高　楊　李　濱　王國章

(①中國地質(zhì)科學院地質(zhì)力學研究所　北京　100081)(②中國地質(zhì)大學(北京)　北京　100083)(③上海交通大學土木工程系　上海　200240)

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雞尾山高速遠程滑坡運動特征及數(shù)值模擬分析*

高楊①②李濱①王國章③

(①中國地質(zhì)科學院地質(zhì)力學研究所北京100081)(②中國地質(zhì)大學(北京)北京100083)(③上海交通大學土木工程系上海200240)

本文在對雞尾山高速遠程滑坡的詳細地質(zhì)調(diào)查的基礎上，分析了該滑坡地質(zhì)環(huán)境背景特征、滑源區(qū)特征和堆積區(qū)特征。將滑坡后破壞運動主要分為失穩(wěn)下滑、碰撞解體和滑行堆積3個階段的運動特征，建立雞尾山高速遠程滑坡運動特征的地質(zhì)模型。結(jié)合DAN-3D數(shù)值軟件，選用FVF組合模型對該滑坡的運動特征進行了模擬，最后得到了滑坡堆積、鏟刮區(qū)域和滑動距離等方面的特征。通過對比分析，雞尾山滑坡模擬后的運動特征與所建立的地質(zhì)模型基本符合，模擬的堆積形態(tài)與實際情況基本一致。由此可以說明，該分析方法可以為高速遠程滑坡成災范圍進行早期評估及預測，為該類滑坡的研究提供一定的幫助。

高速遠程滑坡碎屑流動力學特征DAN-3D數(shù)值模擬

0　引　言

2009年6月5日，重慶市武隆縣鐵礦鄉(xiāng)紅寶村發(fā)生特大型巖質(zhì)滑坡災害，造成了74人遇難， 8 人受傷的特大災難。雞尾山滑坡滑體體積約500×104m3，由于在運動過程中不斷解體，形成了體積約為700×104m3的滑坡堆積體，水平堆積長度約為2150m。雞尾山高速遠程滑坡主要的失穩(wěn)模式為“斜傾厚層巖質(zhì)滑坡視向滑動”，且滑坡在失穩(wěn)之后在短時間內(nèi)迅速達到極高運動速度，最終形成了超遠距離的位移，屬于高速遠程滑坡的范疇(許強等， 2009)。

圖1　雞尾山滑坡剖面布置圖Fig. 1　Section layout of Jiweishan landslide

關于高速遠程滑坡的運動機理研究： 1932年Buss et al.(1881)對瑞士Elm滑坡的研究，并提出了滑坡運動中由于顆粒碰撞導致滑坡遠程滑動的顆粒流模型； Kent(1966)等最早以美國Madison canyon滑坡遠程滑動進行了相關研究，提出了空氣潤滑模型； Eisbacher(2011)等以加拿大高速遠程滑坡為例，提出由于運動過程中的能量轉(zhuǎn)換而導致遠程滑動的能量傳遞模型； Sassa(1988)教授提出了由于超孔隙水壓力改變導致遠程滑動的底部超孔隙水壓力模型。以上4種模型的提出對高速遠程滑坡動力學機理研究進展起著至關重要的作用(張明等， 2010)。而對于高速遠程滑坡的數(shù)值模擬分析，加拿大Hungr教授等基于拉格朗日有限差分法建立了動力模擬方法(DAN數(shù)值模擬軟件)(Cruden et al., 1986)。Evans et al.(2001)等采用DAN軟件對加拿大Mount Cayley碎屑流反演模擬分析，得出摩擦模型(Frictional Model)，賓漢體模型(Bingham Model)和Voellmy Model 3種本構(gòu)模型方程更適合高速遠程滑坡的模擬分析。Scott (2004)采用基于SPH方法的DAN-3D方法，對Frank、Val pola、Cervinara等高速遠程滑坡進行了數(shù)值模擬研究。同時國內(nèi)一些專家學者通過理論分析、模型試驗和數(shù)值模擬也對該類滑坡的動力學特征進行了詳細的描述和分析(胡廣韜， 1995； 邢愛國等， 2002， 2004； 孫萍等， 2009； Yin et al.,2011, 2012, 2013)。

本文針對于雞尾山滑坡堆積情況的現(xiàn)場詳細調(diào)查，建立了雞尾山滑坡的運動地質(zhì)模型，將運動過程主要分為啟程下滑、碰撞鏟刮和碎屑堆積3個階段； 采用DAN-3D數(shù)值模擬軟件，反演分析了雞尾山高速遠程滑坡運動堆積過程及特征。揭示了高速遠程滑坡從塊體到散體再到碎屑體的運動堆積特點，認為能量傳遞是導致該滑坡高速遠程滑坡的主要動力條件。希望為高速遠程滑坡的反演分析、預測分析及動力理論分析提供一定支持。

圖2　雞尾山滑坡山體結(jié)構(gòu)剖面圖(參考圖1剖面Ⅰ—Ⅰ1)Fig. 2　Mountain structure profile of Jiweishan landslide (Refer to figure 1，profile Ⅰ—Ⅰ1)

1　雞尾山高速遠程滑坡概述

1.1雞尾山滑坡基本特征

雞尾山滑坡位于重慶市武隆縣鐵礦鄉(xiāng)鐵匠溝西側(cè)，屬中深切割溶蝕-構(gòu)造中山地貌，總體地勢呈南西高北東低。該研究區(qū)呈單面山斜坡，地形坡角一般為20°～40°，巖層產(chǎn)狀為NE315°～359°∠13°～33°，為典型的斜傾厚層山體結(jié)構(gòu) (圖2)。

滑坡發(fā)生后，堆積區(qū)的平面形態(tài)為斜長的喇叭形，其沿鐵匠溝散落堆積體長度約1500m，溝谷橫向最大寬度約470m，散布堆積面積約48.3×104m2，滑坡堆積最大厚度約55m，總體積約為700×104m3。根據(jù)堆積體現(xiàn)場調(diào)查情況，將其主要分為4個區(qū)域：滑坡堆積區(qū)、鏟刮區(qū)、碎屑流區(qū)以及撒落區(qū) (圖3)(殷躍平， 2010)。

圖3　雞尾山滑坡遙感分區(qū)圖Fig. 3　Remote Sensing division map of Jiweishan landslide

1.2雞尾山滑坡運動特征分析

在現(xiàn)場的詳細調(diào)查、物探及測繪工作，建立雞尾山高速遠程滑坡的運動地質(zhì)模型，其運動過程主要分為啟程下滑、碰撞鏟刮和碎屑堆積3個連續(xù)階段 (圖4，圖5)。

圖4　雞尾山高速遠程滑坡運動過程平面圖Fig. 4　Plane graph of motion process of Jiweishan landslide with rapid and long￣runout

1.2.1失穩(wěn)下滑階段

雞尾山滑坡的類型屬于斜傾厚層山體滑坡(圖6)，沿視傾向滑動失穩(wěn)并形成災害，主要的發(fā)生機制為“后部塊體驅(qū)動-前緣關鍵塊體瞬時失穩(wěn)”(殷躍平， 2010； 馮振， 2012a,2012b)。

1.2.2鏟刮階段

滑坡失穩(wěn)后約500×104m3滑體高位剪出，躍下前緣高約70余米的臨空陡崖，通過勢動能轉(zhuǎn)換，得到較高的滑動速度。并在運動過程中，高速滑體對前緣的小型山體施加以巨大沖擊力，碰撞鏟刮掉前緣突出山體(圖7)； 并且裹挾鏟刮掉溝谷表層大量的松散堆積物和強風化層(殷躍平， 2010； 殷躍平等， 2010)。

圖6　雞尾山滑坡橫剖面(參考圖1剖面Ⅱ—Ⅱ1)Fig. 6　Rross section Ⅱ—Ⅱ1 of Jiweishan landslide(Refer to figure 1， profile Ⅱ—Ⅱ1)

圖7　雞尾山滑坡橫剖面Ⅲ—Ⅲ1Fig. 7　Cross section Ⅲ—Ⅲ1 of Jiweishan landslide(虛線表示的為原始地形，實線表示的為現(xiàn)有的地形； 參考圖1，比例尺為1︰5000)

雞尾山滑坡的鏟刮現(xiàn)象，主要可以分為碰撞侵蝕和裹挾侵蝕兩種方式。碰撞侵蝕的山體主要有兩座山體，山體一的體積約為36.8×104m3，山體二的體積約為2.54×104m3(圖8，圖9)，則碰撞后侵蝕的山體總體積約為40×104m3； 裹挾侵蝕作用是對表層松散堆積層及兩側(cè)山體表面風化層的侵蝕，該作用的侵蝕體積約為20×104m3。由此可以得出雞尾山滑坡由最初的500×104m3滑體，最后散布形成的700×104m3的堆積體中，大約有60×104m3的體積是因為鏟刮作用直接導致的，并且其他一部分是由于滑體解體破碎后擴容而使體積增加，解體擴容系數(shù)為1.28(高楊， 2014)。

圖8　雞尾山滑前被鏟刮山體(落水洞為參考)Fig. 8　The scraped mountain before Jiweishan sliding(referring to sinkhole)

圖9　雞尾山滑體被鏟刮后現(xiàn)狀(落水洞為參考)Fig. 9　The scraped mountain status after Jiweishan sliding(referring to sinkhole)

1.2.3滑行堆積階段

滑體高速碰撞鏟刮作用結(jié)束后，高速滑動巖體通過鐵匠溝后，仍以較高的速度沖向?qū)Π斗€(wěn)定山體，由于對岸山體的阻擋作用，滑坡體的運動路徑受到了一定的阻礙，形成短暫的堆積，此處也是堆積體厚度最大的位置 (圖10)?；w運動中的較高速度和巨大的沖擊力使較大的巖石塊體不斷碰撞解體，進行能量傳遞轉(zhuǎn)向，由此該位置也可謂Eisbacher能量傳遞模型中的能量交換點(Eisbacher， 2011)。隨后在溝谷中以碎屑流的方式向下游運動，最終運動停止 (圖11)。

圖10　雞尾山滑坡橫剖面Ⅳ—Ⅳ1(參考圖1，比例尺1︰2000)Fig. 10　Cross section Ⅳ—Ⅳ1 of Jiweishan landslide(Refer to figure 1，Scale 1︰2000)

圖11　雞尾山滑坡橫剖面Ⅴ—Ⅴ1(參考圖1，比例尺1︰2000)Fig. 11　Cross section Ⅴ-Ⅴ1 of Jiweishan landslide(Refer to figure 1，Scale 1︰2000)

2　DAN-3D數(shù)值模擬分析

2.1DAN介紹及基本原理

DAN-3D是在連續(xù)介質(zhì)模型基礎上將滑體等效為具有流變性質(zhì)的流動體(Xing et al.， 2014)。因此，對于流變模型方程的選取，對于滑坡模擬與實際運動、堆積特征的影響至為關鍵(高楊等， 2013)。Hungr， Sosio等學者通過多個實例的模擬表明，F(xiàn)rictional、Voellmy兩種流變模型可以較為逼真的反映出滑坡-碎屑流的運動及堆積特征，其流變模型方程式如下所述(Hungr et al., 2004; Sosio et al.， 2008)。

Frictional模型：滑動剪切阻力T為滑坡作用在運動路徑上的函數(shù)，表達式如下：

(1)

其中，T為流體基底剪切阻力；γ為重度；H為流體厚度；α為運動路徑坡角；ac=v2/R為離心加速度，它的值取決于運動路徑曲率；ru為孔隙水壓力系數(shù)，φ為摩擦角。

Voellmy模型：相比Frictional模型增加了湍流系數(shù)，表達公式如下：

(2)

其中，ξ為流體運動中的湍流擴散系數(shù)，其他參數(shù)與方程(1)一致。

2.2模型建立及參數(shù)選取

根據(jù)滑坡區(qū)域的地形圖和滑坡堆積特征分區(qū)圖，作者通過滑前和滑后地形的比較 (圖12)，將滑坡從失穩(wěn)到堆積的運動過程分為3個階段：啟動下滑階段、鏟刮碰撞階段、滑行堆積階段。選用Frictional、Voellmy兩種流變模型進行模擬分析，在模擬的過程中由于在碎屑流運動過程中不同的階段流變性質(zhì)的不同，則基底的流體阻力模型也不同，則可對滑坡的不同區(qū)域分別采用不同的模型，并將模擬結(jié)果和堆積體實際調(diào)查結(jié)果進行對比(表1)(高楊， 2014)。

表1　雞尾山滑坡-碎屑流DAN模擬模型分區(qū)Table1　Debris flow model of Jiweishan landslide

模型滑坡分區(qū) 滑源區(qū)鏟刮區(qū)主堆積、碎屑堆積區(qū)Frictional模型FrictionalFrictionalFrictionalVoellmy模型VoellmyVoellmyVoellmyFFV模型FrictionalFrictionalVoellmyFVF模型FrictionalVoellmyFrictionalFVV模型FrictionalVoellmyVoellmy

通過對比分析，采用FVF流變組合模型對雞尾山高速遠程滑坡的模擬更為合理 (表2 為FVF模型參數(shù))。

表2　FVF模型參數(shù)Table2　The parameters of FVF model

模型參數(shù)內(nèi)摩擦角/(°)摩擦系數(shù)湍流系數(shù)/m·s-2重度/N·m-3平均鏟刮深度/mFrictional35——280Voellmy350.20200283Frictional350.20—280

圖12　雞尾山滑坡滑前滑后三維地形圖對比Fig. 12　The 3D terrain map comparison of Jiweishan landslide from start to finisha. 雞尾山滑坡滑前三維地形圖； b. 雞尾山滑坡滑后三維地形圖

圖13　雞尾山滑坡滑前DAN模擬界面圖Fig. 13　DAN simulation interface diagram before Jiweishan landslide

圖14　雞尾山滑坡滑后DAN模擬界面圖Fig. 14　DAN simulation interface diagram after Jiweishan landslide

2.3模擬結(jié)果與分析

DAN-3D具有可視化的優(yōu)點，可以直觀的反映出滑坡運動過程中滑體形態(tài)的變化情況，圖13、圖14為雞尾山滑坡滑前、滑后雞尾山滑坡的DAN模擬界面圖。

2.3.1滑坡運動形態(tài)分析

2.3.1.1啟程視向滑動-碰撞鏟刮階段

圖15為滑體后部明顯沿真傾向向左側(cè)山體方向發(fā)生滑動，由于山體的阻擋而使滑體沿視傾向發(fā)生偏移，而滑坡前緣對剪出口下方的松散堆積層開始進行鏟刮。當滑坡下滑脫離滑源區(qū)后，進入鏟刮階段，滑體前緣先對前方的小型山體進行碰撞鏟刮，逐漸破碎，隨后對松散堆積層進行裹挾鏟刮圖。

2.3.1.2鏟刮-撞擊轉(zhuǎn)向階段

圖16表現(xiàn)了滑坡體脫離滑源區(qū)后鏟刮前緣山體及周圍松散堆積層的過程，并在到達了對岸山體后發(fā)生堆積，隨后轉(zhuǎn)向沿溝谷向下游運動。

2.3.1.3碎屑流動堆積階段

圖17反映了雞尾山滑坡在運動過程中由于滑體內(nèi)部速度的不同以及與周圍山體的碰撞，不斷解體形成碎屑流，沿溝谷向下游繼續(xù)運動，最后運動停止。由停止后的堆積圖可以看出在滑坡運動過程中鏟刮區(qū)和轉(zhuǎn)向處的堆積厚度較大。

圖15　雞尾山高速遠程滑坡堆積等值線圖(啟程視向滑動階段)Fig. 15　Accumulation contour diagram(departure radial sliding stage) of Jiweishan landslidea. T=0s； b. T=20s； c. T=30s

圖16　雞尾山高速遠程滑坡堆積等值線圖(鏟刮和撞擊轉(zhuǎn)向階段)Fig. 16　Accumulation contour diagram(scraping and impacting stage) of Jiweishan landslidea. T=40s； b. T=50s； c. T=60s

圖17　雞尾山高速遠程滑坡堆積等值線圖(碎屑流堆積分析)Fig. 17　Accumulation contour diagram(The accumulation of debris flow stage) of Jiweishan landslidea. T=80s； b. T=120s； c. T=200s

2.3.2滑坡運動鏟刮分析

模擬計算中，雞尾山滑坡失穩(wěn)后，約430×104m3體積的滑坡體高速下滑，經(jīng)過約70m高度的勢動能轉(zhuǎn)化階段，產(chǎn)生巨大的能量，鏟刮掉剪出口下方的山體及大面積松散堆積層。鏟刮山體的體積約為80×104m3； 鏟刮區(qū)的平均鏟刮深度為3m； 從模擬等值線圖中可以看出，鏟刮深度最大值為9m，發(fā)生在水平距離920m處，此處正是滑后被鏟刮的山體的位置，在水平位置約1100m處的鏟刮深度達到7m，是侵蝕前方突出山脊和表層大量的松散堆積物的結(jié)果，與調(diào)查結(jié)果基本一致，反映了其實際情況 (圖18)。

　圖18　雞尾山高速遠程滑坡鏟刮等值線圖(T為模擬時間)Fig. 18　Scraping contour diagram of Jiweishan landslidea. T=30s； b. T=50s； c. T=70s

2.3.3滑坡運動過程速度變化和體積分析

圖19　雞尾山滑坡運動過程中最大速度分布圖Fig. 19　The maximum velocity distribution diagram of Jiweishan landslide motion process

圖21顯示了雞尾山滑坡運動過程中最大速度的分布情況，滑體啟動后，通過90m高陡坎后勢能轉(zhuǎn)化為動能，速度不斷增加； 通過鏟刮區(qū)后(水平距離約1000m)因為基底阻力的影響速度逐漸下降； 當?shù)竭_水平距離約為1300m處時，速度又出現(xiàn)增加的特征，據(jù)現(xiàn)場調(diào)查該處有高差約為50m的下降坡導致； 最后隨著能量的耗散運動逐漸停止。

圖20　平均堆積厚度與時間變化曲線圖Fig. 20　The curve diagram of average accumulation thickness with time changing

圖21　滑體體積與時間變化曲線圖Fig. 21　The curve diagram of volume with time changing

雞尾山滑坡滑體啟動后，由于滑體碰撞解體擴散，平均堆積厚度逐漸減小，但受前緣山體的阻擋以及前緣下方山體的鏟刮作用，滑坡運動到30s(模擬時間)時平均堆積厚度 (圖20)和滑體體積 (圖21)顯著增加。從滑坡堆積厚度和體積的趨勢圖中，證實了滑坡的運動過程經(jīng)歷了滑體剪出下滑、鏟刮侵蝕和滑行堆積3個階段。模擬時間0～30s之間為滑坡下滑階段、30～55s之間為滑坡鏟刮階段、55～200s為碎屑體滑行堆積階段。

2.3.4模擬結(jié)果分析

綜上所述，在雞尾山高速遠程滑坡DAN-3D模擬中，F(xiàn)VF模型較好的反映出了雞尾山高速遠程滑坡運動過程中3個階段，并且與實際情況基本一致。通過模擬分析發(fā)現(xiàn)，雞尾山滑坡-碎屑流的滑程為2170m，模擬運動時間200s，滑坡運動最大速度為39.97m·s-1，堆積體水平長約1520m，平均厚度為15m，最大厚度為37m。雞尾山滑坡發(fā)生后鏟刮方量達到80×104m3，鏟刮區(qū)平均鏟刮深度為3m，最大鏟刮深度達到9m。上述模擬結(jié)果基本反映了雞尾山滑坡的堆積趨勢。

3　結(jié)　論

本文以重慶武隆雞尾山高速遠程滑坡為例，在建立運動地質(zhì)模型的基礎上，討論了雞尾山巖質(zhì)高速遠程滑坡的破壞機制及后破壞的運動特征； 并運用DAN-3D軟件反演模擬了碎屑流的運移堆積過程，解釋了雞尾山高速遠程滑坡失穩(wěn)后下滑、鏟刮和碎屑堆積的3個連續(xù)的運動階段和動力學特征。通過不同模型的比較，F(xiàn)VF組合模型得到的滑坡堆積、鏟刮和滑動距離等方面特征與實際情況較一致，認為FVF組合模型是高速遠程滑坡在DAN模擬中較為合適的流動模型，可以更好的反映出高速遠程滑動的運動過程，并且反映出了在運動過程中的動力學特征。希望通過以上分析研究，對今后一些高速遠程滑坡的運動特征及成災范圍進行模擬預測。

致謝感謝上海交通大學邢愛國老師和馮振、賀凱、王磊博士提供的幫助和指導!

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張明，殷躍平，吳樹仁，等. 2010. 高速遠程滑坡-碎屑流運動機理研究發(fā)展現(xiàn)狀與展望[J]. 工程地質(zhì)學報， 18(6)： 805～817．

MOTION FEATURE AND NUMERICAL SIMULATION ANALYSIS OF JIWEISHAN LANDSLIDE WITH RAPID AND LONG RUN-OUT

GAO Yang①②LI Bin①WANG Guozhang③

(①Institute of Geo-mechanics， Chinese Academy of Geological Sciences， Beijing100081)(②China University of Geosciences (Beijing), Beijing100083)(③Shanghai Jiao Tong University， Shanghai200240)

This paper is based on detailed geological survey of the Jiweishan landslide. It analyzes the characteristics of landslide geological environment background， slide source characteristics and deposition area. It discusses the movement characteristics of three phases including the landslide instability， collision and sliding accumulation. It establishes the geological model of Jiweishan landslide. It takes the advantage of DAN-3D numerical simulation software. The landslide is simulated by choosing the FVF combination model on the motion characteristics. It finally gets the landslide accumulation， scraping area and sliding distance features. Through analysis and comparison， the simulation results are consistent with the actual situation. So this analysis method can be used for early assessment and prediction of disaster area to provide technical support for rapid and long run-out landslide．

Rapid and long run-out， Landslide-debris flow， Dynamic characteristics， DAN-3D， Numerical simulation

10.13544/j.cnki.jeg.2016.03.012

2014-11-27;

2015-07-22.

國家自然科學基金項目(編號： 41472295， 41302246)，十二五國家科技支撐項目(編號： 2012BAK10B01)， 國土資源地質(zhì)調(diào)查項目(編號： 1212011220140， 12120114079101)資助.

高楊(1989-)，男，博士生，主要從事地質(zhì)工程與地質(zhì)災害研究方面的工作. Email: gaoyang19891014@163.com

P642

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