楊龍偉 魏云杰 彭 令 王文沛 朱賽楠 王俊豪

(①長安大學(xué)地質(zhì)工程與測(cè)繪學(xué)院，西安 710054，中國) (②中國地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)院，北京 100081，中國)

0 引 言

新疆維吾爾自治區(qū)烏恰縣為“一帶一路”的重要陸路貿(mào)易港口，分布著大面積的紅層地貌，風(fēng)景優(yōu)美，其巖性組合多為白堊紀(jì)-新近紀(jì)的泥巖和砂礫巖互層結(jié)構(gòu)(程強(qiáng)等，2004)，常有軟弱夾層存在，在風(fēng)化沖蝕等地質(zhì)營力的作用下易于誘發(fā)崩塌地質(zhì)災(zāi)害，對(duì)人民生命財(cái)產(chǎn)造成威脅。圍繞崩塌地質(zhì)災(zāi)害研究，成果豐碩。在崩塌機(jī)理研究方面，王根龍查明了黃土崩塌的主要原因?yàn)槠陆乔治g作用和垂直節(jié)理結(jié)構(gòu)，并提出了4種黃土崩塌破壞主要模式，同時(shí)也提出了西南山區(qū)塑流-拉裂式崩塌的評(píng)價(jià)方法(王根龍等，2011，2013)。陳洪凱等(2010)通過分析紅巖山崩塌提出了危巖崩塌的鏈?zhǔn)窖莼?guī)律；成良霞等(2012)分析了震后公路邊坡孕災(zāi)演化過程及斜坡巖體破壞力學(xué)機(jī)制；胡厚田等(2015)，陳紅凱等(2009)提出了各類崩塌的穩(wěn)定性計(jì)算方法，并對(duì)崩塌進(jìn)行了分類。在崩塌動(dòng)力學(xué)研究方面，Hungr et al. (2014)根據(jù)運(yùn)動(dòng)模型將崩塌分為6大類：傾倒、墜落、滑移、流動(dòng)、坡體變形和擴(kuò)離等；Goodman提出了基于節(jié)理裂隙控制巖體的塊體理論，并對(duì)傾倒式崩塌巖體的動(dòng)力學(xué)開展了數(shù)值模擬研究(Goodman et al.，1984；Shi et al.，1989)；裴向軍等(2011)通過DDA軟件模擬了地震工況下公路崩塌的失穩(wěn)模式，運(yùn)動(dòng)軌跡和沖擊響應(yīng)規(guī)律等。由此可見，崩塌地質(zhì)災(zāi)害主要受地形地貌，巖土體結(jié)構(gòu)面及地震等工程地質(zhì)條件影響，同時(shí)與崩塌有關(guān)的勘察和防治等行業(yè)規(guī)范也已發(fā)布，但是現(xiàn)有關(guān)于紅層崩塌的研究還是相對(duì)較少，同時(shí)新疆維吾爾自治區(qū)紅層崩塌受凍融和風(fēng)化等多種地質(zhì)營力作用，其形成機(jī)制相對(duì)復(fù)雜，其崩塌地質(zhì)災(zāi)害呈現(xiàn)崩滑碎屑流的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，具有運(yùn)動(dòng)速度較快，破壞性大等特點(diǎn)，目前針對(duì)崩滑碎屑流運(yùn)動(dòng)學(xué)模擬的數(shù)值計(jì)算方法，主要運(yùn)用較多的是連續(xù)體法(包括“DAN、LS-Rapid”等)和離散元法(包括PFC，MATDEM等)(Hungr，1995；Wang et al.，2002; Itasca et al.，2008；馬鵬輝等，2018; 朱晨光等，2019)。由于DAN模型將崩滑體視為等效流體，可以較為準(zhǔn)確地計(jì)算演化崩滑體的運(yùn)動(dòng)全過程，課題組已利用DAN模型對(duì)流態(tài)型滑坡碎屑流開展數(shù)值模擬研究，具有較好的研究基礎(chǔ)(楊龍偉等，2018)?，F(xiàn)以新疆維吾爾自治區(qū)烏恰縣康蘇紅層崩塌為例，基于無人機(jī)航拍影像和野外地質(zhì)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查方法，分析新疆維吾爾自治區(qū)烏恰縣康蘇紅層崩塌的形成特征及失穩(wěn)模式。同時(shí)通過地質(zhì)災(zāi)害動(dòng)力學(xué)模型DAN-W軟件來計(jì)算康蘇紅層崩塌的運(yùn)動(dòng)學(xué)特征，提出紅層崩塌的災(zāi)害效應(yīng)評(píng)價(jià)的思路，為類似的紅層地區(qū)崩塌的防災(zāi)減災(zāi)提供借鑒。

圖 1 a. 新疆維吾爾自治區(qū)紅層分布示意圖(據(jù)《中國國家地理》修改，2013)；b. 康蘇崩塌地理位置圖Fig. 1 a. The distributing map of the red beds in Xinjing; b. Location of the Kangsu collapse in Wuqia County，Xinjiang

1 康蘇紅層崩塌概況

康蘇紅層崩塌位于新疆維吾爾自治區(qū)克孜勒蘇柯爾克孜自治州烏恰縣康蘇鎮(zhèn)，具體位于康蘇鎮(zhèn)至吉勒格朱爾特村的415縣道0.8km的西側(cè)，距離烏恰縣城22ikm。崩塌中心點(diǎn)坐標(biāo)為東經(jīng)75°1′2″，北緯39°39′33″。邊坡后緣高程為2140im，高差達(dá)到60im。邊坡坡向?yàn)?33°，坡度接近40°。圖1為研究區(qū)內(nèi)紅層地貌分布，其形成年代較晚，為白堊紀(jì)-新近紀(jì)。受長期風(fēng)化及凍脹作用等因素影響，危巖體拉裂失穩(wěn)，下落并撞擊坡面，以碎屑流的狀態(tài)高速運(yùn)動(dòng)，呈現(xiàn)出典型的高位紅層崩塌-碎屑流災(zāi)害特征。

根據(jù)崩塌體的運(yùn)動(dòng)情況和災(zāi)害特征，將康蘇紅層崩塌分為崩塌區(qū)、碎屑流區(qū)和堆積區(qū)(圖 2)：

崩塌區(qū)：崩塌體巖性主要為古近系上統(tǒng)砂巖、砂質(zhì)泥巖，從出露地層可見，地層單層厚度0.5～3im，呈中厚-巨厚層狀。崩塌體坡度為70°～80°，崩塌體段長454im，高20im，厚度達(dá)到5～8im，體積大約為11×103im2，呈近北東南西帶狀展布。

碎屑流區(qū)：巖性主要為第四系全新統(tǒng)崩積層碎石。在平面上呈現(xiàn)“扇形”，面積約為5.5×104im2，滑體平均厚1～3im，體積約為11×104im3。受雨水沖刷作用，表面分布有多條沖溝。在東側(cè)，有較大巨石分布，直徑范圍為3～17im。

堆積區(qū)：巖性主要以第四系全新統(tǒng)崩積層碎石為主，同時(shí)夾雜有第四系全新統(tǒng)沖洪積層圓礫、卵石等。在平面上呈現(xiàn)“長方形”，面積大約為1.5×104im2，厚度平均為1～3im，體積約為3×104im3。同時(shí)，縣道從堆積區(qū)北側(cè)穿越而過，其余三側(cè)被雨水沖刷成溝。

根據(jù)野外地質(zhì)調(diào)查，圍繞研究區(qū)內(nèi)縣道發(fā)育有崩塌14處，這些都對(duì)公路運(yùn)輸造成一定的隱患。康蘇紅層崩塌是其中規(guī)模較大的一處，通過對(duì)其成災(zāi)機(jī)理和運(yùn)動(dòng)學(xué)特征分析，對(duì)類似的紅層地區(qū)的崩塌地質(zhì)災(zāi)害研究提供參考。

圖 2 滑坡工程地質(zhì)剖面圖和崩塌區(qū)巖體結(jié)構(gòu)圖Fig. 2 Engineering geological section of the Kangsu collapse and the rock mass structure in the collapse area

2 康蘇紅層崩塌形成特征及失穩(wěn)模式

2.1 形成特征

圖 3 康蘇崩塌全貌圖(a)及形成特征(b～d)Fig. 3 The panorama(a) and the forming factors(b～d) of the Kangsu collapse

康蘇紅層崩塌位于公路西側(cè)，邊坡總體上為上陡下緩結(jié)構(gòu)(圖 3a)。崩塌體巖性主要為砂巖和泥巖互層結(jié)構(gòu)，其中自下而上依次分布為泥巖、砂巖和泥巖(圖 2b)。經(jīng)測(cè)試，砂巖飽和抗拉強(qiáng)度為1.96iMPa，相對(duì)較低，易風(fēng)化，飽和單軸抗壓強(qiáng)度為15iMPa，破碎巖體受地質(zhì)應(yīng)力作用易形成剪切、拉張裂隙。紅層軟巖具有蒙脫石，高嶺石和伊利石等礦物成分，水敏性強(qiáng)，脫水時(shí)收縮易干裂，遇水時(shí)易膨脹軟化(李保雄等，2004；王志榮，2005)，同時(shí)在凍脹和地震動(dòng)等地質(zhì)作用下易形成拉張和剪切裂隙(圖 3b)，巖體結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度降低，誘發(fā)危巖崩塌體發(fā)生。

在崩塌體中，巖體中主要存在兩組節(jié)理控制面，產(chǎn)狀分別為27°∠22°，311°∠67°。邊坡坡向?yàn)?33°∠75°，巖層產(chǎn)狀約225°∠25°。利用極射赤平投影法進(jìn)行穩(wěn)定性分析，結(jié)果表明：在邊坡坡體完整的情況下，兩組主要節(jié)理及巖層結(jié)構(gòu)面對(duì)邊坡的穩(wěn)定性影響較小(圖 3c)。但是由于危巖體的砂泥巖互層結(jié)構(gòu)具有差異風(fēng)化的特征，坡體易于形成與巖層走向一致的臨空面，即局部巖體組成的坡體坡向約為50°∠60°。同時(shí)節(jié)理1和2的交線產(chǎn)狀為30°∠20°，其傾向與局部坡體坡向大致一致，傾角相對(duì)較小，則坡體的穩(wěn)定降低。這主要是兩組節(jié)理起著切割、破碎巖體的作用，其裂面平直，無充填，結(jié)合性差，臨近臨空面處由于拉張作用張開度較大，這為崩塌發(fā)生提供了良好的巖體結(jié)構(gòu)條件。

崩塌體所處地貌為剝蝕構(gòu)造地貌，年降水量可達(dá)230imm，每年的5～8月為相對(duì)集中降水期，降水量100.8mm，占全年降水量的58%(2011～2016; 圖 3d; 楊鵬鵬，2018)；且在冬春交替時(shí)期，坡體內(nèi)部節(jié)理裂隙水結(jié)冰，形成凍結(jié)滯水，裂隙受凍脹作用而擴(kuò)大。在3月初，氣溫升高，地表融雪沿著裂隙入滲，降低了裂隙面的摩擦阻力，增加了裂隙內(nèi)的水壓力，裂隙進(jìn)一步擴(kuò)大，這為崩塌發(fā)生提供了良好的水文地質(zhì)條件。同時(shí)，崩塌體所處位置海拔較高，重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能后，使得崩塌體啟動(dòng)后運(yùn)動(dòng)速度較快、運(yùn)動(dòng)距離較遠(yuǎn)，這為崩塌運(yùn)動(dòng)提供了良好的動(dòng)力條件。

綜上所述，康蘇紅層崩塌具有典型的高位崩塌地質(zhì)災(zāi)害特征，其主要受危巖體巖性組合和坡體結(jié)構(gòu)面組合控制。砂泥巖互層結(jié)構(gòu)、兩組節(jié)理控制面及降雨融雪入滲是危巖體失穩(wěn)破壞的重要因素。

2.2 失穩(wěn)模式

基于野外地質(zhì)調(diào)查和無人機(jī)影像圖，結(jié)合康蘇崩塌形成因素，利用崩塌災(zāi)害演化運(yùn)動(dòng)全過程的方法來分析康蘇崩塌的失穩(wěn)機(jī)制，并將崩塌體的孕災(zāi)-裂化-崩落的整個(gè)過程分為以下4個(gè)階段(圖 4)：

圖 4 崩塌失穩(wěn)機(jī)制示意圖Fig. 4 Evolutionary process of Kangsu collapses in Wuqia

(1)差異風(fēng)化階段(圖 4a)：康蘇崩塌巖層結(jié)構(gòu)主要為砂泥巖互層結(jié)構(gòu)，其中泥巖抗風(fēng)化剝蝕能力弱，在降雨沖刷和風(fēng)力等地質(zhì)營力的作用下不斷風(fēng)化剝蝕，而砂巖抗風(fēng)化能力較強(qiáng)，即形成了較為明顯的差異風(fēng)化現(xiàn)象，這造成了砂泥巖互層結(jié)構(gòu)中的泥巖內(nèi)縮，產(chǎn)生了凹巖腔結(jié)構(gòu)，為崩塌的形成提供了空間。

圖 5 康蘇崩塌DAN-W三維模型圖(a)和塊體受力圖(b)Fig. 5 The three-dimensional DAN-W model of the Kangsu collapse(a) and the force diagram of block(b)

(2)巖體結(jié)構(gòu)變形破壞階段(圖 4b)：此階段，在降雨和凍脹作用下，巖體的裂隙進(jìn)一步發(fā)育，降低了裂縫的力學(xué)性能和增加了裂縫內(nèi)的水壓力。同時(shí)臨空面周圍巖體發(fā)生了卸荷回彈，出現(xiàn)應(yīng)力重新分布、應(yīng)力分異現(xiàn)象(史文兵等，2018；李秀珍等，2019)。臨空面附近為拉應(yīng)力集中帶?；撞?危巖體底部)為剪應(yīng)力增高帶。危巖體內(nèi)部向臨空方向出現(xiàn)卸荷回彈，致使坡體上部沿著節(jié)理裂隙進(jìn)一步發(fā)展成為卸荷裂隙帶。

(3)懸挑危巖階段(圖 4c)：當(dāng)卸荷裂隙帶進(jìn)一步擴(kuò)張，危巖體在自重作用下，沿著裂隙面滑移。當(dāng)下滑力大于裂隙面間的摩阻力時(shí)，危巖體出現(xiàn)了拉裂破壞。

(4)崩塌失穩(wěn)落下階段(圖 4d)：在降雨和冰雪融水等外力作用下，危巖體最終失穩(wěn)并墜落撞擊坡面，以碎屑流的形式向前運(yùn)動(dòng)，并沖至縣道直至運(yùn)動(dòng)停止。

綜上所述，康蘇紅層崩塌發(fā)生的海拔位于1990～2150im的中低山區(qū)，崩塌體高位剪出啟動(dòng)，撞擊坡面并轉(zhuǎn)化成碎屑流，由于坡角處附近地形開闊、坡度變緩、轉(zhuǎn)化成擴(kuò)散型碎屑流散落堆積，呈現(xiàn)出典型的“高速遠(yuǎn)程”成災(zāi)模式。

3 康蘇崩塌數(shù)值模擬

3.1 基本原理

DAN-W是Hungr提出的用于模擬碎屑流運(yùn)動(dòng)全過程，研究碎屑流動(dòng)力學(xué)的數(shù)值模擬軟件。DAN-W主要利用圣維南方程的拉格朗日解析解的方法，并由具有一定流變屬性材料的若干個(gè)塊體組合形成(圖 5)。在曲線坐標(biāo)中，對(duì)每一個(gè)塊體建立相應(yīng)的物理方程和平衡方程來進(jìn)行求解，如式(1)～式(3)(Hungr，1995，2000，2009)。根據(jù)康蘇崩塌碎屑流的動(dòng)力災(zāi)害特征，數(shù)值計(jì)算重點(diǎn)主要是圍繞崩塌碎屑流的運(yùn)動(dòng)過程進(jìn)行演化分析來開展，對(duì)崩塌危巖體的裂解過程進(jìn)行略化處理。

F=γHiBidssinα+p-T

(1)

式中：F為下滑力(N)；γ為重度(kN·m-3)；H為塊體高度(m)；B為塊體寬度(m)；α為坡角(°)；p為內(nèi)部切向壓力(N)；T為基底阻力(N)。

(2)

式中：v為滑體運(yùn)動(dòng)速度(m·s-1)；M為動(dòng)量通量；其他參數(shù)同式(1)。

(3)

式中：j為塊體邊界順序；i為塊體順序；S為曲線位移(m)；其他參數(shù)同式(1)。

(4)

式中：V為崩塌體-碎屑流的總體積(m3);VR為崩塌體初始體積(m3)；Vpoint為不穩(wěn)定體體積(m3)；Y為屈服速率；L為塊體長度(m);i為塊體順序。

通過式(1)～式(3)，來計(jì)算崩塌碎屑流的運(yùn)動(dòng)速度和堆積體厚度等。在DAN軟件中，崩塌碎屑流運(yùn)動(dòng)過程中受到的阻力大小主要受不同的基底摩擦流變模型來控制。DAN提供了多種流變模型，根據(jù)已有的研究成果和試錯(cuò)法，Voellmy模型和Frictional模型比較適合滑坡動(dòng)力學(xué)災(zāi)害研究(Hungr，2009；Yin et al.，2016 )，根據(jù)已有研究成果發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)rictional模型比較適合殘余粒徑較大的崩滑體，多用于滑源區(qū)。Voellmy模型適合模擬運(yùn)動(dòng)路徑有明顯液化層的滑坡碎屑流，多用于模擬碎屑流區(qū)和堆積區(qū)。

Voellmy模型：基底阻力的表達(dá)式如下：

(5)

式中：f為塊體的摩擦系數(shù)；σ為與滑動(dòng)路徑方向相垂直的總應(yīng)力(N)；γ為材料重度(kN·m-3)；v為塊體的運(yùn)移速度(m·s-1)；ξ為湍流系數(shù)；τ為滑體底部阻力(N)。

Frictional模型：假定滑體受到的正應(yīng)力控制碎屑流的運(yùn)動(dòng)，其受到的阻力τ的表達(dá)式如下：

τ=σ(1-γμ)tanφ

(6)

式中：γμ為孔隙壓力系數(shù)，即孔隙壓力與總應(yīng)力的比值；φ為內(nèi)摩擦角(°)；其他參數(shù)同式(5)。

3.2 模型建立和參數(shù)選取

3.2.1 模型建立

在DAN-W軟件中，計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性取決于崩塌碎屑流運(yùn)動(dòng)的軌跡、流變模型和參數(shù)選取這3個(gè)重要因素(Mcdougall et al.，2005)。首先，根據(jù)無人機(jī)航拍影像圖和野外地質(zhì)調(diào)查，來確定碎屑流發(fā)生前后的地形線。其次，康蘇紅層崩塌碎屑流分為崩塌區(qū)、碎屑流區(qū)、堆積區(qū)，根據(jù)不同區(qū)域的災(zāi)害特征，對(duì)不同區(qū)域選用合適的流變模型顯得至關(guān)重要。由于崩塌區(qū)從危巖體底部處啟動(dòng)，基巖出露處有較為明顯的擦痕跡，根據(jù)已有的研究成果，發(fā)現(xiàn)崩塌區(qū)適合運(yùn)用Frictional模型。碎屑流區(qū)和堆積區(qū)分別運(yùn)用Frictional模型和Voellmy模型。根據(jù)滑坡路徑順序，F(xiàn)-F-F、F-F-V、F-V-V、F-V-F這4組流變模型組合分別被用于模擬康蘇崩塌碎屑流的動(dòng)力學(xué)災(zāi)害效應(yīng)(表 1)，發(fā)現(xiàn)F-F-V模型結(jié)果更符合康蘇崩塌碎屑流的運(yùn)動(dòng)情況。

表 1 康蘇崩塌模型試算組合表Table1 Hydrodynamics model of the Kangsu collapse

模型崩塌區(qū)碎屑流區(qū)堆積區(qū)Frictional模型FFFF-V-VVFVF-V-FFVFF-F-VFFV

3.2.2 參數(shù)選取

滑坡動(dòng)力學(xué)的分析在很大程度上取決于參數(shù)的選取和作者的知識(shí)水平(Gao et al.，2018)。在本文中，康蘇崩塌碎屑流的模擬參數(shù)主要依靠室內(nèi)土工試驗(yàn)，試錯(cuò)法和已有的研究成果來獲得。對(duì)于Voellmy模型，主要參數(shù)：湍流系數(shù)ξ=400im·s-2(軟件提供的取值范圍為200～500im·s-2)和塊體的摩擦系數(shù)f=0.2，其摩擦系數(shù)的大小直接影響滑動(dòng)距離的遠(yuǎn)近。對(duì)于Frictional模型，主要參數(shù)是孔隙水壓力系數(shù)和動(dòng)摩擦角?？紫端畨毫ο禂?shù)是孔隙水壓力與正應(yīng)力的比值，一般設(shè)置為常數(shù)。由于冰雪融水入滲導(dǎo)致超孔隙水壓力增加，同時(shí)根據(jù)已有研究成果，將孔隙水壓力系數(shù)Ru設(shè)置為0.7(軟件提供的取值范圍為0～1.0)，動(dòng)摩擦角為17°(動(dòng)摩擦角一般遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于內(nèi)摩擦角，主要通過試錯(cuò)法獲得)。試錯(cuò)法的比較標(biāo)準(zhǔn)主要是通過對(duì)比模擬獲得的最遠(yuǎn)距離與實(shí)際的最遠(yuǎn)距離的接近程度，來選取最佳的流變模型和參數(shù)。最后，根據(jù)室內(nèi)巖土試驗(yàn)，巖體密度為25ikN·m-3，如表 2所示，在試錯(cuò)法和已有的研究成果的基礎(chǔ)上，這些流變模型組合和參數(shù)被用來模擬康蘇崩塌碎屑流的動(dòng)力學(xué)特征。

表 2 康蘇模型(F-F-V)參數(shù)Table2 Parameters of F-F-V model of the Kangsu collapse

模型密度γ/kN·m-3動(dòng)摩擦角Φ/(°)摩擦系數(shù)f湍流系數(shù)ξ/m·s-2孔隙水壓力RuF2517——0.7V25—0.2400—

3.3 計(jì)算結(jié)果分析

3.3.1 滑體前后緣運(yùn)動(dòng)特征

利用DAN-W動(dòng)力學(xué)軟件和F-F-V模型計(jì)算得到，康蘇崩塌滑坡運(yùn)動(dòng)的總時(shí)間約為50is，假定崩塌啟動(dòng)時(shí)的速度為0。由圖 6和圖 7可知，前緣在0～4is內(nèi)速度急劇增加，在4is時(shí)，崩塌體進(jìn)入碎屑流區(qū)，至水平距離62im處，速度最大值達(dá)到11.5im·s-1，同時(shí)也是崩塌碎屑流運(yùn)動(dòng)的最大速度。在4～24is，崩塌體的運(yùn)動(dòng)速度呈現(xiàn)波動(dòng)性，但是一直保持高速運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)，速度范圍為8～11im·s-1。在26is時(shí)，前緣運(yùn)動(dòng)至坡腳，此時(shí)速度降至5.3im·s-1。崩塌碎屑流繼續(xù)向前運(yùn)動(dòng)，在27is到達(dá)公路時(shí)的速度為5im·s-1，最終崩塌碎屑流在水平距離X=315im處運(yùn)動(dòng)停止。同時(shí)，后緣啟動(dòng)后，速度在0～3im·s-1范圍內(nèi)波動(dòng)，水平運(yùn)動(dòng)最遠(yuǎn)距離為37im。在實(shí)際情況中，后緣受到凹陷負(fù)地形阻擋，致使崩塌區(qū)有崩塌體堆積，數(shù)值計(jì)算結(jié)果與此相符。計(jì)算結(jié)果表明，崩塌碎屑流運(yùn)動(dòng)速度呈現(xiàn)出加速啟動(dòng)、速度波動(dòng)性增長，逐漸衰減的特征，呈現(xiàn)出典型的“高速遠(yuǎn)程”的特點(diǎn)。

圖 6 崩塌碎屑流前后緣隨時(shí)間運(yùn)動(dòng)圖Fig. 6 Variation figure of the front and rear edge of the collapse-debris flow with time

同時(shí)，本文也利用雪橇模型(即等效視摩擦角的概念，即滑坡后緣頂點(diǎn)與滑動(dòng)距離最遠(yuǎn)點(diǎn)之間的連線的斜率)來對(duì)崩滑體的運(yùn)動(dòng)情況進(jìn)行了模擬，DAN-W模型的計(jì)算結(jié)果與雪橇模型較為接近，但是雪橇模型結(jié)果較大，這是由于雪橇模型簡(jiǎn)化了地形起伏，沒有考慮鏟刮效應(yīng)等作用(Scheidegger 1973)。

圖 7 崩塌-碎屑流前后緣隨滑程變化圖Fig. 7 Variation figure of the front and rear edge of the collapse-debris flow with slippage change

3.3.2 滑體剖面形態(tài)特征分析

圖 8和圖 9以剖面的形式呈現(xiàn)了每隔10is崩塌碎屑流運(yùn)動(dòng)形態(tài)和堆積特征變化情況。在0is時(shí)刻，滑坡前緣位于水平距離43im處，后緣位于17im處，此時(shí)崩塌體的平距厚度達(dá)到6im。在50is時(shí)刻，在水平距離260im處，堆積體的厚度達(dá)到最大，為2.5im。同時(shí)后緣位于37im，表明崩塌區(qū)有部分崩殘積體。碎屑流區(qū)的堆積體平均厚度為1.5im，堆積區(qū)的平均厚度為1.75im，崩塌碎屑流運(yùn)動(dòng)至315im處運(yùn)動(dòng)停止。

3.3.3 典型點(diǎn)運(yùn)動(dòng)特征

基于野外地質(zhì)調(diào)查情況，康蘇崩塌碎屑流對(duì)公路縣道的安全行車造成威脅，故選取X=250im處(公路點(diǎn))的運(yùn)動(dòng)特征來進(jìn)行分析。由圖 10和圖 11可見，崩塌碎屑流在27is左右運(yùn)動(dòng)至該點(diǎn)，此時(shí)速度達(dá)到最大，為5.5im·s-1。此后在該點(diǎn)的速度開始衰減，衰減的加速度達(dá)到-0.23im·s-2，直至運(yùn)動(dòng)停止，最終該點(diǎn)的堆積體厚度達(dá)到2.25im。由此可見，崩塌碎屑流運(yùn)動(dòng)至公路處的運(yùn)動(dòng)速度還是較快，對(duì)車輛行程安全造成一定隱患，由于崩塌體體積較小，可以通過抬高公路路基的方法或者直接將崩塌體掩埋進(jìn)入公路路基，這樣可以達(dá)到防治目的。

上述結(jié)果表明，對(duì)于紅層崩塌碎屑流，DAN-W模型可以較好地模擬出崩塌碎屑流的堆積體厚度、運(yùn)動(dòng)速度和運(yùn)動(dòng)沖擊距離等動(dòng)力學(xué)災(zāi)害效應(yīng)。該方法同樣也適用潛在的崩塌危巖體的運(yùn)動(dòng)學(xué)災(zāi)害效應(yīng)評(píng)價(jià)中，其主要思路為：首先，基于野外現(xiàn)場(chǎng)踏勘和無人機(jī)影像圖，收集地質(zhì)資料，確定崩塌體的形成機(jī)制并獲取崩塌(邊坡)的地形線(DEM)；其次，通過相應(yīng)的原位試驗(yàn)初步確定潛在滑面的大致位置；然后，結(jié)合已有研究成果推薦的經(jīng)驗(yàn)值和室內(nèi)土工試驗(yàn)，確定流變模型參數(shù)。將地形線和流變模型參數(shù)導(dǎo)入DAN-W進(jìn)行多次對(duì)比計(jì)算，提取崩塌碎屑流的運(yùn)動(dòng)速度，堆積體厚度和運(yùn)動(dòng)距離等計(jì)算結(jié)果，對(duì)崩塌體的運(yùn)動(dòng)災(zāi)害效應(yīng)進(jìn)行空間預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)。

圖 8 崩塌碎屑流形態(tài)變化圖Fig. 8 Morphologic variation of the collapse-debris flow

圖 9 堆積體厚度變化圖Fig. 9 Thickness variation of the collapse-debris flow

圖 10 公路處速度隨時(shí)間變化圖Fig. 10 Graph showing the velocity variation in the road

圖 11 公路處堆積體厚度隨時(shí)間變化圖Fig. 11 Graph showing the slide thickness variation in the road

4 結(jié) 論

基于野外地質(zhì)調(diào)查和研究區(qū)的工程地質(zhì)條件，結(jié)合無人機(jī)航拍影像圖，本文分析了康蘇紅層崩塌的形成特征和失穩(wěn)模式，同時(shí)利用DAN-W動(dòng)力學(xué)模型模擬了崩塌碎屑流的運(yùn)動(dòng)過程，主要結(jié)論如下：

(1)康蘇紅層崩塌為拉裂式崩塌，具有典型的高位崩塌地質(zhì)災(zāi)害特征，其主要受危巖體巖性組合和坡體結(jié)構(gòu)面組合控制。砂泥巖互層結(jié)構(gòu)、兩組節(jié)理控制面及降雨融雪入滲等是危巖體失穩(wěn)破壞的重要因素。

(2)該崩塌的孕災(zāi)模式主要分為4個(gè)階段：差異風(fēng)化階段，巖體結(jié)構(gòu)變形破壞階段，懸挑危巖階段和崩塌失穩(wěn)落下階段。

(3)DAN-W模型和Frictional-Frictional-Voellmy流變模型組合可以較好地模擬崩塌碎屑流運(yùn)動(dòng)過程，其速度呈現(xiàn)“急劇加速、波動(dòng)性增長，逐漸衰減”3個(gè)階段，最大速度達(dá)到11.5im·s-1，堆積區(qū)的平均厚度達(dá)到1.5～1.75im，運(yùn)動(dòng)距離最遠(yuǎn)達(dá)到315im。