斜坡演化的内外动力耦合作用模式
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发布时间：2022-05-06 07:30
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时间：2022-06-29 00:37
过去，人们常将滑坡、崩塌等斜坡灾害归为外动力地质灾害，因此在研究崩滑灾害时常常侧重于外动力作用的成因分析和预测，其研究的角度是非常片面的。通过对虎跳峡河段典型斜坡演化的成因机制分析，我们发现无论是松散堆积体斜坡的形成，还是斜坡失稳破坏，都是经过一系列内、外动力长期作用才发生的，且地壳抬升和断裂活动等内动力作用在其中起着主导控制作用，外动力作用伴随着内动力作用的产生和发展，其性质和强度受内动力地质作用的影响和控制。
不同动力地质作用组合类型，促使斜坡发生不同形式的演化。例如，在两家人松散堆积体形成过程中，地壳抬升引起河流动力作用加剧，河谷岸坡侧向卸荷作用加强，有利于拉张结构面的形成，斜坡易于失稳破坏;地壳运动促使断裂活动加剧，导致岩体结构面发育，从而使风化作用和水动力作用增强，当地震发生时，岩体变形碎化效应更加明显，堆积体形成过程的动力作用分析突出地反映了地壳隆升运动和断裂活动在两家人堆积体形成过程中的重要作用。滑石板堆积体斜坡的形成与两家人松散堆积体形成过程类似，都突出地受到地壳抬升、河流冲刷和断裂错动的影响，而后期堆积体滑动则是地震与降雨双重影响的结果。在龙蟠右岸斜坡变形中，构造挤压作用造成了岩体的深层破碎，区域地应力场的转化使岩体呈先压后拉的受力效应，地壳抬升、河流下切导致深部岩体的卸荷松动和拉裂变形，后期重力作用使后缘软硬相间地层发生弯曲-蠕变和局部倾倒变形，内、外动力组合作用造成斜坡体变形。综合研究区斜坡变形破坏与相关动力因子关联度量化分析成果(刘衡秋等，2006)，本书认为在虎跳峡河段不同类型的斜坡演化中，尽管内外动力作用方式有所差异，但均为在地壳抬升运动和断裂活动等内动力作用的影响下而产生的一系列动力作用过程。特别应指出的是，从单纯的外动力或内动力作用来解释虎跳峡地区斜坡演化的成因机制是不够的，综合考察内、外动力地质作用对斜坡演化的影响，是一种更为全面的研究方法。
4.3.1 内外动力耦合作用的概念
耦合是指两个或两个以上的体系或两种运动形式之间通过各种形式的相互作用而彼此影响一致联合互动的现象。在地质时间尺度上，斜坡演化是地球表层物质在动力作用下自然演化的一种方式，其演化过程中的动力学作用由内动力过程和外动力过程组成，实质上表现为内外动力的耦合作用。近年来，内外动力“耦合”作用的思想已越来越受到地质工作者的高度重视，并把它作为重大地质灾害成因分析的理论依据(王思敬，2002)。
内、外动力地质作用在时间和空间上是并存的，且相互促进、共同作用。一个斜坡发生一次滑坡或崩塌尽管它可能是在某次降雨时发生，但它是内外动力长久耦合作用下的结果。降雨只是加强了这种地质动力耦合作用机制，促使河谷斜坡达到安全系数的临界值。因此，综合考虑内、外地质动力作用的主次关系及控制因素，本文将斜坡演化的内外动力耦合作用定义为:以内动力地质作用为主导，控制外动力地质作用的性质和强度并一致作用于地质体之上的现象(刘衡秋等，2006)。内动力地质作用(A)、外动力地质作用(B)和地质体(C)三者之间的关系如图4.3.1所示。
图4.3.1 内、外动力作用与地质体之间的关系
4.3.2 内外动力耦合作用下斜坡演化效应
内外动力耦合作用产生的“合并力”构成斜坡演化的主要动力(刘衡秋，2006)，其作用效应主要包括以下三个方面:
(1)引起地形地貌差异
斜坡演化的第一个必要条件是必须具有明显的地形地貌差异，这样才能形成岩土体失稳运动的重力势差，而内动力地质作用特别是地壳运动和断裂活动是引起地形地貌差异的根本原因。地壳隆起作用导致山区、高原的隆升以及平原、盆地的加速沉降，这样两者地形高差变大，并造成更大的重力势能。地壳隆升还促使断裂活动加剧，由断裂活动引起的垂直位移造成断裂带及其周围地形的高差悬殊，使得坡体重力作用加强。在有河流发育的地区，河流坡降加大，又使河谷深切(外动力地质作用)力度加大，山体上升与峡谷下切的同步耦合作用加大了地形高差，导致河谷与岸坡间重力势差增大。于是较高的重力势差为斜坡演化创造了基本的运动条件。例如，伴随青藏高原持续隆升，虎跳峡山盆地形高差变大，高山峡谷反差变大，目前虎跳峡地区高山与盆地的垂直落差在2000～3000m之间，峡谷区河流最大切割深度达到3800m，重力势差的增加使得该地区地质环境日趋恶劣，斜坡演化非常剧烈，相对宽缓河谷区而言，高陡的峡谷地带斜坡变形破坏体平均线密度和线模数分别是前者的4倍和14倍。
(2)提供物质基础
地壳的构造隆起和断裂活动等内动力地质作用过程必然伴随岩体的变形与构造结构面的不断发育，而自重应力导致卸荷松弛以及表层的物理化学风化等外动力作用进一步加速结构面的软化和岩体破碎，从而为斜坡演化创造物质条件。
(3)造成地质体结构变化
构造运动造成断裂裂隙的发育促使河谷的深切，导致斜坡卸荷问题更加突出。山区、高原的加速隆升促进了气候变化幅度的进一步增大，从而导致风化、剥蚀作用的进一步加强，并促使高原周缘河谷下切加剧，卸荷作用增强，造成岩体中裂隙发育。所有这些内外动力作用的耦合，导致地表岩土体内发育大量的结构面，造成岩土体强烈变形、破碎，力学性能大大降低或发展成松散体，从而为斜坡演化创造有利的结构条件。
从斜坡演化效应中内外动力作用特点来看，内动力地质作用构成斜坡演化的本底，外动力作用主要起表生改造作用。
4.3.3 内外动力耦合作用模式
地壳表层的内外动力耦合作用通常具有明显的地域性，从而表现出耦合作用强度的空间差异性，它是地质环境各组成要素、介质、结构、特性、边界、赋存环境在地表有规律地发生分化而引起的差异(刘衡秋等，2009)。因此，不同地区内外动力耦合作用的强度各不相同，致使斜坡演化的响应程度不一。虎跳峡地区内、外动力作用包括了地壳抬升、断裂活动、地震、河流动力作用、风化作用、卸荷作用、大气降水和人类活动作用等，河谷地貌长期经受强烈的内外动力作用，斜坡演化活动剧烈，本书从内外动力作用机制和斜坡演化效应两方面入手，进行虎跳峡河谷地区斜坡演化的内外动力耦合作用分析。内外动力耦合作用模式及其斜坡演化响应的表里关系可通过图4.3.2加以概括。
一方面，内动力地质作用在斜坡演化中起主导控制作用。虎跳峡地区位于青藏高原与云贵高原之间的斜坡过渡地带，受印度板块和欧亚板块强烈碰撞并向东挤压的影响，造成构造抬升，并于扬子地台西缘形成和发育了大量挽近期以来有强烈走滑和逆冲活动的断裂带。地壳抬升使地表山体出现侧向拉张应变，促进地壳初始高压应力的释放，造成岩体结构松弛，而断裂错动则造成断裂带附近的岩体结构面发育，岩体破碎，在这种情况下自然有利于山体的解体和崩塌、滑坡的发生。地壳抬升和断裂活动是本区斜坡变形破坏的主要控制因素，表现在:①当抬升速率低于0.25mm/a时，斜坡变形破坏体发育程度低，而当抬升速率＞0.35mm/a时，斜坡变形破坏程度显著增大，抬升速率提高0.1mm/a，变形破坏体平均线密度和线模数增大4～5倍，反映地壳抬升速率在一定程度上控制斜坡变形破坏体的发育程度;②离断裂越近，斜坡变形破坏程度越明显，其中在距断裂500m范围内，斜坡变形破坏体占研究区总数的57%，说明斜坡变形破坏体空间分布受控于确定的活动断裂，从而形成带状的斜坡变形破坏体发育带。
图4.3.2 虎跳峡地区斜坡演化的内外动力耦合作用模式
另一方面，外动力作用皆不同程度地受到内动力作用的影响，内外动力耦合作用控制斜坡的稳定性。青藏高原隆升导致了亚洲季风气候的产生，从而导致物质化学风化、剥蚀作用的进一步加强，河谷下切加剧形成高山峡谷。谷坡前缘高陡临空，其表层的应力状态不断变化，岩体剥蚀而产生回弹变形和卸荷松动，并产生张性结构面，在这种情况下，平行坡面的最大主应力几乎不起作用，坡体容易产生近坡面的变形破坏。例如，山体上升和河谷下切的同步耦合作用，引起侧向卸荷作用加强，在龙蟠右岸硬质砂岩中形成平行坡面的陡倾拉张裂隙，结构面的不抗拉性可为坡体变形创造了有利的结构条件。此外，岩体卸荷作用使得岩体中原有构造裂隙逐渐变宽加深，在强降雨时骤然而下的大暴雨急剧渗入拉张裂隙中，岩体中的含水量迅速上升，从而在坡体内产生较大的水压力，使坡体受到向临空方向的侧向推力，易形成滑坡或崩塌;地下水可使岩体中可溶盐类发生溶解、水解作用，岩体原有结构的力学强度不断降低，谷坡上部岩体更加松动破碎，岩体稳定性下降，受自重、地震或降雨作用，碎裂岩石不断往下崩落，若谷坡下段平缓，可形成松散的岩土堆积体如两家人堆积体和滑石板堆积体等。在卸荷回弹变形与长期风化作用下，当卸荷松动岩体中的软弱结构面贯通后，若斜坡岩体中累积的剪应力达到软弱结构面上的抗剪强度极限时，在暴雨、地震或人类工程活动等因素的触发下即发生向临空方向(河流)的快速位移而形成崩塌或滑坡，如上虎跳河谷堆积的巨大块石(虎跳石)即为此类型岩体失稳崩塌所致。
图4.3.3 动力作用强度(S)与斜坡变形破坏频度或规模(P)关系
综上所述，虎跳峡河谷地区的斜坡演化反映了内动力作用下地表山体或斜坡中结构应力释放与结构松弛及外动力地质作用的表生改造，其演化过程是十分复杂的，单一因素(内动力或外动力)的分析不能全面反映斜坡的演化机制。本区内动力系统活跃，在内动力作用驱动下地壳上隆、断裂错动，同时外动力地质作用也得到进一步增强(包括作用规模增大和频度的增加)，内外动力的耦合作用贯穿在河谷斜坡演化的全过程当中，从而促使斜坡演化的动力作用强度增大，斜坡变形破坏体的发育频度和规模自然会大为增加(图4.3.3)。内外动力耦合作用模式的建立能够为斜坡演化的成因机制分析提供更全面的解释。
