Development characteristics and hazard assessment of the Pangcun landslide, Xizang
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摘要:研究目的
喜马拉雅山地区大型—巨型古滑坡发育,近年来古滑坡复活问题日益突出,潜在危害严重。然而,内外动力耦合作用下的古滑坡复活机理不清,导致危险性预测不准。
研究方法以西藏山南市隆子县加玉乡庞村古滑坡为研究对象,采用遥感解译、现场调查、工程地质钻探、综合监测等方法,分析了庞村古滑坡发育特征与复活影响因素,并采用数值模拟技术预测滑坡失稳后的运动过程,评价其潜在危险性。
研究结果庞村滑坡最早发生于中—晚更新世,体积约18.9×106 m3,滑坡发育两层滑带,埋深分别为6~25 m和25~55 m。目前滑坡复活变形特征明显,历史滑动所形成的碎石土堆积体是现今主要的复活变形区,该区左侧变形强烈,右侧变形较弱,其复活变形受降雨作用影响明显,周边地震活动也起到一定的促进作用。
结论一旦滑坡复活变形区发生整体失稳,滑体最大堆积厚度达25 m,最大运动速度达16.52 m/s,最远距离达175 m,将严重威胁坡脚的庞村居民区和国道G219。该研究结果对深化喜马拉雅山地区古滑坡复活机理的认识和支撑当地防灾减灾工作具有一定意义。
Abstract:ObjectiveIntense amount of large ancient landslides are developing in the Himalayan region. In recent years, the problem of ancient landslide reactivation has become more and more prominent, and the potential hazards are serious. However, the mechanisms controlling the reactivation of ancient landslides under endogenic−exogenic dynamic coupling remain poorly constrained, which hinders accurate hazard predictions and risk mitigation strategies.
MethodsBased on remote sensing interpretation, field investigation, engineering geological drilling and comprehensive monitoring, we analyze the development characteristics and reactivation factors of ancient landslide in Pangcun, Jiayu Township, Longzi County, Shannan City, Xizang. Numerical simulation is used to predict the movement process of landslide after instability and evaluate its potential risk.
ResultsThe Pangcun landslide first slided in the middle to Late Pleistocene with a volume of about 18.9×106 m3, and the landslide developed two layers of slip zones, with buried depths ranging from 6 m to 25 m and 25 m to 55 m, respectively. At present, the reactivation characteristics of the landslide are obvious, and the gravel soil accumulation formed by historical sliding is the reactivation and deformation area, which is strongly deformed on the left side and weakly deformed on the right side, and its deformation is obviously affected by rainfall, and the surrounding seismic activities also play a certain role in promoting its reactivation.
ConclusionsOnce the reactivation deformation area of the landslide occurs the whole instability, the maximum accumulation thickness of the slide body reaches 25 m, the maximum movement speed reaches 16.52 m/s, and the furthest distance reaches 175 m, which will seriously threaten the Pangcun residential area at the slope foot and the national highway G219. The study results have a certain significance for deepening the understanding of the ancient landslide reactivation mechanism in the Himalayan region and supporting the local disaster prevention and reduction work.
创新点揭示了西藏山南庞村古滑坡复活变形的主要控制因素为降雨和地震活动,并且通过数值模拟预测了庞村滑坡失稳后的运动过程。
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喜马拉雅山是青藏高原隆升最快、构造活动最活跃、重大滑坡灾害最严重的地区之一(刘春玲等,2010;祁生文等,2022)。区内除近些年发生的易贡滑坡-碎屑流(殷跃平,2000;Delaney and Evans, 2015;戴兴建等,2019;袁浩等,2023)、色东普冰崩-碎屑流(刘传正等,2019)等大规模链式灾害外(铁永波等,2022),还发育众多大型—巨型古滑坡,如川藏公路波密县的102道班滑坡(张晓刚等,1998;曾庆利等,2008)、西藏八宿县的八宿巨型滑坡(邓建辉等,2021)、西藏鲁朗镇的脚不弄滑坡(杜国梁, 2017)、西藏加查县的拉岗村巨型滑坡(吴瑞安等,2018)等。这些古滑坡在极端气候、地震、工程扰动等作用下可能再次变形失稳,对重大工程规划建设和人民生命财产安全造成威胁(张永双等,2018;张永双等,2020)。
西藏山南市隆子县位于喜马拉雅山东段北麓,区内发育40余处中型—大型古滑坡,部分出现复活变形,并产生一定危害(朱进守等,2008)。例如,加玉乡伦巴支沟滑坡于2002年4月发生复活失稳,损毁农田数百亩,造成直接经济损失上百万元(李军霞,2011);列麦乡当来木滑坡2003年局部发生推挤变形破坏,损毁2处民房及部分农田(朱进守等,2008)。不少学者已经关注到隆子县的古滑坡复活问题,如李军霞等(2013)综合考虑隆子县内的地质环境条件,构建了危险性分级的评价指标,评价结果显示区内多处滑坡变形破坏严重;王珊珊等(2015)基于信息模型计算得出喜马拉雅山区滑坡堵江的易发程度,认为隆子县境内的滑坡堵江成因类型复杂,危险性较高。但总体看,相关研究多侧重于该区域地质灾害发育规律与危险性分析(周毅,2010;Singh and Kumar, 2018;易树健,2018),对古滑坡单体复活失稳后的运动过程、致灾范围等研究较少。
西藏隆子县加玉乡庞村滑坡于2019年开始发生复活变形,威胁前缘国道G219和居民区的安全(胡孝洪和朱德明,2020;许东丽等,2021)。本文结合遥感解译、现场调查、工程地质钻探、变形监测、数值模拟等方法,分析庞村滑坡的发育特征和复活影响因素,预测失稳后的运动距离、堆积厚度、堆积范围等,以期为该滑坡的防治工作提供科学参考。
1. 研究区地质背景
隆子县地处西藏东南部,构造上属于康马-隆子褶冲带(图1),以构造侵蚀的高山峡谷地貌为主,地形陡峭(李军霞,2011),沉积作用类型复杂,岩浆活动、变质作用强烈,出露地层主要有寒武系、三叠系、白垩系与侏罗系,岩性主要包括板岩、粉砂岩、灰岩、玄武岩等。研究区新构造运动强烈,以断裂的整体间歇性抬升、垂直差异升降运动及水平运动为主(张春山等,1999)。第四纪以来,隆子县受到南北向的强烈挤压作用,产生了一系列东西向断裂和张性活动构造带,其中曲折木-觉拉断裂是康马隆子褶冲带与北喜马拉雅褶冲带的分界,断裂面倾向北,倾角约38°,为一逆断层。该区历史上曾发生7级以上地震1次,4级以上地震6次。区内为高原温带干旱气候,年平均降雨量约为350 mm,年内降水分布不均,雨季集中在6—9月。研究区平均海拔超4000 m,植被稀少,基岩大多裸露,物理风化作用强烈,岩体风化破碎严重,且昼夜温差大,高寒冻融作用导致斜坡岩体完整性较差,崩塌、滑坡和泥石流灾害发育。
图 1 西藏山南隆子县庞村滑坡地质背景图1—南迦巴瓦岩群a亚群;2—寒武系肉切村岩群a亚群;3—寒武系肉切村岩群b亚群;4—下白垩统拉康组一段;5—上三叠统涅如组一段;6—上三叠统涅如组二段;7—上三叠统涅如组三段;8—下侏罗统日当组;9—中-下侏罗统陆热组;10—中侏罗统遮拉组;11—上侏罗统维美组;12—第四系全新统冲积层;13—第四系全新统洪积层;14—辉绿玢岩脉;15—二长花岗岩脉;16—细晶岩脉;17—花岗斑岩脉;18—石英脉;19—滑坡点;20—玄武岩;21—灰岩;22—砾岩、泥砾岩;23—性质不明断层;24—韧性剪切带;25—逆断层;26—岩层产状/倒转岩层产状;27—地质界线;28—不整合线Figure 1. Geographical background graph of Pangcun landslide in Longzi County, Shannan City, Xizang2. 滑坡发育特征
2.1 滑坡形态与空间结构
庞村滑坡边界清晰,左右两侧和后缘均以山脊线为界,前缘直抵G219国道。滑坡平面形态呈长舌状,后缘顶点高程约4020 m,前缘高程约3320 m,纵长约930 m,平均横宽约500 m,面积约0.54 km2,体积约18.9×106 m3。滑坡整体地形上陡下缓,主滑方向为16°(图2、图3)。
图 3 西藏山南隆子县庞村滑坡平面图(地层代号注释同图1)Figure 3. Engineering geological planar graph of Pangcun landslide in Longzi County, Shannan City, Xizang滑坡后壁高程在3600~4030 m之间,平均高约350 m,整体坡度约60°。侧壁局部出露基岩,岩性为上侏罗统维美组(J3w)强风化板岩及灰色薄层状变质砂岩。后壁下方为滑坡堆积体,分布高程为3300~3600 m,地形坡度约30°,面积约0.29 km2,当前堆积体上变形特征明显,为主要的复活变形区。坡体上顺坡向发育多条季节性冲沟,一条人工灌溉沟渠从滑坡中前部横贯而过。
根据现场调查和钻孔揭露情况,庞村滑坡的滑体厚10~40.4 m,物质组成主要为碎石土及含角砾粉质粘土(图4),碎石成分为粉砂质板岩和钙质板岩,粒径多为2~5 cm,含量50%~70%,角砾粒径为0.2~1.0 cm,含量10%~20%,呈棱角状,粒间由粉土和粉质粘土充填。滑坡中前部的碎块石含量较高,厚度比两侧和后缘大。滑床主要为上侏罗统维美组板岩,产状为355°~10°∠62°~75°,节理裂隙发育。
分析表明,庞村滑坡发育2层滑带,其中深层滑带位于基岩与碎裂岩块接触部位,埋深25~55 m,厚度0.1~0.3 m,为滑坡历史滑动形成。滑带土整体呈现灰色—灰黑色,物质组成为角砾土,角砾含量较高,占60%~70%,粒径多为1~2 cm(图5−a)。浅层滑带大体沿松散碎石土与碎裂岩体的分界面发育,埋深6~25 m,物质组成主要为含角砾粉质粘土,呈黄色—黄褐色,角砾含量约20%,粒径0.5~1.5 cm(图5−b)。滑坡前缘主要发育加玉河Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ级阶地,根据前缘剪出口与阶地空间位置关系和钻孔揭露地层情况,Ⅲ级阶地的卵砾石上覆于滑坡历史滑动形成的碎裂岩块之上,且被第四系滑坡堆积碎石土覆盖。结合阶地形成时代(郑度和姚檀栋,2004;黄映聪,2006),推测庞村古滑坡为中—晚更新世形成。
2.2 滑坡变形特征
庞村古滑坡堆积体上复活变形迹象明显,复活范围纵长约680 m,平均横宽约360 m,体积约7.50×106 m3。复活变形区地表发育多处裂缝、下错陡坎、局部垮塌等。受地表水流侵蚀作用,堆积体上发育多条冲沟,其中6#冲沟贯穿坡体,长约592 m,沟底宽约10 m,沟壁可见明显的冲蚀滑塌迹象。复活变形区后部发育多条环形张拉裂缝,最大下错距离达5.2 m(图6−a,b),中前部发育大量鼓胀裂缝,最大裂缝长约20 m,宽度10~30 cm,深度10~35 cm,走向约45°(图6−d),西侧下错裂缝宽达1.4 m(图6−c),东侧以鼓胀变形为主,裂缝发育较少。前缘坡脚因G219公路开挖发生多处小型滑塌,导致挡土墙局部被毁坏(图6−e),滑坡前缘向外滑移剪出,最大距离约50 cm(图6−f)。
3. 滑坡变形监测分析
为了分析庞村滑坡的变形特征,本次共布设3个GNSS地表位移监测站、4个裂缝计地表位移监测站和1个雨量计对其进行综合监测(图3)。根据GNSS地表位移监测曲线(2021.06—2021.10)可知,G1、G2、G3水平累积位移量分别为106 mm、97.9 mm、58 mm。其中,G1最大日位移量为6.8 mm,出现在2021年9月11日(图7−a);G2于2021年9月23日达到最大日位移量6 mm(图7−b);2021年6月11日G3点日位移量达到最大,为5.1 mm(图7−c)。各监测点的变形趋势大致同步,位移量均未出现明显突变,滑坡中部G1、G2点的累计变形量均大于前缘的G3点,G1点变形速率最大,表明滑坡中部变形较前缘强烈。
裂缝计位移监测点L1位于滑坡前缘,L2、L3位于复活变形区后部西侧,L4位于复活变形区后部东侧(图3),监测时间为2019年8月—2021年10月。其中,L1点日位移量最大为5 mm,出现在2019年9月23日,累计变形量为22 mm(图8−a);L2点监测设备自2020年7月—2021年10月出现故障,2019年8月16日的日位移量最大为186 mm(图8−b);L3点的累计变形量为2137 mm,且于2021年7月13日出现最大日位移量为150 mm(图8−c);L4点的日位移量在2019年9月17日达到最大值172 mm(图8−d)。
分析表明,滑坡在专业监测期间的变形主要集中于复活变形区中后部,且存在2个加速变形阶段。前一阶段自2019年8—12月,L2与L3的累计变形量与变形速率虽有差异,但变形趋势基本一致。第二阶段自2020年8—11月,L2点在此阶段的变形加速早于L3的加速时间,且L2位于L3后部约200 m,推测这一时间段内滑坡后缘推挤前部而加速变形。
4. 滑坡复活影响因素分析
4.1 降雨作用
庞村滑坡范围分布高差较大,山顶到山脚的降雨量可能存在明显差别(童立强等,2007)。本次研究中的雨量监测站点布置在复活变形区后部东侧(图3),监测时间为2019年8月—2021年10月。滑坡区存在3个降雨集中期,分别为2019年8—9月、2020年5—9月、2021年7—9月。结合地表累计位移监测与降雨量监测曲线分析可知,复活变形区后部裂缝计位移监测曲线存在3个加速阶段,与滑坡区降雨集中的时间较吻合(图9),地表裂缝的最大日变形速率可达22 mm/d(图10),表明降雨入渗对滑坡变形具有明显的诱发作用。因雨季降水进入滑体深部并发生变形响应需要一定的时间,因而地表加速变形存在一定的滞后效应。
4.2 地震作用
庞村滑坡位于地震烈度Ⅷ度区内,地震动峰值加速度为0.20 g,区内历史上曾发生多次中强震,周边地区的地震活动也较频繁。近年来,隆子县及周边地区发生过2次地震。2018年12月1日隆子县发生Ms 4.1级地震,距庞村滑坡仅23 km。该地震发生后,滑坡后缘及东西两侧下错位移量增加,拉张裂缝逐渐形成,中后部横向、纵向裂缝基本成型。2019年7月19日,错那县发生Ms 5.6级地震,震中与庞村滑坡相距72 km,这次地震导致滑坡体裂缝进一步扩展,后缘下错位移量增加,滑坡侧缘裂缝延伸,滑坡变形进一步加剧,表明地震活动对庞村滑坡的复活变形也起到一定的促进作用。
5. 滑坡危险性评价
5.1 模型建立及参数选取
庞村滑坡发育2层滑带,目前的强烈变形范围主要集中在浅层滑带以上的堆积体,深层滑带基本稳定。在强烈的外界扰动下,滑坡存在进一步破坏失稳的可能,而一旦滑坡发生大规模下滑,可能对前缘的居民区及道路产生危害。在查明滑坡空间结构和变形破坏模式的前提下,考虑最易失稳的情况,假定滑坡堆积区发生整体复活而沿浅层滑带发生下滑,开展该部分滑体失稳后的运动学过程研究,对支撑当地防灾减灾具有实际意义。
本次采用基于深度积分连续介质力学模型的Massflow软件(Ouyang et al., 2013,2015),模拟庞村滑坡堆积区(Ⅱ)失稳后的运动过程。滑坡的三维地形从10 m精度的数字高程模型(DEM)中获取,结合分析得到滑坡潜在失稳范围和滑体厚度,建立相应的数值模型。为提高运算效率,结合实际情况,将计算模型设置为单层单向流,并忽略演化过程中的基底侵蚀,计算像元数设为5,节点数设为555×602。本次模拟选取适用于滑坡及碎屑流模拟的Coulomb模型,根据室内岩土试验成果和工程地质类比分析(Horton et al., 2019;Fan et al., 2020;周硼焜,2023),分别确定岩土体密度、粘聚力、基底摩擦系数与孔隙水压力系数(表1)。
表 1 数值模拟参数取值Table 1. Numerical simulation parameter values岩土类型 土体密度ρ/
(kg·m−3)粘聚力φ/
kPa基底摩擦
系数μ孔隙水压
力系数B含角砾粉质粘土 2104 34.4 0.5 0.3 5.2 滑坡运动过程分析
对庞村滑坡失稳后的运动过程模拟分析表明,滑坡复活失稳后大致可分为失稳启动、加速滑动、减速堆积3个阶段(图11)。其中,0~2 s为失稳启动阶段,此时在外界条件的扰动下,土体抗剪强度降低或消失,滑体开始失稳;2~8 s为加速滑动阶段,滑体向临空面滑动,重力势能迅速转化为动能,速度迅速增加,最大运动速度出现在第6 s时前缘监测点A4处,达到16.52 m/s(图12);8~35 s进入减速堆积阶段,此过程用时较长,最大堆积厚度为25 m,位于前缘监测点A4附近(图13)。滑坡于第35 s时运动停止,最远运动距离为175 m,运动停止后,堆积区的中后部仍残留部分滑体物质,但体积很小。滑坡前缘的河流Ⅱ级阶地地形开阔,滑体主要停留于此,堆积范围约1.56×103 m2,对坡脚的部分庞村居民区及国道G219造成危害,国道G219受影响的范围长达400 m。因庞村滑坡前缘距加玉河水平距离约280 m,滑体运动距离未抵达加玉河(图14),堵河危险较小。
6. 结 论
本文基于野外地质调查、遥感解译、地表位移监测、数值模拟等技术方法,对西藏庞村滑坡的发育特征和复活影响因素进行研究,并预测其复活失稳后的危险性,得到以下主要结论。
(1)庞村滑坡为一特大型古滑坡,推测为中—晚更新世形成,滑坡的两层滑带埋深分别为6~25 m和25~55 m,深层滑带为古滑坡历史滑动形成,位于基岩与碎裂岩块接触部位,而浅层滑带位于碎石土与碎裂岩块接触部位。
(2)庞村滑坡复活变形特征明显,复活变形区左侧变形强烈,右侧变形较弱,滑坡目前整体处于蠕滑变形阶段,其变形受降雨作用影响明显,周边地震活动也起到一定的促进作用。
(3)庞村滑坡复活变形区极端条件下可能进一步复活变形,一旦沿浅层滑带发生整体下滑,最大运动速度可达16.52 m/s,最远运动距离为175 m,最大堆积厚度可达25 m,对坡脚国道G219和部分居民区造成危害,但不能抵达加玉河,堵河危险性较小。
致谢:西藏自治区地质矿产勘查开发局第二地质大队提供了滑坡监测资料,中国地质科学院地质力学研究所郭长宝研究员对本文进行了指导,硕士研究生宋德光、刘吉鑫、赵文博和麦希贸参与了部分制图工作,在此一并深表谢意。
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图 1 西藏山南隆子县庞村滑坡地质背景图
1—南迦巴瓦岩群a亚群;2—寒武系肉切村岩群a亚群;3—寒武系肉切村岩群b亚群;4—下白垩统拉康组一段;5—上三叠统涅如组一段;6—上三叠统涅如组二段;7—上三叠统涅如组三段;8—下侏罗统日当组;9—中-下侏罗统陆热组;10—中侏罗统遮拉组;11—上侏罗统维美组;12—第四系全新统冲积层;13—第四系全新统洪积层;14—辉绿玢岩脉;15—二长花岗岩脉;16—细晶岩脉;17—花岗斑岩脉;18—石英脉;19—滑坡点;20—玄武岩;21—灰岩;22—砾岩、泥砾岩;23—性质不明断层;24—韧性剪切带;25—逆断层;26—岩层产状/倒转岩层产状;27—地质界线;28—不整合线
Figure 1. Geographical background graph of Pangcun landslide in Longzi County, Shannan City, Xizang
图 3 西藏山南隆子县庞村滑坡平面图(地层代号注释同图1)
Figure 3. Engineering geological planar graph of Pangcun landslide in Longzi County, Shannan City, Xizang
表 1 数值模拟参数取值
Table 1 Numerical simulation parameter values
岩土类型 土体密度ρ/
(kg·m−3)粘聚力φ/
kPa基底摩擦
系数μ孔隙水压
力系数B含角砾粉质粘土 2104 34.4 0.5 0.3 -
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