西南岩溶山区特大滑坡成灾类型及动力学分析

高 杨，贺 凯，李 壮，高浩源，卫童瑶，邢爱国，李 滨，

(1.中国地质科学院地质力学研究所/新构造运动与地质灾害重点试验室，北京 100081；2.长安大学地质工程与测绘学院，陕西 西安 710054；3.上海交通大学海洋工程国家重点实验室，上海 200240)

我国西南岩溶山区广泛分布于云贵高原及周边区域，是世界上最大的连片裸露岩溶地区，面积达6.2×105km2，约占国土面积的1/15，是我国高储量高品位矿产资源和丰富水能资源的基地，西电东送的重要输出地。然而，由于该地区地质环境脆弱，人类工程活动强烈，群死群伤的灾难性滑坡频发，据不完全统计，近十年岩溶山区滑坡灾害已造成2 800余人死亡。该区域的滑坡灾害一般高位启动，呈现出运动速度快、致灾范围广、破坏力巨大和预测难度大等特点[1-2]。这些滑坡灾害严重限制了岩溶山区城镇化建设的发展，威胁着岩溶地区人居安全和社会稳定，危及大型矿产能源基地、大型水利设施以及高速铁路、高速公路等重大工程的安全运营，滑坡失稳后的动力成灾过程成为了山区城镇地质灾害防灾减灾研究工作中的难点和热点。

我国西南岩溶山区位于上扬子地台，经过多期构造运动，形成了特有的强烈褶皱地貌形态。二叠系、三叠系厚层碳酸盐岩地层覆盖于地表，形成了上硬下软的地层结构、上陡下缓的地形特征以及强烈的溶蚀地貌等复杂的区域地质环境。同时日益加剧的人类工程活动，使研究区成为大型沉积岩滑坡灾害的高易发区。1994年重庆武隆鸡冠岭滑坡[3]、2004年重庆南川甑子岩滑坡[4]、2009年重庆武隆鸡尾山滑坡[5]、2010年贵州关岭大寨滑坡[6]、2013年云南镇雄赵家沟滑坡[7]、2014年重庆云阳咸池水库滑坡、2017年贵州纳雍张家湾滑坡[8]、2019年贵州水城“7.23”滑坡[9-10]等。这些滑坡均为高位启动，有较大的势动能转换空间，存在着复杂的动力过程。许多专家学者对该研究区的典型案例开展了详细的研究。但是，针对我国西南岩溶山区特大滑坡的成灾规律及定量化特征需要进一步总结归纳，提出了隐患点的早期识别和危险区划方法，对指导我国西南岩溶山区滑坡灾害的风险防范，提升防灾、避灾和救灾能力具有重要的现实意义。

1 滑坡碎屑流典型实例

1.1 重庆武隆鸡尾山滑坡

2009年6月5日，重庆市武隆县铁矿乡鸡尾山滑坡，约有5.0×106m3的滑体从滑源区沿视倾角方向剪出，运动过程中不断解体，最终形成平均厚度超过30 m，纵向长度约2 150 m，总体积约为7.0×106m3的堆积体，导致74人死亡8人受伤[11-13](图1)。滑体启动后，从约70 m高的陡坎剪出，撞击前方小型山体，铲刮山体和表面堆积层体积近8.0×105m3，经过深约50 m、宽约200 m沟谷后撞击对岸，受对岸陡坡的阻挡，高速运动的滑体物质解体破碎，随后沿沟谷向铁匠沟下游以碎屑流的方式运动堆积。滑体沿途发生高速撞击铲刮逐渐解体，从块体解体为散体再到碎屑体，最终形成滑坡碎屑流灾害[14-16]。

1.2 贵州关岭大寨滑坡

2010年6月28日，贵州关岭岗乌镇大寨村发生滑坡，约1.15×106m3崩滑体失稳下滑，滑程超过1.5 km，沿途铲刮表层堆积体和摧毁建筑物，堆积体体积达1.75×106m3。滑坡致使两个村组被毁，共99人遇难(图2)。降雨是触发此起特大灾害的主要原因，24 h降雨量达310 mm，降雨产生的沟谷径流量是平时强降雨沟谷径流的2 倍之上，裂隙岩体中的渗透压力和静水压力触发滑体失稳下滑。从地形上看，斜坡上陡下缓，形似“靴状地形”，上部陡峭地形导致山体易于失稳，中下部开阔伸展良好的沟谷提供了远程的运动条件，较大的势能向动能转化，形成高速远程滑坡碎屑流[6,17-18]。

图1 重庆武隆鸡尾山高位滑坡[14]Fig.1 Jiweishan high-position landslide in Wulong of Chongqing[14]

图2 贵州关岭大寨高位滑坡[6]Fig.2 High-position landslide in Dazhai near Guanling in Guizhou[6]

1.3 贵州水城“7.23”滑坡

2019年7月23日20时40分，贵州省水城县鸡场镇发生一起特大型滑坡灾害事件。该滑坡发生于四川、贵州、云南三省交界位置的峨眉山玄武岩地区，山体地貌形态较为高陡，在短时强降雨条件下滑体高位启动，并转化为高速远程碎屑流，沿两条冲沟分流，冲毁并掩埋沟谷两侧的居民房屋，共摧毁当地居民21 间房屋，77 人被掩埋，最终导致51 人死亡[9]。滑体物质高位剪出后，铲刮表面堆积层和强风化岩层，并逐渐解体形成碎屑流，由于下部微地貌山脊的阻挡，分别沿N5°E和N34° E方向沟谷分流运动。形成了最大水平距离为1 340 m，总覆盖面积为3.3×105m2，总体积约为2.0×106m3的堆积体(图3)，属于高位远程滑坡泥石流[10]。

图3 贵州水城“7.23”滑坡[10]Fig.3 “7.23” landslide in Shuicheng of Guizhou[10]

2 滑坡成灾类型

根据野外现场调查和数据统计分析，将西南岩溶山区滑坡的成灾类型分成了三类：岩质崩塌、高位远程滑坡碎屑流和高位远程滑坡泥石流(图4～5)。滑坡区域地形特征、滑体岩性和堆积体破碎比具有一定规律性。在该研究中采用破碎比分析滑体的破碎解体程度。堆积体破碎比是指岩质滑坡的滑体粒径(D)(可根据滑体体积计算等效粒径)与堆积体颗粒的平均粒径(d)之比，下面分别对三种成灾规律进行总结。

(1)岩质崩塌

该类滑坡剪出口高差通常小于50 m，运动距离相对较近，堆积体一般呈现坡脚处堆积，等效摩擦系数通常在0.6以上，堆积体破碎比为5～20。由于势能相对较低，灾害的成灾范围相对较小，应多注重坡脚处的防护避让。该灾害类型通常发生在碳酸盐岩山区，典型实例为贵州威宁猴场镇岩质崩塌(图4a和图5a)。

(2)高位远程滑坡碎屑流

该类型滑坡剪出口高差通常为50～200 m，运动距离相对较远，等效摩擦系数为0.33～0.60。由于存在高位势能向动能的转换，在运动过程中通常存在冲击铲刮和解体破碎的动力学特性。堆积体破碎比为20～100。成灾范围相对较广，多以块状岩质碎屑体堆积为主。该灾害类型通常发生在碳酸盐岩和碎屑岩区，典型实例为贵州纳雍张家湾滑坡(图4b和图5b)。

(3)高位远程滑坡泥石流

新时代推进乡村振兴，既要放眼未来，也需回望源头，从根本上来讲，就是要处理好几对关系，即农民与土地的关系、农民与市场的关系、农业与二三产业的关系、农村与城市的关系。党的十九大报告用“产业兴旺、生态宜居、乡风文明、治理有效、生活富裕”新二十字概括了乡村振兴的总要求。从本质上看，是“五位一体”总布局从城市到乡村的全面展开，是新农村建设目标的高级版与升华版，[4]15同时突显了推进乡村振兴的关键要点。

该类型滑坡剪出口高差大于200 m，通常发生在极端降水工况下，运动距离最远，危害性极大，等效摩擦系数通常小于0.33。由于较大势能向动能的转换，在运动过程中，通常存在冲击铲刮、解体破碎和流化拖曳的动力学特性。堆积体破碎比区间大于100。由于滑体高位启动，势能相对较大，滑体以颗粒状岩质碎屑体为主，在沟谷地表径流的作用下充分混合形成固液两相流，成灾范围最广。该灾害类型通常发生在碳酸盐岩和碎屑岩区，典型实例为贵州水城 “7.23”滑坡(图4c和图5c)。

图4 岩溶山区三种成灾类型典型案例Fig.4 Typical examples of three disaster types in karst mountain areas

3 高位滑坡形成特征

高位远程滑坡在中国西南岩溶山区频发，具有极端破坏力，对人类的生命和财产安全产生极大的威胁。该研究区的 “高位远程滑坡”是指从高陡斜坡位置剪出并形成凌空加速坠落的滑坡，通常前缘和剪出口高差大于50 m，最大运动速度达到20 m/s以上，在运动过程中存在较大的势动能转换空间，一般具有四种动力学效应：铲刮效应、解体效应、气垫效应和流化效应。主要特征为：

(1)地质特征

受燕山构造运动影响，我国西南岩溶山区多形成NNE-NE向的碳酸盐岩褶皱山体，区域地质环境复杂，人类工程活动强烈，是大型岩质崩滑灾害的高易发区。西南岩溶山区滑坡灾害的地形地貌普遍呈现上陡下缓特征，滑体易从高陡斜坡上部位置剪出，形成高位岩质崩滑灾害；地层结构呈现上硬下软特征，软岩地层通常为山区城镇居民的居住地，更容易导致群死群伤事件发生。

(2)岩溶特征

西南岩溶山区滑坡灾害的滑体岩性以碳酸盐岩和碎屑岩沉积岩为主，但是几乎都有碳酸盐岩的参与。碳酸盐岩具有溶蚀特性，滑坡影响区内的岩溶汇水地貌和滑体内部存在溶蚀通道对滑坡的失稳破坏产生着重要影响，同时滑坡在运动过程中发生流化效应和解体效应，进而影响滑坡的成灾范围。

(3)致灾特征

滑体岩性以硬岩为主，滑体易从高陡斜坡上部剪出，形成凌空加速坠落的滑体，撞击周围岩土体，进而转化为高速远程滑动的碎屑流，运动过程中具有冲击铲刮放大效应和碰撞解体效应，容易对周围建筑物造成毁灭性的损害。

图5 岩溶山区特大型滑坡成灾类型及过程概化模式Fig.5 Disaster patterns and processes of large landslide in karst mountain areas

4 滑坡运动堆积特征分析

根据野外现场调查结果和前期资料解析，本文分析了岩溶山区典型滑坡的后破坏运动堆积特征，分别对滑坡的滑体体积、运动距离、前后缘高差、剪出口高差、等效摩擦系数、铲刮体积和堆积体面积之间的关系进行统计分析。具体定义为(图6)：

(1)滑体体积(V0)为变形破坏过程中启动的失稳岩土体体积；

(2)运动距离(L)为滑体运动路程的水平距离；

(3)前后缘高差(H)为滑坡后缘同堆积体前缘的高程差；

(4)剪出口高差(h)为滑坡剪出口同堆积体前缘的高程差。该参数可作为高位滑坡评估的重要指标；

(5)等效摩擦系数(tanα)为滑坡前后缘高差与运动距离的比值。α为等效摩擦角，目前国内外通常采用该参数定义远程滑坡；

(6)铲刮体积(Ve)为滑体运动过程铲动周围不动岩土体后增加的体积；

(7)堆积体面积(A)为滑坡运动停止后堆积体的面积。

本文针对我国西南岩溶山区具有代表性的18处典型滑坡事件(表1)的运动堆积特征进行了数据统计分析，得出以下结果：

4.1 滑体体积、等效摩擦系数与滑坡数量关系

我国西南岩溶山区滑坡的滑体体积大多集中在1.0×106km3以内，也有超过1.0×107km3的特大型滑坡，例如头寨滑坡体积达1.2×107km3。滑体体积和等效摩擦系数具有一定负相关关系，但也存在体积小滑程远的滑坡案例(图7a)，规律性不明显。研究区内滑坡的等效摩擦系数为0.2～0.6，基本呈现了远程运动特征(图7b)。

4.2 前后缘高差、剪出口高差与滑坡数量关系

我国西南岩溶地区地形地貌呈现上陡下缓的“靴状”地形特征，滑体易从高陡斜坡上部位置剪出，形成高位岩质崩滑灾害，通常认为剪出口高差大于50 m的滑坡具有高位启动的特征。根据剪出口高差分布(图7c)和前后缘高差的分布(图7d)对比结果，剪出口高差主要集中在50～200 m内，前后缘高差主要集中在100～500 m内。剪出口高差同滑坡运动的等效摩擦系数具有一定相关性，当剪出口高差大于100 m时，等效摩擦系数小于0.5，大多集中在0.3左右。

4.3 运动距离、堆积体面积与滑坡数量关系

在统计的18 个典型滑坡中，6 处滑坡运动距离小于500 m；7处滑坡大于500 m，小于1 000 m；5 处滑坡大于1 000 m，基本体现了该区域内滑坡具有失稳后远距离运动的特征(图7e)。滑坡堆积体的面积全部在5.0×105m2以内，多集中在2.0×105m2以内(图7f)，体现了该区域内滑坡具有成灾范围广的特征。在我国西南岩溶山区，山体岩性大多属于硬岩岩性，节理和溶蚀裂隙发育，滑坡运动过程中的碰撞解体效应是导致滑坡影响范围增加的关键因素。

图7 西南岩溶山区典型滑坡数量统计柱状图Fig.7 Statistical histogram of typical landslide in the karst mountain area in southwest China

4.4 等效摩擦系数、运动距离与滑坡体积关系

等效摩擦系数是定义滑坡高速远程运动的关键定量指标，通常该值小于0.60时为远程滑坡，小于0.33时为高速远程滑坡[21]。结合滑体体积与等效摩擦系数之间线性趋势线拟合的相关系数(R2)可知(图8a)，滑体体积同等效摩擦系数的线性关系较差，西南岩溶山区滑坡的尺寸效应并不明显。以此说明，在岩溶山区地形地貌、地层岩性等地质背景因素影响下，动力学作用才是滑坡高速远程运动的主控因素(图8b)。

4.5 剪出口高差、前后缘高差与运动距离关系

从图8(c)、(d)可以看出，滑坡剪出口高差和前后缘高差与滑坡运动距离具有较好的相关性，高差越大运动距离越远，说明地形地貌条件是导致滑坡高位启动后远程运动堆积的主控因素之一。滑坡高位启动后，滑体存在较大的势动能转换空间，具有运动距离远、运动速度快、冲击能量大的运动特征。

4.6 前后缘高差、运动距离与铲刮体积关系

在统计的18 个典型滑坡案例中，选取8 个具有明显冲击铲刮作用的滑坡进行统计分析，得到前后缘高差与铲刮体积关系散点图(图8e)，从图中可以看出，整体趋势为前后缘高差越大，高位势能越大，经过能量传递后导致铲刮体积增加。通常剪出口高差大于50 m时，均伴随有一定冲击铲刮作用，且铲刮体积越大，运动距离越远(图8f)。

图8 西南岩溶山区典型滑坡运动特征散点分布图Fig.8 Distribution of typical landslide movement characteristics in the southwest karst mountain area

表1 滑坡运动堆积体特征基本要素Table 1 Statistics of basic elements characteristics of landslide accumulation

5 结论

(1)我国西南岩溶山区多形成NNE—NE向的碳酸盐岩褶皱山体，普遍呈现上陡下缓的地形地貌特征和上硬下软的地层结构特征，碳酸盐岩的溶蚀特性导致的岩溶汇水地貌和溶蚀通道发育，进而加剧了滑坡后破坏的运动堆积特性。

(2)我国西南岩溶山区滑坡分成了岩质崩塌、高位远程滑坡碎屑流和高位远程滑坡泥石流三种成灾类型，以高位远程滑坡碎屑流灾害发育最多。滑坡区域地形特征、滑体岩性和堆积体破碎比呈现一定规律性。岩质崩塌灾害类型剪出口高差通常小于50 m，等效摩擦系数通常在0.6 以上，堆积体破碎比为5～20；高位远程滑坡碎屑流灾害类型剪出口高差为50～200 m，等效摩擦系数0.33～0.60，堆积体破碎比20～100，多以岩块为主；高位远程滑坡泥石流灾害类型剪出口高差大于200 m，发生在极端降水工况下，等效摩擦系数小于0.33，堆积体破碎比区间大于100，滑体以碎屑颗粒为主。

(3)西南岩溶山区“高位滑坡”的剪出口高差大于50 m，最大运动速度达到20 m/s以上，运动过程中存在较大的势动能转换空间，一般具有四种动力学效应：铲刮效应、解体效应、气垫效应和流化效应。