古滑坡复活问题研究进展与展望

1 引 言

   受山区地形地貌影响,古(老)滑坡所形成的平缓地形往往是人类活动的重要场所。随着近年来人类工程活动不断加剧和极端天气事件频繁出现,古(老)滑坡复活灾害在国内外都呈急剧上升趋势,造成的重要基础设施毁坏、人员伤亡和经济损失日益严重。然而,由于古(老)滑坡类型多样、规模巨大、孕灾背景复杂,并且很多古(老)滑坡因遭受长期改造或后期沉积物覆盖,原有的滑坡外貌特征已模糊不清,加上地形地貌复杂、地质环境恶劣等原因,绝大多数古(老)滑坡还处于未知状态,对古(老)滑坡的认知仍很初浅,常因认识不清而出现误判、漏判。

   “古滑坡”或“老滑坡”这一术语,泛指形成时代久远的滑坡。前苏联学者И.B.波波夫根据形成时代将滑坡分为古滑坡和现代滑坡,定义古滑坡为在早期侵蚀基准面和浪蚀水准面上形成的滑坡,现代滑坡为在现代侵蚀基准面和浪蚀水准面上形成的滑坡;Cruden等将长期不活动且最后一次活动时间不清楚的滑坡看作古滑坡;叶米里扬诺娃认为,老滑坡是暂时中止、停止和已经终结的滑坡,其形态特征由于坡面侵蚀作用而消失。国内学者试图将古滑坡和老滑坡加以区分,卢螽槱提出以河流侵蚀期作为滑坡时代划分依据,将发生在各级河流阶地侵蚀期和堆积早期的滑坡定义为古滑坡,将发生在河漫滩时期而目前较稳定的滑坡称为老滑坡;徐邦栋、王恭先等认同“古滑坡是发生在全新世以前的滑坡”这一定义,但对老滑坡发生的时间下限持有不同观点;在工程地质实践中,许多学者更多关注滑坡现今的稳定性状态。例如,戚筱俊认为古滑坡是第四纪以来滑动过的滑坡,现今已处于稳定状态,但有可能复活或再次滑移;李勇飞等把发生在现阶段以前、目前基本稳定的滑坡体均称为古滑坡。最新颁发的国家标准《滑坡防治工程勘查规范》(GB/T 32864-2016)中将全新世以前发生滑动、现今整体稳定的滑坡定义为古滑坡,而把全新世以来滑动、现今整体稳定的滑坡称为老滑坡。上述表明,无论是古滑坡还是老滑坡,只意味着它们相对暂时稳定,在一定自然因素或人为因素作用下,均可能复活。为了聚焦关键科学问题和阐述方便,本文所指的古滑坡包括上述“古滑坡”和“老滑坡”。

   古滑坡复活一直是闲扰我国重大工程规划建设和城镇安全的突出问题。早在20世纪50年代,陇海铁路西安一宝鸡段卧龙寺老滑坡复活,滑动面积约33×104m2,体积约2.0x 107m3,将陇海铁路向南推移超过100 m,中断铁路数日;50 年代末至70 年代,宝鸡峡引渭工程宝鸡峡至常兴的98 km 塬边渠道沿线发生了170 多处大中型滑坡,其中近一半为古滑坡复活;80~90年代以来,三峡库区移民迁建和水库蓄水后,出现若干老滑坡的复活事件,如2003年7月13日凌晨发生的秭归千将坪滑坡,复活的滑坡体积近2.0×107m3,造成14人死亡、10人失踪及巨大经济损失;在90 年代中期,南昆铁路八渡车站在接轨前夕发生古滑坡复活,该滑坡以规模巨大、滑体深厚、富水及整治工程浩大而闻名,治理费用达9 000余万元。近期较典型的案例是兰新铁路青海乐都高家湾古滑坡,该滑坡长1830 m、宽1300 m,体积约2.62×108m3,铁路隧道从滑坡体下方通过。2010 年铁路开始施工,20ll~2012年滑坡后缘出现500 m 长的托裂缝,2016年1月裂缝长度增至950 m,隧道衬砌明显破坏,致使铁路一度中断.滑体前缘房屋变形严重,潜在经济损失约22.5亿元.该古滑坡复活以来,虽有大量调查和勘查工作,但复活机理一直存在争议。在两南山区,铁路工程选址阶段认为很稳定的坡体或平台,有些在工程施工或运营初期即发生滑坡(实际上是古滑坡复活).成为工程规划和建设中防不胜防的问题。

   国外比较有代表性的是加拿大国家级铁路(CN和CP)沿线古滑坡群、美国华盛顿的Sanford牧场古滑坡和 Oso古滑坡的复活问题。作为加拿大经济命脉的国家级铁路(CN和CP),存Thompson河谷沿第四纪冰川堆积物斜坡下方通过,在坡脚开挖、河流侵蚀和强降雨作用下,发育于斜坡前缘的一系列古滑坡发生复活,严重影响2条铁路的运营安全。在美国,古滑坡复活问题也颇受关注。例如,美国华盛顿Sanford牧场古滑坡是2 Ma以前由于构造活动和河流强烈下切形成的,随后经历了多期滑动,2009年11月10日再次复活,造成堵江、损毁公路770 m和大量居民建筑,损失惨重。再如,2014 年3月22日华盛顿Oso社区发生古滑坡复活,体积达760×104m3,将Oso社区掩埋掉1/5,造成43人死亡,成为美国历史上凶滑坡造成损失最惨重的案例。 Oso古滑坡虽经数十年研究,仍然没能避免灾难的发生,足以说明古滑坡的复活问题是当前国际前沿性科学难题。

   如何实现古滑坡的有效判识、揭示古滑坡复活机理、破解古滑坡复活的早期识别和风险防范难题成为当前迫切需要解决的问题。本文在总结国内外古滑坡复活问题研究进展的基础上,提出了制约古滑坡复活问题研究的关键科学问题和解决途径,供国内外同行参考。

2  研究进展与评述

   对古滑坡及其复活问题的研究大致分为3个方向,一是关注古滑坡的形成及其与地质演化和气候事件的联系,以第四纪地质学者为主;二是聚焦古滑坡的现今活动性及其工程治理,以工程地质和岩土工程领域的学者为主;三是从滑坡演化历史着眼,关注古滑坡形成、复活及其周期性变化的长时间序列演化过程,并将相关认识应用于指导工程实践。

2.1  古滑坡的区域发育规律及古滑坡判识研究

   (1)关于古滑坡的区域发育规律

   Cruden等通过对加拿大西部古滑坡研究,提出古滑坡具有复杂的演化过程和长时间序列演化特征.并建立了不同形式的地质作用和人类活动对古滑坡演化及其不同阶段稳定性的影响。这一观点代表了目前对于古滑坡区域演化的基本认识。

   我国的古滑坡研究主要围绕大江大河的河谷发育史和重大工程(水电、交通)规划建设遇到的问题开展,不少学者从第四纪地质角度出发,重点对长江三峡段、西南山区金沙江和大渡河、黄河中上游等流域古滑坡的发育特征与大江大河演化史、古气候环境之间的关系进行了研究。张年学通过对三峡库区的滑坡年龄与古气候关系研究后发现,古滑坡发育与古气候暖湿期具有较强的一致性,并认为这种一致性与新构造抬升的阶段性密切相关:谢守益等通过黄腊石滑坡群与古气候关系研究指出,长江沿岸古滑坡的形成发育受控于长江河谷的演化,且与古气候环境的变化一致:许强等分析了西南地区大渡河深厚覆盖层的成因,并提出沿河大型古滑坡是在河谷深切期因前缘临空条件较好而形成;赵希涛等和张永双等分析了滇西北金沙江河谷演化历史,并通过古滑坡堰塞湖和堰塞坝的特征,反演了古滑坡的形成时代和过程;殷志强等对黄河上游巨型滑坡特征及形成机理进行了初步研究,认为古滑坡的形成受河流演化和古气候条件控制.

   在大型古滑坡区域发育规律方面.已有研究结果表明,中国大型古滑坡多数分布在青藏高原周缘,这是中国内动力地质作用(新构造活动、地震等)和外动力地质作用(侵蚀、剥蚀、堆积作用)最强烈的地带,内外动力作用强烈交织与转化,塑造了特殊复杂的地质环境条件及强烈的河谷动力学过程,导致区内大型滑坡特别发育。前人研究表明,青藏高原的隆升始于上新世末(但高度不足1 000 m),强烈大幅度抬升是第四纪强烈隆升的产物,且后期具有加速上升的趋势,累积上升达3 500~4 000 m。中更新世过后,青藏高原边缘形成高山深谷;晚更新世高原进一步强烈隆升(约1 000 m),全新世以来上升了300~700 m。不少工程地质和第四纪地质学者认为该地域的大型古滑坡与中更新世末、晚更新世—全新世期间的地貌形成演化和气候变化密切相关,这也与全球古环境变化的暖湿问冰期呈现良好的一致性。另一方面,大型古滑坡往往是斜坡带新近纪巨厚硬土/软岩易滑地层、冰碛(冰水)堆积体、区域性断裂带松软破碎岩土体等由强震作用、强降雨、河流侵蚀作用引发的,是区域岩土体性质控制的坡体动力破坏作用的结果。并非随机发生的。

   (2)关于古滑坡的判识

   古滑坡的判识是开展古滑坡复活研究和风险防范的前提,大型古滑坡的早发现可以有效降低灾害风险,节约防治费用,在整个滑坡灾害防治体系中具有重要的地位。

   传统的滑坡地面调查方法主要是通过对地表形态、岩土体成分结构、宏观变形破坏特征等进行判别,例如,拉裂缝、错坎、拉陷槽、局部滑动、坡体鼓胀、构(建)筑物损毁等,这对于现代中小型滑坡判别是有效的。但是,对于隐蔽性极强的大型古滑坡,往往难以辨别确认,单一的地面调查常会出现疏漏或误判。人们通过多年的实践和探索,逐渐形成了地质分析法、遥感解译法、地质勘探法(包括钻探和物探)等判识古滑坡的方法。李晓等探讨并修正了三峡库区云阳宝塔滑坡西边界问题.指出在未发现滑面或滑带之前,必须要多证据共存才能初步判别古滑坡及其边界,不能从地形地貌或滑坡形态等单一方面进行判定。近些年来,全国各地相关勘查设计单位也开展了诸多有益的探索,在古滑坡的勘查及防治等方面积累了不少经验。

   近年来,利用遥感技术进行古滑坡识别研究得到了快速发展。例如,郭兆成等把遥感影像上的特殊纹理、色调及相关的地形地貌、水系特征作为古滑坡判识的依据,解译出了鹤庆盆地东缘2处巨型古滑坡:张雅莉等利用高分辨率Quickbird影像,选取滑坡体、滑坡后壁、后缘、裂缝、冲沟、滑坡台阶、鼓丘等作为古滑坡识别标志,解译了甘肃舟曲县泄流坡滑坡、锁儿头滑坡和龙江新村古滑坡的位置、边界及规模等特征信息,张路路等提出了一种新的基于数字高程模型的滑坡范围提取方法,并在四川理县的3个古滑坡验证了该方法的有效性。

   上述分析表明,面对古滑坡的隐蔽性,传统的滑坡调查方法具有局限性。当前利用遥感技术进行古滑坡判识越来越受到重视,但是联合应用地质分析与综合技术方法的定量研究成果仍很少,支撑古滑坡有效判识的综合技术体系尚未形成。

2.2  古滑坡的复活机理和过程研究

   古滑坡复活通常是一个涉及地貌、气候变化和人类活动等因素的复杂过程.大型古滑坡一般分布在构造活跃区,不良的地质构造条件和破碎的岩体结构是古滑坡发生的主要内因,后续的内外动力地质作用会促进滑坡体继续下滑。近10余年来.古滑坡复活的成因机理研究越来越引起国内外学者的重视,主要从以下几个方面进行:

   (1)关于古滑坡体和古滑带的物理力学性质研究

   古滑坡的复活机理研究离不开古滑坡体和古滑带的物理力学性质,特别是古滑带的强度特性及其在不同条件下的演变规律研究。

   在古滑坡体方面,据不完全统计,最多见的是由大型崩坡积、冰碛和冰水堆积、古地震堆积物所形成的粗细混杂的滑坡堆积体(混杂堆积体)。这类混杂堆积体的工程力学行为极为特殊、复杂,是工程地质和岩土力学研究的薄弱环节之一。一方面,古滑坡体经过数百乃至数万年的堆积和重新固结作用,其性质比一般的“土石混合体”更复杂。另一方面,经过滑动的混杂堆积体不仅结构发生破坏,而且形成了大型滑带(不连续面),对这种由滑带控制的混杂堆积体滑坡稳定性研究,不能照搬已有“土石混合体”的理论和方法,因此大型原位试验显得更为重要。

   在古滑带的强度特性及其在不同条件下的演变方面,前人研究表明.古滑坡的复活一般是沿着强度参数接近残余强度的剪切带滑动。一些古滑坡甚至发生在全新世以前,破裂面的性质从那时起开始发生缓慢变化,这些变化可以反映长期的环境条件对滑坡稳定性的影响。一般认为,现代滑坡的滑带通常具有非常低的抗剪强度(残余强度),特别是滑带土的黏聚力甚至接近0。滑带土的残余抗剪强度与黏土矿物的类型、黏粒含量、液限、颗粒级配有很好的相关性。然而,古滑坡的滑带具有“反常的”高剪切强度,Holtz等认为低塑性的黏土矿物增加了有效内摩擦角,破裂面的愈合机制可能解释其高抗剪强度。Stark等对2个土壤样品进行了为期230天的环剪试验。结果表明排水条件下残余强度经历了“愈合”,并表现出强度高于之前的残余强度。Carrubba等也认为当滑体停止滑动并保持稳定状态下,滑面的强度随时间增加而增大.反算的剪切强度比实验室测定的残余强度要大。 Zhang等在研究滇西北冲江河古滑坡复活机理过程中,分析了低塑性的绿泥石和伊利石对滑带土强度及其变化的影响,提出自愈合机制可以解释古滑带的高剪切强度,从而解释了为什么很多古滑坡处于休眠状态。

   可见,由于古滑坡体物质结构的特殊性和演化过程的复杂性,古滑带强度的演变过程难以用传统的残余强度理论进行描述。不同级次滑带土强度特征的差异、多级滑面联合控制滑坡复活的协调响应方式以及滑带土在不同条件下的演变机制,仍是古滑坡复活研究中需要高度关注的问题。

   (2)关于古滑坡的复活机理研究

   在国外,古滑坡复活机理研究主要侧重于3个方面:①复活特征研究。Burda等研究了波希米亚北部Eisenberg滑坡的复活过程,该滑坡是1952年由采矿活动诱发的,之后由于采矿和降雨的累积作用,滑坡持续发生局部变形,在2011年1月再次剧烈滑动,造成损失约60万欧元:Negi等研究了加瓦尔58号国道Kaliasaur滑坡的复活特征,该滑坡最初形成于1920年,在之后的90多年里多次复活.严重威胁公路的安全运营:Saez等研究了阿尔卑斯山脉Pra Bellon 滑坡的复活特征,该滑坡在1910~2011年发生了22次明显活动,滑坡中部的活动性大于边缘地带:Ronchetti等分析了意大利中部亚平宁山脉Valoria滑坡的复活特征,该滑坡在过去的60 年复活7次,在2005—2016年的复活造成2条公路被破坏,中断交通3个月。②复活的诱发因素研究。Notti等采用PS-InSAR技术研究了西班牙南地中海海岸的Marina del Este滑坡.发现滑坡在2003~2009年的滑动速率为5~15 mm/ a,在2009~2010年雨季的滑动速率增加了约10倍,说明降雨对该滑坡复活具有重要作用:Ronchetti等研究了意大利中部亚平宁山脉4个大型软弱岩土体滑坡复活前后的流体力学条件,结果显示地下水位和滑坡位移速率之间有很好的对应关系,说明地下水位和孔隙水压力是滑坡复活的激发因素。 Vaíilová等研究了埃塞俄比亚高地4个典型滑坡的复活特征,认为降雨、人类工程活动是滑坡复活的主要因素。③复活的空间预报。Generali等研发了一个地貌学模型来估计休眠滑坡复活的可能性.该模型仅关注了空间预报。

   在国内,随着山区交通工程的迅速发展,铁路、公路等工程建设过程中遇到的古滑坡越来越多,中国铁道科学研究院西北研究所早在宝成线、宝天线、鹰厦线等铁路施工过程中就关注了古滑坡复活问题。在三峡库区特别是蓄水以后,大量古滑坡发生了复活变形,一时成为工程地质界关注的焦点。研究集中在以下几个方面:①总结了库区移民迁建区滑坡结构和变形失稳特征,对库区分布广,危害大的古堆积层滑坡体的工程地质力学性质进行了研究,提出了滑坡堆积体可作为“土石混合体”的概念与力学取值分析方法;还开展了渗透压力对堆积层滑坡稳定性变化的影响,以及砼格构防治工程设计理论与方法等关键问题研究。②开展了“坠覆体”成因和演化研究,认为它是一种多成因、多期次的松散堆积体,可称之为“大型崩滑堆积体”。现场试验表明,原来强度较差的松散碎裂岩体力学强度明显提高。③研究了库水位波动下古滑坡岸坡稳定性影响,研发了系列监测预警技术,提出了相关防治措施。在黄河中上游地区,不少学者在古滑坡发育特征和稳定性等方面开展了研究工作,重点关注了灌溉、降雨、水库蓄水、人工开挖、堆载、施工强夯、高频振动等对黄土滑坡形成与复活的影响。    

   在青藏高原东缘为主体的西南山区,国内学者主要结合水电T程开发和新城镇建设中遇到的地质环境问题,开展了古滑坡形成、复活机制及稳定性方面的研究;从地质测年、遥感地理信息、岩土力学试验、物理模型试验、数值模拟试验等方面对西南地区古滑坡的发生时代、形成原因、复活可能性和危害等进行了颇具意义的研究。作者通过大量案例分析表明,青藏高原东缘古滑坡复活的特征主要表现在:①古滑坡的复活呈现多期次、多分区、多级滑带的变形特点,级序越低、稳定性越差;②古滑坡有的沿着老滑面(滑带)重新滑动,有的孕育新的次级滑面,但新滑面最终也多迁就老滑面发育:③滑坡复活变形速率与外界影响因素密切相关.坡脚开挖容易造成古滑坡的局部迅速解体破坏,而水的入渗、河流侵蚀等则导致滑坡发生缓慢蠕滑复活,目前发现的古滑坡复活以蠕滑型为主;④由水的入渗(降水、融雪或地表排水)引起的古滑坡复活,一般都经历较长时间的演化阶段,常在地表相应地出现裂缝、拉裂槽和陡坎等变形迹象;⑤古滑坡出现复活迹象后,若得不到及时有效的抑制,容易出现后退式逐级破坏现象。

   应当看到,古滑坡复活的成因机理研究越来越引起国内外学者的重视,但是相关研究多是针对古滑坡复活的个案,总体上还比较分散,尚未从区域性规律和长时间序列的角度开展古滑坡复活问题研究,对古滑坡复活机理的认识缺乏系统性。

   (3)关于古滑坡复活过程的模拟分析

   近年来,物理模型试验、数值模拟等手段在古滑坡复活过程分析中得到了一定应用,可以较好地反映古滑坡对水和工程活动等外动力条件的响应机制,再现极端降雨、水库蓄水、人工开挖等作用下滑坡复活演化过程。陈超纲等采用物理模型试验,研究了芜铜高速公路某大型古滑坡在开挖条件下的复活变形过程;郭健等在黑水河库区古滑坡分析的基础上,对该滑坡的复活过程进行了有限元模拟.认为库水位上升时坡体内孔隙水压力及动水压力增加,导致古滑坡复活部分变形持续增大:龙建辉等采用FLAC分析了山西朱家店煤矿古滑坡在井洞修筑、坡体堆载前后及坡脚开挖条件下的稳定性和变形特征,揭示了滑坡复活机理及致灾过程.

   总体而言,目前物理模型试验、数值模拟等在滑坡形成过程研究中得到了应用,但是对古滑坡复活的相关模型试验比较少,内外动力耦合作用下的古滑坡复活机理和过程仍不明晰,且缺乏相应的理论.

2.3  古滑坡复活的早期识别研究

   早期识别是实现灾害风险防范和有效降低风险的重要途径之一。除了前文所述古滑坡的判识方法可用于复活识别之外,近10 余年来,国内外研发了大量对地观测技术,商品化、标准化和专业化水平高,特别是非接触式形变观测技术发展很快,高分辨率(0.5~5 m)卫星遥感影像、LiDAR高分辨卫星影像联合、GPS-InSAR联合监测技术已成功应用于滑坡灾害监测。Scheingross等采用机载 SAR数据完成了美国圣安德烈斯断裂带Parkfield段的蠕变滑坡调查;殷跃平等建立了多时相、不同分辨率的遥感信息平台,提出了基于滑坡机理的识别判据,为大型滑坡形成机理及古滑坡复活的早期识别提供了有力支撑。刘圣伟等采用LiDAR等手段获取高精度地形特征,有效判别了潜在大型滑坡的位置。李凌婧等利用PS-InSAR技术在鲜水河断裂带开展了高原蠕变滑坡的识别研究;敖萌等采用改进CR-InSAR算法获取了丹巴甲居滑坡非线性形变时间序列,揭示了该滑坡现今的形变特征。

   古滑坡复活的早期识别技术除了非接触式形变观测技术外,国外不少学者在大型滑坡现场监测技术方面进行了大量有益的探索,其中大地测量法(全站仪、GPS、红外测距仪等)使用最为广泛。美国加利福尼亚运输部采用时间域反射测试技术(Time Domain Reflectometer.TDR)实现了远程及实地监测滑坡;研发了地基微波干涉测量系统,在滑坡微小变形获取方面取得了满意的效果。在国内,张燕君等根据光纤光栅反射波长与应力的线性关系,获得了滑体应变信息;谢谟文等利用地面激光扫描技术,实现了滑坡变形的地面监测。从方便灵活、多角度监测的目的出发,施斌等、张青等和周策等初步建立了滑坡地表变形、内部位移及滑带附近应力变化的联合监测技术,为滑坡体内部—滑动带—滑床三者应力和变形的对比分析提供了较为可靠的技术支撑。

   总体上,虽然先进的多源遥感和地面监测技术在古滑坡复活的早期识别方面越来越受到重视,但是支撑早期模式识别—复活过程识别—风险预测的综合技术体系尚未形成,古滑坡复活的早期识别尚缺乏系统的理论和预测模型的支持。

3  古滑坡复活的关键科学问题和研究展望

3.1  古滑坡复活研究的挑战性

   由于古滑坡的隐蔽性及其复活演变的复杂性和研究手段的局限性,对于古滑坡问题的研究具有很大的挑战性,主要表现在3个方面。

   (1)古滑坡长期演化过程及准确判识的挑战性

   与传统意义上的滑坡类似,古滑坡同样具有类型多样、规模巨大、孕灾背景和失稳条件复杂等共性特征.然而很多古滑坡因遭受长期改造或后期沉积物覆盖,原有的滑坡外貌特征已模糊不清,目前所开展的古滑坡判识研究程度相对较低,缺乏有效的手段反演其长时间演化历史,对其演化过程的认识存在很大的局限性。在实践中常因缺乏有效的判据而出现辨识不清、误判、漏判情况。

   (2)古滑坡复活机理研究的挑战性

   在古滑坡复活机理及灾害风险防范研究中,需要解决若干难点问题。仅就古滑坡复活的物理过程分析而言,滑坡复活过程模拟计算的空间尺度大、时间尺度不等、物质组成混杂、内部物理机制复杂,古滑坡体和滑带强度的自愈功能使得传统的残余强度理论不适用于古滑坡复活机理的研究,同时人类工程开挖或前缘冲刷、降雨入渗、水库蓄水等诱发滑坡复活的因素是动态变化的,成为当前工程地质与地质灾害研究的新命题。

   (3)古滑坡复活早期识别的挑战性

   古滑坡不仅具有隐蔽性,在复活演化过程中还具有变异性和不确定性,这也从另一侧面说明了古滑坡复活问题的复杂性和风险防范任务的艰巨性。关于复杂地质条件下古滑坡复活的早期识别方法,多年来不同领域的学者一直在探索,但至今仍没有很好的解决。古滑坡复活的早期预警是工程规划建设迫切需要解决的瓶颈问题。

3.2  关键科学问题

   正是由于上述挑战性问题的存在,不论从防灾减灾、重大工程规划、新型城镇化建设等需求角度,还是滑坡灾害理论和技术创新角度,开展古滑坡复活问题研究均具有重要的理论和现实意义。鉴于古滑坡复活问题的复杂性,古滑坡复活研究仍存在如下有待突破的关键科学问题。

   (1)快速有效的古滑坡判识方法和准则

   目前,对古滑坡的区域发育规律和长期演化特征的认识尚不清晰,缺乏成熟的古滑坡判识方法和标准。如何将构造地貌演化与古滑坡形成之间的关系等基础理论研究成果,用于大型古滑坡的判识,既需要第四纪地质学和工程地质学等多学科的交叉,也需要与高新技术进行有机融合。

   (2)古滑带的强度演变理论和不同诱发条件下古滑坡复活的起滑机理

   古滑坡复活机理具有显著的特殊性和复杂性,传统的强度和破坏理论不适用于描述古滑带强度的演变过程,内外因素耦合作用下的古滑坡复活机理和演变的阶段性尚不明晰。古滑坡复活的本质是古滑带的再变形或潜在滑带的加速变形,在不同诱发因素作用下,古滑坡体内部次级滑面的演变和古滑带的再变形有着何种机理?如何通过古滑坡复活过程模拟判定滑坡起滑的主控因素并建立相应的预测模型?是值得深入研究的关键问题。

   (3)复杂隐蔽条件下古滑坡复活的早期识别模型和快速识别方法

   对隐蔽性古滑坡复活的标志认识不清,古滑坡复活的早期识别理论和模型缺乏,监测技术的集成化程度低,导致早期识别的精度差。古滑坡复活与初始形成的过程存在明显的差异,如何快速判别古滑坡复活的触发条件和前兆现象?如何科学确定滑坡复活的判据并综合研判复活阶段?如何通过多种手段获取古滑坡复活的多元信息,并根据古滑坡复活进程预测其可能危及的范围和概率,是灾害有效防范的前提。

3.3  研究展望

   应对三大挑战,突破传统理论瓶颈,必须开展上述关键科学问题的攻关研究。结合作者近10 余年的地质灾害研究积累,针对古滑坡复活研究的学术难点和瓶颈问题,提出如下研究建议。

   (1)古滑坡的判识方法与判识标准研究

   针对“目前古滑坡的区域性规律和长期演化特征认识不足,缺乏成熟的古滑坡判识方法和标准”等问题,建议:①结合已发现的典型古滑坡原型案例,从古滑坡形成演化历史人手,研究古滑坡区域发育规律和易发地质环境条件,揭示古滑坡形成、复活及其周期性变化过程,探索提出斜坡长时间序列演化理论。②结合古滑坡的地质地貌特征以及高精度数字高程模型(Digital Elevation Model,DEM)、高分辨率遥感影像、InSAR监测特征等,研究提出古滑坡判识的直接标志和间接标志,建立古滑坡判识的指标体系和相应的判识标准,进而总结古滑坡形成的地质模式。

   (2)古滑坡堆积体的物理力学参数与古滑带的强度演变理论研究

   针对“传统的强度和破坏理论不适用于描述古滑带强度的演变过程”这一理论问题,建议:①通过梳理和总结国内外古滑坡复活案例的滑带土参数、演变规律,确定不同复活模式滑坡的参数选择依据。结合典型案例,研究古滑坡堆积体的剪切强度和变形破坏特性、古滑带强度的演化特征及其界面效应等。②通过不同围压和渗透条件的物理力学试验(室内大三轴试验、不同剪切速率的环剪试验及现场大型直剪试验、变水头伺服控制渗透试验等),研究不同状态下滑坡复活判别参数的合理取值:基于古滑体和滑带不同状态的强度变化规律,研究提出古滑带的强度演变理论。

   (3)不同诱发条件下的古滑坡复活机理与演化过程研究

   针对“内外因素耦合作用下的古滑坡复活机理和演变的阶段性尚不明晰,缺乏相应的古滑坡复活预测模型”等问题,建议:①借助典型古滑坡精细工程地质勘察资料,剖析典型古滑坡的水文地质、工程地质结构及其复活特征,深入分析不同因素(降雨或地表水入渗、水库蓄水、坡脚开挖或冲刷等)诱发古滑坡复活的形成条件,研究古滑带临空和破坏、坡脚应力屈服的孕滑过程,进而揭示古滑坡复活的成灾模式。②在原型案例分析的基础上,借助物理模拟试验、离心机试验和数值模拟分析等,剖析不同诱发条件下(降雨作用、水库蓄水作用、坡脚开挖等)混杂堆积型古滑坡的复活机理,建立复活失稳指数与滑体粒度组成(含石量)、含水状态、滑带特征及诱发因素的关系曲线,提出滑坡分级渐进式复活和整体复活的过程机制。③基于多元监测数据和数值模拟分析,兼顾区域性活动断裂的影响,研究2种以上因素(降雨或地表水入渗、水库蓄水、坡脚开挖或前缘冲刷等)组合条件下古滑坡的复活过程,建立多因素耦合的古滑坡复活预测模型。

   (4)古滑坡复活的早期识别模型与监测技术研究

   针对“隐蔽性古滑坡复活的标志认识不清、古滑坡复活的早期识别理论和模型缺乏、监测技术的集成化程度低”等问题,建议:①根据古滑坡复活前存在不同程度变形(渐进性变形)的特点,通过追踪古滑坡复活的孕育发展过程、复活发生的关键阶段.研究古滑坡复活的早期识别标志,包括局部复活和整体复活的标志。②通过分析古滑坡复活与内外孕灾因子的相互作用耦合关系,建立古滑坡复活的早期识别模型,包括古滑坡复活早期诊断模型、交互耦合度与临界阈值测算模型。③基于多元监测信息和相应的预测模型,研究滑坡复活之后的位移速率、运动轨迹、堆积方式等破坏形式,对其潜在危害区域及可能造成的危害程度进行有效预测、划定危害范围和风险等级,支撑古滑坡复活的有效防范。

4  结  论

   古滑坡是斜坡长期复杂演化过程的产物,古滑坡的复活机理与早期识别研究是当前国际性科学难题。本文在总结国内外古滑坡复活研究进展的基础上,提出古滑坡复活问题研究的3个关键科学问题:古滑坡自动化判识方法和准则,不同诱发条件下古滑坡复活的起滑机理,古滑坡复活的早期识别模型和评价方法。针对这些关键科学问题,提出了今后的重点研究方向:加强古滑坡的区域性规律和长期演化特征研究,加强不同状态下古滑体和滑带的强度变化规律及古滑带的强度演变理论研究,加强内外因素耦合作用下的古滑坡复活机理和演变过程研究,加强古滑坡复活的早期识别模型及监测技术研究。通过破解古滑坡复活问题研究的关键科学问题,将为重大工程规划和防灾减灾提供新的理论和技术支撑。

摘自:《地球科学进展》第7期

张永双, 吴瑞安, 郭长宝, 等. 古滑坡复活问题研究进展与展望[J]. 地球科学进展, 2018, 33(7): 728 – 740.
(ZHANG Yong-shuang, WU Rui-an, GUO Chang-bao, et al. Research progress and prospect on reactivation of ancient landslides[J]. Advances in Earth Science, 2018, 33(7): 728–740. (in Chinese))