突發(fā)地質(zhì)災(zāi)害中應(yīng)急數(shù)值模擬技術(shù)應(yīng)用淺析*

李俊峰　張小趁　劉紅巖③　倪天翔　褚宏亮　陳紅旗

(①中國地質(zhì)大學(xué)(北京)工程技術(shù)學(xué)院　北京　100083)

(②華北科技學(xué)院　北京　101601)

(③西藏大學(xué)工學(xué)院　拉薩　850000)

(④中國地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院(國土資源部地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急技術(shù)指導(dǎo)中心)　北京　100081)

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突發(fā)地質(zhì)災(zāi)害中應(yīng)急數(shù)值模擬技術(shù)應(yīng)用淺析*

李俊峰①張小趁②劉紅巖①③倪天翔④褚宏亮④陳紅旗④

(①中國地質(zhì)大學(xué)(北京)工程技術(shù)學(xué)院北京100083)

(②華北科技學(xué)院北京101601)

(③西藏大學(xué)工學(xué)院拉薩850000)

(④中國地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院(國土資源部地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急技術(shù)指導(dǎo)中心)北京100081)

以滑坡為例，通過綜合分析大量前人研究成果，闡述數(shù)值模擬在常規(guī)狀態(tài)地質(zhì)災(zāi)害穩(wěn)定性分析、滑坡機(jī)制分析和滑動過程推演中的應(yīng)用狀況，總結(jié)數(shù)值模擬技術(shù)應(yīng)用于地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急的基礎(chǔ)，比較常規(guī)狀態(tài)和應(yīng)急情境下數(shù)值模擬技術(shù)條件的區(qū)別，明確應(yīng)急數(shù)值模擬過程特點(diǎn)，提出應(yīng)急數(shù)值模擬技術(shù)關(guān)鍵問題。最后，以峨眉山九里鎮(zhèn)王山—抓口寺滑坡災(zāi)情為例，結(jié)合非連續(xù)變形分析方法(DDA)大變形和真實(shí)時(shí)間模擬的優(yōu)勢，進(jìn)一步研究了數(shù)值模擬在災(zāi)情應(yīng)急過程中啟動原因和滑動過程反演的實(shí)際應(yīng)用。結(jié)果表明，滑體滑動過程中最大水平位移約87m，峰值速度7m·s-1，滑距約38m，前緣堆積厚度53m，滑坡滑動過程持續(xù)時(shí)間70s左右，與應(yīng)急調(diào)查結(jié)果相符。模擬結(jié)果有助于理解滑坡發(fā)生機(jī)制，有助于確立滑坡應(yīng)急防治重點(diǎn)，輔助應(yīng)急決策效果明顯。

地質(zhì)災(zāi)害數(shù)值模擬應(yīng)急響應(yīng)滑坡DDA

0　引　言

突發(fā)地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急是一種非常規(guī)防災(zāi)減災(zāi)行動，具有跨階段、高要求、大集成、快反應(yīng)和求實(shí)效的特征(劉傳正，2010)。突發(fā)地質(zhì)災(zāi)害事件應(yīng)急響應(yīng)具有社會聚焦性和時(shí)間緊迫性，處置決策離不開科學(xué)高效的技術(shù)支撐，數(shù)值模擬技術(shù)具有低成本、高效率、且多工況模擬等優(yōu)勢，在公共安全、氣象、水資源與環(huán)境等應(yīng)急事件領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，其決策輔助功能突出(李俊峰等，2016)。然而，數(shù)值模擬技術(shù)在地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急領(lǐng)域現(xiàn)場應(yīng)用卻并不多見，尚未形成一種范式的程序化方法，對災(zāi)害應(yīng)急支撐效果十分有限，其主要原因有6點(diǎn)：①在應(yīng)急情況下，數(shù)值模擬的應(yīng)用受到技術(shù)條件限制；②在數(shù)值模擬理論研究與應(yīng)用實(shí)踐中，長期以來對時(shí)間效率考慮較少，導(dǎo)致常規(guī)模擬耗時(shí)較長，這與搶險(xiǎn)救災(zāi)時(shí)效性強(qiáng)的特點(diǎn)有差距；③缺乏專門應(yīng)急情景下的數(shù)值模擬技術(shù)適應(yīng)性研究；④突發(fā)地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急工作本身具有技術(shù)集成性、方法協(xié)調(diào)性和追求實(shí)效性的特點(diǎn)；⑤災(zāi)害體自身的特異性決定了似乎很難找到普遍適用的數(shù)值方法和模型；⑥數(shù)值分析人員往往在軟件模擬中帶有較強(qiáng)主觀性，降低了結(jié)果的可信度。但是，數(shù)值模擬技術(shù)在常規(guī)地質(zhì)災(zāi)害研究領(lǐng)域卻相當(dāng)廣泛，結(jié)合應(yīng)急實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)來看，兩者在功能和思路基本相似，大體上包括穩(wěn)定性分析、變形機(jī)制分析和還原或推演災(zāi)害過程等3個(gè)方面，區(qū)別在于常規(guī)數(shù)值模擬缺乏應(yīng)急情境適應(yīng)性，例如，建模、選參及模擬結(jié)果表達(dá)等方面的特殊性。

劉傳正等(2010)在重大地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急響應(yīng)技術(shù)支撐體系中提出數(shù)值模擬技術(shù)的需求，肯定其輔助應(yīng)急決策的作用。張小趁等(2015a)以時(shí)間為主線提出突發(fā)地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急過程模式，明確了應(yīng)急情境下災(zāi)害體穩(wěn)定性判斷、情景演變及后果分析、處置方案優(yōu)化、劃定災(zāi)害區(qū)域和應(yīng)急措施有效性評定等應(yīng)急重難點(diǎn)問題。張小趁等(2015b)提出的“情景-應(yīng)對”模式是符合現(xiàn)場應(yīng)急實(shí)際的，結(jié)合數(shù)值模擬技術(shù)自身優(yōu)勢，滿足現(xiàn)場情景多變的現(xiàn)實(shí)要求，其在解決上述應(yīng)急重難點(diǎn)問題上輔助決策功能突出。例如，災(zāi)情應(yīng)急側(cè)重成因判斷和減災(zāi)措施，可借助數(shù)值模擬反演，理解災(zāi)害形成原因、危害機(jī)制和過程；險(xiǎn)情則強(qiáng)調(diào)動態(tài)監(jiān)測預(yù)警和災(zāi)害體應(yīng)急處置措施的選取，借助數(shù)值模擬技術(shù)可研判危險(xiǎn)性、預(yù)測危害范圍，并為應(yīng)急治理現(xiàn)場概念設(shè)計(jì)提供依據(jù)。應(yīng)急避險(xiǎn)是防災(zāi)減災(zāi)成效和降低損失的關(guān)鍵一環(huán)，而實(shí)際成功避險(xiǎn)案例不多，少數(shù)成功案例也具有偶然性和隨機(jī)性，且多源于群測群防等傳統(tǒng)技術(shù)手段，設(shè)想數(shù)值模擬能夠?qū)崿F(xiàn)快速的情景推演和危害范圍圈定，將具有直觀的實(shí)效性，符合科學(xué)防災(zāi)減災(zāi)的需求。

本文通過闡述數(shù)值模擬技術(shù)在滑坡常規(guī)應(yīng)用研究的基礎(chǔ)之上，比較分析常規(guī)和應(yīng)急兩種模擬工況下的技術(shù)條件異同點(diǎn)，提出應(yīng)急情景下滑坡數(shù)值模擬技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)條件和問題。最后，以2015年6月14日峨眉山九里鎮(zhèn)王山—抓口寺滑坡為例，根據(jù)現(xiàn)場應(yīng)急需求，利用DDA能較符合實(shí)際模擬大變形和真實(shí)時(shí)間的優(yōu)勢，探討了數(shù)值模擬技術(shù)在應(yīng)急響應(yīng)行動的應(yīng)用實(shí)踐和效果。結(jié)果表明，數(shù)值模擬技術(shù)對應(yīng)急決策輔助作用明顯。鑒于該項(xiàng)研究尚粗淺，僅供討論商榷。

1　數(shù)值模擬技術(shù)在滑坡應(yīng)急應(yīng)用中的基礎(chǔ)

在地質(zhì)災(zāi)害理論研究和防治工程實(shí)踐過程中，已經(jīng)積累了大量數(shù)值模擬技術(shù)研究成果。盡管尚缺乏應(yīng)急情境下數(shù)值模擬技術(shù)應(yīng)用的專門研究，但是通過常規(guī)數(shù)值模擬的應(yīng)用，尤其是單一問題的實(shí)踐，可以探求數(shù)值模擬技術(shù)應(yīng)急條件下應(yīng)用的技術(shù)基礎(chǔ)，相關(guān)文獻(xiàn)分析結(jié)果及其對應(yīng)急數(shù)值模擬技術(shù)應(yīng)用的參考意義(表1)。

表1　數(shù)值模擬技術(shù)在常規(guī)地質(zhì)災(zāi)害中應(yīng)用對應(yīng)急的意義

Table 1　Numerical simulation technology applied in conventional geo-hazard of the significance for emergency

常規(guī)應(yīng)用文獻(xiàn)研究內(nèi)容應(yīng)急適宜性臨滑研判張雪東等(2005)FLAC3D呷爬庫岸滑坡天然和蓄水工況分析數(shù)值分析的多工況分析便宜性蔡躍等(2008)UDEC模擬邊坡反傾層彎曲傾倒破壞型式,分析邊坡穩(wěn)定性影響因素參數(shù)選取和取值可參考成永剛等(2008)Geoslope模擬全斷面無防護(hù)條件下坡體穩(wěn)定性,強(qiáng)調(diào)關(guān)鍵點(diǎn)的監(jiān)測充分結(jié)合應(yīng)急監(jiān)測信息反饋和數(shù)值模擬內(nèi)力分析優(yōu)勢,為應(yīng)急治理的設(shè)計(jì)提供依據(jù)畢小勇等(2015)Midas-GTS分析邊坡穩(wěn)定性,云圖反映滑動面位置,動畫反映滑動面形成、貫通和發(fā)展過程滿足應(yīng)急處置現(xiàn)場提出的對滑體穩(wěn)定及其發(fā)展過程直觀化和可視化的要求機(jī)制分析殷躍平等(2008)FLAC3D分析多應(yīng)急治理工況下滑體變形破壞特征,確立應(yīng)急堆載和變形控制后施用預(yù)應(yīng)力錨索的應(yīng)急治理措施輔助應(yīng)急治理,強(qiáng)化措施的有效性和實(shí)用性曹琰波等(2011)UDEC分析唐家山滑坡變形累計(jì)和破壞過程,失穩(wěn)前塑性本構(gòu)模型和M-C屈服準(zhǔn)則,失穩(wěn)后滑體設(shè)為剛性模型巖土體本構(gòu)模型的選擇直接關(guān)系到應(yīng)急數(shù)值模擬的效率曹琰波等(2011)UDEC分析唐家山滑坡在自重和地震條件下,滑坡啟動破壞發(fā)生機(jī)制與誘發(fā)因素的對應(yīng)關(guān)系數(shù)值模擬能動態(tài)反映誘發(fā)因素對災(zāi)害體變形的影響,確定影響災(zāi)害體變形失穩(wěn)的關(guān)鍵誘發(fā)因素葛云峰等(2014)3DEC分析雞尾山變形機(jī)制,基于正交試驗(yàn)原理,利用參數(shù)敏感性手段分析滑動面節(jié)理參數(shù)對變形特征的影響的顯著性常規(guī)情境下參數(shù)的敏感性分析有助于應(yīng)急條件下迅速掌握災(zāi)害體關(guān)鍵參數(shù)和取值吳韓等(2015)區(qū)別以往統(tǒng)一強(qiáng)度參數(shù)賦值,通過編制程序?qū)崿F(xiàn)模型的差異化賦值,結(jié)果表明精細(xì)化賦值能更好反映研究對象的力學(xué)響應(yīng)在條件時(shí)間允許的情況下,可適當(dāng)考慮精細(xì)化賦值過程推演Chenetal.(2003)LFEM方法建立準(zhǔn)三維模型反演香港大嶼山滑坡滑動過程,結(jié)合GIS確立災(zāi)害區(qū)域前景GIS與數(shù)值模擬更有效的結(jié)合,如確定災(zāi)害區(qū)域、堆積體體積等鄔愛清等(2006)DDA反演千江坪滑坡啟動條件和滑動過程,分析表明啟動原因?yàn)榻涤昙皫焖簧仙?得到滑坡最大位移速度、最大滑動錯距和持續(xù)時(shí)間。說明應(yīng)急數(shù)值模擬能輔助成因分析和成災(zāi)過程反演或預(yù)測Pirullietal.(2007)RASH3D反演方量基本一直而滑動路徑區(qū)域地貌差別很大的兩個(gè)巖質(zhì)滑坡,指出理想模擬結(jié)果要求堆積區(qū)域和堆積體深度方向土石分布與實(shí)際一致堆積體區(qū)范圍和堆積體深度方向巖土體分布直接關(guān)系到應(yīng)急搜救和應(yīng)急治理有效性張龍等(2012)PFC3D模擬雞尾山滑坡滑動全過程,指出滑坡堆積區(qū)分布與滑面摩擦因素和滑體強(qiáng)度的影響,滑距和區(qū)域地形的關(guān)系滑體滑動過程及堆積方面,國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行大量參數(shù)敏感性分析研究。有助于應(yīng)急條件下對滑坡滑動過程反演和預(yù)測的參數(shù)選擇和取值;為應(yīng)急數(shù)值模擬提供參數(shù)類型參考;有利于確定研究重點(diǎn),也存在參數(shù)過多和復(fù)雜的不利因素,具體需根據(jù)現(xiàn)場狀況綜合確定影響因素Cascinietal.(2014)準(zhǔn)3D耦合SPH模型反演意大利南部降雨誘發(fā)滑坡,指出滑床夾帶率和侵蝕區(qū)范圍影響滑坡流通路徑、滑坡速度和堆積物高度Katzetal.(2015)二維離散元RICEBAL研究單體滑坡尺寸和堆積體形狀控制因素,指出滑坡尺寸受材料峰值強(qiáng)度和斜坡初始角控制,堆積體形狀受材料殘余摩擦角和斜坡初始角控制Zhangetal.(2014)PFEM模擬中國南部一滑坡,結(jié)果顯示滑動面的幾何形態(tài)對于滑體的運(yùn)動有重要影響,滑面與滑體的摩擦角對堆積體形狀有重要影響,而滑體材料密度不論是對于滑動過程還是堆積體輪廓均沒有影響杜娟等(2015)利用有限體積法,考慮滑體下表面侵蝕作用和摩擦阻力的變化,建立滑坡-碎屑流運(yùn)動過程三維計(jì)算模型,對比未考慮滑體下表面侵蝕作用的計(jì)算結(jié)果,發(fā)現(xiàn)侵蝕作用對于滑體運(yùn)動物質(zhì)總體積和滑距有重要影響。段釗等(2014)2D-Block模擬人工切坡公路滑坡,確定滑坡破壞模式和階段,預(yù)測滑坡失穩(wěn)威脅距離和堆積體體積災(zāi)害區(qū)域的劃定直接關(guān)系應(yīng)急避險(xiǎn)方案的選擇

總體上看，滑坡險(xiǎn)情災(zāi)害體穩(wěn)定性分析和災(zāi)情二次滑動可能性判定是其應(yīng)急響應(yīng)啟動后面臨的首要問題。目前主要通過兩種途徑進(jìn)行災(zāi)害體穩(wěn)定性分析：極限平衡法和數(shù)值極限分析法。目前，極限平衡法在工程設(shè)計(jì)和可行性分析應(yīng)用較廣，也是規(guī)范推薦的一種方法；數(shù)值極限分析法自提出起已獲得廣泛認(rèn)可和應(yīng)用，具有一定可靠性，避免了傳統(tǒng)方法需假定滑動面的不足，便于內(nèi)力分析和考慮結(jié)構(gòu)共同作用對穩(wěn)定性的影響(鄭穎人，2012)。其次，實(shí)際應(yīng)急防治過程中，要求遵循先穩(wěn)后治的原則，如何選擇關(guān)鍵時(shí)機(jī)、關(guān)鍵部位(張小趁等，2015c)或工程措施，數(shù)值模擬能直觀反映災(zāi)害過程，方便獲取各階段內(nèi)力變化圖，可輔助理解災(zāi)害機(jī)理和確立防治重點(diǎn)(李俊峰等，2016)。最后，現(xiàn)場應(yīng)急經(jīng)驗(yàn)告訴我們，應(yīng)急最為棘手的不是穩(wěn)定性驗(yàn)算，而是如何反演或預(yù)測滑距、滑速和影響范圍(楊海清等，2015)。這方面，應(yīng)用較多、效果較好的有流固耦合和離散元兩類方法。

2　滑坡應(yīng)急數(shù)值模擬關(guān)鍵技術(shù)

2.1技術(shù)條件對比

文獻(xiàn)分析表明數(shù)值模擬在常規(guī)和應(yīng)急狀態(tài)研究內(nèi)容具有一致性，即災(zāi)害體穩(wěn)定性分析、變形機(jī)理分析和破壞過程推演等3方面?，F(xiàn)場應(yīng)急處置過程中，應(yīng)急調(diào)查快速查明災(zāi)害體周邊工程地質(zhì)條件，是現(xiàn)場應(yīng)急模擬幾何模型和物理力學(xué)參數(shù)等基本信息的主要數(shù)據(jù)來源，

表2　數(shù)值模擬應(yīng)急與常規(guī)技術(shù)條件比較

Table 2　Comparison of emergent and conventional condition in numerical simulation

對比內(nèi)容應(yīng)急數(shù)值模擬常規(guī)數(shù)值模擬研究目的突發(fā)地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急處置救援,防災(zāi)減災(zāi)科學(xué)研究研究對象突發(fā)地質(zhì)災(zāi)害,災(zāi)情和險(xiǎn)情兩種情況常規(guī)地質(zhì)災(zāi)害工況分析具體可能的幾種固定工況通常會考慮多種可能工況,對比分析監(jiān)測數(shù)據(jù)需現(xiàn)場進(jìn)行應(yīng)急監(jiān)測,由于突發(fā)地質(zhì)災(zāi)害的隨機(jī)性和不確定性,基本沒有既有監(jiān)測數(shù)據(jù)研究對象一般已進(jìn)行或可進(jìn)行較精確的監(jiān)測,可以根據(jù)需要安排監(jiān)測內(nèi)容物理力學(xué)參數(shù)獲取通常無試驗(yàn)數(shù)據(jù),只能通過現(xiàn)場快速量測、已有附近工程資料、經(jīng)驗(yàn)值和專家意見確定參數(shù)取值可通過室內(nèi)外試驗(yàn),如鉆探、平硐、現(xiàn)場原位測試等手段獲取較精確取值幾何模型構(gòu)建現(xiàn)場即時(shí)獲取,如照片、3S技術(shù)(GPS、RS、GIS)、目測畫示意圖等手段,且以2D為主可以通過后期加工獲取較為準(zhǔn)確的幾何模型,且3D模擬更能反映實(shí)際邊界范圍圈定尚未有相關(guān)方面研究,然其范圍圈定直接影響幾何模型大小及工作量目前見于文獻(xiàn)的主要有兩種方式,其一,張倬元等(2009)對應(yīng)力影響域的描述確定邊界范圍;其二,鄭穎人等(2006)規(guī)定有限元模擬中坡腳邊界為坡高的1.5倍,坡頂邊界為坡高的2.5倍,且上下邊界總高不低于2倍坡高,計(jì)算精度較好本構(gòu)模型必須選用已有常規(guī)和較為成熟的本構(gòu)模型,在盡可能準(zhǔn)確的描述巖土體性質(zhì)的基礎(chǔ)上,要求參數(shù)少且易獲取無特殊要求,根據(jù)分析目的,選用逼近真實(shí)狀況的本構(gòu)模型,一般不考慮參數(shù)獲取難易程度,若沒有合適的本構(gòu)模型,則推導(dǎo)和修正現(xiàn)有模型,但通常具有特異性時(shí)間要求在保證一定的可靠度的情況下,越快越好沒有時(shí)間要求,以研究目的為導(dǎo)向

是建立初步數(shù)值模型的基礎(chǔ)。此外，現(xiàn)場動態(tài)應(yīng)急監(jiān)測實(shí)時(shí)掌握災(zāi)害發(fā)展趨勢，為驗(yàn)證數(shù)值模型的正確性和修正參數(shù)取值提供擬合數(shù)據(jù)，以便災(zāi)害體關(guān)鍵部位的迅速確立。應(yīng)急治理階段，數(shù)值模擬方便考慮支護(hù)結(jié)構(gòu)與災(zāi)害體的耦合作用，動態(tài)反映處置措施的有效性，滿足災(zāi)害應(yīng)急求實(shí)效的客觀要求。然而常規(guī)數(shù)值模擬應(yīng)用非直面應(yīng)急情景，必然與應(yīng)急數(shù)值模擬技術(shù)條件存在差別，表2(李俊峰等，2016)從研究目的、對象、工況等9方面分析比較了兩者技術(shù)條件的差異。

2.2關(guān)鍵技術(shù)問題

應(yīng)急決策需要快速研判滑坡穩(wěn)定性、推演可能的滑動過程，不要求模擬結(jié)果十分精確，但必須是可靠的，這是安全法則所決定的(李俊峰等，2016)。分析突發(fā)地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急響應(yīng)技術(shù)流程(劉傳正等，2010；張小趁等，2015a)，表明數(shù)值模擬技術(shù)在實(shí)際應(yīng)急處置過程可以發(fā)揮輔助應(yīng)急決策作用，應(yīng)急響應(yīng)啟動之后便可介入。表3從應(yīng)急建模、數(shù)值方法選擇和參數(shù)選取及結(jié)果表達(dá)等3個(gè)方面，提出數(shù)值模擬技術(shù)在應(yīng)急過程中應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)方法。

針對災(zāi)害應(yīng)急情景模式，使數(shù)值模擬技術(shù)應(yīng)用更加高效，有必要分類建立災(zāi)害類型數(shù)據(jù)庫，庫內(nèi)包含常見典型應(yīng)急案例數(shù)值模型建立、方法選擇和主要參數(shù)類型及取值等基本類，以便應(yīng)急處置過程中直接調(diào)用，在此基礎(chǔ)上作出特異性修改；同時(shí)為規(guī)范化建模，有必要探索半自動和自動化應(yīng)急建模技術(shù)，最終實(shí)現(xiàn)參數(shù)輸入、模型輸出的現(xiàn)場應(yīng)急快速建模，也有利于數(shù)值模擬技術(shù)更為廣泛的應(yīng)用，當(dāng)然也要充分降低數(shù)值模擬主觀性因素的影響，增加模擬的準(zhǔn)確性。

表3　數(shù)值模擬技術(shù)應(yīng)急應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)方法

Table 3　Key technical method in numerical simulation technology of emergency

技術(shù)方法內(nèi)容內(nèi)容具體描述備 注應(yīng)急建模地質(zhì)模型以現(xiàn)場應(yīng)急調(diào)查為基礎(chǔ),現(xiàn)場(或遠(yuǎn)程會商)應(yīng)急專家意見為參考,是數(shù)值模型建立的基礎(chǔ)和修正的根據(jù)專家經(jīng)驗(yàn)與現(xiàn)場實(shí)際相結(jié)合幾何模型其概化基于現(xiàn)場或歷史地勘資料的二維主剖面,邊界區(qū)域圈定(表2)邊界條件以位移邊界條件為主,適當(dāng)考慮構(gòu)造應(yīng)力邊界,特殊工況如地震則需設(shè)置底部黏滯邊界數(shù)值模型確立合理邊界條件,根據(jù)現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)、歷史資料和參數(shù)反演綜合確立物理力學(xué)參數(shù),本構(gòu)模型要求簡單而較為準(zhǔn)確保證可靠性前提,盡可能簡化模型表達(dá)數(shù)值方法選擇穩(wěn)定性分析及變形機(jī)制分析連續(xù)介質(zhì)數(shù)值方法和非連續(xù)介質(zhì)方法均可,連續(xù)方法為佳,如FLAC3D、Geo-studio和ANSYS等有限元適合處理非線性問題不適用模擬非連續(xù)大變形問題,內(nèi)力分析優(yōu)勢明顯;FLAC方法在處理非線性大變形問題具有優(yōu)勢,且在多工況分析和支護(hù)型式效果分析應(yīng)用廣泛滑動過程推演非連續(xù)介質(zhì)數(shù)值方法為主,如DDA、UDEC、PFC等離散元法適合處理非均質(zhì)、非連續(xù)和大變形問題,滑動過程推演模擬優(yōu)勢明顯,重視局部失穩(wěn)導(dǎo)致計(jì)算過程失敗和耗時(shí)問題參數(shù)選取與結(jié)果表達(dá)參數(shù)類型巖土體參數(shù)與數(shù)值方法和本構(gòu)模型直接相關(guān),但存在基本物理參數(shù),應(yīng)急現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)取值和工程類比是參數(shù)主要來源結(jié)構(gòu)面包括節(jié)理面、巖層面和滑動面結(jié)構(gòu)面參數(shù)結(jié)果表達(dá) 據(jù)分析目的不同,內(nèi)力機(jī)制分析包括應(yīng)力云圖、位移云圖和塑性區(qū)云圖等,運(yùn)動過程包括位移時(shí)間關(guān)系圖、速度時(shí)間關(guān)系圖和堆積范圍圖等地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急處置是多學(xué)科、多領(lǐng)域、多部門和多層次的綜合性防災(zāi)減災(zāi)活動,要重視將模擬結(jié)果以圖片和動畫的形式輸出,使非專業(yè)人士也能及時(shí)了解和掌握險(xiǎn)情或?yàn)?zāi)情動態(tài)

3　典型滑坡應(yīng)急案例實(shí)證研究

2015年6月14日，位于峨眉山市九里鎮(zhèn)興陽村九沙河右岸發(fā)生大型順層巖質(zhì)滑坡，滑坡體總體積約500×104m3，27戶共52人安全受到威脅，滑體前緣沖進(jìn)九沙河，形成厚度達(dá)50m左右的堰塞壩體，汛期對下游存在重大安全隱患(圖1)。應(yīng)急現(xiàn)場迫切需要對滑坡發(fā)生機(jī)理和滑動過程進(jìn)行分析，以便迅速確定滑坡成因和應(yīng)急治理重點(diǎn)。在應(yīng)急調(diào)查觀測基礎(chǔ)上，經(jīng)綜合考慮，結(jié)合非連續(xù)大變形分析(石根華，1997)真實(shí)時(shí)間模擬和大變形問題處理的優(yōu)勢，對滑坡滑動成因和滑動過程進(jìn)行推演，輔助應(yīng)急決策。

圖1　滑坡地質(zhì)剖面圖Fig.1　Geological profile of landslide

3.1應(yīng)急建模

峨眉山九里滑坡災(zāi)情發(fā)生后，迫切需要對災(zāi)害發(fā)生過程進(jìn)行反演，確立防治重點(diǎn)。通過滑坡歷史資料收集和現(xiàn)場應(yīng)急調(diào)查，確定潛在滑動面和基巖出露情況，滑體被兩組節(jié)理切割破碎，凝灰?guī)r滑帶泥化現(xiàn)象嚴(yán)重，充分利用三維激光掃描技術(shù)非接觸式測量的技術(shù)優(yōu)勢(褚宏亮等，2015)，獲得滑坡表面云圖，結(jié)合歷史衛(wèi)星遙感圖，推測原始地面(圖1)，將滑坡劃分為滑體和滑床兩個(gè)部分，滑床為一個(gè)整體，初步建立滑坡二維幾何模型(圖2)?；挛锢砹W(xué)參數(shù)取值綜合考慮經(jīng)驗(yàn)取值、反演分析和既有資料。本工程以歷史資料為主，輔以專家意見，利用數(shù)值分析參數(shù)反演的優(yōu)勢綜合確定符合現(xiàn)場實(shí)際的物理力學(xué)參數(shù)。根據(jù)計(jì)算模型簡化結(jié)果，將滑坡參數(shù)分為巖體和節(jié)理參數(shù)兩類(表4)。模型的左右邊界和底部邊界設(shè)為固定邊界，上部自由邊界以模擬滑體在自重作用下的位移。根據(jù)現(xiàn)場應(yīng)急調(diào)查，滑坡出露基巖位置為滑動面，故將基巖以下劃分為一個(gè)塊體；單元尺寸趨于均一，以便充分反映降雨弱化滑體物理力學(xué)參數(shù)對滑體穩(wěn)定狀況的影響，滑體部分塊體系統(tǒng)包含塊體單元306個(gè)，布置前中后3個(gè)監(jiān)測點(diǎn)(圖3)。

圖2　滑坡幾何模型示意圖Fig.2　Geometry model of landslide

圖3　滑坡DDA數(shù)值計(jì)算模型Fig.3　DDA numerical model of landslide

表4　滑坡材料力學(xué)參數(shù)取值

Table 4　Mechnical parameters of landslide

材料參數(shù)密度/kg·m-3彈性模量/GPa泊松比黏聚力/kPa內(nèi)摩擦角/(°)抗拉強(qiáng)度/MPa巖體250010.25———節(jié)理———0～300～300

圖4　天然狀態(tài)滑坡關(guān)鍵塊體穩(wěn)定系數(shù)和滑距與時(shí)間關(guān)系曲線　Fig.4　Natural state of landslide stability coefficient of a key block and slip curve relationship with timea.天然狀態(tài)關(guān)鍵塊體穩(wěn)定性系數(shù)-時(shí)間曲線；b.天然狀態(tài)監(jiān)測塊體滑距-時(shí)間曲線

圖5　滑坡滑動全過程位移、速度與時(shí)間關(guān)系曲線Fig.5　Relation curve of displacement，velocity with time during whole process of landslide slidinga.滑坡過程水平位移-時(shí)間曲線；b.滑坡過程滑距-時(shí)間曲線；c.滑坡過程速度-時(shí)間曲線

3.2結(jié)果解讀與實(shí)證分析

3.2.1滑坡啟動原因

通過現(xiàn)場應(yīng)急調(diào)查、參數(shù)反演和歷史數(shù)據(jù)收集，滑體天然狀態(tài)下黏聚力約30kPa，內(nèi)摩擦角約30°。天然狀態(tài)模擬結(jié)果顯示，由于滑體前緣存在髙10余米的臨空面，滑體前緣部分塊體發(fā)生滑動，11#監(jiān)測塊體顯示滑距最大為0.65m，滑體緩慢蠕動后，關(guān)鍵塊體穩(wěn)定系數(shù)保持在1.8左右，說明滑坡整體穩(wěn)定(圖4)。應(yīng)急調(diào)查表明，現(xiàn)場水文地質(zhì)條件簡單，主要為第四系松散地層孔隙潛水和基巖裂隙水，滑坡處于地下水位以上，且災(zāi)情發(fā)生前該區(qū)域多日連續(xù)降雨。綜合模擬結(jié)果及實(shí)際情況初步判定造成災(zāi)情的主要誘因是降雨弱化節(jié)理巖體物理力學(xué)參數(shù)，臨空面為滑坡發(fā)生提供有利條件。

3.2.2滑動過程推演

根據(jù)前述對滑坡發(fā)生誘因的初步判斷，擬合現(xiàn)場滑體變形和關(guān)鍵標(biāo)志物的運(yùn)動情況，通過數(shù)值參數(shù)反演確定實(shí)際滑體物理力學(xué)參數(shù)估計(jì)值。根據(jù)DDA模擬結(jié)果，滑坡滑動分為啟動、快速滑動和堆積3個(gè)階段，啟動階段滑體前緣塊體首先滑出，滑體后緣出現(xiàn)拉裂面；快速滑動階段，滑體表層松動，部分塊體飛起，滑體滑動過程中最大水平位移約87m，速度峰值最高達(dá)7m·s-1；堆積停止階段，隨著滑坡勢能的摩擦消耗，以及滑體前緣出現(xiàn)反壓，滑體中下部趨于穩(wěn)定，表層碎石土局部發(fā)生緩慢滑動，滑距約為38m，前緣堆積體厚度53m，持續(xù)時(shí)間70s左右(圖5，圖6)。

圖6　滑坡滑動過程變形圖Fig.6　Deformation pattern of landslide sliding processa.0s滑體變形情況；b.3.5s滑體變形情況；c.21s滑體變形情況；d.70s滑體變形情況

綜上所述，王山—抓口寺滑坡破壞模式為以后部推移為主、前部牽引為輔的“強(qiáng)降雨-入滲-巖體軟化-推拉”破壞模式。模擬結(jié)果很好的為確立應(yīng)急治理重點(diǎn)和理解滑坡發(fā)生機(jī)制提供了參考，輔助應(yīng)急效果明顯。

4　結(jié)　語

突發(fā)地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急現(xiàn)場對數(shù)值模擬技術(shù)提出了對時(shí)間、模擬結(jié)果和可靠度的更高要求。實(shí)際災(zāi)害應(yīng)急是多學(xué)科、多領(lǐng)域、多部門和多層次的綜合性防災(zāi)減災(zāi)活動。災(zāi)害應(yīng)急現(xiàn)場對數(shù)值模擬技術(shù)的應(yīng)用提出了實(shí)際需求，雖然常規(guī)數(shù)值模擬在災(zāi)害領(lǐng)域的研究存在非基于時(shí)間和應(yīng)急模式模擬等諸多應(yīng)急工況適應(yīng)性不足問題，但是也為數(shù)值模擬技術(shù)應(yīng)急應(yīng)用提供了大量素材。應(yīng)急過程中，應(yīng)急調(diào)查為數(shù)值模擬提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，應(yīng)急監(jiān)測作為驗(yàn)證建模準(zhǔn)確性和模擬結(jié)果的合理性的重要手段。通過峨眉山九里鎮(zhèn)王山—抓口寺滑坡災(zāi)情的數(shù)值模擬技術(shù)應(yīng)用分析，直觀的反映了數(shù)值模擬在災(zāi)害應(yīng)急的極大優(yōu)勢，進(jìn)一步說明了數(shù)值模擬技術(shù)對應(yīng)急決策輔助效果明顯。

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APPLICATION OF NUMERICAL SIMULATION TECHNOLOGY TO EMERGENT RESCUING OF GEOLOGICAL DISASTER

LI Junfeng①ZHANG Xiaochen②LIU Hongyan①③NI Tianxiang④CHU Hongliang④CHEN Hongqi④

(①School of Engineering & Technology，China University of Geosciences(Beijing)，Beijing100083)

(②North China Institute of Science and Technology，Beijing101601)

(③School of Engineering，Tibet University，Lhasa850000)

(④China Institute for Geo-Environmental Monitoring(Geological Disaster Emergency Technical Guidance Center of MLR)，Beijing100081)

This paper is based on the analysis of landslide and a large number of predecessor research results.It summarizes the works of conventional numerical simulation in the analysis of stability，landslide mechanism analysis and reproducing sliding process.It presents the basic conditions of numerical simulation applicable to geo-hazard emergent rescuing.At the same time，it puts forward the state differences between conventional and emergency numerical analyses.It clearly figures out the characteristics of emergency numerical simulation, and the key problems about the application of numerical simulation to geo-hazard emergent rescuing.It gives an application example of the Wangshan-Zhuakousi landslide on the Mount Emei，Sichuan province.It uses the numerical method of discontinuous deformation analysis(DDA)that has outstanding advantages in the analysis of large deformation in real time.The numerical simulation in the process and reason of the landslide have been taken into a further study.The results show，the sliding process is successfully reproduced and the maximum horizontal displacement of the sliding body reached by DDA mode is 87meters.The peak speed is 7m·s-1.The results show that sliding distance is about 38meters and the leading edge thickness is 53meters.The whole duration of the landslide obtained by DDA method is about 70 seconds.The numerical results are consistent with the results of emergent investigation.It’s concluded that numerical simulation in geo-hazard emergency is good for the comprehension of the process of landslide，finding the key point and auxiliary emergency decision．

Geo-hazard，Numerical simulation，Emergency response，Landslide，DDA

10.13544/j.cnki.jeg.2016.04.011

2016-02-29;

2016-06-15.

國家自然科學(xué)基金(41162009)，國土資源部公益性行業(yè)科研專項(xiàng)“突發(fā)地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急響應(yīng)支撐關(guān)鍵技術(shù)研究”(201211055)，中國地質(zhì)大學(xué)(北京)基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金(2-9-2014-019)資助.

李俊峰(1991-)，男，碩士生，主要從事巖土工程方面的科研工作.Email:yookeelee@163.com

簡介：劉紅巖(1975-)，男，教授，主要從事巖土工程方面的教學(xué)和科研工作.Email:lhyan1204@126.com

P642.22

A