大型深層滑坡災(zāi)害及其預(yù)測

（京都大學(xué)防災(zāi)研究所，日本京都611-0011）

（京都大學(xué)防災(zāi)研究所，日本京都611-0011）

為了進(jìn)一步探明大型深層滑坡發(fā)生機(jī)制，對今后發(fā)生潛在大型深層滑坡區(qū)域進(jìn)行預(yù)測，通過對比分析近年來亞洲地區(qū)發(fā)生的多起大型深層滑坡，從誘發(fā)大型深層滑坡的地震與降雨兩個主要方面，分析了特殊地層巖性在化學(xué)風(fēng)化作用影響下與多種坡體結(jié)構(gòu)在重力作用影響下的深層滑坡特征，以及降雨對于該類滑坡的形成所具有的促進(jìn)作用.研究結(jié)果表明，對于由地震作用誘發(fā)的深層滑坡，應(yīng)主要根據(jù)不同巖石種類的化學(xué)風(fēng)化情況、深層滑坡形成的力學(xué)演化機(jī)制以及先行降雨對地震滑坡潛在位置進(jìn)行預(yù)測；對于由降雨誘發(fā)的深層滑坡，應(yīng)主要根據(jù)重力邊坡變形與內(nèi)部地質(zhì)結(jié)構(gòu)的地形特征對深層滑坡發(fā)生位置進(jìn)行預(yù)測.

降雨；地震；重力變形；深層滑坡

滑坡災(zāi)害常受到巖石地質(zhì)條件變化的影響.如：2014年廣島暴雨引起的淺層滑坡和泥石流，其中巖石的巖性是風(fēng)化花崗巖；2013年伊豆大島暴雨引起的淺層滑坡和泥石流，其巖性是年代較新的火山灰.由于這些巖石的地質(zhì)特征，決定了這些地方不會發(fā)生災(zāi)難性的深層滑坡.相反，2011年，塔拉斯臺風(fēng)在日本西部紀(jì)伊山脈誘發(fā)了很多災(zāi)難性深層滑坡，因為該地區(qū)的白堊紀(jì)增生雜巖帶非常可能形成大型深層滑坡.

本文所討論的大型深層滑坡是指高速碎屑滑坡［1］或巖石、巖屑崩落等.這些滑坡受到深層地質(zhì)構(gòu)造的影響，有別于近地表土體或碎屑組成的淺層滑坡.為了減輕這種由大型深層滑坡引起的災(zāi)害，需對它們的潛在位置進(jìn)行預(yù)測.然而目前這種方法尚未建立，因此，本文總結(jié)了大型深層滑坡帶來的災(zāi)害及其發(fā)生地點的預(yù)測方法.

1 大型深層滑坡帶來的災(zāi)害

大型深層滑坡帶來的災(zāi)害主要有巖石的相互撞擊、由滑坡壩引起的上游洪水泛濫、潰決時引發(fā)下游洪災(zāi)以及鐵路、公路生命線中斷等.

巖石塊的相互撞擊將摧毀大多數(shù)的人工建筑，但是，救援人員可能通過搜尋堆積體的特定部分找到被困人員，這些部分在運(yùn)動過程中并未與其他滑體完全混合，即使完全壓碎仍能保持其在原有坡體的相對位置.1999年，在臺灣省集集地震引起的草嶺和九份二山滑坡中，滑體頂部的建筑在滑坡后仍然處在堆積體的頂部位置，這使得屋內(nèi)人員雖有受傷但還是得以幸存.

深層滑坡是大量巖石或碎屑的滑動，這些堆積物常形成滑坡壩，從而導(dǎo)致上游被淹沒；當(dāng)滑坡壩潰決時，下游將產(chǎn)生洪水災(zāi)害.為了應(yīng)對這種洪水災(zāi)害，需要對滑坡壩的形成進(jìn)行監(jiān)測.該工作可通過監(jiān)測振動數(shù)據(jù)來實現(xiàn)對滑坡震動的探測［2-3］，然而，由于地震本身造成的影響，由地震引起的滑坡可能無法通過地震數(shù)據(jù)來進(jìn)行探測.由滑坡壩潰決引起最為嚴(yán)重的一次滑坡災(zāi)害，是1933年8月25日下午3點50分發(fā)生在四川省疊溪的7.5級地震，該地震誘發(fā)了大型巖質(zhì)滑坡并形成了滑坡壩，震后45天滑坡壩潰決，引發(fā)了洪水并造成20 000人死亡.在一次大暴雨或強(qiáng)地震中，深層滑坡可能發(fā)生在很多地方，并摧毀公路，鐵路等基礎(chǔ)設(shè)施，如2008年中國汶川地震和2011年日本塔拉斯臺風(fēng).

通常大型深層滑坡的移動速度超過100 km/h，并且滑動距離很遠(yuǎn).如1984年長野縣西部地震引起的御岳山滑坡，8分鐘內(nèi)移動距離約10 km［4］.滑坡的運(yùn)動性可通過等效摩擦因數(shù)進(jìn)行評價（等效摩擦因數(shù)是滑坡高度和水平長度的比值）.等效摩擦因數(shù)隨滑坡體積的增大而減小.值得注意的是，火山碎屑堆積滑坡的等效摩擦因數(shù)比其他類的滑坡要小的多，如圖1所示［5］.從圖1可看到，火山碎屑滑坡點遠(yuǎn)低于其他滑坡線.

圖1 等效摩擦因數(shù)與滑坡體積之間的關(guān)系Fig.1 Equivalent coefficient of friction and landslide volumes

2 大型深層滑坡潛在位置預(yù)測

2.1 地震引發(fā)的滑坡

最近的地震，如2011年日本地震、2009年印度巴東地震、2008年中國汶川地震、2008年日本巖手宮城地震、2005年巴基斯坦地震，以及2004年日本新瀉地震都有利于幫助我們了解地震誘發(fā)災(zāi)害性深層滑坡發(fā)生的地點和原因，這些滑坡通常發(fā)生在巖體化學(xué)風(fēng)化和重力變形過程到達(dá)或接近閾值時，且先于地震誘發(fā)災(zāi)難性破壞.

2.1.1 化學(xué)風(fēng)化誘發(fā)的滑坡

（1）火山碎屑堆積體

在很多國家，地震誘發(fā)的滑坡常發(fā)生在火山碎屑堆積的緩傾邊坡［5-6］，如表1［7］.這些滑坡極易滑動，但不會發(fā)生在陡傾斜坡上，因為火山碎屑堆積形成的邊坡傾角小于其休止角.導(dǎo)致這種滑坡最基本的因素是坡面與層面平行，深部強(qiáng)風(fēng)化巖層以及坡腳削坡.滑動面往往含有黏土質(zhì)火山灰或浮石基底，黏土礦物埃洛石也常出現(xiàn)在其中.滑坡可能發(fā)生的地點可以根據(jù)火成巖地層進(jìn)行預(yù)測，由表1所列案例顯示該特殊地層層位可成為滑動面區(qū)域.富含埃洛石的土體可能具有在抗地震震動過程中表現(xiàn)薄弱的特性，但還需要進(jìn)一步研究［7］.

最近由地震引起的大型火山碎屑滑坡是發(fā)生于2016年2月16日日本阿蘇地區(qū)的熊本地震.該地震震級為7.3級，矩震級7.0級，如圖2所示（照片來自國際航業(yè)公司和PASCO公司）.該滑坡造成5人死亡，具有最大深度10 m和滑動面沿浮石基礎(chǔ)分布的特征.

表1 地震誘發(fā)大型火山碎屑堆積層滑坡列表Tab.1 A list of earthquake-induced catastrophic landslides of pyroclastic fall deposits

圖2 2016年日本熊本地震引發(fā)火山碎屑堆積層滑坡Fig.2 A landslide of pyroclastic fall deposits induced by the 2016 Kumamoto earthquake，in Japan

（2）碳酸鹽巖

碳酸鹽巖易被地下水所含碳酸溶解，從而形成諸如洞穴、落水洞等地貌.2008年汶川地震引發(fā)大量碳酸鹽巖滑坡［8-9］，其中有許多滑坡發(fā)生在具有良好成層性的碳酸鹽巖斜坡上.這些滑坡的滑動面沿層理面發(fā)育，滑動面通常表現(xiàn)為具有漣漪狀洼地和破裂狀突出體的粗糙表面，其中洼地是由碳酸鹽溶解形成，斷裂的突出體是在上覆滑動巖體和下部巖體接觸面形成［10］，斷裂突出是在發(fā)生上覆蓋滑動巖石和巖石下方之間的接觸部分.地下水沿層面流動溶解碳酸鹽，減小了上部滑動巖體與下部巖體的接觸面積，這些接觸面最終被地震動破壞.與之相對，孔隙空間的增大可疏導(dǎo)地下水，因此在雨季孔隙水壓力不太可能形成.在2005年喀什米爾地震中，許多地區(qū)也誘發(fā)了不少大型碳酸鹽巖滑坡［11］.

2.1.2 力學(xué)機(jī)制

大型地震滑坡的前期力學(xué)醞釀通常表現(xiàn)為滑坡發(fā)生前的深層重力邊坡變形，這種變形在許多滑坡之前發(fā)生.前期的重力邊坡變形對地震引起大型滑坡的破壞包括幾種特定的類型，見表2［5］.九份二山滑坡在滑坡前的凸形坡上已出現(xiàn)縱彎褶皺（見表2中B結(jié)構(gòu)），該邊坡的變形在地形上表現(xiàn)出線性凹陷和階梯.縱彎褶皺常出現(xiàn)在緩傾順層邊坡，當(dāng)縱彎褶皺發(fā)生于褶皺下翼倒轉(zhuǎn)部位時，縱彎褶皺可顯著地降低邊坡的穩(wěn)定性，原因是當(dāng)褶皺下翼破壞時，整個邊坡在坡腳處將失去支撐.

緩傾順層邊坡中一種特殊類型是支撐型構(gòu)造.該類型位于坡腳的基底并支持著上部坡體，有可能是地震誘發(fā)滑坡的發(fā)生地（見表2中Bt結(jié)構(gòu)）.一個著名的案例是1959年美國赫布根湖地震引發(fā)的麥迪遜滑坡［12］.

中陡傾順層邊坡可能易于發(fā)生平流滑動（見表2中OC結(jié)構(gòu)），形成線狀凹地或上傾陡坡. 1999年集集地震中的草嶺滑坡就是該類型，在地震前存在中陡傾順層邊坡，線狀凹陷并有沿其方向凹陷的趨勢.

由地震頻繁誘發(fā)的另一類型滑坡是古滑坡的復(fù)活.這種古滑坡從山谷一側(cè)穿越河流與對側(cè)坡體相撞，然后受到河流侵蝕發(fā)生底部切割（見表2中的CU結(jié)構(gòu)）.由于上部物質(zhì)支撐的移除，造成滑體不穩(wěn)定而復(fù)活，這種類型的滑坡在2004年日本新瀉地震中很多地方均有發(fā)生［14］.

表2 地震誘發(fā)各種由不同特殊地質(zhì)構(gòu)造和先期地貌所形成的巖石的滑坡列表Tab.2 A list of earthquake-induced landslides of various rocks with special references to geologic structures and precursory landforms

2.1.3 前期降雨

因為地下水位線能通過正孔隙水壓力增加或減少影響土體的基質(zhì)吸力，所以地震前的降雨（先行降雨）對滑坡發(fā)生具有顯著性影響.2004年日本新瀉地震誘發(fā)了100起超過105m3的滑坡［23］，但是2007年諾托半島和2007年新瀉地震誘發(fā)的滑坡卻很少，盡管這兩次地震具有相似的地質(zhì)和地貌條件和相近的地震強(qiáng)度.根據(jù)滑坡發(fā)生中所觀察的區(qū)別已做過相關(guān)報道［24］，2004年地震前三天內(nèi)有超過100 mm的降雨，但是另外兩個地震前的降雨量要小得多.

前期降雨也對那些火山碎屑堆積體滑坡的發(fā)生有著極大的影響.根據(jù)日本氣象廳報道，2011年日本東北地震在廣泛區(qū)域引起了大于6級的震動，但所觸發(fā)的由火山碎屑堆積體形成的滑坡卻少于10個.對比誘發(fā)火山碎屑滑坡地震的前10天、30天和60天的降雨量（表2所示）可以發(fā)現(xiàn)，2011年日本東北地震具有在這3個周期降雨量最少的特征.前期降雨對地震誘發(fā)滑坡的影響在新西蘭也有過報道［24］.

如上所述，當(dāng)基于歷史數(shù)據(jù)繪制滑坡災(zāi)害圖時，前期降雨對滑坡發(fā)生的影響必須予以考慮，因為震前的雨量大小會影響地震滑坡的形式和數(shù)量.震前降雨的評價周期必須依賴于地質(zhì)條件進(jìn)行原因分析，例如風(fēng)化的火山碎屑物質(zhì)比砂類物質(zhì)持水時間更長，因此，在關(guān)于滑坡地質(zhì)災(zāi)害繪圖中，當(dāng)評價前期降雨和地震的影響時，長期的時間效應(yīng)需考慮進(jìn)去，而對于地震運(yùn)動活躍地區(qū)若出現(xiàn)短時間范圍內(nèi)的集中降雨，應(yīng)適當(dāng)加強(qiáng)降雨與邊坡變形的監(jiān)測.同時，由于地震預(yù)測相當(dāng)困難，這也為及時預(yù)測潛在深層滑坡區(qū)先行降雨帶來了一定的難度.

2.2 降雨誘發(fā)深層大型滑坡

2011年臺風(fēng)塔拉斯襲擊了日本西部紀(jì)伊山并引起了約70個大型深層滑坡［15］，通過使用滑坡前后高分辨率LiDAR數(shù)據(jù)，分析了降雨誘發(fā)的大型深層滑坡的位置特征.這是滑坡事件發(fā)生前第一份具體的地形特征研究，發(fā)現(xiàn)重力邊坡變形早在許多深層大型滑坡前已經(jīng)出現(xiàn).

基于日本2005年彩蝶和2011年塔拉斯臺風(fēng)引起的深層大型滑坡調(diào)查［15，18］，本文總結(jié)了重力邊坡變形與內(nèi)部地質(zhì)結(jié)構(gòu)的地形特征，其示意圖如圖3（修改于文獻(xiàn)［25］）所示.

圖3 地形地貌和地質(zhì)結(jié)構(gòu)說明重力斜坡變形對暴雨影響非常敏感Fig.3 Topographic features and geologic structures showing gravitational slope deformations that are very susceptible to heavy rainstorms

從圖3（a）中可以看出，緩傾順層邊坡圓點狀和不規(guī)則狀的邊坡表面表示為重力邊坡變形，變形區(qū)域的一部分在脫離周圍變形后快速下滑，小型的后緣陡坡和坡腳破壞可以預(yù)示為大型破壞前的不穩(wěn)定體.在重力變形邊坡坡腳出現(xiàn)的較大破壞也是潛在的大型不穩(wěn)定體.

從圖3（b）中可以看出：在平行邊坡，陡傾順向坡或緩傾順向坡中發(fā)生的重力邊坡變形具有較大的后緣陡坡或山脊頂部凹陷；在陡傾順向坡或平行斜坡，基底具有典型向坡下彎曲的形態(tài)；當(dāng)縱彎褶皺不斷發(fā)育并在坡腳處產(chǎn)生破壞時，整個邊坡將變得不穩(wěn)定；對于緩傾順層邊坡，后緣陡坡或脊頂凹地的較大位移顯示出一個成熟滑動區(qū)域的形成，該區(qū)域可能持續(xù)緩慢的穩(wěn)定滑動，而非大型破壞，當(dāng)坡腳失效時可能引起整個邊坡的破壞.

從圖3（c）中可以看出，面向上坡方向的陡坡和山脊頂部的洼地可能是由彎曲傾倒作用形成，其中強(qiáng)烈變形區(qū)發(fā)生在軸向位置，該類型滑動不會在變形早期階段發(fā)生.隨著變形進(jìn)一步發(fā)展，軸向變形部分可轉(zhuǎn)變?yōu)榛瑒訋亩沟谜麄€邊坡下滑，此時邊坡表面可形成連續(xù)性小型陡坡，在變形邊坡坡腳處的小型破壞將使得邊坡發(fā)生失穩(wěn).

3 結(jié)束語

本文通過大型深層滑坡引起的災(zāi)害概況綜述以及該類滑坡地質(zhì)地貌特征評價，可為災(zāi)害圖繪制提供基礎(chǔ)資料.淺層滑坡發(fā)生的潛在位置通常很難識別，是因為地下構(gòu)造和巖土體性質(zhì)變化較大.比較起來，深層滑坡基于一些具體的地質(zhì)地貌特征，在很多案例中是可以預(yù)測的.近期對深層滑坡的研究表明，除了火山碎屑堆積體和一些碳酸鹽巖地區(qū)由地震作用誘發(fā)的滑坡，這類滑坡通常在前期有重力邊坡變形.然而，在火山碎屑堆積體中由地震誘發(fā)的滑坡通過火山層序以及風(fēng)化情況調(diào)查，在確認(rèn)滑動物質(zhì)或相對應(yīng)的滑動面后可以進(jìn)行預(yù)測.其他在前期具有重力邊坡變形的災(zāi)難性滑坡，通過地形特征分析也可以進(jìn)行預(yù)測.

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大型深層滑坡災(zāi)害及其預(yù)測

千木良雅弘

Disasters Caused by Deep-Seated Catastrophic Landslides and Prediction of Their Potential Sites

CHIGIRA Masahiro
（Disaster Prevention Research Institute，Kyoto University，Kyoto 611-0011，Japan）

In order to understand the mechanism of deep-seated catastrophic landslides and make prediction of their potential sites，some typical deep-seated catastrophic landslides occurred in Asia were analyzed comparatively.From the aspects of two landslide-inducing factors，earthquake and rainfall，the characteristics of landslides prepared by chemical weathering processes and gravitational deformation were analyzed.Rainfall plays a significant role in the occurrence of deep-seated catastrophic landslides.The results show that for the earthquake-induced catastrophic landslides，the potential site can be predicted by considering the chemical weathering of different kinds of rocks，mechanical preparation and antecedent rainfall；for the rain-induced catastrophic landslides，the topographic features of gravity slope deformation and the geological structures can be used for prediction.

rainfall；earthquake；gravitational deformation；deep-seated catastrophic landslide

0258-2724（2016）05-0981-07

10.3969/j.issn.0258-2724.2016.05.022

P512.1；P642.22

A

2016-06-17

千木良雅弘（1955—），男，教授，研究方向為巖石風(fēng)化及其工程特性評價、地質(zhì)災(zāi)害及防治工程，E-mail：chigira@slope.dpri. kyoto-u.ac.jp

千木良雅弘.大型深層滑坡災(zāi)害及其預(yù)測［J］.西南交通大學(xué)學(xué)報，2016，51（5）：981-986，994

（中文編輯：唐 晴 英文編輯：周 堯）