張 濤，楊志華，張永雙，陳 亮，吳瑞安

(1.中國地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)力學(xué)研究所，北京 100081； 2.中國地質(zhì)調(diào)查局天津地質(zhì)調(diào)查中心，天津 300170；3.四川省地質(zhì)調(diào)查院，四川 成都 610081)

2017年6月24日上午5時39分，四川省阿壩州茂縣疊溪鎮(zhèn)新磨村發(fā)生特大滑坡，造成40多戶農(nóng)房被掩埋，10人死亡、73人失蹤?；聟^(qū)位于岷江上游，屬于松潘—甘孜褶皺帶、龍門山造山帶的過渡區(qū)域，受岷江斷裂、龍門山斷裂和松坪溝斷裂三條活動斷裂帶的影響，地形呈現(xiàn)出強(qiáng)烈隆升深切割的中高山-高山地貌[1]?；掳l(fā)生后，國內(nèi)外不少學(xué)者對滑坡成因進(jìn)行了研究，認(rèn)為滑坡源區(qū)山體在1933 年疊溪地震中被震裂產(chǎn)生拉張裂縫，之后在1976年平武地震、2008年汶川地震等多次地震中繼續(xù)拉張，經(jīng)歷長期的重力和降雨作用后，最終整體失穩(wěn)破壞[2]。

高速遠(yuǎn)程滑坡往往更容易發(fā)生于高陡山區(qū)，形成碎屑流并伴隨強(qiáng)烈的鏟刮效應(yīng)[3]。Hungr[4]提出了一種模擬高速碎屑流運動的模型；Cuomo等[5]運用SPH模型研究得出碎屑流的鏟刮深度一般在中部區(qū)域達(dá)到最大值；Pirulli等[6]、Hussin等[7]先后提出不同的簡易數(shù)學(xué)模型，嘗試解答碎屑流的體積、動量、流變能力等因素對鏟刮效應(yīng)的影響；Mccoy等[8]對鏟刮作用中松散沉積層的孔壓變化做了研究；Iverson等[9]總結(jié)了碎屑流鏟刮作用的研究進(jìn)展，并提出層間的鏟刮或沉積必須滿足Rankine-Hugoniot方程和剪切應(yīng)力突變條件；Yin 等[10]研究三溪村滑坡認(rèn)為2008年汶川地震使其形成了潛在滑坡區(qū)，并在強(qiáng)降雨作用下產(chǎn)生滑動，模擬得到其鏟刮深度為2 m；王國章等[11]用DAN3D軟件模擬了武隆雞冠嶺巖質(zhì)滑坡的崩滑-碎屑流過程，得到其分布規(guī)律和堆積特征；陸鵬源等[12]通過物理模型試驗和高速攝像機(jī)分析了滑坡-碎屑流顆粒粒徑、體積以及基底材料等因素對鏟刮深度和鏟刮長度的影響。已有研究結(jié)果表明，不同高速遠(yuǎn)程滑坡之間滑動過程差異較大，伴隨的鏟刮、碎屑流以及孔隙水壓的變化也不盡相同，鏟刮方量受碎屑流特征、堆積體性質(zhì)等因素影響巨大。

新磨村滑坡滑動高程差大、滑動距離遠(yuǎn)，鏟刮現(xiàn)象在整個滑動過程中都十分明顯，且對基巖區(qū)、碎石土堆積區(qū)都存在鏟刮作用。本文結(jié)合現(xiàn)場調(diào)查、無人機(jī)、遙感影像等技術(shù)手段，判斷出新磨村滑坡主要發(fā)育兩處鏟刮凹槽，并運用Rockfall軟件模擬了源區(qū)滑體的運動路徑、速度和能量，得出其危險性分區(qū)，較好地解釋了鏟刮凹槽的形成。最后基于Voellmy模型對該滑坡的鏟刮效應(yīng)進(jìn)行研究，得出崩滑源區(qū)、碎屑流區(qū)、老滑坡體鏟刮與堆積區(qū)三部分的滑坡方量，為今后類似滑坡研究提供參考。

1 滑坡基本特征

新磨村滑坡所在的斜坡由三疊系雜谷腦組(T2z)淺灰色薄層-中層狀石英砂巖夾薄層板巖構(gòu)成，產(chǎn)狀210 °∠53 °，主要出露于滑坡區(qū)上部、中部。巖體內(nèi)發(fā)育有三組節(jié)理：26 °∠71 °、40 °∠35 °、290°∠65 °。斜坡坡向195 °，為順向坡。下部堆積有崩坡積碎石土，碎石土的下伏層為河流II級階地砂礫層(圖1)。

圖1 滑坡發(fā)生前的斜坡特征(a)與前緣老滑坡堆積體(b)(2017.06)Fig.1 Bedding plane and joints before sliding (a)and previous accumulation body (b) (June,2017)

1.1 滑坡概況

新磨村滑坡發(fā)生后，通過現(xiàn)場調(diào)查并結(jié)合無人機(jī)、遙感影像解譯，該滑坡的滑源區(qū)最高點高程3 460 m，河床高程2 300 m，滑坡高差1 160 m，水平滑動距約2 200 m，是典型的高速遠(yuǎn)程滑坡-碎屑流?，F(xiàn)滑坡堆積體前緣高程2 280 m，后緣高程2 800 m。堆積區(qū)近似梯形，前緣最大寬度為1 200 m，后緣寬約500 m，長約1 100 m，面積9.35×105m2。

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，并結(jié)合無人機(jī)照片，將整個滑坡區(qū)域分為滑動源區(qū)、碎屑流區(qū)、變形區(qū)、老滑坡體鏟刮與堆積區(qū)、氣浪影響帶5個區(qū)域(圖2～3)。整個滑坡可見一處滑動面和兩處鏟刮面(圖4)：滑動面位于滑坡頂部，為巖層層面，可見縱橫交錯的節(jié)理；第一處鏟刮面位于碎屑流區(qū)，凹槽狀，底部堆積碎石，整體凹凸不平；第二處鏟刮面位于滑坡中下部，原為高約10 m的臺坎，鏟刮后出露高度約30 m，表面光滑。

圖2 滑后無人機(jī)影像解譯圖Fig.2 UAV image after disaster

圖3 滑坡剖面圖Fig.3 Longitudinal profile of landslide

圖4 滑坡上部滑面與鏟刮面(a)與中部鏟刮面(b) (2017.06)Fig.4 Sliding and entertainment plane in upper area (a)and entertainment plane in middle area (b) (June,2017)

1.2 滑坡過程

根據(jù)源區(qū)滑面特征、兩處鏟刮凹槽分布位置和堆積區(qū)特征，整個滑動過程可大致分為后緣拉裂-啟滑、基巖鏟刮-碎屑流、堆積體鏟刮-重新堆積三個階段。

(1)受1933年疊溪地震、2008年汶川地震等多次地震影響，分布高程3 150～3 400 m的滑源區(qū)巖體形成多組裂隙和節(jié)理，其頂部具備完整入滲通道?；掳l(fā)生前4—6月累計降雨量約300 mm，單日最大降雨量約27 mm，降雨豐沛，雨水入滲至薄層板巖，使其軟化并成為滑動面。

(2)鏟刮-碎屑流階段：滑源區(qū)滑塊突然失穩(wěn)下滑，以巨大的動能推擠、鏟刮沿途表層風(fēng)化巖體及部分基巖，結(jié)構(gòu)破碎的滑塊繼續(xù)崩解，鏟刮體和崩解體混合在一起高速運動并演變?yōu)樗樾剂鳌?/p>

(3)堆積體鏟刮-重新堆積階段：上一階段形成的高速碎屑流繼續(xù)運動，對下部老滑坡堆積體淺層物質(zhì)進(jìn)行裹挾鏟刮，并混合成為新的碎屑流繼續(xù)進(jìn)行該作用，直到脫離老滑坡堆積體，最后重新堆積。

2 源區(qū)滑體運移分析

Rockfall模擬軟件是基于ArcGIS平臺開發(fā)的用于模擬滑體運動路徑的軟件[13]。采用該軟件分析了此次滑坡中的滑體運動路徑、速度、能量和危險性。所需的地形DEM數(shù)據(jù)、崩塌源矢量數(shù)據(jù)、地表介質(zhì)矢量數(shù)據(jù)和遙感影像根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查和無人機(jī)測繪獲取。其中，地表介質(zhì)數(shù)據(jù)針對不同的地表類型，根據(jù)經(jīng)驗和文獻(xiàn)[13]設(shè)定數(shù)值(表1)。其中，回彈系數(shù)等于塊體撞擊前后速度之比，表征地表介質(zhì)的軟硬程度；摩擦角表示塊體與地表介質(zhì)之間產(chǎn)生相對運動時摩擦力與正應(yīng)力的夾角。

2.1 運動路徑

模擬分析塊體運動路徑可得到滑坡發(fā)生的大致范圍、單個塊體的速率，為后續(xù)能量、危險性分析提供參數(shù)。選取源區(qū)東側(cè)、中部、西側(cè)共五個塊體，B和C、D和E位置基本保持相同，模擬其運動路徑(圖5)，結(jié)果表明：滑體運動路徑與地形緊密相關(guān)，滑體運動路程的遠(yuǎn)近與滑體原始高程正相關(guān)。源區(qū)整體運動路徑圖中，塊體運動路徑存在兩處明顯的“頸口”現(xiàn)象，并伴隨著方向的轉(zhuǎn)變：一次在碎屑流區(qū)頂部，集中通道寬約100 m，向西南運動，導(dǎo)致了西側(cè)變形區(qū)和鏟刮凹槽的形成；第二次在碎屑流區(qū)底部，集中通道寬約120 m，轉(zhuǎn)向南偏西20 °～30 °運動。之后滑體遇到老滑坡堆積體，部分滑體未改變方向，大部分滑體運動方向偏轉(zhuǎn)向東側(cè)區(qū)域滑動，西側(cè)區(qū)域少有滑體通過。該結(jié)果與現(xiàn)場西側(cè)區(qū)域房屋有所保留而中部、東部區(qū)域房屋被推移到松坪溝對岸的事實相吻合。此外，“頸口”位置也與兩處鏟刮凹槽的上部位置相一致，說明路徑模擬可用于判斷鏟刮的起始位置。

2.2 運動過程

通過以上模擬，選取高程為3 310 m處的滑體(圖5a，點D)，得出其運動路徑較地面的起伏和塊體運動速率變化(圖6)。結(jié)果顯示：在100 m附近塊體速率出現(xiàn)陡降，其原因是遇到地形凸起，滑塊碰撞后減速繞開；在中部平距100～1 400 m區(qū)域，速率近乎呈直線上升，說明該處地表平整度較高；而在下部平距1 400～1 750 m區(qū)域內(nèi)，滑體多次躍離地面，速度也多次呈二次函數(shù)型增長以及多次直線下降，說明此處地形起伏度大，且滑體與地表發(fā)生了多次撞擊。速度陡降區(qū)域與碎屑流區(qū)、老滑坡堆積區(qū)鏟刮凹槽位置相同，說明地形的起伏對鏟刮效果起到明顯促進(jìn)作用。

2.3 危險性與鏟刮程度

利用上述得到的速度結(jié)果，模擬出源區(qū)塊體運動能量分布(圖7a)，該能量為所有塊體全過程能量的疊加。將塊體運動路徑密度、躍高、能量進(jìn)行柵格圖層的加權(quán)運算，得到新磨村滑坡局部地區(qū)的滑坡危險性評估圖(圖7b)。危險性越高，表示滑體對坡表的破壞性越強(qiáng)。能量模擬結(jié)果顯示：在碎屑流區(qū)內(nèi)，能量集中于中間位置；在鏟刮與堆積區(qū)內(nèi)，塊體遇到老滑坡堆積體散開，通過東側(cè)區(qū)域的塊體能量更高，原因是這些塊體順滑動方向避開了老滑坡堆積體上部地形凸起，能量未產(chǎn)生較大損失。

危險性評價結(jié)果表明：在碎屑區(qū)中間位置危險性極高，兩側(cè)危險性降低，與該區(qū)域出現(xiàn)鏟刮凹槽的事實相符合；與能量分布結(jié)果相反的是，鏟刮與堆積區(qū)中部主要是極高危險區(qū)，東側(cè)主要為高危險區(qū)，原因是塊體大量通過中部區(qū)域，跡線密度較大，該模擬結(jié)果與現(xiàn)場河流階地東側(cè)較高、中部低、西側(cè)極高，呈凹槽狀的事實吻合。所以，危險性分區(qū)結(jié)果在一定程度上反映了滑坡不同區(qū)域的鏟刮程度，也代表了各區(qū)域受災(zāi)程度。

圖7 滑坡能量分析(a)與危險性評估圖(b)Fig.7 Energy partition (a) and risk assessment (b)

3 滑坡鏟刮效應(yīng)

滑坡的鏟刮效應(yīng)一般通過鏟刮深度、鏟刮距離和鏟刮方量來衡量。由以上分析和模擬可知，新磨村滑坡的鏟刮效應(yīng)集中于碎屑流區(qū)和老滑坡體堆積區(qū)，采用不同的方法對兩區(qū)域的鏟刮進(jìn)行分析。并計算滑動源區(qū)的滑動方量，得到滑坡總方量。

3.1 碎屑流區(qū)鏟刮

碎屑流區(qū)為基巖及其表層風(fēng)化殼的鏟刮，且此過程中伴隨著碎屑流的形成。實際調(diào)查及無人機(jī)影像表明(圖8a)，碎屑流區(qū)上部鏟刮凹槽為鏟刮最深處，約30 m[2]；碎屑流區(qū)下部為最薄處，約10 m。整個碎屑流區(qū)長約1 200 m，都存在明顯鏟刮現(xiàn)象。將碎屑流區(qū)抽象(圖8b)，計算得鏟刮方量為4.90×106m3，所以其平均鏟刮深度約11 m。

圖8 碎屑流區(qū)照片(2017.07)(a)及抽象模型(b)Fig.8 Debris area image (a) and abstract model (b)

3.2 老滑坡堆積區(qū)鏟刮

該堆積區(qū)原始坡度36 °～45 °，平面形態(tài)呈舌形，總長度約1 500 m，前緣最寬處1 200 m，面積約1.11×106m2，平均厚度30 m，體積約3.33×107m3。碎石土中塊石含量50%以上。碎屑流對老滑坡體產(chǎn)生裹挾鏟刮，其鏟刮作用受到基巖面控制。該區(qū)域為堆積碎石土，孔隙性較好，持水能力較差，采用基于Voellmy模型、適用于干堆積區(qū)裹挾鏟刮的公式(1)計算其鏟刮深度[14]，再根據(jù)老滑坡堆積體鏟刮面積求其鏟刮方量。

(1)

式中：Zb——鏟刮深度/m；

Zd——碎屑流厚度/m；

γd——碎屑流容重/(N·m-3)；

γb——碎石土容重/(N·m-3)；

g——重力加速度/(m·s-2)；

R——地形上某點的曲率半徑/m；

f1——碎屑流與碎石土層的動摩擦系數(shù)；

ξ——碎屑流體的湍流系數(shù)；

v——碎屑流流速/(m·s-1)；

φ——碎石土層內(nèi)摩擦角/(°)；

β——坡角/(°)。

對于老滑坡碎石土層的力學(xué)性質(zhì)，在原滑坡地址上游200 m處一高出水面9 m的碎石土堆積體做大型原位直剪試驗(圖9a)，得到其法向應(yīng)力與峰值抗剪強(qiáng)度之間的關(guān)系(圖9b)，可知φ1=32.46 °。綜合比較二者的碎石含量、固結(jié)程度，φ取37 °。

圖9 碎石土剪切位移-剪應(yīng)力曲線(a)與抗剪強(qiáng)度曲線(b)Fig.9 Gravel-soil strain-stress curve (a)and shear strength curve (b)

假設(shè)碎屑流均勻分布，則碎屑流進(jìn)入碎石堆積區(qū)

時的順坡向平均速度vb可根據(jù)式(2)[15]、(3)、(4)計算：

(2)

(3)

vb=va·cos (β1-β2)

(4)

式中：v——滑坡頂點落石到估算點時的速度/(m·s-1)；

va——碎屑流流出碎屑流區(qū)時的平均速度/(m·s-1)；

H——估算點到頂點的高程差/m；

L——滑坡后緣頂點至滑程上估算點的水平距離/m；

f2——滑坡后緣頂點至滑坡運動最遠(yuǎn)點的連線的斜率，即等效摩擦系數(shù)；

β1——碎屑流區(qū)坡角/(°)；

β2——堆積區(qū)頂部坡角/(°)。

聯(lián)立式(2)～(4)有：

cos (50°-43°)

=39.8 m/s

忽略va的垂直分量的影響。由于中部鏟刮區(qū)域深度為11 m，所以假設(shè)進(jìn)入碎石土堆積區(qū)時碎屑流厚度為15 m(略大于11 m)，將速度φ、vb帶入式(1)中，可得其起始鏟刮深度Z1：

圖10 交界處概化模型示意圖Fig.10 Sketch model of boundary calibraton

利用微元法，得到：

(5)

F=ΔxDγdZdsinβ

(6)

式中：T——碎屑流受到的基底鏟刮阻力/N；

F——碎屑流的下滑力/N；

D——堆積區(qū)寬度/m，也是碎屑流的寬度；

Δx——時間Δt內(nèi)C點移動平距。

由于到達(dá)實際最深鏟刮深度之前的鏟刮方量不大，因此忽略此過程中碎屑流鏟刮基底之后重量的增加對速度v的影響，得：

(7)

vi=vb+∑aiΔt

(8)

(9)

xi=-610+∑Δxi

(10)

(11)

式中：ai——iΔt后碎屑流加速度/(m·s-2)；

vi——iΔt后碎屑流的流速/(m·s-1)；

xi——iΔt后碎屑流前端C點的橫坐標(biāo)；

β——iΔt后碎屑流前端C點所在斜坡坡度。

則碎屑流前端點到基巖面Γ的距離H：

(12)

當(dāng)鏟刮深度Zb小于或等于H時，鏟刮作用不會受到基巖面的約束，此時也是鏟刮深度最大的時刻。聯(lián)立式(1)、(5)～(11)，迭代得：Zb=21.90 m；v=26.12 m/s。結(jié)合現(xiàn)場調(diào)查與無人機(jī)技術(shù)，鏟刮平面為長800 m、寬500 m的矩形區(qū)域，將鏟刮深度剖面近似為三角形。鏟刮方量為4.38×106m3。

滑坡整體滑動方量來自源區(qū)滑動、碎屑流區(qū)鏟刮和老滑坡堆積體鏟刮。在滑坡源區(qū)，滑面較平整，滑動面積約1.63×105m2，平均厚度25 m[16]，滑動體積為4.07×106m3。所以，實際滑坡方量為13.35×106m3，三部分滑動方量的比值為10∶12∶11，接近于1∶1∶1。

4 討論

(1)本文在模擬源區(qū)滑體在碎屑流區(qū)運移路徑過程中未考慮滑體與該區(qū)域巖體的碰撞、鏟刮，主要基于以下兩方面考慮：一是Rockfall模擬路徑得到初步結(jié)果后，會基于克里金算法對其周圍無塊體通過的柵格單元進(jìn)行賦值，使其模擬結(jié)果接近實際情況；二是該區(qū)域的鏟刮屬于塊石對多層巖土體的鏟刮，并伴隨著塊石的碰撞、解體，其運動、碰撞過程復(fù)雜，目前為止國內(nèi)外對此過程少有研究，也并未建立相關(guān)運動學(xué)方程。

(2)對于古滑坡堆積體的鏟刮效應(yīng)分析中，計算碎屑流流速變化時，將碎屑流當(dāng)作整體。實際上碎屑流前部受到堆積體的影響其速度會減慢，而中后部則會對前部產(chǎn)生推擠作用，所以碎屑流各個部分流速并不均一，且前部流速會受到中后部的影響。本文只是計算了最深鏟刮深度，而并未以此速度為基礎(chǔ)計算總鏟刮長度，所以該因素影響相對較小。碎屑流與堆積體的碰撞引起的碎屑流各部分流速變化問題的關(guān)鍵在于動量守恒與流體受力分析的統(tǒng)一，目前國內(nèi)外均無較好解決途徑，對該問題的認(rèn)識亟需提高。

(3)本文模擬過程中重點考慮了地面起伏度所引起的塊石對坡面的垂向撞擊力，得出了與現(xiàn)場鏟刮現(xiàn)象一致的滑坡危險性分區(qū)結(jié)果。該結(jié)果表明：對新磨村滑坡這類高速遠(yuǎn)程滑坡而言，該種分區(qū)方法可迅速提供滑坡各區(qū)域的受災(zāi)情況評價，對后續(xù)救災(zāi)、防災(zāi)提供支撐。

5 結(jié)論

(1)茂縣滑坡具有高位遠(yuǎn)程滑坡-碎屑流特征，其滑動過程可分為后緣震裂-啟滑、鏟刮-碎屑流、堆積體鏟刮-重新堆積三個階段。

(2)利用Rockfall軟件模擬源區(qū)滑體滑動路徑表明：滑體整體滑動方向轉(zhuǎn)變的位置、滑體出現(xiàn)飛躍的位置、速度多次直線下降的位置與鏟刮凹槽所處位置一致，說明地形是鏟刮效應(yīng)的重要影響因素。

(3)危險性分區(qū)結(jié)果表明：碎屑流區(qū)中間位置為極高危險區(qū)，兩側(cè)危險性較低；老滑坡堆積區(qū)中部危險性極高，東側(cè)區(qū)域次之，西側(cè)區(qū)域危險性最低。該結(jié)果與碎屑流區(qū)、老滑坡堆積區(qū)出現(xiàn)鏟刮凹槽現(xiàn)象相符合，所以危險性分區(qū)可代表鏟刮程度的分區(qū)，而且Rockfall模擬可用于研究碎屑流的鏟刮效應(yīng)。該方法簡易迅速，在后續(xù)救災(zāi)過程中可發(fā)揮重要作用。

(4)碎屑流區(qū)最大鏟刮深度30 m，平均鏟刮深度11 m，鏟刮距離1 200 m，鏟刮方量約4.9×106m3；碎屑流對老滑坡堆積區(qū)的鏟刮作用受到基巖面的限制，概化計算得出其最大鏟刮深度21.90 m，鏟刮方量為4.38×106m3；滑動源區(qū)滑動方量為4.07×106m3，三者比值接近于1∶1∶1。實際滑坡總方量為13.35×106m3。也即高位遠(yuǎn)程滑坡的總滑動方量可達(dá)到其源區(qū)滑動體積的三倍。