陶鑫鑫 楊瑩輝 范宣梅 許 強(qiáng) 肖 鈺 陳 強(qiáng) 胡植慶
1 成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,成都市東三路1號(hào),610059 2 西南交通大學(xué)地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院,成都市犀安路999號(hào),611756 3 臺(tái)灣大學(xué)理學(xué)院,臺(tái)北市羅斯福路四段1號(hào),10617
構(gòu)造內(nèi)動(dòng)力對(duì)滑坡災(zāi)害發(fā)育的影響主要有2個(gè)方面:1)縱向上的殼幔耦合作用[1];2)橫向上的斷層耦合作用[2]。但受限于殼幔結(jié)構(gòu)復(fù)雜、直觀可視性較差、監(jiān)測(cè)手段缺失等因素,直接開(kāi)展殼幔耦合內(nèi)動(dòng)力作用的致災(zāi)研究仍較為困難,因此橫向斷層耦合作用仍是目前研究的重點(diǎn)。
針對(duì)橫向斷層耦合作用對(duì)滑坡的致災(zāi)機(jī)制,一些學(xué)者認(rèn)為,在長(zhǎng)期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)下,活動(dòng)斷裂帶附近的巖體受多次構(gòu)造應(yīng)力改造后,破碎程度普遍偏高,從而降低了坡體的完整性和穩(wěn)定性,促進(jìn)了滑坡的發(fā)育[2-3]。也有一些學(xué)者認(rèn)為,構(gòu)造運(yùn)動(dòng)可改變斜坡內(nèi)的應(yīng)力分布狀態(tài),特別是在斷裂轉(zhuǎn)折或多斷裂交會(huì)區(qū)域,易出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象,極大地影響坡體的應(yīng)力穩(wěn)定狀態(tài),從而產(chǎn)生規(guī)模較大、破壞性較強(qiáng)的滑坡災(zāi)害[4-5]。整體而言,目前研究人員普遍認(rèn)同斷裂運(yùn)動(dòng)控制的構(gòu)造應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致斜坡的應(yīng)力場(chǎng)發(fā)生變化,并可能促進(jìn)滑坡的發(fā)育。但現(xiàn)有研究多為小尺度范圍內(nèi)的模擬計(jì)算,鮮有依據(jù)真實(shí)地殼形變數(shù)據(jù)建立的區(qū)域斷裂運(yùn)動(dòng)模型,以恢復(fù)區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng),進(jìn)而定量研究構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)對(duì)區(qū)域滑坡空間分布的控制作用。同時(shí)也缺少針對(duì)斷裂不同活動(dòng)區(qū)段,在差異化斷裂運(yùn)動(dòng)速率和鎖固分布情況下,區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)對(duì)滑坡發(fā)育的影響分析。
喜馬拉雅東構(gòu)造結(jié)區(qū)域構(gòu)造運(yùn)動(dòng)劇烈,滑坡災(zāi)害頻發(fā),是研究區(qū)域構(gòu)造內(nèi)動(dòng)力作用下滑坡災(zāi)害演化和機(jī)制的天然實(shí)驗(yàn)場(chǎng)。本文以喜馬拉雅東構(gòu)造結(jié)地區(qū)為研究對(duì)象,基于GPS實(shí)測(cè)地殼形變數(shù)據(jù)與區(qū)域斷層分布數(shù)據(jù),利用有限元數(shù)值模擬方法對(duì)斷裂活動(dòng)與區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行模擬,定量分析滑坡與構(gòu)造應(yīng)力間的內(nèi)在耦合關(guān)系,進(jìn)一步探究持續(xù)構(gòu)造應(yīng)力累積對(duì)滑坡體穩(wěn)定性的影響,最后歸納總結(jié)受斷裂構(gòu)造活動(dòng)控制的區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力對(duì)滑坡發(fā)育的影響。
喜馬拉雅東構(gòu)造結(jié)位于青藏高原東南部喜馬拉雅造山帶東端(圖1(a)),區(qū)域地殼運(yùn)動(dòng)劇烈,并伴生各種剝蝕和地表侵蝕作用,地質(zhì)構(gòu)造環(huán)境極為復(fù)雜,孕育大量活動(dòng)斷層,在本文重點(diǎn)關(guān)注的東構(gòu)造結(jié)北緣區(qū)域主要發(fā)育有嘉黎斷裂、東久-米林?jǐn)嗔押臀髋d拉-墨脫斷裂等大型構(gòu)造斷裂帶。在劇烈構(gòu)造運(yùn)動(dòng)和其他內(nèi)外因素的綜合作用下,喜馬拉雅東構(gòu)造結(jié)區(qū)域頻繁發(fā)生滑坡、崩塌、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害。
依據(jù)區(qū)域GPS形變、斷裂分布及塊體運(yùn)動(dòng)特征等,將研究區(qū)域分為那曲塊體、拉薩塊體和雅魯藏布江塊體3大地質(zhì)構(gòu)造單元(圖1),地塊交會(huì)邊界處以大型構(gòu)造斷裂為界[3]。
基于上述塊體劃分,構(gòu)建東構(gòu)造結(jié)區(qū)域三維有限元數(shù)值模型(圖1(b)),模型東西長(zhǎng)約196 km,南北長(zhǎng)約277 km??紤]到與滑坡災(zāi)害相關(guān)的構(gòu)造活動(dòng)主要發(fā)生在上地殼,本文模型的垂向厚度設(shè)定為30 km。由于斷裂周邊的巖石更易被破壞,因此將3條主斷裂近場(chǎng)區(qū)域設(shè)定為軟弱帶,兩側(cè)寬度均設(shè)為5 km[6]。此外,依據(jù)已有的斷裂幾何形態(tài)研究,將嘉黎斷裂傾角設(shè)為70°,傾向NE;東久-米林?jǐn)嗔褍A角設(shè)為65°,考慮到走向變化,設(shè)定傾向由南至北發(fā)生SE-E向偏轉(zhuǎn);西興拉-墨脫斷裂傾角設(shè)為75°,設(shè)定傾向由北至南發(fā)生N-NE-SE向偏轉(zhuǎn)[3]。模型以四面體為單元進(jìn)行劃分,整體尺寸約3~5 km;同時(shí)為提高斷裂帶附近分辨率,對(duì)局部網(wǎng)格進(jìn)行加密,尺寸降至2~3 km,模型共263 800個(gè)單元、53 456 個(gè)節(jié)點(diǎn)。
選用彈性模型,巖體密度統(tǒng)一設(shè)定為2 700 kg/m3,軟弱帶彈性模量取值為兩側(cè)地塊平均值的1/10,詳細(xì)介質(zhì)參數(shù)見(jiàn)表1[6]。
表1 塊體介質(zhì)參數(shù)
為反映區(qū)內(nèi)復(fù)雜的斷層運(yùn)動(dòng)情況,采用面對(duì)面接觸對(duì)離散法按非線性摩擦接觸處理構(gòu)造斷裂。受限于模型復(fù)雜程度和接觸收斂等實(shí)際問(wèn)題,將東構(gòu)造結(jié)北緣區(qū)域斷裂活動(dòng)特性作為摩擦系數(shù)設(shè)定依據(jù),區(qū)內(nèi)廣泛發(fā)育含黑云母片巖、片麻巖等構(gòu)造混雜巖帶,而黑云母礦物的平均摩擦系數(shù)一般小于0.36[7]。此外,區(qū)域內(nèi)多條斷裂處于高閉鎖狀態(tài),斷層滑動(dòng)速率較低,故將3條斷裂的摩擦系數(shù)都設(shè)定為0.35[8]。
研究選用喜馬拉雅東構(gòu)造結(jié)及周邊區(qū)域119個(gè)GPS形變數(shù)據(jù)作為約束[8],在假定邊界位移值不隨模型深度變化而改變的基礎(chǔ)上,對(duì)GPS數(shù)據(jù)進(jìn)行三次樣條插值后,逐一添加至模型邊界網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)上(圖1(a))。模型底部垂直方向固定,水平方向自由,上表面為自由表面。
圖2(a)為模擬位移場(chǎng)結(jié)果。為驗(yàn)證模擬結(jié)果的合理性,計(jì)算區(qū)內(nèi)32 個(gè)GPS站點(diǎn)的模擬值與實(shí)測(cè)值RMS。結(jié)果表明,2組數(shù)據(jù)的EW向RMS為1.89 mm/a、NS向?yàn)?.22 mm/a,模擬結(jié)果與實(shí)際情況吻合較好。
圖2 模擬位移場(chǎng)結(jié)果
利用摩擦接觸面模擬斷層,通過(guò)計(jì)算接觸面兩側(cè)節(jié)點(diǎn)位移差獲得斷層滑動(dòng)速率(圖2(b))??梢钥闯?區(qū)內(nèi)3條主斷裂的走向滑動(dòng)速率整體較低,有明顯分段性,與區(qū)內(nèi)斷層閉鎖分布相似[8],體現(xiàn)了斷裂運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的差異性。嘉黎斷裂西北段和東南段滑動(dòng)速率相對(duì)較高,而中部的易貢-通麥段滑動(dòng)速率明顯降低,表明嘉黎斷裂中段的閉鎖程度顯著高于其他區(qū)段。對(duì)于西興拉-墨脫斷裂,墨脫縣以北的滑動(dòng)速率明顯降低,為相對(duì)高閉鎖區(qū)域。東久-米林?jǐn)嗔殉嗽隰斃蕝^(qū)域外,整體閉鎖程度均較高。
圖3顯示了研究區(qū)最大水平主壓應(yīng)力分布特征,負(fù)值代表壓應(yīng)力,箭頭方向代表最大主壓應(yīng)力方向。剔除受邊界效應(yīng)影響的邊緣地區(qū)后,研究區(qū)水平主壓應(yīng)力優(yōu)勢(shì)方位為NNE向,符合印度板塊向青藏高原NNE向擠壓的地質(zhì)背景,與前人應(yīng)力場(chǎng)反演結(jié)果整體一致[9]。主壓應(yīng)力年變化量為0.5~6 kPa,對(duì)比喜馬拉雅地區(qū)壓性背景應(yīng)力場(chǎng)可知,現(xiàn)今喜馬拉雅東構(gòu)造結(jié)的壓性構(gòu)造應(yīng)力在NNE向不斷累積。此外,應(yīng)力累積速率在近斷層附近逐漸減小,這是由于在活動(dòng)性較強(qiáng)的斷裂帶附近,巖體力學(xué)性質(zhì)往往相對(duì)較弱,斷裂附近應(yīng)力能得到有效釋放,進(jìn)而應(yīng)力水平相對(duì)減弱。
圖3 最大水平主壓應(yīng)力分布特征
值得注意的是,斷裂運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的不同會(huì)對(duì)近斷層構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)造成不同影響。在斷層閉鎖程度相對(duì)較低的區(qū)段,主壓應(yīng)力方向會(huì)發(fā)生明顯偏轉(zhuǎn),如東久-米林?jǐn)嗔阳斃识畏较驗(yàn)镹W向,西興拉-墨脫斷裂墨脫段方向?yàn)镹E-E向,皆與背景應(yīng)力場(chǎng)NNE向不同。而在閉鎖度較高的區(qū)段,如嘉黎斷裂易貢-通麥段、西興拉-墨脫斷裂北段、東久-米林?jǐn)嗔驯倍?應(yīng)力方向往往與背景應(yīng)力場(chǎng)方向相近。同時(shí),近斷層區(qū)段壓應(yīng)力的累積速率也受斷裂運(yùn)動(dòng)狀態(tài)控制,在閉鎖程度較高的區(qū)段,出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象,應(yīng)力累積速率為1.2~2.6 kPa/a;閉鎖程度較低的區(qū)域,應(yīng)力累積速率較低,為0.5~1.2 kPa/a。
收集了喜馬拉雅東構(gòu)造結(jié)中大型滑坡災(zāi)害隱患232處(圖4),其中沿岸滑坡129處,高位隱蔽不穩(wěn)定坡體103處[10]。
圖4展示了構(gòu)造應(yīng)力與滑坡空間分布關(guān)系,圖中正值代表張應(yīng)力,負(fù)值代表壓應(yīng)力。由圖4(a)可知,滑坡空間分布與東向正應(yīng)力間關(guān)聯(lián)顯著,典型表現(xiàn)為在西興拉-墨脫斷裂和嘉黎斷裂東向壓應(yīng)力累積速率處于0.5~1 kPa/a的近斷層區(qū)段為滑坡隱患分布高密集區(qū)。圖4(b)展示了剪應(yīng)力方向?qū)ρ芯繀^(qū)滑坡發(fā)育的影響,逆時(shí)針?lè)较騾^(qū)域(圖中為正值)內(nèi)鮮見(jiàn)滑坡隱患,順時(shí)針?lè)较騾^(qū)域(圖中為負(fù)值)內(nèi)滑坡隱患眾多。圖4(c)顯示,研究區(qū)近斷層北向正應(yīng)力累積速率具有明顯的分段性,且與斷層閉鎖分布高度重合。在閉鎖程度較高區(qū)域,北向正應(yīng)力的累積速率較高,滑坡隱患分布密集;閉鎖程度較低區(qū)域,應(yīng)力的累積速率較低,也少見(jiàn)滑坡隱患分布。
綜上可知,喜馬拉雅東構(gòu)造結(jié)地區(qū)滑坡隱患的空間分布與受斷裂運(yùn)動(dòng)狀態(tài)控制的近斷層構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)之間存在不可忽視的相關(guān)性,滑坡隱患大多分布在近斷層構(gòu)造應(yīng)力異常區(qū),并多集中于構(gòu)造應(yīng)力累積速率較大的斷層閉鎖區(qū)段。
同一區(qū)域滑坡災(zāi)害往往存在一定的坡向效應(yīng),坡體朝向會(huì)與區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力耦合,共同影響滑坡體的穩(wěn)定性。對(duì)此,通過(guò)應(yīng)力轉(zhuǎn)換模型[11],將模擬應(yīng)力換算為各滑坡體坡向正應(yīng)力。
圖4(d)展示了研究區(qū)各滑坡體坡向正應(yīng)力累積速率,與構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)特征相似,在近斷層閉鎖程度相對(duì)較高的區(qū)段,各滑坡體的坡向壓應(yīng)力累積速率往往較大,而在斷層閉鎖程度相對(duì)較低的區(qū)段,各滑坡體的坡向壓應(yīng)力累積速率往往較小。為進(jìn)一步定量認(rèn)知構(gòu)造應(yīng)力累積速率對(duì)滑坡發(fā)育分布的影響,按照不同壓應(yīng)力累積速率,對(duì)研究區(qū)斷層閉鎖段(圖4(d)紅框)和近斷層其他區(qū)段(圖4(d)黑框)內(nèi)共178個(gè)滑坡隱患的滑坡體進(jìn)行統(tǒng)計(jì)(圖5)。
分析圖4(d)和5可知,近斷層多數(shù)滑坡隱患位于斷層鎖固區(qū)段,且滑坡隱患坡向壓應(yīng)力累積速率多大于1.0 kPa/a,呈現(xiàn)應(yīng)力累積速率越大、滑坡隱患數(shù)越多的現(xiàn)象;而在近斷層閉鎖相對(duì)較低的其他區(qū)域,滑坡體坡向壓應(yīng)力累積速率普遍低于1.0 kPa/a,識(shí)別的滑坡隱患也相對(duì)較少,但多數(shù)坡向壓應(yīng)力累積速率大于1.0 kPa/a。上述現(xiàn)象表明,高坡向壓應(yīng)力的持續(xù)累積可能會(huì)促進(jìn)近斷層區(qū)域內(nèi)滑坡體的發(fā)育。
對(duì)于滑坡體來(lái)說(shuō),其變形與破壞由巖土體強(qiáng)度與坡體內(nèi)應(yīng)力發(fā)展演化決定[5]。構(gòu)造應(yīng)力的累積會(huì)改變坡體原有應(yīng)力狀態(tài),影響滑坡穩(wěn)定性。拉月滑坡體位于斷裂高閉鎖區(qū)段,壓應(yīng)力累積速率大,滑坡體受強(qiáng)烈構(gòu)造活動(dòng)的影響顯著[12]。本文以拉月滑坡體為例,從坡內(nèi)應(yīng)力變化入手,對(duì)壓應(yīng)力持續(xù)作用下滑坡穩(wěn)定性展開(kāi)分析。
數(shù)值模型選用拉月滑坡體主滑動(dòng)剖面(圖6(a)),上層為堆積體,下層為基巖。采用摩爾-庫(kù)侖模型,巖體參數(shù)參考已有研究成果[12],詳細(xì)參數(shù)見(jiàn)表2。對(duì)壓應(yīng)力持續(xù)累積下坡體內(nèi)應(yīng)力場(chǎng)變化(圖7)和具有代表性的3個(gè)滑移面安全系數(shù)(圖6(b))變化進(jìn)行分析。
表2 滑坡塊體參數(shù)
圖6 滑坡模型與滑移面安全系數(shù)
圖7 滑坡應(yīng)力場(chǎng)與最低安全系數(shù)滑移面變化
分析圖7可知,構(gòu)造應(yīng)力的持續(xù)作用會(huì)不斷對(duì)滑坡體應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行擾動(dòng),促使其發(fā)生重分布。當(dāng)坡向壓應(yīng)力累積小于200 kPa,坡表應(yīng)力場(chǎng)整體穩(wěn)定,僅在前緣出現(xiàn)較小的變化,導(dǎo)致最危險(xiǎn)潛在滑移面由A滑移面向前緣延伸變?yōu)锽滑移面。而當(dāng)坡向壓應(yīng)力累積達(dá)到200 kPa后,坡表應(yīng)力場(chǎng)開(kāi)始顯著變化,在坡體前緣的堆積體中出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象,發(fā)育在應(yīng)力集中區(qū)周邊的C滑移面成為安全系數(shù)最低的滑移面。整體而言,短時(shí)間內(nèi)量級(jí)不大的區(qū)域構(gòu)造壓應(yīng)力累積對(duì)坡體應(yīng)力場(chǎng)并未有太大的影響;但隨著區(qū)域構(gòu)造壓應(yīng)力的持續(xù)累積,在滑坡體內(nèi)部應(yīng)力發(fā)生重分布時(shí),巖體強(qiáng)度較低坡表堆積體無(wú)法適應(yīng)應(yīng)力的重新分布,產(chǎn)生異常應(yīng)力集中,促進(jìn)滑移面在應(yīng)力集中區(qū)域的發(fā)育。
進(jìn)一步分析A、B、C滑移面安全系數(shù)隨區(qū)域構(gòu)造壓應(yīng)力積累的變化(圖6(b))發(fā)現(xiàn),各滑移面安全系數(shù)隨構(gòu)造壓應(yīng)力累積量的增大都呈現(xiàn)單調(diào)遞減趨勢(shì),應(yīng)力累積量越大,安全系數(shù)越低。受異常應(yīng)力分布影響,C滑移面的安全系數(shù)降低速率最快,特別是當(dāng)應(yīng)力累積量達(dá)到100 kPa后,安全系數(shù)隨壓應(yīng)力的增加驟降。這說(shuō)明在坡內(nèi)壓應(yīng)力累積過(guò)程中,滑坡的穩(wěn)定性會(huì)逐漸降低,特別是在出現(xiàn)應(yīng)力集中效應(yīng)的區(qū)段,潛在滑移面受應(yīng)力累積影響程度更大、更易失穩(wěn)。
結(jié)果表明,高構(gòu)造應(yīng)力的持續(xù)累積對(duì)潛在滑移面穩(wěn)定性有不容忽視的影響,尤其是對(duì)于地殼構(gòu)造運(yùn)動(dòng)活躍區(qū)域,在斷裂鎖固區(qū)段,滑坡體的構(gòu)造壓應(yīng)力累積較快,容易出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象,這將降低潛在滑移面的安全系數(shù),增大滑坡體失穩(wěn)的風(fēng)險(xiǎn),形成如喜馬拉雅東構(gòu)造結(jié)區(qū)域滑坡隱患偏向于高應(yīng)力區(qū)發(fā)育的現(xiàn)象。構(gòu)造應(yīng)力可以通過(guò)多種方式對(duì)滑坡體滑移面產(chǎn)生影響,如隨著斷層附近構(gòu)造應(yīng)力集中,在滑坡體內(nèi)部應(yīng)力場(chǎng)發(fā)生重分布的同時(shí),會(huì)增大滑移面各部位的剪切應(yīng)力和應(yīng)變,形成塑性貫通區(qū)[4];隨著壓應(yīng)力的累積,滑移帶處始終保持較高應(yīng)力,產(chǎn)生應(yīng)力集中帶,并從滑坡后緣沿滑移帶逐漸向前延伸貫通,致使滑坡發(fā)生失穩(wěn)[13]。值得注意的是,本文重點(diǎn)考慮的是震間構(gòu)造應(yīng)力長(zhǎng)期積累過(guò)程,但同震時(shí)構(gòu)造應(yīng)力的突然釋放對(duì)滑坡體也有相當(dāng)?shù)挠绊憽T趶?qiáng)震應(yīng)力釋放作用下,滑坡體陡傾層面在產(chǎn)生拉剪性質(zhì)應(yīng)力的同時(shí),法向應(yīng)力和內(nèi)聚力迅速降低,致使破壞沿結(jié)構(gòu)面追蹤發(fā)展并剪斷鎖固段,形成貫通的滑移面[14];同時(shí),地震也會(huì)對(duì)滑坡體內(nèi)自由結(jié)構(gòu)面產(chǎn)生拉應(yīng)力,在拉應(yīng)力作用下,滑坡沿結(jié)構(gòu)面產(chǎn)生拉張破壞[15]。
本文以喜馬拉雅東構(gòu)造結(jié)地區(qū)為例,研究了受斷裂構(gòu)造活動(dòng)控制的區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)對(duì)滑坡災(zāi)害發(fā)育的影響,獲得以下結(jié)論:
1)受差異化斷裂運(yùn)動(dòng)的影響,喜馬拉雅東構(gòu)造結(jié)應(yīng)力場(chǎng)在斷層閉鎖度較低的區(qū)段,應(yīng)力方向發(fā)生偏轉(zhuǎn),且應(yīng)力累積水平普遍較低;而斷層鎖固區(qū)段,應(yīng)力方向與背景應(yīng)力場(chǎng)方向相近且應(yīng)力累積顯著。
2)由斷裂活動(dòng)控制的構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)對(duì)滑坡隱患影響顯著,滑坡體大多分布在近斷層構(gòu)造應(yīng)力異常區(qū),并多集中分布于構(gòu)造應(yīng)力累積速率較大的斷層閉鎖區(qū)段。
3)隨著滑坡體內(nèi)構(gòu)造應(yīng)力的持續(xù)累積,坡體內(nèi)會(huì)不斷發(fā)生應(yīng)力重分布,當(dāng)構(gòu)造應(yīng)力累積到一定程度后,巖體強(qiáng)度較低的滑坡體表層會(huì)無(wú)法適應(yīng)應(yīng)力的重新分布,產(chǎn)生異常應(yīng)力集中并促進(jìn)滑移面發(fā)育,從而降低潛在滑移面的安全系數(shù),造成斷裂顯著鎖固區(qū)段內(nèi)滑坡隱患的坡向壓應(yīng)力累積速率普遍較高的現(xiàn)象。