巫溪縣西溪河北岸高位高危碎屑流滑坡特征與機理研究

李 浩，樂琪浪，孫向東，楊秀元，李 剛，李興虎

(中國地質調查局水文地質環境地質調查中心，河北 保定 071051)

2017年6月24日，四川省茂縣疊溪鎮新磨村發生高位高速遠程碎屑流滑坡，造成10人遇難，73余人失聯[1]，如何防治該類滑坡成為整個地質災害領域工作者思考的重大問題。最近十年，對于“視線內”的近程滑坡災害，通過群測群防、專業監測等手段有效避免了大規模傷亡的發生；但針對“視線外”的高位高危遠程滑坡，因為隱蔽性強，調查難度大，早期識別以及監測預警等手段不能滿足要求，導致特大型高位高速滑坡致死事件呈增長趨勢[2-3]。此外三峽庫區的暴雨滑坡往往具有高位剪出的特點，滑坡發生后易形成碎屑流，造成更大破壞[4]，因此在三峽庫區重點城鎮加強此類滑坡的形成機制研究顯得尤為重要。

近年來，對于高位高速碎屑流滑坡，很多學者進行了不同程度的研究。許強等[1]認為有利的構造、地形條件及持續的降雨是茂縣疊溪滑坡發生的主要原因；肖詩榮等[5]認為滑坡體滑帶的峰殘強降差是滑坡高速啟動的根本原因，高陡邊坡蘊藏的高勢能及滑帶液化是滑坡加速并高速滑動的主要原因；殷躍平等[6]認為特殊的地形地貌與降雨是高速碎屑流滑坡的主要原因；Eisbacher[7]提出了由于運動過程中的能量轉換而導致遠程滑動；孫萍等[8-9]將東河口滑坡劃分為滑坡啟動階段、重力加速階段、圈閉氣墊效應飛行階段、撞擊折返階段及長距離滑動堆積階段5個重要動力過程，并認為豎向峰值加速度是引起滑坡巖土體出現“拋擲”現象重要原因；黃潤秋等[10-11]認為高初速、碎屑流效應和氣墊效應是誘發高速遠程滑坡的主要因素；王玉峰等[12]認為碎屑流運動的過程中裹入的氣體降低了滑坡體運動的阻力，導致滑坡高速運移；高楊等[13]建立了雞尾山滑坡的運動地質模型，將運動過程主要分為啟程下滑、碰撞鏟刮和碎屑堆積3個階段；劉傳正[14]將此類滑坡變形破壞形式表述為“蠕動—拉裂—剪斷—滑移—沖出—解體—碎屑流化”的過程。

2017年10月21日凌晨，巫溪縣大河鄉廣安村發生大型高位遠程碎屑流滑坡，滑坡總體積達到6×106m3?；麦w短時間內直接沖至西溪河谷中，形成堰塞湖，由于對滑坡致災范圍估計不足，導致滑坡體前緣未撤離的兩戶9人死亡。1987年12月30日晚19點，巫溪縣下堡鎮中陽村占壩青崖發生大型高位高速碎屑流滑坡，滑坡體總體積約9×106m3，滑坡體短時間內直接沖擊到對岸斜坡前緣，掩埋占壩、王家屋場兩個自然村，造成近30人死亡，還造成滑坡前緣修庫壩的近40名施工人員死亡；堆積體阻塞西溪河河道，形成堰塞湖，導致下堡鎮部分房屋被河水淹沒，直到十年后堰塞湖才被疏通，滑坡造成了重大財產損失和人員傷亡。雖已過去30年，但其形態特征、堆積體、堰塞湖等要素依舊保存完整，為研究這類滑坡提供了難得的基礎。短短30年，已經在如此小范圍內發生兩起高位碎屑流滑坡，加之前期對工作區重要城鎮的工作程度較低，同時“災害地質”理念不足，導致對區域性地質災害發生發展的規律判斷不清，對極端條件下的地質災害演化發展過程、成災模式認識不足，難以滿足地質災害以預防為主的要求，因此在研究區開展1∶5萬災害地質調查工作有重要意義。本文在野外實地調查分析基礎上，以青崖滑坡為例，對降雨條件下的高位高速碎屑流滑坡形成機制進行探討，并對滑坡的成災模式進行了研究。

1 高位遠程碎屑流滑坡的特點

圖1 巫溪縣大河鄉—下堡鎮滑坡分布圖Fig.1 Landslide distribution map near the Dahe Xiabao Town in Wuxi County

根據高位遠程碎屑流滑坡活動的時間和空間特征，前人將滑坡分為滑源區、鏟刮區和堆積區，運動過程中一般會產生鏟刮、氣墊、液化和流化等效應，從而導致高速遠程滑坡具有規模大、運移速度快、能量大以及危害嚴重等特點[15]。依據《災害地質調查規范》(征求意見稿)，利用遙感、鉆探等手段開展大河鄉—下堡鎮的地質災害范圍、規模、特征等內容的調查，發現沿西溪河北岸發育一系列高位高危遠程碎屑流滑坡(圖1)，主要滑有廣安村滑坡、青崖滑坡、香樹坪滑坡、龍王坡滑坡等。據表1統計的滑坡主要特征，此類滑坡主要表現以下幾方面的特點：

(1)規模大

三峽庫區范圍內曾發育新灘滑坡、千將坪滑坡等，區內發育的此類滑坡都表現出規模大的特點，通常體積可達數百萬立方米，甚至可達上千萬立方米。

(2)滑動距離遠

據表1統計的典型滑坡最大滑動距離，可見多數滑坡最大滑距可達1～2 km，茂縣疊溪滑坡最大滑動距離達到2 600 m。目前已知運動距離最大的滑坡是發生于30萬年前的美國Mount Shasta滑坡碎屑流，它在近乎水平的地面上運動了約43 km[16]。

(3)高差大、運移速度快

通常，從定義角度，高位高速碎屑流滑坡具有高差大的特點。從降雨誘發的這些滑坡看出，滑坡前后緣高差多在500 m以上，甚至有的滑坡達2 000 m以上。由于具備較大的垂直落差和高勢能，滑坡在啟動階段往往能獲得較大的速度，加之滑坡發生的地段地形陡峭，前緣剪出口多位于峽谷較開闊地帶，導致滑坡體運移中不斷加速，甚至最后部分滑體形成拋射堆積。

表1 研究區與其他地區高位碎屑流滑坡特征表Table 1 Characteristics of high-location debris flow landslide in the study area and other areas

(4)隱蔽性強、威脅大

高位高速碎屑流滑坡的后緣多位于陡峭山體的中上部，很少有人居住，地質災害調查人員也難以達到，無法通過傳統技術手段察覺滑坡的變形跡象，因此滑坡具有很強的隱蔽性。此類滑坡運移遠，影響范圍大，加上強隱蔽性造成的防范意識不強，一旦發生，就會造成重大的人員傷亡，具有很強的威脅性。

青崖滑坡特點比較典型，本論文重點以青崖滑坡為例開展研究。

2 研究區環境地質條件及滑區地層

2.1 地形地貌

在區域上，巫溪縣位于三峽庫區奉節—巫山段北部，渝東北盆緣山區。挽近時期以來，地殼強烈抬升，區內地層受切割強烈，高陡邊坡發育，表現為以中高山峽谷為主的地貌特點。區內地形起伏大，最高海拔2 796.8 m，最低海拔為大寧河侵蝕基準面，海拔139.4 m，斜坡一般相對高差在1 000 m左右。從地形上看，峽谷兩側的高陡邊坡極易失穩，為滑坡高速啟動創造了動能條件，峽谷前緣的開闊地形為滑坡的遠程運動提供了空間條件。

2.2 滑區地層巖性

青崖滑坡區出露地層主要為志留系—二疊系(表2)。鏟刮區及拋射堆積區發育志留系羅惹坪組(S1lr)、紗帽組(S2s)地層，主要為粉砂巖、泥質粉砂巖、泥質頁巖，是一套陸源碎屑巖，發育波狀層理；該套地層易風化、遇水易崩解；受褶皺構造作用影響，地層產狀變化大，巖體中可見2～4組節理裂隙，巖體十分破碎。據下堡鎮斜坡鉆孔資料揭示，西溪河陽坡風化層厚10～80 m，主要為碎石土、礫石土，為滑坡鏟刮區提供了充分的碎屑物源。

滑源區主要出露二疊系地層，巖性為灰巖、白云質灰巖、炭質灰巖、炭質頁巖，其中在底部梁山組(P2l)發育一套炭質頁巖和鋁質黏土巖，較軟弱?；磪^上部地層產狀變化不大，傾向近北，傾角20°～35°，與斜坡坡向構成反向坡。巖體中主要發育2～3組節理裂隙，受結構面控制，上部灰巖被分割成大小不同的巖體、巖塊，特別是順坡向的多組節理裂隙，控制了滑坡滑動面的發育。中上部的二疊系地層是滑坡體主要的物質來源。

表2 青崖滑坡地層表Table 2 Strata of the Qingya landslide

2.3 地質構造

大巴山構造帶位于四川盆地的東北緣，以城口—房縣斷裂帶為界，北為大巴山逆沖構造帶，南為大巴山前陸構造帶，呈弧型展布[20]。巫溪縣位于南大巴山陸緣褶皺沖斷帶—紅池壩隆褶帶的過渡地帶，城口—房縣斷裂以南，區內發育一系列平行相間的褶皺構造，構造軸跡線走向近NW280°，以發育復式褶皺為主，次為隔槽式褶皺，斷裂構造不發育。在滑坡區主要發育有下堡背斜、荊竹壩向斜(圖2)，褶皺構造改變了巖石的應力狀態，導致巖體擠壓破碎、構造節理裂隙發育，特別在背斜核部或坡體頂部，節理、裂隙等破碎結構面和軟弱層發育，巖層整體性差，斜坡陡峭，加之風化作用和降雨等外動力作用影響，巖體極易失穩，成為高速碎屑流滑坡形成的重要因素。

圖2 研究區構造綱要圖Fig.2 Structural outline map of the study area

2.4 氣象條件

研究區屬于濕潤亞熱帶暖濕季風氣候區，地勢高差懸殊，垂直氣候分帶明顯，海拔800 m以下屬亞熱帶，800～1 300 m為暖濕帶，1 300～2 300 m為溫帶，2 300 m以上則為寒溫帶。研究區地處大巴山暴雨中心，年降水量充沛，隨地形的不同，年平均降水量有較大差異，其主要特點是隨海拔的增加，降水量同步增長，低山河谷區年均降水量1 057.6 mm；中低山區年均降水量為1 349.3 mm；而中山區年均降水量一般為1 875.3 mm，這樣的降水特點導致斜坡頂部受雨水侵蝕更嚴重，雨水的徑流導致斜坡中下部巖土體長期處于孔隙水飽和狀態，為發育高位高速滑坡提供了條件。此外巫溪縣的降雨特點還表現為夏季以暴雨為主，秋冬季節主要以長時間連綿陰雨為主。

3 青崖滑坡特征

青崖滑坡位于西溪河北岸陽坡，平面上呈近舌型(圖3)，剖面上呈近直線型(圖4)，主滑方向185°?；聟^地形上陡下緩，斜坡整體呈凸形，坡度約40°，滑坡后緣與前緣西溪河谷垂直高差近640 m?；抡w長近1 200 m，滑源區長400 m；整體平均寬500 m，滑源區寬300 m；平均厚度80 m，總方量約為9×106m3，屬于大型滑坡。

圖3 青崖滑坡平面圖Fig.3 Plane map of the Qingya landslide

滑坡體物質主要為二疊系中統的灰巖、炭質灰巖和志留系粉砂巖、泥質粉砂巖、石英砂巖?；露逊e體呈近扇形堆積，滑坡堆積體寬500 m，長500 m，平均厚25 m，堆積體方量5×106m3。堆積體發育一級平臺，位于滑坡體中下部，長約50 m，寬400 m?；瑒用嬖诨w上部沿灰巖節理裂隙面發育，中下部主要沿砂巖泥巖的破碎帶及軟弱面發育，在空間上表現為近弧形的特點?；矠轱L化程度弱、較為堅硬的石英砂巖、砂巖。

圖4 青崖滑坡剖面圖Fig.4 Profile of the Qingya landslide

3.1 滑源區

滑源區(圖5)位于滑坡體斜坡頂部，滑坡后緣高程1 020 m，滑源區底部高程650 m，整體落差370 m，地形坡度50°～80°?；挛葱纬汕?，滑坡后壁近直立，臨空面發育?；麦w物質主要為二疊系炭質灰巖、炭質頁巖，厚層-塊狀層燧石灰巖、白云質灰巖，地層產狀有變化，上部產狀為347°∠29°，下部產狀為350°∠26°，整體與斜坡呈反向，構造節理裂隙發育，發育一組順坡向節理裂隙。結構面的控制導致巖體特別破碎，極易在外力作用下發生失穩?；掳l生后，在滑坡后壁可見發育的巖溶通道裂隙水及坡體地表水，據調查，頂部灰巖巖溶裂隙水常年不斷，這也證明滑坡后緣長期受雨水侵蝕形成了貫通面，同時在降雨作用下，滑源區巖體最終孔隙水飽和并轉化成碎屑流?；潞缶壍母叱碳芭R空面發育導致滑坡開始經歷高位崩滑—高速啟動的運動階段。

3.2 鏟刮區

滑坡鏟刮區位于斜坡體中上部，坡度近50°,高程500～650 m，地層主要為志留系羅惹坪組(S1lr)粉砂巖、泥質粉砂巖。該巖層風化程度較高，力學性質較差，在風化和外力作用下極易發生崩解，為研究區內主要易滑地層?；略诟呶粏雍笤谏喜啃纬杉舫隹?，高速運動到斜坡中部后，產生巨大能量，與中部的志留系砂質泥巖碰撞后形成寬度約200～400 m，長度約300 m的鏟刮區。鏟刮區地形坡度30°～40°，受結構面控制及志留系粉砂質泥巖的控制，上部的灰巖體與下部砂巖碰撞后直接解體破碎，發育大型的近直線的鏟刮面(圖5)，鏟刮面呈直線型，并形成部分碎石堆積。

圖5 青崖滑坡lidar影像圖Fig.5 Lidar image of the Qingya landslide

3.3 拋射堆積區

拋射堆積區位于滑坡中下部，高程380～500 m，整體坡度25°～30°?；陆洑v高速鏟刮之后，由于前緣有臨空面的存在，從上而下形成的灰巖、頁巖、砂巖碎屑在斜坡前緣剪出口按照原運動軌跡繼續前行，故形成拋射堆積的特點。據當地百姓回憶，滑坡發生時空氣中布滿大量泥沙，這可能是滑坡形成超強氣浪導致。整體而言，前緣堆積體以碎屑為主，碎屑粒徑變化較大，磨圓及膠結程度差。目前斜坡前緣有溜滑現象，部分區域有再次滑動的可能。

4 青崖滑坡形成機制

4.1 主要誘發因素

首先，有利的地形地貌條件是青崖滑坡發生的必要條件?；略磪^相對海拔很高，地形坡度大，滑坡后緣為近直立的陡崖?；麦w具備了很大的勢能，近640 m的落差是高位高速滑動的關鍵因素，滑坡前緣坡度突然減緩為滑坡拋射堆積提供運動學條件。由于具有很高的勢能，滑體在運動中高速碰撞解體，并在滑坡體中部高速鏟刮。高陡的地形決定了滑坡的高位崩滑—高速啟動—碰撞解體—高速鏟刮—拋射堆積的運動模式。

其次，特殊的構造條件為滑坡的孕育起到潛移默化作用。在下堡背斜褶皺構造擠壓變形下，滑體附近即斜坡后緣巖體變得破碎，發育多組構造節理裂隙面，其中順坡向節理傾向多為150°～220°，傾角40°～88°，節理面張開多在2～10 cm(圖6)，而且延展距離較長。褶皺構造節理面和地層層面共同組成的結構面，導致斜坡巖體碎裂，完整程度差，整體強度較低，穩定性也較差，其中順坡向的優勢節理面構成滑坡滑動面。高密度的節理裂隙也加速了巖體的風化，使上部巖體產生較厚的風化帶，雨水的侵入使巖體長期處于孔隙水飽和狀態，導致斜坡原本就處于蠕滑變形的狀態。

最后，上硬下軟的二元斜坡結構是坡體失穩的重要地質因素。從地層上來講，斜坡中下部地層為志留系紗帽組與羅惹坪組的黏土質粉砂巖、粉砂巖，風化程度高，巖性較軟，易在雨水作用下發生崩解；特別是志留系的泥、頁巖層，為斜坡局部發生變形破壞的主要因素，也是區域的易滑地層。斜坡上部的二疊系灰巖、白云質灰巖雖多為碎裂結構，但整體還較為堅硬，其抗壓強度、抗剪強度均比粉砂巖、黏土質粉砂巖大(表3)。在上部巖體擠壓應力條件下，泥頁巖軟弱夾層產生蠕滑變形，導致上部巖體二次變形破壞，也成為應力集中帶，在上部巖體崩滑后導致斜坡整體失穩滑動。在這種二元斜坡結構條件下，特別是軟弱夾層的存在，使斜坡在受頂部巖體重力擠壓作用下，長期處于緩慢變形的狀態，下部的失穩導致上部巖體發育拉張裂縫，最終形成貫通面，加速了滑坡的發育。

圖6 滑坡側壁巖體結構面圖Fig.6 Image of the structural rock body

4.2 直接影響因素

為了解滑坡發生時的情景，調查期間走訪多名老鄉。據多人回憶，在滑坡發生前，巫溪縣下堡鎮下了近10天的連綿小雨。與汛期暴雨相比，這種冬季短瞬時降水量不大，但是持續時間較長。它的最大特點是地表徑流少，而是直接緩慢地滲入坡體當中，成為觸發這起滑坡災害的主要因素。首先降雨順著斜坡上部巖石表層的構造裂隙滲入，最終匯入到已形成的裂隙貫通面中，增強了對巖體的沖刷力，同時降低了巖體的抗壓強度與抗剪強度，導致原本可能處于蠕滑期的巖體更易失穩。其次，在斜坡中下部，上部巖體的徑流排泄與大氣降雨間接或直接滲入坡體，導致中下部強風化的黏土質粉砂巖、粉砂巖處于高度孔隙水飽和狀態。據表3，在飽和狀態下，各種巖體的抗壓強度存在不同程度的下降，志留系粉砂巖抗壓強度下降幅度為21.9%～23.4%，黏土質粉砂巖的抗壓強度下降幅度為19.4%～20.7%，同時長期的降雨也降低了斜坡巖土體的內摩擦角和抗剪強度，導致斜坡的軟弱帶極易發生失穩。

長期的降雨誘發了斜坡頂部巖體崩滑解體；在上覆巖體碎屑的高速撞擊及高速鏟刮作用下，斜坡中下部砂巖瞬間轉化成碎屑流，降低了滑坡體的運動阻力，導致滑坡可以以高速的運動方式拋射堆積。

表3 西溪河北岸不同巖體物理力學參數Table 3 Physical and mechanical parameters of different rock masses on the northern bank of Xixi River

4.3 滑坡的成災模式

在研究區內，此類高速高位碎屑流滑坡表現出相類似的成災模式(圖7)。

首先原始斜坡體高差大，坡度陡，形成的風化層厚度大，縱向沖溝發育，無明顯的變形現象。在降雨、人工開挖條件下，斜坡局部發生應力集中，地面偶見拉裂、局部下挫，導致上部巖體產生卸荷裂隙，特別是在滑坡中后緣的軟弱巖體，產生擠壓破碎帶。在持續的重力作用及蠕滑變形作用下，后緣坡頂硬巖開始發育拉張裂縫，后期長期降雨灌入，裂縫逐漸擴大，斜坡整體處于欠穩定狀態。在臨界降雨條件下，降雨使斜坡巖體內部孔隙水飽和，部分區域甚至喪失抗剪強度變成碎屑流，雨水促使滑坡后緣拉裂縫、巖體軟弱結構面形成完成滑動面，最后發生滑坡?；聠忧?，坡體后緣有明顯崩塌滾石，滑坡迅速啟動，后緣持續崩滑，整體大規?；贫逊e，形成滑坡災害。

圖7 滑坡成災模式圖Fig.7 Map of the landslide pattern

5 討論與結論

5.1 討論

科學防治地質災害，要從地質環境歷史、現狀和未來全面考慮問題，逐步建立地質災害防治文化是正確的選擇[21]。對于三峽庫區渝東北山區，重慶市地方政府對于近程滑坡的“四重”網格化監測預警體系取得了一定成效，但對于論文中提到的高位高?；?，由于早期識別難度大以及傳統調查方的缺陷，目前還存在較大隱患。作者參與中國地質調查局災害地質調查二級項目，深感對于此類滑坡應加強新監測技術的應用，如InSAR、Lidar等遙感技術，提高早期識別及排查能力，為地方政府的地質災害防災減災提供技術支撐。此外，應進一步加強山區地質災害科普工作，提高群眾及地質災害群測群防員對此類滑坡的認識，及時發現滑坡隱情，避免造成更大的損失。

5.2 結論

(1)巫溪縣位于南大巴山褶皺構造帶核心部位，區內多發生高位高危遠程碎屑流滑坡，該類滑坡具有危害性大、隱蔽性強、早期識別難度大的特點，增加了防災減災的難度。

(2)根據青崖滑坡運動特點，將滑坡分為滑源區、鏟刮區、拋射堆積區。對于這類高位高速遠程滑坡，提出了高位崩滑—高速啟動—碰撞解體—高速鏟刮—拋射堆積的運動模式，為下一步研究滑坡的動力學機制提供了基礎。

(3)高陡的地形地貌、特殊的構造條件、典型的斜坡結構是滑坡發育的主要誘發因素;持續一周的降雨是滑坡發育直接誘發因素；斜坡上部二疊系炭質灰巖、灰巖的崩落是導致斜坡中下部原本就處于孔隙水飽和狀態下的志留系粉砂巖碎屑或殘坡積層失穩并轉化為碎屑流的重要因素；同時孔隙水壓力在滑坡的運動過程中發揮著重要作用。