張迎賓 ，董 琰 ，陳巖巖 ,2，李小琴 ，富海鷹 ，程謙恭 ，魏江濤

（1. 西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川 成都 610031；2. 中國市政工程西北設(shè)計(jì)研究院有限公司，甘肅 蘭州730000；3. 西南交通大學(xué)地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，四川 成都 610031）

1963 年10 月9 日，意大利Vajont 水庫南岸的TOC 山體突然破壞，約2.5 億立方米的巖體以大于20 m/s 的速度沖向水庫，激起超過200 m 高的涌浪，漫過壩頂?shù)男钏刂焦纫宦费蜎]了包括隆加羅內(nèi)鎮(zhèn)在內(nèi)的數(shù)個村鎮(zhèn)，2 000 多人因此遇難[1-3]. Vajont滑坡因其復(fù)雜啟滑機(jī)理、高速運(yùn)動機(jī)制及嚴(yán)重致災(zāi)后果在學(xué)術(shù)界引起持續(xù)反響[4-5]. Hoek 將此滑坡事件定義為現(xiàn)代巖石力學(xué)和巖石工程學(xué)的起始點(diǎn)[6].

但目前對Vajont 滑坡的啟滑機(jī)理以及高速運(yùn)動現(xiàn)象仍存在較大爭議. 爭論點(diǎn)[6]主要集中于：滑坡漸進(jìn)失穩(wěn)啟動機(jī)制；滑坡速度劇變、高速下滑運(yùn)動的原因；滑坡“一體化”運(yùn)動行為以及堆積體的層序性完整特征等. 其中，高速下滑是造成嚴(yán)重災(zāi)害的主因[5]. Müller[1]調(diào)查研究后認(rèn)為Vajont 滑坡滑面強(qiáng)度存在衰減現(xiàn)象，使得滑體勢能最大化轉(zhuǎn)化為動能；Cecinato 等[7]研究了滑帶強(qiáng)度衰減幅度，發(fā)現(xiàn)滑坡運(yùn)動過程中，滑帶內(nèi)摩擦角由22° 降低到4°；Hendron等[3]基于運(yùn)動過程計(jì)算分析，認(rèn)為滑帶強(qiáng)度衰減幅度可達(dá)50%. 對于強(qiáng)度衰減的原因，Habib[8]認(rèn)為深層滑坡滑面高應(yīng)力剪切的加熱作用將孔隙水汽化，產(chǎn)生低摩阻滑動墊層；亦有學(xué)者[3,9-12]認(rèn)為加熱作用使得孔隙水壓上升，降低了滑面上的有效應(yīng)力或造成滑帶發(fā)生應(yīng)變軟化，Hu 等[13]通過調(diào)查實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)這一機(jī)制同樣存在于大光包滑坡中；但Tika 等[14-15]認(rèn)為，剪切熱量不足以汽化孔隙水形成低摩阻氣墊，通過實(shí)驗(yàn)論證，快速剪切時黏土強(qiáng)度大幅降低，即強(qiáng)度衰減可能是巖土體固有的一種剪切特性. 迄今為止，Vajont 滑坡高速下滑機(jī)理雖頗富爭議，但滑帶強(qiáng)度衰減已成為重要觀點(diǎn). 但已有成果中滑帶強(qiáng)度衰減對Vajont 滑坡運(yùn)動能力、堆積特征的確切影響關(guān)注較少. 同時，值得探討的是，上覆巖土體強(qiáng)度由于內(nèi)部剪切行為的存在是否同樣會發(fā)生衰減，繼而與滑帶強(qiáng)度衰減共同作用，造成Vajont 滑坡驟然啟動、“一體化”高速下滑、保持原層序堆積.

由于高速滑坡成因機(jī)理復(fù)雜，控制因素眾多，對其運(yùn)動堆積行為，難以實(shí)現(xiàn)具有較大意義的試驗(yàn)研究[16]. 非連續(xù)變形分析（DDA）方法作為一種針對不連續(xù)巖土體運(yùn)動模擬的計(jì)算方法，已廣泛運(yùn)用于研究巖土工程領(lǐng)域非連續(xù)性變形問題[17-23]. 本文結(jié)合滑坡歷史資料，通過對意大利Vajont 滑坡進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)查，基于巖土體剪切強(qiáng)度衰減理論，利用DDA 方法，探討滑帶強(qiáng)度衰減、滑體強(qiáng)度衰減及其共同作用對Vajont 滑坡獨(dú)特運(yùn)動堆積特征的影響.

1 地質(zhì)結(jié)構(gòu)特征及物理模型

1.1 地質(zhì)背景

意大利Vajont 滑坡位于阿爾卑斯山脈南部的Vajont 峽谷南側(cè)（見圖1），由于區(qū)域造山活動，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜[24]. 峽谷兩岸山體長期受到河流侵蝕、擠壓抬升等構(gòu)造作用，使里阿斯統(tǒng)—始新世巖層逐漸變形，在N-S 向（北-南向）形成典型的向斜結(jié)構(gòu).

圖1 Vajont 滑坡的位置Fig. 1 Location of the Vajont landslide

野外調(diào)查發(fā)現(xiàn)，峽谷兩岸巖層主要由中-上侏羅統(tǒng)到上白堊紀(jì)石英質(zhì)灰?guī)r和泥灰質(zhì)石灰?guī)r構(gòu)成，其層序清晰有致，產(chǎn)狀近乎水平（見圖2），包含4 個不同形成時期、不同厚度的巖層（見圖3[6]）. 鉆孔記錄表明，山體在深部“Fonzaso”構(gòu)造地層產(chǎn)生破裂面，繼而發(fā)生失穩(wěn)致滑[6].

圖2 Vajont 峽谷兩岸地層狀況Fig. 2 Stratigraphic conditions on both sides of the Vajont Valley

圖3 更新的Vajont 峽谷兩岸的地層序列（單位：m）Fig. 3 Updated lithostratigraphic columns on both sides of the Vajont Valley (unit: m)

1.2 滑源區(qū)特征

滑坡位于Vajont 峽谷南岸，半壁山體呈“一體化”下滑，滑動面整體較光滑連續(xù)，東側(cè)略有階狀起伏，滑動面整體呈“椅狀”，上部高陡，下部平緩，坡度在0°～40° 之間，是典型的坡腳型滑坡. 后緣巖壁斷裂處形狀為“M”狀，東西向展布（見圖4）.

圖4 Vajont 滑坡俯視圖Fig. 4 Vertical view of the Vajont landslide

1.3 滑帶特征

Semenza 等[25-26]在早期調(diào)查中就指出，滑帶區(qū)域的巖石地層之間夾存著厚度不等（0.1～10.0 cm）的黏土層. 在對該區(qū)域進(jìn)行深入調(diào)查之后發(fā)現(xiàn)，滑帶巖層之間確認(rèn)存在高塑性黏土層[6,14-15]，剪切試驗(yàn)[3]表明，其殘余強(qiáng)度可能在5°～16° 之間，黏土層的存在可能顯著地影響著斜坡在各階段的反應(yīng). Paronuzzi等[6]總結(jié)了Semenza 的調(diào)查結(jié)果，并通過對東、西兩側(cè)裸露在外的邊界和殘留在滑裂面上的剪切區(qū)域材料的詳細(xì)分析，發(fā)現(xiàn)剪切區(qū)是由褶曲嚴(yán)重的巖石塊體、角礫和高塑性的黏土夾層等混雜構(gòu)成.

1.4 滑坡堆積區(qū)

現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)，滑坡堆積體中除部分礫石狀碎屑外，存在大量整體性較高的巖層，這些巖層呈現(xiàn)出與滑源區(qū)極度相似的地層層序（見圖5（a）. 運(yùn)動較遠(yuǎn)距離、停積在北岸山體上的滑坡飛來峰同樣具有較大整體性（見圖5（b））. 這表明Vajont 滑坡運(yùn)動時可能具有“一體化”特征.

圖5 滑坡堆積體及“飛來峰”的層序保持良好Fig. 5 Well-preserved strata sequence of klippe and slide deposit

2 模型建立

2.1 計(jì)算模型及參數(shù)取值

DDA 可充分考慮巖土體的非連續(xù)性，兼顧塊體單元的小變形與大位移，在滿足“不嵌入、無張拉”條件下，由Hamilton 原理與勢能最小原理聯(lián)立求解，對非連續(xù)性巖質(zhì)滑坡的運(yùn)動研究具有重要意義[27].

據(jù)研究[28]得知，滑坡西側(cè)在整個破壞過程中起主導(dǎo)作用，且此處剖面為“椅狀”，能反應(yīng)Vajont滑坡典型剖面特征，具有代表性，所以選Hendron[3]等描述過的剖面（見圖6）作為計(jì)算截面，并根據(jù)南北走向和東西走向的主要節(jié)理產(chǎn)狀，建立Vajont滑坡DDA 計(jì)算模型（見圖7）.

圖6 滑坡橫截面示意Fig. 6 Schematic diagram of landslide section

圖7 DDA 計(jì)算模型（模型A）Fig. 7 Calculation model of DDA (model A)

關(guān)于參數(shù)取值的研究有很多，Boon 等[29]對前人學(xué)者所采用的參數(shù)做了相關(guān)整理，并對Vajont 滑坡的穩(wěn)定性進(jìn)行了分析；Superchi[30]通過剪切實(shí)驗(yàn)分析了Vajont 滑坡滑體巖石材料的性質(zhì). 但是，在利用數(shù)值方法對滑坡進(jìn)行模擬研究時，尚未有統(tǒng)一的參數(shù)取值. 為了使參數(shù)盡量符合實(shí)際情況，本文在眾多學(xué)者的研究成果基礎(chǔ)上，利用經(jīng)驗(yàn)法計(jì)算滑坡的相關(guān)物理參數(shù)，并討論參數(shù)對滑坡穩(wěn)定性的影響，最終采用的計(jì)算參數(shù)如表1～3.

表1 Vajont 滑坡的物理參數(shù)Tab. 1 Physical parameters of the Vajont landslide

表2 節(jié)理參數(shù)Tab. 2 Joint parameters

表3 模型控制參數(shù)Tab. 3 Model control parameters

2.2 強(qiáng)度衰減

滑坡抗滑能力一定程度上可由巖土體抗剪強(qiáng)度表征，根據(jù)摩爾-庫倫準(zhǔn)則，滑體及滑帶抗剪強(qiáng)度為

式中：σ為剪切破壞面的法向應(yīng)力；φ內(nèi)摩擦角(φs為滑帶內(nèi)摩擦角，φj為滑體內(nèi)摩擦角).

Nonveiller[9]認(rèn)為滑坡失穩(wěn)前，滑面及滑體的強(qiáng)度并非是峰值強(qiáng)度，因而本文取坡體衰減前穩(wěn)定階段的強(qiáng)度為臨界狀態(tài)強(qiáng)度，用τc表示，滑坡失穩(wěn)潰滑階段的強(qiáng)度則由τs表示. 強(qiáng)度衰減程度由強(qiáng)度衰減率k表示，如式（2）.

滑坡臨界狀態(tài)強(qiáng)度采用強(qiáng)度折減法[31-32]獲取，由于復(fù)雜因素致滑的巖質(zhì)斜坡常常呈現(xiàn)脆性失穩(wěn)，缺少鮮明的征兆作為失穩(wěn)指標(biāo)，因而需要兼顧邊坡變形與塊體位移綜合判斷[33]，本文采用Maclaughlin等[33-34]以位移計(jì)算收斂作為判據(jù)的方法求解τc：① 坡體前緣位移是否收斂在某一范圍內(nèi)（小于斜坡南北向?qū)挾鹊?‰，即 < 1.2 m）；② 坡體后緣與基巖之間是否有明顯張裂縫出現(xiàn).

監(jiān)測塊體1，計(jì)算結(jié)果如圖8 所示，可知：滑帶內(nèi)摩擦角折減至21.0° 時，位移不再收斂，滑坡整體逐漸脫離基巖，后緣張開，前緣持續(xù)蠕滑（見圖9）.

圖8 不同內(nèi)摩擦角時最前緣塊體 1 的位移時間曲線Fig. 8 Displacement-time history of the leading edge block 1 with different friction angles

圖9 φs = 21.0°，Vajont 斜坡模型最終的狀態(tài)Fig. 9 Ultimate state of the Vajont slope model with φs = 21.0°

故取滑坡臨界狀態(tài)的滑面內(nèi)摩擦角為23.0°，這與Cecinato 等[7]的結(jié)論相吻合. 以此為基準(zhǔn)，當(dāng)滑坡失穩(wěn)潰滑后，滑帶強(qiáng)度劇烈衰減，取衰減率(內(nèi)摩擦角)k為30%（6.9°）[14]、40%（9.2°）、50%（11.4°）[3]、70%（15.8°）. 眾多學(xué)者[3,6, 35]通過對滑坡區(qū)地質(zhì)的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，滑帶是由較為松散及碎屑化的巖石地層構(gòu)成，且夾雜著厚度不等的黏土層，因而在計(jì)算時一般假定滑帶的黏聚力為0.

3 滑坡高速運(yùn)動分析

3.1 運(yùn)動特征分析

上一節(jié)分析得到，滑帶的臨界內(nèi)摩擦角為23.0°，以此臨界角為基準(zhǔn)，計(jì)算滑坡在完全啟動后，滑帶強(qiáng)度急劇衰減為穩(wěn)定階段臨界強(qiáng)度的30%、40%、50%、70%，對應(yīng)的內(nèi)摩擦角分別為6.9°、9.2°、11.4°、15.8°的最終運(yùn)動堆積狀態(tài). 需要指出的是，在此過程中滑體強(qiáng)度不變，設(shè)定φj= 30.0°，滑體c= 2.5 MPa.

在不同滑帶摩擦角狀態(tài)下，DDA 模擬滑坡的最終運(yùn)動堆積狀態(tài)如圖10 所示（Vajont 滑坡實(shí)際堆積輪廓線以紅色虛線表示在圖中）. 從最終模擬結(jié)果分析得到，當(dāng)滑帶內(nèi)摩擦角降為6.9° 時，也即滑坡完全啟動后滑帶強(qiáng)度降低至穩(wěn)定階段強(qiáng)度的30%時，DDA 計(jì)算模擬滑坡的最終堆積輪廓線與滑坡實(shí)際堆積輪廓線較為吻合.

圖10 φs 衰減至不同值時DDA 模擬滑坡的運(yùn)動全過程（φj = 30.0°）Fig. 10 Whole process of landslide motion by DDA simulation with the sliding band strength φs decaying to different values（φj = 30.0°）

圖11 為最后緣塊體2 的位移時程曲線及中部塊體3 的速度時程曲線. 由圖可知：滑帶強(qiáng)度降低越明顯，則摩阻力越低，滑坡的運(yùn)動能力則越強(qiáng). 表4為監(jiān)測所得的中部塊體3 的最大速度.

表4 滑帶內(nèi)摩擦角不同時滑坡的最大速度Tab. 4 Maximum velocities of the landslide with different friction angles of sliding band

圖11 φs（滑帶強(qiáng)度）衰減至不同值時監(jiān)測塊體的位移及速度時程曲線（φj = 30.0°）Fig. 11 Time histories of velocity and displacement for monitored blocks with the sliding band strength φs decaying to different values (φj = 30.0°)

通過觀察DDA 模擬Vajont 滑坡的運(yùn)動過程（圖10）可發(fā)現(xiàn)：此運(yùn)動過程具有典型的“一體化”特征，并且這種持續(xù)高速化運(yùn)動是發(fā)生在前30 s內(nèi)，這主要是由于滑坡是在瞬間啟動的，因此其動能是在極短時間內(nèi)由勢能轉(zhuǎn)化而來，從而使滑坡有了很大的初速度，并加速下滑，后緣塊體的勢能相對較小，這是由于在下滑過程中受到摩阻力的影響，其大部分勢能同樣轉(zhuǎn)化為動能，并推動前緣塊體一起整體向前滑動. 由于對岸有山體，滑坡體到達(dá)對岸后受到阻攔，向前運(yùn)動趨勢受阻，且后緣塊體的勢能也在不斷降低，從而不能提供足夠大的動能推動前緣塊體繼續(xù)向前運(yùn)動，最終導(dǎo)致整體運(yùn)動速度開始減小，并停積下來. 圖10 可直觀看出，滑帶強(qiáng)度衰減越顯著，滑帶的摩阻力越低，勢能能夠大量的轉(zhuǎn)化為滑坡的動能，而滑帶強(qiáng)度衰減值較小時，坡體“向前”的能力明顯較小.

堆積體的層序性保持完整是滑坡的特征之一.本文作者通過對Vajont 滑坡進(jìn)行實(shí)地考察，發(fā)現(xiàn)“飛來峰”的地層保持良好，其原因是滑坡運(yùn)動的“一體化”，從圖10 也可發(fā)現(xiàn)得知. 通過DDA 數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，前緣滑體的運(yùn)動更像是后緣滑體在逐步推著向前運(yùn)動.

3.2 滑體強(qiáng)度變化對滑坡運(yùn)動的影響

在DDA 等離散方法中，節(jié)理強(qiáng)度用來表征滑體的強(qiáng)度. 由3.2 節(jié)可知，可取穩(wěn)定階段滑體節(jié)理內(nèi)摩擦角φj= 40.0° 為臨界狀態(tài)值，研究發(fā)現(xiàn)[21]黏聚力的取值對滑坡運(yùn)動影響不大，因此在此部分計(jì)算中忽略黏聚力，即不考慮節(jié)理面粘結(jié)對滑坡過程的影響. 在DDA 計(jì)算模型中，滑帶的內(nèi)摩擦角保持不變（φs=9.2°），假定節(jié)理強(qiáng)度分別降低為臨界狀態(tài)的100%、70%、40%、30%，對應(yīng)的節(jié)理內(nèi)摩擦角為40.0°、30.0°、19.0°、14.0°，不同條件下模擬的滑坡最終堆積形態(tài)如圖12 所示. 同時記錄模型后緣塊體2 的位移時程曲線、中部塊體3 的速度時程曲線（圖13）.

圖12 不同φj 時滑坡最終堆積形態(tài)（φs = 9.2°）Fig. 12 Ultimate deposit outline of models with the sliding mass strength φj decaying to different values (φs = 9.2°)

圖13 φj（滑體強(qiáng)度）衰減至不同值時，監(jiān)測塊體的位移時程曲線（φs = 9.2°）Fig. 13 Displacement-time history of monitored blocks with the strength of slide mass φj decaying to different values (φs = 9.2°)

對比圖11、13 可知：相較于滑帶強(qiáng)度衰減對滑坡運(yùn)動能力的影響，滑坡強(qiáng)度的衰減對滑坡運(yùn)動能力的影響不顯著. 從圖12 來看：當(dāng)節(jié)理內(nèi)摩擦角為14.0° 時，模型最終堆積形態(tài)與實(shí)際堆積情況（紅線輪廓虛線）最為吻合. 當(dāng)滑體節(jié)理強(qiáng)度未衰減，即在滑坡過程中內(nèi)摩擦角一直是40.0° 時，滑坡向前運(yùn)動的距離相對較近（圖12（d）），其主要原因?yàn)榛w強(qiáng)度較高，降低了滑坡中上部向前推動的能力，從而使整體向前運(yùn)動的能力相對較弱. 從4 個模型最終堆積形態(tài)（圖12）來看，隨著滑體強(qiáng)度的衰減，向上“爬至”對岸山體的滑坡前緣堆積塊體數(shù)量越多.從上述分析來看，滑體強(qiáng)度的變化影響滑坡整體向前向上的運(yùn)動能力.

3.3 討 論

通過對滑坡穩(wěn)定階段及失穩(wěn)高速運(yùn)動階段強(qiáng)度變化計(jì)算對比，得出斜坡突然失穩(wěn)并高速滑動的原因是滑帶、滑體強(qiáng)度的急劇衰減，且強(qiáng)度衰減越快，滑體下滑速度越高. 從上述計(jì)算結(jié)果來看，滑帶強(qiáng)度的衰減變化對滑坡運(yùn)動能力的影響相對較大，而滑體強(qiáng)度對中上部巖石滑體的爬坡能力影響較大. 在實(shí)際高速滑坡過程中，滑體和滑帶材料的剪切強(qiáng)度衰減是同時同步的，滑帶強(qiáng)度的衰減和滑體強(qiáng)度的衰減一起造成了滑坡的高速運(yùn)動，二者缺一不可. 通過分析滑帶區(qū)域夾層黏土的剪切實(shí)驗(yàn)可以看出[14]，剪切法向應(yīng)力較大時，隨著剪切位移逐漸增大，黏土的強(qiáng)度迅速降低，當(dāng)剪切速率逐漸增大且在浸水條件下，這種強(qiáng)度弱化更加顯著，逐漸表現(xiàn)出流態(tài)[15].類似強(qiáng)度弱化的性質(zhì)在巖石及巖石節(jié)理在剪切時同樣存在[36]. 在Vajont 斜坡完全潰滑前，因水位的不斷升降，斜坡遭受擾動且在很長一段時間內(nèi)處于蠕滑階段，在此期間，斜坡內(nèi)部完整巖石的應(yīng)變、應(yīng)力由于剪切作用不斷發(fā)生變化，導(dǎo)致完整巖塊不斷破裂，這些都造成了滑體強(qiáng)度的進(jìn)一步降低.

4 結(jié) 論

本文在Vajont 滑坡的地質(zhì)狀況和相關(guān)現(xiàn)象的基礎(chǔ)上，通過利用DDA 方法對Vajont 滑坡的運(yùn)動過程進(jìn)行模擬，重點(diǎn)對Vajont 滑坡在滑坡破壞前后強(qiáng)度衰減影響下的運(yùn)動能力變化進(jìn)行了分析，對滑坡的一些運(yùn)動特征進(jìn)行了揭示.

1） 相比于滑坡穩(wěn)定階段，滑帶及滑體的強(qiáng)度在Vajont 滑坡完全啟動后有了明顯降低，這造成了Vajont 滑坡突然的潰滑及高速運(yùn)動. 滑帶強(qiáng)度及滑體強(qiáng)度的共同衰減變化造成了滑坡的加速下滑.

2） 目前大多數(shù)研究主要集中于探討滑帶強(qiáng)度變化對滑坡運(yùn)動能力的影響，本文不僅探討了滑帶強(qiáng)度變化對滑坡運(yùn)動能力的影響，還分析了滑體強(qiáng)度不同程度的衰減對滑坡運(yùn)動能力的影響，結(jié)果表明，在同樣程度的衰減情況下，滑帶強(qiáng)度變化對滑坡運(yùn)動能力的影響更大，而滑體強(qiáng)度的變化是在此基礎(chǔ)上促進(jìn)了滑坡前緣塊體的爬坡能力，這在一定程度上影響對岸工程設(shè)施的安全性能.

3） 對Vajont 滑坡進(jìn)行了實(shí)地考察，察看了飛來峰的地質(zhì)保存情況，發(fā)現(xiàn)滑體殘跡保持了較好的產(chǎn)狀和層序性. 從DDA 模擬Vajont 滑坡的運(yùn)動過程來看，滑坡運(yùn)動體現(xiàn)了“一體化”運(yùn)動的特征，這也是層序保持良好的原因之一. 從模擬過程來看，“椅背”滑體的勢能轉(zhuǎn)化為動能，若滑坡摩阻力較小，勢能大部分轉(zhuǎn)化為動能，促使滑體整體向前運(yùn)動.

4） 通過對DDA 模擬結(jié)果分析得出，滑坡完全啟動后，滑帶強(qiáng)度至少衰減至穩(wěn)定階段的30%～40%，滑體強(qiáng)度衰減至穩(wěn)定階段的30%～70%.