新疆塔縣地震觸發順向坡失穩破壞機理研究

陳 錢，吳和秋，張 明，楊 龍，呂文韜

(1.中國地質大學(武漢) 工程學院，武漢 430074；2.浙江省工程物探勘察設計院有限公司，浙江 杭州 310005)

新疆塔什庫爾干塔吉克自治縣(簡稱塔縣)所處的葉城—烏恰地區，位于我國的最西部，由于印度洋板塊的擠壓作用，是現今內陸新構造運動最活躍、變形最強烈的大陸地塊之一。該區域活動斷層發育，主要有5條規模較大的活動斷層(公格爾斷裂、蓋孜斷層、主帕米爾斷裂、肯別爾特斷裂和卡拉吉勒正斷層)穿過。由于該區域位于天山山脈和昆侖山之間，加上塔什庫爾干河和蓋孜河的切割作用，強烈的新構造運動變形造就了高差達數千米的地表起伏度，且由于河谷所在區域構造運動強烈、斷裂發育，再加上寒凍風化作用和人類工程活動的影響，河谷內巖體破碎。因此，地震以及由地震觸發的滑坡、崩塌是該地區主要的地質災害。

塔什庫爾干河發源于我國新疆維吾爾自治區與阿富汗交界處的克克吐魯克，流經新疆塔縣、阿克陶縣境內，于阿克陶縣塔爾鄉東部的兩河口匯入葉爾羌河。該河流由于青藏高原的隆升而不斷下切，形成了兩岸陡峭的河谷岸坡，在其流經塔縣的區域，左岸分布有大量的大型巖質滑坡，考慮到塔縣的地震基本烈度為Ⅸ度，且地震頻發，可以推斷這些巖質滑坡為歷史上一次或者多次強震觸發。在塔什庫爾干河沿岸建有水電站，當滑坡發生時，會摧毀水電站，對人民的生命和財產安全構成威脅，因此研究塔縣地震觸發巖質滑坡的機理具有重要的意義。

眾多學者對地震觸發巖質滑坡的機理進行了大量研究。如賈俊以四川安縣某一巖質滑坡為例，通過二維離散元數值模擬，得出強地震力長持時作用是邊坡產生崩滑破壞的主控因素；朱冬等以青川窩前滑坡為例，通過數值模擬，得出地震力對層面強度具有弱化效應，從而導致斜坡失穩形成滑坡；江婷等對順層巖質邊坡在地震作用下的響應規律進行了研究，給出了順層巖質邊坡滑移面位置的確定方法以及邊坡失穩的判定方法；吳德成等運用FLAC有限元軟件對瀾滄江某邊坡的穩定性進行了分析，結果表明隨著地震作用的持續，邊坡將會在坡肩與坡腳之間形成一個貫通的弧形破裂面，最終坡腳將發生剪切破壞，坡肩附近則易發生拉裂破壞；Bray等、Leshchinsky等、黃顯貴等、陸少云等采用擬靜力法研究了地震對邊坡穩定性的影響。然而，很少有學者對新疆地區地震觸發巖質滑坡的機理進行研究，姚遠等雖然研究了阿克陶地區地震對地質災害的影響，認為地震能導致滑坡的發生，但并未對地震是如何觸發滑坡的機理進行深入研究；王兆云對伊犁喀什河盆地東部滑坡群的成因機理進行了分析，認為滑坡群的形成是地震和雨水共同作用的結果，但未對地震力的作用進行具體分析；尹光華等通過對尼勒克地震滑坡進行統計分析，結果發現滑坡規模和分布密度與地震烈度成正比,滑坡規模和分布密度具有由震中向外變小、變稀的特點，但未對地震觸發滑坡的破壞過程進行分析。

綜上所述，目前學者們對地震觸發巖質滑坡機理的研究雖然較多，但主要集中在我國四川、青海等地，而針對新疆塔縣的研究卻很少，不能很好地對該地區的滑坡進行預測和穩定性分析。鑒于此，本文以塔縣某一典型順向巖質滑坡為例，采用離散元數值軟件模擬了滑坡在不同地震力作用下的響應，用來展示滑坡從穩定到逐漸失穩破壞的過程，進而揭示其啟動破壞機理，為塔縣以及其他地震高烈度區巖質滑坡的穩定性評價提供依據。

1 研究區地質背景

新疆塔縣及其鄰區1989—1998年間發生6級以上地震共計35次。根據《中國地震動參數區劃圖》(GB 18306—2001)，工作區內地震動峰值加速度由西部昆侖山腹地的0

.

40

g

，向東逐漸過渡為0

.

30

g

、0

.

20

g

、0

.

10

g

，至沙漠區為0

.

05

g

，分別對應地震基本烈度Ⅸ度區、Ⅷ度區、Ⅶ度區、Ⅵ度區。塔縣地區地震動峰值加速度在0.20～0.40

g

之間，屬于Ⅷ～Ⅸ度地震烈度區。

在對塔縣境內所有地震觸發巖質滑坡進行詳細調查的基礎上，發現區內地震導致滑坡發生的模式主要為強震觸發大型順向巖質滑坡。這類地震觸發大型順向巖質滑坡主要沿塔什庫爾干河左岸分布(見圖1)，塔什庫爾干河由于青藏高原的隆升而不斷下切，形成了兩岸陡峭的河谷岸坡，河谷高程分布在2 000～4 000 m之間，坡頂面與坡腳之間的垂直落差高達數百米甚至上千米，岸坡的坡度在30°～90°之間，多在40°～80°之間。另外，這些岸坡的分布均位于塔什庫爾干河切割所形成的凸岸地段，三面臨空，這些條件均為這些滑坡的發生提供了良好的地形條件，它們的分布主要符合下述3種特征：

圖1 地震觸發的大型順向巖質滑坡沿塔什庫爾干河左岸分布遙感圖Fig.1 Remote sensing image of earthquake-triggered large bedding rock landslides along the left bank of Tashkurgan River

(1) 滑坡為河流切割形成的陡峭且三面臨空的岸坡，坡度一般在40°以上，坡高一般在100 m以上，最高達到2 000 m。

(2) 坡體受平行于坡面的一組節理切割為順向坡。

(3) 坡體中或者附近有斷層出露。

由地震觸發的典型沿塔什庫爾干河左岸發育的大型順向巖質滑坡，見圖2至圖4。其中，圖2為本次研究的順向巖質滑坡1，該滑坡所在河谷高程分布在2 800～2 900 m之間，坡頂面與坡腳之間的垂直落差高達500多米，滑坡的坡度為60°左右，坡體受3組結構面切割；該滑坡分布于塔什庫爾干河切割所形成的凸岸地段，三面臨空(見圖1)，這些條件符合塔什庫爾干河左岸滑坡分布的3個特征，具有一定的代表性和典型性；該滑坡主要由花崗巖和花崗巖為母巖的構造巖、片麻巖等變質巖組成(見圖5)，巖體內發育有3組節理：第一組節理產狀為170°～200°∠45°～80°，間距為0.8～2 m；第二組節理產狀為260° ～330°∠30°～50°，間距為0.8～1.2 m；第三組節理產狀為20°～85°∠30°～80°，間距為0.8～1.2 m。其中，第一組節理為坡體結構的控制性節理，滑坡沿這一組節理滑動破壞(見圖6)，另兩組節理切割坡體，使坡體破碎、穩定性降低，但不控制坡體的滑動形式。

圖2 地震觸發的沿塔什庫爾干河左岸分布的地震觸發的順向巖質滑坡1Fig.2 Earthquake triggered bedding rock landslide 1 along the left bank of Tashkurgan river

圖3 地震觸發的沿塔什庫爾干河左岸分布的地震觸發的順向巖質滑坡2Fig.3 Earthquake triggered bedding rock landslide 2 along the left bank of Tashkurgan river

圖4 地震觸發的沿塔什庫爾干河左岸分布的地震觸發的順向巖質滑坡3Fig.4 Earthquake triggered bedding rock landslide 3 along the left bank of Tashkurgan river

圖5 研究區片麻巖Fig.5 Landslide gneiss in the study area

圖6 研究區滑坡剖面圖Fig.6 Landslide profile in the study area

此外,該滑坡地處寒旱地區，每年的降雨量為68.1 mm，沒有大規模的集中降雨；融雪的速度較慢，其融水的深度也有限，因此降雨和融雪的作用有限?？紤]到塔縣地震的基本烈度為Ⅸ度，可以推斷該順向巖質滑坡為歷史上一次或者多次強震觸發。

2 滑坡失穩破壞的數值模擬

本文采用離散元數值軟件3DEC，通過擬靜力法模擬滑坡在不同加速度地震力作用下的變形與破壞過程，來揭示研究區地震觸發順向巖質滑坡的機理，為該類滑坡的研究提供理論支撐。

2.1 數值模型建立

以如圖7所示的地震觸發順向巖質滑坡為地質模型，建立離散元數值模型。先從遙感影像上提取了該滑坡區的現地形數據，為了研究原始滑坡的變形破壞機理，參照滑坡及周圍地形恢復了滑坡發生前的原始地形，并提取數據用于數值建模。

圖7 地震觸發的順向巖質滑坡示意圖Fig.7 Geological model diagram of earthquake-triggered bedding rock landslide

本次研究利用3DEC軟件能夠很好地建立巖體中結構面的優點，在數值模型中建立3組節理，建立好的三維滑坡數值模型共劃分塊體4 644個，單元696 353個；另外，在原始滑坡中軸線上布設4個監測點，以監測滑坡不同部位的變形情況，見圖8。

圖8 3DEC三維滑坡數值模型和監測點布設位置Fig.8 3DEC 3D landslide numerical model and monitoring point location

上述數值模型的底面和兩側均選取固定邊界，通過約束位移來控制這些邊界的變形，而坡表選擇為自由邊界。

2.2 參數選取

本次數值模擬計算中，采用摩爾庫倫(Mohr-Coulomb)本構模型計算巖體力學行為，節理面采用庫倫接觸滑移模型(Coulomb-Slip)。通過相關巖石力學、物理力學試驗，獲取計算中巖體和結構面的物理力學參數，見表1。

表1 巖體和結構面參數取值Table 1 Parameters of rock mass and structural plane

2.3 計算工況

為了研究巖質滑坡在地震作用下的變形破壞機理和運動過程，并結合當地地震烈度值，本次模擬設置了4種計算工況，不同地震烈度對應的加速度參照《中國地震烈度表》(GB/T 17742—2008)。具體計算工況如下：

工況1：天然狀態；

工況2：地震水平加速度為2.5 m/s，相當于Ⅷ級地震烈度的均值加速度；

工況3：地震水平加速度為3.54 m/s，相當于Ⅸ級地震烈度的最小加速度；

工況4：地震水平加速度為7.07 m/s，相當于Ⅸ級地震烈度的最大加速度。

通過數值模擬獲取不同工況下巖質滑坡最大不平衡力曲線、滑坡位移云圖以及監測點位移曲線，來觀察滑坡的平衡狀態以及變形破壞過程，進而對滑坡的失穩破壞機理進行研究。

2.4 數值模擬計算結果與分析

2.4.1 工況1

天然狀態下巖質滑坡位移云圖及最大不平衡力曲線、滑坡縱剖面位移云圖和4個監測點位移曲線，見圖9。

圖9 工況1下巖質滑坡位移云圖和監測點位移曲線Fig.9 Cloud chart of rock landslide displacement and curves of monitoring point displacement under working condition 1

由圖9可見，天然狀態下，該巖質滑坡的最大不平衡力最終趨于0，且監測點位移最終趨于定值，意味著整個滑坡趨于穩定；滑坡整體變形量較小，最大位移發生在坡肩附近，約為19 cm；由于受到節理面的切割作用以及三面臨空的影響，滑坡凸向河谷的三面均有變形跡象；此外，由滑坡縱剖面位移云圖和監測點位移曲線可知，滑坡變形形式主要是坡表輕微變形和沿結構面錯動[見圖9(b)紅色區域]?？傮w來說，該巖質滑坡僅在斜坡表面發生一些輕微變形，整體穩定性好。

2.4.2 工況2

加速度為2.5 m/s的地震力作用下(即工況2下)巖質滑坡位移云圖及最大不平衡力曲線、斜坡縱剖面位移云圖和4個監測點位移曲線，見圖10。

圖10 工況2下巖質滑坡位移云圖和監測點位移曲線Fig.10 Cloud chart of rock landslide displacement and curves of monitoring point displacement under working condition 2

由圖10可見，在加速度為2.5 m/s的地震作用下，該巖質滑坡的最大不平衡力逐漸趨于0，且監測點位移最終趨于定值，意味著整個滑坡趨于穩定；相對于工況1，該巖質滑坡整體變形量有所增加，最大位移仍然出現在坡肩附近，約為48 cm，三面變形跡象仍然存在；此外，由滑坡縱剖面位移云圖和監測點位移曲線可知，滑坡變形形式仍然為坡表輕微變形和沿結構面錯動[見圖10(b)紅色區域]?？傮w來說，該巖質滑坡僅在表面發生一些輕微變形，整體穩定性較好。

2.4.3 工況3

在加速度為3.45 m/s的地震力作用下(即工況3下)巖質滑坡位移云圖及最大不平衡力曲線、滑坡縱剖面位移云圖和4個監測點位移曲線，見圖11。

圖11 工況3下巖質滑坡位移云圖和監測點位移曲線Fig.11 Cloud chart of rock landslide displacement and curves of monitoring point displacement under working condition 3

由圖11可見，在加速度為3.45 m/s的地震作用下，該巖質滑坡的最大不平衡力逐漸趨于0，且監測點位移最終趨于定值，意味著整個滑坡趨于穩定；該巖質滑坡整體變形量較工況2有所增加，最大位移仍然出現在坡肩附近，約為1 m，變形位移已經較大，位移仍然集中在坡肩表面，變形形式仍然為坡表輕微變形和沿結構面錯動[見圖11(b)紅色區域]。由于滑坡下部坡腳處變形較小，因此該巖質滑坡無整體貫通性破壞。

2.4.4 工況4

在加速度為7.07 m/s的地震力作用下(即工況4下)巖質滑坡的失穩破壞和運動過程，見圖12。

由圖12可見：在地震力作用下，當時步為1 000步時，該巖質滑坡發生較大變形，最大位移仍然出現在坡肩附近，為2.93 m[見圖12(a)]，且滑坡下部坡腳處也產生較大位移，達到1.95 m，說明斜坡的貫通滑動面已經形成，而該巖質滑坡的最大不平衡力增加，說明滑體有下滑的趨勢[圖12(b)]；當時步為15 000步時，從圖12(e)可以看出紅色位移曲線在到達最大值后開始下降，表明部分滑體爬升到對岸最高位置并開始回落，滑坡體趨于平穩，該巖質滑坡的最大不平衡力下降并趨于零[見圖12(c)、(d)]。由以上計算所得滑坡位移云圖和縱剖面位移云圖可知，由于受結構面切割導致巖體較為破碎，在加速度為7.07 m/s的地震作用下該巖質滑坡發生整體破壞失穩，最終堆積在河谷，其堆積情況與現場調查結果基本一致，證明數值模擬結果較為可靠。此外，由監測點位移曲線可以看出，滑坡坡腳部位監測點變形最大，運動速度最快，滑移至對岸并爬升一定的高度后，受到對岸坡體的阻擋作用開始發生回落，其余3個監測點在重力和地震力作用下逐漸向河谷運動堆積[見圖12(e)]。

圖12 工況4下不同時步時巖質滑坡位移云圖和監測點位移曲線Fig.12 Cloud chart of rock landslide displacement and curves of monitoring point displacement under working condition 4

3 滑坡失穩破壞機理討論

上述工況1、2、3的模擬結果顯示：當沒有地震或地震作用較小時，坡體不會發生失穩破壞，但會產生一定的變形量，該變形量主要發生在坡表的坡肩附近，且由坡肩向坡腳逐漸減小、由坡表向坡內逐漸減??；隨著地震強度的增加，坡體變形量逐漸增大，但坡腳處仍未發生變形，沒有貫通破壞面形成，坡體依然穩定；由于結構面的切割作用，坡體成塊狀破碎，隨著地震強度的增加，塊狀破碎愈發明顯，坡表塊體接觸部位的變形量遠大于坡內變形量，塊體間有錯動的趨勢，坡體內有沿著結構面形成貫通面的趨勢。工況4的模擬結果顯示：當地震強度超過某一臨界值時，坡腳處開始有變形產生，塊體間的錯動更加強烈，坡體內沿著結構面與坡腳處形成貫通面，坡體發生失穩破壞?；碌钠茐姆绞綖椋豪瓘垺獕毫选破茐?。在地震力作用初期，滑坡首先在坡體后緣處沿著結構面出現拉張破壞，產生多處裂隙，隨著地震力的持續作用，變形進入累進性破壞階段，裂隙逐漸延伸至坡內，滑坡巖體隨變形發展而松動，滑坡巖體在自重和地震荷載的作用下擠壓剪切坡腳，形成應力集中，最終在坡腳發生壓裂破壞，并與坡體內裂隙相互貫通形成滑動面，導致滑坡的滑移破壞，臨空面附近的塊體還在重力和往復地震荷載的作用下發生崩落現象。

通過上述4種工況模擬結果的比較可以發現，塔縣地區巖質滑坡的穩定性主要受地震和結構面的影響。當巖質滑坡中存在結構面時，坡體巖體切割破碎，巖體間連結力減小，即使在地震力很小的條件下，滑坡并未發生失穩破壞，但坡體中塊體分割處仍有相互錯動的趨勢，坡體依然有變形產生，坡體內有沿結構面貫通的趨勢，且隨著地震力的增加，這種沿結構面貫通的趨勢愈明顯，當地震力達到某一臨界值時，坡體內部便沿著結構面形成與坡腳貫通的滑動面，坡體發生失穩破壞，形成滑坡，其破壞方式為拉張—壓裂—滑移破壞。

4 結 論

本文以新疆塔縣某一典型地震觸發的順向巖質滑坡為研究對象，利用數值模擬方法對此類巖質滑坡的失穩破壞機理進行了研究，得到以下結論：

(1) 塔縣地區的巖質滑坡穩定性主要受地震和結構面的影響。巖質滑坡失穩破壞機理為在地震力作用下，滑坡巖體與坡向平行的結構面發生剪切錯動，并最終形成貫通性破壞面，從而發生整體破壞，滑坡的破壞方式為拉張—壓裂—滑移破壞。該結論對地震高烈度區受平行于坡面的一組節理切割且三面臨空的巖質滑坡的穩定性評價具有一定的參考價值。

(2) 數值模擬結果顯示：天然狀態下和在加速度分別為2.5 m/s、3.45 m/s和7.07 m/s的地震力作用下，滑坡穩定性隨地震加速度的增大而逐漸變弱，滑坡變形破壞的臨界加速度在3.45～7.07 m/s之間，而臨界地震烈度為IX度。

(3) 當地震加速度為7.07 m/s時，滑坡失穩破壞，其堆積物最終越過河谷并爬上對岸岸坡，并最終在對岸岸坡的阻擋下停止運動，堆積下來。數值模擬所得滑坡堆積物的堆積形態與現場堆積形態基本一致，說明本次數值模擬的結果是可信的。