甘肃舟曲河那滑坡变形特征及孕灾机理

朱彦鹏， 杜一博*， 杨校辉， 张卫雄， 朱鋆川

(1.兰州理工大学土木工程学院， 兰州 730050； 2.甘肃地质灾害防治工程勘查设计院， 兰州 730050)

中国是亚洲、乃至世界范围内地质灾害发生数量占据总数前列的国家[1]。由于滑坡发生时间具有瞬时、不可预测的特点，近些年来，滑坡给中国人民带来了极大的伤害。从1981年特大暴雨袭击四川后造成6万多处滑坡、崩塌、泥石流等灾害的产生，到2008年汶川地震在约48 678 km2的影响区域内,造成约5万个地震诱发的滑坡灾害，再到2017年九寨沟MS7.0级地震诱发约200个面积大于 700 m2的滑坡[2-5]，均造成了巨大的损失。

舟曲县毗邻汶川、九寨沟等地，地处两大构造单元和三个地震带交汇地带，新构造活动活跃，山高坡陡、谷深沟窄，是中国四大滑坡高发区之一[1]。受区域复杂的地质条件和气候条件影响，近些年来该区域内诸多不稳定的滑坡频繁发生滑动，如2018年7月12日，江顶崖滑坡发生滑动，总方量约5.0×106m3，堵塞白龙江，导致大面积区域受灾[6]。2019年7月16日，牙豁口滑坡滑动，总方量约2.12×106m3，使岷江处于半堵塞状态，严重威胁附近人民安全[7]。除此之外，还有2006年陇南滑坡、2018年果者村滑坡及锁儿头滑坡等[8]。

舟曲滑坡的诱发主要与地震扰动及强降雨作用有关，具有很明显的时空分布特征[9-10]。在时间分布上，滑坡大部分于夏末春秋之季形成，与降雨关系密切。在空间分布上，滑坡具有沿江、河、谷密集成带、舟曲-武都地区分布密度相对最高的区域分布特征。显然，这种分布特征与活跃的构造和高烈度的地震带联系密切。地震和降雨作为滑坡的两大主要诱发因素，在过去的几十年间，诸多学者在两者单一作用及耦合作用下滑坡发育及分布规律等方面进行了深层次的研究并取得了丰富的硕果[11-14]，有些学者以滑坡历史资料为研究对象，通过数学手段进行滑坡阈值的确定及预测，以图对滑坡灾害进行准确预测[15-17]。但是，由于数学计算的数据要求较高，现实条件很难满足，无法解释滑坡发展的复杂时空变幻，只能从科学的角度去了解阈值的影响因素。有些学者从模型试验、有限元模拟、现场监测结合进行滑坡孕灾机理及稳定性的研究，推动了滑坡孕灾机理的研究[18-21]。但是，降雨、地震、温度等相互作用下滑坡的综合研究较少，尤其是在地震后降雨诱发滑坡的孕灾机理方面的研究更是乏善可陈。

位于甘肃省舟曲县武坪乡的河那老滑坡破坏现象丰富、独特，孕灾机制复杂，产生后果较为严重，类似滑坡案例报道甚少。为及时查明灾情，理清孕灾机理，判定滑坡状态，现综合运用地质资料[22]、卫星遥感影像以及现场调查资料等多源数据，对滑坡范围进行划定。并辅以钻孔取样、探井观察、室内试验及滑带参数研究，对滑坡地层特性进行研究。在此基础上，通过分析区域降雨和地震特征对滑坡的孕灾机制进行判断和阐述。研究成果对于舟曲地区这类滑坡的孕灾机理和滑坡防治研究具有一定的借鉴意义。

1 河那滑坡地质环境综述

2018年7—8月，甘肃省舟曲地区内出现大面积的强降雨天气，强降雨导致舟曲县范围内多处发生山体滑坡。在灾害发生后，位于舟曲县武坪乡河那老滑坡(以下简称河那滑坡)发生滑动，多处变形加剧。为保障区域人民生命及财产的安全，对受灾区的地质构造、岩土体物理力学特性、滑坡时空特征及物质的成分组成进行调查。通过无人机航拍(图1)及现场勘查重点部位，查明其变形特征。

河那滑坡位于长江流域嘉陵江水系拱坝河的一级支流斜坡地段，中心点地理坐标为东经104°20′21.74″，北纬33°37′11″，坡向220°，平均坡度约12°，整体上陡下缓。斜坡上部为耕地及荒草地，中下部为居民聚集区，前缘紧邻白崖坝河[图1(a)]。2018年7月，受汛期连续强降雨的影响，河那发生山体滑坡，滑坡长约1 080 m，宽80 m，厚度20 m，滑坡体积约为62×104m3[图1(b)]，致使约700户村民的房屋、耕地损坏，经济损失达 8 000 万元，给人们身心带来了巨大的伤害。

图1 无人机航拍及遥感影像图Fig.1 Aerial and remote sensing images of UAV

1.1 气象水文条件

舟曲县属北亚热带向北温带的过渡区，降水少而不均匀，夏秋多雨，年平均降雨量为447 mm。舟曲县境内水网主要由长江支流嘉陵江的支流的白龙江、拱坝河、岷河、大峪沟、博裕河等组成，河流流量及水位主要受降雨控制[23]。强降雨多出现在7—8月，降雨日数最多为14 d。河那滑坡坡脚处的白崖坝河为季节性河流，由西向东流过，沟谷呈“U”字形，河床宽约10 m。针对区域内广泛分布的松散层孔隙潜水，根据泉水调查可知，区域内地下水主要为构造裂隙水，以潜水为主。受季节气候影响，泉流量大部分地段小于0.1 L/s，局部地段大于0.1 L/s，地层含水层富水性较差，单井涌水量20～300 m3/d，水位埋深变化较大。总体来说，滑坡区地表水和地下水丰富，地下水对岩土体影响极大，水文条件比较复杂。滑坡区山体地形图如图2所示。

1.2 地层岩性

研究区地处青藏高原东缘，为秦岭西翼与岷山山脉交汇地带，属秦岭地层分区，地层出露依据其工程地质性质将其分为砂砾岩岩组、第四系松散岩组。其中，砂砾岩岩组由下白垩统组成，岩性为紫红色砾岩、砂砾岩、含砾砂岩，夹少量灰白色灰岩和砂质叶岩。该岩组岩石成岩程度较低，泥、钙质胶结，岩石强度随胶结物质和胶结程度的不同变化较大。

1.3 地质构造

舟曲处于两个不同大地构造单元内。以洋布梁子—大年一线为界，南部属松潘-甘孜褶皱系的东北部分，活动性小，褶皱、断裂均不甚发育。北部属秦岭东西褶皱带，活动强烈，走向断层发育[24]。滑坡发育于坪定-化马断裂带上部，主滑方向与断裂带走向近平行，属坪定-化马断裂带控制的滑动。在长期地质构造发展过程中均表现出沿北西构造线方向形成大致互相平行的挤压带。

综上，研究区受构造活动影响，山体斜坡破碎，结构松散，加之山势陡峭，地质环境显得十分脆弱；另外，滑坡区雨季较长，降雨量较大，且由于人类建筑多建于斜坡之上，植被稀疏，水土流失严重。因此，一系列综合因素作用下使得舟曲地区成为中国滑坡高发、多发的地区之一。

2 河那滑坡分区变形特征

滑坡的灾变机理往往可以通过滑坡的变形特征来探究，而滑坡的变形特征取决于滑坡区的气象水文、地形地貌、地质构造、地层特征[25]。因此，在进行滑坡的灾变机理深度探究之前，对滑坡的变形特征应尽可能有一个全面清晰认识。通过对滑坡区的地质勘查、资料查阅等手段，结合滑坡的坡体结构、变形特征及空间分布情况，将2018年9月老滑坡复活滑动的部分分为3个(H1、H2、H3)次级滑坡(图3)，并详细描述各级滑坡的位置、变形特征及分界范围。各级次级滑坡的形状、主滑方向及滑体等基本特征如表1所示。

2.1 H老滑坡

H老滑坡位于舟曲县武坪乡河那村、尕河坝村所在的斜坡上，斜坡坡向220°，平均坡度约12°，整体上陡下缓，斜坡上部为耕地及荒草地，中下部为居民聚集区，有乡镇简易水泥硬化路近东西向贯穿于斜坡中下部，坡脚为白崖坝河。老滑坡基本沿该斜坡山谷分布，平面整体呈长条箕状产出，剖面形态呈近折线型(人类工程活动影响较大)，滑坡后缘高程2 150 m，前缘高程1 960 m，相对高差190 m，老滑坡后缘呈圈椅状，右侧壁下错形成高约15 m坡度约70°的陡坡，老滑坡中后部封闭洼地较为明显，为约70 m×120 m的凹坑，该处为地下水渗出点，滑坡前缘为白崖坝河，前缘见线状地下水出渗点。

图2 1∶500滑坡区山体地形图Fig.2 1∶500 topographic map of landslide area

表1 各级次级滑坡基本特征

2.2 H1次级滑坡

H1滑坡位于老滑坡西北侧即河那村东北侧，平面形态呈长条状产出。其后缘位于老滑坡后缘处，前缘位于老滑坡中上部偏西侧，相对高差约77 m。滑坡现状变形特征十分明显：坡体受滑动影响中上部鼓胀抬升明显，表现出上陡下缓。滑坡后缘下错形成一个高约2.5 m坡坎[图4(a)]且有多条张拉裂缝；滑坡中部出现一高约1 m的小型鼓丘，鼓胀裂缝大面积发育[图4(b)]；滑坡中下部简易公路处发育两组张裂缝，最大一处张裂缝宽0.28 m，长 37 m，深0.14 m，下错高度0.01 m(后期对其进行了为期一个月的监测，截止到勘查工作结束的2018年10月16日，该裂缝宽增大至0.30 m，现已停止增长)；滑坡两侧各发育一组剪切裂缝，滑坡右侧剪切裂缝[图4(c)]长 330 m，宽0.02～0.15 m，可见深度0.1 m，下错高度-0.4～0.2 m(负值表示滑体被抬升)，滑坡左侧剪切裂缝[图4(d)]长360 m，宽0.03～0.15 m，可见深度0.1 m，下错高度-0.3～0.5 m。

图4 H1分区滑坡变形特征Fig.4 Deformation characteristics of landslide in H1 division

2.3 H2次级滑坡

图5 H2分区滑坡变形特征Fig.5 Deformation characteristics of landslide in H2 division

H2次级滑坡位于老滑坡西北侧、H1次级滑坡西南侧，平面形态呈长条箕状产出，后缘为荒地，坡体上修筑有简易乡村道路、居民聚集区(河那村、尕河坝村)，前缘为白崖坝河。其变形特征为：坡体居民房屋大面积发育剪切裂缝、拉张裂缝、鼓胀裂缝(图5)，总体上剪切裂缝呈羽状或八字形分布，与主滑方向斜交或平行，在墙体上表现为南北错动，上大下小的特征。

2.4 H3次级滑坡

H3次级滑坡位于老滑坡东南部即H2次级滑坡南侧，平面形态呈簸箕状产出。滑坡后缘为耕地，坡体上修筑有简易乡村公路、武坪中心小学，前缘为白崖坝河。受修路建房影响坡体纵剖面呈折线型，总体为上缓下陡。现状条件下滑坡中部发育一处陡坎，位于简易公路南侧，中心小学北侧，坡体已修筑浆砌石挡墙，滑坡前缘受坍滑影响形成一个规模较大的凹陷区(图6)。

总体来说，河那滑坡具有多级次级滑坡、长距离滑动的特征。其滑动规模和变形特征相对于附近的江顶崖滑坡、牙豁口滑坡的滑体体积来说，体量较小，但其滑动变形特征、危害程度与这些滑坡相差无几。

3 地层岩性及分层特征

为了明确滑坡区的地层序列特征及滑面特征，综合采用以钻探为主、井探为辅的方式对滑坡区的土层进行原位、室内试验等方面的测试。滑坡共布置钻孔16个、探井8个，详见图7。对工程地质进行勘查，并得出4个沿主滑方向的滑坡地质剖面图，选取2个典型剖面进行说明，如图8所示。

图6 H3分区滑坡变形特征Fig.6 Deformation characteristics of landslide in H3 division

图7 河那滑坡地质勘查平面图Fig.7 Geological exploration plan of Hana landslide

图8 河那滑坡地质剖面图Fig.8 Typical geological profile of Hana landslide

通过调查及钻孔揭露发现，勘探到粉质黏土时，其上岩土体较为混杂，为砖红色-青灰色强风化砂砾、砾石、粉质黏土混杂体，钻进时有明显缩孔显现，其余钻孔可见挤压痕迹，故判定滑面为黄褐色粉质黏土层或强风化砂砾岩与含砾粉质黏土的基覆界面。因此，判定河那滑坡此次复活滑动主要为土质滑动。土质滑带埋深4～10 m，如图8～图10所示。土质滑带上覆的滑体物质主要由黄褐色粉质黏土、含砾粉质黏土和淤泥质粉质黏土组成。其中，黄褐色粉质黏土层厚度变化较大，厚度介于0～5 m，主要分布于滑坡中下部以及耕地覆盖区域，中下部含砾粉质黏土和淤泥质粉质黏土主要分布在滑坡中上部，呈可塑-软塑状，湿-饱和，刀切呈光面，手搓可成条状，摇震反应中等，韧性中等，干强度中，夹少量砾石，粒径为0.2～2 cm。

表2 岩土体物理力学参数

图9 河那滑坡现场取土及典型滑体、滑带特征示例Fig.9 Typical slide mass and slide zone characteristics of Hana landslide

总体而言，滑坡区地层厚度变化较大，物质成分不均，物质组成繁杂。且河那滑坡物质成分较之同一白龙江流域其他滑坡的物质有着显著的差异，与诸如江顶崖滑坡、牙豁口滑坡、泄流坡等滑坡不同，河那滑坡物质没有黑色物质。但其危害却相差无几。

图10 河那滑坡中后缘土层特征示例Fig.10 Typical slide mass and slide zone characteristics of Hana landslide

4 成因分析及复活机理

为河那滑坡为大型多级推移式滑坡，历史上发生多次蠕动、变形。借鉴平推式滑坡成因机制[26]，并结合河那滑坡的地质环境、变形特征、地层特性及滑带特征研究其孕灾机理。

4.1 成因分析

河那滑坡的复活为多种因素共同作用引起的，主要由以下因素构成。

(1)活跃地质构造形成有利滑动地形地貌。多变的断层活动决定了复杂的地形地貌[27]。河那滑坡所在地区地质构造活跃，断层发育，其地形起伏强烈，呈现上陡下缓的特征，是推移式滑动动力的来源。岩土体厚度不均，界面随地形起伏变化，滑坡整体呈长条箕状，后缘至分水岭，以拉张下错为界。左右两侧以陡崖、陡坎、剪切错动为界。前缘以白崖坝河、临空面为界。滑坡前缘临空，为土质滑动的形成提供了有利空间的变形条件。

(2)不良地层特性形成软弱层。不良的地层特性为滑坡的形成提供了良好的力学基础。滑坡表层主要由粉质黏土夹砾石、全风化砂砾岩构成，处于松散-稍密状态。基岩主要为白垩系砂岩，呈砖红色，成岩程度较低，表层呈全风化或强风化状，遇水易软化，透水性较低，是地层中的软弱夹层。

(3)频发地震形成内部裂缝。河那滑坡处于两个不同大地构造单元和南北地震带交汇地带，属于地震强烈区。历史上曾有多次MS≥7.0级的地震发生。例如，2008年的汶川县发生MS8.0级地震；2017年九寨沟县发生MS7.0级地震。河那滑坡处于近期两次大地震的严重影响范围之内[28-29](图11、图12)。地震后山体内部应力响应剧烈，应力集中现象明显，使得山体堆积体力学强度遭到损伤，产生较大位移。较前缘和中部的变形特征来说，河那滑坡后缘变形迹象十分明显且裂缝较多，变形较大。

(4)高强度长历时降雨诱发滑坡。滑坡区雨水分布不均，夏秋雨水充沛，滑坡发生前为舟曲地区汛期，降雨量大且持时较长。滑坡区域2018年6—7月暴雨期间的雨量统计如图13所示，降雨数据选取为6月1日—7月30日。从整体来看，降雨在6月下旬和7月上旬进入长时间的强降雨天气。长历时的强降雨导致滑坡内部含水率急剧上升，坡体中后缘地下水位接近1 m，坡体中下部土体形成饱和软弱夹层，土体力学强度降低，抗滑力下降，坡体稳定性不足，从而诱发斜坡滑动失稳。

4.2 复活历程

较一般的地震和降雨耦合因素作用下发生的滑坡，地震后降雨诱发的河那滑坡产生的概率更高，且在舟曲地区产生的案例较多。震后降雨诱发的河那滑坡其地表变形破坏特征主要表现为后缘为下错拉张变形，两侧羽毛状剪切裂缝，坡面顺坡剪切裂缝十分发育。震后降雨型多级土质滑坡孕灾特点为应力-损伤-渗流，具有多重因素沿时空顺序共同作用的特点，当具备滑体、滑带物质及滑体堆积空间时，在一定的时间的地震动力作用和随后某时刻降雨渗流的作用下，斜坡即具有比单一地震动力、单一降雨渗流更大的滑动变形的概率。一方面，河那滑坡从左到右，从后缘到前缘，堆积体厚度逐渐减小，这反映了滑坡后缘和右侧受到明显的构造作用。另一方面，结合H1滑坡、H2滑坡、H3滑坡变形迹象、地震资料查询可知，短时间、高频次地震作用影响后，斜坡中后缘坡体具有应力集中现象，在坡体内部和表面出现较多细小裂缝[30]。综合探井1、2和现场试验可知，滑体渗透系数较单一原状土体增大，空隙利用率升高。加之地震后某时刻，降雨使得地下水位抬升，坡体内部含水率大大增加，便于形成软弱夹层，这也是该区域内古滑坡多次复活的主要历程(图14)。

黑色圆点表示MS7.0九寨沟地震震中；黑色五角星表示河那滑坡图11 九寨沟MS7.0地震降轨同震形变场[28]Fig.11 The descending coseismic interferogram and deformation field of MS7.0 Jiuzhaigou earthquake[28]

红线为汶川地震地表破裂带；灰线为活动断层；箭号代表不同形变尺度的GPS水平位移量；五角星代表河那滑坡； 断层位移向东运动为负值，向西运动为正值图12 汶川地震InSAR和GPS 水平位移观测结果[29]Fig.12 Horizontal displacement of Wenchuan earthquake measured by InSAR and GPS[29]

图13 武坪乡6—7月降雨特征Fig.13 Typical slide mass and slide zone characteristics of Hana landslide in June and July

图14 孕灾机理示意图Fig.14 Schematic diagram of disaster pregnant mechanism of landslide caused by rainfall after earthquake

对于舟曲震后降雨型的土质滑坡而言，除了滑体、滑带、临空变形及动力源泉外，滑动变形应具备的条件还有边界条件、坡体坡度。即震后降雨型的土质滑坡滑动变形应具备可能的滑动角度、合适的切割张拉范围及可能的滑动空间。总体而言，在先期地震作用下，形成一系列破碎岩土体(渗透系数大、整体强度低)，为滑坡的发生提供了优良的物质源泉。在降雨发生时，破碎岩土体为降雨的快速、深入的渗透提供了优势通道，迅速、准确地渗入坡体内部对滑带进行饱和、软化，形成软弱夹层。而舟曲地区山高沟深、斜坡角度较大，为滑坡的发生提供了合适的滑动角度和可能的滑动空间，因而舟曲地区斜坡频繁发生此类类型的山体滑坡。

5 结论

舟曲地区诸如河那滑坡的地质灾害较多，又不尽相同。但是，所有的地质灾害均指向地震后产生裂缝，最后由降雨触发，这其中存在诸多问题亟待解决，如震后斜坡产生裂缝的数量及大小、裂缝对降雨入渗的影响、地震后降雨的关联问题等等，只有解决这些问题才能将舟曲地区的地质灾害消除于无形之中。河那滑坡作为舟曲地区典型的震后降雨型土质滑坡，其滑动变形危害范围较大，滑坡产生的现象较一般地震、降雨造成滑坡不同，是多种因素共同作用而成。因此，初步对此类滑坡通过多源手段进行滑动的孕灾机理研究，得出如下结论。

(1)河那滑坡为大型多级推移式堆积层滑坡，受其地质构造和气候影响，主要由震后的降雨诱发主要表现为多级、多层、超长。

(2)河那滑坡地质厚度不均，土层及岩性变化较大，变形主要受控于土质滑带而产生。

(3)滑坡变形十分剧烈，具有明显分区、分块变形特征。滑坡中、后缘较前缘变形较大，滑坡左右边界变形清晰、强烈。滑带滑动特征显著，具有十分明显的搓揉、擦痕迹象。

(4)较其他地区的滑坡发生不同，河那滑坡处于地质构造活跃地带，受先期频繁发生地震的影响，形成一系列破碎岩土体和许多坡体裂缝，为滑坡的形成提供了重要的物源及入渗优势通道。最终，在降雨作用下，快速地产生软弱夹层导致坡体滑动。