藏東南察達溝谷典型高位斜坡特征及風險分析*

王杜江 賴琪毅 孟祥連 陳柯宇 代欣然 李俊青

張曉宇①② 杜世回①② 趙建軍③

(①中鐵第一勘察設計院集團有限公司， 西安 710034， 中國)

(②陜西省鐵道及地下交通工程重點實驗室(中鐵一院)， 西安 710043， 中國)

(③地質災害防治與地質環境保護國家重點實驗室(成都理工大學)， 成都 610059， 中國)

0 引 言

高位斜坡巖崩是一種致災能力強、隱蔽性較高的地質災害，崩塌物質在長距離的運動中往往發生轉化形成崩塌-碎屑流等高速遠程崩滑災害，具備運動速度快、運移距離遠、沖擊破壞力強等特點(劉傳正， 2010； 趙志明等， 2020)。這類高速遠程大型崩滑往往地質力學模式復雜(郭長寶等， 2020)。斜坡具有高烈度地震、陡峭地形、有利失穩的岸坡結構與巖性組合等條件。在啟動后巖質滑體沿運動路徑的后續運動中巖體經過強烈碎裂，形成類似流體的形式(王玉峰等， 2021)。青藏高原東南部強烈的構造運動、復雜的地形及構造條件，導致高位崩滑-碎屑流地質災害問題突出，是中國大型高速遠程崩滑最發育的地區(文寶萍等， 2020)。如雅魯藏布江容那崩塌體、奪嘎崩塌體、甘登崩塌體、扎曲—奪嘎河段崩塌體等高位巖質崩塌(鄒子南等， 2019)。

隨著各類基建項目的逐步開展，藏東南及鄰近地區發育的高位斜坡地質災害目前備受關注。如發育于川藏線上的毛埡壩亂石包滑坡，失穩方量約3700×104m3，堆積方量約4800×104m3，縱長約4.1km，垂直落差約821m(郭長寶等， 2016)。2000年4月9日，西藏易貢鄉發生超大規模的山體滑坡，溝谷內的塊石碎屑物質在猛烈的撞擊下形成高速碎屑流，堵塞了易貢藏布河，形成一個長寬均約2.5km、堆積厚度為60～100m的大型天然堰塞壩，造成了包括山下易貢茶場以及易貢、八蓋兩鄉等共計4000余人受災，直接經濟損失高達1.4億元(夏式偉， 2018)。2013年3月西藏甲瑪礦區發生的高速遠程滑坡，滑動距離3km，總方量約200×104m3，造成83名工人被埋，該滑坡是在地形陡峻、巖體破碎、冰雪凍融強烈等因素作用下造成的(郭長寶等， 2016)。2017年6月24日，四川省茂縣疊溪鎮新磨村新村組后山山體發生高位滑坡，瞬間摧毀坡腳的新磨村，掩埋64戶農房和1500m的道路，堵塞河道1000m，導致10人死亡、73人失蹤(Gianvito et al.，2018)。2018年10月11日和11月3日在西藏白格村與四川則巴村交界處的金沙江右岸發生的白格滑坡，先后多次堵江，造成上游地段的淹沒及下游地區的洪水(許強等， 2018)。雅魯藏布江歷史上多次發生冰崩-巖崩-滑坡-碎屑流/泥石流—堵江事件的色東普溝，在2017年10月、2017年12月、2018年10月先后發生堵江并形成堰塞湖，后又引發潰壩洪水災害，引起一系列的連鎖次生災害，對沿途的地區造成大面積的影響(童立強等， 2018)。

目前對高速遠程崩滑災害的研究多集中于近期發生的地質災害案例，通過地質災害前后的變化及豐富的地質資料查明斜坡地質條件和成因機理，從而較為準確地評價其穩定性和災害風險，從現場物質堆積特征反演運動特征，利用室內模型試驗再現其運動過程，并選用顆粒流離散元等軟件模擬及邏輯回歸模型等方法分析計算(劉明學等， 2014； 劉春等， 2019； 劉倫杰等， 2020)，研究其活動特征。但對于形成歷史較為久遠、地質成因復雜、斜坡受后期改造作用強烈的高位斜坡，現階段尚未形成統一的評價模式和具體的研究成果。加上研究對象斜坡地質資料的欠缺及坡體結構的不明確，對高位崩滑體的工程適宜性研究尚存在局限性。

藏東南某擬建鐵路車站左側發育的察達1號高位斜坡高程3700～5328m，溝谷內堆積大量塊石、碎石、角礫等松散物，后方巖壁高300～500m，巖性為宗白群礫巖，距擬建鐵路車站水平距離約2.6km。李元靈等(2021)認為察達后山礫巖斜坡歷史上曾發生大型巖質崩塌并具有高速遠程的運動特征。該斜坡高位巖壁是否會再次形成大規模崩塌，已有的堆積體穩定性如何，對擬建車站建筑物和線路是否存在潛在地質災害威脅，尚需論證。本文重點從查明察達1號高位斜坡現有坡體結構特征，識別高位危巖分布，分析斜坡穩定性和潛在高位崩塌運動路徑入手，對高位斜坡災害風險進行深入分析，為鐵路車站建設及防災工作提供參考。

1 地質背景

察達1號高位斜坡溝谷位于西藏昌都市洛隆縣臘久鄉八美村凍措曲右岸(圖1)。研究區為高山峽谷地貌，主河谷凍措曲為“U”型谷，寬緩平坦，寬350～700m，兩岸支溝深切。

圖1 察達1號高位斜坡位置及區域地質簡圖

該區地處岡底斯-念青唐古拉陸塊，構造活動強烈，構造線方向以北西向為主。區域性斷裂主要有巴曲-東村斷裂、信本斷裂、苦子曲-巴曲斷層。區內分布的基巖地層巖性主要有古近系宗白群礫巖、二疊系雄恩錯組灰巖、石炭-二疊系來姑組板巖夾砂巖以及燕山期侵入花崗巖，河谷及坡體普遍分布第四系碎石類土、砂類土。根據《中國地震動峰值加速度區劃圖(GB18306-2015)》，該區屬地震頻發區，地震動加速度峰值為0.20g，地震基本烈度為Ⅷ度，區域極限震級為7.5級。

2 斜坡特征

2.1 斜坡整體特征

察達1號高位斜坡(圖2)山頂高程5328m，斜坡前緣堆積體最低處高程3700m，河床高程3697m，高差1631m，水平長度約3712.5m，坡向298°。斜坡整體形態呈上緩下陡、上寬下窄的長舌狀，上部為簸箕狀凹槽地形，平均寬度約520m，中下部為瓶頸狀狹窄溝道，平均寬度約211m，底部為覆蓋于凍措曲階地上的平緩堆積扇，平均寬度約275m。

圖2 察達1號高位斜坡立面圖

研究區地層主要有第四系崩坡積(Qpcol+dl)、沖洪積(Qpal+pl)、冰磧(Qpgl)等物質，分布于整個坡體及堆積扇區； 第三系宗白群(E2z)紫紅色礫巖，分布于頂部高位巖質斜坡區，礫狀結構，中厚層狀構造，鈣質膠結，節理發育； 二疊系中統雄恩錯組(P2x)灰巖夾板巖，出露于斜坡中下游左側，與下伏來姑組呈不整合接觸，巖體為灰色，風化面呈灰黃色，隱晶質結構，中厚層狀構造，局部片理化構造，節理發育； 石炭系中統至二疊系下統來姑組(C2P1l)板巖夾砂巖，為坡體堆積物下伏基巖，巖體為灰色-灰黑色，板巖為變余結構，板狀構造，板狀劈理發育，局部含泥炭質軟弱夾層，砂巖為變余砂狀結構，塊狀構造，鈣質膠結。斜坡發育義俄-巴曲斷層(F34-1)，為信本斷裂支斷層。斷層隱伏經過斜坡中部，為逆斷層，產狀為N10W/60°N，物探解譯斷帶寬度為5～30m，在第四系地層中未發現活動跡象，斷層及巖層傾向均與坡向相反，斷層對岸坡穩定性影響較小，后續分析中不考慮斷層效應。

2.2 斜坡結構特征

依據斜坡地貌形態和巖性特征，可以將其劃分為3段區域(圖2，圖3)：頂部高位巖質斜坡(4763～5328m)、上部堆積體(4366～4763m)、下部堆積體(3700～4366m)。

圖3 察達1號高位斜坡剖面圖

2.2.1 頂部高位巖質斜坡(4763～5328m)

該段斜坡為陡峭巖壁(圖4)，高程4763～5328m，坡度68°～75°，橫寬430～770m，縱長700～800m。巖壁平面形態呈弧形，為向斜構造，核部紫紅色硬質礫巖，下層巖體為來姑組板巖夾砂巖。兩套地層在坡腳位置呈角度不整合接觸，局部形成上硬下軟結構。巖壁北翼層面產狀為N80E/25°～40°S，南翼層面產狀為N45E/16°S。山頂陡崖坡向N19E/68°N，向斜軸面為N32.5°W/82.5°S，兩者相互斜交。巖層及褶皺組合產狀均傾向坡內，礫巖表層受風化凍融作用，節理發育。結構面產狀為：J1：N68°W/63°S，陡傾向坡內，結構面微張，巖屑充填； J2：N76°E/67°N，與坡面斜交，結構面閉合(圖5)； J3：N65°W/79°N，陡傾向坡外，結構面閉合。在巖壁上部結構面的傾斜攝影及無人機測量記錄中，長大優勢結構面普遍閉合，頂部巖壁未見明顯裂縫。

圖4 高位巖壁全貌

圖5 礫巖節理赤平投影圖(北半球)

2.2.2 上部堆積體(4366～4763m)

上部堆積體與下部堆積體以高程4366m處的基巖面分界，在區內上下游該高程部位均發育基巖陡壁。上部堆積體為“U”型槽谷狀地形(圖6)，主體部分為寬緩大平臺(圖7)，平均坡度約10°～15°，橫寬480～650m，縱長700～870m。堆積體厚度約15～20m。寬緩大平臺地表堆積物主要由碎石、塊石組成，母巖成分主要為紫紅色礫巖，巖性較為單一。下部物質顆粒變細，主要為碎石土、角礫土等，礫石成分主要為板巖、砂巖。下伏基巖為來姑組板巖夾砂巖(圖8上部堆積體剖面)。平臺植被發育良好，與下方植被無明顯分帶和錯植，表明堆積物形成時間早且近期無大規模變形、錯動。

圖6 上部堆積體全貌

2.2.3 下部堆積體(3700～4366m)

下部堆積體分布位置為斜坡前端河流至斜坡高程4366m處的基巖部位，根據地形陡緩程度可以從坡腳劃分為前端平緩堆積體和溝道堆積體，在溝道堆積體內，存在一處緩坡平臺，無植被發育(圖7)。

圖7 緩坡平臺全貌

溝道堆積區域在地形上相對狹窄，平均坡度約20°～25°，上覆堆積體橫寬100～250m，縱長450～550m，平均寬度約211m。堆積體表層為大粒徑塊石，坡內為粗角礫、細角礫等小粒徑碎石土。緩坡平臺位于高程4070～4110m處，平臺寬約150m，長約200m，坡度較緩，平均坡度約為10°～15°。堆積物主要由灰巖夾板巖碎石、塊石組成，風化程度嚴重，大部分被風化為薄片狀，塊徑0.05～1m，灰巖塊石表面溶蝕線槽發育。

前端的平緩堆積區域(圖8)地形平緩，平均坡度約5°～10°，整體形態似“山包”狀，邊界曲折近扇形，扇體橫寬約700m，縱長約500m，中心高程較高，后緣與邊緣部位高程相對較低，形成弧形凹槽； 扇體中部凸出堆積物橫寬210～300m，縱長170～300m，平均寬度約275m。堆積體表層為散亂分布的巨型塊石，主要成分為宗白群紫紅色礫巖，一般塊徑2～6m，最大塊徑約17m，塊石巖性比較單一，受風化作用強烈，磨圓度較差，最遠處分布于河道內； 堆積體下部物質主要為碎石、角礫，成分以板巖、砂巖、灰巖為主，局部夾含紫紅色礫巖塊石。整體來看，溝道與扇體堆積物結構相似(圖9)，表層以大粒徑塊石為主，中下部碎石類土粒徑較小，呈一定的反粒序結構(Wang et al.，2018)。

圖8 下部堆積體前緣堆積

圖9 堆積體內部結構

2.3 斜坡潛在危險

采用遙感解譯、InSAR監測、現場調查等方法，分析斜坡自2015年以來的變形特征，綜合判斷分析斜坡潛在危險。

InSAR監測和多期遙感影像選用C波段的Sentinel-1A衛星IW模式下的level-1A級影像，其分辨率均為5m×20m，時間跨度為2015年11月12日～2020年12月27日(128景，降軌)，極化方式為VV極化，側視角為44.36°。采用SBAS-InSAR技術開展數據處理，分析結果發現(圖10)，自2015年以來，斜坡高位后壁未發生大范圍的地形改變，整體形狀輪廓無明顯變化，斜坡上、下部堆積體范圍無明顯變化。頂部巖體3處InSAR監測點周圍出現一定周期性的變形，推測與降雨和積雪凍融有關。現場復核調查，高位巖壁下方存在小型崩塌和巖屑坡堆積體。結合上述分析及李元靈等(2021)對頂部潛在危險的研究結果，認為頂部巖質斜坡和上、下部堆積體整體穩定性均較好，潛在危險主要為高位巖質斜坡的局部變形破壞，破壞模式表現為危巖體的傾倒式、滑移式崩塌。

圖10 不同部位InSAR時序變形特征

對高位巖質斜坡發育的危巖體進行解譯，主要包括大規模(體積>1×104m3)和小規模(體積小于1×104m3)2類。其中大規模危巖體主要發育于結構面組合發育的地形突出部位，根據其結構面組合特征劃分出9處，編號d1～d9(圖11)。小規模危巖體主要分布于基巖陡壁面上，由于其控制性節理裂隙產狀、切割組合方式、體積及失穩運動特征基本一致，因此這里選擇危巖d2與其附近發育的小規模危巖體為案例對小規模危巖體特征進行描述，共劃分出16處，編號x1～x16(圖12)。

圖11 大規模危巖體分布及部分危巖素描圖

圖12 危巖d2附近小規模危巖體分布位置

對于斜坡上部、下部堆積體兩個區域，僅發現有表層的局部坍塌。從鉆孔揭露的上下部堆積體結構可得，主要由表層的大粒徑塊碎石和內部的粗角礫土、細角礫土組成，巨型塊石主要成分為宗白群紫紅色礫巖，一般塊徑2～6m，最大塊徑約17m。較小的粗砂、細砂等物質篩分粒徑主要集中在2～20mm，其次為0.5～2mm，密實度較好，堆積體的透水性較好，具備整體穩定的地形、物質特征，極端條件下可能形成淺表層的局部蠕滑變形。

表1 巖土體物理力學參數綜合取值

另外考慮到斜坡上部堆積體地形較緩，坡表大粒徑塊石鑲嵌較好，下部堆積體表層大粒徑塊石局部結構松散、塊石裸露且臨空面較大，下伏堆積體在飽水或受地震波影響下軟化，使孤石失穩形成滾石運動。結合現場調查和傾斜影像分析對下部坡度較陡段堆積體表面大粒徑孤石進行解譯，識別出危險孤石9處，編號p1～p9(圖13)。

圖13 下部堆積體坡面孤石分布圖

3 穩定性分析

分別針對高位斜坡危巖體、上部和下部堆積體進行穩定性分析。采用理正巖土計算軟件和Geo-Studio軟件，選用極限平衡法進行計算。

3.1 巖土體物理力學參數

巖體物理力學參數在巖石單軸抗壓等試驗結果的基礎上，以《鐵路工程地質勘察規范(TB 10012-2019)》、水電工程高邊坡中的參數成果為參考進行綜合取值。堆積體物理力學參數根據察達溝谷堆積體現場大剪試驗結果，結合堆積物實際工程地質特征進行綜合取值(表1)。

3.2 高位危巖體穩定性分析

根據危巖體結構面組合確定邊界條件，建立危巖體穩定性計算模型(圖14)，考慮計算工況如下。

圖14 部分危巖體計算模型

(1)天然工況：自重條件下危巖穩定性；

(2)暴雨工況：暴雨融雪條件下危巖飽水穩定性；

(3)地震工況：強震作用下危巖穩定性，巖體受到的水平及豎向地震荷載取相同值；

(4)暴雨+地震工況：巖體飽水條件時疊加強震作用下的危巖穩定性。

采用理正軟件計算危巖穩定性，根據《崩塌防治工程勘查規范(T/CAGHP011-2018)》判斷出危巖體的穩定性系數和狀態，結果如表2所示。大規模的危巖塊體穩定性在天然、凍融、地震等工況下均處于穩定或基本穩定狀態，整體穩定性較好； 在風化、凍融作用影響下，大規模危巖塊體表面大量短小結構面進一步發育，逐漸連通，可能引發局部小規模危巖的變形破壞。小規模危巖體天然工況多數處于穩定、基本穩定狀態，暴雨、凍融工況部分處于欠穩定、不穩定狀態，在地震、暴雨+地震、凍融+地震工況下危巖落石風險較高。

表2 高位危巖體穩定性計算結果

表3 堆積體穩定性計算結果

3.3 溝谷堆積體穩定性分析

利用Geo-Studio軟件對兩處堆積體進行穩定性分析。假設基覆界面為整體滑面，對上部、下部堆積體整體進行穩定性計算； 同時采用搜索方法分析上、下部堆積體局部潛在滑面及穩定性。分5種工況進行計算：

(1)天然工況：自重條件下的坡體穩定性。

(2)暴雨工況：暴雨條件下堆積體飽水穩定性。

(3)地震工況：由于受到山體放大效應影響，斜坡頂部地形突出，水平向及垂向地震動峰值加速度可使放大系數達到3～6倍(羅永紅， 2011)。上部堆積體靠近斜坡頂部，倍率取3倍，地震加速度取0.6g，下部堆積體地震加速度取0.2g。

(4)暴雨+地震工況：在堆積體飽水時疊加強震時的坡體穩定性。

(5)暴雨+地震+頂部崩塌沖力：根據現場崩塌落石70%分布在上部堆積體后緣的特征，推測崩塌發生后形成的沖擊作用將可能對上部堆積體穩定性造成較大影響。由此考慮極端條件下堆積體后緣受到頂部沖擊作用的計算工況。

根據葉四橋等(2010)的落石沖擊力計算公式：

(1)

(2)

在極端工況下，所有危巖塊體同時掉落時對上部堆積體整體施加的單位長度下的沖擊力約為5.865×107kN。工程上對于動荷載計算，通常采用保守的能量平衡方程來近似估算沖積物與受沖擊物受沖擊荷載與沖擊應力(張耀等， 2015)。在危巖體沖擊力計算時將數值較大的動荷載簡化為均布荷載，計算出的穩定性系數比實際的小，更有利于工程上的評價。因此模型中堆積體后緣設置均布荷載作用，大小為5.865×107kN。

根據《建筑邊坡工程技術規范(GB50330-2013)》，判斷各種工況下堆積體的穩定系數和穩定狀態。穩定性計算結果如圖15和表3所示，滑面編號1～9代表自動搜索潛在滑面中穩定性系數最低的9個滑面。表明坡面堆積體在各種工況下均處于整體穩定狀態； 極端條件下高位大規模危巖體崩塌也不會造成上部堆積體的失穩； 地形較陡部位的堆積體可能在地震+暴雨條件下局部發生淺表層蠕滑-拉裂式變形破壞。

圖15 堆積體穩定性計算模型及部分計算結果

4 崩塌滾石風險分析

由于在暴雨和地震等極端工況下，高位巖質斜坡區小規模危巖體可能失穩。鑒于此，采用Rockfall模擬高位巖質斜坡區危巖及堆積體表層孤石的運動軌跡及其運動距離，分析其對線路的威脅程度。

4.1 高位崩塌運動計算

4.2 坡表孤石滾石運動計算

孤石所在的下部堆積體植被覆蓋良好，由潛在危險分析，主要考慮孤石在地震條件下啟動。下部堆積體距頂部崩塌源區高度較低，不考慮高邊坡的放大效應，地震加速度為0.2g。計算結果顯示，運動最遠的孤石為7號、8號塊體，運動終止點位于溝口到橋位之間的堆積扇上，距離線路440m，其余孤石均止落在坡腳位置，未運動至擬建線路工程(圖16)。

圖16 高位危巖體和堆積體表層松動塊石潛在運動路徑及線路風險分析

5 結 論

察達1號斜坡的穩定性和潛在風險是影響擬建鐵路車站選址合理性的關鍵因素。本文采用現場調查、鉆探、遙感、無人機測繪、模擬計算等手段對該斜坡進行深入分析研究，得到以下結論：

(1)察達1號高位斜坡結構特征明顯，可分為頂部危巖體、上部堆積體、下部堆積體3部分，其整體穩定性較好，僅在極端條件下可能發生小規模危巖體崩塌和堆積體淺表層破壞。穩定性分析結果表明：

1)大規模危巖體穩定性較好，小規模危巖在極端條件下部分塊體穩定性降低，甚至發生傾倒式、滑移式崩塌。

2)上部堆積體在各種工況下整體穩定性均較好，地形較陡部位的淺表層可能在降雨、地震等條件下局部變形，出現淺表層蠕滑-拉裂式破壞失穩。

3)下部堆積體在各種工況下整體穩定性均較好，局部地形突出處可能在暴雨或地震條件下發生淺表層蠕滑-拉裂式破壞。

(2)采用滾石運動理論模擬了滾石運動路徑，結果表明，高位危巖塊體失穩后落石運動僅停留在上部堆積體平臺上，運動終止點距線路大于2150m。斜坡堆積體表層的孤石滾落運動最遠的為7號、8號塊體，可運動至溝口與橋位之間的堆積扇上，距離線路440m，未到達線路位置。

(3)察達1號高位斜坡不會對擬建鐵路車站正線工程造成直接危害，風險可控，線路方案可行； 便道等車站附屬構筑物可通過適當的防護措施消除坡面滾石風險。