芦山地震触发崩塌滑坡的优势方向与机理

段书苏， 姚令侃，2，3， 郭沉稳

(1.西南交通大学土木工程学院，四川成都 610031;2.抗震工程技术四川省重点实验室道路与铁道工程抗震技术研究所，四川成都 610031;3.高速铁路线路工程教育部重点实验室，四川成都 610031)

2008年发生在龙门山地区的“5·12”汶川地震是有现代观测仪器以来世界上地震触发崩塌滑坡灾害最严重的一次大地震.2013年4月20日08:02(北京时间)，龙门山地区的雅安市芦山县又发生了Ms7.0级强震，是本世纪以来我国地震触发山地灾害严重性仅次于汶川地震的事件.

统计滑坡顶点至山脊距离占坡体总长0.4倍以内的滑坡数占滑坡总数的百分比，汶川地震为65%，芦山地震为44%.这些坡位较高的滑坡，由于在启动阶段获得地震动赋予的初始速度，导致运移距离较远.所以，评估地震触发崩塌滑坡危害范围时，除运移距离外，运动方向也是重要参数.

汶川地震前，李忠生根据对已有滑坡调查资料的统计，认为地震诱发的滑坡方向与地震波传播方向之间无明显联系[1];Kamp等对2005年巴基斯坦Kashmir地震诱发滑坡的研究发现，70%的滑坡发生在朝南的斜坡上，认为这与南向坡降雨量大、风化严重有关，而没有从地震波传播理论上进行解释[2].汶川地震后，黄润秋等认为在强震作用下，地形条件对滑坡的滑动方向不再起绝对的控制作用，起控制作用的是断层的强大惯性运动，而不是重力和地震波[3];许冲等通过绘制滑坡面积和数量的坡向分布直方图、计算滑坡的点密度和面密度、对坡向进行确定性分析，认为地震诱发滑坡或是受地壳主应力方向、上盘逆冲方向或地震波传播方向的影响[4-6];许强等统计了不同坡向上滑坡灾害的发育密度和大型滑坡坡向与发震断层之间的关系，认为汶川地震诱发滑坡具有“背坡面效应”和“断层错动方向效应”[7].上述文献在表述上不同，但汶川地震诱发的崩塌滑坡方向受发震断层运动惯性力控制这一观点是共识.

芦山地震的能量只相当于汶川地震的1/32，且为典型的盲断层型地震[8]，断层运动惯性力不明显，汶川地震中滑坡发生优势方向的认知不能直接用于推断芦山地震滑坡的易发坡向.因此，影响芦山地震触发崩塌滑坡优势方向的因素及其控制机理，已成为新的科学问题.

1 芦山地震触发崩塌滑坡概况

芦山震区基本属于青衣江流域，青衣江主源为宝兴河，在飞仙关处与天全河等河流交汇后，于乐山草鞋渡处汇入大渡河.流域地形大致以双石-大川断裂为界，分为东西两大类.东面(下盘)属低山丘陵区，地势平缓，海拔约600～1 100 m，河谷呈“U”型，有宽阔的漫滩和阶地，河道比降约1.8‰.西面(上盘)由宝兴河流域和天全河流域组成，多为高山峡谷，海拔一般在1 000 m以上，河谷多呈“V”型，河道比降大于8‰，见图1(地震烈度划分根据中国地震局网站 http://www.cea.gov.cn提供的图片矢量化得到).

图1 芦山震区地形及灾害点分布Fig.1 Topography and landslide distribution of Lushan earthquake area

使用的震区航空、航天遥感影像资料:(1)中国科学院遥感与数字地球研究所提供的3批航空遥感数据，覆盖芦山、宝兴、邛崃等县市约5 000 km2.第1批航片获取时间为2013年4月20日10:30—12:40，分辨率0.6 m;第2批航片获取时间为4月20日15:00—17:00，有0.4和2 m两种分辨率;第3批航片获取时间为4月21日上午，有0.4和2 m两种分辨率;(2)四川省测绘地理信息局芦山地震信息发布平台公布的芦山震中区的航片影像资料(影像获取截止时间为4月25日，分辨率0.5 m);(3)国家测绘局公布的龙门乡、太平镇、宝盛乡三地的航片影像资料(影像获取时间为4月20日18:28，分辨率0.16 m);(4)资源三号卫星影像数据，卫星影像区域面积2 657 km2，包括天全县、雨城区、荥经县的大部分区域，影像获取时间为5月13日，分辨率2.1 m.对以上遥感影像资料进行几何纠正、融合、拼接、图像增强等数据处理，获得了芦山震区遥感数据 5 655 km2(102.461 3°E～103.514 0°E，29.742 0°N ～ 30.448 5°N)，具体范围见图1.

由于震区植被发育较好，多为常年生灌木，地震后崩塌滑坡造成地表破坏，且由于遥感影像是从上方垂直拍摄的，故比现场拍摄的照片更容易判识崩塌滑坡的方向.对坡度在20°以下的解译点，由于存在较多农田、裸地、取土场、砂石料堆放场等，必须经过实地考察删除这些误判点.如图2所示宝盛乡变电站上方的一处取土场，若仅根据航片上识别，极易造成误判.结合野外300余处灾害点的实地考察，最后解译出崩塌滑坡1 754处(图1).

图2 误判点:宝盛乡变电站上方的取土场(103.039 7°E，30.311 4°N)Fig.2 A miscarriage of justice:a quarry above the electricity substation in Baosheng County(103.039 7°E，30.311 4°N)

2 自然坡向对崩塌滑坡方向的影响

龙门山主要由北东走向(约北东50°)的山脉组成，宏观上看以分水岭为界，存在着东南、西北两组优势坡向.进一步将芦山震区内所有坡体的坡向按10°分组绘制玫瑰图(图3)，优势坡向为东南(30°～45°)、北西(45°～80°).可见，芦山震区自然坡体的优势坡向与龙门山脉的宏观地貌格局相符.

图3 震区内自然坡体坡向分布Fig.3 Distribution of natural slope aspects in the seismic area

位于斜坡上的物质，其重力沿坡面向下的分力是造成斜坡上物质不稳定的重要因素，因此理论上震区自然坡体的两组优势坡向对滑坡运动的优势方向都有控制作用.将芦山地震触发的崩塌滑坡的运动方向按10°进行分组，绘制崩塌滑坡数分布的玫瑰图(图4).可见，崩塌滑坡的优势方向明显集中在东南方向，即与自然坡体优势坡向中的东南方向吻合;而另一优势方向——西北方向，并未呈现出崩塌滑坡运动方向集中的现象.显然，这与理论推断不完全一致.

图4 不同滑动方向滑坡数量统计结果Fig.4 Statistical result of landslide number in different slip directions

我们认为，这与龙门山推覆构造形成的不对称地形有关.龙门山由一系列大致平行的叠瓦状冲断带构成，具有典型的推覆构造的地貌特征，体现为山地走向为北东方向，但东南坡与西北坡并不对称.如东南方向的平均坡度为24°，而西北方向的平均坡度仅为22°，即东南坡陡于西北坡，导致地震触发崩塌滑坡更集中地发生在东南坡上.一般情况下，自然坡体的两组优势坡向都可能是滑坡运动的优势方向，但在具体地域，必须考虑不对称地形造成的山地灾害分布的坡向分异现象.

3 新构造应力场和地震加速度对崩塌滑坡方向的影响

3.1 庐山震区的新构造应力场

20世纪70年代末，瑞士学者Scheidegger提出了地表发育形态的对抗性原理，从全球构造的观点认识内营力作用，成为地球表面动力学的基本理论之一[9].对抗性原理指出，在新构造应力场作用下，岩体内部会形成一对共轭的剪裂面(X型破裂)，在硬岩地区易于形成崩塌的有效结构面(图5);在软岩、土质地区，由于地表径流的作用，易于形成滑坡底部的软弱结构面.在应力场主压应力方向上，坡体长期处于挤压状态，易发生崩塌、滑坡灾害[10].已有实震资料表明，地震触发的崩塌滑坡也有这样的规律.如艾南山等通过对天水地震和通渭地震中形成的长度大于500 m的386次滑坡的分析发现，滑动的优势方向与该区域新构造应力场的主压应力方向一致[11].由此我们认为，在芦山地震中，新构造应力场是影响崩塌滑坡方向的一个因素.

图5 宝盛大桥处崩塌及节理对崩塌方向的影响(103.034°E，30.309°N)Fig.5 Effects of collapse at Baosheng bridge and joints on the collapse direction(103.034°E，30.309°N)

一般情况下，可以通过钻孔资料或震源机制解推求构造应力场方向，但这显然需要做大量工作.本文基于对抗性原理，采用一种简单的推求新构造应力场方向的方法.根据对抗性原理，在新构造应力场作用下，沿共轭剪切方向，岩石容易因遭受破坏而形成断裂带，平行于活动断裂方向上的岩石抗侵蚀能力减弱，这就为水系大致沿平行于活动断裂走向的方向发展演化提供了有利条件，因此沿节理破裂发育的水系排列的优势方向可以反映新构造运动以来的应力分布状态.根据莫尔强度理论，共轭剪节理的锐角角平分线即为主压应力方向.若将区域内的河流看作一组共轭剪节理，考虑岩石内摩擦力的影响，剪裂角一般在30°左右[12]，则共轭剪节理的夹角至少应大于30°.

提取芦山震区内的河网，将河流的自由端或交汇点作为结点，用直线连接结点，得到该水系的折线图(图6(a)).以折线线段的长度表示相应的权重，则每条线段就变成了一个包含方向和长度2个变量的统计单位.根据上述资料统计绘制水系方向玫瑰图，见图6(b).这里用极方向(pole direction)代替河谷走向(将河谷走向旋转90°).图6(b)中，线的间距为10°.用非参数统计方法，可从玫瑰图中发现河谷的第一优势方向为90°;在第一优势方向两侧30°以外的区域寻找第二优势方向，为145°.将这2个方向视为在构造应力场作用下的一对共轭剪切方向，则该共轭剪切方向相交的锐角等分线代表主压应力方向为东偏南23°(图6(b)中的有向线段).

图6 芦山震区内的河网折线化、方向分布玫瑰图及主应力方向Fig.6 Drainage linearization，rose diagram of water system distribution and direction of field stress in the Lushan seismic area

3.2 芦山地震台站最大累计加速度方向

地震荷载通过坡体波动震荡产生的累进破坏和触发效应致使边坡失稳[13].累进破坏效应是指在某一强度的外力或地震荷载作用下，作用一次岩土体并不破坏，但是这一强度的外力或地震力反复作用多次后引起岩土体破坏.触发效应是指无论是经过反复震荡的斜坡，还是天然斜坡处于或者接近极限平衡状态时，坡体继续受波动震荡作用时，震动产生的惯性力会激发坡体下滑，发生崩塌滑坡.因此，地震加速度累计量最大的方向更容易发生崩塌滑坡.

已有研究证明，水平地震加速度对崩塌滑坡的发生起主导作用[14]，故以水平方向的地震加速度作为研究对象.在加速度记录过程中，正号分别代表北、东方向，负号分别代表南、西方向，将地震动记录中每个时间点的南北方向和东西方向的加速度矢量叠加，然后遍历整个地震动过程，将方位角相同的加速度大小累加，累加得到的最大值对应的方位角即为某台站最大累计加速度的方向.最大累计加速度综合了台站记录振幅、持时、方向等信息，比受干扰因素影响多的峰值加速度更能准确反映真正的地震动水平，比一些表征能量的参数(如Arias强度)增加了方向属性，与崩塌滑坡方向的关系更为密切.

考虑地震波传播的地形效应，将研究区划分为下盘、宝兴河流域和天全河流域3个分区，见图7.上述划分是基于以下考虑:芦山地震发震构造下盘区域地形简单，主要由平原、丘陵和中低山组成，地形效应对地震波传播的影响较小，故将下盘作为一个单元处理;芦山地震发震构造上盘区域由中高山组成，主要由宝兴河流域和天全河流域构成，两流域地形地貌差异明显，因此，对上盘采用按流域分区的原则.

图7 地震台站分布、台站最大累计加速度方向及分区结果Fig.7 Seismic stations'distribution，their maximum cumulative acceleration directions and partition results

根据已有研究，地震台站周围20 km范围内的地震动可由台站记录代表[15]，据此从图7可见，位于下盘的台站基本随断层展布均匀分布，可将下盘内灾害点覆盖在影响范围内;位于上盘的台站分布在宝兴河流域内，影响范围也仅限于宝兴河流域.

根据以上分析可知，下盘区域内有4个加速度台站，从左下到右上的最大累计加速方向依次为南东—北北西、南东—北西、南东南—北北西、南—北.左下方3个台站的最大累计加速度方向大体一致，与断裂方向垂直，最上面1个台站的最大累计加速度方向与断裂方向的夹角较大.宝兴河流域内的台站集中在左上角，台站最大累计加速度方向分别为南—北、南西西—北东东、北北东—南南西，大体与断裂方向平行或有较小夹角.天全河流域内没有加速度台站.

3.3 基于确定性系数分析的崩塌滑坡方向影响因素

滑坡的确定性系数分析方法是根据概率函数计算确定性系数CF，用CF表征影响滑坡发生各因素的敏感性.它最早由E H Shortliff和B G Buchanan提出[16]，D Heckerman 进行了改进[17]:

式中:ξa为单元a中滑坡面积的百分比;ξs为整个研究区滑坡面积的百分比.

CF表征各坡向组对崩塌滑坡发生的影响程度.CF的变化区间是[－1，1]，CF＞0且 CF越大，表示崩塌滑坡发生的可能性越高;CF=0表示崩塌滑坡发生与不发生的概率接近;CF＜0表示崩塌滑坡发生的可能性较低.

在每个分区内，将崩塌滑坡方向和研究区域坡向均按10°分组，根据式(1)计算每组的CF值，定量确定各方向的滑坡敏感性，CF值较大的方向即为敏感方向.将每个分区内各方向的CF值与新构造应力场的主应力方向、最大累计加速度方向叠加，见图8.

从图8可知，下盘崩塌滑坡的敏感方向非常集中，基本上在东—南区间内;区域内均匀分布的4个台站的累计加速度优势方向完全控制了崩塌滑坡的敏感方向，新构造应力场主应力方向代表了其中一个崩塌滑坡的敏感方向.

图8 各区域内崩塌滑坡方向敏感性分析Fig.8 Sensitivity analyses of landslide direction in each region

在宝兴河流域，崩塌滑坡的敏感方向集中在东北、西南、东、西北西方向;台站最大累积加速度方向和主应力方向共同控制所有崩塌滑坡的敏感方向，具体为①—①'、②—②'、③—③'和④—④'，敏感方向与影响因素的方向差在10°以内(关于方向④—④'，新构造应力场与板块运动相关，断层两侧可能出现方向正好相反的情况，但只要在一条直线上，就认为方向一致).在天全河流域，东北、东南、南、西等方向都是高敏感方向;新构造应力场方向控制了南东东这一敏感方向.从以上分析可知，新构造应力场方向在各区域内代表了崩塌滑坡的一个敏感方向;在宝兴河流域和下盘区域内，最大累计加速度方向反映了除构造应力场以外的敏感方向.

4 结束语

(1)芦山地震属于典型的盲逆断层型地震，断层运动惯性力对崩塌滑坡的控制作用不明显.自然坡体的优势坡向是预测滑坡运动优势方向的基本依据，但具体应用时需考虑山地灾害的坡向分异等因素(如在具有推覆构造地貌特征的芦山震区，地震触发的崩塌滑坡多发生在坡度较陡的东南坡).新构造应力场也是崩塌滑坡方向具全局性的影响因素.此外，各区域最大累计加速度方向也反映了当地崩塌滑坡的敏感方向.

(2)关于新构造应力场方向，可以基于对抗性原理利用当地水系获得，并建议与中国大陆现今地壳运动GPS速度场的最新观测结果进行校核.如本文计算的雅安地区新构造应力场主应力方向为113°，GPS速度场的观测结果约122°，二者仅相差9°，可以认为计算的青衣江流域的新构造应力场主应力方向得到了检验.关于研究区最大累计加速度的方向，可以根据当地的《场地地震安全性评价报告》中对应于3种不同随机相角的3条加速度时程曲线，将其两两组合，分别将其设定为沿东西、南北方向传播，按照矢量叠加原理得到累计加速度方向分布玫瑰图，取累计加速度最大的方向作为当地最大累计加速度方向.

(3)地震触发的崩塌滑坡优势方向的预测是其危害范围评估的重要内容，可为制定减灾对策提供科学依据.以高烈度地震山区选线设计为例，若线路位于地震触发的崩塌滑坡危害范围内，且崩塌滑坡运动方向与线路大角度相交时，是最不利的情况，可考虑线路外移等平面绕避措施，或修建棚洞、明洞等遮挡构筑物防护;当崩塌滑坡运动方向与线路小角度相交或者平行时，线路可能只处于危害区边缘部位，可考虑在线路上方设置拦截构筑物.

致谢:中国地震局工程力学研究所、国家强震动台网中心为本研究提供了强震动数据，中国科学院遥感与数字地球研究所提供了的3批覆盖芦山、宝兴、邛崃等县市约5 000 km2航空遥感数据，在此一并表示感谢.

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