殷躍平，張永雙，伍法權，成余糧

(1.中國地質環(huán)境監(jiān)測院,北京 100081；

2.中國地質科學院地質力學研究所，北京 100081；

3.中國科學院地質與地球物理研究所,北京 100029；

4.四川省地質調查院，四川 成都 610081)

1 項目背景與研究意義

汶川地震斷裂帶——龍門山斷裂帶是全球山脈中地形陡度最大的區(qū)帶之一，也是長江上游多條河流發(fā)育分布區(qū)，人口密度高，這種復雜特殊的地質環(huán)境導致地震觸發(fā)地質災害的成災模式與其他強烈地震明顯不同。2008年5月12日汶川Ms8.0級地震是新中國成立以來破壞性最強、波及范圍最大、誘發(fā)地質災害最嚴重的一次特大地震，其中，地震觸發(fā)的滑坡、崩塌、碎屑流以及堰塞湖等災害鏈直接造成約2.4萬人死亡，占地震死亡總人數(shù)8.7萬人的1/4以上。汶川地震還在峽谷山頂形成大量震裂山體和堆積區(qū)，特別是高位滑坡和高位泥石流的防范在國內(nèi)外都沒有先例，要在短短數(shù)年內(nèi)完成恢復重建會遇到前所未有的挑戰(zhàn)。因此，中國地質調查局于2009年專門設立了汶川地震地質災害方面的地質調查項目，組織了國內(nèi)相關科研院所、高等院校、地質勘查單位的上百名專家、學者，針對龍門山地區(qū)地震重大地質災害成災模式和減災關鍵科技問題，采用空、天、地一體化調查、深部地球物理探測、GPS位移監(jiān)測、斜坡地震動測試及大型物理模擬等技術，進行聯(lián)合攻關研究[1]，為汶川地震災區(qū)恢復重建、重要工程規(guī)劃及地質災害減災防災提供了重要的基礎資料和科技支撐。

2 取得的研究進展與成果

通過采用多學科理論和技術手段，主要取得如下創(chuàng)新性成果：①集成創(chuàng)新地面測繪、綜合物探和InSAR技術，提出了強震區(qū)逆沖型活動斷裂和地震破裂帶安全避讓公式，系統(tǒng)調查和總結了地震地質災害與活動斷裂的關系。②首次開展斜坡地震動監(jiān)測和地脈動特征測試，結合大型振動臺試驗，獲得了山體斜坡地震動放大規(guī)律，提出了豎向地震力對山體穩(wěn)定性的放大效應。③建立了基于天、空、地一體化應急調查技術的汶川地震災后快速編圖與評估方法，為地震地質災害應急處置和災后重建地質災害防治提供了支撐。④運用風洞試驗和環(huán)剪試驗，揭示了汶川地震滑坡高速遠程滑動的氣墊效應和液化機理。⑤建立了震后高位泥石流早期識別指標。上述研究成果及時指導了汶川地震、玉樹地震、蘆山地震等地震災區(qū)地質災害應急處置和災后重建[2-4]，顯著提升了我國高山濃霧區(qū)地質災害監(jiān)測預警能力建設，避免了重大人員傷亡。

2.1 地震地質災害與活動斷裂的關系研究

(1)通過野外地質調查，獲得了龍門山構造帶主要活動斷裂及汶川地震地表破裂的發(fā)育分布特征等基礎資料(圖1)，調查結果表明，汶川地震地表破裂主要沿龍門山中央斷裂、前山斷裂和小魚洞斷裂發(fā)育。

圖1 龍門山構造帶主要活動斷裂與汶川地震地表破裂分布圖

通過對現(xiàn)場調查的近百處地震地表破裂特征參數(shù)統(tǒng)計[5]，汶川地震地表破裂的影響帶寬度為16～60 m，地表破裂影響帶寬度(D)與地表破裂垂直位移(H)基本滿足D=10H+16 m的線性關系，這一認識為汶川地震災后重建場地選址和合理避讓提供了參考數(shù)據(jù)(圖2，圖3)。

(2)采用地面調查和航空遙感調查相結合，系統(tǒng)調查了汶川地震災區(qū)地質災害的發(fā)育特征及空間分布規(guī)律，結果表明，地震導致極重災縣(市)地質災害隱患點明顯增加，主要沿龍門山中央斷裂帶和后山斷裂帶展布，滑坡面密度大于50%以上，70%以上的大型崩滑體密布于龍門山中央斷裂帶及其附近[6-10]。極震區(qū)滑坡-碎屑流具有如下主要特征：①拋擲效應，位于汶川地震主斷裂帶或附近，垂直加速度大于水平加速度，強地面運動持時長，巖體發(fā)生振脹和拋擲；②碰撞效應，上部滑坡體發(fā)生高位剪出和高位撞擊，致使巖體碎屑化；③鏟刮效應，撞擊作用導致下部山體被鏟刮，形成次級滑坡，為碎屑流體提供了足夠展翼和拋灑物源體積；④氣墊效應，碎屑化巖體快速拋擲導致下部溝谷空氣迅速谷狀圈閉和向下紊流，形成氣墊效應(圖4)。

圖2 地震破裂垂直位移與影響帶寬度的關系

2.2 山體斜坡地震動放大效應研究

(1)首次建立汶川地震區(qū)斜坡地震動響應觀測臺站，開展斜坡地震動特征觀測。采用平硐或地表監(jiān)測的方式，按照不同高程布置余震地震動響應監(jiān)測，取得了大量原創(chuàng)性監(jiān)測資料。揭示出斜坡地震動響應一般隨高程增加而增大，地震動峰值加速度的放大系數(shù)一般為1～3倍(圖5，圖6)。受斜坡微地貌和場地條件影響，地震動峰值加速度呈非線性增大特點。同時，將地脈動測試參數(shù)引入山體斜坡穩(wěn)定性分析，首次開展了汶川地震區(qū)山體斜坡地脈動測試，獲得了斜坡地脈動卓越頻率、加速度、位移分布特征[11-12]。

(2)運用大型振動臺試驗研究了斜坡地震動力響應特征(圖7)。分析表明，順層結構斜坡主要是巖層面滑動和與層面斜交的拉裂破壞；反傾層狀結構斜坡主要是坡肩巖體彎折傾倒，塊體剪斷以及順坡向剪切裂縫的產(chǎn)生，坡體表層巖體及坡肩附近巖體的松動破壞并最終可能發(fā)展成滑面形成切層滑動；均質結構斜坡模型主要是震動作用下坡體拉張和剪切裂縫的產(chǎn)生，將坡體中上部巖體切割成塊體并發(fā)生突然的崩滑破壞，滑面形狀近似直線型；含裂隙斜坡破壞模式類似于均質結構斜坡模型的破壞過程：動力作用拉裂—坡面大塊滑落—坡面坍塌—邊坡破壞[13]。

圖7 震動臺試驗揭示的漸進破壞現(xiàn)象及高程效應和趨表效應

(3)結合強震地面運動記錄分析表明(圖8)，在極震區(qū)滑坡受地震豎向力的作用明顯[14]。對比研究了汶川地震區(qū)滑坡在加固和未加固兩種工況下的動力響應特征?；驴够瑯斗乐喂こ痰膭恿憫M結果表明(圖9)，其剪應變增量大約是震前的3 000倍，滑坡穩(wěn)定性顯著降低，甚至可能發(fā)生變形失穩(wěn)；地震作用下抗滑樁地段位移明顯降低，但加速度響應明顯陡增，對阻止滑動起到了重要作用[15-17]。

圖8 汶川地震滑坡動力演化示意圖

未施加抗滑樁 已施加抗滑樁

2.3 基于天、空、地一體化調查技術的地質災害應急處置

(1)運用多期衛(wèi)星影像、航空遙感影像、現(xiàn)場無人機調查、地面大比例尺測繪和動力分析法，對汶川地震觸發(fā)的最大滑坡——大光包滑坡進行了系統(tǒng)研究[18-19]。建立了滑坡三維地質模型(圖10)，包括下部層狀滑體、上部崩滑體和中間滑崩過渡帶3個變形失穩(wěn)單元，并獲取了滑坡堆積體厚度分布特征(圖11)。數(shù)值模擬表明，大光包滑坡地震動力響應較為復雜，隨高程、坡度放大的趨向性和節(jié)律性并不明顯。

(2)總結提出了區(qū)域滑坡活動強度分析評價基本原則、快速評估方法，建立了簡易實用的區(qū)域群發(fā)滑坡活動強度指標體系和分級標準[20]，研究提出，把最大面密度的1%、3%、5%、10%、30%、50%作為地質災害強度指數(shù)分級的依據(jù)，將地質災害活動強度指數(shù)分為8級(表1)?；诤喕疦ewmark累積位移分析模型[21]，開展了汶川地震誘發(fā)滑坡易發(fā)性和危險性評估及地震地質災害區(qū)域損失快速評估研究(圖12，圖13)；結合汶川地震地質災害應急評估處置，提出了地震地質災害應急圖件編制的階段劃分原則及相應的圖件編制要求，為地震地質災害應急地質工作提供了快速決策的技術流程。

圖10 大光包滑坡無人機航空三維影像

圖11 汶川地震第二時程(40～70 s)大光包滑坡模擬結果

表1 區(qū)域地質災害活動強度指數(shù)分級簡表

圖12 汶川地震重災區(qū)地震滑坡危險性區(qū)劃圖

圖13 汶川地震重災區(qū)地震滑坡?lián)p失快速評估圖

2.4 地震滑坡高速遠程滑動的氣墊效應和液化機理

(1)對高速遠程滑坡滑動階段的地震液化機理進行了環(huán)形剪切試驗研究[22]，結果表明，富水滑面兩側物質首先在地震作用下產(chǎn)生剪切位移，發(fā)生局部滑面液化現(xiàn)象，導致孔隙水壓力增大，為滑體進一步高速遠程滑動提供了高含水量的潤滑物質。

(2)首次運用空氣動力學和流體力學理論，研究了汶川地震高速遠程滑坡——碎屑流的運動機理，建立了滑坡高速運動的解析評估方法。采用大型風洞試驗研究了高速遠程滑坡的地形效應(圖14)：溝谷圈閉效果越好，對滑坡飛行空氣動力學效應的影響越明顯。5種地形對滑坡空氣動力學效應的影響由大到小依次是：矩形溝谷、75°梯形溝谷、60°梯形溝谷、45°梯形溝谷及平坦地形(圖15，圖16)。矩形溝谷地形滑坡模型升力系數(shù)最大，可達1.13。同時，滑體距離地面的高度也是影響空氣動力學效應的重要因素，離地高度越小，升力系數(shù)越大，空氣動力學效應越明顯。

圖14 高速風洞試驗設計的4種溝谷地形

圖15 高速滑坡升力系數(shù)隨迎角變化曲線

圖16 高速滑坡升力系數(shù)隨離地高度變化曲線

2.5 震后高位泥石流的早期識別

汶川Ms8.0級地震之后，地震災區(qū)表現(xiàn)出顯著的“強震地質災害后效應”[23]。地震在山體分水嶺及山脊部位產(chǎn)生的大量崩塌和滑坡體散落在山體的中上部，在強降雨作用下，大量松散堆積物沿陡峻的溝道匯聚、加速，形成破壞性極大的高位泥石流，成為地震災區(qū)震后威脅最大的地質災害類型(圖17)。這些高位泥石流通常表現(xiàn)出物源相對位置高、物源異常豐富、泥石流主溝縱比降大、泥石流出溝口高等特征[24]。

圖17 高位泥石流分布與中央斷裂位置關系圖

為了便于定量研究高位泥石流特征，項目組首次建立了基于無人機測繪的高位泥石流快速調查識別技術和危險性評估方法。在汶川地震災區(qū)泥石流遙感解譯、野外調查和典型案例分析對比的基礎上，確定了物源豐富程度、物源相對位置、主溝縱比降作為高位泥石流的3個量化判定指標。通過高位泥石流溝判識標準、分布特征和動態(tài)變化趨勢研究，提出了汶川地震災區(qū)高位泥石流的5種成災模式。以文家溝高位泥石流為例(圖18)，開展了單溝高位泥石流風險評估，總結了高位泥石流的防治思路、基本方法及防治要點[1]。

圖18 無人機航拍綿竹市清平鎮(zhèn)文家溝泥石流全貌影像

3 展望與思考

汶川地震引發(fā)了數(shù)以萬計的地質災害，直接造成了嚴重的生命和財產(chǎn)損失。例如，地震和滑坡摧毀了北川老縣城數(shù)十棟樓房，導致2 000多人死亡；地震發(fā)生時，正值旅游旺季，213國道都江堰至汶川段車水馬龍，沿線難以計數(shù)的旅游車輛被崩塌滑坡砸毀或掩埋，造成大量人員傷亡，等等。在汶川地震救災過程中，我們強烈感到加強汶川地震工程地質與地質災害研究的重要性和迫切性。在2009年國土資源地質大調查部署中，中國地質調查局專門設立了“汶川地震地質災害調查評價”計劃項目，項目組在汶川地震工程地質和地震地質災害現(xiàn)場調查的基礎上，采用地球物理探測、GPS觀測、地震動監(jiān)測、地脈動測試、大型風洞試驗、振動臺試驗、大型三軸環(huán)型剪切試驗等先進技術方法，通過汶川地震災后重建和防災減災工作實踐，建立了新理論、新方法、新技術，深化了內(nèi)外地球動力學耦合的研究思路，而且廣泛吸收了國內(nèi)外地震地質災害研究的先進理論、方法和技術，取得了多項創(chuàng)新性的成果，有效地推動了工程地質學科與地質災害減災防災理論與技術的發(fā)展。

汶川地震帶來的科學技術問題遠比想象的復雜得多，特別是2008年5月以來，經(jīng)歷了6個汛期，震區(qū)多次遭遇極端暴雨，大量隱伏在峽谷山坡上的滑坡、崩塌堆積體又轉化為高位泥石流，從而構成典型的地震-滑坡-泥石流災害鏈，給災后重建帶來了致命威脅。這些地震地質災害鏈還將會延續(xù)十年、甚至數(shù)十年，嚴重威脅著震區(qū)的地質環(huán)境安全，但是，傳統(tǒng)的地質災害防治思路已不能完全滿足地震-滑坡-泥石流災害鏈(特別是震后高位泥石流)的防治要求。因此，必須針對地震重大地質災害成災模式和減災關鍵科技問題，長期堅持開展扎實的科技攻關研究，施行科學有效的防災減災，力避重蹈覆轍。

致謝：特別感謝國土資源部副部長、中國地質調查局原局長汪民教授，他不僅親自過問“汶川地震地質災害調查評價”項目的立項和研究進展，還經(jīng)常給予項目組鼓勵與指導。感謝成都理工大學副校長黃潤秋、中國地質大學(武漢)副校長唐輝明,他們對項目的研究提出了很多思路與建議。參加項目研究的主要人員還有：王運生、胡新麗、吳樹仁、姚鑫、孫萍、邢愛國、李洪濤、唐文清、方慧、蘇生瑞、王濤等，在此一并致謝。

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