ANALYSIS ON THE CHANGE OF INFLUENCE FACTORS ON SLIPPING DISPLACEMENT OF LANDSLIDES IN DUJIANGYAN AREA BEFORE AND AFTER THE WENCHUAN EARTHQUAKE
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摘要: 滑坡滑动距离作为滑坡防灾减灾的主要评价指标之一，不仅受滑坡体积和落差的影响，还与滑坡运动的地质环境作用相关。本文在对都江堰地区51个地震滑坡、16个降雨滑坡详细调查编目的基础上，采用数理统计方法分析了斜坡原始坡度、滑坡前后缘高差、滑坡平面形态、体积、滑体平均厚度及坡面摩擦系数等6个因素与滑坡水平滑动距离的相关性，借此厘清了汶川Ms8.0级大地震前后不同因素对不同类型滑坡运动的贡献大小，进而构建了不同成因类型滑坡的滑动距离预测关系式，可为龙门山区的滑坡防灾减灾工作提供参考。研究表明：影响都江堰地区地震滑坡运动距离的主要因素有滑坡体积（lgV）、斜坡原始坡度（α）、滑坡平面形态（R）和滑坡前后缘高差（ΔH）；而控制降雨滑坡运动距离的主要因素为滑坡前后缘高差（ΔH）、滑坡体积（lgV）、斜坡坡度（α）和斜坡表面摩擦系数（μ）；汶川地震后，影响该地区降雨滑坡滑动能力的因素发生了变异，各因素与滑坡滑动距离的相关性较弱，显示出其贡献率在急剧减弱，仅滑坡体积（lgV）与滑动距离的相关性较强。Abstract: Slipping displacement of landslide is one of the most important assessment indexes for prevention and mitigation of landslide disaster, which is not only controlled by landslide volume and drop but also related to the influence of topographical environment.On the basis of detailed field investigation and inventory for 51 seismic-induced landslides and 16 rainfall-induced landslides seated in Dujiangyan area, the correlation between six factors and horizontal slipping displacement of landslides are analyzed through mathematical statistic method, factors including depositional gradient of slope, ridge height difference before and after the earthquake, plane shape, volume, and average thickness of landslide mass and friction coefficient of slope surface. Afterwards, the influence of different factors on different types of landslides before and after Wenchuan earthquake are sort out, and the predictive formulas of slipping displacement due to different causes are built which may support the disaster mitigation in the future. The preliminary conclusions reveal that slipping displacements of seismic-induced landslides are mainly affected by landslide volume(lgV), depositional gradient of slope(α), plane shape(R) and ridge height difference before and after the earthquake(ΔH); while rainfall-induced landslides are mainly affected by ridge height difference before and after the earthquake(ΔH), landslide volume(lgV), depositional gradient of slope(α) and friction coefficient of slope surface(μ). After the Wenchuan earthquake, the factors affecting the sliding of rainfall-induced landslides are changing with a relatively low correlation with slipping displacement, showing that their influence are decreasing and only landslide volume(lgV) still stays a strong correlation.
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0. 引言
广泛分布于长江中下游地区的红土堆积记录了中国北亚热带地区重要的古环境信息, 是研究中国南方古气候演化以及进行南北古气候对比的理想地质材料。目前, 通过多个剖面的系统研究, 在该区红土堆积的形成时代[1-4]、沉积成因[5-8]及古环境状况[5-16]等方面都取得了重要认识。其中, 关于沉积成因的研究, 通过沉积学[5-8]、地球化学特征[5, 8]的分析表明长江中下游地区的部分红土堆积属于风成成因, 而最新的研究结果则显示南方红土具有多元成因的特点[17]。因此, 在南方红土的研究中, 区分不同地区红土地层成因类型的差异是进一步研究古环境演化的关键。
江西九江是我国南方红土研究程度较高的地区之一, 有的学者通过典型样品沉积学、地球化学特征的分析证明该区的红土堆积属于风成成因[8]。然而, 要准确地判断其成因类型, 还需要对整个序列进行系统研究。沉积物的粒度特征与沉积环境密切相关, 常被用于不同沉积物成因类型的判别及搬运动力条件的研究[18-21], 也是提取古气候信息的常用指标[22-25]。
本文对九江红土剖面样品进行了系统的粒度分析, 并与西峰黄土、古土壤样品及典型河、湖相沉积的粒度特征进行了对比, 系统研究该区红土堆积的沉积成因。
1. 样品采集与测试
九江剖面(118°52'E, 30°52'N)位于江西省九江市北约2 km的九庐公路道边, 剖面厚度23 m。其中, 0 ~ 9.7 m为下蜀土层, 9.7 ~ 23 m为网纹红土层, 网纹红土层之下为河流相砾石层。本次研究以10 cm间距对该剖面采取了231个样品进行粒度测试。同时, 为了进行对比, 在甘肃庆阳西峰剖面选取第四纪黄土样品10个、古土壤样品9个; 在四川泸定海子坪剖面[26]选取湖相样品5个; 在安徽宣城剖面下部[4]取得河流相样品8个。在样品的前处理过程中, 首先加入10 mL 30%的H2O2, 加热至140 ℃去除有机质; 然后加入10 mL 10%的盐酸, 加热至200 ℃去除碳酸盐; 最后加入10 mL 0.05 mol L的(NaPO3)6分散剂, 并用超声波清洗机振荡10 min后上机测量。样品测量在英国Marvern仪器有限公司生产的Mastersizer 2000上完成, 重复测量的相对误差小于1%。
2. 九江红土的粒度特征及其与第四纪黄土及河湖相样品的对比
2.1 粒度分布特征
图 1a、1b分别为九江剖面上部下蜀土和中、下部网纹红土样品粒度分布的频率曲线。其中, 下蜀土的样品编号分别为JJ1、2、3、4, 网纹红土的样品编号分别为JJ150、151、152、153。它们与西峰黄土(图 1c)、古土壤(图 1d)样品一样, 都呈双峰分布, 以粉砂颗粒(5 ~ 50 μm)为主, 缺少粗尾, 大于63 μm颗粒的含量很少, 与泸定湖相(图 1e)、宣城河流相(图 1f)样品的多峰分布特征有很大区别。另外, 进一步对比可以发现, 九江下蜀土样品(图 1a)的频率曲线与西峰黄土(图 1c)更为接近, 含有较多的粗粒级组分; 九江网纹红土(图 1b)与西峰古土壤(图 1d)更为相似, 含有较多的细粒级组分, 进一步证明九江网纹红土是在极端湿热气候条件下形成的古土壤[4]。
图 1 九江红土与西峰黄土、古土壤及河、湖相沉积粒度分布的频率曲线图中(a)、(b)分别为九江剖面上部下蜀土和中、下部网纹红土样品; (c)、(d)分别为西峰黄土、古土壤样品; (e)为泸定湖相样品; (f)为宣城河流相样品Figure 1. Grain-size distribution curves of the Jiujiang Red Earth, Xifeng loess and soil, lacustrine and fluvial sediment samples2.2 粒度参数
沉积物的粒度参数与形成环境及搬运动力条件具有密切关系。常用的粒度参数统计分析方法包括矩法[27]和图解法[28]两种, 本文采用了矩法计算粒度参数的方法, 计算公式如下[27] :
(1) 
(2) 
(3) 
(4) 上述公式中, Xi为第i个粒级的中点粒径, fi为第i个粒级的百分含量。图 2为九江剖面不同深度的典型下蜀土(10个)、网纹红土(10个)样品与西峰黄土、古土壤以及河湖相沉积粒度参数的对比。从图中可以看出, 下蜀土的平均粒径一般在6.4 ~ 6.8ϕ (9.0 ~11.8 μm)之间, 网纹红土的平均粒径一般在7.1 ~ 7.2ϕ (6.8 ~ 7.3 μm)之间, 与西峰黄土、古土壤相比总体偏细, 但九江红土的标准偏差与西峰黄土、古土壤非常接近, 分选程度明显高于泸定湖相及宣城河流相沉积, 表明其搬运动力的相对稳定性。九江剖面下蜀土与网纹红土样品均呈正偏态, 与西峰黄土、古土壤比较接近, 虽然泸定湖相样品也为正偏态, 但其偏度明显大的多。九江红土与西峰黄土、古土壤以及宣城河流相样品的峰度比较接近, 明显比泸定湖相样品的峰度值小。
图 2 九江红土与西峰黄土、古土壤及河、湖相样品的粒度参数对比(a), (b) —九江剖面下蜀土及网纹红土样品; (c), (d) —西峰黄土、古土壤样品; (e) —泸定湖相样品; (f) —宣城河流相样品Figure 2. Comparison of grain-size parameters among of the Jiujiang red earth, Xifeng loess, lacustrine and fluvial sediments由以上分析可以看出, 每个粒度参数都具有一定的成因及沉积环境的判别意义。但是, 沉积环境的各种条件非常复杂, 用单一的粒度参数有时难以严格区分两种不同类型的沉积物, 常常需要对各种粒度参数进行综合分析, 才能得出比较合理的结论。对已知环境的当代沉积物粒度结构参数散点图[29]的研究表明, 不同类型沉积物的某些点子虽然可以互相穿插, 但成因环境的界线则非常明显。鹿化煜等[20, 21]对三趾马红土与第四纪黄土、古土壤以及河、湖相沉积的粒度结构参数的对比研究结果显示, 三趾马红土的粒度结构参数散点图与第四纪黄土、古土壤非常相似, 而与河、湖相沉积有很大区别。在本文粒度结构参数散点图(见图 3)中, 九江红土与西峰黄土、古土壤具有非常相近的投影区域, 而与河流相、湖相样品存在很大区别。反映了九江红土与西峰黄土一样, 属于风成成因。
图 3 九江红土与西峰黄土、古土壤以及河、湖相样品的粒度结构参数散点图▽九江下蜀土; □九江网纹红土; △西峰黄土; +西峰古土壤; ○泸定湖相沉积; ▲宣城河流相沉积Figure 3. Statistical parameters of grain-size distribution plots of the Jiujiang Red Earth, Xifeng loess and soil, lacustrine and fluvial sediments2.3 粒度指数特征
四分位值(Q1、Q3)和中位数(Md)也是反映沉积物特征的重要参数, 综合利用这些参数可以直接看出四分位标准差、偏度等的变化, 从而判别不同的沉积物类型[29]。从图 4可以看出, 九江不同深度的红土样品与西峰黄土、古土壤的粒度指数图非常相似, 而与河流相、湖相沉积有很大区别。
图 4 九江红土与西峰黄土、古土壤以及河、湖相样品的粒度指数图Figure 4. Q1-Md-Q3 plots of the Jiujiang Red Earth, Xifeng loess and soil, lacustrine and fluvial sediments2.4 综合C-M图
C-M图是一种综合性的成因图解[29]。在沉积物成因研究中, 主要是通过未知样品在C-M图中的投影区域与已知成因样品的投影区域进行比较来确定其成因及沉积环境[20, 21]。九江剖面不同深度的下蜀土、网纹红土与西峰黄土、古土壤样品在C-M图中的投影呈带状分布(见图 5)。在该带中, 西峰黄土样品的中值粒径偏粗, 位于C-M图的右上方, 九江网纹红土样品的粒度偏细, 位于C-M图的左下方。泸定湖相和宣城河流相样品的投影区域与上述样品明显不同。
图 5 九江红土与西峰黄土、古土壤以及河、湖相样品的综合C-M图▽九江下蜀土; □九江网纹红土; △西峰黄土; +西峰古土壤; ○泸定湖相沉积; ▲宣城河流相沉积Figure 5. C-M plots of the Jiujiang Red Earth, Xifeng loess and soil, lacustrine and fluvial sediments2.5 判别分析
判别分析是一种多元统计分析方法, 可用来寻找适当的统计值以判断不同的沉积作用和沉积环境, 通过对沉积物粒度参数的统计分析, 可以找出判别不同沉积类型的指标值。本文用下面的公式[30]来计算样品的判别值:
(5) 式中Y为判别参数, MZ、σI2、KZ、KG分别为平均粒径、标准偏差、偏度、峰度, 计算结果见图 6。从图中可以看出, 泸定湖相沉积的判别参数为正值, 其余的全为负值。九江红土剖面不同深度的下蜀土、网纹红土与西峰黄土、古土壤的判别参数比较接近, 而且其判别参数值也相对比较稳定, 而宣城河流相与泸定湖相样品的判别参数变化较大。根据Sahu的研究[30], 上式计算的风尘堆积的判别值应该小于-2.7411, 上述所有下蜀土、网纹红土样品的判别值全部在该范围之内。鹿化煜等[20, 21]用同样的方法计算了不同地区河流相、湖相样品的判别参数, 计算结果均为负值, 且不同时间、地点的河、湖相样品的判别参数也有较大的变化范围。九江红土剖面下蜀土、网纹红土样品的判别参数范围非常集中, 需要十分稳定的动力条件和沉积环境。以上判别分析的结果也反映出九江红土与西峰黄土、古土壤具有相同的成因。
图 6 九江红土与西峰黄土、古土壤以及河、湖相样品的判别参数Figure 6. Y-values of grain-size distribution of the Jiujiang Red Earth, Xifeng loess and soil, lacustrine and fluvial sediments2.6 九江剖面粒度中值粒径及各粒级组分在剖面上的变化
对九江剖面231个样品的粒度分析结果(见图 7)表明, 所有下蜀土及网纹红土样品都以粉砂颗粒为主, 中值粒径变化范围在5.8 ~ 15.8 μm之间, 大于63 μm的粗颗粒含量最大值为4.3%, 平均值为1.1% (见图 7)。九江红土这种稳定的细粒沉积是风尘堆积的典型特征。
图 7 九江剖面粒度中值粒径及各粒级组分变化Figure 7. Variations of median grain-size and some grain fractions content in Jiujiang section3. 结论
对位于江西九江的红土剖面系统的粒度分析表明, 该区的下蜀土及网纹红土层以均匀的细颗粒为主, 并且具有与中国北方典型风成黄土相似的粒度分布及粒度参数特征。其中, 剖面上部的下蜀土与西峰黄土粒度特征相近, 而剖面下部的网纹红土与西峰古土壤更为相近。上述研究结果表明, 江西九江的红土堆积与中国北方的第四纪黄土、古土壤一样属于风尘堆积。
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图 2 不同成因滑坡滑距与lgV的相关性
Figure 2. Corelation between runout distance and lgV under different causes
图 3 不同成因滑坡滑距与h的相关性
Figure 3. Corelation between runout distance and h under different causes
图 4 不同成因滑坡滑距与α的相关性
Figure 4. Corelation between runout distance and α under different causes
图 5 不同成因滑坡滑距与R的相关性
Figure 5. Corelation between runout distance and R under different causes
图 6 滑坡滑动距离参数定义示意图
(据文献[29]改)
Figure 6. Sketch of landslide deposit and failing mass and definition of the parameters H, L, Hmax and Lmax
图 7 不同成因滑坡滑距与μ的相关性
Figure 7. Corelation between runout distance and μ under different causes
图 8 不同成因滑坡滑距与ΔH的相关
Figure 8. Corelation between runout distance and ΔH under different causes
图 9 地震前后降雨滑坡滑距与lgV的相关性
Figure 9. Corelation between pre-seismic and post-seismic runout distance and lgV of rainfall-induced landslides
图 10 地震前后降雨滑坡滑距与ΔH的相关性
Figure 10. Corelation between pre-seismic and post-seismic runout distance and ΔH of rainfall-induced landslides
图 11 地震前后降雨滑坡滑距与h的相关性
Figure 11. Coreation between pre-seismic and post-seismic runout distance and h of rainfall-induced landslides
图 12 地震前后降雨滑坡滑距与α的相关性
Figure 12. Corelation between pre-seismic and post-seismic runout distance and α of rainfall-induced landslides
表 1 地震滑坡基本信息表
Table 1. Basic information of earthquake-induced landslides
编号 名称 坡度/° ΔH/m L/m R h/m lgV 发生时间 1 虹口乡夏家坪滑坡 45 356 282.84 2.35 3 5.18 2008.5.12 2 虹口乡寨子坡滑坡 66 55 40.67 0.67 2 4.35 2008.5.12 3 虹口乡乱草坟滑坡 60 22 15 0.25 2 3.73 2008.5.12 4 虹口乡水响沟滑坡 60 15 15 0.25 2 3.73 2008.5.12 5 虹口乡黑泥湾1号滑坡 38 40 63.04 0.53 9 4.91 2008.5.12 6 虹口乡黑泥湾2号滑坡 42 32 44.59 0.43 10 4.8 2008.5.12 7 虹口乡塔子坪滑坡 35 250 491.49 4.29 20 6.1 2008.5.12 8 虹口乡虹口坪滑坡 57 17 24.51 0.67 4 3.94 2008.5.12 9 虹口乡甜竹坪1号滑坡 42 20 36.41 0.61 3 3.94 2008.5.12 10 虹口乡甜竹坪2号滑坡 36 30 64.72 0.5 4 4.58 2008.5.12 11 虹口乡黄金坪滑坡 45 155 148.49 1.24 5 5.13 2008.5.12 12 虹口乡木瓜园滑坡 25 50 108.76 0.34 6 5.28 2008.5.12 13 虹口乡陈家坪滑坡 34 28 49.74 0.67 4 4.2 2008.5.12 14 龙池镇汤家沟滑坡 51 65 64.82 1.2 4 4.42 2008.5.12 15 龙池镇半边街滑坡 68 38 14.98 0.2 3 4.26 2008.5.12 16 龙池镇川主坪滑坡 40 50 153.21 0.95 5 5.2 2008.5.12 17 龙池镇蜂桶岩南部滑坡 62 60 35.21 1.67 2 3.7 2008.5.12 18 龙池镇关门石1号滑坡 45 40 56.57 0.27 8 5.16 2008.5.12 19 龙池镇桂花树1号滑坡 21 30 65.35 0.32 8 4.96 2008.5.12 20 龙池镇桂花树2号滑坡 35 26 98.3 0.86 8 5 2008.5.12 21 龙池镇河边楼外楼滑坡 45 40 49.5 1.4 3 3.89 2008.5.12 22 龙池镇李家山1号滑坡 32 80 127.21 1.25 3 4.61 2008.5.12 23 龙池镇李家山2号滑坡 42 16 81.75 0.61 7 5.02 2008.5.12 24 龙池镇临桥院滑坡 60 25 40 0.8 2 4.08 2008.5.12 25 龙池镇沙子坡1号滑坡 42 25 96.61 0.48 15 5.33 2008.5.12 26 龙池镇吴家坡滑坡 46 120 222.29 2.13 7 5.4 2008.5.12 27 龙池镇大树子1号滑坡 45 62 21.21 0.38 4 3.86 2008.5.12 28 龙池镇大树子2号滑坡 45 50 42.43 2 3 3.62 2008.5.12 29 龙池镇大树子3号滑坡 45 105 95.46 0.68 5 5.01 2008.5.12 30 龙池镇干沟口滑坡 45 10 10.61 0.21 3 3.38 2008.5.12 31 龙池镇老房子滑坡 40 50 114.91 0.79 5 5.03 2008.5.12 32 龙池镇老龙溪场滑坡 45 60 21.21 0.43 5 3.9 2008.5.12 33 龙池镇楠木槽滑坡 50 60 64.28 0.5 10 5.18 2008.5.12 34 龙池镇小湾3号滑坡 30 70 147.22 0.63 5 5.24 2008.5.12 35 向峨乡白岩山2号滑坡 40 30 137.89 0.51 7 5.52 2008.5.12 36 向峨乡木瓜园滑坡 44 50 43.16 0.75 8 4.46 2008.5.12 37 向峨乡龙竹村小学滑坡 42 80 111.47 1.88 2 4.26 2008.5.12 38 向峨乡薛家坡滑坡 50 70 96.42 1.88 8 4.86 2008.5.12 39 向峨乡火烧山滑坡 55 70 74.56 1.3 12 5.06 2008.5.12 40 向峨乡狮子山滑坡 44 75 129.48 1.2 12 5.39 2008.5.12 41 向峨乡苏家梁滑坡 40 295 153.21 1.67 8 5.16 2008.5.12 42 向峨乡张飞山2号滑坡 38 50 94.56 1.09 7 4.84 2008.5.12 43 向峨乡张飞山滑坡 42 90 163.49 2.75 15 5.3 2008.5.12 44 紫平铺镇大沟边2号滑坡 40 140 268.12 1.3 12 5.93 2008.5.12 45 紫平铺镇雷打石碑滑坡 45 50 49.5 1.4 2 3.72 2008.5.12 46 紫平铺镇梨树坪滑坡 24 40 82.22 1.8 5 4.22 2008.5.12 47 紫平铺镇石厂湾滑坡 19 9 73.75 2.6 3 3.71 2008.5.12 48 紫平铺镇白果树滑坡 32 80 127.21 1.07 8 4.98 2008.5.12 49 紫平铺镇杆杆桥滑坡 43 50 58.51 1.33 6 4.33 2008.5.12 50 紫平铺镇和尚岩滑坡 29 80 120.7 1.15 12 5.17 2008.5.12 51 紫平铺镇紫坪村水子地滑坡 38 80 94.56 1.2 3 4.43 2008.5.12 
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表 2 降雨滑坡基本信息表
Table 2. Basic information of rainfall-induced landslides
编号 名称 坡度/° ΔH/m H: L R h/m lgV 水平滑距L/m 发生时间 1 大观镇高家坪滑坡 26 50 0.397 2.00 10 4.869 125.831 2005 2 灌口镇灵岩村3组滑坡 32 190 0.605 1.15 10 5.948 313.778 2003 3 灌口镇鲜家沟滑坡 31 80 0.583 1.45 12 5.200 137.147 2003 4 灌口镇竹林寺2号滑坡 36 30 0.674 0.50 4 4.255 44.496 2004 5 灌口镇万张沟滑坡 30 40 0.659 1.16 2 3.806 60.622 2003 6 蒲阳镇小石槽沟滑坡 33 17 0.579 1.75 2 3.000 29.353 2005 7 蒲阳镇磨刀沟滑坡 35 80 0.651 0.75 3 4.813 122.873 2002 8 蒲阳镇石槽沟滑坡 37 24 0.667 0.37 3 4.079 35.939 2005 9 青城山镇刘家大湾滑坡 34 90 0.904 2.40 1.5 3.829 99.485 2003 10 青城山镇戴家桥滑坡 38 45 0.951 0.85 2 3.806 47.281 2002 11 青城山镇泰安寺滑坡 42 20 0.538 1.25 2 3.477 37.157 2008.5.12 12 青城山镇五里村边坡滑坡 55 15 0.087 3.75 3 4.732 172.073 2008.5.12 13 向峨乡石瓮河滑坡 40 145 0.901 1.10 20 5.777 160.869 2008.5.12 14 紫坪铺镇大沟边滑坡 40 50 0.858 1.81 4 3.964 58.219 2008.5.12 15 虹口乡黑泥湾滑坡 40 176 1.573 0.42 20 5.954 111.842 2013.7.4 16 虹口乡千丈林滑坡 37 150 1.016 1.24 23 5.845 147.564 2013.7.4
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