芦山地震触发大岩崩滑坡碎屑流特征与运动过程

1、芦山地震触发大岩崩滑坡碎屑流特征与运动过程 摘要： “420”芦山强烈地震次生地质灾害以崩塌、落石为主，滑坡较不发育，且规模小.但在天全县老场乡大庙村大岩崩却形成了地震灾区唯一一处大规模滑坡：在地震作用下，沿大岩崩单薄山脊两侧各约35.2万和42.0万 m3的强风化白云质灰岩岩体高位、高速滑出，分别沿两侧高速运动，左、右侧沿途分别滑行约504和740 m后与各自主沟道形成撞击爬坡，在春尖窝沟左岸和干沟头主沟右岸爬高分别约35和26 m.随后又各自顺沟而下（沿春尖窝沟滑行763 m，沿干沟头沟滑行409 m），并在干沟头沟撞击点下游409 m处交汇，交汇后由于坡道较缓运动约223 m后停止，在主

2、沟和春尖窝沟各形成8 000和600 m3的小堰塞湖，沿沟因无保护对象而未造成人员和财产损失.在对滑坡现场进行详细地质调查的基础上，结合现场测绘、勘探等手段，对大岩崩滑坡体的基本特征进行了较深入的研究，对滑坡发生及成灾原因进行了初步分析.结果表明，滑源区陡峭单薄山脊的地形条件、风化破碎的白云质灰岩岩体和有利的结构面组合是滑坡发生的基本条件；芦山7.0级地震对滑源区的震动效应是滑坡发生的直接诱因. 关键词： “420”芦山地震；大岩崩滑坡；远程滑坡碎屑流；运动机理 中图分类号： p642.22； p642.23文献标志码： adebris flow characteristics and mov

3、ement process of dayanbeng landslide in tianquan county triggered by “420” lushan earthquakehu xiewen1，2，gu chengzhuang1，niu yanbo1，liang jingxuan1， pan cong1，wu jianli1，lin jinhui1，chen dingcai3 （1. school of geosciences and environmental engineering， southwest jiaotong university， chengdu 610031，

4、china； 2. aseismic engineering technology key laboratory of sichuan province， southwest jiaotong university， chengdu 610031， china； 3. chengdu geoinvestigation institute of sichuan metallurgy geoexploration bureau， chengdu 610203， china） abstract：the secondary geological disasters triggered by “420”

5、 lushan strong earthquake were dominated by rockfalls rather than landslides， and their scales were not large. however， there was a largescale landslide in damiao village， laochang township， tianquan county， the only largescale landslide in the disaster area. there were about 35.2104 and 42.0104 m3

6、strongly weathered dolomitic limestone sliding out quickly from high places along both sides of thin ridge in dayanbeng mountain， moving along grooves on both sides with a high speed， then sliding about 504 and 740 m respectively along the left and right ditches， hitting with their main channels and

7、 climbing about 35 and 26 m respectively in the left bank of chunjianwo ditch and the right bank of gangoutou main ditch. afterwards they slid about 763 and 409 m respectively and intersected 409 m away from the impact point in gangoutou ditch， then they slid about 223 m because of gentle slopes to

8、form two small dammed lakes with volumes of 8 000 and 600 m3， causing no casualties and property loss because of no inhabitants along the ditch. on the basis of detailed geological survey and combining with field mapping， prospecting and other means， the basic features of dayanbeng landslide were re

9、searched thoroughly， and the causes of the landslide were analysed preliminarily. the research result shows that the thin ridge， weathered dolomitic limestone and favorable structures are the basic conditions of the landslide， and vibration effect of “420” lushan earthquake is the direct cause of th

10、e landslide. key words：“420” lushan earthquake； dayanbeng landslide； long runout landslidedebris flow； movement mechanism 截止2013年5月9日17：00，“420”芦山ms7.0级地震（简称芦山地震）灾区地质灾害应急排查新增地质灾害隐患点2 122处（其中雅安市997处）1.从地震灾区地质灾害类型及规模看，本次地震次生地质灾害总体表现出以崩塌落石为主，滑坡较不发育且规模小的特点，但是在天全县老场乡大庙村干沟头沟域内的大岩崩却形成了地震灾区唯一一处超过100万 m3的大规模

11、滑坡.在地震作用下，沿大岩崩单薄山脊两侧各约42.0万和35.2万 m3的强风化白云质灰岩岩体高位、高速滑出，随即解体转化为高速滑坡，分别沿两侧凹槽及沟道高速运动、碰撞，沿途不断携卷和铲刮凹槽及两侧斜坡表面物质，使滑体西南交通大学学报第48卷第4期胡卸文等：芦山地震触发大岩崩滑坡碎屑流特征与运动过程体积不断增大，最终2处滑坡方量逐渐增大到111万和110万 m3，并在干沟头沟和春尖窝沟各形成8 000和600 m3的小堰塞湖，沿干沟头沟和春尖窝沟的最终运动距离分别为1.372和1.267 km，沿沟因无保护对象而未造成人员和财产损失. 大岩崩滑坡发生前并无明显的滑坡迹象，滑坡的发生表现出较强的

12、隐蔽性、突发性以及高位、高速、远程的运动特点，尤其是单薄山脊两侧同时发生高速滑坡的现象，在2008年的“512”汶川特大地震灾区等210也未曾发生过，因此对其失稳机制和运动模式进行研究，对丰富地震高速滑坡的理论与实践具有重要意义.1滑坡区地质环境条件1.1地形地貌滑坡区位于天全县东部山区，属构造侵蚀中山地貌、斜坡冲沟地形，陡缓相间.滑坡所在的干沟头流域在新构造运动下沟道冲刷、淤埋强烈，地形较复杂，在主沟范围内，两侧地形坡度较陡，总体呈西北高、东南低的地势.流域顶部相对较陡，主沟及两岸地势陡缓相间；流域最高点高程2 810 m，最低点位于沟口与宝兴河交汇处，高程935 m，相对高差1 875 m

13、.其中与滑坡部位有关的沟谷为主沟干沟头沟和支沟春尖窝沟（图1）.在地形上滑坡部位呈单薄山脊，并呈近sn向展布，北侧最高高程为1 671 m，干沟头侧（西侧或右侧）沟底高程1 215 m，春尖窝沟侧（东侧或左侧）沟底高程1 271 m，相对高差分别为456和400 m，两侧地形平均坡度分别为50和56，山脊部位局部达63.地形总体陡峭.1.2地层岩性滑坡区出露地层为三叠系下统嘉陵江组白云质灰岩（t1j），以及表层残坡积层（qel+dl4）和崩积层（qcol4），白云质灰岩呈浅灰色至灰白色，山脊部位岩体呈强风化，完整性一般，以层状碎裂结构为特点.覆盖层为崩坡残积块碎石土，厚度一般在35 m. 图1

14、大岩崩滑坡区地形地貌（自google earth） fig.1topography and geomorphology of dayanbeng landslide （from google earth） 1.3地质构造天全县地处巨型青藏滇缅印尼“歹”字型构造体系中部与龙门山北东向构造带结合部位，地质构造复杂，褶皱断裂发育.滑坡区位于双石大川断裂带（发震断裂）附近，距芦山地震震中直线距离约25 km（图2）. 图2天全县大岩崩滑坡周边区域构造体系略图 （自2013年4月21日四川防震减灾信息网） fig.2regional tectonic system sketch of dayanbeng

15、 landslide in tianquan county2滑坡基本特征2.1滑坡形成特点大岩崩滑坡受芦山强烈地震触发启动，与一般由降雨或地震诱发形成的单边滑坡不同，滑坡发生部位受单薄山脊控制，因地震波震动分别朝山脊东、西两侧发生滑动，即沿东侧春尖窝沟滑动（称为“左支滑坡”），沿西侧主沟干沟头沟滑动（称为“右支滑坡”），见图3和图4. 图3大岩崩高速滑坡分区示意 （无人机拍摄，自四川省测绘地理信息局） fig.3formation and division schematic diagram of dayanbeng landslide （photographed by uav）图4大岩崩滑坡

16、工程地质平面图 （底图自四川省冶金地质勘查局 成都地质调查所，有修改） fig.4engineering geological plane of the landslide 现场调查表明，地震发生时，因滑坡点距震中约25 km，且单薄山脊走向与震中近于垂直，强烈的地震波导致山脊附近两侧发生高速滑坡，而滑坡部位原为当地村民运输树木的溜槽，其中左支滑坡后缘高程1 594 m，滑源区剪出口高程推测位于 1 446 m处，高差148 m，规模35.2万 m3；右支滑坡后缘高程1 577 m，滑源区剪出口高程推测在1 340 m处，高差237 m，规模42.0万 m3.上述2处滑源区均为强风化白云质灰岩

17、，地震启动高速下滑，随即沿两侧溜槽高速运动，沿途不断携卷和铲刮凹槽及两侧斜坡的表层物质，使滑体体积不断增大，左、右侧沿途分别滑行约504和740 m后与各自主沟道形成撞击爬坡，在春尖窝沟左岸和干沟头主沟右岸爬高分别约35和26 m，左、右支高速滑坡前缘撞击点最低高程分别为1 271和1 215 m.也就是说，从滑源区到前缘撞击点，左支滑坡整体长504 m，平均宽110 m，滑体厚约20 m，堆积体方量约110万 m3；右支滑坡整体长740 m，平均宽75 m，滑体厚约20 m，堆积体方量约111万 m3. 在两滑坡碎屑流高速撞击后，由于巨大的冲击能量，春尖窝左岸和干沟头右岸顺沟冲击爬坡长度分别

18、达233和186 m. 除了沿各自沟道上游扩散外，绝大部分随后又各自顺沟而下（沿春尖窝沟滑行763 m，沿主沟滑行409 m），并在干沟头沟撞击点下游409 m处交汇.交汇后由于坡道较缓，运动约223 m后停止，在主沟和春尖窝沟各形成8 000和600 m3的小堰塞湖（图5图14）.上述现象显示，2处滑坡不仅高图5左支滑坡形成过程纵断面 fig.5vertical section profile of forming process of left landslide 图6右支滑坡形成过程纵断面 fig.6vertical section profile of forming process

19、of right landslide图7滑源区后缘陡坎及其分水岭 fig.7scarp and watershed in slip source area图8左支滑坡全景 fig.8panoramic view of the left landslide图9左支滑坡高速下滑铲刮在 春尖窝沟冲击爬高 fig.9highspeed sliding， scraping and climbing of the left landslide图10左支滑坡碎屑流顺春尖窝沟 下滑及两侧铲刮 fig.10debris flow sliding and scraping of the left landslid

20、e along chunjianwo ditch 图11左、右支滑坡碎屑流全景 fig.11panoramic view of debris flow of both landslides图12右支滑坡碎屑流全景 fig.12panoramic view of debris flow of the right landslide图13右支滑坡沿途铲刮（面朝下游） fig.13scraping of the right landslide （facing downstream）图14干沟头沟形成的小型堰塞湖 fig.14a small dammed lake formed in gangouto

21、u main ditch图15大岩崩滑坡碎屑流“龙头”堆积 fig.15leading accumulation of debris flow of the dayanbeng landslide 位、运动势能大，而且在高速运动过程中，春尖窝沟侧冲击能量更大，表现出爬坡更高、扩散范围更广、运动距离更长的特征.从滑源区至堆积区，左、右支高速滑坡分别运动1 267（不含两沟交汇后的223 m）和1 372 m. 2.2滑坡分区特征根据现场调查，将大岩崩左、右支滑坡分为滑源区（）、铲刮撞击区（）和碎屑流流通堆积区（）（图3）. 2.2.1滑源区（） 靠东侧的左支滑坡滑源区（2）后缘高程1 594 m

22、，前缘剪出口高程1 340 m，高差254 m，沿主滑方向长约160 m，滑体平均宽约110 m，厚约20 m，估算启动方量为35.2万 m3，滑坡前平均坡度53，主滑方向104. 而靠西侧的右支滑坡滑源区（1）后缘高程1 577 m，前缘剪出口高程1 340 m，高差237 m，沿主滑方向长约280 m，滑体平均宽约75 m，厚约20 m，估算启动方量42.0万 m3，平均坡度50，主滑方向156. 两处滑坡启动物质主要为嘉陵江组白云质灰岩和第四系坡残积松散层，其后缘陡壁及分水岭明显（图7），滑坡所在单薄山脊后缘陡壁基岩出露，坡度达68，高差30 m.基岩产状为23025，因此对左、右两侧滑

23、坡滑源区坡体结构而言，左侧为斜向反倾，而右侧则为斜向顺倾结构，总体上顺岩层走向方向滑动. 2.2.2铲刮撞击区（） 两处（支）滑坡高速剪出后，分别沿各自主滑方向快速向下滑动，滑动过程中，不断对沿途坡体进行铲刮和携卷.由于坡下原为当地村民运输树木的溜槽，溜槽内坡残积较薄，主要为碎裂结构的强风化白云质灰岩，故以铲刮强风化破碎基岩为主.由于滑坡铲刮后冲击能量高，在达到各自最低高程的主沟道附近产生了强烈的撞击、爬高、改向等现象. （1） 左支滑坡铲刮撞击区（2） 该区分布于高程1 2711 446 m段，高差175 m，滑体快速下滑沿途铲刮580 m后，几乎垂直撞击春尖窝沟左岸山体.因能量高，滑体撞击

24、后，向春尖窝沟两侧抛撒，而绝大部分则沿春尖窝沟下游方向继续以碎屑流的方式运动堆积，少量堆积于沟道上游方向.高速滑体将春尖窝沟左岸撞击部位的松散坡积层和强风化层铲刮干净，形成垂直的基岩陡壁，高差2035 m不等，顺沟长度达233 m（图9和图10）.由此推测，左支滑坡在运动至撞击点时速度很大，具有较大的冲击动能.高速滑坡碎屑流在撞击春尖窝沟左岸及其堆积过程中，在其上游形成的一小型堰塞湖，面积300 m2，平均深度2.0 m，库容约600 m3.因堰塞湖水量很小，不会构成灾害隐患. （2） 右支滑坡铲刮撞击区（1） 该区分布于高程1 2151 340 m段，高差125 m，与2相似，滑源区高速剪出

25、后滑体快速下滑，滑行460 m后直接撞击干沟头右岸，迫使滑坡碎屑流运动方向向左偏转33.撞击后在撞击点形成7080陡壁，高差达1520 m.由于滑坡碎屑流堆积堵塞了原干沟头沟道，在其上游形成一小型堰塞湖，面积1 839 m2，平均深度4.5 m，最深处6.5 m，库容约8 000 m3.因堰塞湖水量较小，同样不会构成灾害隐患（图14）. 2.2.3碎屑流流通堆积区（） （1） 左支滑坡碎屑流流通堆积区（2） 该区即为沿春尖窝沟沿途流动和堆积区域，前、后缘高程分别为1 170 和1 271 m，纵向长约763 m，堆积体平均宽45 m，向下游方向堆积体逐渐变厚，上段厚约25 m，下段增大至约35

26、 m.该区为左支滑坡撞击解体后碎屑物质的主要流通和堆积区域，由于左支滑坡撞击改向时能量较大，因此该区上段对两岸的铲刮迹象明显（图9和图10）.碎屑流流动至1 170 m高程处与干沟头汇合并混入（1）区，随后一并整体向下游运动. 该区以碎块石土堆积为主，碎块石成分为白云质灰岩，平均粒径1530 cm，最大达2 m，粒径较1区小，说明撞击能量大、基岩块体解体充分. （2） 右支滑坡碎屑流流通堆积区（1） 该区即为沿干沟头沟沿途流动和堆积区域，后缘高程1 215 m，前缘高程1 144 m，滑距约632 m（在滑距409 m处纳入部分春尖窝沟2区物质）.堆积体平均宽约55 m，厚约18 m，主要为右

27、支滑坡撞击解体后碎屑流物质的主要流通和堆积区域.堆积物主要为碎块石土，碎块石成分为白云质灰岩，以大粒径块石堆积为主，粒径13 m的巨大块石含量约占20%.可见，右支滑坡因滑源区剪出口较低（1 340 m，左支滑坡为1 446 m）、沿途下滑坡降较左支滑坡稍缓（平均坡度约50，而左支滑坡为56），表现出下滑冲击能量稍低的特点.3滑坡形成机制分析大岩崩山体变形失稳前整体稳定，山体表面植被发育，整体无任何大的变形迹象，岩性为白云质灰岩，尽管岩体风化强烈且较破碎，但有一定的抗剪强度.在芦山“420”强烈地震中，本身为三面临空的单薄山脊部位分水岭两侧，沿震裂裂缝整体溃滑，随后高速下滑铲刮、撞击、改向，顺

28、沟道形成碎屑流.从机制上分析，属于地震导致的“拉裂溃滑”型高速滑坡碎屑流.而被当地人称为“大岩崩”，也说明该部位在历史上曾经发生过较大规模的崩滑. （1） 震动拉裂阶段 大岩崩山体原始地貌为三面临空的单薄突兀山脊，山脊宽度平均为10 m，两侧山脊部位地形坡度6063，前缘为较深切的沟谷（春尖窝沟和干沟头沟），这种地形对地震动力放大效应明显，同时山体本身为强风化破碎岩体，具备发生崩滑的地质条件.单薄山脊靠发震断裂（双石大川断裂）较近，处于发震断层上盘，强烈地震持续时间约30 s，是造成滑坡的直接诱因.在强震持续作用下，山脊部位被拉裂，沿两侧坡体内部震动溃裂贯通而下滑，并在较高部位剪出. （2）

29、摩擦阻力降低、滑体高位溃滑阶段 强烈地震在单薄山脊部位形成拉裂缝，进而构成两侧山体下滑边界，在地震动力持续作用下，地震波不断在界面处反射和折射，加之坡体白云质灰岩风化强烈，较为破碎，岩体质量进一步劣化，使得潜在滑面摩擦阻力迅速降低，并在陡缓交界部位快速剪出并下滑. （3） 滑体高速铲刮、携卷规模扩大至撞击阶段 高速溃滑滑坡体在强大惯性力作用下，以极高的速度沿山坡快速下滑，不断铲刮、侧蚀、携卷沿途物质，所过之处将表层风化强烈的破碎岩体卷入滑坡体内，致使滑体规模不断扩大，由启动时的约35万42万 m3均逐渐增大至约110万 m3，并在两侧主沟沟底形成强烈撞击，巨大的冲击能量不仅爬高达2035 m不

30、等，而且快速转向，沿各自沟道形成碎屑流. （4） 主沟道碎屑流流通堆积阶段 如前所述，两侧滑坡体高速下滑至各自主沟沟底后，惯性巨大的滑坡受到对面山体阻挡而继续逆冲爬高，由于能量巨大，绝大部分滑坡体沿各自沟道转向朝下游，演变成高速碎屑流.不过，由于春尖窝沟和干沟头沟道纵坡坡降不大，分别为175（约10）和144（约8），各自流动了763（未含与干沟头汇入后的223 m）和632 m后（含与春尖窝沟汇合后下游的223 m）停止.4滑坡启动、滑动全程速度初步分析计算大岩崩滑坡运动过程中的一个重要特征是，单薄山脊两侧滑坡在下滑过程中均由于坡脚部位存在冲沟而发生了与沟对面山体的剧烈撞击，撞击后滑体解体，

31、呈碎屑状向下游方向运动堆积.为了充分说明上述滑坡演变机制及高速下滑至撞击全过程中速度和相应的能量变化特点，对滑体启程速度、滑动直至撞击瞬间运动速度进行了初步分析.4.1滑坡启动速度通常岩质斜坡变形破坏至产生滑坡，其巨大的动能来源主要是由于锁固段突然剪断，滑床周围原有的临界岩土体抗剪强度会迅速由峰值强度降低至残余强度，由于抗剪应力骤减释放的巨大能量瞬间转化为动能，成为滑坡具有较高启动速度的关键11. 根据现场调查及理论分析，采用峰残强降剧动速度公式（式（1），作为两侧滑坡的启动速度计算公式12： v0=v2ecos （tan p-tan r），（1） 式中：v为体积；为容重；e为弹性模量；为滑面

32、倾角；p为峰值内摩擦角；r为残余内摩擦角. 根据式（1），可求得左、右支滑坡启动速度分别为1.23和1.44 m/s，计算参数见表1. 表1大岩崩滑坡动力学计算参数 tab.1dynamic calculation parameters of the dayanbeng landslide 参数体积v/ 万 m3滑面倾角 /（）容重/ （mn m-3）峰值内摩擦 角p/（）残余内摩擦 角r/（）弹性模量 e/gpa重力加速度 g/（m s-2）右支滑坡42.035左支滑坡35.2400.026 532185.09.8 4.2滑坡撞击速度根据能量守恒定律，可导出滑体在滑动过程中的某一瞬间，滑体的

33、能量平衡方程： 12mv21=12mv20+mgh0（1-fcot ），（2） 式中：m为滑体质量；v1为滑体在某一瞬间的滑动速度；h0为滑体质心从静止开始下降的铅直高度；为滑面倾角；f为动摩擦因数，取f=2cot r/3. 据现场调查，右支滑坡启程滑动至撞击部位h0=125 m，左支滑坡h0=175 m.由上述结果和计算参数，可得右、左支滑坡撞击时的下滑速度分别为36.5和64.0 m/s，滑体撞击瞬间的动能分别为756和1 950 kj.可见，左支滑坡在撞击瞬间有较高的滑动速度和能量，进一步验证了上述现场调查结果，即左支滑坡解体更强烈，块石颗粒相对更细.4.3滑坡启动撞击沿途速度变化将不同

34、滑距滑体质心的垂直下降高度代入式（2），可得滑体从启动到撞击整个滑程的速度变化，见表2和表3.图16和图17为沿程速度变化曲线.由图16和图17可见，右支和左支滑坡的速度均在滑动的前50 m变化较大，显然与左支滑坡部位启程后斜坡坡度较陡有关；而在此后直至撞击，两处滑坡的速度均呈稳定增长，在滑体撞击瞬间达到最大. 表2右支滑坡启程撞击沿途速度变化 tab.2changes in sliding velocity of the right landslide in the whole process 水平运动距离/m050100150200250300350400460滑体质心下降高度/m0264

35、864718497110123125速度/（ms-1）1.4316.722.726.127.529.93234.236.236.5 表3左支滑坡启程撞击沿途速度变化 tab.3changes in sliding velocity of the left landslide in the whole process 水平运动距离/m050100150200250300320滑体质心下降高度/m04378106131155175175速度/（ms-1）1.231.042.049.855.460.264.064.0 图16右支滑坡启程撞击沿途速度变化曲线 fig.16velocity curve

36、of the right landslide from departure to impact 图17左支滑坡启程撞击沿途 速度变化曲线 fig.17velocity curve of the left landslide from departure to impact 5结论（1） 天全县大场乡大岩崩滑坡地处中高山峡谷区，山高坡陡，地貌上呈单薄山脊，山脊两侧底部沿斜坡发育深切冲沟，滑坡区主要出露三叠系嘉陵江组白云质灰岩，突出的单薄山脊地形、较为破碎的强风化岩体是构成地震滑坡的基本条件，而“420”芦山强烈地震则是单薄山脊两侧形成高速滑坡的直接诱发因素. （2） 强烈地震导致大岩崩单薄山脊两侧各形成规模35.2万和42.0万 m3的滑坡源区，地震启动高速下滑，随即沿两侧凹槽高速运动，沿途不断携卷和