甘肅舟曲河那滑坡變形特征及孕災機理

朱彥鵬， 杜一博*， 楊校輝， 張衛雄， 朱鋆川

(1.蘭州理工大學土木工程學院， 蘭州 730050； 2.甘肅地質災害防治工程勘查設計院， 蘭州 730050)

中國是亞洲、乃至世界范圍內地質災害發生數量占據總數前列的國家[1]。由于滑坡發生時間具有瞬時、不可預測的特點，近些年來，滑坡給中國人民帶來了極大的傷害。從1981年特大暴雨襲擊四川后造成6萬多處滑坡、崩塌、泥石流等災害的產生，到2008年汶川地震在約48 678 km2的影響區域內,造成約5萬個地震誘發的滑坡災害，再到2017年九寨溝MS7.0級地震誘發約200個面積大于 700 m2的滑坡[2-5]，均造成了巨大的損失。

舟曲縣毗鄰汶川、九寨溝等地，地處兩大構造單元和三個地震帶交匯地帶，新構造活動活躍，山高坡陡、谷深溝窄，是中國四大滑坡高發區之一[1]。受區域復雜的地質條件和氣候條件影響，近些年來該區域內諸多不穩定的滑坡頻繁發生滑動，如2018年7月12日，江頂崖滑坡發生滑動，總方量約5.0×106m3，堵塞白龍江，導致大面積區域受災[6]。2019年7月16日，牙豁口滑坡滑動，總方量約2.12×106m3，使岷江處于半堵塞狀態，嚴重威脅附近人民安全[7]。除此之外，還有2006年隴南滑坡、2018年果者村滑坡及鎖兒頭滑坡等[8]。

舟曲滑坡的誘發主要與地震擾動及強降雨作用有關，具有很明顯的時空分布特征[9-10]。在時間分布上，滑坡大部分于夏末春秋之季形成，與降雨關系密切。在空間分布上，滑坡具有沿江、河、谷密集成帶、舟曲-武都地區分布密度相對最高的區域分布特征。顯然，這種分布特征與活躍的構造和高烈度的地震帶聯系密切。地震和降雨作為滑坡的兩大主要誘發因素，在過去的幾十年間，諸多學者在兩者單一作用及耦合作用下滑坡發育及分布規律等方面進行了深層次的研究并取得了豐富的碩果[11-14]，有些學者以滑坡歷史資料為研究對象，通過數學手段進行滑坡閾值的確定及預測，以圖對滑坡災害進行準確預測[15-17]。但是，由于數學計算的數據要求較高，現實條件很難滿足，無法解釋滑坡發展的復雜時空變幻，只能從科學的角度去了解閾值的影響因素。有些學者從模型試驗、有限元模擬、現場監測結合進行滑坡孕災機理及穩定性的研究，推動了滑坡孕災機理的研究[18-21]。但是，降雨、地震、溫度等相互作用下滑坡的綜合研究較少，尤其是在地震后降雨誘發滑坡的孕災機理方面的研究更是乏善可陳。

位于甘肅省舟曲縣武坪鄉的河那老滑坡破壞現象豐富、獨特，孕災機制復雜，產生后果較為嚴重，類似滑坡案例報道甚少。為及時查明災情，理清孕災機理，判定滑坡狀態，現綜合運用地質資料[22]、衛星遙感影像以及現場調查資料等多源數據，對滑坡范圍進行劃定。并輔以鉆孔取樣、探井觀察、室內試驗及滑帶參數研究，對滑坡地層特性進行研究。在此基礎上，通過分析區域降雨和地震特征對滑坡的孕災機制進行判斷和闡述。研究成果對于舟曲地區這類滑坡的孕災機理和滑坡防治研究具有一定的借鑒意義。

1 河那滑坡地質環境綜述

2018年7—8月，甘肅省舟曲地區內出現大面積的強降雨天氣，強降雨導致舟曲縣范圍內多處發生山體滑坡。在災害發生后，位于舟曲縣武坪鄉河那老滑坡(以下簡稱河那滑坡)發生滑動，多處變形加劇。為保障區域人民生命及財產的安全，對受災區的地質構造、巖土體物理力學特性、滑坡時空特征及物質的成分組成進行調查。通過無人機航拍(圖1)及現場勘查重點部位，查明其變形特征。

河那滑坡位于長江流域嘉陵江水系拱壩河的一級支流斜坡地段，中心點地理坐標為東經104°20′21.74″，北緯33°37′11″，坡向220°，平均坡度約12°，整體上陡下緩。斜坡上部為耕地及荒草地，中下部為居民聚集區，前緣緊鄰白崖壩河[圖1(a)]。2018年7月，受汛期連續強降雨的影響，河那發生山體滑坡，滑坡長約1 080 m，寬80 m，厚度20 m，滑坡體積約為62×104m3[圖1(b)]，致使約700戶村民的房屋、耕地損壞，經濟損失達 8 000 萬元，給人們身心帶來了巨大的傷害。

圖1 無人機航拍及遙感影像圖Fig.1 Aerial and remote sensing images of UAV

1.1 氣象水文條件

舟曲縣屬北亞熱帶向北溫帶的過渡區，降水少而不均勻，夏秋多雨，年平均降雨量為447 mm。舟曲縣境內水網主要由長江支流嘉陵江的支流的白龍江、拱壩河、岷河、大峪溝、博裕河等組成，河流流量及水位主要受降雨控制[23]。強降雨多出現在7—8月，降雨日數最多為14 d。河那滑坡坡腳處的白崖壩河為季節性河流，由西向東流過，溝谷呈“U”字形，河床寬約10 m。針對區域內廣泛分布的松散層孔隙潛水，根據泉水調查可知，區域內地下水主要為構造裂隙水，以潛水為主。受季節氣候影響，泉流量大部分地段小于0.1 L/s，局部地段大于0.1 L/s，地層含水層富水性較差，單井涌水量20～300 m3/d，水位埋深變化較大。總體來說，滑坡區地表水和地下水豐富，地下水對巖土體影響極大，水文條件比較復雜。滑坡區山體地形圖如圖2所示。

1.2 地層巖性

研究區地處青藏高原東緣，為秦嶺西翼與岷山山脈交匯地帶，屬秦嶺地層分區，地層出露依據其工程地質性質將其分為砂礫巖巖組、第四系松散巖組。其中，砂礫巖巖組由下白堊統組成，巖性為紫紅色礫巖、砂礫巖、含礫砂巖，夾少量灰白色灰巖和砂質葉巖。該巖組巖石成巖程度較低，泥、鈣質膠結，巖石強度隨膠結物質和膠結程度的不同變化較大。

1.3 地質構造

舟曲處于兩個不同大地構造單元內。以洋布梁子—大年一線為界，南部屬松潘-甘孜褶皺系的東北部分，活動性小，褶皺、斷裂均不甚發育。北部屬秦嶺東西褶皺帶，活動強烈，走向斷層發育[24]。滑坡發育于坪定-化馬斷裂帶上部，主滑方向與斷裂帶走向近平行，屬坪定-化馬斷裂帶控制的滑動。在長期地質構造發展過程中均表現出沿北西構造線方向形成大致互相平行的擠壓帶。

綜上，研究區受構造活動影響，山體斜坡破碎，結構松散，加之山勢陡峭，地質環境顯得十分脆弱；另外，滑坡區雨季較長，降雨量較大，且由于人類建筑多建于斜坡之上，植被稀疏，水土流失嚴重。因此，一系列綜合因素作用下使得舟曲地區成為中國滑坡高發、多發的地區之一。

2 河那滑坡分區變形特征

滑坡的災變機理往往可以通過滑坡的變形特征來探究，而滑坡的變形特征取決于滑坡區的氣象水文、地形地貌、地質構造、地層特征[25]。因此，在進行滑坡的災變機理深度探究之前，對滑坡的變形特征應盡可能有一個全面清晰認識。通過對滑坡區的地質勘查、資料查閱等手段，結合滑坡的坡體結構、變形特征及空間分布情況，將2018年9月老滑坡復活滑動的部分分為3個(H1、H2、H3)次級滑坡(圖3)，并詳細描述各級滑坡的位置、變形特征及分界范圍。各級次級滑坡的形狀、主滑方向及滑體等基本特征如表1所示。

2.1 H老滑坡

H老滑坡位于舟曲縣武坪鄉河那村、尕河壩村所在的斜坡上，斜坡坡向220°，平均坡度約12°，整體上陡下緩，斜坡上部為耕地及荒草地，中下部為居民聚集區，有鄉鎮簡易水泥硬化路近東西向貫穿于斜坡中下部，坡腳為白崖壩河。老滑坡基本沿該斜坡山谷分布，平面整體呈長條箕狀產出，剖面形態呈近折線型(人類工程活動影響較大)，滑坡后緣高程2 150 m，前緣高程1 960 m，相對高差190 m，老滑坡后緣呈圈椅狀，右側壁下錯形成高約15 m坡度約70°的陡坡，老滑坡中后部封閉洼地較為明顯，為約70 m×120 m的凹坑，該處為地下水滲出點，滑坡前緣為白崖壩河，前緣見線狀地下水出滲點。

圖2 1∶500滑坡區山體地形圖Fig.2 1∶500 topographic map of landslide area

表1 各級次級滑坡基本特征

2.2 H1次級滑坡

H1滑坡位于老滑坡西北側即河那村東北側，平面形態呈長條狀產出。其后緣位于老滑坡后緣處，前緣位于老滑坡中上部偏西側，相對高差約77 m。滑坡現狀變形特征十分明顯：坡體受滑動影響中上部鼓脹抬升明顯，表現出上陡下緩。滑坡后緣下錯形成一個高約2.5 m坡坎[圖4(a)]且有多條張拉裂縫；滑坡中部出現一高約1 m的小型鼓丘，鼓脹裂縫大面積發育[圖4(b)]；滑坡中下部簡易公路處發育兩組張裂縫，最大一處張裂縫寬0.28 m，長 37 m，深0.14 m，下錯高度0.01 m(后期對其進行了為期一個月的監測，截止到勘查工作結束的2018年10月16日，該裂縫寬增大至0.30 m，現已停止增長)；滑坡兩側各發育一組剪切裂縫，滑坡右側剪切裂縫[圖4(c)]長 330 m，寬0.02～0.15 m，可見深度0.1 m，下錯高度-0.4～0.2 m(負值表示滑體被抬升)，滑坡左側剪切裂縫[圖4(d)]長360 m，寬0.03～0.15 m，可見深度0.1 m，下錯高度-0.3～0.5 m。

圖4 H1分區滑坡變形特征Fig.4 Deformation characteristics of landslide in H1 division

2.3 H2次級滑坡

圖5 H2分區滑坡變形特征Fig.5 Deformation characteristics of landslide in H2 division

H2次級滑坡位于老滑坡西北側、H1次級滑坡西南側，平面形態呈長條箕狀產出，后緣為荒地，坡體上修筑有簡易鄉村道路、居民聚集區(河那村、尕河壩村)，前緣為白崖壩河。其變形特征為：坡體居民房屋大面積發育剪切裂縫、拉張裂縫、鼓脹裂縫(圖5)，總體上剪切裂縫呈羽狀或八字形分布，與主滑方向斜交或平行，在墻體上表現為南北錯動，上大下小的特征。

2.4 H3次級滑坡

H3次級滑坡位于老滑坡東南部即H2次級滑坡南側，平面形態呈簸箕狀產出。滑坡后緣為耕地，坡體上修筑有簡易鄉村公路、武坪中心小學，前緣為白崖壩河。受修路建房影響坡體縱剖面呈折線型，總體為上緩下陡。現狀條件下滑坡中部發育一處陡坎，位于簡易公路南側，中心小學北側，坡體已修筑漿砌石擋墻，滑坡前緣受坍滑影響形成一個規模較大的凹陷區(圖6)。

總體來說，河那滑坡具有多級次級滑坡、長距離滑動的特征。其滑動規模和變形特征相對于附近的江頂崖滑坡、牙豁口滑坡的滑體體積來說，體量較小，但其滑動變形特征、危害程度與這些滑坡相差無幾。

3 地層巖性及分層特征

為了明確滑坡區的地層序列特征及滑面特征，綜合采用以鉆探為主、井探為輔的方式對滑坡區的土層進行原位、室內試驗等方面的測試。滑坡共布置鉆孔16個、探井8個，詳見圖7。對工程地質進行勘查，并得出4個沿主滑方向的滑坡地質剖面圖，選取2個典型剖面進行說明，如圖8所示。

圖6 H3分區滑坡變形特征Fig.6 Deformation characteristics of landslide in H3 division

圖7 河那滑坡地質勘查平面圖Fig.7 Geological exploration plan of Hana landslide

圖8 河那滑坡地質剖面圖Fig.8 Typical geological profile of Hana landslide

通過調查及鉆孔揭露發現，勘探到粉質黏土時，其上巖土體較為混雜，為磚紅色-青灰色強風化砂礫、礫石、粉質黏土混雜體，鉆進時有明顯縮孔顯現，其余鉆孔可見擠壓痕跡，故判定滑面為黃褐色粉質黏土層或強風化砂礫巖與含礫粉質黏土的基覆界面。因此，判定河那滑坡此次復活滑動主要為土質滑動。土質滑帶埋深4～10 m，如圖8～圖10所示。土質滑帶上覆的滑體物質主要由黃褐色粉質黏土、含礫粉質黏土和淤泥質粉質黏土組成。其中，黃褐色粉質黏土層厚度變化較大，厚度介于0～5 m，主要分布于滑坡中下部以及耕地覆蓋區域，中下部含礫粉質黏土和淤泥質粉質黏土主要分布在滑坡中上部，呈可塑-軟塑狀，濕-飽和，刀切呈光面，手搓可成條狀，搖震反應中等，韌性中等，干強度中，夾少量礫石，粒徑為0.2～2 cm。

表2 巖土體物理力學參數

圖9 河那滑坡現場取土及典型滑體、滑帶特征示例Fig.9 Typical slide mass and slide zone characteristics of Hana landslide

總體而言，滑坡區地層厚度變化較大，物質成分不均，物質組成繁雜。且河那滑坡物質成分較之同一白龍江流域其他滑坡的物質有著顯著的差異，與諸如江頂崖滑坡、牙豁口滑坡、泄流坡等滑坡不同，河那滑坡物質沒有黑色物質。但其危害卻相差無幾。

圖10 河那滑坡中后緣土層特征示例Fig.10 Typical slide mass and slide zone characteristics of Hana landslide

4 成因分析及復活機理

為河那滑坡為大型多級推移式滑坡，歷史上發生多次蠕動、變形。借鑒平推式滑坡成因機制[26]，并結合河那滑坡的地質環境、變形特征、地層特性及滑帶特征研究其孕災機理。

4.1 成因分析

河那滑坡的復活為多種因素共同作用引起的，主要由以下因素構成。

(1)活躍地質構造形成有利滑動地形地貌。多變的斷層活動決定了復雜的地形地貌[27]。河那滑坡所在地區地質構造活躍，斷層發育，其地形起伏強烈，呈現上陡下緩的特征，是推移式滑動動力的來源。巖土體厚度不均，界面隨地形起伏變化，滑坡整體呈長條箕狀，后緣至分水嶺，以拉張下錯為界。左右兩側以陡崖、陡坎、剪切錯動為界。前緣以白崖壩河、臨空面為界。滑坡前緣臨空，為土質滑動的形成提供了有利空間的變形條件。

(2)不良地層特性形成軟弱層。不良的地層特性為滑坡的形成提供了良好的力學基礎。滑坡表層主要由粉質黏土夾礫石、全風化砂礫巖構成，處于松散-稍密狀態。基巖主要為白堊系砂巖，呈磚紅色，成巖程度較低，表層呈全風化或強風化狀，遇水易軟化，透水性較低，是地層中的軟弱夾層。

(3)頻發地震形成內部裂縫。河那滑坡處于兩個不同大地構造單元和南北地震帶交匯地帶，屬于地震強烈區。歷史上曾有多次MS≥7.0級的地震發生。例如，2008年的汶川縣發生MS8.0級地震；2017年九寨溝縣發生MS7.0級地震。河那滑坡處于近期兩次大地震的嚴重影響范圍之內[28-29](圖11、圖12)。地震后山體內部應力響應劇烈，應力集中現象明顯，使得山體堆積體力學強度遭到損傷，產生較大位移。較前緣和中部的變形特征來說，河那滑坡后緣變形跡象十分明顯且裂縫較多，變形較大。

(4)高強度長歷時降雨誘發滑坡。滑坡區雨水分布不均，夏秋雨水充沛，滑坡發生前為舟曲地區汛期，降雨量大且持時較長。滑坡區域2018年6—7月暴雨期間的雨量統計如圖13所示，降雨數據選取為6月1日—7月30日。從整體來看，降雨在6月下旬和7月上旬進入長時間的強降雨天氣。長歷時的強降雨導致滑坡內部含水率急劇上升，坡體中后緣地下水位接近1 m，坡體中下部土體形成飽和軟弱夾層，土體力學強度降低，抗滑力下降，坡體穩定性不足，從而誘發斜坡滑動失穩。

4.2 復活歷程

較一般的地震和降雨耦合因素作用下發生的滑坡，地震后降雨誘發的河那滑坡產生的概率更高，且在舟曲地區產生的案例較多。震后降雨誘發的河那滑坡其地表變形破壞特征主要表現為后緣為下錯拉張變形，兩側羽毛狀剪切裂縫，坡面順坡剪切裂縫十分發育。震后降雨型多級土質滑坡孕災特點為應力-損傷-滲流，具有多重因素沿時空順序共同作用的特點，當具備滑體、滑帶物質及滑體堆積空間時，在一定的時間的地震動力作用和隨后某時刻降雨滲流的作用下，斜坡即具有比單一地震動力、單一降雨滲流更大的滑動變形的概率。一方面，河那滑坡從左到右，從后緣到前緣，堆積體厚度逐漸減小，這反映了滑坡后緣和右側受到明顯的構造作用。另一方面，結合H1滑坡、H2滑坡、H3滑坡變形跡象、地震資料查詢可知，短時間、高頻次地震作用影響后，斜坡中后緣坡體具有應力集中現象，在坡體內部和表面出現較多細小裂縫[30]。綜合探井1、2和現場試驗可知，滑體滲透系數較單一原狀土體增大，空隙利用率升高。加之地震后某時刻，降雨使得地下水位抬升，坡體內部含水率大大增加，便于形成軟弱夾層，這也是該區域內古滑坡多次復活的主要歷程(圖14)。

黑色圓點表示MS7.0九寨溝地震震中；黑色五角星表示河那滑坡圖11 九寨溝MS7.0地震降軌同震形變場[28]Fig.11 The descending coseismic interferogram and deformation field of MS7.0 Jiuzhaigou earthquake[28]

紅線為汶川地震地表破裂帶；灰線為活動斷層；箭號代表不同形變尺度的GPS水平位移量；五角星代表河那滑坡； 斷層位移向東運動為負值，向西運動為正值圖12 汶川地震InSAR和GPS 水平位移觀測結果[29]Fig.12 Horizontal displacement of Wenchuan earthquake measured by InSAR and GPS[29]

圖13 武坪鄉6—7月降雨特征Fig.13 Typical slide mass and slide zone characteristics of Hana landslide in June and July

圖14 孕災機理示意圖Fig.14 Schematic diagram of disaster pregnant mechanism of landslide caused by rainfall after earthquake

對于舟曲震后降雨型的土質滑坡而言，除了滑體、滑帶、臨空變形及動力源泉外，滑動變形應具備的條件還有邊界條件、坡體坡度。即震后降雨型的土質滑坡滑動變形應具備可能的滑動角度、合適的切割張拉范圍及可能的滑動空間。總體而言，在先期地震作用下，形成一系列破碎巖土體(滲透系數大、整體強度低)，為滑坡的發生提供了優良的物質源泉。在降雨發生時，破碎巖土體為降雨的快速、深入的滲透提供了優勢通道，迅速、準確地滲入坡體內部對滑帶進行飽和、軟化，形成軟弱夾層。而舟曲地區山高溝深、斜坡角度較大，為滑坡的發生提供了合適的滑動角度和可能的滑動空間，因而舟曲地區斜坡頻繁發生此類類型的山體滑坡。

5 結論

舟曲地區諸如河那滑坡的地質災害較多，又不盡相同。但是，所有的地質災害均指向地震后產生裂縫，最后由降雨觸發，這其中存在諸多問題亟待解決，如震后斜坡產生裂縫的數量及大小、裂縫對降雨入滲的影響、地震后降雨的關聯問題等等，只有解決這些問題才能將舟曲地區的地質災害消除于無形之中。河那滑坡作為舟曲地區典型的震后降雨型土質滑坡，其滑動變形危害范圍較大，滑坡產生的現象較一般地震、降雨造成滑坡不同，是多種因素共同作用而成。因此，初步對此類滑坡通過多源手段進行滑動的孕災機理研究，得出如下結論。

(1)河那滑坡為大型多級推移式堆積層滑坡，受其地質構造和氣候影響，主要由震后的降雨誘發主要表現為多級、多層、超長。

(2)河那滑坡地質厚度不均，土層及巖性變化較大，變形主要受控于土質滑帶而產生。

(3)滑坡變形十分劇烈，具有明顯分區、分塊變形特征。滑坡中、后緣較前緣變形較大，滑坡左右邊界變形清晰、強烈。滑帶滑動特征顯著，具有十分明顯的搓揉、擦痕跡象。

(4)較其他地區的滑坡發生不同，河那滑坡處于地質構造活躍地帶，受先期頻繁發生地震的影響，形成一系列破碎巖土體和許多坡體裂縫，為滑坡的形成提供了重要的物源及入滲優勢通道。最終，在降雨作用下，快速地產生軟弱夾層導致坡體滑動。