“10·10”西藏白格滑坡運動特征反演分析

王 塞，鄧建輝，陳 菲，高云建，姚依凡

(1.水力學與山區河流開發保護國家重點實驗室(四川大學),成都 610065;2.成都大學 建筑與土木工程學院,成都 610106;3.四川大學 建筑與環境學院,成都 610042)

青藏高原因其復雜的地質構造背景、陡峻的地形地貌條件，高速巖質滑坡廣泛發育于區內的高山峽谷中，且往往具有高位、高剪出口等特性[1]。在地形陡峭的峽谷地區，高速巖質滑坡因其勢能大、運動速度快的特點，還易造成堵江事件以及對上下游的淹沒、洪水災害[1-5]。近年來，由于降雨、地震等原因，此類高速巖質滑坡頻發，給社會帶來了巨大的損失。由于高速巖質滑坡特殊復雜的發育條件和運動特征，無論是滑坡本身還是其引發的災害鏈均嚴重威脅山區居民的生命財產安全，而目前對于該類滑坡運動特性并沒有統一明確的分析方法，因此，急需開展高速巖質滑坡運動特性的深入研究。

2018年10月10日(“10·10”滑坡)和11月3日(“11·3”滑坡)西藏自治區江達縣白格村在一個月內連續兩次發生高位山體滑坡，滑坡碎屑體堵塞金沙江，形成堰塞湖。目前已有不少學者針對白格滑坡開展了研究工作[6-18]，然而這些研究多集中于白格滑坡地質條件和形成機制的分析，或集中于白格滑坡的運動、堵江過程模擬，白格滑坡在各運動階段的不同運動速度及狀態尚未查清。

“10·10”白格滑坡先后經歷了主體失穩破壞、牽引區啟動、高速臨空滑躍、沖擊對岸、折返相撞及水砂射流、堆積壩次級滑移6個運動階段，并于高速運動后在金沙江對岸造成嚴重沖擊和水砂射流破壞，形成最高達176 m的明顯沖擊痕跡。因此，依據對白格滑坡的現場調查，提取和量測滑坡運動參數、沖擊區幾何參數、滑坡體積等關鍵數據，基于滑坡碎屑體沖擊高度，反演和計算“10·10”白格滑坡在各階段的運動速度。研究結果有助于加深高速巖質滑坡運動特性的認識，可為該類滑坡的預測和防治提供理論依據。

1 研究區概況

1.1 地質條件

圖1 白格滑坡基本概況Fig.1 Overview of Baige landslide

1.2 地形地貌條件

研究區為強烈侵蝕區，海拔差異超過1 720 m(2 880～4 600 m)。受河流的強烈侵蝕影響，金沙江以V形河谷為主?；聟^地處金沙江河谷右岸，河道高程為2 880 m，滑坡后緣頂部高程3 720 m，相對高差840 m?；聟^岸坡較為陡峻，平均坡度30°?；卤砻嬗缮系较掳l育3級平臺：一級平臺范圍最廣，包含白格村等區域，海拔高程3 450～3 550 m；二級平臺次之，海拔高程3 100～3 200 m；三級平臺靠近金沙江，位于滑坡剪出口右側，形態特征不明顯，海拔高程2 940～2 970 m。

1.3 氣候條件

研究區氣溫在-15～28 ℃變化，年平均溫度為4.5 ℃。據江達縣氣象站資料，該縣多年平均降水量650 mm，最大年降水量1 067.7 mm，最大月降水量229.5 mm。年內降水分布不均，干濕季節分明。10月—次年5月為旱季，降水稀少，降雨量約占全年降雨量的12.8%。6—9月為雨季，降雨量約占全年降水量的87.2%。該縣總體上雨量較為貧乏，但由于降水量時空分布不均勻，局地暴雨現象時有發生，成為泥石流、滑坡、崩塌等地質災害的重要誘發因素。2018年滑坡區鄰近3個鄉鎮降雨量顯示，6—9月當地降雨量明顯增加(如圖2)。因此，推斷降雨對“10·10”白格滑坡的發育和前置斜坡變形應有一定貢獻作用。

圖2 2018年3個鄉鎮降雨數據Fig.2 Rainfall data of three towns in 2018

2 滑坡運動特征

2.1 滑坡運動分區

“10·10”白格滑坡主要分為啟動區、堆積區、沖擊區3區?！?0·10”白格滑坡啟動區沿坡面縱向距離較長，海拔高度分布于2 980～3 720 m。如圖3、5所示，滑坡啟動區可進一步細分為3個亞區：1)牽引區(1-1)。位于一級平臺之上，海拔為3 500～3 720 m，體積458萬m3。該區靠近波羅-木協斷層，且風化非常嚴重，巖性主要以強蝕變片麻巖為主，性狀近似為土體，滑坡體非常松散；2)主滑區(1-2)。該區主要分布于一、二級平臺之間，海拔為3 100～3 500 m,體積1 328萬m3。主滑區主要夾于兩側基巖區之間，形成楔形體構造，巖體主要以片麻巖夾炭質板巖為主，風化程度相對弱于牽引區；3)鎖固段(1-3)。主要位于白格滑坡三級平臺區，海拔為2 980～3 100 m，體積80萬m3。該區巖體主要由相對完整的片麻巖組成，結構面不發育。因此，在主滑區重力壓力的作用下，鎖固段首先發生失穩破壞，并誘導主滑區松散滑坡體一起向下滑動。

圖3 “10·10”白格滑坡啟動區Fig.3 "10·10" Baige landslide initiation zone

“10·10”白格滑坡堆積區具有左岸高、右岸低的堆積形態。左岸堆積體部分主要由兩部分滑體組成，巖性分別為弱風化片麻巖塊和碳質板巖細顆粒，對應著鎖固段和主滑區的滑體；右岸堆積體部分由強蝕變片麻巖蛇紋巖顆粒組成，對應著牽引區滑體，在堆積區形成之初，其內部持續發生著次級滑移。根據現場精細調查，堆積區堰塞壩壩體長1 200 m，平均寬380 m，總面積38萬m2。壩體潰口點海拔2 931 m，厚度47 m，最高點海拔為3 005 m，最高厚度為80 m，平均厚度32 m，堆積區滑坡方量達1 866萬m3。

“10·10”白格滑坡沖擊區主要影響金沙江左岸(四川側)，如圖4、5所示，分為碎屑流沖擊區(3-1)、水砂射流區(3-2)、淤泥污染區(3-3)3個亞區。碎屑流沖擊區位于金沙江左岸上游段，金沙江左岸(四川側)為碎屑體主要沖擊區，其面積達到8.4萬m2，分布形態為中間沖擊高度向兩側遞減，在沖擊坡面上，殘存有非常明顯的滑坡碎屑物；金沙江右岸(西藏側)為折返次級沖擊區，面積僅為2.1萬m2。水砂射流區位于金沙江左岸下游段，為碎屑體撞擊激起的水砂造成的沖擊破壞。

圖4 “10·10”白格滑坡沖擊區和堆積區Fig.4 "10·10" Baige landslide impact zone and accumulation zone

圖5 “10·10”白格滑坡分區Fig.5 "10·10" Baige landslide zoning

2.2 滑坡運動過程

基于現場調查，白格滑坡運動過程可分為主體失穩破壞、牽引區啟動、高速臨空滑躍、沖擊對岸、折返相撞及水砂射流、堆積壩次級滑移6個階段：1)主體失穩破壞,滑坡啟動區鎖固段在重力作用下重壓失穩，誘導上部主滑區整體啟動發生滑移；2)牽引區啟動,主滑區滑移，牽引區下部臨空面形成，由于失去主滑區滑體的支撐作用，最終失穩破壞；3)高速臨空滑躍,鄰近江邊，滑體于拔河高度約100 m處剪出飛躍河道；4)沖擊對岸階段,滑坡體沖擊金沙江對岸四川側，沿坡面爬升到海拔3 056 m；5)折返相撞及水砂射流,滑體折返，與牽引區碎屑體對撞于金沙江上，激起水浪發生水砂射流；6)堆積壩次級滑移,堆積壩形成后，由于高度差，堆積壩再次發生次級滑移。

3 滑坡運動速度計算

3.1 滑坡運動基本特征

滑坡體在高速運動的過程中，由于方量大、運動速度快，滑坡體在對岸山體坡面上留下明顯的沖擊痕跡?；聸_高在對面山體上留下長約943 m的弧形痕跡(碎屑流沖擊區)，弧形最高處位于滑坡中部，沖起高度176 m(海拔3 056 m)，往沖擊區兩端走，沖起高度逐步降低，到兩端時，沖起高度為0。另外，部分滑體滑入金沙江，造成高速水砂射流，在對岸(四川岸)也留下了明顯痕跡。

3.2 滑坡啟動速度計算

由于鎖固段巖體主要由相對完整的片麻巖組成，結構面不發育。經現場調查發現該區滑床基本未殘留碎屑，但是新鮮擦痕和基巖剪斷破壞特征顯著，呈現出較強的應力集中和剪切特征，并且發現剪出口下部存在未擾動區，見圖6。因此，推斷鎖固段以脆性剪斷方式啟動，和主滑區巖土體以一定初速度拋射而出，并且在重力作用下加速，高速與左岸(四川岸)相撞后逆坡爬行至頂部，隨后折返與牽引區巖土體相撞于金沙江上。因此，白格滑坡速度計算必須考慮初速度。

圖6 剪出口及其下部未擾動區保存良好的雜草Fig.6 Well-preserved weeds in the shear outlet and its lower undisturbed area

為便于研究滑坡體起動機制，對白格滑坡的幾何條件及邊界條件進行簡化(如圖7)，可見在重力及其他外力的長期作用下，滑坡體產生拉裂縫CD,AB段為鎖固段，處于滑體剪出口。由主滑區DA段和阻滑區AB段構成的滑面，即將來產生的滑床面位置。白格滑坡在臨界起動狀態時，AB鎖固段部位應力小于或接近該處巖石抗剪強度，此時AB鎖固段存在變形但未剪滑，由AB段起到鎖固作用。因此，在白格滑坡啟動之前，邊坡內的巖體應力逐漸增加，能量逐漸聚集。當鎖固段AB段應力大于該處巖石抗剪強度的瞬間，抗剪應力驟然按該處巖體“峰殘強降率”降低了50%～60%(有時甚至更大)，鎖固段脆性剪斷，釋放出的巨大應力使滑坡體由靜態轉為動態，在滑體啟動開始的瞬間出現相當高的“啟程劇發速度”，向斜坡重力方向迅猛下滑，而使巖體獲得初始速度，即為白格滑坡鎖固段和主滑區的“啟動速度”，這就是啟程劇動的臨床峰殘強降加速機制[20]。

圖7 白格滑坡簡化模型示意Fig.7 Simplified model of Baige landslide

根據臨床峰殘強降加速機制，應用斷裂力學原理，分析斜坡累進性破壞過程中鎖固段巖體的剪斷釋能效應，導出平面應力狀態下峰殘強降劇動速度公式[20]為

(1)

式中：根據白格滑坡工程地質特征及室內巖石力學試驗結果，GV為單位寬度滑體體積，此處取1 408萬m3；α為滑動面傾角，此處取28°；E為巖石彈性模量，取24 GPa；φp、φr分別為啟動區片麻巖峰值抗剪強度和殘余抗剪強度，取為36.7°和30°;γ為巖石容重，取24.1 kg/m3?？傻冒赘窕聠映跛俣葹?.2 m/s。

3.3 滑坡撞擊對岸高程計算

當主滑區和阻滑區滑體啟動后，該部分滑體以一定速度從高程點2 980 m處飛躍河岸，撞擊四川岸后逆坡爬行至高程點3 056 m后滑下。因此，要利用四川岸滑坡沖擊高度計算滑坡行程速度，必須知道滑坡撞擊四川岸高程。

目前，對于體積為百萬至千萬立方米巨型滑坡的速度估算，國際上普遍采用Scheidegger[21]提出的一種滑坡計算公式：

(2)

式中：v為滑坡速率，Δh為滑坡的垂直高度，Δx為滑坡的水平距離，f為等效摩擦因數，g為重力加速度，一般取9.8 m/s2。

殷躍平[22]、許強[23]、郭長寶等[1]分別采用式(2)對貴州關嶺滑坡、四川茂縣新磨村滑坡、理塘亂石包滑坡的滑動速率進行了計算。

式(2)為最后應用公式，未考慮初速度。其推導原理依據能量守恒定律，將全程的摩擦損失均勻化，定義為等效摩擦因數，即摩擦力和重力做功轉化為動能的變化：

(3)

式中：Δs為滑坡斜距，β為西藏岸坡角。

如將Δssinβ=Δh,Δscosβ=Δx代入式(3)，可得

(4)

再經過變形，考慮初速度，可得滑體任意時刻所具有的瞬時速度：

(5)

如果滑坡發生在V型河谷，那么滑坡在對岸會有一定的沖起高度。如果考慮滑體在四川岸爬升過程，分析原理同上，那么滑坡沖起高度最頂點速度為0，則可利用滑坡沖起高度計算滑體爬升過程中任一高程點速度。

將滑坡末速度設為0，根據功能轉化原理可得

(6)

(7)

(8)

如果已知滑體撞擊四川岸時的速度，可以根據爬升頂點高程得出撞擊點的高程：

(9)

式中：Δh為滑體爬升高度；α為四川岸坡角，取26°；f為等效摩擦因數。由于謝德格爾假設滑體初速度為0時，f=h/x在白格滑坡不滿足條件，選用經驗公式[24]lgf=algV+b，a=-0.156 66，b=0.622 19，V為滑體體積，取1 408萬m3，可得f=0.32。

已知白格滑坡主滑區和阻滑區滑體啟動初速度為2.2 m/s，利用式(5)，Δh取為520 m(主滑區阻滑區滑體運動到海拔2 980 m)，β取為28°，f=0.32，可得

63.8 m/s

因此，得到滑體運動到剪出口位置速度為63.8 m/s，由于滑體從剪出口飛出時速度極大，飛躍時間極短，與四川岸坡碰撞時能量損失只是很少一部分，此處不進行考慮，將63.8 m/s記為滑體與四川岸坡撞擊后的速度。代入式(9)可得

將滑體沖擊海拔高度取為3 050 m，則大致得出主滑區和阻滑區滑體飛躍河岸撞擊四川岸坡體海拔高度為2 925 m。

3.4 滑坡運動速度計算

3.4.1 主滑區及阻滑區滑坡運動速度計算

滑坡啟動后，以一定初速度沿滑面下滑到海拔2 980 m時，從剪出口滑出，飛躍河岸撞擊于四川岸海拔2 925 m處，滑坡碎屑體沿四川岸坡面向上爬高，而后回落堆積于河道之中，形成堰塞壩。通過現場調查，結合地形數據和遙感技術，獲取滑坡的基本參數，可得滑坡沖擊對岸(四川岸)痕跡弧上的5個特征點H1、H2、H3、H4、H5(如圖8)，其沖擊高度分別為130、170、176、172、139 m(相對金沙江河床最低海拔2 880 m)。因為已知滑體撞擊四川岸海拔高度為2 925 m，則5個特征點H1、H2、H3、H4、H5對應的滑體爬升高度分別為85、125、131、127、94 m。

圖8 滑體沖刷及水砂射流區Fig.8 Sliding body scouring and water-sand jetting area

Francis等[25-26]針對巖質滑坡滑下并沖起的情況，提出了以下公式：

下降過程

(10)

上升過程

(11)

F1+F2=FT

(12)

式中：m為滑體質量,kg;v為滑體速度,m/s;H為滑體下滑時下降的高度,m;h為滑體爬升時增加的高度,m;F1、F2分別為滑體下降和上升過程中因摩擦而損失的能量百分比;g為重力加速度，一般取9.8 m/s2。

為了估算滑動過程中的速度，將滑動路徑分為N段，建立以下聯立方程：

(13)

(14)

Wi=-μmgΔli

(15)

WT=-μmgL

(16)

式中：H為滑坡原始高度，hi為第i點高度，vi為第i點速度，Fi為第i段的摩擦損失百分比，Wi為第i段損失的能量，FT總摩擦損失百分比，WT為總損失能量，μ為滑坡平均摩擦因數，Δli為滑坡體運動路徑的水平距離，其余符號同上。

綜合式(3)～(7)，可得滑坡路徑中任一點速度計算公式：

(17)

Oscar[26]利用能量轉化原理推導出的該速度計算公式，利用滑體產生的沖擊高度計算滑體的速度，但是沒有考慮初速度，必須在其基礎上進行修改：

下降過程

(18)

上升過程

(19)

將滑動路徑分為N段，仍有式(12)，取vi-1=v0，hi-1=H,按以上方法聯立(18)、(19)、(14)～(16)，可得

(20)

將5個特征點H1、H2、H3、H4、H5對應的滑體爬升高度85、125、131、127、94 m，分別代入式(20)，在主滑區至對岸沖擊區滑坡滑動方向上，選取7個滑坡高程點計算滑坡的滑動速度。由于對岸5個特征點高度不同，利用上述公式將滑坡體近似分為5部分在6個滑坡高程點進行計算。根據計算結果，白格滑坡從啟動階段開始，其滑動速度不斷上升，在到達剪出口時達到頂值，為73.7 m/s，在四川岸撞擊后其滑動速度為65.8 m/s，逆沖爬坡后滑動速度減小，直到停止。計算結果如表1所示，滑坡主滑方向滑動速度特征如圖9所示。

圖9 “10·10”白格滑坡主滑方向滑體運動速度Fig.9 Velocity of sliding body in the main sliding direction of "10·10" Baige landslide

表1 白格滑坡主滑區及阻滑區滑體滑動速度計算Tab.1 Calculation of sliding velocity of Baige landslide in main slide zone and resistance zone

Francis等[25-26]結合滑坡運動的下降高度和上升高度，將摩擦損失的能量分散到運動全過程，在本研究計算滑體飛躍河岸過程中，同樣計算了摩擦能量損失，由于滑體下降高差小于河床水平距離，速度有一定減少。實際上，滑體飛躍河岸過程中，會受到空氣摩擦阻力而速度減小，更重要的是，滑體與四川岸撞擊后，速度會進行衰減。在高速巖質滑坡動力學中，認為巖體材料性質在很大程度上決定了滑坡土石體與對岸陡壁撞擊后能量的衰減系數，在數值上表現為恢復系數R。即用恢復系數來簡化計算碰撞后巖體介質的速度[27]：

(21)

一般由堅硬完整基巖構成的巖坡表面具有較高的恢復系數，而軟弱堆積物覆蓋層覆蓋的斜坡表面恢復系數較低。根據國內外主要斜坡巖體碰撞恢復系數的經驗取值R=0.8[27]，可計算得到白格滑坡主滑區阻滑區5部分滑體碰撞后速度分別為53.6、58.4、59.0、58.6、54.6 m/s，對應上述方法速度為54.3、54.6、65.8、65.0、56.5 m/s，計算結果相差不大，可認為合理。

3.4.2 牽引區滑坡運動速度計算

經現場調查，牽引區主要以強蝕變片麻巖為主，性狀近似為土體，而且來自牽引區的滑坡碎屑堆積于堆積區靠右岸一側，因此,推斷當鎖固段脆性剪斷后，主滑區阻滑區滑體以一定初速度先啟動，牽引區后無初速度啟動，主滑區阻滑區滑體高速飛躍河岸之后，逆沖到達沖擊頂點，隨后折返與牽引區巖土體相撞于金沙江上，堆積在金沙江右岸一側。

已知牽引區體積為458萬m3，按經驗公式lgf=algV+b可得f=0.38，β取30°，h=740 m，據式(5)可得

可知，牽引區土體在到達剪出口與返回的主滑區阻滑區滑體相撞時，速度極大，碰撞后的碎屑垂直向下運動，撞擊河水，激起高速水砂射流與水霧，隨后堆積于金沙江的右岸。

3.5 滑坡劇動時的能量計算

滑體在整體運動中，由于剪出口以上約790 m段內的滑面，相對上段較平緩，寬約500 m，構成了具有抗滑效應的鎖固段，而滑體劇動正是由于克服了此段阻力，使之剪切破壞，相當于一次斷裂破壞。在破壞的瞬間，滑坡體使長期積蓄的能量以應變彈性波的形式釋放，從而產生震動效應。根據文獻[28]，震級與破裂面積A(km2)之間關系為M=0.93logA+4.38；震級M與破裂長度L(km)經驗公式為

M=(logL+2.9)/0.6

(22)

該滑坡破裂面長度為0.79 km，面積為0.395 km2，代入上述公式計算其震級分別為4.0和4.7。根據計算震級結果，利用Gutenberg等[29-30]經驗公式lgE=1.5M+4.8，計算滑體整體劇動時所釋放的能量E至少為1010.8J。因此，白格滑坡時引起的震動相當于4.0～4.7級表層基巖地震。

3.6 四川岸滑坡運動速度驗證分析

根據以上分析可知，主滑區阻滑區滑體啟動之后，是在高程2 980 m處剪出口滑出，在重力作用下滑體到達四川岸時，撞擊點高程必然低于2 980 m，并且高于河床最低處高程2 880 m，若取滑體沖擊高程為3 050 m，可得到滑體爬升高差最小為70 m，最大為170 m。利用上述公式得

經過計算可知，代入高差Δh1=70 m時，得出v1=47.7 m/s；代入高差Δh1=170 m時，得出v1=74.3 m/s。因此，主滑區阻滑區滑體在到達四川岸時，速度必然在47.7～74.3 m/s，這與本研究上述計算結果相符。

3.7 滑坡運動特征分析

“10·10”白格滑坡滑動運動過程具有如下特征：1)主滑區阻滑區滑體的主滑方向運動速度從2.2 m/s增加到65.8 m/s，變化極大，并且峰值速度較大，原因在于一方面，“10·10”白格滑坡相對高差巨大，從滑坡啟動區到四川岸撞擊點，高差達575 m，平均坡度為28°，地形陡峭，具有巨大的勢能利于滑坡動能的釋放；另一方面，白格滑坡的啟動物質以巖體為主，并且以崩滑的形式啟動，滑動速度快。2)根據滑坡沖擊對岸的沖起高度，滑坡的滑動速度由中部向兩端遞減，原因在于滑坡的主滑方向滑動量大，運動距離最短，摩擦因數相對較小，其動能最大，沖起高度最大。3)牽引區巖土體由于依附于主滑區土體之上，主滑區和阻滑區啟動之后，牽引區巖土體在重力作用下，無初速度下滑至金沙江之上。

4 結 論

1)白格滑坡鎖固段脆性剪斷，導致主滑區和鎖固段滑體以2.2 m/s的初速度啟動，高速飛躍河岸，逆沖到沖擊頂點，隨即折返與牽引區土體相撞于金沙江上。

2)滑坡屬高位高速巖質滑坡，由于本次滑坡動能巨大，在對岸留下明顯的沖擊痕跡，根據其對岸沖起高度，計算得到滑速在水平方向上的差異變化特性，即以主滑方向為中心，向兩端延伸其滑速不斷降低，其中主滑方向的速度最大，為73.7 m/s。牽引區無初速度啟動，在到達剪出口時，速度為70.2 m/s。

3)白格滑坡具有鎖固段，剪切破壞瞬間，滑體整體劇動時所釋放的能量E至少為1010.8J，引起的震動相當于4.0～4.7級的表層基巖地震。