速远程崩滑的流动特征有碎屑流型和液化型两类,又称干碎屑流和湿碎屑流[11-12]。从流动特征上,区内碎屑流型、液化型崩滑均有发育。15处崩滑中,液化型高速远程滑坡共4处:易贡、尼续、乱石包和然乃滑坡,尤以前3处滑坡液化特征最为典型(图3(a)(b));其余11处为碎屑流型,如表1所示,尤以通钦崩塌、王大龙、鲁车渡和烂泥沟滑坡的碎屑流特征最为典型(图3(c)(d))。因崩滑数量有限,尚不能确定两类崩滑的相对多发程度。

                   1.源区;2.流通区;3.堆积区;红色箭头指示滑动方向。 图3 典型液化型和碎屑流型Google Earth影像 Fig. 3 Google Earth images of representative rock avalanches in terms of flow type

流通路径上,沟道型、低缓谷坡型和对岸斜坡型均有发育。15处崩滑中,沟道型共4处:易贡、王大龙、烂泥沟和鲁车渡滑坡(表1),以易贡、烂泥沟和鲁车渡滑坡最为典型(图3(a)(c));对岸斜坡型共3处:续迈、七色海子和马鞍山滑坡,以续迈和七色海子滑坡的逆冲特征最为典型(图4);其余8处崩滑运动路径多为河谷阶地,部分为缓坡和冰川U型谷,以通钦崩塌、尼续、乱石包和然乃滑坡最为典型(图3(b)(d))。

                   1.源区;2.流通区;3.堆积区;红色箭头指示滑动方向。 图4 典型对岸斜坡路径滑坡Google Earth 影像 Fig. 4 Google Earth images of representative rock avalanches in terms of flow path

现有数据显示,崩滑运动距离(滑程L)与其源区体积和落差H显著正相关,反映其具有较显著的体积效应和地形效应(图5),与世界其他地区此类崩滑特征一致。但是,表观摩擦系数H/L与体积和落差相关性不明显(图5)。尽管表观摩擦系数H/L与体积和落差正相关被一些学者认为是高速远程崩滑的特性之一[5-7],但是Skemmer[24]、Corominas[25]等研究显示一些高速远程崩滑数据并非遵循这一关系,Iverson[26]也对这一关系在高速远程崩滑中的普遍性提出质疑。目前,研究区15处大型崩滑表观摩擦系数与体积和落差的不明相关性也在一定程度上反映已有认识的存疑之处。推测相关性不明显的原因除了高势能之外,也与导致崩滑高速运动的其他动力(如地震)和复杂机理有关,但这一问题有待进一步探讨。

图5 崩滑运动参数与体积、落差关系曲线 Fig. 5 Relationship between runouts,H/L ratios and volumes, fall heights of the rock avalanches

2 崩滑源区斜坡地形地质条件 2.1 地形特征

所有崩滑源区均呈凹槽负地形,部分滑坡凹槽底部有少量崩滑残留。依据源区紧邻的斜坡地形现场估测,15处崩滑源区失稳前斜坡平均坡度大于30°,坡高150~940 m,剪出口高出坡底100~2 700 m;滑程大于3 km的滑坡源区坡高均大于200 m,剪除口高大于300 m(表1)。依据目前数据,崩滑运动距离与源区坡高、剪出口高显著正相关(图6),显示源区斜坡高陡、高位剪出是高速远程崩滑形成的必要条件。尽管15处崩滑流动类型和流通路径的地形不同,但是源区地形并无明显差异。依现有数据推测,源区坡高150 m、坡度30°、剪出口高出坡底100 m可能是区内高速远程崩滑发生的基本地形条件。

图6 崩滑运动参数与源区坡高、剪出口高关系曲线 Fig. 6 Relationship between runouts, H/L ratios and source slopes’ heights, the drop heights of the rock avalanches

2.2 岩石类型与斜坡结构类型 2.2.1 岩石类型

15处崩滑中,5处发育于花岗岩斜坡,5处发育于灰岩斜坡,3处发育于砂板岩/板岩斜坡,其余两处分别发育于片麻岩和玄武岩斜坡。因案例数量有限,尚不能明确哪类岩质斜坡多发高速远程崩滑。但目前数据显示,花岗岩、灰岩、变质砂岩+板岩、片麻岩和玄武岩等中等–坚硬强度岩类是这个地区高速远程崩滑的易发岩层。这与Glastonbury和Fell[27]发现的这类崩滑多发于中等–坚硬岩质斜坡中的规律大致一致。

2.2.2 岩体类型与斜坡结构类型

依照谷德振[28]提出的岩体结构分类,15处崩滑中,除6处滑坡源区斜坡为花岗岩、玄武岩构成的块状岩斜坡外,其余9处崩滑源区斜坡为层状岩斜坡,包括薄层变质砂岩+板岩斜坡和中厚层灰岩斜坡。依据岩层产状与斜坡坡向关系,两处源区斜坡为逆向坡(然乃滑坡、鲁车渡滑坡),一处为顺向坡(七色海子滑坡),其余6处为斜向坡。

同样地,根据目前数据可知,不同流动类型和流通路径的崩滑碎屑流在源区岩体结构类型和斜坡结构类型上没有差异。

3 斜坡破坏模式和启动条件 3.1 斜坡破坏模式与发生条件

所有崩滑源区斜坡岩体中节理、裂隙发育,斜坡稳定性均受结构面控制,斜坡破坏表现为多种形式的块体破坏模式,见图713。现场调查和结构面测量结果显示,源区斜坡破坏模式与控制性结构面和斜坡结构类型密切相关。

图7 典型滑坡源区斜坡控滑结构面 Fig. 7 Controlling discontinuities on source slopes of representative rock avalanches

  注:1/2、3/4、5/6分别对应3个块体坡面和控滑结构面;左侧赤平投影图中齿状黑色线为坡面,红线为结构面;右侧模式图中数字为    与赤平投影对应数字的结构面。 图8 典型块状岩斜坡上控滑结构面赤平投影与破坏模式示意图 Fig. 8 Diagram showing stereograms and failure modes of representative rock avalanches’ source slopes in massive rocks

图9 典型层状岩斜向坡控滑结构面赤平投影与破坏模式示意图(瓦来滑坡) Fig. 9 Diagram of stereograms and failure modes of representative rock avalanches’ source slopes in obliquely dip-slope bedding rocks

图10 通钦崩滑源区斜坡与结构面[22] Fig. 10 Source slope and discontinuities of the Tongqin rock avalanche[22]

                  注:赤平投影图中齿状黑色线为坡面,红线为结构面。 图11 典型层状岩逆向坡控滑结构面赤平投影与破坏模式示意图 Fig. 11 Diagram of stereograms and failure modes of representative rock avalanche’s source slopes in reverse-bedding rock

图12 崩滑源区典型层状岩逆向坡控滑结构面的破坏模式示意图 Fig. 12 Diagram of failure mode of representative rock avalanche’s source slope in reversely dip-slope bedded rock

图13 典型层状岩顺向坡控滑结构面赤平投影与破坏模式示意图 Fig. 13 Diagram showing stereograms and failure modes of representative rock avalanche’s source slopes in steeply dip-slope bedded rock

3.1.1 块状岩斜坡

发育在块状岩斜坡的6处滑坡中,控滑结构面由一组或多组结构面构成。受控滑结构面产状及其交切关系和结构面发育特征控制,斜坡破坏呈现复合楔形体滑动和复合平面滑动两种模式。如:易贡滑坡源区控滑结构面由倾向相向的两组结构面组成,两组结构面阶梯式交切,故斜坡破坏模式为阶梯状复合楔形体滑动模式(图7(a));尼续滑坡控滑结构面由中部两组倾向相向、前部缓倾坡外和后部陡倾坡外的结构面组成,底滑面上擦痕可见,因而斜坡破坏模式为复合楔形体滑动模式(图8(a));乱石包滑坡控滑结构面由倾向坡外陡、缓结两组构面组成,底滑面上可见擦痕,斜坡破坏模式为双滑面复合平面滑动模式(图8(b));烂泥沟滑坡源区为相互独立的3个块体分别滑动,控滑结构面均为发育在玄武岩中的倾向坡外单组结构面组成(图7(b)8(c)),裸露滑面上擦痕清晰,故斜坡破坏模式为单滑面平面滑动模式(图7(b)8(c))。

无论滑动模式如何,力学机理上各类滑动模式均为顺沿结构面的剪切破坏,破坏发生的基本条件为外力作用下控滑结构面上剪应力大于结构面抗剪强度。尽管所有控滑结构面为既有结构面,但其是否完全连通,尚不清楚。不完全连通控滑结构面的抗剪强结构面锁固段破坏应具有强烈的脆性剪断特性。推测锁固段脆性剪断破坏时,释放的弹性应变能可能在这些坚硬块状岩斜坡启动破坏中产生重要作用。至于斜坡破坏及其启动速度与结构面贯通程度和锁固段脆性破坏应变能的关系有待进一步研究才能厘清。

3.1.2 层状岩斜向坡

发生在层状岩斜向坡的6处崩滑中,控制性结构面由层面和陡、缓切层结构面组成。除通钦崩塌外,其他5处为发育在变质砂岩+板岩或灰岩中的滑坡,尽管岩性不同,但均为较坚硬层状岩,且控滑结构面均由层面和切层结构面组成,故而均呈现复合楔形体滑动模式。如:瓦来滑坡发育在变质砂岩+板岩斜向坡中,控滑结构面由砂板岩层面、与层面倾向相向的切层结构面和缓倾坡外结构面组成,斜坡被分割成不规则梯形体,斜坡破坏呈现复合平面滑动模式(图9,图中数字符号意义同图8)。发育在片麻岩斜向坡中的通钦崩塌,源区为孤立的高陡山嘴,控制结构面由后部近直立结构面和斜向缓倾片理组成,斜坡被切割成具有约300 m临空高度的不规则四面体,斜坡破坏模式为倾倒–崩落模式(图10)。

层状岩斜向坡的破坏条件取决于斜坡破坏模式。其中,滑动模式的斜坡破坏条件与前述块状岩斜坡相似,即:控滑结构面上剪应力大于其抗剪强度,后者也受结构面贯通程度和结构面与锁固段的抗剪强度控制。同样地,锁固段剪断破坏时释放的弹性应变能也可能在斜坡启动破坏中产生重要作用。倾倒–崩落模式发生的基本破坏条件是外力作用下块体绕转动点的力矩大于抵抗力矩。对于通钦崩塌而言,坚硬片麻岩中近直立结构面的贯通性对崩塌启动破坏产生重要作用。结构面不完全贯通时,锁固段拉断破坏也具有显著脆性,因此推测结构面抗拉强度和拉断破坏释放的弹性应变能在斜坡的启动破坏中产生作用,其作用程度如何也需进一步探讨。

3.1.3 层状岩逆向坡

发生在逆向坡的两处滑坡中,控制性结构面受层面和切层结构面共同控制,或仅受切层结构面控制。然乃滑坡滑源区为陡倾坡内脆性变质砂岩+板岩斜坡,坡内发育倾向坡外中角度结构面,斜坡破坏模式由板岩层理和倾向坡外结构面控制,形成板岩弯折倾倒–顺沿结构面滑移的复合模式(图11(a)(b))。鲁车渡滑坡发生于缓倾坡内灰岩逆向坡内。初步调查发现,控滑结构面由倾向坡外的陡、缓两组结构面构成,斜坡破坏模式为复合平面滑动模式(图12)。

这类斜坡中,滑动模式的斜坡破坏条件与块状岩、层状岩斜向坡相似,不再赘述。弯折倾倒–滑移模式发生的基本条件是外力产生的朝向坡外弯矩大于岩层横向抗弯刚度和顺沿结构面的剪应力大于抗剪强度,前者受制于岩层弹性模量、抗拉强度与厚度,后者受控制于结构面连通性和结构面抗剪强度与锁固段抗剪断强度。

3.1.4 陡倾顺向坡

15处崩滑中,仅有七色海子滑坡发育在陡倾顺向坡中。斜坡由脆性变质砂岩+板岩构成,岩层陡倾坡外,倾角(66°)大于坡角(37°),斜坡破坏模式受层面控制。滑坡后壁层面上可见明显擦痕,坡脚有岩层折断迹象,故斜坡破坏模式为典型的顺层滑移–溃曲模式(图13(a)(b))。

斜坡破坏发生条件受层面抗剪强度和岩层纵向抗弯刚度控制,基本条件是外力作用下层面剪应力大于层面抗剪强度、层面上剩余下滑力作用下岩层纵向弯曲产生的弯矩大于其抗弯刚度,后者与岩层弹性模量、抗拉强度和厚度密切相关。砂板岩、板岩具有坚硬–较坚硬性质,故岩层溃曲破坏具有强烈–较强烈的弹冲脆性特征。

3.2 斜坡破坏诱发因素

诱发因素为斜坡破坏提供重力之外的动力来源。15处崩滑所处地质环境、气候条件反映,地震、冰雪融水、暴雨应该是最可能的诱发因素。据区域地质资料和野外调查,15处崩滑均位于区域性断层附近(图2)。崩滑后壁与附近最近断裂的垂直距离最近不足200 m,最远约45 km(表1)。区域性断裂均为具有强震历史的活动断裂。除近代发生的鲁车渡滑坡、烂泥沟滑坡、易贡滑坡外,前人研究明确乱石包滑坡、尼续滑坡、通钦崩塌由地震诱发[19,22-23]。龙潭滑坡位于1516年6月17日发生的永胜8级地震震中区,澄海断裂从滑坡后壁经过;马鞍山滑坡由历史地震诱发。依据其余7处古、老滑坡与活动断层的关系推测,滑坡活动可能也与地震活动有关,但需进一步研究确认。汶川地震后,大量研究显示,地震动对高位剪出滑坡具有显著的抛射作用[29]。所以,研究区地震诱发的各类崩滑中,地震动抛射作用可能与结构面控制的各类破坏模式叠加,不仅形成更加复杂的破坏模式,并赋予崩滑极大的初动速度。

近代发生的3处滑坡中,鲁车渡滑坡、烂泥沟滑坡无直接诱发因素,易贡滑坡虽无触发因素,但与气温上升后冰川融水入渗坡内产生的裂隙水压力迅速升高有关[16-17]。充水裂隙中水压力的浮托作用可能对易贡滑坡产生诱发作用。无诱发因素的斜坡失稳应是斜坡在重力作用下累进性变形发展的结果[3,6]

除3处近代滑坡外,对其余12处崩滑初步调查后,尽管未发现暴雨诱发的直接证据,但是暴雨是否对其发生产生诱发作用,需要结合古气候研究,方能确认。

4 崩滑启动的地质力学模式

崩塌、滑坡是具有一定结构的斜坡地质体基于自身强度抵抗外动力作用失效的直接表现。将高速远程崩滑源区斜坡地质条件、斜坡破坏模式和动力类型相结合,构建崩滑启动的地质力学模式,可直接刻画不同类型斜坡破坏的概念模型,为深入研究斜坡破坏和运动机理奠定基础,为圈定此类崩滑隐患区提供依据。因此,基于对研究区不同类型源区斜坡地质条件、破坏模式和诱发因素的初步分析,若以斜坡结构、岩组、动力类型和斜坡破坏模式为基本指标,青藏高原东南部大型高速远程岩质崩滑中,源区斜坡的启动破坏至少存在表2所列的8类地质力学模式。

表2 青藏高原东南部大型高速远程岩质崩滑启动地质力学模式 Tab. 2 Initial failure modes of rock avalanches’ source slopes in southern east Qinghai–Tibet Plateau

5 结 论

基于对青藏高原东南部15处大型高速远程崩滑源区斜坡地形地质条件、斜坡破坏模式和诱发因素的初步分析,可以得出如下结论:

1)源区斜坡高陡、剪出口高位是高速远程崩滑的必要条件。坡高大于150 m、坡度大于30°、剪出口高出坡底大于100 m可能是区内高速远程崩滑产生的基本地形条件。

2)区内高速远程多发于花岗岩、玄武岩、片麻岩、板岩+变质砂岩、灰岩构成的坚硬块状岩斜坡和坚硬–较坚硬层状岩斜向坡、逆向坡和陡倾顺向坡。

3)斜坡破坏模式受结构面控制,形成复合楔形体滑动、不规则块体复合平面滑动、不规则块体倾倒–崩落、弯曲折断–滑移和顺层滑移–溃曲等5类滑动模式。

4)斜坡破坏受地震诱发最为普遍,冰川融水其次,自重作用下的累进性破坏也时有发生。

5)区内大型高速远程崩滑源区斜坡启动破坏至少存在8类地质力学模式:坚硬块状岩复合楔形体高位剪出滑移模式、空隙水压浮托的坚硬块状岩复合楔形体高位剪出滑移模式、坚硬块状岩高位剪出复合平面滑移模式、较坚硬–坚硬层状岩高位剪出复合滑移模式、坚硬层状岩块体高位倾倒–崩落模式、坚硬–较坚硬层状岩高位剪出复合滑移模式、坚硬–较坚硬层状岩弯折–高位剪出滑移模式、坚硬–较坚硬层状岩层面滑移–溃曲–弹冲模式。地震抛射作用与上述模式叠加是该区高速远程崩滑的主要特征之一。

[致谢]感谢北京工业大学戴福初教授在影像分析、野外调查中给予的帮助和建设性讨论。感谢四川大学邓建辉教授在项目实施过程中给予的帮助和建设性讨论。中国科学院成都山地灾害与环境研究所简继皓参加了部分滑坡的无人机测量工作。

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