塔子坪滑坡治理前后危險性對比

石莉莉，黃 棟，喬建平，張 晶, 何宇瓊，李 虎

(1. 成都市地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測站，四川 成都，610042；2. 中國科學(xué)院山地災(zāi)害與地表過程重點實驗室，四川 成都 610041；3. 中國科學(xué)院·水利部成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所，四川 成都 610041；4. 成都科佳工程管理有限公司，四川 成都 610041)

塔子坪滑坡治理前后危險性對比

石莉莉1，黃 棟2, 3，喬建平2, 3，張 晶4, 何宇瓊4，李 虎1

(1. 成都市地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測站，四川 成都，610042；2. 中國科學(xué)院山地災(zāi)害與地表過程重點實驗室，四川 成都 610041；3. 中國科學(xué)院·水利部成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所，四川 成都 610041；4. 成都科佳工程管理有限公司，四川 成都 610041)

通過對塔子坪滑坡地質(zhì)條件與力學(xué)參數(shù)進行調(diào)查和分析，利用有限體積法，在充分考慮滑坡-碎屑流運動過程中流態(tài)化性質(zhì)的基礎(chǔ)上引入流變模型，借助于GIS平臺對塔子坪滑坡治理前后的運動全過程進行模擬，給出了滑坡運動過程中堆積體厚度、速度、壓力等運動特征參數(shù)，并結(jié)合滑坡空間尺度的危險性評價指標，對塔子坪滑坡治理前后的危險性進行三維分區(qū)成圖。計算結(jié)果表明：塔子坪滑坡工程治理前后的危險區(qū)范圍發(fā)生明顯改變，尤其是高危險區(qū)面積減小最為顯著約為治理前面積的三分之二，且防治后的運動特征參數(shù)減小為防治前的三分之一。因此，塔子坪滑坡雖然進行了工程防治，但局部區(qū)域仍處于高危險度區(qū)，建議處于高危險度區(qū)房屋進行搬遷或加強防護。

有限體積法；流變模型；運動特征參數(shù)；危險性評價

滑坡危險性包括滑坡的影響范圍(滑坡源區(qū)、可能滑動路徑區(qū)或滑坡向后和側(cè)向擴展區(qū))以及次生災(zāi)害，如水庫涌浪、氣浪、滑坡堰塞湖等的危險性。典型滑坡危險性評估旨在就某一給定的位置、或一個一個潛在的滑坡，提出一個系統(tǒng)的危險性評估的方法。目前，國內(nèi)外對典型滑坡危險性評價這一研究領(lǐng)域還不成熟，不同的學(xué)者對滑坡災(zāi)害危險性的認識角度也不一樣。其中，滑坡的影響范圍預(yù)測是對滑坡變形、失穩(wěn)特征的簡稱，其基本問題是滑坡運移距離、運動速度、堆積厚度范圍等。滑坡體運動行為與滑坡發(fā)生和運移機制、坡體特征、滑坡體運移路徑等因素有關(guān)。目前，滑坡運動預(yù)測的主要方法有經(jīng)驗預(yù)測法和數(shù)值模擬法。

經(jīng)驗預(yù)測法主要通過野外收集滑坡特征參數(shù)和運動路徑，分析各參數(shù)之間的關(guān)系，通過多元回歸分析構(gòu)建滑坡運動距離公式。主要包括：地貌法[1-3]、幾何改變法[4-6]、體積改變法[7]。經(jīng)驗?zāi)Ｐ屯ǔ１容^簡單，易于運用，模型所需要的數(shù)據(jù)也比較容易獲得。數(shù)值模擬法是一種離散的近似法，通常被分為連續(xù)變形分析法[8-11]、非連續(xù)變形分析法[12-13]、簡化解析模擬法[14-15]。數(shù)值模擬方法通常把原本空間、時間坐標下連續(xù)的物理量通過有限離散點上的數(shù)值幾何來表示，依據(jù)一定的準則建立起這些值的代數(shù)方程組，以獲得對應(yīng)物理量的近似解。

經(jīng)驗預(yù)測模型只能對滑坡的運移路徑進行簡單的預(yù)測，且模型的預(yù)測結(jié)果與實際測量結(jié)果有時并不能很好吻合；此外，由于不同研究區(qū)的地質(zhì)環(huán)境存在差異，模型的通用性較差。連續(xù)變形方法的優(yōu)勢是其復(fù)制能力極強，但在滑坡碎屑流、火山泥流、泥石流等情況不推薦使用，因為這些流動物質(zhì)有復(fù)雜的流變特性。非連續(xù)變形的流體力學(xué)的方法計算滑坡運動的過程，存在計算量大、參數(shù)選取困難等不足，且難以進行三維實現(xiàn)。簡化解析模擬法基于連續(xù)流體力學(xué)，充分考慮滑坡流態(tài)性質(zhì)的基礎(chǔ)上引入流變模型，且易于在GIS平臺進行三維實現(xiàn)。因此，本文采用基于連續(xù)流體力學(xué)的有限體積法(簡化解析模擬法)，在用質(zhì)量守恒、動量守恒和能量守恒方程來描述滑坡的運動狀態(tài)的基礎(chǔ)上引入流變模型，借助于GIS分析平臺對塔子坪滑坡治理前后的運動全過程進行模擬，建立塔子坪滑坡治理前后的危險性分區(qū)圖。

1 動力學(xué)分析法

采用基于連續(xù)流體力學(xué)的有限體積法，考慮滑坡-碎屑流運動過程中滑體下表面的侵蝕作用及摩阻力的變化，建立滑坡-碎屑流運動過程計算模型。其基本思路是：將計算區(qū)域劃分為一系列不重復(fù)的控制體積，并使每個網(wǎng)格點周圍有一個控制體積；將待解的微分方程對每一個控制體積積分，便得出一組離散方程。其中的未知數(shù)是網(wǎng)格點上的因變量的數(shù)值。為求出控制體積的積分，必須假定值在網(wǎng)格點之間的變化規(guī)律，即假設(shè)值的分段的分布剖面。就離散方法而言，有限體積法較好地克服了有限單元法方法計算速度慢的缺點，同時解決了有限差分方法對復(fù)雜區(qū)域處理的問題。因此，基于有限體積法，將滑坡體劃分為小尺度的計算單元，模擬滑坡在地形控制條件下的運動過程，建立滑坡滑動過程計算的運動學(xué)模型。

有限體積法的核心體現(xiàn)在區(qū)域離散方式上，其實質(zhì)是利用有限離散點代替連續(xù)空間。有限體積法的基本思路易于理解，并能得出直接的物理解釋。離散方程的物理意義，就是因變量在有限大小的控制體積中的守恒原理，如同微分方程表示因變量在無限小的控制體積中的守恒原理一樣。守恒方程的建立基于連續(xù)性運動模型的基本理論，即對滑坡物質(zhì)的連續(xù)性假設(shè)。因此，將滑坡體劃分為一系列單元，假設(shè)每一單元在深度上的速度、密度等運動參數(shù)及物理力學(xué)參數(shù)一致(圖 1)。針每一個控制體建立基于歐拉坐標系統(tǒng)的守恒公式。

圖1 有限體積離散示意圖

1.1 控制方程

因此，質(zhì)量平衡方程為：

(1)

設(shè)l(x,y,t)為崩滑體隨時間的運動距離，因此可得：

(2)

式中：hi為崩滑體運動過程中第i層的厚度；ρi為崩滑體運動過程中第i層的密度；ρa為崩滑體的密度；無量綱參數(shù)ki為夾帶率。

動量平衡方程為：

=Sgv-Sf(R)[nx];

(3)

=Sgx-Sf(R)[ny]。

(4)

式中：Sgx=gxH和Sgy=gyH為x和y方向重力加速度動力分量；g=(gx,gy,gz)為重力加速度矢量；ka/p為土壓力系數(shù)；ρa為崩滑體的密度；無量綱參數(shù)ki為夾帶率；Sf(R)為摩阻力。

動能平衡方程為：

(5)

1.2 本構(gòu)關(guān)系

采用Voellmy流變模型，在滑坡滑動距離的計算模擬中應(yīng)用廣泛，尤其對于滑體物質(zhì)含水量較大的碎屑流質(zhì)滑坡，計算公式如下：

(6)

式中：μ0為庫倫摩擦系數(shù)；ξ為“湍流”粘性摩擦系數(shù)。庫倫摩擦系數(shù)與R(x,y,t)崩滑體隨機平均動能相關(guān)。

1.3 本構(gòu)關(guān)系

聯(lián)立控制方程(1)(3)(4)和(5)可得非線性雙曲線方程簡寫為：

?tV+·F(V)=G(V) 。

(7)

式中：V(x,y,t)包含四個未知向量變量；VT(x,y,t)=(H，HUx，HUy，HR)；F(V)為通量函數(shù)；G(V)為原項。用有限體積法HLLE方程[18]對式(7)進行求解，可求得運動過程中任意時刻崩滑體的厚度、速度、壓力。

2 塔子坪滑坡危險性預(yù)測

2.1 塔子坪滑坡

塔子坪滑坡位于四川省都江堰市龍池鎮(zhèn)，白沙河右岸，其地貌單元為中山構(gòu)造侵蝕區(qū)，屬白沙河谷右岸斜坡地貌。塔子坪滑坡坡度為25°～40°，平均坡度約為32°，為汶川地震觸發(fā)的堆積層滑坡?；氯σ屋喞黠@，已形成陡直的后緣壁，后緣壁坡度為35°～50°，標高在1 370m左右；前緣位于山路南側(cè)，高程在1 007m左右?；赂卟罴s為363m，主滑方向為124°?；w呈不規(guī)則半橢圓形，縱向長度約為530m，平均寬度145m，滑坡面積約7.68萬m2?；麦w主體為碎石土，表層覆蓋粉質(zhì)粘土夾碎石，空間分布具有中部厚，側(cè)緣薄的特點，厚度在20～25m，體積約為116萬m3，屬于大型滑坡(圖2)。

圖2 塔子坪滑坡

滑坡體為松散滑坡堆積物含有較多的碎石及充填物粉質(zhì)粘土，結(jié)構(gòu)松散，透水性強，有利于地表水沿結(jié)構(gòu)面下滲。地震使該滑坡的變形加劇，也使坡體堆積物更趨松散化，進而降低了坡體的穩(wěn)定性。在暴雨或持續(xù)降雨期間，地表水易沿坡體松散結(jié)構(gòu)面下滲，導(dǎo)致坡體內(nèi)水壓力增大并軟化滑面抗剪強度。因此，降雨是塔子坪上方滑坡變形失穩(wěn)的主要誘發(fā)因素，降雨通過松散層的孔隙入滲、運移，使得坡體飽水，增加滑體自重，入滲至滑帶中，降低滑帶土的抗剪強度，入滲至滑坡體中增大了上層滯水滲透壓力，促使滑體變形，乃至滑動，并對滑坡前緣的村莊安全造成極大威脅。目前，該斜坡已采用抗滑樁和回填土壓實坡腳綜合治理的方法，抗滑樁對增強滑坡的整體穩(wěn)定性效果顯著，但強降雨的作用下滑坡中上部松散堆積體存在從抗滑樁上部躍頂剪出的可能性。

因此，基于有限體積法，模擬塔子坪滑坡治理前后發(fā)生破壞時可能存在的運動狀態(tài)，并對其運動過程中的動力學(xué)參數(shù)進行對比分析，建立塔子坪滑坡治理前后的危險性分區(qū)圖。

2.2 治理前的危險性預(yù)測

工程治理前假設(shè)滑坡整體破壞。實地調(diào)查估算滑動體的啟動體積約為60萬 m3，平均厚度為8 m。根據(jù)勘察報告及實地調(diào)查情況[16]，本文采用表1中的參數(shù)進行模擬計算。

表1 模型計算參數(shù)

滑坡堆積體運動特征參數(shù)如圖3所示。計算結(jié)果可知：①滑坡運動過程中堆積體的最大厚度高達23.85 m位于斜坡中上部坡體表面沖溝處，中下部積堆體厚度約為5～10 m之間；②滑坡堆積體中下部運動速度在3～7 m/s之間；③運動過程中滑坡平均壓力約為500 kPa，中下部堆積體的壓力約為200 kPa。因此，可以認為堆積范圍內(nèi)三層樓以下的房屋有被淤埋的危險，并且建議將堆積體中上部房屋的山墻的設(shè)計強度提高到300 kPa以上。

2.3 治理后的危險性預(yù)測

在充分考慮抗滑樁及堆土的作用下，利用Morgenstern-Price法[17]計算塔子坪滑坡治理之后的穩(wěn)定性系數(shù)。取飽和狀態(tài)下的物理力學(xué)參數(shù)[16]，收索滑坡的滑動面。計算結(jié)果表明：降雨條件下，塔子坪滑坡中部部分區(qū)域處于不穩(wěn)定狀態(tài)。滑坡中部松散堆積物可能轉(zhuǎn)化為含水量較大的碎屑流質(zhì)物質(zhì)滑動破壞，并從抗滑樁上部躍頂剪出。破壞區(qū)域斜坡后緣壁標高約在1 170 m左右；前緣位于山路南側(cè)，高程在1 070 m左右，長度約為180 m。因此，可以估算降雨破壞部分規(guī)模約為25萬m3，平均厚度約為6 m。采用表1的參數(shù)進行模擬計算。

圖3給出了滑坡堆積體運動特征參數(shù)。計算結(jié)果表明：①滑坡運動過程中堆積體最大厚度為18.37 m位于斜坡中上部坡體表面沖溝處，中下部積堆體厚度約為3～5 m；②滑坡中下部運動速度在3～5 m/s之間；③運動過程中滑坡平均壓力約為330 kPa，中下部堆積體的壓力約為100 kPa。因此，可以認為堆積范圍內(nèi)二層樓以下的房屋有被淤埋的危險，建議將堆積體中上部房屋的山墻的設(shè)計強度提高到150 kPa以上。

圖3 塔子坪滑坡運動特征參數(shù)(治理后)

圖4 塔子坪滑坡運動特征參數(shù)(治理前)

危險區(qū)級別評價指標/m建筑物損毀概率/%治理前面積/m2治理后面積/m2增、減面積/m2建筑物損壞特征低危險區(qū)(Ⅰ)h≤05204460038748-5852一層樓的房屋有被損壞的可能性；滑坡體上的房屋局部損壞。較低危險區(qū)(Ⅱ)05

圖5 塔子坪滑坡危險性分區(qū)對比

對比治理前的情況(圖4)，堆積體的堆積厚度、壓力減小約為二分之一，運動速度減小約三分之一。但紅色村廟壩居民點部分區(qū)域仍然處于危險中。

3 塔子坪滑坡危險性分區(qū)

滑坡運動階段，滑坡體的空間尺度指標包括面積、體積及厚度等。對于建筑物而言，其所在位置處的滑體運動過程中的最大厚度是影響其變形破壞狀況的直接因素之一?；潞穸确秶鷥?nèi)的深部位移可能導(dǎo)致建筑物掩埋、傾覆或變形破壞，從而影響建構(gòu)物的安全穩(wěn)定性。因此，滑坡厚度是滑坡災(zāi)害危險性評價的重要指標，同時也是影響承災(zāi)體災(zāi)害后果的重要因素。表2給出了基于滑坡厚度分級的滑坡危險性分區(qū)表，其中滑體厚度反映了建筑物遭受的滑坡災(zāi)害時的抵抗滑坡災(zāi)害的能力以及損壞概率等。對比塔子坪滑坡工程治理前后的危險區(qū)范圍減小了約三分之一，其中高危險區(qū)面積減小最為顯著減小約為治理前面積的三分之二。

圖5給出了有無工程防治的塔子坪滑坡危險性分區(qū)圖。由圖5可知，塔子坪滑坡工程治理前后的危險區(qū)范圍發(fā)生明顯改變，尤其是高危險區(qū)面積減小最為顯著。工程治理前滑坡對廟壩居民點上部左側(cè)8棟房屋影響較大，治理后這種影響下降到4棟房屋。由此可見，雖然進行了工程防治，但局部區(qū)域仍處于高危險度區(qū)域。

4 結(jié)論

(1)基于有限體積法，對塔子坪滑坡運動過程的模擬結(jié)果與滑坡實際調(diào)查預(yù)測滑動路徑基本一致。這也表明了數(shù)值模擬方法對于滑坡-碎屑流運動過程研究的有效性。對比塔子坪滑坡治理前后滑坡體動特征參數(shù)，有工程防治情況下滑坡堆積體的堆積厚度、壓力減小約為二分之一，運動速度減小約三分之一。但紅色村廟壩居民點局部區(qū)域仍然處于危險中。堆積區(qū)內(nèi)二層樓以下的房屋有被淤埋的危險，建議將堆積體中上部房屋的山墻的設(shè)計強度提高到150 kPa以上。

(2)借助于GIS平臺，結(jié)合滑坡空間尺度的危險性評價指標，對塔子坪滑坡工程治理前后的危險性進行三維分區(qū)。結(jié)果顯示塔子坪滑坡工程治理前后的危險區(qū)范圍發(fā)生明顯改變，尤其是高危險區(qū)面積減小最為顯著減小約為治理前面積的三分之二。工程治理前滑坡堆積體對廟壩居民點上部左側(cè)8棟房屋影響較大，治理后這種影響下降到4棟房屋。因此，雖然進行了工程防治，但局部區(qū)域仍處于高危險度區(qū)。建議處于高危險度區(qū)域房屋進行搬遷或加強防護。

致謝：實驗工作在國土資源部成都龍門山地震擾動區(qū)地質(zhì)災(zāi)害野外科學(xué)觀測研究基地完成，對此謹致謝意。

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RiskAssessmentComparisonbetweenTazhipingLandslidebeforeandafterTreatment

SHI Lili1, HUANG Dong2, 3, QIAO Jianping2, 3, ZHANG Jing4, HE Yuqiong4and LI Hu1

(1.ChengduInstituteofGeo-EnvironmentMonitoring,Chengdu610042,China; 2.InstituteofMountainHazardsandEnvironment,ChineseAcademyofSciences,Chengdu610041,China; 3.KeyLaboratoryofMountainHazardsandSurfaceProcess,Chengdu610041,China; 4.KeJiaEngineeringManagementCo.Ltd,Chengdu610041,China)

ThroughinvestigatingandanalyzingthegeologicalconditionsandmechanicalparametersofTazhipinglandslide,thefinitevolumemethodwasadopted,and,takingintoaccounttherheologicalmodelwasadoptedtosimulatelandslideandavalancheentiremassmovementprocess.WeadoptGISplatformtosimulatetheentiremassmovementprocessofTazhipinglandslidebeforeandaftertreatment;alsoprovidetheconditionsandcharacteristicparametersofthesoildeposits(thickness,speed,stresses,etc.)duringthelandslidemassmovementprocessandmappedthe3Ddivisionofrisksbeforeandafterlandslidetreatmentbasedontheriskevaluationindexesoflandslidesonthespatialscale.Theresultsindicatedthatextendoftheriskzoneschangedbeforeandaftertheengineeringofthelandslides,particularly,theareaofhigh-riskzoneswassignificantlyreduced(toabout2/3oftheareabeforetreatment),andthecharacteristicparametersofthemassmovementprocessaftertreatmentdecreasedto1/3ofthosebeforetreatment.Althoughengineeringtreatmenthadbeenprovided,theselandslidesstillcreatedlocalhigh-riskzones,andtherefore,itwasproposedthathouseslocatedinhigh-riskzonesberelocatedorreinforcedforprotection.

finitevolumemethod;rheologicalmodel;motionfeatureparameters;riskassessment

2016-10-10

2016-12-19

國家自然科學(xué)基金資助項目(41301009,41301587)；科技部國際合作資助項目(2013DFA21720)

石莉莉(1980-)，女，甘肅酒泉人，博士，研究方向為滑坡風(fēng)險評價、滑坡預(yù)警系統(tǒng)研究. E-mail：494138820@qq.com

黃棟(1980-)，男，湖北黃石人，博士，研究方向為滑坡災(zāi)害形成機制、危險性評價和預(yù)警報技術(shù). E-mail：dhuang@imde.ac.cn

10.3969/j.issn.1000-811X.2017.02.021.]

X43；P 642.22

A

1000-811X(2017)02-0124-06

10.3969/j.issn.1000-811X.2017.02.021

石莉莉，黃棟，喬建平,等. 塔子坪滑坡治理前后危險性對比[J]. 災(zāi)害學(xué)，2017，32(2)：124-128,140. [SHI Lili，HUANG Dong, QIAO Jianping,et al. Risk Assessment Comparison Between Tazhiping Landslide Before and After Treatent [J]. Journal of Catastrophology，2017，32(2)：124-128,140.