甘肅隴南瀉流坡滑坡-碎屑流變形特征與成因機制

葉振南， 陳宗良， 高幼龍， 郭 寧

(1.中國地質調查局水文地質環(huán)境地質調查中心， 保定 071051; 2.中國地質大學工程學院， 武漢 430074)

滑坡-碎屑流是一種沿著斜坡表面作遠程運動的巖石碎屑流動體[1],高位孕育的特征使其運動過程常具有運動速度快、運行距離遠的特點，部分學者也稱之為高速遠程滑坡[2]。自19世紀末，Heim[3-4]在研究瑞士Elm滑坡中首次提出滑坡-碎屑流現(xiàn)象以來，中外眾多學者針對該類滑坡的發(fā)育特征、成因機制、高速遠程機理、顆粒流運動特性等開展了大量研究工作，取得了豐碩的研究成果[5-8]。已有研究表明，地震和強降雨是誘發(fā)滑坡-碎屑流的最主要因素，其運動破壞過程具有流態(tài)化、尺寸效應、層序保持現(xiàn)象和反序現(xiàn)象的基本特征。由于此類滑坡高位孕育的隱蔽性和爆發(fā)的突然性，現(xiàn)有研究多通過已發(fā)生滑坡現(xiàn)場調查[9]、模型試驗[10]、數(shù)值模擬[11]等手段開展，滑坡孕育及初始變形破壞階段研究案例較為少見。

白龍江流域位于青藏高原東部、秦嶺山地西緣，中國縱橫向地震帶在此交匯穿過，地質構造復雜，新構造運動強烈，地震活動頻繁，加之極端降雨和日益增強的人類工程活動的影響，滑坡、泥石流等地質災害頻發(fā)，是中國地質災害高發(fā)區(qū)和重災區(qū)。較多學者對此開展了大量調查研究工作，積累了豐富的地質災害數(shù)據(jù)及成災背景資料[12-14]。瀉流坡滑坡位于隴南市武都區(qū)白龍江右岸，屬于典型的滑坡-碎屑流災害，受地震及極端降雨影響，歷史上發(fā)生多次較大變形，其成因機制尚不明確，防治難度較大。

鑒于此，2020年初，依托于中國地質調查局地質調查項目(DD20190646)，選取該滑坡作為普適性監(jiān)測儀器設備應用示范點，對高位滑源區(qū)開展了實時監(jiān)測，包括地表位移、降雨量等。2020年8月11—17日，區(qū)內發(fā)生強降雨，7日累計降雨量達206.4 mm，滑源區(qū)發(fā)生較大變形，位移速率、降雨量等多指標觸發(fā)紅色預警。險情發(fā)生后，應甘肅省隴南市相關部門邀請，中國地質調查局水文地質環(huán)境地質調查中心組織專家開展了應急調查工作，通過地形地質資料與遙感影像資料的收集整理、現(xiàn)場調查和監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，為現(xiàn)場研判滑坡動態(tài)變形趨勢和制訂應急處置措施提供了技術支撐，避免了人員傷亡和財產損失。通過全程參與該滑坡地面調查、監(jiān)測系統(tǒng)建設與應急處置全過程，綜合地面調查、低空測量以及實時監(jiān)測等手段，詳細闡述滑坡發(fā)育與變形特征，并對其成因機理進行探討，可為該滑坡的綜合防治提供技術支撐。另外，該點是中國地質調查局組織實施的首批普適性監(jiān)測設備應用示范點之一，為普適性監(jiān)測設備在類似地區(qū)的推廣應用積累經(jīng)驗，監(jiān)測系統(tǒng)有效捕捉滑坡-碎屑流在初始階段的變形破壞過程，以期為同類型滑坡-碎屑流成因機理及后續(xù)研究提供參考。

1 地質環(huán)境背景

瀉流坡滑坡-碎屑流位于隴南市武都區(qū)城區(qū)白龍江右岸，坡腳有姚武公路沿白龍江南岸穿過。復雜的區(qū)域構造格局與強烈的新構造運動等塑造了白龍江流域山高坡陡、河谷深切的中高山-峽谷地貌，研究區(qū)位于白龍江干流中下游，區(qū)內以中山區(qū)為主，屬暖溫帶濕潤氣候，具有垂直氣候分帶明顯和干濕季分明的特點，年均氣溫約15 ℃，年均降水量494.8 mm，主要集中于5—9月，且以短時強降雨為主。

如圖1所示，山高坡陡的地形地貌、千枚巖等易滑地層廣泛分布、復雜的地質構造等為滑坡發(fā)生提供了有利條件，使得白龍江右岸兩水-武都段形成了一個滑坡聚集區(qū)，發(fā)育了大量堆積層滑坡。近年來，受汶川地震及強降雨影響，區(qū)內瀉流坡滑坡等均多次發(fā)生較大變形，造成了嚴重危害。

2 滑坡發(fā)育特征

2.1 平面形態(tài)特征

滑坡平面形態(tài)呈“啞鈴”型(沙漏型)，后緣高程1 310 m，前緣高程約975 m，相對高差(H)為340 m，前后緣水平距離(L)為600 m，等效摩擦系數(shù)(H/L)<0.6，屬“一般遠程滑坡-碎屑流”[16],根據(jù)滑坡運移堆積特征，將滑坡分為滑源區(qū)I、流通區(qū)II(運移轉化區(qū))和堆積區(qū)III(圖2)。

圖2 瀉流坡滑坡全貌

(1)滑源區(qū)I：滑源區(qū)位于斜坡上部，長210 m，平均寬度160 m，滑體平均厚度15 m，體積50.4萬m3，屬中型滑坡。后緣高程1 310 m，滑坡后壁呈近圓弧狀地形展布，下錯陡坎明顯，滑坡前緣高程1185 m，因流通區(qū)滑體下錯形成高15 m的高陡坎，前后緣高差125 m，平均坡度約30°，主滑方向為50°。滑源區(qū)發(fā)育兩處次級滑坡，邊界明顯，I-1滑坡長200 m，寬60 m，滑體厚度8～15 m，主滑方向46°，屬小型淺層滑坡；I-2滑坡長140 m，寬80 m，滑體厚度15 m，主滑方向60°，屬中型滑坡。

(2)流通區(qū)II：流通區(qū)是滑源區(qū)滑體向下運移并轉化為碎屑流的通道，夾于左右兩側山梁之間。平面形態(tài)為長條形，該段長175 m，均寬50 m，該段高程在1 090～1 185 m，斜坡剖面為直線型，坡向43°，整體坡度30°。經(jīng)歷多次變形堆積過程，堆積體上薄下厚，平均約5 m。

(3)堆積區(qū)III：堆積區(qū)位于斜坡下部，是碎屑流物質堆覆區(qū)，平面形態(tài)呈完整扇形。堆積扇上部寬70 m，下部寬270 m，坡面斜長200 m，高程在975～1 095 m，上下部高差約120 m，剖面形態(tài)呈直線型，扇體平均坡度30°。扇形體兩側邊界原為自然沖溝，后人工修建排水溝，目前排水溝多處損毀嚴重。

受汶川地震及強降雨影響，堆積區(qū)分別于2009年和2018年發(fā)生兩次較大變形，根據(jù)滑坡變形堆積特征，將堆積區(qū)劃分為3個亞區(qū)。2009年III-1區(qū)域發(fā)生滑動，滑體平面形態(tài)呈三角形，長約240 m，寬約120 m，平均厚度12 m，體積約35萬m3，主滑方向38°，隨后當?shù)貒敛块T先后對該滑坡災害實施了局部治理工程，主要治理措施包括截排水、坡腳支擋、坡面整修、坡面綠化、防護網(wǎng)工程；2018年III-2區(qū)域發(fā)生滑動，平面形態(tài)呈長條形，長180 m，均寬40 m，平均厚度5 m，體積3.6萬m3，主滑方向40°，中上部形成深3～5 m、寬30 m的槽狀地形，下部及前緣堆積鼓脹，坡面綠化林被毀。III-3塊體位于堆積體右側，平面形態(tài)呈半圓形，長約100 m，寬約65 m，主滑方向80°。III-1和III-3是目前堆積體主要變形區(qū)，III-2滑動后經(jīng)人工平整和水流沖刷，目前形態(tài)不明顯。

2.2 物質結構特征

現(xiàn)場調查及勘查資料表明，滑體主要物質成為碎石土(圖3)，土體結構松散，碎石含量80%～90%，主要為片狀千枚巖碎屑和棱角狀灰?guī)r塊碎石，碎石粒徑2～10 cm，偶夾漂石顆粒，分選性較差，多呈棱角狀，粉土、砂土填充。滑體厚度在空間上呈現(xiàn)較大差異性，滑源區(qū)堆積體厚度17 m，且其中上部有大量灰?guī)r塊石堆積，塊石粒徑20～50 cm；流通區(qū)滑體平均厚度6 m，灰?guī)r漂石較少；堆積區(qū)堆積體厚度呈中間厚兩側薄，中間碎石土覆蓋厚度達14 m，兩側覆蓋厚度約10 m，且堆積區(qū)中部鉆孔揭露在10～14 m深度處，碎石土中夾大量粒徑達1 m左右的灰?guī)r漂石顆粒。

圖3 滑坡工程地質剖面圖

下伏地層為志留系中上統(tǒng)白龍江群(S2+3bl)，巖性以千枚巖、炭質千枚巖、板巖為主，顏色為灰色、灰黑色，地層產狀215°∠42°。受迭部-白龍江斷裂影響，巖層內揉皺發(fā)育，結構破碎，表層巖體強風化，強度較低。

3 滑源區(qū)變形監(jiān)測

3.1 監(jiān)測系統(tǒng)

監(jiān)測系統(tǒng)于2020年6月中旬建成并開始運行，監(jiān)測系統(tǒng)平面布置圖如圖4所示。根據(jù)滑源區(qū)變形特征及裂縫發(fā)育情況，共部署了GNSS(全球導航衛(wèi)星系統(tǒng))地表位移計(5套)、含水率計(2套)、雨量計(1套)和裂縫計(2套)，地表位移監(jiān)測點GP01、GP02分別位于I-1變形區(qū)的上、中部，GP03、GP04位于I-2變形體的下部和中部，且GP03安裝位置位于下部右側靠近I-1塊體，裂縫計LF01、LF02分別位于I-2變形體右后緣和滑源區(qū)中后部。

圖4 滑源區(qū)監(jiān)測系統(tǒng)平面布置圖

3.2 宏觀變形過程

2020年8月11—16日隴南地區(qū)普降暴雨，誘發(fā)大量滑坡等地質災害，瀉流坡滑坡滑源區(qū)17日開始出現(xiàn)持續(xù)變形。8月18日后，位移速率、降雨量多次觸發(fā)紅色技術預警，因滑坡區(qū)道路中斷，地調局水環(huán)中心技術人員依據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)，分別于8月19日和22日兩次向武都區(qū)地質環(huán)境監(jiān)測站提交了紅色技術預警及響應建議報告，相關部門緊急組織人員撤離，并制訂了應急治理工程措施，包括排危石、截排水等。

8月26日道路恢復后開展了第一次地面調查(圖5)。I-1滑坡中上部變形跡象明顯，在原有陡坎基礎上，左側緣下沉3～4 m，右側緣下沉2～3 m，滑體表面拉張、剪張裂縫縱橫分布，最大寬度達30 cm；滑體中下部變形輕微，滑體前緣裂縫較為發(fā)育，松散跡象明顯。I-2滑坡中上部無明顯變形跡象，下部公路上發(fā)育剪張裂縫，寬3～10 cm，延伸8 m，延伸方向與公路斜交，前緣巖土體松散，局部坍塌，左前緣發(fā)育小型滑坡。

圖5 滑源區(qū)變形特征(8月26日)

9月以后，滑坡變形速率減緩，預警級別降為橙色。在此期間，截排水工程開始施工，相關技術人員持續(xù)關注滑坡變形趨勢，并于10月13日開展了第二次地面調查(圖6)。調查結果顯示地表變形跡象更加明顯，I-1滑坡后緣進一步下錯，中部鼓脹明顯，拉張、剪張裂縫持續(xù)擴展，造成GP02監(jiān)測點立桿歪斜，下部右側邊界有局部滑動面出露，指示滑動方向與滑坡主滑方向一致；公路變形跡象明顯，局部下錯1～2 m，前緣受推擠作用進一步塌滑。流通區(qū)和堆積區(qū)以坡面沖蝕和局部溜滑為主，整體處于基本穩(wěn)定狀態(tài)。

圖6 滑源區(qū)全貌(10月13日)

3.3 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

監(jiān)測系統(tǒng)均為實時監(jiān)測，以天為單位對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行整理，2020年8—11月降雨與地表累積位移量和日位移速率關系曲線如圖7所示。

由圖7(a)可知，8月15日前，各監(jiān)測點處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，累積位移量均在30 mm以內。8月16日以后滑坡開始出現(xiàn)變形：I-1變形體上部GP01監(jiān)測點，8月16—18日累計水平位移分別為39、647、662 mm，18日之后因GNSS立桿倒塌，數(shù)據(jù)缺失；GP02和GP03監(jiān)測點變形趨勢基本一致，在8月下旬和10月中上旬經(jīng)歷了兩次大的變形過程，監(jiān)測曲線呈兩級臺階狀，11月份以后趨于穩(wěn)定，GP02累積位移量達10 160 mm(水平)、4 461 mm(垂直)，GP03累積位移量達4 632 mm(水平)、2 263 mm(垂直)，平臺顯示兩處監(jiān)測點運動方向分別為46°、60°，與所在兩個次級滑坡主滑方向一致；I-2變形體中部監(jiān)測點GP04始終處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖7 降雨與地表累計位移、日位移速率關系曲線

第一次加速過程：8月11—17日累積雨量達206.4 mm，最大日降雨量77 mm(17日)，GP02和GP03于17日開始出現(xiàn)變形，19日變形速率達到最大，水平位移速率分別為384、160 mm/d；后又經(jīng)歷了8月22日(降雨量27.8 mm)和8月30日(降雨量40.6 mm)兩次降雨過程，兩處監(jiān)測點變形速率隨之出現(xiàn)小幅增長；8月19日—9月2日期間，GP02水平位移速率達260～360 mm/d，GP03水平位移速率達80～130 mm/d,9月3日后變形速率變緩。垂直位移變形趨勢與水平位移一致，位移量相對較小。

第二次加速過程：9月中旬—10月初為連陰雨天氣，10月1—6日，累積雨量達57.4 mm，日降雨量8～12 mm，GP02和GP03于3日開始出現(xiàn)變形加速，9日變形速率達到最大，水平位移速率分別為305、130 mm/d，隨后降雨減少，監(jiān)測點變形速率變緩。

圖7(a)與圖7(b)對照顯示：監(jiān)測點變形速率變化趨勢與降雨響應關系較好，整體呈現(xiàn)正相關關系。統(tǒng)計結果表明，8月16日以后，前期1～3 d累計降雨達到25 mm以上時，監(jiān)測點變形速率均出現(xiàn)明顯響應，且降雨結束2～3 d后變形速率達到最大。

空間上來說，I-2滑坡中部監(jiān)測點GP04累積水平位移為35 mm，裂縫位移計LF01、LF02累積位移量均小于15 mm，說明I-2中上部及滑源區(qū)上部趨于均處于基本穩(wěn)定狀態(tài)。I-1滑坡是主要變形區(qū)，其中上部GP01最早出現(xiàn)變形，累積位移急劇增長且立桿倒塌，后現(xiàn)場調查發(fā)現(xiàn)儀器所在位置距安裝點水平距離達20 m，同時中部GP02監(jiān)測點的累積位移量、位移速率均大于下部GP03監(jiān)測點。

綜上所述，地面調查與監(jiān)測數(shù)據(jù)基本一致，滑源區(qū)上部和I-2滑坡中上部區(qū)域基本穩(wěn)定，I-1滑坡和I-2滑坡下部區(qū)域是主要變形區(qū)，6—10月受兩次持續(xù)強降雨過程影響，滑坡發(fā)生兩次加速變形，中上部地表水平位移達10～20 m，下部整體水平位移約5 m，呈現(xiàn)推移式運動特征。10下旬以后隨降雨減少，滑坡變形速率趨于穩(wěn)定，滑坡處于蠕滑狀態(tài)，日變形速率2～5 mm/d。滑坡截排水工程已完成驗收，但考慮到滑坡持續(xù)變形導致滑體裂縫不斷擴展，結構更加松散，強降雨、地震條件下仍可能發(fā)生進一步變形破壞，應該加強汛期地面巡查及監(jiān)測預警工作，盡快實施抗滑樁等支擋工程。

4 滑源區(qū)變形機制分析

4.1 滑坡變形影響因素

眾所周知，滑坡變形破壞是內因和外因共同作用的結果，其中內因包括地形地貌、地層巖性和地質構造，外因包括地震和降雨。

4.1.1 地質條件對滑坡的控制作用

受復雜的區(qū)域構造格局和強烈的新構造運動控制，滑坡區(qū)屬構造侵蝕中高山地貌。滑源區(qū)前后緣高差達125 m，坡度較陡，前緣發(fā)育15 m的高陡坎，臨空條件較好，為滑坡變形提供了有利的地形條件；滑源區(qū)頂部地處漏斗狀低洼地形，匯水條件較好。

滑坡區(qū)位于沿白龍江南岸展布的逆沖大斷裂北側，下伏基巖為志留系中上統(tǒng)白龍江群灰黑色千枚巖、板巖，受逆沖斷裂影響，基巖產狀變化較大，局部小褶皺較為發(fā)育，巖體結構破碎，表層風化強烈，遇水極易軟化，飽和后強度迅速降低(表1)，其中單軸抗拉強度折減為干燥狀態(tài)下的1/5，抗拉強度折減為干燥狀態(tài)下的1/7，抗剪強度折減接近一半。志留系板巖千枚巖是區(qū)內典型的易滑地層。

表1 千枚巖物理力學參數(shù)

4.1.2 地震對巖土體結構的累積損傷

滑坡區(qū)屬地震多發(fā)區(qū)，歷史上有文字記載的7級以上地震達15次，近年來發(fā)生的汶川地震、九寨溝地震對滑坡影響較大，直接誘發(fā)堆積區(qū)發(fā)生兩次大規(guī)模變形。以往調查工作表明，地震過程中滑源區(qū)未發(fā)生大規(guī)模滑動，但多次地震使得滑源區(qū)巖土體破碎松動，后緣裂縫發(fā)育，在長期重力作用下后緣裂縫不斷貫通，為降雨入滲等提供了通道，為滑坡變形提供了結構基礎。

4.1.3 強降雨誘發(fā)滑坡變形

監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，2020年6—10月滑坡區(qū)累積降雨量達590.2 mm，是歷年同期降雨量的數(shù)倍，其中8月11—17日累積雨量達206.4 mm，最大日降雨量77 mm(17日)，均刷新了歷史極值。監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，8月11—17日降雨過程是誘發(fā)滑坡發(fā)生變形的直接影響因素，8—10月間滑坡變形速率動態(tài)變化趨勢與降雨響應關系較好，降雨是滑坡變形的最主要誘發(fā)因素。

4.2 變形機制

綜合監(jiān)測數(shù)據(jù)及地面調查結果，該滑坡屬蠕滑-拉裂型推移式滑坡。山高坡陡、前緣臨空的地形條件和“碎石土+千枚巖”的二元結構為滑坡形成奠定了基礎。滑坡中上部的破壞受軟弱帶(強-全風化千枚巖)基本力學特性控制，在多次地震和長期重力作用下，滑體沿千枚巖表層強風化帶向臨空方向蠕滑，隨時效變形的不斷發(fā)展，后緣拉張裂縫不斷擴展貫通，形成下錯陡坎，滑坡形成進入臨界狀態(tài)。強降雨條件下，滑源區(qū)上部低洼地形使得地表徑流快速聚集，沿后緣裂縫等入滲至基覆界面，強風化千枚巖飽和后泥化，強度迅速降低形成塑流狀滑帶，加上雨水入滲造成的滑體重度增加、動水壓力等不利影響，上部滑體失穩(wěn)變形，形成推移式滑動，11月以后，降雨減少，滑坡也隨之趨于穩(wěn)定。

變形區(qū)累積水平位移5～20 m，且前緣臨空條件較好，但并未完全剪出下滑，這種現(xiàn)象并不常見。根據(jù)現(xiàn)場調查結果推測：一方面受前緣巖土體剪切特性控制，另一方面受流通區(qū)頂部“鎖口段”阻滑作用影響，建議進一步采用數(shù)值模擬等手段開展深入研究。

5 結論

山高坡陡的地形地貌、千枚巖等易滑地層廣泛分布、復雜的地質構造等為滑坡發(fā)生提供了有利條件，使得白龍江右岸兩水—武都段形成了一個滑坡聚集區(qū)，瀉流坡滑坡是其中之一，屬典型的滑坡-碎屑流災害。

(1)根據(jù)滑坡運移堆積特征，將滑坡分為滑源區(qū)I、流通區(qū)II和堆積區(qū)III，前后緣相對高差340 m，前后緣水平距離600 m，流通區(qū)為狹窄順直坡段，屬“一般遠程”滑坡-碎屑流。

(2)6—10月滑坡區(qū)累積降雨量達590.2 mm，累積降雨量、持續(xù)降雨時間、單日降雨量等多項數(shù)據(jù)刷新歷史極值。降雨是滑坡變形破壞的主要誘發(fā)因素，8月、10月兩次持續(xù)強降雨誘發(fā)滑坡兩次加速變形，降雨結束2～3 d變形速率達到最大，位移曲線呈階躍式。

(3)流通區(qū)和堆積區(qū)經(jīng)多次工程治理，以坡面沖刷和局部溜滑為主；滑源區(qū)I-1滑坡和I-2滑坡下部為主要變形區(qū)，地表變形跡象明顯，破壞模式為蠕滑-拉裂型推移式滑坡。

(4)地震、強降雨條件下，滑源區(qū)可能發(fā)生進一步變形破壞，建議加強汛期地面巡查及監(jiān)測預警工作，并盡快實施綜合工程治理。