新疆伊寧縣克孜勒賽滑坡成災(zāi)機(jī)理和動力學(xué)特征

楊龍偉，魏云杰，朱賽楠，王文沛，邵 海，高 楊

(1.長安大學(xué)地質(zhì)工程與測繪學(xué)院，陜西 西安 710054；2.中國地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院，北京 100081；3.中國地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)力學(xué)研究所，北京 100081)

0 引言

近年來，受自然氣候條件變化影響，新疆地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)，地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)區(qū)域面積達(dá)到1.059 9×106km2，占到新疆國土面積的63.7%，僅2016年發(fā)生突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害65起，災(zāi)害類型主要為滑坡和泥石流[1]。尤其在冰雪融水和極端異常暴雨作用下，地區(qū)內(nèi)的表層覆蓋黃土的中低山體易發(fā)生滑坡，給人民的生命財(cái)產(chǎn)造成損失。圍繞降雨誘發(fā)黃土滑坡機(jī)理方面，許多學(xué)者已開展深入研究。張茂省等[2]通過統(tǒng)計(jì)大量的陜北地區(qū)降雨誘發(fā)型滑坡的災(zāi)害特征，發(fā)現(xiàn)降雨入滲深度有限，使得表層黃土含水率增高并增重，易發(fā)生淺層滑坡。林鴻州等[3]采用模型試驗(yàn)方法研究發(fā)現(xiàn)高強(qiáng)度的降雨使得邊坡表層發(fā)生流滑破壞，低強(qiáng)度的降雨會使得邊坡的孔隙水壓增大，發(fā)生大規(guī)模的滑坡。戴福初等[4]從土的應(yīng)力應(yīng)變特征方面來研究了滑坡發(fā)生機(jī)理。李喜安等[5]研究發(fā)現(xiàn)了下滲重力是主導(dǎo)黃土滑坡的重要因素之一，并建立了4種地表徑流的下潛模式。由上述研究發(fā)現(xiàn)，降雨誘發(fā)黃土滑坡主要是通過在坡體內(nèi)形成暫態(tài)水壓力和暫態(tài)飽和區(qū)，坡體強(qiáng)度和應(yīng)力水平發(fā)生變化，滑坡穩(wěn)定性降低。凍融作用也是誘發(fā)滑坡發(fā)生的重要因素之一。在凍融致滑機(jī)理研究方面，王念秦等[6]研究甘肅凍融滑坡提出了“季節(jié)性凍結(jié)滯水促滑效應(yīng)”，歸納了黃土凍融滑坡具有滑動速度快、滑動距離較遠(yuǎn)等特點(diǎn)。倪萬魁等[7]研究了洛川黃土在凍融循環(huán)作用下的單軸壓縮試驗(yàn)、電鏡掃描和三軸剪切試驗(yàn)循環(huán)作用中結(jié)構(gòu)變得疏松，孔隙比變大，黏聚力顯著降低。肖東輝等[8]利用對多次凍融循環(huán)作用后的黃土進(jìn)行壓汞實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)隨著凍融作用的次數(shù)的增加，黃土的孔隙比表現(xiàn)為先變小后增大，再趨于穩(wěn)定的規(guī)律。由此可見，凍融作用通過改變黃土坡體的孔隙特征，改變其滲透性，影響黃土滑坡的穩(wěn)定性。新疆地區(qū)的黃土滑坡受多種因素耦合作用控制，形成機(jī)理較為復(fù)雜，其研究具有較高的科學(xué)意義。

黃土滑坡的破壞性，不僅受其形成機(jī)制影響，還取決于其動力學(xué)特征。圍繞黃土滑坡動力學(xué)方面，已有科研成果頗為豐厚。王家鼎等[9]通過變分原理推導(dǎo)了由灌溉誘發(fā)的高速滑坡的滑動速度、運(yùn)移軌跡等。國際方面，關(guān)于滑坡動力學(xué)模型已有顆粒流模型[10]、空氣潤滑模型[11]、能量傳遞模型[12]、底部超孔隙水壓力模型[13]等，這些運(yùn)動模型推動了滑坡動力學(xué)的發(fā)展。Hungr基于圣維南方程的拉格朗日解析解，提出了滑坡動力學(xué)模擬方法DNA-W，采用不同的流變關(guān)系來模擬滑坡運(yùn)動全過程，較為準(zhǔn)確地得到滑坡動力學(xué)特征[14]。王磊等[15]利用DNA-W對巖質(zhì)滑坡進(jìn)行滑動全過程模擬,效果良好，但是將此模擬技術(shù)運(yùn)用在黃土滑坡動力分析上還是較少。

本文在前人的科研基礎(chǔ)上，以新疆伊寧縣克孜勒賽滑坡為實(shí)例，利用滑坡動力學(xué)軟件DNA-W來模擬黃土滑坡運(yùn)動全過程，分析該類滑坡的成災(zāi)機(jī)制和運(yùn)動學(xué)特性，為我國西北地區(qū)類似的黃土滑坡的減災(zāi)防災(zāi)提供理論支撐。

1 滑坡區(qū)地質(zhì)環(huán)境條件

2017年4月2日，新疆伊犁哈薩克自治州伊寧縣喀拉亞尕奇鄉(xiāng)克孜勒賽溝內(nèi)發(fā)生滑坡，造成402只羊，5頭牛被掩埋，直接經(jīng)濟(jì)損失49.06余萬元。滑坡中心點(diǎn)距離克孜勒賽溝溝口1.036 km，距喀拉亞尕奇鄉(xiāng)鎮(zhèn)1.874 km，距賽里木湖56.3 km。

滑坡研究區(qū)屬于伊犁谷地西部，地勢總體呈現(xiàn)為北高南低，由北東逐漸向南西傾斜，區(qū)域海拔在620～3 700 m，為剝蝕堆積塊狀隆起山，山體覆蓋有礫石和黃土層，呈現(xiàn)低山草原地貌景觀?；聟^(qū)位于天山-興安地槽褶皺區(qū)西南天山褶皺系西天山優(yōu)地槽褶皺帶(I級)西南側(cè)，屬博羅科努山復(fù)背斜(Ⅱ級)和伊犁地塊(Ⅱ級)的交界部位，南距那拉提深斷裂帶(Ⅲ級，屬于伊犁地塊)2.7 km。研究區(qū)內(nèi)巖石主要為石炭系中的伊什基里克組凝灰?guī)r、凝灰熔巖和灰綠色粗砂巖和石炭系下統(tǒng)大哈拉軍山組的玄武巖，表層為第四系全新統(tǒng)黃土，節(jié)理較為發(fā)育。

滑坡區(qū)屬于溫帶大陸性半干旱氣候，年降水量平均為330.6 mm，其中3～7月降水量較多，月降雨量均在30 mm以上，合計(jì)占全年降雨量的52.5%,屬于雨季(圖1)。根據(jù)當(dāng)?shù)貒敛块T提供資料顯示，4月1號晚，山區(qū)降雨量達(dá)到30 mm，接近以往4月份全月的累計(jì)降水量。降雪主要集中在10月至次年3月。3月初，隨著氣溫回暖，冰雪開始融化(圖2)?；聟^(qū)內(nèi)的地下水類型分為第四系松散巖類孔隙水、碎屑巖類裂隙孔隙水和基巖裂隙水等。

圖1 伊寧縣歷年每月平均降水量圖Fig.1 Diagram of monthly average precipitation at Yining Country in recent years

圖2 伊寧縣歷年每月平均氣溫-積雪深度圖Fig.2 Diagram showing the relationship between monthly average temperature and snow depth at Yining Country in recent years

2 滑坡基本特征

滑坡在平面上形態(tài)呈現(xiàn)靴子型，地形坡度范圍為30°～50°，主滑方向N 56°W，前緣為滑坡高速下滑時(shí)掩埋克孜勒賽溝遇阻時(shí)產(chǎn)生的反翹鼓丘，其工程地質(zhì)剖面見圖3。滑體越過河溝沖擊對岸山體后，運(yùn)動方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)至N 72°W，以碎屑流的形式繼續(xù)流動直至停止?；略诟叱虨? 282～1 300 m處啟動，坡底高程約1 235 m，滑坡高差約50.5 m，滑體最大縱長約210 m，滑距約為110 m。該滑坡屬于黃土層內(nèi)滑坡，分區(qū)如下(圖4)。

(1)滑源區(qū)

滑體巖性主要為第四系全新統(tǒng)黃土。滑源區(qū)的平面形態(tài)近似為長方形，下部略寬于上部，沿著坡向滑源區(qū)長122.52 m，寬度平均為62.5 m，滑體厚4 m。面積大約為7 600 m2，體積約3.04×104m3。

圖3 滑坡工程地質(zhì)剖面圖Fig.3 Engineering geologic section of the Kezilesai Landslide

圖4 克孜勒賽滑坡分區(qū)示意圖Fig.4 Zonation map of the Kezilesai Landslide Area

(2)堆積區(qū)

堆積區(qū)的平面形態(tài)呈現(xiàn)為“乒乓球拍”形，沿著溝谷方向長度達(dá)到112 m，垂直溝谷方向長度最大達(dá)到60 m，最窄處為30 m。面積為5 430 m2，體積大約有2.9×104m3，厚度最大達(dá)6 m。根據(jù)地質(zhì)調(diào)查情況，將堆積區(qū)分為兩個(gè)區(qū)：

鏟刮區(qū)：滑體前緣越過克孜勒賽溝后撞向?qū)Π渡襟w(圖5)，受阻后向溝口方向偏轉(zhuǎn)。在此過程中，將對岸山體表面松散的松散堆積物和中風(fēng)化的基巖巖體鏟刮帶走。鏟刮區(qū)主要的堆積物為第四系全新統(tǒng)黃土和凝灰?guī)r。

圖5 滑體撞擊對岸山體Fig.5 The photo showing the landslide hitting the opposite massif

堆積區(qū)：堆積區(qū)長度達(dá)到70 m，最寬處達(dá)到50 m，厚度范圍為3～6 m，主要是由第四系全新統(tǒng)黃土和凝灰?guī)r組成。

3 滑坡成災(zāi)機(jī)理

在野外地質(zhì)調(diào)查的基礎(chǔ)上， 利用運(yùn)動全過程演化的方法來研究滑坡的形成機(jī)制[16]，將該滑坡的孕災(zāi)-進(jìn)展-發(fā)生的整個(gè)過程分為四個(gè)階段(圖6)。

(1)凍脹階段：山區(qū)海拔較高，晝夜溫差較大，凍脹作用十分明顯。土體經(jīng)歷多期凍脹—消融作用后，使得黃土垂直節(jié)理和裂隙擴(kuò)大。同時(shí)，凍融作用也改變黃土坡體的孔隙特征，影響土體的滲透性，加速地表水入滲，形成凍結(jié)滯水。

(2)拉裂階段：較為單薄的山脊兩面處于臨空，在山體頂部附近出現(xiàn)相應(yīng)的拉應(yīng)力集中，使得上部土體沿著經(jīng)歷過凍脹作用的垂直節(jié)理裂隙拉開，裂隙進(jìn)一步擴(kuò)大，地表水沿著裂隙向坡體下部入滲，逐漸將各個(gè)裂隙末端聯(lián)通，形成潛在滑移面。

(3)滑體增重階段：氣溫回暖，冰雪融水沿著土體裂縫入滲，增大了滑體的下滑力和自重。同時(shí)，溝谷上游融雪補(bǔ)給，河流水位上漲，流速增大，對處于凹岸的滑坡前緣的側(cè)蝕作用加劇，前緣土體強(qiáng)度降低并出現(xiàn)了垮塌。河流水位上漲使得山體內(nèi)部的水力梯度下降，地下水位上升，使得冰雪融水能較長時(shí)間內(nèi)留在山體內(nèi)，繼續(xù)增大滑體的下滑力和自重，形成潛在滑動面。

(4)滑坡失穩(wěn)下滑階段：2017年4月1號，山溝內(nèi)出現(xiàn)強(qiáng)降雨，日降雨量達(dá)30 mm，大量雨水短時(shí)間內(nèi)滲進(jìn)坡體，孔隙水壓增大，形成暫態(tài)水壓力和暫態(tài)飽和區(qū)，坡體的阻滑力急劇下降，滑坡失穩(wěn)而下滑，越過克孜勒賽溝后沖向?qū)Π渡襟w。因此，該滑坡的形成機(jī)制主要為滑移-拉裂。

圖6 滑坡孕災(zāi)模式示意圖Fig.6 Sketch map showing the gestation model of the Kezilesai landslide

4 基于DNA-W的滑坡運(yùn)動過程模擬

4.1 基本原理

動力學(xué)模型DNA-W的原理是基于圣維南方程的拉格朗日解析解，主要是將滑體視為“等效流變材料”，將其分解成具有一定材料的若干個(gè)塊體，在曲線坐標(biāo)系中對每一個(gè)小塊建立對應(yīng)的平衡方程和物理方程進(jìn)行求解，得到滑坡的運(yùn)動速度和滑移距離等數(shù)值[17]。在DNA-W計(jì)算中，主要是確定滑體的運(yùn)行軌跡，對材料參數(shù)賦值和采用合適的流變關(guān)系[18]。選用合適的流變關(guān)系,才能準(zhǔn)確表現(xiàn)滑坡運(yùn)動特性。采用試錯(cuò)法發(fā)現(xiàn)Voellmy和Frictional模型能較好的表現(xiàn)黃土滑坡的運(yùn)動特性，具體的流變關(guān)系如下[19]：

Frictional模型：假設(shè)滑體的流動受到作用于每個(gè)塊體上的有效正應(yīng)力控制，其阻力的表達(dá)式如下：

τ=σ(1-γμ)tanφ

式中：τ——滑體底部阻力;

σ——與滑動路徑方向相垂直的總應(yīng)力；

γμ——孔隙壓力系數(shù)，即孔隙壓力與總應(yīng)力的比值；

φ——內(nèi)摩擦角。

Voellmy 模型的阻力表達(dá)式如下：

式中：τ——滑體底部阻力；

f——滑體的摩擦系數(shù)；

γ——材料重度；

v——滑體的運(yùn)移速度；

ξ——湍流系數(shù)。

4.2 模型建立及參數(shù)選取

針對在滑源區(qū)、鏟刮區(qū)、堆積區(qū)中的滑體的滑移特征的不同，采取復(fù)合的流變關(guān)系能較好的模擬滑坡的運(yùn)動特點(diǎn)。對滑坡采取了Voellmy 模型、Frictional模型、VFF等七種模型(表1)。采取試錯(cuò)法來對模型進(jìn)行計(jì)算驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)FVF模型運(yùn)算結(jié)果更符合克孜勒賽滑坡的運(yùn)動情況，結(jié)合土工試驗(yàn)和前人關(guān)于新疆伊寧黃土物理特性的研究[20]，確定黃土物理參數(shù)如下(表2)，最終建立克孜勒賽滑坡DAN模型(圖7)。

圖7 克孜勒賽滑坡DAN模型Fig.7 DAN model of the Kezilesai Landslide

模型滑源區(qū)刮鏟區(qū)堆積區(qū)Voellmy 模型VVVFrictional模型FFFVFFVFFVVFVVFVFVVFVFVFFVFFFVFFV

表2 克孜勒賽滑坡模型(FVF)參數(shù)

4.3 模擬結(jié)果分析

4.3.1滑坡前后緣運(yùn)動特征

從圖8、圖9可以看出，滑坡從啟動到停止，前后歷時(shí)大約20 s。后緣與前緣近乎同時(shí)啟動，后緣在0～9 s內(nèi)，滑動速度呈現(xiàn)波浪性增長，從9 s開始，速度急劇增加，至7.5 s附近時(shí)，速度達(dá)到最大為13.9 m/s。10 s后，后緣抵達(dá)坡腳后，受滑體阻擋，堆積到坡腳處直至停止。而前緣在0～4 s內(nèi)，速度近線性增大。在4～12 s時(shí)，前緣越過溝底，撞向?qū)Π渡襟w時(shí)速度達(dá)到了7.2 m/s，進(jìn)而運(yùn)動方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)，在12～20 s滑體形成碎屑流。由此可以得到滑坡的最大速度為13.9 m/s，發(fā)生在滑坡后緣位于水平距離的65 m處，與利用雪橇摩擦模型計(jì)算該處的速度結(jié)果15.6 m/s接近[21]。

圖8 滑坡前后緣速度隨時(shí)間變化圖Fig.8 Graph showing the velocity variation of the front and rear edge of landslide with time change

圖9 滑坡前后緣速度隨滑程變化圖Fig.9 Graph showing the velocity variation of the front and rear edge of landslide with slippage change

4.3.2滑坡運(yùn)動形態(tài)特征

圖10和圖11 呈現(xiàn)了每隔5 s后滑坡體堆積體厚度運(yùn)動和形態(tài)變化情況。在0 s時(shí)，滑坡體后緣位于水平距離20 m處，前緣位于水平距離125 m處?；露逊e體的平均厚度范圍為3～6 m，最大堆積體厚度為6.1 m，位于水平距離120 m處。在20 s(最終形態(tài))時(shí)，滑坡后緣位于117 m，可見滑源區(qū)還有部分滑體殘留。刮鏟區(qū)堆積體厚度為5 m，碎屑流堆積區(qū)厚度為3～5 m，前緣到達(dá)水平距離223 m后停止。

圖10 滑體厚度變化圖Fig.10 Graph showing the thickness variation of the landslide

圖11 滑體形態(tài)變化圖Fig.11 Graph showing the morphologic variation of the sliding mass

4.3.3典型點(diǎn)運(yùn)動特征

根據(jù)野外現(xiàn)場調(diào)查實(shí)際情況，選取水平距離150 m、180 m處兩點(diǎn)(圖3)作為典型點(diǎn)來進(jìn)行分析。水平距離150 m處位于溝底附近，該處最大速度為8.2 m/s，堆積體的最終厚度為5.35 m。水平距離180 m處位于滑體撞擊對岸山體點(diǎn)，撞擊時(shí)的速度達(dá)到7.2 m/s，該處堆積體的厚度最終為2.2 m。(圖12、圖13)

圖12 典型點(diǎn)速度隨時(shí)間變化圖Fig.12 Graph showing the velocity variation of typical points

圖13 典型點(diǎn)厚度隨時(shí)間變化圖Fig.13 Graph showing the slide thickness variation of typical points

4.4 滑坡運(yùn)動參數(shù)與變形破壞模式

在DNA-W軟件中采用“試錯(cuò)法”，利用FVF流變模型可以較好的模擬克孜勒賽滑坡的運(yùn)動特征。

根據(jù)模擬結(jié)果，克孜勒賽滑坡的初始滑動體積為2.8×104m3，堆積體體積最終為3.2×104m3，主鏟刮區(qū)的鏟刮深度為3 m，等效視摩擦角為13°?；酁?110 m， 運(yùn)動時(shí)間總計(jì)為20 s。滑坡在位于水平距離的65 m處速度最大，為13.9 m/s。堆積區(qū)長度達(dá)到70 m，最寬處達(dá)到50 m，堆積厚度范圍為3～6 m。最大堆積體厚度為6.1 m，位于水平距離120 m處。

根據(jù)前后緣的運(yùn)動特征來看，前后緣幾乎同時(shí)啟動，滑坡的運(yùn)動速度較快，當(dāng)后緣停止運(yùn)動時(shí)，前緣依然在運(yùn)動。DAN-W模擬該滑坡的破壞模式表現(xiàn)為滑移-拉裂。

5 結(jié)論

本文根據(jù)克孜勒賽滑坡的工程地質(zhì)條件，采用動力學(xué)軟件DNA-W模擬了克孜勒賽滑坡運(yùn)動全過程，分析了滑坡成災(zāi)機(jī)制和動力學(xué)特征，得到以下結(jié)論：

(1)克孜勒賽滑坡為黃土層內(nèi)滑坡，其孕災(zāi)模式主要分為凍脹階段→拉裂階段→滑體增重階段→滑坡失穩(wěn)下滑階段。

(2)誘發(fā)滑坡發(fā)生的主要因素為冰雪融水和強(qiáng)降雨入滲，增大坡體內(nèi)部的孔隙水壓，在坡內(nèi)形成暫態(tài)水壓力和暫態(tài)飽和區(qū)，坡體的阻滑力急劇下降致使滑坡失去穩(wěn)定。

(3)利用動力學(xué)分析DNA-W，采用FVF流變模型可以較好的模擬黃土層內(nèi)滑坡的運(yùn)動全過程，直觀表現(xiàn)了滑坡的速度特征、堆積體厚度變化特征，為研究類似滑坡的動力學(xué)分析提供經(jīng)驗(yàn)參考。