方文欣 王學良 王俊飛 孫娟娟 祁生文 鄧清海 劉 順

(①山東科技大學，青島 266590，中國)(②中國科學院地質與地球物理研究所，中國科學院頁巖氣與地質工程重點實驗室，北京 100029，中國)(③中國科學院大學，北京 100049，中國)(④河北工程大學，邯鄲 056038，中國)(⑤中國電力工程顧問集團華北電力設計院有限公司，北京 100120，中國)

0 引 言

河流的侵蝕作用是地表形貌演化的主要地質作用之一。構造抬升作用下，河流的下切侵蝕與斜坡的剝蝕密切相關(Whipple，2004；Korup et al.，2007)。黃潤秋(2008)提出河谷的深切加劇了高邊坡巖體的應力調整和變形破壞。Wang et al.(2021a，2021b)在藏東南構造活躍區(qū)研究發(fā)現(xiàn)，斜坡的穩(wěn)定性受控于巖體強度，但驅動區(qū)域大規(guī)?；掳l(fā)生的主要因素是構造抬升和河流下切。同時，在構造活躍區(qū)，河流系統(tǒng)的寬度、深度和溝道坡度等對構造抬升作用響應敏感。因此，這些地區(qū)河流形態(tài)信息為挖掘區(qū)域構造發(fā)展史和地形地貌演化等提供了重要的信息來源(Kirby et al.，2001；Clark et al.，2004)。

已有研究表明，河流下切速率的增加會增加斜坡失穩(wěn)的概率(Korup et al.，2010)。前人在表征量化河流的下切作用研究中發(fā)現(xiàn)，河流的下切速率指標時常因為起始條件、氣候、基巖變化等影響條件的難以約束而定量困難(Yang et al.，2015)。Harkins et al.(2007)通過對青藏高原東北部河道剖面的實地測量發(fā)現(xiàn)：ksn和河流下切侵蝕率之間存在著顯著的正相關關系。Korup(2006)發(fā)現(xiàn)，無論當?shù)氐牡匦巍夂蚝蜆嬙鞐l件如何變化，ksn的區(qū)間最大值與大型巖質滑坡的分布在空間上具有良好的吻合性。這說明ksn在一定程度上可以用來表征下切速率和斜坡的侵蝕特征。因此，ksn較好地揭示了河流的下切程度，反映了地質構造背景條件。但目前對于ksn與巖體質量在區(qū)域尺度上的相關性特征及其內在作用機制等方面研究較少。

巖體質量和強度是斜坡地質災害演化的關鍵控制因素(谷德振等，1979)。地質災害易發(fā)性評價是區(qū)域地質災害防災減災的關鍵手段之一(羅路廣等，2021; 文洪等，2021)。前人研究認為：在構造活躍區(qū)，河流是地質災害易發(fā)性評價的重要因子之一(胡瑞林等，2013; 王哲威等，2021)。但是如何合理確定定量表征河流作用的指標，以開展地質災害易發(fā)性定量評價仍是一個爭論的難點。從而也制約著深切河谷區(qū)地質災害易發(fā)性的科學評價和防災減災工作。例如，本研究區(qū)所在的G214被稱為“中國景觀最豐富的國道”，并作為由滇入藏的必經(jīng)公路，旅游景點多、車流量大。其中的左貢—虎跳峽段位于三江并流處，3次跨越金沙江、瀾滄江，構造活動強烈、河谷深切、巖體破碎、地質災害頻發(fā)。因此，本文擬從巖體質量與ksn的定量關系研究入手，選擇G214穿越的深切河谷區(qū)，開展河流陡峭指數(shù)(ksn)和巖體質量指標的相關關系和內在機制研究，以期為后續(xù)地質災害易發(fā)性評價指標的選取和完善提供參考和借鑒。

1 研究方法

1.1 巖體質量評價BQ系統(tǒng)

根據(jù)《工程巖體分級標準》(GB/T 50218-2014)(中華人民共和國國家標準編寫組，2014)，BQ巖體質量分級法采用巖體基本質量定性特征與定量指標相結合的方法進行分級，其中定性特征包括巖石堅硬程度和巖石完整程度兩個方面。定量指標由巖石堅硬程度指標Rc(巖石飽和單軸抗壓強度)和巖體完整程度指標Kv計算求得。

按分級因素的定量指標Rc和Kv，巖體基本質量指標BQ由式(1)計算：

BQ=100+3Rc+250Kv

(1)

式中：Rc為飽和巖石的單軸抗壓強度；Kv為巖體完整性系數(shù)。

根據(jù)《工程巖體分級標準》(GB/T 50218-2014)(中華人民共和國國家標準編寫組，2014)，巖石完整程度的定量指標一般采用巖體完整性指數(shù)實測值，當無實測值時可采用結構面體密度Jv并按表1確定。

表1 Jv與Kv及巖體完整程度的對應關系

根據(jù)《工程巖體分級標準》(GB/T 50218-2014)(中華人民共和國國家標準編寫組，2014)，巖石堅硬程度與巖石飽和單軸抗壓強度Rc的對應關系可按表2確定：

表2 Rc與巖石堅硬程度的對應關系

根據(jù)《工程巖體分級標準》(GB/T 50218-2014)(中華人民共和國國家標準編寫組，2014)，綜合巖體基本質量的定性特征和巖體基本質量指標BQ，巖體基本質量分級按表3確定：

表3 巖體基本質量分級

1.2 基巖河道陡峭指數(shù)(ksn)

河流水力侵蝕模型(stream-power incision model)(Howard et al.，1983)是近些年研究河流地貌演化中應用最為廣泛的方法。此模型將基巖河道的高程變化用基巖的抬升速率(U)和河流的侵蝕速率(E)之差來表示：

(2)

式中：z為河道高程；x為距河口距離；t為時間。

模型將基巖河流侵蝕速率E表達為流域匯水面積A和河道梯度S的冪次函數(shù)關系：

(3)

式中：K為流域侵蝕系數(shù)，它與氣候、巖性、沉積物通量和河道幾何形態(tài)等因素有關；m為流域匯水面積指數(shù)；n為河道梯度指數(shù)，它們與剝蝕過程的動力特性、盆地的水文狀況以及河道形態(tài)等有關。

(4)

(5)

式中：ks為河道陡峭指數(shù)；θ為河道凹曲度(Snyder et al.，2000)，是表征河流下凹程度的指數(shù)，隨著凹度指數(shù)的增加，河道變凹，河道的高程降低變快。凹度指數(shù)范圍一般介于0.3～0.6之間，且通常對外部因素不敏感(Whipple，2004; Kirby et al.，2012)，不會產(chǎn)生太大的變化。前人對青藏高原的研究中發(fā)現(xiàn)，θ值為0.45最適合均衡河道的凹度(Kirby et al.，2012)。因此在本研究中我們使用這個值來計算ksn。設定流域內統(tǒng)一的參考凹度指數(shù)后，可以得到歸一化陡峭系數(shù)(ksn)。ksn是反映河道梯度的定量指標，可以用于比較不同河段的河道陡峭程度(Wobus et al.，2006)。本文通過Schwanghart et al.(2010，2014)開發(fā)的Topotoolbox工具箱，使用12.5m分辨率的ALOS DEM數(shù)據(jù)，利用Matlab腳本和ArcGIS軟件從中提取了整個研究區(qū)域內河流的歸一化陡峭指數(shù)(ksn)。

2 研究區(qū)概況

為量化河流下切作用和巖體質量的空間特征，以進一步探究兩者之間的相關關系，本文選擇穿過青藏高原的G214公路左貢—虎跳峽段深切河谷區(qū)為研究區(qū)，以公路兩側邊坡巖體質量和河流陡峭指數(shù)為研究對象開展了研究和應用分析。研究區(qū)位于青藏高原東南緣的構造活躍和河流下切強烈的地區(qū)(圖1)。研究區(qū)海拔最低為1707m，最高為5629m，高差懸殊大。地貌類型主要為三江流域中段斷褶大起伏高山峽谷區(qū)(王欣，2020)。研究區(qū)內沿線路分別與瀾滄江斷裂、中甸-德欽斷裂以及龍蟠-喬后斷裂三大斷裂帶平行，并與定曲河斷裂、金沙江斷裂、字嘎寺-德欽斷裂以及雄松-蘇洼龍斷裂四大斷裂帶相交。強烈的構造運動加劇了河流的切割(Sun et al.，2020；李鄭梁等，2021)，前人通過對瀾滄江德欽河段進行階地測年，得到該段100ka以來切割深度可達到200m以上(Zhang et al.，2018；Replumaz et al.，2020)。

圖1 研究區(qū)地質構造圖

3 河流陡峭指數(shù)與巖體質量的空間特征及其相關性

3.1 巖體質量空間分布

基于BQ系統(tǒng)，考慮巖石的完整程度和堅硬程度兩個參數(shù)，對研究區(qū)的巖體質量進行了分級。本次研究中參數(shù)的獲取主要來自于現(xiàn)場調查和統(tǒng)計。由于研究路線較長(約570km)，在現(xiàn)場統(tǒng)計過程中，著重對巖體的結構面間距、節(jié)理密度特征進行測量；通過現(xiàn)場巖石回彈試驗來估測單軸抗壓強度值。但在重點路段，考慮邊坡地下水的影響，綜合巖體坡面上地下水出水狀態(tài)的定性程度劃分，使用邊坡工程中地下水影響修正系數(shù)K4對巖體質量進行了修正。調查統(tǒng)計的巖石樣本均來自于公路沿線邊坡淺表層巖體。按照規(guī)范，取樣點根據(jù)地層巖性變化及巖體分級單元進行布置。采樣間隔在2～10km之間，共調查采樣點170個。參考已有標準(張咸恭等，2000)和以往經(jīng)驗(王學良等，2012；Zondervan et al.，2020)，將測量和估測得到的數(shù)據(jù)，利用式(1)，計算得到全線路的BQ值，并按表3，將計算結果分為5類。

本文擬以圖2a、圖2b(位置見圖1)兩典型調查點為例進行說明。圖2a位置巖性主要為三疊系上統(tǒng)灰黃色砂巖夾泥巖，錘擊不清脆，輕微回彈，有凹痕，易擊碎；手可掰開，巖體強度較低，穩(wěn)定性差，Rc值為25。巖體發(fā)育兩組節(jié)理，其中一組節(jié)理產(chǎn)狀：270°～358°∠50°～75°，另一組節(jié)理產(chǎn)狀：160°～190°∠60°～80°。節(jié)理間距10～50cm，整體張開度1～3mm。局部存在破裂張開明顯巖體(達5cm)。節(jié)理密度為10條·m-3。泥質充填，層間結合程度一般，Kv值為0.6。綜合BQ值為325。巖體質量等級歸為第Ⅳ類。圖2b位置巖性主要為二疊系下統(tǒng)禹功組灰、深灰色灰?guī)r夾頁巖，錘擊聲聲啞，無回彈，較易擊碎；指甲可刻出印痕，巖石堅硬程度較低，Rc值為20。發(fā)育3組節(jié)理，第1組節(jié)理產(chǎn)狀：250°～280°∠25°～70°，第2組節(jié)理產(chǎn)狀：200°～230°∠60°～85°，第3組節(jié)理產(chǎn)狀：50°～80°∠40°～75°，節(jié)理裂隙間距5～20cm，張開度1～4mm，線密度30條·m-3，泥質和巖屑充填，Kv值為0.15。完整性差，風化破碎嚴重，在地下水或地表水作用下，巖體強度會進一步降低，容易發(fā)生崩塌災害。綜合BQ值為197.5，巖體質量等級歸為第Ⅴ類。

圖2 典型調查點示例圖

按照上述統(tǒng)計和測量方法對G214沿線(左貢—虎跳峽)進行巖體質量等級劃分，最終得到巖體質量空間分布結果(圖3)。各級別的長度占比如表4所示。

圖3 巖體質量空間分布

表4 研究區(qū)巖體質量各類別占比

3.2 河流陡峭指數(shù)(ksn)空間分布

河流陡峭指數(shù)的求取需要河流縱剖面處于均衡狀態(tài)。有研究認為瀾滄江流域在晚更新世以來的河流切割速率在<0.5～2.8mm·a-1之間(Zhang et al.，2018)。研究區(qū)域隆起速率與河流侵蝕下切速率相當，河道縱剖面在理想狀態(tài)下達到均衡狀態(tài)。采用上文介紹的方法，以凹度指數(shù)相同的方式，計算得到整個研究區(qū)的河流陡峭指數(shù)結果圖(圖4)。

圖4 研究區(qū)陡峭指數(shù)分布圖

對陡峭指數(shù)進行插值后得到區(qū)域ksn空間分布圖。按不同的ksn值將線路分為不同路段(圖5，黑色虛線為分界線)，東達山高原段(A)的ksn值在7～25之間；如美段(B)穿過瀾滄江，ksn值在15～50之間；芒康高原段(C)ksn值整體偏低，在0～17之間；瀾滄江深切河谷段(D)是ksn值最高的一段：最小值為12，最大值達到研究區(qū)最高107；梅里雪山大起伏段(E)線路穿過地形復雜多變，ksn高低值(0～50)均有分布；金沙江河谷段(F)ksn值偏高(20～60)；香格里拉段(G)是ksn值最低的一段，整體小于20；虎跳峽峽谷段(H)山高谷深，ksn值10～70皆有分布。由此可以看出，研究區(qū)內陡峭指數(shù)數(shù)值差異較大，高值區(qū)域主要分布在瀾滄江、金沙江兩側。高ksn值區(qū)與現(xiàn)場調查時觀察到的高陡深切Ⅴ形谷相一致，由此可見，陡峭系數(shù)越大，河谷下切越強烈，從而對應該區(qū)域地形呈現(xiàn)出山高谷深的特征。

圖5 研究區(qū)陡峭指數(shù)空間分布圖

3.3 巖體質量與河流陡峭指數(shù)的相關性分析

為了探討巖體質量與河流陡峭指數(shù)的相關性，本文利用皮爾遜指數(shù)，對ksn、斷裂密度、工程巖組與巖體質量的相關性進行分析。皮爾遜相關系數(shù)可以衡量兩變量之間的相關關系，它描述的是兩組數(shù)據(jù)變化移動的趨勢，計算值的區(qū)間在-1和1之間，相關系數(shù)的絕對值越大，相關性越強：相關系數(shù)越接近于1或-1，相關度越強，相關系數(shù)越接近于0，相關度越弱(尚敏等，2021)。當|r|≥0.8時，變量之間為極強相關; 當0.6≤|r|<0.8時，變量之間為強相關; 當0.4≤|r|<0.6時，變量之間為中等程度相關; 當0.2≤|r|<0.4時，變量之間為弱相關; 當|r|<0.2時，說明兩個變量之間的相關程度極弱，基本不相關。考慮到巖性和斷裂對巖體質量的控制作用，為了對比兩者在研究區(qū)與巖體質量指標特征的相關性程度，作者還對沿線區(qū)的斷裂密度和工程地質巖組進行了統(tǒng)計分析。首先，基于1︰20萬地質圖，利用ArcGIS生成了沿線區(qū)的斷裂密度分布(圖6)。

圖6 研究區(qū)斷裂密度分布圖

其次，參照國際《工程巖體分級標準》(GB50217-2014)(中華人民共和國國家標準編寫組，2014)，將研究區(qū)巖性劃分為堅硬巖組、較堅硬巖組、較軟弱巖組、軟弱巖組、松散巖組5類，得到研究線路區(qū)工程巖體分級圖(圖7)。根據(jù)圖8的相關性分析結果，巖體質量與斷裂密度、ksn、工程巖組的相關性系數(shù)分別為：0.5248、0.6717、-0.1133。這表明在研究區(qū)，巖體質量與ksn的相關性最高，且相關性系數(shù)大于0.6，達到強相關。

圖7 各變量沿道路變化分布圖

圖8 各變量與巖體質量之間的相關性

4 討 論

基于前人的研究，隨著河谷的下切，河谷應力的釋放和分布處于動態(tài)調整的過程(黃潤秋，2004; 祁生文等，2011)。在這個過程中，巖體結構及其性狀為了適應新的平衡而產(chǎn)生新的破裂或原有破裂進一步調整。河谷應力釋放產(chǎn)生的卸荷效應劣化了巖體的工程地質條件。在坡腳或谷底部位，其應力狀態(tài)隨著河谷的快速下切處于剪切松弛型卸荷區(qū)(黃潤秋，2004)。松弛巖體與卸荷巖體隨著卸載作用產(chǎn)生應力場的改變和調整，結果使得其巖體質量變差(湯獻良等，2013)，從而使得該部位的斜坡也最為容易失穩(wěn)而發(fā)生崩塌災害。在工程實踐中(如水利水電工程)，對河流持續(xù)下切所導致的巖體卸荷變形及影響深度尤為關注。因此，國內外大量學者對水利水電工程中所涉及的卸荷帶劃分進行了大量研究(巨廣宏等，2002; 單治鋼等，2021)，以期劃分出卸荷界限，從而確定其影響深度。卸荷評價常用的指標有：坡體坡表的裂隙發(fā)育程度以及物探測試中的地震縱波波速VP、完整性系數(shù)Kv、透水性指標等。

提取G214沿線區(qū)全路段河谷橫剖面數(shù)據(jù)(間距50m)，得到對應各不同ksn路段的最大值、最小值和均值，如圖9所示。通過分析發(fā)現(xiàn)：G214路線所穿越河谷區(qū)的55%位于河谷剪切松弛型卸荷區(qū)，45%位于壓致拉裂區(qū)(應力降低區(qū))。因此，本文所研究巖體質量的特征分布區(qū)主要為對河流下切作用作出實時敏感響應的斜坡段，即河流下切作用的強烈影響段。

圖9 G214沿線典型橫剖面形態(tài)圖

基于上述研究，作者認為，陡峭指數(shù)的空間分布特征顯示了河流下切作用的空間差異程度。不同的下切作用強度導致河谷區(qū)的巖體質量不同，從而將使得斜坡的穩(wěn)定性和崩塌災害的易發(fā)性出現(xiàn)不同的響應(Wang et al.，2020)。因此，在深切河谷區(qū)，ksn應該作為重要評價指標在表征河流下切作用對崩塌災害易發(fā)性影響中進行考慮和使用。使用時應注意該指標適用的邊界，如在研究范圍內，要求不同路段的ksn值(巖體質量)的等級有明顯的變化等。

5 結 論

本文依托青藏高原深切河谷區(qū)(瀾滄江—金沙江)和G214左貢—虎跳峽段，基于巖體質量評價BQ系統(tǒng)和河流水力侵蝕模型，利用現(xiàn)場調查、統(tǒng)計和Matlab、Topotoolbox、ArcGIS、Origin等工具手段，獲取了河流陡峭指數(shù)(ksn)與巖體質量指標的空間分布并分析了兩者之間的相關性特征，得出了以下結論：

(1)ksn的空間分布特征顯示了河流下切作用的空間差異程度。在研究區(qū)，巖體質量與斷裂密度、ksn、工程巖組的皮爾遜相關性系數(shù)分別為：0.5248、0.6717、-0.1133。這表明巖體質量與ksn的相關性程度最高。因此，在深切河谷區(qū)，ksn應該作為重要評價指標在表征河流下切作用對崩塌災害易發(fā)性影響中進行考慮和使用。

(2)G214左貢—虎跳峽段所穿越河谷區(qū)，55%位于河谷剪切松弛型卸荷區(qū)，45%位于壓致拉裂區(qū)(應力降低區(qū))。因此，本文所研究巖體質量的特征分布區(qū)主要為對河流下切作用作出實時敏感響應的斜坡段，即河流下切作用的強烈影響段。