陶鑫鑫 楊瑩輝 范宣梅 許 強 肖 鈺 陳 強 胡植慶

1 成都理工大學地質(zhì)災害防治與地質(zhì)環(huán)境保護國家重點實驗室,成都市東三路1號,610059 2 西南交通大學地球科學與環(huán)境工程學院,成都市犀安路999號,611756 3 臺灣大學理學院,臺北市羅斯福路四段1號,10617

構(gòu)造內(nèi)動力對滑坡災害發(fā)育的影響主要有2個方面:1)縱向上的殼幔耦合作用[1];2)橫向上的斷層耦合作用[2]。但受限于殼幔結(jié)構(gòu)復雜、直觀可視性較差、監(jiān)測手段缺失等因素,直接開展殼幔耦合內(nèi)動力作用的致災研究仍較為困難,因此橫向斷層耦合作用仍是目前研究的重點。

針對橫向斷層耦合作用對滑坡的致災機制,一些學者認為,在長期構(gòu)造運動下,活動斷裂帶附近的巖體受多次構(gòu)造應力改造后,破碎程度普遍偏高,從而降低了坡體的完整性和穩(wěn)定性,促進了滑坡的發(fā)育[2-3]。也有一些學者認為,構(gòu)造運動可改變斜坡內(nèi)的應力分布狀態(tài),特別是在斷裂轉(zhuǎn)折或多斷裂交會區(qū)域,易出現(xiàn)應力集中現(xiàn)象,極大地影響坡體的應力穩(wěn)定狀態(tài),從而產(chǎn)生規(guī)模較大、破壞性較強的滑坡災害[4-5]。整體而言,目前研究人員普遍認同斷裂運動控制的構(gòu)造應力會導致斜坡的應力場發(fā)生變化,并可能促進滑坡的發(fā)育。但現(xiàn)有研究多為小尺度范圍內(nèi)的模擬計算,鮮有依據(jù)真實地殼形變數(shù)據(jù)建立的區(qū)域斷裂運動模型,以恢復區(qū)域構(gòu)造應力場,進而定量研究構(gòu)造應力場對區(qū)域滑坡空間分布的控制作用。同時也缺少針對斷裂不同活動區(qū)段,在差異化斷裂運動速率和鎖固分布情況下,區(qū)域構(gòu)造應力場對滑坡發(fā)育的影響分析。

喜馬拉雅東構(gòu)造結(jié)區(qū)域構(gòu)造運動劇烈,滑坡災害頻發(fā),是研究區(qū)域構(gòu)造內(nèi)動力作用下滑坡災害演化和機制的天然實驗場。本文以喜馬拉雅東構(gòu)造結(jié)地區(qū)為研究對象,基于GPS實測地殼形變數(shù)據(jù)與區(qū)域斷層分布數(shù)據(jù),利用有限元數(shù)值模擬方法對斷裂活動與區(qū)域構(gòu)造應力場進行模擬,定量分析滑坡與構(gòu)造應力間的內(nèi)在耦合關系,進一步探究持續(xù)構(gòu)造應力累積對滑坡體穩(wěn)定性的影響,最后歸納總結(jié)受斷裂構(gòu)造活動控制的區(qū)域構(gòu)造應力對滑坡發(fā)育的影響。

1 研究區(qū)概況

喜馬拉雅東構(gòu)造結(jié)位于青藏高原東南部喜馬拉雅造山帶東端(圖1(a)),區(qū)域地殼運動劇烈,并伴生各種剝蝕和地表侵蝕作用,地質(zhì)構(gòu)造環(huán)境極為復雜,孕育大量活動斷層,在本文重點關注的東構(gòu)造結(jié)北緣區(qū)域主要發(fā)育有嘉黎斷裂、東久-米林斷裂和西興拉-墨脫斷裂等大型構(gòu)造斷裂帶。在劇烈構(gòu)造運動和其他內(nèi)外因素的綜合作用下,喜馬拉雅東構(gòu)造結(jié)區(qū)域頻繁發(fā)生滑坡、崩塌、泥石流等地質(zhì)災害。

依據(jù)區(qū)域GPS形變、斷裂分布及塊體運動特征等,將研究區(qū)域分為那曲塊體、拉薩塊體和雅魯藏布江塊體3大地質(zhì)構(gòu)造單元(圖1),地塊交會邊界處以大型構(gòu)造斷裂為界[3]。

基于上述塊體劃分,構(gòu)建東構(gòu)造結(jié)區(qū)域三維有限元數(shù)值模型(圖1(b)),模型東西長約196 km,南北長約277 km?？紤]到與滑坡災害相關的構(gòu)造活動主要發(fā)生在上地殼,本文模型的垂向厚度設定為30 km。由于斷裂周邊的巖石更易被破壞,因此將3條主斷裂近場區(qū)域設定為軟弱帶,兩側(cè)寬度均設為5 km[6]。此外,依據(jù)已有的斷裂幾何形態(tài)研究,將嘉黎斷裂傾角設為70°,傾向NE;東久-米林斷裂傾角設為65°,考慮到走向變化,設定傾向由南至北發(fā)生SE-E向偏轉(zhuǎn);西興拉-墨脫斷裂傾角設為75°,設定傾向由北至南發(fā)生N-NE-SE向偏轉(zhuǎn)[3]。模型以四面體為單元進行劃分,整體尺寸約3～5 km;同時為提高斷裂帶附近分辨率,對局部網(wǎng)格進行加密,尺寸降至2～3 km,模型共263 800個單元、53 456 個節(jié)點。

選用彈性模型,巖體密度統(tǒng)一設定為2 700 kg/m3,軟弱帶彈性模量取值為兩側(cè)地塊平均值的1/10,詳細介質(zhì)參數(shù)見表1[6]。

表1 塊體介質(zhì)參數(shù)

為反映區(qū)內(nèi)復雜的斷層運動情況,采用面對面接觸對離散法按非線性摩擦接觸處理構(gòu)造斷裂。受限于模型復雜程度和接觸收斂等實際問題,將東構(gòu)造結(jié)北緣區(qū)域斷裂活動特性作為摩擦系數(shù)設定依據(jù),區(qū)內(nèi)廣泛發(fā)育含黑云母片巖、片麻巖等構(gòu)造混雜巖帶,而黑云母礦物的平均摩擦系數(shù)一般小于0.36[7]。此外,區(qū)域內(nèi)多條斷裂處于高閉鎖狀態(tài),斷層滑動速率較低,故將3條斷裂的摩擦系數(shù)都設定為0.35[8]。

研究選用喜馬拉雅東構(gòu)造結(jié)及周邊區(qū)域119個GPS形變數(shù)據(jù)作為約束[8],在假定邊界位移值不隨模型深度變化而改變的基礎上,對GPS數(shù)據(jù)進行三次樣條插值后,逐一添加至模型邊界網(wǎng)格節(jié)點上(圖1(a))。模型底部垂直方向固定,水平方向自由,上表面為自由表面。

2 模擬結(jié)果分析

圖2(a)為模擬位移場結(jié)果。為驗證模擬結(jié)果的合理性,計算區(qū)內(nèi)32 個GPS站點的模擬值與實測值RMS。結(jié)果表明,2組數(shù)據(jù)的EW向RMS為1.89 mm/a、NS向為3.22 mm/a,模擬結(jié)果與實際情況吻合較好。

圖2 模擬位移場結(jié)果

利用摩擦接觸面模擬斷層,通過計算接觸面兩側(cè)節(jié)點位移差獲得斷層滑動速率(圖2(b))?？梢钥闯?區(qū)內(nèi)3條主斷裂的走向滑動速率整體較低,有明顯分段性,與區(qū)內(nèi)斷層閉鎖分布相似[8],體現(xiàn)了斷裂運動狀態(tài)的差異性。嘉黎斷裂西北段和東南段滑動速率相對較高,而中部的易貢-通麥段滑動速率明顯降低,表明嘉黎斷裂中段的閉鎖程度顯著高于其他區(qū)段。對于西興拉-墨脫斷裂,墨脫縣以北的滑動速率明顯降低,為相對高閉鎖區(qū)域。東久-米林斷裂除了在魯朗區(qū)域外,整體閉鎖程度均較高。

圖3顯示了研究區(qū)最大水平主壓應力分布特征,負值代表壓應力,箭頭方向代表最大主壓應力方向。剔除受邊界效應影響的邊緣地區(qū)后,研究區(qū)水平主壓應力優(yōu)勢方位為NNE向,符合印度板塊向青藏高原NNE向擠壓的地質(zhì)背景,與前人應力場反演結(jié)果整體一致[9]。主壓應力年變化量為0.5～6 kPa,對比喜馬拉雅地區(qū)壓性背景應力場可知,現(xiàn)今喜馬拉雅東構(gòu)造結(jié)的壓性構(gòu)造應力在NNE向不斷累積。此外,應力累積速率在近斷層附近逐漸減小,這是由于在活動性較強的斷裂帶附近,巖體力學性質(zhì)往往相對較弱,斷裂附近應力能得到有效釋放,進而應力水平相對減弱。

圖3 最大水平主壓應力分布特征

值得注意的是,斷裂運動狀態(tài)的不同會對近斷層構(gòu)造應力場造成不同影響。在斷層閉鎖程度相對較低的區(qū)段,主壓應力方向會發(fā)生明顯偏轉(zhuǎn),如東久-米林斷裂魯朗段方向為NW向,西興拉-墨脫斷裂墨脫段方向為NE-E向,皆與背景應力場NNE向不同。而在閉鎖度較高的區(qū)段,如嘉黎斷裂易貢-通麥段、西興拉-墨脫斷裂北段、東久-米林斷裂北段,應力方向往往與背景應力場方向相近。同時,近斷層區(qū)段壓應力的累積速率也受斷裂運動狀態(tài)控制,在閉鎖程度較高的區(qū)段,出現(xiàn)應力集中現(xiàn)象,應力累積速率為1.2～2.6 kPa/a;閉鎖程度較低的區(qū)域,應力累積速率較低,為0.5～1.2 kPa/a。

3 構(gòu)造活動對滑坡發(fā)育影響

3.1 滑坡分布與構(gòu)造應力場耦合

收集了喜馬拉雅東構(gòu)造結(jié)中大型滑坡災害隱患232處(圖4),其中沿岸滑坡129處,高位隱蔽不穩(wěn)定坡體103處[10]。

圖4展示了構(gòu)造應力與滑坡空間分布關系,圖中正值代表張應力,負值代表壓應力。由圖4(a)可知,滑坡空間分布與東向正應力間關聯(lián)顯著,典型表現(xiàn)為在西興拉-墨脫斷裂和嘉黎斷裂東向壓應力累積速率處于0.5～1 kPa/a的近斷層區(qū)段為滑坡隱患分布高密集區(qū)。圖4(b)展示了剪應力方向?qū)ρ芯繀^(qū)滑坡發(fā)育的影響,逆時針方向區(qū)域(圖中為正值)內(nèi)鮮見滑坡隱患,順時針方向區(qū)域(圖中為負值)內(nèi)滑坡隱患眾多。圖4(c)顯示,研究區(qū)近斷層北向正應力累積速率具有明顯的分段性,且與斷層閉鎖分布高度重合。在閉鎖程度較高區(qū)域,北向正應力的累積速率較高,滑坡隱患分布密集;閉鎖程度較低區(qū)域,應力的累積速率較低,也少見滑坡隱患分布。

綜上可知,喜馬拉雅東構(gòu)造結(jié)地區(qū)滑坡隱患的空間分布與受斷裂運動狀態(tài)控制的近斷層構(gòu)造應力場之間存在不可忽視的相關性,滑坡隱患大多分布在近斷層構(gòu)造應力異常區(qū),并多集中于構(gòu)造應力累積速率較大的斷層閉鎖區(qū)段。

3.2 滑坡分布與坡向構(gòu)造應力關聯(lián)分析

同一區(qū)域滑坡災害往往存在一定的坡向效應,坡體朝向會與區(qū)域構(gòu)造應力耦合,共同影響滑坡體的穩(wěn)定性。對此,通過應力轉(zhuǎn)換模型[11],將模擬應力換算為各滑坡體坡向正應力。

圖4(d)展示了研究區(qū)各滑坡體坡向正應力累積速率,與構(gòu)造應力場特征相似,在近斷層閉鎖程度相對較高的區(qū)段,各滑坡體的坡向壓應力累積速率往往較大,而在斷層閉鎖程度相對較低的區(qū)段,各滑坡體的坡向壓應力累積速率往往較小。為進一步定量認知構(gòu)造應力累積速率對滑坡發(fā)育分布的影響,按照不同壓應力累積速率,對研究區(qū)斷層閉鎖段(圖4(d)紅框)和近斷層其他區(qū)段(圖4(d)黑框)內(nèi)共178個滑坡隱患的滑坡體進行統(tǒng)計(圖5)。

分析圖4(d)和5可知,近斷層多數(shù)滑坡隱患位于斷層鎖固區(qū)段,且滑坡隱患坡向壓應力累積速率多大于1.0 kPa/a,呈現(xiàn)應力累積速率越大、滑坡隱患數(shù)越多的現(xiàn)象;而在近斷層閉鎖相對較低的其他區(qū)域,滑坡體坡向壓應力累積速率普遍低于1.0 kPa/a,識別的滑坡隱患也相對較少,但多數(shù)坡向壓應力累積速率大于1.0 kPa/a。上述現(xiàn)象表明,高坡向壓應力的持續(xù)累積可能會促進近斷層區(qū)域內(nèi)滑坡體的發(fā)育。

3.3 構(gòu)造應力累積對滑坡穩(wěn)定性影響

對于滑坡體來說,其變形與破壞由巖土體強度與坡體內(nèi)應力發(fā)展演化決定[5]。構(gòu)造應力的累積會改變坡體原有應力狀態(tài),影響滑坡穩(wěn)定性。拉月滑坡體位于斷裂高閉鎖區(qū)段,壓應力累積速率大,滑坡體受強烈構(gòu)造活動的影響顯著[12]。本文以拉月滑坡體為例,從坡內(nèi)應力變化入手,對壓應力持續(xù)作用下滑坡穩(wěn)定性展開分析。

數(shù)值模型選用拉月滑坡體主滑動剖面(圖6(a)),上層為堆積體,下層為基巖。采用摩爾-庫侖模型,巖體參數(shù)參考已有研究成果[12],詳細參數(shù)見表2。對壓應力持續(xù)累積下坡體內(nèi)應力場變化(圖7)和具有代表性的3個滑移面安全系數(shù)(圖6(b))變化進行分析。

表2 滑坡塊體參數(shù)

圖6 滑坡模型與滑移面安全系數(shù)

圖7 滑坡應力場與最低安全系數(shù)滑移面變化

分析圖7可知,構(gòu)造應力的持續(xù)作用會不斷對滑坡體應力場進行擾動,促使其發(fā)生重分布。當坡向壓應力累積小于200 kPa,坡表應力場整體穩(wěn)定,僅在前緣出現(xiàn)較小的變化,導致最危險潛在滑移面由A滑移面向前緣延伸變?yōu)锽滑移面。而當坡向壓應力累積達到200 kPa后,坡表應力場開始顯著變化,在坡體前緣的堆積體中出現(xiàn)明顯的應力集中現(xiàn)象,發(fā)育在應力集中區(qū)周邊的C滑移面成為安全系數(shù)最低的滑移面。整體而言,短時間內(nèi)量級不大的區(qū)域構(gòu)造壓應力累積對坡體應力場并未有太大的影響;但隨著區(qū)域構(gòu)造壓應力的持續(xù)累積,在滑坡體內(nèi)部應力發(fā)生重分布時,巖體強度較低坡表堆積體無法適應應力的重新分布,產(chǎn)生異常應力集中,促進滑移面在應力集中區(qū)域的發(fā)育。

進一步分析A、B、C滑移面安全系數(shù)隨區(qū)域構(gòu)造壓應力積累的變化(圖6(b))發(fā)現(xiàn),各滑移面安全系數(shù)隨構(gòu)造壓應力累積量的增大都呈現(xiàn)單調(diào)遞減趨勢,應力累積量越大,安全系數(shù)越低。受異常應力分布影響,C滑移面的安全系數(shù)降低速率最快,特別是當應力累積量達到100 kPa后,安全系數(shù)隨壓應力的增加驟降。這說明在坡內(nèi)壓應力累積過程中,滑坡的穩(wěn)定性會逐漸降低,特別是在出現(xiàn)應力集中效應的區(qū)段,潛在滑移面受應力累積影響程度更大、更易失穩(wěn)。

結(jié)果表明,高構(gòu)造應力的持續(xù)累積對潛在滑移面穩(wěn)定性有不容忽視的影響,尤其是對于地殼構(gòu)造運動活躍區(qū)域,在斷裂鎖固區(qū)段,滑坡體的構(gòu)造壓應力累積較快,容易出現(xiàn)應力集中現(xiàn)象,這將降低潛在滑移面的安全系數(shù),增大滑坡體失穩(wěn)的風險,形成如喜馬拉雅東構(gòu)造結(jié)區(qū)域滑坡隱患偏向于高應力區(qū)發(fā)育的現(xiàn)象。構(gòu)造應力可以通過多種方式對滑坡體滑移面產(chǎn)生影響,如隨著斷層附近構(gòu)造應力集中,在滑坡體內(nèi)部應力場發(fā)生重分布的同時,會增大滑移面各部位的剪切應力和應變,形成塑性貫通區(qū)[4];隨著壓應力的累積,滑移帶處始終保持較高應力,產(chǎn)生應力集中帶,并從滑坡后緣沿滑移帶逐漸向前延伸貫通,致使滑坡發(fā)生失穩(wěn)[13]。值得注意的是,本文重點考慮的是震間構(gòu)造應力長期積累過程,但同震時構(gòu)造應力的突然釋放對滑坡體也有相當?shù)挠绊憽Ｔ趶娬饝︶尫抛饔孟?滑坡體陡傾層面在產(chǎn)生拉剪性質(zhì)應力的同時,法向應力和內(nèi)聚力迅速降低,致使破壞沿結(jié)構(gòu)面追蹤發(fā)展并剪斷鎖固段,形成貫通的滑移面[14];同時,地震也會對滑坡體內(nèi)自由結(jié)構(gòu)面產(chǎn)生拉應力,在拉應力作用下,滑坡沿結(jié)構(gòu)面產(chǎn)生拉張破壞[15]。

4 結(jié) 語

本文以喜馬拉雅東構(gòu)造結(jié)地區(qū)為例,研究了受斷裂構(gòu)造活動控制的區(qū)域構(gòu)造應力場對滑坡災害發(fā)育的影響,獲得以下結(jié)論:

1)受差異化斷裂運動的影響,喜馬拉雅東構(gòu)造結(jié)應力場在斷層閉鎖度較低的區(qū)段,應力方向發(fā)生偏轉(zhuǎn),且應力累積水平普遍較低;而斷層鎖固區(qū)段,應力方向與背景應力場方向相近且應力累積顯著。

2)由斷裂活動控制的構(gòu)造應力場對滑坡隱患影響顯著,滑坡體大多分布在近斷層構(gòu)造應力異常區(qū),并多集中分布于構(gòu)造應力累積速率較大的斷層閉鎖區(qū)段。

3)隨著滑坡體內(nèi)構(gòu)造應力的持續(xù)累積,坡體內(nèi)會不斷發(fā)生應力重分布,當構(gòu)造應力累積到一定程度后,巖體強度較低的滑坡體表層會無法適應應力的重新分布,產(chǎn)生異常應力集中并促進滑移面發(fā)育,從而降低潛在滑移面的安全系數(shù),造成斷裂顯著鎖固區(qū)段內(nèi)滑坡隱患的坡向壓應力累積速率普遍較高的現(xiàn)象。