汶川地震地质灾害调查成果与展望

殷跃平，张永双，伍法权，成余粮

(1.中国地质环境监测院,北京 100081；

2.中国地质科学院地质力学研究所，北京 100081；

3.中国科学院地质与地球物理研究所,北京 100029；

4.四川省地质调查院，四川 成都 610081)

1 项目背景与研究意义

汶川地震断裂带——龙门山断裂带是全球山脉中地形陡度最大的区带之一，也是长江上游多条河流发育分布区，人口密度高，这种复杂特殊的地质环境导致地震触发地质灾害的成灾模式与其他强烈地震明显不同。2008年5月12日汶川Ms8.0级地震是新中国成立以来破坏性最强、波及范围最大、诱发地质灾害最严重的一次特大地震，其中，地震触发的滑坡、崩塌、碎屑流以及堰塞湖等灾害链直接造成约2.4万人死亡，占地震死亡总人数8.7万人的1/4以上。汶川地震还在峡谷山顶形成大量震裂山体和堆积区，特别是高位滑坡和高位泥石流的防范在国内外都没有先例，要在短短数年内完成恢复重建会遇到前所未有的挑战。因此，中国地质调查局于2009年专门设立了汶川地震地质灾害方面的地质调查项目，组织了国内相关科研院所、高等院校、地质勘查单位的上百名专家、学者，针对龙门山地区地震重大地质灾害成灾模式和减灾关键科技问题，采用空、天、地一体化调查、深部地球物理探测、GPS位移监测、斜坡地震动测试及大型物理模拟等技术，进行联合攻关研究[1]，为汶川地震灾区恢复重建、重要工程规划及地质灾害减灾防灾提供了重要的基础资料和科技支撑。

2 取得的研究进展与成果

通过采用多学科理论和技术手段，主要取得如下创新性成果：①集成创新地面测绘、综合物探和InSAR技术，提出了强震区逆冲型活动断裂和地震破裂带安全避让公式，系统调查和总结了地震地质灾害与活动断裂的关系。②首次开展斜坡地震动监测和地脉动特征测试，结合大型振动台试验，获得了山体斜坡地震动放大规律，提出了竖向地震力对山体稳定性的放大效应。③建立了基于天、空、地一体化应急调查技术的汶川地震灾后快速编图与评估方法，为地震地质灾害应急处置和灾后重建地质灾害防治提供了支撑。④运用风洞试验和环剪试验，揭示了汶川地震滑坡高速远程滑动的气垫效应和液化机理。⑤建立了震后高位泥石流早期识别指标。上述研究成果及时指导了汶川地震、玉树地震、芦山地震等地震灾区地质灾害应急处置和灾后重建[2-4]，显著提升了我国高山浓雾区地质灾害监测预警能力建设，避免了重大人员伤亡。

2.1 地震地质灾害与活动断裂的关系研究

(1)通过野外地质调查，获得了龙门山构造带主要活动断裂及汶川地震地表破裂的发育分布特征等基础资料(图1)，调查结果表明，汶川地震地表破裂主要沿龙门山中央断裂、前山断裂和小鱼洞断裂发育。

图1 龙门山构造带主要活动断裂与汶川地震地表破裂分布图

通过对现场调查的近百处地震地表破裂特征参数统计[5]，汶川地震地表破裂的影响带宽度为16～60 m，地表破裂影响带宽度(D)与地表破裂垂直位移(H)基本满足D=10H+16 m的线性关系，这一认识为汶川地震灾后重建场地选址和合理避让提供了参考数据(图2，图3)。

(2)采用地面调查和航空遥感调查相结合，系统调查了汶川地震灾区地质灾害的发育特征及空间分布规律，结果表明，地震导致极重灾县(市)地质灾害隐患点明显增加，主要沿龙门山中央断裂带和后山断裂带展布，滑坡面密度大于50%以上，70%以上的大型崩滑体密布于龙门山中央断裂带及其附近[6-10]。极震区滑坡-碎屑流具有如下主要特征：①抛掷效应，位于汶川地震主断裂带或附近，垂直加速度大于水平加速度，强地面运动持时长，岩体发生振胀和抛掷；②碰撞效应，上部滑坡体发生高位剪出和高位撞击，致使岩体碎屑化；③铲刮效应，撞击作用导致下部山体被铲刮，形成次级滑坡，为碎屑流体提供了足够展翼和抛洒物源体积；④气垫效应，碎屑化岩体快速抛掷导致下部沟谷空气迅速谷状圈闭和向下紊流，形成气垫效应(图4)。

图2 地震破裂垂直位移与影响带宽度的关系

2.2 山体斜坡地震动放大效应研究

(1)首次建立汶川地震区斜坡地震动响应观测台站，开展斜坡地震动特征观测。采用平硐或地表监测的方式，按照不同高程布置余震地震动响应监测，取得了大量原创性监测资料。揭示出斜坡地震动响应一般随高程增加而增大，地震动峰值加速度的放大系数一般为1～3倍(图5，图6)。受斜坡微地貌和场地条件影响，地震动峰值加速度呈非线性增大特点。同时，将地脉动测试参数引入山体斜坡稳定性分析，首次开展了汶川地震区山体斜坡地脉动测试，获得了斜坡地脉动卓越频率、加速度、位移分布特征[11-12]。

(2)运用大型振动台试验研究了斜坡地震动力响应特征(图7)。分析表明，顺层结构斜坡主要是岩层面滑动和与层面斜交的拉裂破坏；反倾层状结构斜坡主要是坡肩岩体弯折倾倒，块体剪断以及顺坡向剪切裂缝的产生，坡体表层岩体及坡肩附近岩体的松动破坏并最终可能发展成滑面形成切层滑动；均质结构斜坡模型主要是震动作用下坡体拉张和剪切裂缝的产生，将坡体中上部岩体切割成块体并发生突然的崩滑破坏，滑面形状近似直线型；含裂隙斜坡破坏模式类似于均质结构斜坡模型的破坏过程：动力作用拉裂—坡面大块滑落—坡面坍塌—边坡破坏[13]。

图7 震动台试验揭示的渐进破坏现象及高程效应和趋表效应

(3)结合强震地面运动记录分析表明(图8)，在极震区滑坡受地震竖向力的作用明显[14]。对比研究了汶川地震区滑坡在加固和未加固两种工况下的动力响应特征。滑坡抗滑桩防治工程的动力响应模拟结果表明(图9)，其剪应变增量大约是震前的3 000倍，滑坡稳定性显著降低，甚至可能发生变形失稳；地震作用下抗滑桩地段位移明显降低，但加速度响应明显陡增，对阻止滑动起到了重要作用[15-17]。

图8 汶川地震滑坡动力演化示意图

未施加抗滑桩 已施加抗滑桩

2.3 基于天、空、地一体化调查技术的地质灾害应急处置

(1)运用多期卫星影像、航空遥感影像、现场无人机调查、地面大比例尺测绘和动力分析法，对汶川地震触发的最大滑坡——大光包滑坡进行了系统研究[18-19]。建立了滑坡三维地质模型(图10)，包括下部层状滑体、上部崩滑体和中间滑崩过渡带3个变形失稳单元，并获取了滑坡堆积体厚度分布特征(图11)。数值模拟表明，大光包滑坡地震动力响应较为复杂，随高程、坡度放大的趋向性和节律性并不明显。

(2)总结提出了区域滑坡活动强度分析评价基本原则、快速评估方法，建立了简易实用的区域群发滑坡活动强度指标体系和分级标准[20]，研究提出，把最大面密度的1%、3%、5%、10%、30%、50%作为地质灾害强度指数分级的依据，将地质灾害活动强度指数分为8级(表1)。基于简化Newmark累积位移分析模型[21]，开展了汶川地震诱发滑坡易发性和危险性评估及地震地质灾害区域损失快速评估研究(图12，图13)；结合汶川地震地质灾害应急评估处置，提出了地震地质灾害应急图件编制的阶段划分原则及相应的图件编制要求，为地震地质灾害应急地质工作提供了快速决策的技术流程。

图10 大光包滑坡无人机航空三维影像

图11 汶川地震第二时程(40～70 s)大光包滑坡模拟结果

表1 区域地质灾害活动强度指数分级简表

图12 汶川地震重灾区地震滑坡危险性区划图

图13 汶川地震重灾区地震滑坡损失快速评估图

2.4 地震滑坡高速远程滑动的气垫效应和液化机理

(1)对高速远程滑坡滑动阶段的地震液化机理进行了环形剪切试验研究[22]，结果表明，富水滑面两侧物质首先在地震作用下产生剪切位移，发生局部滑面液化现象，导致孔隙水压力增大，为滑体进一步高速远程滑动提供了高含水量的润滑物质。

(2)首次运用空气动力学和流体力学理论，研究了汶川地震高速远程滑坡——碎屑流的运动机理，建立了滑坡高速运动的解析评估方法。采用大型风洞试验研究了高速远程滑坡的地形效应(图14)：沟谷圈闭效果越好，对滑坡飞行空气动力学效应的影响越明显。5种地形对滑坡空气动力学效应的影响由大到小依次是：矩形沟谷、75°梯形沟谷、60°梯形沟谷、45°梯形沟谷及平坦地形(图15，图16)。矩形沟谷地形滑坡模型升力系数最大，可达1.13。同时，滑体距离地面的高度也是影响空气动力学效应的重要因素，离地高度越小，升力系数越大，空气动力学效应越明显。

图14 高速风洞试验设计的4种沟谷地形

图15 高速滑坡升力系数随迎角变化曲线

图16 高速滑坡升力系数随离地高度变化曲线

2.5 震后高位泥石流的早期识别

汶川Ms8.0级地震之后，地震灾区表现出显著的“强震地质灾害后效应”[23]。地震在山体分水岭及山脊部位产生的大量崩塌和滑坡体散落在山体的中上部，在强降雨作用下，大量松散堆积物沿陡峻的沟道汇聚、加速，形成破坏性极大的高位泥石流，成为地震灾区震后威胁最大的地质灾害类型(图17)。这些高位泥石流通常表现出物源相对位置高、物源异常丰富、泥石流主沟纵比降大、泥石流出沟口高等特征[24]。

图17 高位泥石流分布与中央断裂位置关系图

为了便于定量研究高位泥石流特征，项目组首次建立了基于无人机测绘的高位泥石流快速调查识别技术和危险性评估方法。在汶川地震灾区泥石流遥感解译、野外调查和典型案例分析对比的基础上，确定了物源丰富程度、物源相对位置、主沟纵比降作为高位泥石流的3个量化判定指标。通过高位泥石流沟判识标准、分布特征和动态变化趋势研究，提出了汶川地震灾区高位泥石流的5种成灾模式。以文家沟高位泥石流为例(图18)，开展了单沟高位泥石流风险评估，总结了高位泥石流的防治思路、基本方法及防治要点[1]。

图18 无人机航拍绵竹市清平镇文家沟泥石流全貌影像

3 展望与思考

汶川地震引发了数以万计的地质灾害，直接造成了严重的生命和财产损失。例如，地震和滑坡摧毁了北川老县城数十栋楼房，导致2 000多人死亡；地震发生时，正值旅游旺季，213国道都江堰至汶川段车水马龙，沿线难以计数的旅游车辆被崩塌滑坡砸毁或掩埋，造成大量人员伤亡，等等。在汶川地震救灾过程中，我们强烈感到加强汶川地震工程地质与地质灾害研究的重要性和迫切性。在2009年国土资源地质大调查部署中，中国地质调查局专门设立了“汶川地震地质灾害调查评价”计划项目，项目组在汶川地震工程地质和地震地质灾害现场调查的基础上，采用地球物理探测、GPS观测、地震动监测、地脉动测试、大型风洞试验、振动台试验、大型三轴环型剪切试验等先进技术方法，通过汶川地震灾后重建和防灾减灾工作实践，建立了新理论、新方法、新技术，深化了内外地球动力学耦合的研究思路，而且广泛吸收了国内外地震地质灾害研究的先进理论、方法和技术，取得了多项创新性的成果，有效地推动了工程地质学科与地质灾害减灾防灾理论与技术的发展。

汶川地震带来的科学技术问题远比想象的复杂得多，特别是2008年5月以来，经历了6个汛期，震区多次遭遇极端暴雨，大量隐伏在峡谷山坡上的滑坡、崩塌堆积体又转化为高位泥石流，从而构成典型的地震-滑坡-泥石流灾害链，给灾后重建带来了致命威胁。这些地震地质灾害链还将会延续十年、甚至数十年，严重威胁着震区的地质环境安全，但是，传统的地质灾害防治思路已不能完全满足地震-滑坡-泥石流灾害链(特别是震后高位泥石流)的防治要求。因此，必须针对地震重大地质灾害成灾模式和减灾关键科技问题，长期坚持开展扎实的科技攻关研究，施行科学有效的防灾减灾，力避重蹈覆辙。

致谢：特别感谢国土资源部副部长、中国地质调查局原局长汪民教授，他不仅亲自过问“汶川地震地质灾害调查评价”项目的立项和研究进展，还经常给予项目组鼓励与指导。感谢成都理工大学副校长黄润秋、中国地质大学(武汉)副校长唐辉明,他们对项目的研究提出了很多思路与建议。参加项目研究的主要人员还有：王运生、胡新丽、吴树仁、姚鑫、孙萍、邢爱国、李洪涛、唐文清、方慧、苏生瑞、王涛等，在此一并致谢。

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