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川藏铁路通麦至鲁朗段地质构造对滑坡的控制作用分析

2023-01-06张佳佳王军朝朱德明

高校地质学报 2022年6期
关键词:岩质节理斜坡

张佳佳,王军朝,朱德明,李 勇

1. 成都理工大学 地球科学学院,成都 610059;2. 中国地质科学院 探矿工艺研究所,成都 611734;3. 西藏自治区地质矿产勘查开发局第二地质大队,拉萨 85000;4. 成都理工大学 地球物理学院,成都 610059

川藏铁路鲁朗至通麦段,地理位置位于西藏自治区波密县鲁朗镇,构造位置位于喜马拉雅东构造结区域,是印度板块向欧亚板块俯冲、楔入的最前缘。其作为青藏高原隆升最快的地区之一(许志琴等,2008),构造的活动性和复杂的地质环境决定了该区工程地质问题的复杂性和特殊性,并孕育了大量的地质灾害,其中滑坡为主要的一种(殷跃平,2000;何易平等,2001;彭建兵等,2004;袁广祥等,2010)。作为道路工程领域的热门区域,研究区地质灾害方面的研究已有许多:第一次青藏高原科考曾对川藏公路各种山地灾害、危害状况、分布特点、形成机制、活动特性及防治对策进行了研究(中国科学院—水利部成都山地灾害与环境研究所,1995,1999);蒋忠信(2002)采用有序样品最优分割和方差分析等定量方法,揭示了帕隆藏布流域崩塌、滑坡、泥石流的差异性分布规律,其中拉月曲峡谷为崩塌滑坡、泥石流极密集段,进而对道路平面选线原则提出了建议;尚彦军等(2001)重点研究了该区林芝—八宿段主要地质灾害类型、规模、分布规律及危害程度,通过对现有防治措施及方法分析,认为目前的防治措施尚不足以有效抵抗地质灾害对公路沿线人民生命财产的威胁及造成的损失;邹宗良(2009)对川藏公路通麦至105道班岩质边坡稳定性分析,提出在块体理论分析中考虑地震力的方法;孔纪名(2003)利用块状岩体稳定性分析方法,研究了拉月大滑坡的块体破坏特征;廖秋林等(2002)利用统计学方法探讨了水岩作用与雅鲁藏布大拐弯地区滑坡的关系,认为该地区水岩作用对滑坡形成、诱发有重要作用;袁广祥等(2010)对雅鲁藏布江大拐弯北段发育的地质灾害进行研究,认为区内频繁发育的地质灾害主要与区内的地层岩性、断裂构造、地震活动和地形地貌有关;杜国梁(2017)对喜马拉雅东构造结地区的滑坡发育特征和分布规律进行总结,对该区域的滑坡做了易发性评价,并对该区域的滑坡做了潜在地震作用下的危险性预测评价研究;杨德宏等(2021)通过对鲁朗镇脚不弄滑坡的调查研究,认为构造、地震、活动断裂等内在因素是形成该高速远程巨型滑坡的主控因素。

以往的研究主要集中在区内滑坡的空间分布,危险性,单体滑坡的形成机制,但是缺乏了孕灾地质条件,尤其是对构造作用的分析研究。然而构造活动尤其是活动断裂是影响斜坡稳定的重要因素,对滑坡的发育,尤其是大型岩质滑坡,往往具有明显的控制作用(唐方头等,2010;张永双等,2016)。2018年发生的金沙江白格滑坡被认为发生在长期受构造影响的软弱岩体中(许强等,2018)。茂县叠溪高位滑坡的主控因素为断裂构造和历史地震(邵重建等,2017)。可见位于断裂发育区的滑坡地质灾害往往直接或间接受构造作用控制,而川藏铁路鲁朗至通麦段整体位于喜马拉雅东构造结的影响区域,构造作用对岩体结构、地貌以及地震滑坡的直接诱发等方面有着非常重要的影响,需要开展相关的研究工作。

虽然规划的川藏铁路在此段最大程度避免明线,代以隧道桥梁形式通过,但铁路的修建过程中仍会涉及大量边坡的工程开挖。本文基于藏东南喜马拉雅东构造结北西侧的通麦至鲁朗地区滑坡发育特征的调查研究,总结分析地质构造对滑坡的控制作用,以期为未来川藏铁路的施工建设提供服务。

1 区域地质概况

研究区整体位于喜马拉雅东构造结西侧(图1),北西侧的冈底斯山脉与南东侧喜马拉雅山脉之间一级分水岭内的峡谷区域,构造上属拉萨地块,整体位于东久断裂上(丁林等,2013),东久断裂带走向NE,倾向SE,倾角60°~70°,是一条新生的左旋走滑兼具逆冲性质的断裂,断裂带宽2~3 km,由多条次级断裂斜列组成,其在晚更新世至全新世有过强烈活动(邵翠茹等,2008),垂直活动速率为0.17~0.27 mm/a,断裂最大潜在矩震级为7.2级(谢超,2018)。东久断裂自鲁朗南经排龙向北东延伸,控制了帕隆藏布和拉月曲的走向,并在与斜坡交汇部位形成一系列的断裂特征地貌。研究区主要出露基岩为念青唐古拉岩群片麻岩、雅鲁藏布江蛇绿混杂岩以及少量新近纪黑云母二长花岗岩(图1),第四系松散堆积主要分布于斜坡表面和河谷谷坡地带,以坡积物、冲洪积物、冰川堆积居多;地貌上研究区属高山峡谷地貌,整体呈“V”字型,仅在鲁朗镇、拉月村、东久新村存在阶地地貌,区内水系帕隆藏布由北向南,拉月曲由南向北,并于排龙汇入帕隆藏布,两条主要水系纵贯整个研究区,河道纵比降大,流速大,搬运能力强。青藏高原的隆升,使得区内地壳稳定性变差,构造活动性增强,地震频发(邵翠茹等,2008;扎西仁增,2009)。

图1 研究区区域地质、历史地震图(修改自许志琴等,2008)Fig. 1 Geologic map, historical earthquake distribution of Eastern Himalayan Syntaxis and the study area

2 滑坡地质灾害发育特征

2.1 滑坡空间分布特征

鲁朗至通麦段共发育滑坡总数40个,其中岩质滑坡12个,土质滑坡28个。根据滑坡规模划分,研究区大型及特大型滑坡的个数为4个,中型滑坡12个,小型滑坡24个。滑坡规模具有明显分化的现象,即以中—小型规模滑坡为主。这是由于滑坡集中分布于公路沿线,人类工程活动密集,因此这些中—小规模滑坡与人类工程活动密切相关。而大型以上滑坡主要的诱发因素为地震作用。

空间分布上,研究区滑坡主要沿着拉月曲、帕隆藏布水系发育,大多集中在干流河谷,典型的大型岩质滑坡如脚不弄滑坡、K4114滑坡、拉月滑坡也分布在河谷两侧,由于东久断裂控制着研究区水系的走向,因此滑坡也基本沿着断裂呈带状发育(图2)。规模类型上,脚不弄滑坡、K4114滑坡以及拉月滑坡等大型滑坡均为岩质滑坡,而土质滑坡规模均为中小型,以斜坡表层土体失稳为主(图2)。

图2 川藏铁路通麦至鲁朗滑坡地质灾害分布图Fig. 2 Distribution map of landslides in the study area

2.2 典型滑坡地质灾害

2.2.1 拉月滑坡

拉月滑坡位于排龙村西南3 km,G318里程K4106处,拉月曲左岸(图2;3a)。该滑坡失稳于1967年8月29日,滑坡由高于河谷300 m处的斜坡中部剪出,方量约1200万m3,属特大型高位岩质滑坡。拉月滑坡分为Ⅰ号和Ⅱ号滑坡体,其中Ⅰ号滑坡为规模和危害程度最大的滑坡体,主滑方向160°,平面形态为舌形,剖面形态近于直线型,前缘高程2140 m,后缘高程2850 m,滑坡堆积体阻断拉月曲并摧毁坡脚的川藏公路(图3),形成高达70~90 m的堰塞坝,河水断流时间20.5小时,形成了长约2000 m,宽150~500 m的湖泊,水深达50 m,损毁G318道路约4 km,公路中断4个月(邵翠茹,2009)。前人的研究成果显示,拉月滑坡的主控地质条件为滑坡体中的两条叠瓦状逆冲断裂,以及斜坡中发育的多组优势结构面(张佳佳等,2018;图3)。

图3 拉月滑坡平面图(a,修改自扎西仁增,2009)和拉月滑坡剖面图(b)Fig. 3 Plan graph of Layue landslide(a); Section graph of Layue landslide(b)

2.2.2 K4114滑坡

K4114滑坡位于拉月村东4 km,G318里程K4114位置,拉月曲左岸(图2),滑坡平面形态为“簸箕状”,剖面形态为凹型,其微地貌主要包括两个山梁和滑坡下滑形成的凹谷组成(图4a)。滑坡长980 m,宽560 m,滑坡坡底高程2370 m,坡顶高程3070 m,高差700 m,主滑方向189°,滑体平均厚度> 20 m,总体积约480万m3,属大型高位岩质滑坡。因为年代久远的缘故,未能获取到此次滑坡事件的具体时间,但根据滑坡对岸堆积体及上游河道地形的判断,K4114滑坡发生时同样堵断了拉月曲。微地貌显示滑坡后缘断裂作用形成了多个近平行的槽谷(图4b),为东久断裂所在位置,从断裂破碎带与滑坡后缘的位置关系可以判断,东久断裂的断裂面控制了滑坡后缘的形成,且因为斜坡中槽谷的存在,为滑坡滑面的形成提供降水入渗的地形条件。

2.2.3 脚不弄滑坡

脚不弄滑坡位于鲁朗镇以北6 km,拉月曲右岸(图2),地貌形态总体呈“簸箕状”,近东西向展布。滑坡坡底高程3344 m,坡顶高程4836 m,高差1492 m,坡面成凹形,主滑方向290°,滑体平均厚度> 50 m,总体积大于5亿方,纵坡降小于0.33,为一巨型高位岩质滑坡,滑坡发生后,曾堵塞拉月曲,并在上游形成堰塞湖(图5)。滑坡边界条件明显,地形上具有典型的滑坡地貌特征,堆积体在平面形态呈“长舌状”,后缘滑坡壁高差约700 m,前缘直抵河床。前人研究认为脚不弄滑坡是在地壳隆升、河流下切、冰川作用、气候作用(降雨、降雪、冷热交替)、风化作用、构造运动等因素共同作用下,形成了有利的地形结构、物质条件,并在地震的激发下形成(杜国梁,2017;杨德宏等,2021)。

图5 脚不弄滑坡全貌图(底图来自Google Earth)Fig. 5 Full view of Jiaobunong landslide (base image is from Google Earth)

3 地质构造对滑坡的控制作用探讨

川藏铁路鲁朗至通麦段地处青藏高原东南温带季风湿润气候区,一般降水量650~850 mm,在拉月曲排龙入口处最大可达1127 mm,具有活跃的地质构造背景和深切河谷地貌。前人在分析滑坡成因时,高山峡谷地貌、断裂构造带、岩体结构破碎、地震、冻融、降雨、坡脚侵蚀等因素多会被综合考虑(葛华等,2013;刘筱怡等,2019;张永双等,2020)。作者认为,因为研究区所处的特殊构造位置,断裂构造带、地震等内动力因素才是研究区大型滑坡的主要控制因素。而构造地貌、构造作用控制下的斜坡岩体结构、频繁地震的长期加载是3个关键的内动力因素。

3.1 构造作用控制地貌

研究区位于冈底斯山脉与南东侧喜马拉雅山脉之间一级分水岭内的峡谷区域,整体位于东久断裂上,为构造侵蚀高山峡谷地貌,青藏高原长期的构造隆升,使得研究区河流侵蚀作用加强,造就了现今的陡立斜坡(图6)。断裂破碎带为岩体中的软弱带,斜坡上因断裂发育所形成的低洼槽谷,在斜坡上呈明显的负地形,同时也利于汇水,为雨水入渗提供通道(图4b)。研究区典型的两处大型岩质滑坡拉月滑坡和K4114滑坡的滑体为断裂通过区域(图6),对拉月滑坡和K4114滑坡的形成和发展具有重要影响。如前文所述,根据空间关系推断,东久断裂的断裂面控制了K4114滑坡后缘的形成。

图4 K4114滑坡无人机航拍图(a)和K4114滑坡与东久断裂(箭头所示)的位置关系(b)Fig. 4 Full view of K4114 landslide(a); Positional relationship between K4114 landslide and Dongjiu fault (Indicated by the arrows)(b)

图6 拉月—排龙段大型岩质滑坡及邻区三维地形图Fig. 6 3D topographic map of typical rock landslide in Layue-Pailong section

3.2 构造作用控制斜坡岩体结构

研究区基岩岩性主要为片麻岩、花岗岩类,基岩斜坡为块状岩体结构。但因区域构造作用的控制,岩体中多发育构造节理,经现场调查统计,节理密度6~8条/m,其中一组沿片麻理发育的优势节理往往顺坡向发育,因此研究区斜坡又表现出顺向坡的斜坡结构特征,野外典型边坡节理赤平投影如图7所示,这些构造节理将岩体分割成大小不一的块体(图8a),对滑坡的形成同样起到一定程度的控制作用,拉月滑坡即是如此(图3b)。事实上,作者在2017年野外调查过程中第一时间见证滑坡的发生,该岩质滑坡被两组优势节理控制,而滑坡的滑面即是顺片麻理发育的构造节理(图8),从而也验证了研究区构造节理对岩质滑坡的控制作用。

图7 研究区边坡节理赤平投影(红色线条为斜坡投影,黑色线条为节理投影)Fig. 7 Joint stereographic projection in the study area (red line is the ramp projection, black lines are joint projection)

图8 研究区典型斜坡结构及构造节理特征Fig. 8 Typical ramp structure and tectonic joint in the study area

3.3 构造地震对斜坡长期加载

研究区属喜马拉雅地震带,为地震最频发的亚区之一,具有强度大、发震频率高、震源浅等特点,历史地震中1938年的波密6.0级地震、1950年的墨脱8.6级地震、1981、1982年的波密5.4级地震和2017年的米林6.9级地震等均对研究区滑坡有重要的影响(图1;表1)。邵翠如等(2009)划定该区域为8.0级潜在震源区。

研究区受到历史原地地震和邻区地震的影响烈度到达Ⅴ—Ⅷ度(表1),多次历史地震的叠加累积作用不仅破坏了斜坡岩体内部结构,降低内聚力和摩擦强度,而且表层物质的孔隙受到地震震动的影响也会增加。当斜坡表层物质的孔隙增大到一定程度时,就可以在不用降雨的条件下产生滑坡(Corominas and Moya, 1999),研究区内的大型岩质滑坡多数都是在没有降雨的条件下发生滑动。因此,研究区内的岩体在受到多次强烈的历史地震的震动、叠加、累积变形的作用下,岩体内部结构受到严重破坏,岩体表面节理裂隙更加发育,并导致诱发滑坡发生的滑坡降雨阈值降低,甚至出现在不用降雨的条件下即可发生滑动,形成滑坡。甚至直接诱发同震滑坡,脚不弄滑坡即是由地震直接激发形成(杜国梁,2017;杨德宏等,2021)。

表1 研究区及邻区历史地震目录(部分数据来自邵翠茹,2009)Table 1 Earthquake catalogue in the study area and adjacent area

3.4 构造作用控制滑坡形成的典型机制

川藏铁路鲁朗至通麦段,沟谷两侧斜坡陡立,构造活动引起的地表差异运动形成高山峡谷地貌,导致斜坡体重力势差增加,为滑坡的发生提供了有利的地形条件(赵健,1992; 彭建兵,2006; 张佳佳等,2018);区域构造变形作用形成的节理、裂隙,造成斜坡岩体中结构面密集发育,成为潜在滑动面;活动断裂穿越斜坡体,断裂活动造成岩体破碎,在地形地貌上多表现为低洼的负地形,为雨水入渗提供通道,并成为滑坡体的后缘边界;断裂的蠕滑作用对斜坡体的稳定性也产生影响(唐方头等,2010);活动断裂带强烈运动往往伴有地震发生,诱发地震滑坡(彭建兵等,2004;张永双等,2011)。而且研究区典型的几次大型滑坡均是高位的,加之河道狭窄,滑坡一旦发生极易形成滑坡—堰塞湖—溃决洪水灾害链。根据研究区典型的高位岩质滑坡事件,总结构造作用控制的典型岩质滑坡的形成机制如图9所示。

图9 研究区典型岩质滑坡形成机制Fig. 9 Formation mechanism of typical landslides

4 结论

川藏铁路通麦至鲁朗段滑坡地质灾害基本沿着断裂构造呈带状发育,并以构造控制的大型—特大型岩质滑坡为典型特征,区段内地质构造对大型滑坡的控制作用表现在:

(1)地形条件,构造作用形成的高陡斜坡为滑坡提供有利的地形条件,滑体上的断裂破碎带为雨水入渗提供通道,形成滑坡边界。

(2)物质条件,斜坡岩体中发育的贯通性优势构造节理裂隙面为滑坡提供滑动条件和物质基础。

(3)诱发条件,活跃的构造地震震动破坏岩体结构并可直接触发大型滑坡的产生。

(4)多种构造条件的耦合作用造成了川藏铁路通麦至鲁朗段未来仍是大型高位滑坡的高易发区域。因此,要进一步加强该区段大型岩质滑坡的早期识别工作,未来在工程施工过程中,要注重该区段边坡的地质灾害管控。

致谢:本文在完成过程中得到了林芝市自然资源局的帮助。中国地质科学院探矿工艺研究所的陈龙、李元灵、高波工程师在野外一同进行了调研。两位审稿专家给予了建设性的意见建议。在此一并表示感谢。

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