山體滑坡泥石流對公路危害數值模擬研究

徐飛飛 周宗志 張少雄

（曹妃甸臨港商務區(qū)管理委員會1） 河北唐山 063000唐山市曹妃甸濕地文化旅游度假區(qū)管理委員會2） 河北唐山 063000石家莊鐵道大學3） 河北石家莊 050000）

1 前言

我國是一個多山，而且山區(qū)地質地貌條件相當復雜的國家，丘陵、山區(qū)和高原的面積占我國陸地領土面積的 60%以上，大部分屬于有利于自然災害形成的地形。近些年來，隨著公路沿線經濟的快速發(fā)展，加之人類的生產、生活對山體環(huán)境的破壞作用沒有得到重視從而未加控制，山區(qū)的大量開發(fā)，森林與地表植被受到嚴重破壞導致生態(tài)環(huán)境日趨惡劣，降水年際變化大，每年都會產生大量泥石流和滑坡等突發(fā)性自然災害[1,2]。例如1981年的成昆線利子依達溝暴發(fā)了特大型泥石流災害，足足84萬m3且攜帶著巨石的固體物質在短短1h之內被沖了出來，橋墩瞬間被泥石流剪斷，死亡人數接近360余人，造成直接經濟損失達2000余萬元。后來為了避開泥石流影響，從而耗費2000余萬元修建山體隧道，但卻嚴重影響交通運輸[3]。因此需要對山區(qū)公路沿線泥石流滑坡的活動特征進行分析，歸結出滑坡泥石流對公路的危害程度，然后為山區(qū)公路工程建設與山區(qū)交通提供安全的保障和科學的理論依據。

2 工程概況

本文所研究的案例為公路穿越山體滑坡區(qū)，該山區(qū)地質災害隱患點較多，其中存在一處舊滑坡體。1981年由于持續(xù)暴雨的作用，該山體曾經發(fā)過生大規(guī)?；瑒?，對下游居民和設施造成了嚴重的危害。目前擬在滑坡體下游修建一條公路，一旦再次滑動，形成的滑坡泥石流會對公路造成極大的危害，因此本文對山體滑坡所形成的泥石流運動規(guī)律進行模擬，通過對其運動規(guī)律進行分析從而可以了解泥石流運動對于公路的影響并加以防治。

該山體滑坡區(qū)位于山頂高程為 1040m，山坡較陡，坡度約 35°，整體坡向 342°，縱向剖面呈直線形，南高北低，橫向上滑體部分低于周圍圍巖高度。圖1為滑坡區(qū)示意圖。

圖1 滑坡區(qū)示意圖

3 模型建立

滑坡泥石流數值模型由泥石流覆蓋區(qū)和滑坡區(qū)兩部分組成，泥石流覆蓋區(qū)為滑坡體滑動覆蓋所形成的泥石流影響破壞的區(qū)域，滑坡區(qū)為初始時刻滑坡體所處的區(qū)域。模型長3 000 m、寬2 500 m、高800 m，如圖2所示。滑坡體面積約為1.9×105m2，總體積約4.8×106m3為了較好的擬合滑坡體運動，本次計算采用矩形網格對計算區(qū)域進行劃分，網格大小為30 m×50 m×4 m，網格總數100萬。

圖2 模型范圍圖

4 計算結果

在長期降雨作用下，杜家山土體在發(fā)生滑坡時，土體含水量達到飽和，所以土體流動性較大，滑坡體粘滯性小。綜合考慮滑坡體的物理力學參數和水力學特性，對杜家山滑坡體運動進行數值分析。

4.1 滑坡體堆積厚度

杜家山山體滑坡運動初始時刻（t=0），滑坡體前后緣高差達到300 m，此時滑坡體尚未沿滑裂面滑動，整體形成了一個靜止狀態(tài)的高勢能危險源（圖3）?；麦w由于失穩(wěn)形成滑坡泥石流，在重力作用下沿地形向下游運動。滑坡泥石流發(fā)生第7s后，滑坡體前緣到達對面山坡坡腳，此時滑坡前緣龍頭堆積厚度達到18.5 m（圖4）?；掳l(fā)生18s后，滑坡體前緣部分到達山谷右側邊緣，滑坡體龍頭堆積厚度約4.5 m，此時泥石流堆積厚度最深處位于滑坡體對面山腳處，此處堆積厚度達到72 m（圖5）?；掳l(fā)生25s后，滑坡體前緣到達山谷中心海拔最低處，此時滑坡體前緣龍頭堆積厚度約為10.8 m，此時泥石流最深處位于滑坡體初始時刻正下方，堆積厚度達到48.3 m（圖6）?；掳l(fā)生約35 s后，滑坡體前緣到達鐵路線附近，滑坡體龍頭堆積厚度約為5 m（圖7）。

圖3 t=0s滑坡體厚度

圖4 t=7s滑坡體厚度

圖5 t=18s滑坡體厚度

圖6 t=25s滑坡體厚度

圖7 t=35s滑坡體厚度

4.2 滑坡體運動流動速度

杜家山山體滑坡運動初始時刻（t=0），速度均為0m/s（圖8），此時滑坡體處于靜止狀態(tài)，整體為高勢能危險源。發(fā)生泥石流滑坡后第7s，滑坡體前緣到達對面山坡坡腳，滑坡前緣體龍頭流動速度達到64.6m/s左右，此時泥石流流動速度最大處位于滑坡體左側邊緣即兩山坡之間，最高速度達到122m/s（圖9）。發(fā)生滑坡后第18s，滑坡體前緣到達山谷右側，滑坡體龍頭流動速度約為29.8m/s左右，此時滑坡體流動速度最大處位于整個滑坡體的中部，速度約為70m/s（圖10）?；掳l(fā)生后第25s時，滑坡體前緣到達山谷中心海拔最低處，此時滑坡體前緣龍頭流動速度達到35.6m/s左右，此時滑坡體流速最大位置位于滑坡體初始位置的坡腳下，最大速度為98m/s（圖11）。滑坡發(fā)生后35s左右，滑坡體前緣到達鐵路線，滑坡體龍頭流動速度約為30.9m/s，泥石流的整體速度基本穩(wěn)定，并無流速差異很大的點（圖12）。滑坡發(fā)生85s左右，此時滑坡體前緣運動速度趨近于0，滑坡體龍頭運動平緩，滑坡體向前緩慢移動，滑坡泥石流運動基本停止向前（圖13）?；掳l(fā)生98s后，滑坡體整體運動速度接近于0，運動極為緩慢，堆積狀態(tài)趨于平衡，滑坡泥石流運動基本停止（圖14）。

圖8 t=0s滑坡體流動速度

圖9 t=7s滑坡體流動速度

圖10 t=18s滑坡體流動速度

圖11 t=25s滑坡體流動速度

圖13 t=85s滑坡體流動速度

圖12 t=35s滑坡體流動速度

圖14 t=98s滑坡體流動速度

4.3 泥石流淹沒面積

杜家山山體滑坡運動初始時刻（t=0），泥石流覆蓋面積為2.68×105m2，發(fā)生滑坡后第7s，滑坡體前緣到達對面山坡坡腳處，滑坡體整體覆蓋范圍達到3.31×105m2?；掳l(fā)生18s后，滑坡體前緣到達山谷左側，滑坡體破壞范圍達到5.23×105m2?；掳l(fā)生35 s后，滑坡體前緣到達鐵路線附近，此時滑坡體覆蓋范圍達到7.7×105m2。滑坡發(fā)生98 s后，滑坡體整體運動速度接近0，運動趨于平緩，堆積狀態(tài)趨于平衡，滑坡體整體向前緩慢蠕動，滑坡基本停止，此時滑坡體整體淹沒范圍約為9.77×105m2。

5 結論

本文利用數值模擬方法對某山體滑坡形成泥石流對公路的危害進行了研究，模擬了泥石流運動的速度、厚度和覆蓋面積等參數，得到了山體滑坡泥石流對公路的危害性大小。主要結論如下：

（1）滑坡體以黏性泥石流的狀態(tài)向下游運動，發(fā)生滑坡7 s后，滑坡體達到對面山坡坡腳，前緣厚度達到18.5 m，此時泥石流的流動速度為整個滑坡體流動過程中的最大值，最大流速達到了122 m/s。

（2）滑坡發(fā)生18 s后，滑坡體到達山谷左側，此時存在泥石流運動過程所達到的最大堆積厚度為72 m。

（3）滑坡發(fā)生35 s后，滑坡體到達公路，此時前緣厚度為5m，前緣的流動速度為30.9m/s。

（4）滑坡發(fā)生98 s后，由于自身碰撞和底部摩擦阻力作用的影響，滑坡體運動處于向前緩慢蠕動狀態(tài)，堆積狀態(tài)趨于平衡，滑坡泥石流運動基本停止。