陳曉利 袁仁茂 庾 露

(中國地震局地質(zhì)研究所，活動構(gòu)造與火山重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100029)

0 引言

地震滑坡是山體在強(qiáng)烈震動中失穩(wěn)產(chǎn)生的滑移現(xiàn)象。嚴(yán)重的滑坡能夠切斷交通，毀壞設(shè)施，阻塞河道形成堰塞湖，對人民生命財產(chǎn)的安全構(gòu)成嚴(yán)重的威脅。2008年5月12日汶川地震誘發(fā)的滑坡崩塌就造成約有2萬人的傷亡。不僅如此，強(qiáng)烈地震能夠使斜坡產(chǎn)生變形破壞，導(dǎo)致坡體的穩(wěn)定程度降低，從而孕育新滑坡的形成。因此，在多震區(qū)，地震后相當(dāng)長的時期內(nèi)，崩塌滑坡連綿不斷。并且，滑坡崩塌的堆積物為泥石流的形成提供了豐富的物質(zhì)來源，使一些地區(qū)的泥石流活動轉(zhuǎn)為旺盛，加重了當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)災(zāi)害。地震滑坡的危害如此巨大，現(xiàn)有的監(jiān)測預(yù)防手段不能有效地應(yīng)用于這種量大面廣的災(zāi)害，因此，對地震滑坡危險區(qū)域進(jìn)行預(yù)測成為減輕災(zāi)害的有效措施。

地震滑坡危險區(qū)域預(yù)測或危險等級劃分工作是以地震滑坡分布規(guī)律及影響因素研究為基礎(chǔ)的，研究方法大體可分為定性方法和定量方法。定性方法主要是基于對滑坡空間分布特征的認(rèn)識，通過對眾多震例的統(tǒng)計分析，總結(jié)出滑坡分布范圍與震級、震中、斷層距以及巖性、地形坡度等影響因素的關(guān)系;定量分析則是以物理模型為基礎(chǔ)，在極限平衡的原理下，通過計算坡體的安全系數(shù)和產(chǎn)生的永久位移來判定滑坡發(fā)生的可能性。這2類方法各具特色，有各自的適用范圍。Keefer(1984)通過對世界范圍內(nèi)40余震例中滑坡分布范圍與震級關(guān)系的統(tǒng)計分析，表明震級與滑坡分布的面積存在正相關(guān)性，即隨著地震震級的增大，滑坡分布的面積也相應(yīng)增大。該相關(guān)性被廣泛地應(yīng)用于初級階段的地震滑坡危險區(qū)劃(Rodr?'guez et al.，1999;Bommer et al.，2002)。然而，對地震滑坡影響范圍與震級之間關(guān)系的進(jìn)一步研究表明，相同震級下，受到當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)構(gòu)造條件和地形地貌的影響，地震滑坡影響范圍的面積可在幾百km2至幾千km2中間變化(Chen et al.，2012)，因而這一方法在預(yù)測精度上仍有待提高。Newmark(1965)提出了有限滑動位移法，對在地震作用下邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行了定量研究。該方法自誕生后，經(jīng)過不斷地改進(jìn)與完善，成為很多坡體穩(wěn)定性計算方法的基礎(chǔ)，并在小區(qū)域范圍的地震滑坡危險性預(yù)測中得到應(yīng)用。如以Newmark法為基礎(chǔ)，Jibson等(2000，2009)分別編制了美國加利福尼亞1994年Northridge地震震中附近Oat Mountain地區(qū)和阿拉斯加Anchorage地區(qū)的地震滑坡危險區(qū)劃圖;Scott等(2001)在GIS技術(shù)支持下，也利用Newmark模型編制了美國加州伯克利地區(qū)的地震滑坡危險區(qū)劃圖。與這些地區(qū)實(shí)際的地震滑坡分布資料的對比表明，預(yù)測結(jié)果很好地反映了工作區(qū)的滑坡分布狀況。

現(xiàn)階段中國地震滑坡危險性區(qū)劃研究中，使用了較多的定性方法并且在應(yīng)用中逐步成熟，取得了可喜的成果(李天池，1979;王蘭民，1999;丁彥慧等，2000;王余慶等，2001;陳曉利等，2006)。相比之下，定量方法的應(yīng)用仍處在起步時期。2013年4月20日蘆山地震觸發(fā)了眾多滑坡，震后航片、遙感影像的及時獲取、解譯及地質(zhì)地貌基礎(chǔ)資料等為定量分析該區(qū)地震滑坡危險性提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。本文在GIS技術(shù)支持下，采用Newmark模型對蘆山地震中可能受到滑坡影響的區(qū)域進(jìn)行預(yù)測，通過與實(shí)際解譯的滑坡分布對比，探討定量研究方法在滑坡危險性研究中的可行性。

1 Newmark方法

Newmark(1965)提出用斜面上剛體的移動來模擬滑坡的方法(圖1)。該模型將滑體視為一個剛體，主要研究坡體本身的臨界加速度和安全系數(shù)。假設(shè)滑體內(nèi)部不產(chǎn)生形變，當(dāng)受到的外力作用小于臨界加速度時，坡體不產(chǎn)生永久位移;當(dāng)受到的外力作用大于臨界加速度時，則會產(chǎn)生有限位移。該模型通過計算滑體在地震動加速度作用過程中累積的永久位移來評價斜坡的穩(wěn)定性。

其中，臨界加速度表示為

式(1)中:ac為臨界加速度，F(xiàn)S為安全系數(shù)，α可以表示為坡體的坡角。FS表示為

圖1 滑坡滑動體示意圖(改自Jibson et al.，2000)Fig.1 Sliding-block model used for Newmark analysis(adapted from Jibson et al.，2000).

式(2)中:φ'為內(nèi)摩擦角，c'為內(nèi)凝聚力，α為坡角，γ為坡體物質(zhì)密度，γW為水的密度，t為坡體的厚度，m為滑動條塊被水浸透的厚度比例。

由Newmark模型的原理及計算方程可知，對于任何一個計算點(diǎn)，只要獲取該處的坡度及組成物質(zhì)的巖石力學(xué)參數(shù)后，就可求得該點(diǎn)的臨界加速度。在GIS被廣泛應(yīng)用之前，以區(qū)域范圍為對象進(jìn)行這種看似簡單的計算面臨著巨大的困難，姑且不論物質(zhì)組成參數(shù)的獲得，單是地形坡度的獲取就非易事?，F(xiàn)階段由于GIS技術(shù)的日臻完善和廣泛應(yīng)用，借助GIS工具，各點(diǎn)的坡度計算則可通過DEM獲得。GIS對空間數(shù)據(jù)處理分析的優(yōu)勢使得這一方法逐漸被廣泛應(yīng)用。

2 蘆山地震及滑坡分布

2013年4月20日08時02分，四川省蘆山縣發(fā)生了7.0級地震，震中位置103.0°E，30.3°N，震源深度13km(http:∥www.cea.gov.cn/publish/dizhenj)。此次地震誘發(fā)了規(guī)模不等的滑坡崩塌災(zāi)害，造成嚴(yán)重的人員傷亡和財產(chǎn)損失。

2.1 蘆山地震震區(qū)地質(zhì)構(gòu)造背景

蘆山地震震區(qū)地處四川盆地西緣與青藏高原的過渡地帶，屬盆周山地地貌區(qū)。地勢由NW向SE逐漸變低?？傮w南、北、西3面高陡，中部和東部低緩。該區(qū)水系豐富，溝谷發(fā)育，公路常與河流相伴而行，人工開挖及河谷深切，造成該區(qū)地形起伏較大(圖2)。

圖2 蘆山地震區(qū)地形坡度分布圖Fig.2 Slope gradient in the study area.

受龍門山NE向構(gòu)造帶和川滇SN向構(gòu)造帶的影響，區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造主要表現(xiàn)為北部的NE向構(gòu)造和南部的SN向構(gòu)造。地層以中生代和新生代的陸相沉積地層為主。中生界侏羅系和白堊系在區(qū)內(nèi)普遍出露，巖性主要為砂巖、泥巖、礫巖。三疊系主要分布于西南部的白巖山、羊子嶺及煙溪溝，巖性主要為砂巖、礫巖;新生界古-新近系分布在東北部的七盤和鳳鳴一帶，巖性為砂巖、礫巖;第四系沿主要河流谷地分布，在河谷平壩和山間盆地分布集中，巖性主要為沖積、沖洪積成因的松散土體。

2.2 蘆山地震誘發(fā)滑坡分布

震后野外應(yīng)急調(diào)查表明，這次地震觸發(fā)了大量的滑坡，主要破壞類型包括巖質(zhì)崩塌、巖質(zhì)滑坡與土質(zhì)崩塌等(許沖等，2013a，b)。對蘆山地震誘發(fā)滑坡的高分辨率航片、遙感影像等的初步解譯共獲取1 129處滑坡(圖3)。

此次地震沒有形成明顯的地表破裂，但是滑坡NE-SW向的空間延展分布仍顯示出構(gòu)造控制的影響。野外調(diào)查和航片解譯的結(jié)果均表明，震中區(qū)為滑坡密集分布的區(qū)域。此外，滑坡崩塌在西北部山區(qū)S210公路上也很發(fā)育，在接近寶興縣城5km長的公路上密集分布了79個滑坡點(diǎn)。從中國地震局發(fā)布的蘆山地震烈度分布上可看出滑坡分布的主要范圍集中于Ⅶ度以上區(qū)域內(nèi)。而與DEM及坡度圖的對比分析，表示此次滑坡的分布與山脊和河谷的關(guān)系較為密切，呈帶狀分布。

3 應(yīng)用Newmark方法進(jìn)行蘆山地震誘發(fā)滑坡預(yù)測

圖3 蘆山地震誘發(fā)滑坡分布Fig.3 Landslides distribution in the Lushan earthquake.

初步的遙感影像解譯表明蘆山地震誘發(fā)的滑坡崩塌主要集中于Ⅶ度以上的區(qū)域(圖3)。限于目前滑坡解譯的詳細(xì)程度，本文的研究只對滑坡較為集中的Ⅶ度以上的區(qū)域進(jìn)行預(yù)測分析。

由于研究區(qū)的地層組成較為豐富和復(fù)雜，考慮到Newmark方法的實(shí)用性，在具體應(yīng)用時對研究區(qū)的地層巖性進(jìn)行了簡化。按照工程地質(zhì)分類標(biāo)準(zhǔn)(國家技術(shù)監(jiān)督局等，1995)，將研究區(qū)的巖石劃分為4個巖組，即堅硬巖組(Ⅰ)、較堅硬巖組(Ⅱ)、軟巖組(Ⅲ)和極軟巖組(Ⅳ)(圖4)。堅硬巖組主要是火成巖，包括二疊紀(jì)石英閃長巖、元古代輝長巖;較堅硬巖組主要是灰?guī)r、白云巖、白云質(zhì)灰?guī)r、灰質(zhì)白云巖以及峨眉山玄武巖組等;軟巖組主要包括頁巖、千枚巖、泥巖、蛇綠巖等;極軟巖是指更新世(階地礫石、砂土、黏土層，冰川、湖河沉積)以及全新世地層。各類巖石的物理參數(shù)賦值如表1。

在GIS技術(shù)支持下，按照一定的尺寸對研究區(qū)域劃分網(wǎng)格，并把每一網(wǎng)格視為獨(dú)立的坡體。由DEM提取研究區(qū)的坡度數(shù)據(jù)(圖2)，通過對研究區(qū)域的巖性、地震動資料數(shù)據(jù)等進(jìn)行處理，在獲得計算靜力安全系數(shù)FS和臨界加速度ac所需要的摩擦系數(shù)、內(nèi)摩擦角、物質(zhì)比重等之后，即可根據(jù)模型求出臨界加速度ac。一般而言，臨界加速度ac值越大，表明其需要的觸發(fā)外力就越大，在地震中的表現(xiàn)就越穩(wěn)定。

圖4 研究區(qū)地層巖性分布圖(據(jù)中國地質(zhì)調(diào)查局，2001改編)Fig.4 Distribution of the rock types in the study area(adapted from China Geological Survey，2001).

本研究的計算結(jié)果表明，坡體的臨界加速度與坡度和物質(zhì)組成的關(guān)系較為密切。巖石越堅硬，在地震過程中就表現(xiàn)得越穩(wěn)定;相對于較緩的坡體，觸發(fā)較陡坡體的臨界加速度值就較低，在強(qiáng)烈的震動中就越容易發(fā)生失穩(wěn)。盡管Newmark方法是基于物理模型的定量判定方法，但是由于在實(shí)際應(yīng)用中進(jìn)行的一些參數(shù)獲取上的簡化，對計算結(jié)果的精度存在一定的影響，還不能實(shí)現(xiàn)真正意義的定量分析。本研究中，將誘發(fā)滑坡的危險程度按照高、中、低進(jìn)行劃分，高度、中度和低度易發(fā)區(qū)所占比例分別為25%、28%和47%，所得結(jié)果如圖5所示。

圖5中彩色范圍為此次地震烈度Ⅶ度區(qū)以上范圍。從圖中可以看出，不同烈度區(qū)中存在著各類滑坡易發(fā)區(qū)。隨著地震烈度值的降低，滑坡高度易發(fā)區(qū)的面積在減少，這與實(shí)踐中獲得的認(rèn)識是一致的。

從本文的預(yù)測結(jié)果中可以看出，蘆山地震誘發(fā)的滑坡崩塌大多數(shù)都落入劃分出的高度危險區(qū)或在鄰近高危區(qū)分布，預(yù)測的分布趨勢與實(shí)際的滑坡分布是一致的。然而，預(yù)測結(jié)果中不可避免地出現(xiàn)了誤判或漏判的情況。如在通往寶興縣城的S210道上，預(yù)測結(jié)果為低易發(fā)區(qū)，而實(shí)際情況是該段道路的滑坡崩塌非常普遍。分析產(chǎn)生這種錯誤的原因，一方面，可能是由于所使用DEM精度較低造成。道路邊坡的陡峭坡度被周圍地形削弱，沒有被DEM正確反映。另一方面，對坡體物質(zhì)參數(shù)采用的簡單化的均一賦值方法，忽視了坡體的個體差異，這勢必影響分析計算結(jié)果。

表1 研究區(qū)巖石參數(shù)(據(jù)GB50218－94)Table 1 Rock parameters in the study area(GB50218-94)

圖5 預(yù)測危險區(qū)與滑坡分布Fig.5 Earthquake triggered landslides assessment and the landslides distribution during the Lushan earthquake.

4 地震滑坡影響范圍的估算討論

地震滑坡影響范圍的估算是地震滑坡危險性預(yù)測的主要內(nèi)容之一。Keefer(1984)在其研究中定義地震滑坡影響范圍面積為滑坡崩塌的外包絡(luò)線，這一定義在相關(guān)研究中被廣泛使用(Rodr?'guez et al.，1999;Bommer et al.，2002)?，F(xiàn)有的研究成果表明，震級在4.0以上的地震都可能誘發(fā)滑坡和崩塌，而滑坡崩塌的分布范圍一般在地震烈度Ⅵ度以上區(qū)域內(nèi)，但是主要集中分布于Ⅶ度以上區(qū)域內(nèi)，這種現(xiàn)象在中國西南地區(qū)尤為明顯(Chen et al.，2012)。

4.1 基于震中距的受災(zāi)面積估算

在滑坡分布范圍的研究中，斷層距或震中距通常用來研究地震滑坡的分布。一般認(rèn)為，距離斷層越近，地震滑坡就越多。Kawabe等(2000)提出用如下公式:

來推測地震震級與誘發(fā)滑坡與震中最遠(yuǎn)距離之間的關(guān)系，其中M表示震級，D表示震中距(km)。

對于蘆山地震而言，將其震級7.0代入公式，可得D=31.6km，與本次中國地震局公布的地震烈度Ⅶ度區(qū)的短軸長度(33km)相當(dāng)(http:∥www.cea.gov.cn/UploadFile/dizhenj/2013/04/1366973148533.png)。實(shí)際的調(diào)查與解譯資料也表明，此次地震滑坡也主要是分布在Ⅶ度以上區(qū)域內(nèi)(圖3)。

4.2 基于震級與歷史地震資料的估算

Keefer(2002)對震級與滑坡影響面積的關(guān)系給出如下公式:

采用此公式，對蘆山7.0級地震滑坡影響范圍進(jìn)行估算，得出影響面積應(yīng)在1 175～10 232km2。

蘆山地震發(fā)生在中國西南地區(qū)，該區(qū)歷史上發(fā)生過很多次強(qiáng)震。對該區(qū)地震滑坡影響范圍的研究表明，其分布受地質(zhì)構(gòu)造的影響很大，在受災(zāi)面積的分布上有較大的跳躍性(圖6，7)。對于7.0級地震而言，該區(qū)歷史地震所誘發(fā)的地震滑坡崩塌影響面積的變動范圍在2 600～8 843km2，根據(jù)目前中國地震局公布的蘆山地震地震烈度(http:∥www.cea.gov.cn/Upload-File/dizhenj/2013/04/1366973148533.png)，此次地震Ⅶ度以上區(qū)域內(nèi)的面積為5 655km2，處于這個范圍內(nèi)。

圖6 蘆山地震及中國西南地區(qū)歷史地震滑坡分布范圍Fig.6 Earthquake epicenters and area of associated landslides in southwest China.

對蘆山地震誘發(fā)滑坡的航片、遙感影像等的初步解譯表明，滑坡分布主要集中于Ⅶ度以上區(qū)域內(nèi)，相應(yīng)的分布范圍為自震中沿斷裂向NE方向延至Ⅶ度區(qū)邊界處，向SW則位于Ⅶ度區(qū)中間部分，沒有到達(dá)Ⅶ度區(qū)邊界(圖3)，由此計算的受災(zāi)面積為2 200km2。相比之下，若不考慮遠(yuǎn)離震中區(qū)的小規(guī)模崩塌或滾石災(zāi)害，采用Ⅶ度區(qū)估算滑坡影響面積會與實(shí)際滑坡影響區(qū)域有較大出入，而利用震中距離關(guān)系的估算與實(shí)際更接近。

圖7 Keefer震級與滑坡影響范圍關(guān)系中西南地區(qū)歷史地震滑坡影響范圍的分布(Chen et al.，2012)Fig.7 Distribution of the landslides affected area in southwest China and the Keefer's relations between area affected by landslides and earthquake magnitude(Chen et al.，2012).

5 結(jié)論與認(rèn)識

限于研究時間以及航片、遙感影像等的可利用性因素的影響，目前對滑坡的解譯和編目還不夠完整和詳細(xì)，本文獲得的是滑坡崩塌分布的大致狀況。通過以上研究，獲得了如下認(rèn)識:

(1)對比Newmark模型對地震滑坡的預(yù)測結(jié)果與實(shí)際發(fā)生情況，表明該方法在地震誘發(fā)滑坡的預(yù)測中具有較高的實(shí)用性和可行性，在地震滑坡危險性區(qū)劃方法的研究中應(yīng)進(jìn)一步進(jìn)行探索。

(2)Newmark模型的使用過程中，地形坡度與坡體物質(zhì)組成對邊坡的穩(wěn)定性影響較大。巖石越堅硬，在地震過程中就表現(xiàn)得越穩(wěn)定;相對于較緩的坡體，觸發(fā)較陡坡體的臨界加速度值就較低，在強(qiáng)烈的震動中就越容易發(fā)生失穩(wěn)。

(3)由于Newmark模型的應(yīng)用沒有考慮坡體的規(guī)模，基于該模型所做的地震滑坡危險性預(yù)測精度與所使用的基礎(chǔ)網(wǎng)格數(shù)據(jù)的精確程度有密切的關(guān)系，因而對預(yù)測結(jié)果有較為明顯的影響。

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