青藏高原巴塘斷裂帶地震滑坡危險性預測研究

楊志華 ，郭長寶 ，吳瑞安 ，鐘 寧 ，任三紹

（1.中國地質科學院地質力學研究所，北京 100081；2.自然資源部活動構造與地質安全重點實驗室，北京 100081；3.中國地質調查局新構造與地殼穩定性研究中心，北京 100081）

我國地質條件復雜，地質災害點多面廣、防范難度大，是世界上地質災害最嚴重、受威脅人口最多的國家之一[1]。青藏高原是我國現今構造活動最為強烈的地區，地形地貌和地質構造復雜，是地質災害高易發區。區內構造活動強烈，活動斷裂發育，歷史地震頻發，并誘發了大量滑坡、堵江堰塞湖等次生地質災害，地震地質災害危險性高。近年來，青藏高原發生了多次強震事件。2008年汶川Ms8.0級地震觸發了大量的次生地質災害，對震區居民和重大工程安全構成嚴重威脅[2]。汶川地震后，又相繼發生了2013年蘆山Ms7.0級地震[3]、2014年魯甸Ms6.5級地震和2014年康定Ms6.3級地震，地震造成的大量松散堆積物為地質災害發生提供了豐富物源，在震后降雨作用下易再次轉化為地質災害，地震作用增加了地質災害易發性和活動強度。地震滑坡已經引起地質災害研究領域的廣泛關注，國內外學者對地震滑坡發育特征[4-5]、地震滑坡形成機理[6-7]、活動斷裂的地質災害效應[8]以及地震滑坡易發性、危險性和風險性評價方面[9]開展了大量研究工作，取得了一些成果，推進了地震滑坡的研究進展。目前，地震滑坡危險性研究成果較為豐富，但活動斷裂帶等地震高發區域的潛在地震滑坡預測研究尚需加強。

隨著我國西部大開發戰略實施，青藏高原鐵路、公路、水電站和跨區域電網等重大工程建設勢必面臨著活動構造區潛在地震地質災害的嚴重威脅[10-11]。巴塘斷裂帶地處西藏和四川的交界部位，是一條右旋走滑斷裂帶，全新世以來活動速率高，為地震強活動帶[12-13]。斷裂帶巖土體結構破碎，地質災害發育，具有發生頻率高、運動速度快、危害嚴重等特點。巴塘斷裂帶控制著自川入藏的交通大廊道，在未來一段時間內，巴塘斷裂帶仍將處于地震活躍期，地震滑坡的長期防控面臨著嚴峻形勢，有必要針對巴塘斷裂帶潛在地震滑坡危險性開展深入研究。基于巴塘斷裂帶地震活動特征、重大工程和城鎮規劃建設的地震滑坡長期防控需要，在分析總結巴塘斷裂帶地質災害成災背景和典型地震滑坡的基礎上，采用Newmark斜坡累積位移模型[14-16]開展了巴塘斷裂帶50年超越概率10%的潛在地震滑坡危險性預測評價，初步反映了巴塘斷裂帶潛在地震滑坡危險性空間分布特征，研究結果可為巴塘斷裂帶重大工程和城鎮規劃建設的地震滑坡長期防控提供科學參考。

1 地質背景

1.1 區域地質背景

巴塘斷裂帶位于青藏高原東部（圖1），全長約200 km，總體走向呈NE 30°，傾向NW，傾角較陡，是一條以右旋走滑活動為主的全新世活動斷裂帶，斜切金沙江斷裂帶，晚新生代以來的右旋總位移量至少在10 km左右[17]。巴塘斷裂帶晚更新世以來活動跡象較顯著，表現為河流深切、比降大、階地發育；在莽嶺段，斷裂切錯古近紀紅層，形成達40 m的構造破碎帶。巴塘斷裂帶分段活動性差異明顯，存在由SW 向NE逐漸減弱的趨勢。巴塘段的活動性明顯不如莽嶺段，但在黃草坪、雅洼及巴塘縣城附近也發育了坡中槽地貌。綜合前人研究成果和現今GPS觀測數據，巴塘斷裂全新世晚期以來的水平滑動速率在3～4 mm/a[12-13，18]。莽嶺鄉探槽剖面揭露出4次古地震事件，倒數第二次古地震事件時間限定在距今850±30～730±30 a BP，最新一次古地震事件時間限定在距今550±30 a BP，說明距今約850年以來，巴塘斷裂帶可能進入了一個新的活躍期，重復間隔約700年[19]。

圖1 巴塘斷裂帶地質背景圖Fig.1 Geological setting of the Batang fault zone

據《中國地震動峰值加速度區劃圖》（GB 18306—2015），巴塘斷裂帶最高地震動峰值加速度為0.2g，地震基本烈度為VIII度，屬麗江—巴塘地震塊體，為地震強活動帶。歷史上多次發生6.0級以上地震（圖2），1870年發生Ms7.2級地震，震中在巴塘附近，震中烈度X度，誘發大量山崩、滑坡，并堵塞河流，地裂縫長約30 km，寬0.5～1 m，垂直錯動1～2 m[20]。1989年發生Ms6.7級地震（共發生6級以上地震4次），震源深度10～15 km，震中在巴塘縣城東南小巴村[21]。1996年12月，措拉區境內發生M5.5級地震，導致山體滑坡、房屋倒塌、公路垮陷、橋梁斷裂、水渠錯位，震害極為嚴重[22]。

圖2 巴塘斷裂帶地質災害分布圖Fig.2 Geohazard map of the Batang fault zone

巴塘斷裂帶屬于巴顏喀拉地層區和玉樹—中甸地層分區，地層巖性復雜，以廣泛發育區域變質巖和巖漿巖為特征，出露地層以三疊系和二疊系最為廣泛（據1∶25萬區域地質圖）。奧陶系—石炭系主要分布在巴塘縣莫多鄉、松多鄉和白玉縣沙馬鄉、蓋玉鄉，以及金沙江東界斷裂西側。第四系分布于各級河流漫灘、Ⅰ、Ⅱ級階地及山坡地帶，以沖洪積、殘坡積、冰磧為主。巴塘斷裂帶屬青藏高原東部亞濕潤氣候區，年均氣溫12.8 ℃，年均降水量503.69 mm。區內河流主要有金沙江及其支流巴曲等。區內地下水主要為松散巖類孔隙水、基巖（碎屑巖類、巖漿巖、變質巖）裂隙水和碳酸鹽巖裂隙巖溶水三大類。

1.2 地質災害發育特征

巴塘斷裂帶地質構造復雜，巖體破碎，在地震、斷裂蠕滑、強降雨和人類工程擾動等內外動力因素作用下，地質災害強烈發育，危害極大。根據資料收集、遙感地質解譯和野外地質調查，巴塘斷裂帶地質災害主要為滑坡、崩塌、泥石流、不穩定斜坡、坡面碎屑流和深切沖溝等，沿巴塘斷裂帶兩側各30 km范圍內發育有滑坡、崩塌和泥石流等地質災害共452處（圖2），具有點多面廣、分布不均、局部集中等特點。滑坡類型主要有巖質滑坡和堆積體滑坡，以堆積體滑坡為主，且老滑坡較發育，規模上以中小型滑坡為主；崩塌主要為巖質崩塌，規模上以中小型崩塌為主；泥石流主要以低頻稀性降雨型泥石流為主，規模上以中小型泥石流為主。

巴塘斷裂帶及其鄰區老滑坡、古滑坡、地震滑坡極為發育，包括1870年巴塘Ms7.2級地震和1989年巴塘Ms6.7級地震形成的地震滑坡，并且多以坐落型滑坡為主。部分地震滑坡發生失穩復活，對城鎮安全和公路安全運營造成影響，如巴塘茶樹山滑坡等[23-24]。巴塘斷裂直接穿越部分滑坡、泥石流等災害體，并控制著其穩定性。巴曲黨巴鄉—巴塘縣城段兩岸巖體破碎，在坡面堆積層和巖體強風化層中發育大量蠕滑型滑坡，厚層堆積體中發育大量沖溝，且泥石流發育。巴曲松多鄉段發育大量中小型地震滑坡，形成地震滑坡群，主要沿河流左岸和巴塘斷裂呈串珠狀分布（圖3a），如郎多二村滑坡和龍巴村滑坡等，這些地震滑坡堆積體覆于河流II級階地之上，推測地震滑坡發生時間最早在河流II級階地形成之后，如圖3（a）所示。在巴塘斷裂帶鄰區的金沙江沿岸，地震誘發大型堵江滑坡也極為發育，如雪隆囊堵江滑坡、蘇洼龍堵江滑坡和特米堵江滑坡[25]，如圖3（b）（c）所示。

圖3 巴塘斷裂帶典型地震滑坡特征Fig.3 Characteristics of typical seismic landslides in the Batang fault zone

2 巴塘斷裂帶潛在地震滑坡危險性評價

近年來，地震滑坡危害愈加突出，對地震滑坡危險性研究也逐漸從定性向半定量、定量化發展，采用的模型方法也愈加豐富。包括：（1） 基于統計分析的綜合評價法：是在統計分析地震滑坡與地震地質背景相關性的基礎上，揭示地震地質背景對滑坡發生的控制作用，挖掘地震滑坡的主控因素，采用支持向量機、信息量和邏輯回歸等方法完成基于多因素的地震滑坡危險性評價[26-27]；（2） 基于極限平衡理論的擬靜力法：將作用于坡體上的地震動力沿滑動面（或最大坡度方向）分解，然后計算地震動作用下的斜坡下滑力與抗滑力比值來評價滑坡危險性；（3） 基于Newmark的邊坡累積位移模型：通過計算地震荷載作用下的斜坡位移來預測評價地震滑坡危險性[14]，并得到廣泛應用[15,28]。本文在考慮區域地震地質背景基礎上，基于Newmark模型方法的定量化評價優勢，開展巴塘斷裂帶地震滑坡危險性評價研究。

2.1 Newmark斜坡位移模型

Newmark模型理論基礎是無限斜坡的極限平衡理論，該模型將滑體視為一個剛體，主要研究坡體本身的臨界加速度和穩定系數，當受到的外力作用大于臨界加速度時，就會發生有限位移，滑塊的永久位移是在地震荷載作用下，滑動塊體失穩后位移不斷累積所致[14]。將外荷載加速度與臨界加速度的差值部分對時間進行二次積分即可得到永久位移（圖4）[14-16，29]。

圖4 Newmark累積位移計算過程示意圖[15]Fig.4 Calculation process diagram of Newmark cumulative displacement[15]

許多學者基于全球大量地震滑坡統計分析結果對Newmark模型進行了改進，增加了其適應性，針對地震加速度記錄、阿里亞斯強度（Arias）、峰值地面加速度等地震參數，分別發展了基于統計規律的計算模型[15，30]。本文潛在地震參數采用概率地震條件下的地震動峰值加速度，采用的地震滑坡危險性計算步驟主要有：（1）基于區域地質背景，選擇合適的巖土體強度和斜坡形態參數，計算區域斜坡靜態穩定系數（Fs）；（2）進一步利用Fs和斜坡形態參數，計算坡體臨界加速度（ac）；（3）利用ac和地震動峰值地面加速度（PGA），計算概率地震擾動下的坡體永久滑動位移（Dn）；（4）根據斜坡位移和滑坡發生概率的統計規律，預測評價概率地震滑坡危險性[28,31-32]。

采用ArcGIS平臺實現基于Newmark模型的潛在地震滑坡危險性評價，地層巖性和工程地質巖組數據來自于1∶20萬區域地質圖，DEM數據來自于1∶5萬地形數據，地形坡度由DEM生成，潛在地震荷載參考中國第五代地震動峰值地面加速度。計算柵格分辨率為25 m×25 m，工程地質巖組和PGA等矢量數據轉換為柵格數據參與計算。

2.2 靜態穩定系數

采用基于極限平衡理論的斜坡穩定系數公式（式1）計算區域斜坡體的靜態穩定系數（Fs）[15,30]。

式中：c′—巖土體有效黏聚力/kPa；

φ′—巖土體有效內摩擦角/（°）；

γ—巖土體重度/（kN·m-3）；

γw—地下水重度/（kN·m-3）；

t—潛在滑體厚度/m；

α—潛在滑面傾角/（°）；

m—潛在滑體中飽和部分占總滑體厚度的比例。

綜合考慮地質成因、巖性組合、巖石堅硬程度和巖體完整程度等因素將巴塘斷裂帶地層巖土體劃分為13個工程地質巖組（圖5，表1）。根據工程地質手冊[33]、工程巖體分級標準（GB/T 50218—2014）[34]和相關文獻資料[15,28]中的參考值，綜合初始化工程地質巖組的物理力學參數，作為有效強度參數c′和φ′。然后，采用式（1）計算斜坡靜態穩定系數，在多次迭代循環計算過程中，調整模型參數，保證斜坡在無內外動力作用下的靜態穩定系數大于1，以此確定模型參數為：c′，φ′和γ見表1，γw=10 kN/m3，t=2.5 m，m=0.3，α取值地形坡度（圖6）。計算得到的巴塘斷裂帶斜坡靜態穩定系數見圖7。

圖5 巴塘斷裂帶工程地質巖組Fig.5 Engineering geological groups in the Batang fault zone

圖6 巴塘斷裂帶地形坡度Fig.6 Terrain slope in the Batang fault zone

圖7 巴塘斷裂帶斜坡靜態穩定系數Fig.7 Static factor of safety in the Batang fault zone

表1 巴塘斷裂帶工程地質巖組物理力學性質Table 1 Physical and mechanical properties of engineering geological groups in the Batang fault zone

2.3 斜坡臨界加速度

在地震動荷載作用下，滑塊的下滑力等于抗滑力時（極限平衡狀態）對應的地震動加速度即為斜坡臨界加速度（ac），可以表征在地震荷載作用下，斜坡由于固有屬性而發生坡體失穩的潛勢。通過比較靜力和地震動力條件下的滑塊受力狀態，可以建立地震動作用下的滑塊極限平衡狀態方程，進而推導出斜坡臨界加速度的計算公式（式2）[35]，計算過程中采用地形坡度。計算得到的巴塘斷裂帶斜坡臨界加速度見圖8。

圖8 巴塘斷裂帶臨界加速度Fig.8 Critical acceleration in the Batang fault zone

式中：g—重力加速度/（m·s-2）；

α—滑面傾角/（°）。

2.4 地震誘發斜坡位移

通過統計大量地震加速度記錄和地震滑坡實例，分析它們之間的相關性，獲得了地震誘發斜坡累積位移（Dn）與斜坡臨界加速度（ac）、地震動峰值地面加速度（PGA）的函數關系式（式3）[36]。采用我國第五代地震動峰值地面加速度區劃圖，采用反距離插值方法，細化地震動峰值地面加速度區劃（圖9），區劃間隔為0.01g，然后計算巴塘斷裂帶區域50年超越概率10%地震誘發斜坡位移，計算結果見圖10。

圖9 巴塘斷裂帶地震動峰值地面加速度Fig.9 Seismic peak ground acceleration in the Batang fault zone

圖10 巴塘斷裂帶斜坡位移Fig.10 Slope displacement in the Batang fault zone

2.5 地震滑坡危險性

地震荷載條件下，斜坡發生位移并不表征一定會發生滑坡災害，只有斜坡位移累積到一定程度，斜坡才會失穩并沿滑動面滑動而發生滑坡災害。根據斜坡位移和滑坡發生概率之間的統計關系（式4）[15]，計算巴塘斷裂帶潛在50年超越概率10%地震動作用下的滑坡發生概率（P）。

3 巴塘斷裂帶地震滑坡危險性評價結果

3.1 地震滑坡危險性分區結果

根據地震滑坡發生概率，參考《地質災害危險性評估規范》（DZ/T 0286—2015）和國內外地震滑坡危險性分區研究成果[15]，把地震滑坡危險性劃分為4個等級（圖11）：低危險性（地震滑坡發生概率小于5%），約占區域面積的62.87%，中等危險性（地震滑坡發生概率為5%～15%），約占區域面積的22.19%，高危險性（地震滑坡發生概率為15%～25%），約占區域面積的13.23%，極高危險性（地震滑坡發生概率大于25%），約占區域面積的1.71%。

圖11 巴塘斷裂帶潛在概率地震滑坡危險性分布圖Fig.11 Potential probabilistic seismic landslide hazard in the Batang fault zone

3.2 地震滑坡危險區分布特征

巴塘斷裂帶潛在地震滑坡危險區（包括極高危險區和高危險區）（圖12）的空間分布主要有以下特點：（1）潛在地震滑坡危險區具有沿斷裂帶集中分布的趨勢，尤其是NNE向巴塘斷裂帶及其臨近的金沙江斷裂帶區域具有較高的地震滑坡危險性，距離斷裂越近，地震滑坡危險性越高，地震滑坡危險區面積越大，這主要是由于斷裂活動形成高山峽谷等構造地貌，且斷裂帶區域地震動參數較高，巖體破碎，增加了滑坡災害發生的有利條件；（2）潛在地震滑坡危險區具有沿大江大河等峽谷區分布特征，尤其是金沙江及其支流巴曲兩岸具有較高的地震滑坡危險性，高陡斜坡在自身重力長期作用下卸荷裂隙發育，且部分斜坡存在蠕滑形變，疊加地震作用，滑坡危險性高，坡度越大，地震滑坡危險性越大；（3）總體上，巴塘斷裂帶潛在地震滑坡危險性評價結果符合斷裂帶地震滑坡空間分布特征的已有研究成果和既有認識[2,28,32]。

圖12 潛在地震滑坡極高和高危險區分布特征Fig.12 Distribution characteristics of very high and high seismic landslides hazard zone

3.3 潛在地震滑坡危險性討論

3.3.1 概率地震和設定地震滑坡危險性

地震危險性分析主要包括確定分析和概率分析兩種方法。概率地震分析方法強調地震發生的隨機性和不確定性，我國《中國地震動峰值加速度區劃圖》（GB 18306—2001）除考慮地震發生的不確定性，還考慮地震時空分布的不均勻性和地震預測研究成果的應用，給出了區域未來一定時間內可能的地震危險程度。本文采用50年超越概率10%的基本地震動（地震復發周期約為475年）開展了潛在地震滑坡危險性研究，反映了巴塘斷裂帶區域未來一段時間內可能遭受的潛在地震滑坡危險性，是一段時間內區域靜態地震滑坡危險性。確定分析也稱設定地震法，主要是總結地震構造特征和歷史地震發生規律，給出確切的震中位置與震級，該方法較少考慮地震的復發周期，其結果不具有概率意義，一般用于破壞后果無法承受的重大工程場地地震滑坡危險性分析中。兩種方法各有特點，且適用范圍也不同，概率地震滑坡危險性適用于區域社會經濟和重大工程選線選址規劃，設定地震滑坡危險性適用于典型重大工程和城鎮場地工程地質條件評價。

3.3.2 潛在地震滑坡危險性對重大工程建設的影響

巴塘斷裂帶控制著自川入藏的交通大廊道，如重要入藏公路G318穿越巴塘斷裂帶區域，時常發生地質災害掩埋、阻斷公路等事件，受到地質災害嚴重威脅，需加強潛在地震地質災害防控意識和處置措施。川藏鐵路是我國正在規劃建設中的一條西南入藏重要鐵路，規劃鐵路線經巴塘縣德達鄉、白玉縣沙馬鄉，向西北延伸，跨越金沙江，可以穿越較少的潛在地震滑坡危險區。

金沙江沿岸高陡邊坡、大型堆積層（或強風化帶）蠕滑型滑坡、地震堵江滑坡極為發育，如雄巴滑坡、特米堵江滑坡和雪隆囊堵江滑坡等。在潛在強震作用下，金沙江河谷區地震滑坡危險性高，水電站庫區岸坡存在發生滑坡-堵江-堰塞湖-潰決洪水、滑坡涌浪、沖擊壩體等潛在災害威脅，水電工程規劃建設需加強潛在地震滑坡危害研判及防控。

4 結論

（1）巴塘斷裂帶是川西藏東重要的工程建設區，基于區域地震滑坡長期防控需要，本文采用Newmark斜坡累積位移模型完成了潛在地震滑坡危險性預測評價，為區域重大工程和城鎮規劃建設提供防災減災科學參考。

（2）50年超越概率10%潛在地震動力作用下，巴塘斷裂帶地震滑坡危險性空間分布的主要特征有：潛在地震滑坡危險區具有沿斷裂帶集中分布的總體趨勢，尤其是NE向巴塘斷裂帶及其臨近的金沙江斷裂帶區域具有較高的地震滑坡危險性，距離斷裂越近，地震滑坡危險性越高；潛在地震滑坡危險區具有沿大江大河等峽谷區分布特征，受地形地貌影響顯著，尤其是金沙江及其支流沿岸具有較高的地震滑坡危險性。

（3）巴塘斷裂帶控制著川西藏東交通大廊道，川藏鐵路是我國正在規劃建設中的一條西南入藏重要鐵路，規劃鐵路線經巴塘縣德達鄉、白玉縣沙馬鄉，向西北延伸，跨越金沙江，可以穿越較少的潛在地震滑坡危險區。

（4）金沙江河谷潛在地震滑坡危險性高，水電站庫區邊坡存在發生滑坡-堵江-堰塞湖-潰決洪水、滑坡涌浪、沖擊壩體等潛在災害威脅，水電工程規劃建設需加強潛在地震滑坡危害研判及防控。