周洪福, 韋玉婷, 王運生, 劉 宏
(1.中國地質(zhì)調(diào)查局 成都地質(zhì)調(diào)查中心,成都 610081; 2.四川省地質(zhì)工程勘察院,成都 610072;3.地質(zhì)災害防治與地質(zhì)環(huán)境保護國家重點實驗室(成都理工大學),成都 610059; 4.成都市勘察測繪研究院,成都 610081)
1786年磨西地震觸發(fā)的摩崗嶺滑坡演化過程與成因機理
周洪福1, 韋玉婷2, 王運生3, 劉 宏4
(1.中國地質(zhì)調(diào)查局 成都地質(zhì)調(diào)查中心,成都 610081; 2.四川省地質(zhì)工程勘察院,成都 610072;3.地質(zhì)災害防治與地質(zhì)環(huán)境保護國家重點實驗室(成都理工大學),成都 610059; 4.成都市勘察測繪研究院,成都 610081)
研究1786年磨西地震觸發(fā)的摩崗嶺滑坡特征及形成演化過程。采用資料收集、地面調(diào)查、三維實體模型、高精度遙感影像、理論分析、數(shù)值模擬等技術(shù)方法,對摩崗嶺滑坡的形成進行全過程演化分析。摩崗嶺地震滑坡演化過程分為6個階段:河谷高邊坡形成階段以及斜坡淺表部巖體卸荷拉裂階段、卸荷拉裂隙擴展階段、潛在滑動面形成階段、震動拉裂和高速啟動階段、拋射撞擊潰散階段、滑體堵江及潰決階段。其成因機理為卸荷震動拉裂-剪斷拋射堆積。
地震滑坡;摩崗嶺滑坡;摩西地震;演化過程;成因機理
地震滑坡是由于地震作用或者地震力觸發(fā)的一種滑坡類型。前人的一些研究資料表明,在地形復雜的山區(qū),地震震級(ML)gt;4.0便可觸發(fā)地震滑坡[1-4];而當?shù)卣鹫鸺塎L≥6.0,特別是ML≥7.0的地震活動中,一次地震觸發(fā)的地震滑坡可達上萬處。例如2008年5·12汶川地震共觸發(fā)數(shù)萬處滑坡[5],因地震滑坡導致死亡約20 000人,約占汶川地震死亡人員總數(shù)的1/4[6]。
中國東部為西太平洋地震帶,西南為地中海-馬拉雅地震帶,處在2條全球性地震帶的中間。加之新構(gòu)造運動強烈,頻繁出現(xiàn)破壞性地震。因此中國大陸地區(qū)是全球大陸地震最集中和活動性最高的地區(qū)之一[7]。破壞性地震往往造成大量地震滑坡,并且在局部地段由于密集的人口和強烈的人類經(jīng)濟活動,這些破壞性地震滑坡往往造成相當大的人員傷亡和財產(chǎn)損失。
地震滑坡災害預測、預防的前提條件是地震滑坡機理的深入研究,但是目前國內(nèi)外對地震滑坡成因機理的研究還沒有達到很成熟的階段。尤其是2008年汶川地震觸發(fā)的大光包滑坡的形成機制與原有認知存在著較大的不同[8],引發(fā)許多學者開展了廣泛探討和深入細致的研究。
黃潤秋等[9]用“拉裂-滑移” 來概括強震條件下大型滑坡失穩(wěn)破壞模式,并提出了拉裂-順走向滑移型、拉裂-順(層)傾向滑移型、拉裂-水平滑移型、拉裂-散體滑移型、拉裂-剪斷滑移型等幾類典型的地震滑坡成因模式。殷躍平[10]認為5·12汶川地震觸發(fā)的大型高速遠程滑坡體具有“地震拋擲”-“撞擊崩裂”-“高速滑流”3階段特征,并指出在高速滑流階段,可存在3種效應,即高速氣墊效應、碎屑流效應和鏟刮效應。胡廣韜[11]提出了邊坡動力失穩(wěn)機制的坡體波動振蕩加速效應假說,并且認為在動力作用下的斜坡變形和失穩(wěn)機制存在一定的差異。祁生文等[12]認為地震工況下,邊坡失穩(wěn)是由于2個原因造成的:地震慣性力的作用和地震產(chǎn)生的超靜孔隙水壓力迅速增大和累積作用。張永雙等[13]對地震滑坡與活動斷裂帶的內(nèi)在耦合因素進行分析的結(jié)果表明活動斷裂帶對地震滑坡的形成有著重要的影響。吳俊峰等[14]從構(gòu)造、淺表生時效變形和背坡面效應等方面初步分析了摩崗嶺滑坡成因機理。Dai等[15]主要從滑坡堵江以及潰壩形成的洪水對摩崗嶺滑坡特征進行了分析。張御陽[16]則基于離散元分析計算了摩崗嶺滑坡下滑過程的運動和速度特征。
上述學者多從宏觀或微觀方面對地震滑坡成因機理進行了分析研究,而對地震滑坡全過程演化研究的較少。因此本文以1786年摩西地震造成的摩崗嶺滑坡為例,通過現(xiàn)場調(diào)查、三維實體模型、數(shù)值分析、理論研究等多種技術(shù)方法對摩崗嶺滑坡的形成進行全過程演化分析,在此基礎上對摩崗嶺滑坡的成因機理進行分析總結(jié)。研究成果對地震和斷裂帶耦合作用下斜坡巖體失穩(wěn)破壞模式的研究具有一定的借鑒作用。
摩崗嶺滑坡位于四川省瀘定縣得妥鄉(xiāng)金光村,大渡河右岸,地理坐標為:北緯29°37′30.726″,東經(jīng)102°09′41.190″。根據(jù)史料記載[16-17],1786年6月1日(清乾隆五十一年五月六日)康定、磨西間發(fā)生7.75級地震,宏觀震中位于雅家梗附近,震中烈度達到Ⅹ度。位于震中附近的摩崗嶺滑坡所在區(qū)域地震烈度也達到Ⅸ度(圖1)。這次地震直接觸發(fā)了摩崗嶺滑坡,并且在滑坡下滑后堵塞大渡河長達9 d后潰決。目前調(diào)查的滑坡體是潰決后殘留的滑坡體?;滤谛逼马敳康暮0胃叨葹? 850~1 880 m,坡腳海拔高度為1 120~1 130 m,整個斜坡高差為730~750 m。摩崗嶺滑坡后緣海拔高度為1 580~1 600 m,滑坡前緣位于大渡河邊,整個滑坡垂直高差為460~480 m。
圖1 1786年6月1日康定、瀘定磨西間7.75級地震等震線圖Fig.1 The isoseismal map of Kangding-Moxi Ms 7.75 earthquake in June of 1, 1786
根據(jù)摩崗嶺滑坡不同部位的地形地貌、物質(zhì)結(jié)構(gòu)組成、性狀、位置等特征,可將該滑坡劃分為3個大區(qū)(圖2):滑體堆積區(qū)(Ⅰ)、滑源區(qū)(Ⅱ)和坡面滑塌區(qū)(Ⅲ)[14]。其中滑體堆積區(qū)又可以進一步細分為主堆積區(qū)(Ⅰ1)和大渡河左岸殘體區(qū)(Ⅰ2);滑源區(qū)可以進一步細分為巖壁區(qū)(Ⅱ1)和崩坡堆積區(qū)(Ⅱ2)。
摩崗嶺滑坡在地形地貌上呈典型圈椅狀,主滑方向為NE70°~75°,滑坡堆積體沿大渡河寬為900~950 m,長為350~500 m,平面面積約為0.41 km2。根據(jù)摩崗嶺滑坡區(qū)等高線以及在滑坡上不同部位進行鉆探揭露滑體厚度可以得到摩崗嶺滑坡的三維實體模型(圖3),根據(jù)三維實體模型以及滑坡平面和剖面形態(tài)與大小可以計算得到摩崗嶺滑坡大渡河右岸主堆積體(Ⅰ1區(qū)和Ⅱ2區(qū))體積約為21×106m3。
圖2 摩崗嶺滑坡整體特征及分區(qū)Fig.2 The zonation and characteristics of Mogangling landslide
圖3 摩崗嶺滑坡堆積區(qū)三維實體模型Fig.3 3D model of Mogangling landslide
滑坡區(qū)地層為澄江-晉寧期康定雜巖,巖性主要為花崗巖、閃長巖(圖4),局部發(fā)育有輝綠巖脈?;孪掠蔚貛в锈涢L花崗巖出露,大渡河左岸則出露混合花崗巖。在大渡河兩岸階地有滑坡堆積、崩坡積和沖洪積等第四系物質(zhì)。
受大的區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造影響,摩崗嶺滑坡所在區(qū)域斷裂總體走向北東向,主要發(fā)育的斷裂為得妥斷裂。在滑坡區(qū)得妥斷裂分為東西兩支,東支從大渡河左岸通過,西支從滑坡體中部通過(圖4)。作者在摩崗嶺滑坡后緣和側(cè)壁基巖中測得上百條裂隙進行分組研究成果表明(圖5),摩崗嶺滑坡基巖中共發(fā)育4組優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面,其中3組優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面的傾角在45°以上,另外一組優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面的傾角在30°以上,表明基巖中結(jié)構(gòu)面的傾角普遍較陡。
大量現(xiàn)場調(diào)查和室內(nèi)研究結(jié)果表明,摩崗嶺地震滑坡的形成并不是由單一因素造成的,而是多種因素共同作用的結(jié)果。這些作用因素包括:滑坡所在斜坡地形地貌特征、河谷應力場特征、巖體結(jié)構(gòu)特征、構(gòu)造運動特征、地震作用等。綜合調(diào)查分析結(jié)果,摩崗嶺滑坡形成演化過程可以分為6個主要階段:河谷高邊坡形成階段以及斜坡淺表部巖體卸荷拉裂階段、卸荷拉裂隙擴展階段、潛在滑動面形成階段、震動拉裂和高速啟動階段、拋射撞擊潰散階段、滑體堵江及潰決階段。下面采用多種方法對摩崗嶺滑坡的形成演化過程和成因機理進行綜合分析。
圖4 摩崗嶺滑坡工程地質(zhì)平面圖Fig.4 Engineering geological ichnography of Mogangling landslide
圖5 摩崗嶺滑坡所在基巖斜坡裂隙優(yōu)勢方位Fig.5 The preferred orientation of fractures of the Mogangling landslide
2.1河谷高邊坡形成以及斜坡淺表部巖體卸荷拉裂階段
由于大渡河和磨西河的逐漸下切,摩崗嶺滑坡所在斜坡形成。在河流下切形成高陡、兩面臨空斜坡的過程中,斜坡巖體向臨空面發(fā)生卸荷回彈,導致斜坡頂部巖體順結(jié)構(gòu)面發(fā)生拉張變形(圖6)。
有限元計算結(jié)果也同樣表明摩崗嶺滑坡所在斜坡在大渡河和摩西河下切過程中發(fā)生了強烈的卸荷變形(圖7)。為了更加精確地模擬大渡河和磨西河下切全過程,有限元模型一共分6步下切到現(xiàn)今河流所在位置,河流下切總高度達到730~750 m。計算結(jié)果表明,當大渡河下切到現(xiàn)今河谷位置時,斜坡淺表部巖體向臨空面發(fā)生了較大程度的卸荷回彈變形,回彈位移量達到0.95~1.1 m(圖8),并且斜坡淺表部巖體最大主應力卸荷量值普遍在7~13 MPa(圖9)。高的卸荷回彈和應力釋放是造成巖體強烈卸荷變形的主要因素,而巖體的強烈卸荷變形意味著斜坡淺表部巖體中的裂隙普遍張開,巖體結(jié)構(gòu)和完整性遭到破壞,力學性能和穩(wěn)定性降低。
理論分析結(jié)果也表明,在河流下切形成河谷斜坡的過程中,由于側(cè)向應力解除,產(chǎn)生向斜坡臨空面的回彈變形,斜坡應力隨之調(diào)整以適應不斷發(fā)展的變形狀態(tài),形成如圖10所示應力場[16]。應力量值從斜坡內(nèi)部向表部逐漸降低,在斜坡淺表部出現(xiàn)應力降低區(qū),甚至出現(xiàn)拉應力區(qū)。低應力區(qū)對斜坡穩(wěn)定性有著不利的影響。
圖6 大渡河下切,斜坡上部巖體卸荷回彈并出現(xiàn)拉張裂隙Fig.6 Unloading rebound and tension fractures of slope rock mass during downward erosion of Dadu River
圖7 河流下切前計算模型Fig.7 The FEM model before river downward erosion夷平面海拔高度為2 300 m,地面水平
圖8 大渡河下切到現(xiàn)今河谷位置斜坡淺表部巖體卸荷回彈位移量值Fig.8 Unloading rebound displacement of superficial rock mass after the downward erosion of Dadu River
圖9 河流下切到現(xiàn)今河谷位置斜坡淺表部巖體σ1卸荷量值Fig.9 The σ1 unloading of superficial rock mass after river downward erosion
2.2 卸荷拉裂隙擴展階段
在河流下切及摩崗嶺滑坡所在斜坡形成過程中,隨著下切深度的不斷加大,斜坡淺表部巖體中的最大主應力方向逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槠叫行逼卤砻娴姆较?;并且在斜坡淺表部巖體中發(fā)育一組與斜坡表面大致平行的陡傾結(jié)構(gòu)面(傾向為75°~105°,傾角為50°~82°)。在這種應力場的作用下,斜坡中上部卸荷拉張裂隙在斜坡自重作用下不斷向斜坡中下部延伸、發(fā)展、擴大,同時在斜坡中下部也出現(xiàn)新的拉張裂隙(圖11)。
圖10 河谷應力場及卸荷裂隙機理示意圖Fig.10 The diagram showing unloading discontinuities and valley stress field(據(jù)黃潤秋,2005)[16]
2.3 斷層剪脹以及潛在滑動面形成階段
隨著大渡河的不斷下切,斜坡巖體繼續(xù)向臨空面卸荷回彈,在斜坡巖體自重應力、最大主應力的共同作用下,斜坡淺表部不斷出現(xiàn)新的拉張裂隙,并且這些拉張裂隙逐漸剪斷裂隙之間的鎖固段巖體向斜坡中下部延伸、擴展(圖12)。
當大渡河進一步下切,發(fā)育在斜坡中下部的得妥斷裂出露地表。受斜坡巖體自重應力的影響,得妥斷裂產(chǎn)生向下的塑性變形,并且有限元計算結(jié)果也表明得妥斷裂在斜坡淺表部出現(xiàn)高剪應力區(qū)(圖13),使得此處斷裂帶巖體發(fā)生明顯的剪脹作用。剪脹作用導致斷層及附近巖體進一步破碎解體呈碎塊狀并降低潛在滑動面的抗剪強度。
圖11 斜坡淺表部卸荷拉張裂隙繼續(xù)延伸、擴展Fig.11 The stretching and propogating of unloading tensile fractures on the slope of superficial rock mass
圖12 得妥斷裂西支發(fā)生剪脹作用,潛在滑動面形成Fig.12 The potential sliding surface duo to the dilatancy of Detuo fault
圖13 斜坡淺表部得妥斷裂處出現(xiàn)高剪應力區(qū)Fig.13 High shear stress zone in Detuo fault on the slope superficial rock mass
在剪脹和拉張裂隙共同作用下,支撐斜坡巖體穩(wěn)定的鎖固段逐漸被剪斷破壞,發(fā)育在斜坡淺表部巖體的拉張裂隙逐漸貫通,潛在滑動面逐漸形成。
2.4 震動拉裂及高速啟動階段
1786年6月1日摩西地震發(fā)生時,地震波中的縱波首先到達摩崗嶺滑坡所在斜坡,并且使斜坡巖體淺表部中發(fā)育的有一定張開的優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面發(fā)生強烈的上下錯動。隨后在縱波和橫波共同作用下,斜坡巖體中這組優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面發(fā)生進一步的拉裂變形(圖14)。
在地震動力的持續(xù)作用下,潛在滑動面強度不斷降低,并發(fā)生破裂。最終在地震波高位放大效應、背坡面效應、界面動應力效應以及雙面坡效應等各種地震動應力效應的作用下,潛在滑動面上殘留的鎖固段巖體被突然剪斷,在地震動力的強大作用下,脫離斜坡并向斜坡下方高速運動。
圖14 斜坡震動拉裂、與母巖分離Fig.14 Slope pull apart by earthquake and separated from bedrock
2.5 拋射撞擊潰散階段
滑體在強大的地震力作用下,脫離斜坡巖體經(jīng)過短暫的拋射飛行后,滑坡體撞擊斜坡表部。巨大的撞擊能量使得滑坡體迅速解體、破碎,僅有很小一部分保留原巖的基本特征。撞擊在斜坡表部后滑坡體繼續(xù)向斜坡下部高速運動,使得已經(jīng)破壞解體的滑坡體物質(zhì)進一步潰散,形成更為破碎的巖屑等物質(zhì)。當滑坡體運動到斜坡底部時,由于勢能全部轉(zhuǎn)化為動能,此時滑坡碎屑體運動速度達到最大,強大的運動慣性使滑坡碎屑體繼續(xù)向大渡河左岸花石包階地運動。隨著左岸斜坡地形變陡,滑坡碎屑體動能轉(zhuǎn)化為勢能,運動速度急劇降低,并在短時間內(nèi)最終停止運動(圖15)。
從現(xiàn)場調(diào)查情況可知,摩崗嶺滑坡在磨西地震時受地震波高位放大效應的影響,作用在滑坡體中上部的水平地震動峰值加速度較大,導致部分碎裂化的滑坡體物質(zhì)出現(xiàn)長距離拋射飛行的特點?,F(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)這些拋射的碎裂化巖體最遠甚至拋射到大渡河對岸的花石包階地,目前殘留在花石包階地表部最大的一塊拋射巨石直徑達到18 m (圖16)。
圖15 斜坡高速拋射下滑、撞擊、潰散Fig.15 The high-speed projection slide, impaction and collapse on the slope
2.6 滑體堵江及潰決階段
破碎解體的摩崗嶺滑體物質(zhì)從斜坡上部高速向斜坡下方運動,瞬間完全堵斷大渡河,形成堰塞壩(圖17)。堰塞壩后的大渡河水位迅速上升,據(jù)文獻記載,堰塞湖淹沒了冷磧鎮(zhèn)唯一的一顆大銀杏樹(海拔高度1 300 m),瀘定橋上甚至可以坐下洗腳(海拔高度1 305 m)。在堰塞壩堵斷大渡河9 d后,不斷上升的堰塞湖水開始漫過堰塞壩體頂部并形成溢流[16]。隨著水流的不斷沖刷,在堰塞壩體較低處逐漸形成泄流槽,并且泄流槽不斷擴大。另外,由于堰塞壩體內(nèi)部物質(zhì)松散,在高位湖水的作用下載壩體內(nèi)部形成多處滲流通道。在上述因素的共同作用下,堰塞壩體最終在1786年6月10日凌晨3時左右發(fā)生大潰決。堰塞壩體大部分被大渡河水帶走,經(jīng)過200多年的河流改造侵蝕,形成現(xiàn)今摩崗嶺地震滑坡大渡河右岸主堆積區(qū)和大渡河左岸殘留體(圖18)。
圖16 摩崗嶺滑坡下滑過程中拋射到大渡河左岸花石包階地表部的巨石Fig.16 The huge stone tossed over to the left bank of Dadu River during sliding of Mogangling landslide
圖17 滑坡體完全堵斷大渡河Fig.17 The Dadu River completely blocked by landslide body
綜合上述分析,摩崗嶺滑坡成因機制為:卸荷震動拉裂-剪斷拋射堆積。
圖18 堰塞體潰決并經(jīng)過河流改造侵蝕形成現(xiàn)今摩崗嶺滑坡殘留體Fig.18 Present Mogangling landslide after the dam collapse and subsequent river erosion
a.摩崗嶺滑坡是一個典型的地震滑坡,是由1786年6月1日摩西地震直接觸發(fā)的一個大型地震滑坡?;略诘卣饡r下滑破壞后曾完全堵斷大渡河形成堰塞壩,后在6月10日凌晨堰塞壩發(fā)生潰決形成如今的摩崗嶺滑坡殘留體。
b.摩崗嶺滑體可以分為3個大區(qū):滑體堆積區(qū)(Ⅰ區(qū))、滑源區(qū)(Ⅱ區(qū))和坡面滑塌區(qū)(Ⅲ區(qū))。其中滑體堆積區(qū)又可以進一步細分為主堆積區(qū)(Ⅰ1區(qū))和大渡河左岸殘體區(qū)(Ⅰ2區(qū));滑源區(qū)可以進一步細分為巖壁區(qū)(Ⅱ1區(qū))和崩坡堆積區(qū)(Ⅱ2區(qū))。
c.摩崗嶺滑坡主滑方向為NE70°~75°,目前在大渡河右岸滑坡堆積體長為350~500 m,沿大渡河寬為900~950 m, 平面面積約為0.41 km2。大渡河右岸殘留滑坡體積約為21×106m3。摩崗嶺滑坡體在大渡河左岸還有部分殘留體,體積約為數(shù)千立方米。
d.摩崗嶺地震滑坡的演化過程可以分為河谷高邊坡形成階段以及斜坡淺表部巖體卸荷拉裂階段、卸荷拉裂隙擴展階段、潛在滑動面形成階段、震動拉裂及高速啟動階段、拋射撞擊潰散階段、滑體堵江及潰決階段等6個階段。
e.摩崗嶺滑坡成因機制為卸荷震動拉裂-剪斷拋射堆積。
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DiscussionontheformationevolutionandgeneticmechanismofMoganglinglandslidetriggeredbyMoxiearthquake,Sichuan,China
ZHOU Hongfu1, WEI Yuting2, WANG Yunsheng3, LIU Hong4
1.ChengduCenter,ChinaGeologicalSurvey,Chengdu610081,China;2.Geo-EngineeringInvestigationInstituteofSichuanProvince,Chengdu610072,China;3.StateKeyLaboratoryofGeohazardPreventionandGeoenvironmentProtection,ChengduUniversityofTechnology,Chengdu610059,China;4.ChengduInstituteofSurveyamp;Investigation,Chengdu610081,China
The characteristics of Mogangling landslide, triggered by Moxi earthquake in 1786, and its formation and evolution are studied by means of data collection, field investigation, 3D-modeling, high resolution remote sensing image interpretation, theoretical analysis and FEM modeling. Focus is put on the analysis of formation and evolution process of the Mogangling landslide. It reveals that the earthquake-induced Mogangling landslide has experienced 6 stages of evolution processes. Firstly, high valley slope appears in the area, followed by the formation of unloading induced fractures of superficial rock mass on the slope. Then, the unloading induced fractures develop, propagate and form the potential sliding plane. Earthquake enhances fractures and initiates the high-speed start-up of landslide, followed by projection slide, impaction and collapse. The landslide mass blocks the Dadu River and forms a barrier lake, and finally, the blocked dam collapsed. Therefore, the formation mechanisms of Mogangling earthquake-induced landslide can be summarized as unload-shock- fracture, shear off- projection-pile.
earthquake-induced landslide; Mogangling landslide; Moxi earthquake; genetic evolution; formation mechanism
P642.22
A
10.3969/j.issn.1671-9727.2017.06.02
1671-9727(2017)06-0649-10
2017-04-12。
中國地質(zhì)調(diào)查局國土資源大調(diào)查項目(DD20160272, 12120114069501)。
周洪福(1980-),男,博士,教授級高級工程師,從事工程巖土體穩(wěn)定性和地質(zhì)災害調(diào)查等方面的研究工作, E-mail:zhf800726@163.com。