彭政奎， 楊東強(qiáng)

(核工業(yè)西南勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司， 四川 成都 610059)

0 引 言

1920年的海原大地震是我國(guó)歷史上最大的地震之一，發(fā)生時(shí)間為1920年12月16日20時(shí)06分，震中位于海原縣縣城以西哨馬營(yíng)和大溝門之間，東經(jīng)105.7度，北緯36.7度，震中烈度12度，震源深度17 km，屬破壞性最強(qiáng)的淺源地震[1].此次地震釋放的能量巨大，損毀房屋建筑，并直接誘發(fā)大規(guī)?；露噙_(dá)數(shù)千個(gè)，主要分布在極震區(qū)的寧夏西海固地區(qū)以及甘肅靜寧與會(huì)寧地區(qū)[2].針對(duì)海原地震誘發(fā)的滑坡機(jī)理，科研人員做了大量的分析并取得了很多研究成果[3-8]，總體而言，對(duì)于黃土地區(qū)地震誘發(fā)的滑坡群的形成機(jī)理和運(yùn)動(dòng)特征的研究還十分有限.對(duì)此，本研究在通過(guò)對(duì)地震誘發(fā)滑坡災(zāi)害高密度區(qū)走訪調(diào)查的基礎(chǔ)上，選取典型黃土滑坡群進(jìn)行實(shí)地測(cè)量及現(xiàn)場(chǎng)勘探，在獲取大量重要數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，對(duì)研究區(qū)域所選取的典型黃土滑坡群的形成機(jī)理和運(yùn)動(dòng)特征進(jìn)行分析，提出此類滑坡群的發(fā)育特征和形成機(jī)制，并對(duì)此類滑坡的運(yùn)動(dòng)過(guò)程提出“四個(gè)階段”模式，此對(duì)滑坡的危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)和其發(fā)生的邊界位置預(yù)測(cè)具有一定實(shí)際意義.

1 工程地質(zhì)及水文條件

1.1 工程地質(zhì)狀況

研究區(qū)域地形連綿起伏，屬于黃土丘陵中等切割區(qū)，主要表現(xiàn)為黃土梁、峁以及坳溝等典型黃土地貌，坡頂最高海拔高度約為2 000 m，坡底最低海拔高度約為1 800 m，斜坡坡度以15°～20°為主，沿著黃土梁兩側(cè)的大、中型滑坡較為發(fā)育，可見多個(gè)滑向趨于一致的滑坡彼此相連，形成十分壯觀的連拱狀后壁大型滑坡群.

現(xiàn)場(chǎng)勘探發(fā)現(xiàn)，該滑坡區(qū)域上部地層屬第四系上更新統(tǒng)及中更新統(tǒng)黃土覆蓋層，下伏基巖為新近紀(jì)泥巖、滑坡區(qū)出露的地層巖性具體為:

2)新近紀(jì)(Nh)泥巖.滑坡區(qū)新世紀(jì)(Nh)泥巖呈磚紅色、紅色，質(zhì)密且相對(duì)隔水，無(wú)明顯層理，抗壓、抗剪強(qiáng)度均較高.現(xiàn)場(chǎng)探孔揭露其在與黃土接觸面上風(fēng)化較嚴(yán)重，強(qiáng)風(fēng)化帶厚約為3～5 m，在黃土剝蝕嚴(yán)重的陡坡和下切較深的河溝兩岸均可見露頭.

1.2 水文條件

研究區(qū)域地下水的類型以第四系黃土類潛水為主，主要是接受當(dāng)?shù)卮髿饨邓a(bǔ)給，經(jīng)黃土垂直節(jié)理直接下滲，徑流途徑短，且在下伏新近紀(jì)泥巖面形成相對(duì)隔水層.在黃土斜坡里，沿著基覆界面，水位變化往往呈陡降趨勢(shì).

2 滑體特征

在滑體特征分析中，本研究選取西吉縣田坪鄉(xiāng)腰莊村的大型黃土滑坡群作為分析參考象，其地貌情況如圖1、圖2所示.滑坡區(qū)地理坐標(biāo)為N35°54′46.3″，105°24′31.9″，距震中約56 km，該滑坡群是由4個(gè)規(guī)模相近、主滑向一致的子滑坡連接而成，其具體參數(shù)見表1.

圖1滑坡群全圖

圖2 滑坡區(qū)域遙感圖

現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查顯示，這4個(gè)子滑坡構(gòu)成的滑坡邊界十分清晰，平面形態(tài)上呈“四連拱形”，總體滑動(dòng)方向?yàn)?5°.滑坡所在的黃土斜坡坡頂高程為1 983 m，坡腳高程為1 895 m，斜坡平均坡度為15°，單個(gè)子滑坡的平面形態(tài)呈圈椅狀，相鄰的子滑坡間仍保留了一小段與后壁相連的滑坡側(cè)壁，整個(gè)滑坡群具有很好的整體性.其中，4#滑坡的上游側(cè)壁和1#滑坡的下游側(cè)壁又分別構(gòu)成了整個(gè)滑坡群的上下游邊界.

此外，整個(gè)滑坡群靠近后緣位置均可見洼地和平臺(tái)，中部地形起伏多變，呈波浪狀，波峰波谷特征分明，長(zhǎng)軸方向與主滑方向基本垂直.滑坡堆積體前緣地形稍稍隆起，形成鼓丘，繼續(xù)向前抵達(dá)對(duì)岸坡腳，其地形較為平坦，呈現(xiàn)為4°～6°的小傾角爬坡，并在滑坡對(duì)岸的坡腳處形成反殼堆積.

3 成因機(jī)制分析

3.1 失穩(wěn)原因分析

相關(guān)研究表明，滑坡的形成往往是多個(gè)因素共同影響的結(jié)果，但針對(duì)本研究區(qū)的滑坡，其主要影響因素可以歸納為坡體結(jié)構(gòu)和地震作用兩個(gè)方面.

圖3腰莊滑坡群I-I工程地質(zhì)剖面圖

3.1.1 坡體結(jié)構(gòu)

現(xiàn)場(chǎng)勘探發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)域的黃土與新近紀(jì)泥巖間的層間接觸面構(gòu)成一個(gè)天然的軟弱結(jié)構(gòu)面，由于黃土垂直滲透系數(shù)大，下部泥巖卻相對(duì)隔水，順黃土節(jié)理下滲的地表水受泥巖阻擋，蓄積于泥巖表面，容易引起地下水位上升，使常年浸泡在地下水中的黃土基本達(dá)到飽和狀態(tài)，有效應(yīng)力值低.同時(shí)，兼受地下水溶蝕軟化的影響，在黃土與泥巖接觸面上形成一個(gè)天然軟弱帶，其抗剪、抗拉能力弱，這為坡體失穩(wěn)提供了極為重要的內(nèi)在條件.

3.1.2 地震作用

該地區(qū)在地震發(fā)生時(shí)，產(chǎn)生的地震波由震中向外傳播，由于震級(jí)高(8.5級(jí))、釋放的能量大，且研究區(qū)離震中較近(約65 km，屬IX度烈度區(qū))，導(dǎo)致破壞性較強(qiáng).地震波中首先傳到坡體上的是P波，對(duì)坡體反復(fù)進(jìn)行強(qiáng)烈的“壓縮—擴(kuò)張”作用，上覆黃土和基巖面上形成的天然軟弱帶強(qiáng)度首先遭到削弱；緊接著到達(dá)的是破壞性更強(qiáng)的S波(剪切波)，使坡體劇烈搖晃，并在坡面上產(chǎn)生臨空向的地震推力，使坡體的軟弱帶遭到大位移剪切以及拉裂破壞，形成貫通的滑面；同時(shí)，在L波(混合波)的作用下，坡體完全失去穩(wěn)定性，所形成的滑楔體具有一定初始加速度，并在重力場(chǎng)的影響下，開始啟動(dòng).

3.2 連拱破壞特點(diǎn)

現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)坡體失穩(wěn)滑動(dòng)時(shí)不是形成一個(gè)完整單一的后壁，而是出現(xiàn)了這種“連拱形”分區(qū)又相對(duì)連續(xù)的滑坡后壁，究其原因有以下幾點(diǎn)：

1)微地貌控制.黃土滲透性強(qiáng)，且具有特殊的水敏性質(zhì)，長(zhǎng)年累月遭受雨水溶蝕作用，在黃土坡頂和坡面上形成很多落水洞，當(dāng)坡體遭受地震拉裂剪切破壞時(shí)，在后緣出現(xiàn)拉裂縫，當(dāng)拉裂縫恰好穿過(guò)串珠似的落水洞時(shí)，則會(huì)以某個(gè)落水洞的位置發(fā)生引導(dǎo)變向，裂縫不斷延伸并最終形成一個(gè)單獨(dú)的滑坡后壁[9].

2)黃土強(qiáng)度低.由于黃土天然強(qiáng)度很低，垂直節(jié)理發(fā)育，因此其水平面任意方向的抗拉強(qiáng)度都很低，在地震破壞過(guò)程中，形成的后緣拉裂面很難保持長(zhǎng)距離下的完整性，而是出現(xiàn)分段現(xiàn)象，表現(xiàn)為后緣平面形態(tài)上的連拱形.

3)局部地形影響.黃土地區(qū)的斜坡坡頂并非十分平坦，而是波狀起伏，同時(shí)由于受雨水侵蝕，沿著坡面出現(xiàn)很多小的水蝕淺溝，這種地形對(duì)整個(gè)黃土梁形具有一定的切割和分塊作用.因而在坡體失穩(wěn)時(shí)，在這種淺溝里很容易形成應(yīng)力集中區(qū)，在地震時(shí)優(yōu)先發(fā)展成破裂面.

4 運(yùn)動(dòng)特征

通過(guò)實(shí)地測(cè)量及現(xiàn)場(chǎng)勘探，并對(duì)大量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，本研究將滑坡的整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程分為以下4個(gè)階段，其特征如圖4所示.

1)破壞啟動(dòng)階段.地震波到達(dá)坡體時(shí)，給坡體提供了一個(gè)臨空向的附加應(yīng)力，打破了坡體原來(lái)的應(yīng)力平衡狀態(tài)，沿著坡體內(nèi)部的軟弱面逐漸形成貫通的滑面，并在重力和地震力的共同作用下，坡體開始失穩(wěn)滑動(dòng).

2)運(yùn)動(dòng)拉裂階段.天然黃土結(jié)構(gòu)較為疏松，在震動(dòng)荷載的作用下，土體的微觀結(jié)構(gòu)遭到破壞，伴隨著地下水的影響，黃土發(fā)生震陷，在局部垂向運(yùn)動(dòng)和整體水平向運(yùn)動(dòng)的二維運(yùn)動(dòng)場(chǎng)里，滑楔體整體結(jié)構(gòu)開始破壞，并在后部出現(xiàn)拉裂縫和拉陷槽.

3)解體流滑階段.這一階段，黃土原狀結(jié)構(gòu)基本被破壞.微觀上，黃土中的大孔隙被細(xì)顆粒填充， 地下水上涌使黃土達(dá)到飽和狀態(tài)，孔隙壓力增大，發(fā)生液化現(xiàn)象；宏觀上，滑體加速運(yùn)動(dòng)并趨于完全解體，整體上表現(xiàn)為上部干燥的黃土形成碎屑體，壓附在下部飽水黃土形成的泥流上，動(dòng)摩擦系數(shù)很小，運(yùn)動(dòng)受阻程度小，滑體呈現(xiàn)出高速流滑的運(yùn)動(dòng)特征.

圖4滑坡形成過(guò)程示意圖

4)堆積穩(wěn)定階段.滑坡啟動(dòng)后，由于坡體高差大導(dǎo)致位能轉(zhuǎn)化成的勢(shì)能高，在流滑的運(yùn)動(dòng)模式下，滑坡高速滑動(dòng).當(dāng)滑坡運(yùn)動(dòng)一定距離后，其能量大幅消耗衰減，運(yùn)動(dòng)體前部沖撞對(duì)岸的山坡坡腳受阻形成反殼堆積，滑坡體的運(yùn)動(dòng)能量基本消耗殆盡，此時(shí)，在整個(gè)運(yùn)動(dòng)面上形成滑坡堆積物，并且達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài).

5 結(jié) 語(yǔ)

本研究在對(duì)1920年發(fā)生的海原大地震所誘發(fā)的大型黃土滑坡群進(jìn)行調(diào)查和勘探的基礎(chǔ)上，展開對(duì)其形成機(jī)制和運(yùn)動(dòng)特征的討論和分析，總結(jié)出此類型滑坡的一般規(guī)律，具體表現(xiàn)為：

1)在黃土地區(qū)的這種下伏新近紀(jì)泥巖，上部為第四系黃土層的地質(zhì)模式下，當(dāng)強(qiáng)震發(fā)生時(shí)，滑坡往往沿著其接觸面的軟弱帶向下滑動(dòng).

2)此類滑坡形成機(jī)理可以歸納為內(nèi)因和外因兩個(gè)方面，即坡體自身結(jié)構(gòu)存在的天然軟弱帶，地震波的3種傳播方式對(duì)坡體的累計(jì)破壞.

3)該區(qū)域滑坡的“連拱后壁”形態(tài)十分特殊和典型，究其原因，可歸納為微地貌控制、黃土強(qiáng)度低以及局部地形影響3個(gè)方面.

4)該類型滑坡的運(yùn)動(dòng)可以分為4個(gè)階段，即破壞啟動(dòng)、運(yùn)動(dòng)拉裂、解體流滑和堆積穩(wěn)定階段.坡體在下滑的過(guò)程中逐步解體失去整體性，滑速大、滑距遠(yuǎn)，表現(xiàn)為一種接近“流態(tài)”的特殊運(yùn)動(dòng)特征.