貴州福泉滑坡沖擊水塘的涌浪過程分析

呂 剛，朱要強

(貴州省地質環(huán)境監(jiān)測院，貴州 貴陽 550018)

貴州福泉滑坡沖擊水塘的涌浪過程分析

呂 剛，朱要強

(貴州省地質環(huán)境監(jiān)測院，貴州 貴陽 550018)

2014年8月27日20∶30左右，貴州福泉突發(fā)災難性山體滑坡災害，致使兩個村莊受災，23人死亡。滑坡失穩(wěn)后，滑體沿140°方向高速剪出，沖擊坡腳深水塘激起涌浪，產生的高壓水波裹挾滑坡碎屑沿滑坡路徑西側越過小山包，淹沒新灣村民小組3戶居民房屋，部分滑坡碎屑運動40 m破壞了小壩村民小組。為了對貴州巖溶山區(qū)災害易發(fā)地區(qū)潛在的類似滑坡災害預測防治提供依據(jù)，本文運用DAN-W軟件反演了滑坡入水前的運動參數(shù)和幾何形態(tài)，并利用FLUENT軟件對滑坡碎屑入水產生的涌浪及其傳播過程進行了模擬分析，結果表明：滑坡前緣在9.2 s時開始入水，滑坡啟動后21.7 s時涌浪水波裹挾滑坡碎屑沖向對岸，模擬結果與現(xiàn)場調查基本吻合。

福泉滑坡；涌浪；耦合模擬；反分析

貴州巖溶山區(qū)地質環(huán)境復雜、人類活動強烈，是我國特大崩滑災害高發(fā)區(qū)，近年來災難性崩滑災害頻發(fā)，造成了重大人員傷亡和財產損失[1-4]。2014年8月27日，福泉滑坡造成英坪村小壩村民組、新灣村民組受災，造成15人死亡，8人失聯(lián)，22人受傷，77棟房屋損毀；2016年7月1日，大方縣理化鄉(xiāng)巖質滑坡造成偏坡村金星組23人死亡。因此，如何防范貴州巖溶山區(qū)特大崩滑災害造成的群死群傷事故，是該地區(qū)防災減災的重中之重。

本文在福泉滑坡現(xiàn)場詳細調查的基礎上，分析了福泉滑坡的地質環(huán)境條件，探討了滑坡失穩(wěn)后的運動特征和滑坡-碎屑流堆積特征。運用Hungr[5]開發(fā)的DAN-W動力分析軟件反演了滑坡入水前運動參數(shù)和幾何形態(tài)，在DAN模擬的基礎上，基于FLUENT軟件對滑坡碎屑沖擊深水塘所產生的涌浪次生災害進行了模擬分析。

1 福泉滑坡概況

1.1 地質環(huán)境條件

滑坡區(qū)位于川黔南北構造帶的白巖-道坪背斜東翼，屬構造侵蝕剝蝕低中山地貌，滑坡區(qū)最高點位于牛皮井，高程為1 502.5 m，最低點為英坪溪溝溝底，高程1 170 m，相對高差332 m。區(qū)內地形呈臺階狀，斜坡呈陡緩相間展布(圖1)。

圖1 福泉滑坡滑源區(qū)Fig.1 View of the source area

1.2 滑坡基本特征

滑坡現(xiàn)場調查表明: 滑體沿140°方向由高程1 310 m處高速剪出，大部分滑體沖入滑源區(qū)下部蓄水2.1×104m3的深水塘，激起涌浪裹挾著大量滑坡碎屑越過滑坡運移路徑西側高27 m的小山脊，摧毀了新灣組三戶居民房屋；部分滑坡碎屑運移約40 m后毀壞了小壩組，此次滑坡及其涌浪災害共造成23人死亡、22人受傷，77棟房屋損毀(圖2)。

圖2 福泉滑坡縱剖面圖Fig.2 Cross section of the Fuquan landslide

滑源區(qū)縱長約160 m、橫寬約60～140 m、厚約20～50 m，后緣高程1 450 m、前緣高程1 231 m，垂直高差約219 m，體積約1.41×106m3。

滑坡碎屑主要堆積在高程1 286～1 231 m范圍，可分成4個亞區(qū)(圖3)。堆積區(qū)a位于深水塘及其西側山脊東南側，堆積物約1.1×106m3，主要由漂石、塊石、礫石夾雜黏土顆粒組成，以塊石為主，約占65%(圖3a)；堆積區(qū)b縱長約50 m，寬約40 m，厚約25 m，堆積物約1.7×105m3，以黏土顆粒夾雜塊石組成(圖3b)；堆積區(qū)c因滑體側壓形成，縱長約80 m，寬約60 m，厚約15 m，堆積物約1.5×105m3，其順溝右側堆積碎石夾雜黏土顆粒，左側堆積黏土顆粒夾雜塊、碎石，呈現(xiàn)平面二元堆積結構(圖3c)；堆積區(qū)d是由涌浪水波裹挾碎屑形成的，涌浪水波裹挾、鏟刮、沖刷等形成的堆積區(qū)面積較大，堆積物約2.0×105m3，以黏土顆?；祀s巖粉、碎石、塊石、磚木及混凝土碎塊組成(圖3d)。此次滑坡災害堆積物總體積約1.6×106m3(圖4)。

圖4 福泉滑坡堆積區(qū)Fig.4 Views of the landslide deposits

2 滑坡及涌浪過程模擬

2.1 滑坡入水前運動過程模擬

(1) 流變模型及參數(shù)選取

基于Hungr[5](1995)開發(fā)的DAN-W動力分析方法本文對福泉滑坡入水前的運動過程進行模擬。該方法將滑體等效為流變性質的流體，模擬滑坡運動各時刻滑體形態(tài)、速度分布、堆積物分布等?；?碎屑流運動受滑體內部和底部流變模型控制，其中應用最為廣泛的底部流變模型是Frictional模型和Voellmy模型。

摩擦流變模型中，抗剪強度(τ)僅與正應力(σ)有關：

τ=σ(1-ru)tanφ

(1)

式中：ru——孔壓系數(shù)；

φ——摩擦角/(°)。

可將孔壓比與動摩擦角綜合成單一指標φb表示：

φb=arctan(1-ru)tanφ

(2)

Voellmy模型中抗剪強度由摩擦項和紊流項兩部分組成：

τ=σf+ρgv2/ξ

(3)

摩擦項f等同于式(2)中tanφb，紊流項ξ與碎屑流速度和密度相關。

在DAN-W模擬過程中，通過試錯法確定滑體入水前選用Frictional模型，摩擦角取11°，滑體內摩擦角取35°，滑體重度設為20 kN/m3。

(2)DAN模擬結果分析

滑坡入水前運動過程模擬結果見圖5。由圖5(a)可見，滑體前緣在9.2 s開始入水；滑體前緣在水平距離X=457 m處速度達到最大值27.6 m/s；后緣速度在水平距離X=158 m處達到最大值9.8 m/s(圖5b)。圖5(c)顯示了滑體入水前的形態(tài)和沿運動路徑的平均堆積厚度，在水平距離X=353 m處滑坡碎屑達到最大堆積厚度25.8 m。

圖5 福泉滑坡入水前模擬結果Fig.5 Simulated results for the Fuquan landslide before entering the quarry

2.2 滑坡-碎屑流入水后涌浪模擬

邱昕等[6]對比Heinrich[7]的實驗數(shù)據(jù)和FLUENT軟件對該實驗的模擬結果，發(fā)現(xiàn)模擬結果與實驗數(shù)據(jù)高度擬合，證明FLUENT軟件能較好地模擬涌浪運動傳播過程。結合DAN-W對滑坡碎屑入水前的模擬結果，運用FLUENT軟件對滑坡碎屑沖擊入水后涌浪傳播進行模擬。9.2 s時滑坡碎屑開始入水，此時的幾何形態(tài)模擬見圖6。

圖6 滑體入水前形態(tài)模擬Fig.6 Model configuration of the Fuquan landslide before entering the quarry

(1)參數(shù)選取及網(wǎng)格劃分

采用FLUENT前處理軟件GAMBIT進行建模及網(wǎng)格劃分。計算區(qū)域內采用非結構化三角形網(wǎng)格，網(wǎng)格總數(shù)為115 181。對滑體附近的網(wǎng)格進行適當加密，網(wǎng)格大小為1 m×1 m，其他區(qū)域網(wǎng)格大小為3 m×3 m。 并將計算區(qū)域劃分為動態(tài)網(wǎng)格區(qū)和靜態(tài)網(wǎng)格區(qū)以提高計算效率。

將滑體模擬為密度為2 100 kg/m3的流體和10 %空氣組成的二項流，模型計算參數(shù)見表1。

表1 FLUENT模型計算參數(shù)Table 1 Parameter of materials about FLUENT model

(2)FLUENT模擬結果分析

根據(jù)不同時刻三相流密度模擬結果(圖7)，滑坡沖擊深水塘激起的涌浪傳播過程可分為三個階段[8]：第一階段滑坡碎屑沖擊入水將能量傳遞到水中(圖7a-c)；第二階段水波裹挾著滑體-碎屑流沿運移路徑傳播(圖7d-e)，在12.2 s時，涌浪災害在水平距離X=506 m形成30 m高的首浪；第三階段是涌浪爬坡過程(圖7f-h)，水波裹挾滑坡碎屑沖向對岸達到1 280 m高程并在21.7 s時沖擊破壞新灣村。

圖7 不同時刻三相流密度變化圖Fig.7 Simulated density image sequence of the impulse wave after the landslide entering the quarry

3 結論

本文基于現(xiàn)場調查分析了福泉滑坡的地質環(huán)境條件及滑坡失穩(wěn)后的運動特征和滑坡-碎屑流堆積特征，分別用DAN-W和FLUENT軟件模擬了滑坡碎屑入水前的運動過程和涌浪傳播過程。

(1)滑坡碎屑入水前將滑體等效為連續(xù)介質流體，選用Frictional模型通過試錯法確定流變參數(shù)，通過DAN-W軟件反演得出滑坡-碎屑流運動過程，模擬結果與現(xiàn)場調查基本吻合。模擬結果顯示滑坡前緣在9.2 s時開始入水，在水平距離X=457 m處滑坡前緣達到最大速度27.6 m/s；后緣速度在水平距離X=158 m處達到最大值9.8 m/s。

(2)滑坡碎屑入水后用FLUENT軟件對涌浪傳播進行模擬。在DAN-W模擬的基礎上，基于FLUENT軟件對滑坡碎屑沖擊深水塘所產生的涌浪次生災害進行了模擬分析。模擬結果表明，在滑坡啟動后21.7 s時水波裹挾滑坡碎屑沖向對岸達到1 280 m高程并嚴重摧毀新灣村莊造成重大損失。

[1] YIN Y P, SUN P, ZHU J L, et al. 2011. Research on catastrophic rock avalanche at Guanling, Guizhou, China[J]. Landslides, 2011, 8(4): 517-525.

[2] 劉傳正, 郭強, 陳紅旗. 貴州省納雍縣巖腳寨危巖崩塌災害成因初步分析[J]. 中國地質災害與防治學報,2004,15(4): 120.

LIU Chuanzhang, GUO Qang, CHEN Hengqi. Investigation of rockfall hazard at Yanjiao in Nayong of Guizhou Province[J]. The Chinese Journal of Geological Hazard and Control, 2004,15(4):120.

[3] 呂剛. 貴州重大地質災害及影響因素分析[J]. 貴州地質,2016,123(2):108-112.

LU Gang. Analyses of important geo-disasters distribution rules and influence factors of Guizhou[J]. Guizhou Geology, 2016, 123(2): 108-112.

[4] Xing A G, Wang G H, Yin Y P, et al. 2014. Dynamic analysis and field investigation of a fluidized landslide in Guanling, Guizhou, China. Engineering Geology[J]. Landslides, 2014,181: 1-14.

[5] Hungr O. 1995. A model for the runout analysis of rapid flow slides, debris lows and debris flows[J]. Canadian Geotechnical Journal, 1995, 32(4): 610-623.

[6] 邱昕,邢愛國,王國章. 基于FLUENT數(shù)值模擬的滑坡涌浪分析[J].中國地質災害與防治學報,2013,24(3):26-31.

QIU Xi,XING Aiguo,WANG Guozhang. Numerical simulation analysis of water waves due to landslide based on FLUENT[J]. The Chinese Journal of Geological Harzand and Control, 2013, 24(3): 26-31.

[7] Heinrich, P. 1992. Nonlinear Water Waves Generated by Submarine and Aerial Landslides [J]. Journal of Waterway Port Coastal & Ocean Engineering, 1992,188(3):249-266.

[8] Biscarini, C. 2010.Computational fluid dynamics modelling of landslide generated water waves[J]. Landslides, 2010(7): 117-124.

DynamicanalysisonthecatastrophiclandslideandrelatedimpulsewaterwavesinFuquan,Guizhou,China

LYU Gang，ZHU Yaoqiang

(GuizhouInstituteofGeo-EnvironmentMonitoring,Guiyang，Guizhou550018,China)

At about 8:30 p.m. on 27 August 2014, a catastrophic landslide occurred in Fuquan, Yunnan, southwestern China. This landslide and related impulse water waves destroyed two villages and killed 23 people. After the landslide initiation, the slide mass ran down rapidly toward the direction of 140( and the main part of the displaced materials plunged into a water-filled quarry below the source area and resulted in an impulse wave of muddy water and rock debris. The wave ran up the opposite slope on the western side of the runout path and overwhelmed three homes in the Xinwan village. Part of the displaced materials travelled a horizontal distance of about 40 m from its source and destroyed the Xiaoba village. To provide information for hazard zonation of similar type of potential landslides in the same area, a combined landslide-wave simulation is carried out in this paper. The DAN-W model is used to simulate the landslide propagation before entering the quarry, while FLUENT is applied to simulate the impulse wave generation and propagation after entering the quarry and output data from the DAN-W simulation of the landslide before entering the quarry are used as input parameters for wave modelling. The results shows that the sliding mass began entering the quarry at 9.2 s and 21.7 s after the landslide initiation, the impulse wave and trapped rock debris ran up the opposite slope at an elevation of 1 280 m amsl, respectively. Very good agreement between the observed and simulated results of the landslide propagation has been achieved. It is worth noting that locations affected by recordable waves according to the simulation correspond to those ones recorded by field investigation.

Fuquan landslide; impulse wave; coupled modeling; back analysis

10.16031/j.cnki.issn.1003-8035.2017.04.01

P642.22

A

1003-8035(2017)04-0001-05

2017-06-08;

2017-06-27

貴州省國土資源與可持續(xù)發(fā)展(貴州省2016年地勘基金項目)(黔科合支撐(2017)2814)

呂 剛(1974-)，男，貴州德江人，高級工程師，研究方向為地質災害預測評價。E-mail:395166072@qq.com

朱要強(1918-)，男，河南西平人，高級工程師，研究方向為地質災害監(jiān)測預警。 E-mail: zhuyaoqiang2005@163.com