基于3DEC模擬的既有鐵路單體滑坡危險性分區(qū)與評價
——以川黔線裁縫巖滑坡為例

李嘉雨 毛邦燕 陳 亮 葛云峰 王 棟

(1.中鐵二院勞模(專家)地質(zhì)創(chuàng)新工作室，四川成都 610031；2.中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川成都 610031；3.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)工程學(xué)院，湖北武漢 430074)

西南險峻山區(qū)鐵路沿線滑坡災(zāi)害分布廣泛，據(jù)統(tǒng)計(jì)，1978年發(fā)生在鐵路上的滑坡、崩塌約有1 700處。多年來，平均每年因滑坡導(dǎo)致既有鐵路中斷運(yùn)輸44次，中斷行車時長800 h以上，造成的直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)數(shù)千萬元[1]。以下兩個方面的原因使我國鐵路沿線依舊面臨著嚴(yán)重的滑坡地質(zhì)災(zāi)害:①受原有勘察手段和投資額度的限制，既有鐵路未完全繞避的滑坡；②受自然因素或人類工程活動影響，鐵路沿線一些潛在不穩(wěn)定斜坡逐漸演變形成新的滑坡體。

單體滑坡危險性評價通常包含三個要素:在一定時間內(nèi)發(fā)生的可能性、滑移距離和滑移速度[2]。國外學(xué)者對崩滑體的危險性研究開展較早，在區(qū)域性滑坡的危險性評價方面有著豐富的經(jīng)驗(yàn)，但對單體滑坡危險性評價的研究較少。Bunce等[3]通過記錄公路沿線崩塌的發(fā)生頻率來評價公路危巖落石的危險性，并首次將危險性的概念引入到地質(zhì)災(zāi)害評價中。T Glade[4]認(rèn)為滑坡的歷史數(shù)據(jù)在滑坡危險性評價中有重要的作用。Cardinali M等[5]運(yùn)用多期航拍數(shù)據(jù)解譯、現(xiàn)場調(diào)查、滑坡庫存地圖等地貌學(xué)的方法評估意大利中部翁布里亞區(qū)域的滑坡危險性和風(fēng)險性。William等[6]將一階、二階矩(FOSM)近似極限平衡邊坡穩(wěn)定性方程與數(shù)字高程模型相結(jié)合，在美國西維吉尼亞州Wheeling地區(qū)開展了基于空間分布概率的滑坡危險性分析。Rex等[7]介紹了美國使用激光雷達(dá)、物理模型和三維斜坡-穩(wěn)定性模型(SCOOPS)在西雅圖地區(qū)開展滑坡危險性評價的進(jìn)展。

而國內(nèi)學(xué)者對滑坡危險性評價研究起步較晚，但發(fā)展較快，尤其是針對單體滑坡的危險性風(fēng)險評價進(jìn)行了許多有益的工作。陳麗霞等[8]采用Monte-Carlo方法預(yù)測了滑坡發(fā)生的概率，并利用能量守恒原理和謝德格爾公式，結(jié)合滑坡裂縫的展布方位，預(yù)測了滑坡災(zāi)害發(fā)生后的影響范圍。張茂省等[9]利用滑坡風(fēng)險評價與管理理論對延安市虎頭峁滑坡進(jìn)行了危險性及社會風(fēng)險評價；韓金良等[10]通過斜坡失穩(wěn)概率計(jì)算和滑坡事件統(tǒng)計(jì)分析評價經(jīng)驗(yàn)公式兩種方法，對吳家溝滑坡進(jìn)行了地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險評估。唐亞明等[11]進(jìn)一步總結(jié)了一種以高精度數(shù)字高程模型(DEM)和Quick Bird遙感數(shù)據(jù)為調(diào)查基礎(chǔ)的大比例風(fēng)險區(qū)劃和評價方法。薛強(qiáng)等[12]提出了基于多期三維數(shù)值高程模型(DEM)和滑坡強(qiáng)度的單體滑坡危險性定量評估方法。馮立等[13]對不同降雨工況下的四川虹口黑泥灣滑坡開展了風(fēng)險性評估和風(fēng)險區(qū)劃。這些研究為當(dāng)?shù)氐幕嘛L(fēng)險評估與管理提供了技術(shù)支撐，并取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

總結(jié)目前國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，單體滑坡滑距預(yù)測及評價方法有四種:地貌學(xué)方法、幾何學(xué)方法、經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ头ā⑺樾剂鞯淖凅w積法?？尚械幕聫?qiáng)度預(yù)測方法有三種:數(shù)學(xué)模型法、數(shù)值模擬法和位移速率監(jiān)測法。時間概率預(yù)測及評價的方法有兩種:“直接利用編錄過去已發(fā)生的滑坡事件”、“間接利用觸發(fā)因素重現(xiàn)周期信息”[14]。

鐵路工程呈線性展布，沿線滑坡點(diǎn)具有工程地質(zhì)條件多變、地質(zhì)災(zāi)害零星發(fā)育等特點(diǎn)。根據(jù)以上特點(diǎn)，既有鐵路單體滑坡難以根據(jù)“編錄已發(fā)生的滑坡事件”或經(jīng)驗(yàn)公式來評價。隨著數(shù)值模擬技術(shù)的發(fā)展成熟，使通過數(shù)值模擬法來預(yù)測滑距和滑坡強(qiáng)度，快速識別滑坡失穩(wěn)后的運(yùn)動路徑和影響范圍成為可能。

早在2008年，滑坡和工程邊坡聯(lián)合技術(shù)委員會(JTC)就提出了采用數(shù)值模擬的方法來模擬評價滑坡運(yùn)動距離和速率的建議[15]。在國外，F(xiàn)all等[16]將二維有限元和離散元方法用于區(qū)域滑坡危險性分區(qū)；而在國內(nèi)，吳鐘騰[17]利用土工離心機(jī)和3DEC數(shù)值模擬手段對麻窩滑坡的運(yùn)動危險性進(jìn)行了驗(yàn)證分析。目前，借助數(shù)值模擬的手段開展單體滑坡的危險性分區(qū)和評價的國內(nèi)外學(xué)者還較少，在鐵路上的應(yīng)用更是空白。

以川黔線裁縫巖滑坡為背景，在前期對滑坡基本特征和形成機(jī)理認(rèn)識的基礎(chǔ)上[2]，利用3DEC模擬滑坡體大變形、旋轉(zhuǎn)和運(yùn)動，預(yù)測裁縫巖滑坡再次失穩(wěn)后的運(yùn)動路徑、滑動速率及影響范圍；利用模擬結(jié)果結(jié)合層次分析法制作了危險性分區(qū)云圖；利用觸發(fā)因素(3日降雨量閾值)的年概率獲得了滑坡的失穩(wěn)概率。以上成果可為裁縫巖滑坡風(fēng)險評估與管理、災(zāi)害的治理與人員搬遷安置提供理論依據(jù)，同時也為西南險峻山區(qū)既有鐵路滑坡災(zāi)害風(fēng)險評價與管理提供了借鑒。

圖1 裁縫巖滑坡無人機(jī)航拍全景

1 裁縫巖滑坡概況

裁縫巖滑坡所在區(qū)域(見圖1)地貌屬淺中切割侵蝕-構(gòu)造中低山；滑坡位于官田寺背斜的北西翼，為單斜構(gòu)造；滑坡區(qū)主要出露地層有:第四系全新統(tǒng)坡殘積層、滑坡堆積體、崩坡積層，侏羅系中統(tǒng)上沙溪廟組。

滑坡長460 m，寬90～100 m，整體呈不規(guī)則四邊形，平均厚度約5～20 m，總方量為162×104m3?；w后部以巖體滑動為主，下伏基巖為侏羅系沙溪廟組二段紫紅色中厚層-厚層泥巖夾灰白色中厚層砂巖，產(chǎn)狀320°∠20°，發(fā)育兩組優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面(JL1、JL2)，產(chǎn)狀分別為182°∠75°和55°∠82°(見圖2)；中前部為土體滑動，主要為第四系滑坡松散堆積物粉質(zhì)黏土夾碎石(見圖3)。

圖2 后緣滑坡壁

滑體前部臨空，中部平緩，后部陡斜；斜坡沿南側(cè)臨空面崩塌剝蝕且?guī)r層傾向北西，使滑體北側(cè)厚，南側(cè)薄。根據(jù)滑坡的變形特征，可將滑坡劃分為主滑區(qū)、剪切擠壓區(qū)。其中，主滑區(qū)又可以分為啟動推移區(qū)、擠壓下錯區(qū)、鼓脹滑塌區(qū)(見圖4)?；聟^(qū)內(nèi)地表水主要以大氣降水補(bǔ)給為主，通過無人機(jī)航拍解譯及調(diào)查，滑坡壁后部存在3條季節(jié)性水溝，在滑坡后緣易形成點(diǎn)狀入滲的季節(jié)性基巖裂隙水，并沿滑帶流動至前緣鼓脹滑塌區(qū)，最后以泉的形式沿坡腳巖層面滲出，排泄于沖溝。

圖3 滑坡前緣剪出口

圖4 裁縫巖滑坡2-2′縱剖面

前期調(diào)查研究表明:該滑坡是在自重應(yīng)力的牽引作用以及降雨入滲至后緣的張拉裂縫而使滑帶泥化軟化，最終誘發(fā)失穩(wěn)破壞。

2 滑坡的危險性分析

2.1 滑坡的穩(wěn)定性分析

圖5 滑坡監(jiān)測點(diǎn)的變形(降雨量)-時間曲線

滑坡失穩(wěn)后，采用全站儀對滑坡的變形位移開展了應(yīng)急監(jiān)測(見圖5)。在47 d內(nèi)，DMP1累計(jì)變形量為-2.9 mm，DMP2累計(jì)變形量為-36.3 mm，DMP3累計(jì)變形量為3.7 mm，DMP4累計(jì)變形量為-42.4 mm，DMP5累計(jì)變形量為-4.3 mm。監(jiān)測結(jié)果表明:滑坡左側(cè)邊界的變形量大于滑坡右側(cè)邊界的變形量；滑坡后緣的變形量大于前緣的變形量。

由傳遞系數(shù)法，滑坡1-1′，2-2′，3-3′三個縱剖面(見圖1)暴雨工況穩(wěn)定性系數(shù)分別為0.47，0.48，0.79，皆處于不穩(wěn)定狀態(tài)。

綜合以上分析，該滑坡完全失穩(wěn)后，滑帶完全貫通，抗剪強(qiáng)度大幅降低，在暴雨條件下飽水軟化，仍然有進(jìn)一步失穩(wěn)滑動的可能性。為了快速準(zhǔn)確地評價滑坡失穩(wěn)對川黔線雷吼洞洞口及前緣居民區(qū)的影響，運(yùn)用3DEC離散元軟件模擬滑坡再次失穩(wěn)后的滑動范圍及速率，并進(jìn)行危險性分區(qū)和評價。

2.2 地質(zhì)模型的建立與參數(shù)的選取

滑坡模型長800 m，寬630 m，高約263 m；設(shè)定模型的z方向?yàn)橹亓Ψ较?，x方向?yàn)檎龞|方向(指向山體內(nèi)部)，y方向?yàn)檎狈较??；履Ｐ蛒、y方向和z方向底面為約束邊界。根據(jù)實(shí)際情況劃分為主滑區(qū)(3、4、5號區(qū)域)、剪切擠壓區(qū)(2號區(qū)域)、下伏基巖(1號區(qū)域)三部分(見圖6)。

圖6 裁縫巖滑坡模型

模型滑面為巖層層面，采用3DEC莫爾-庫侖模型開展計(jì)算?；w后部為松散的巖體，主要發(fā)育兩組優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面(JL1、JL2)，故對后部滑體按照巖層層面和兩組優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面進(jìn)行切割。中前緣碎石土在空間上都是離散的塊體，如果將其考慮為一個整體，則塊體間無法分離。因此，將中前緣滑體也切割成細(xì)小的塊體來模擬碎石土離散的力學(xué)特征。塊體間的力學(xué)性質(zhì)采用節(jié)理面接觸-庫倫滑移模型計(jì)算，并在滑坡上設(shè)置7個監(jiān)測點(diǎn)(見圖7)，以獲得滑坡不同部位的滑動距離和滑速。

由實(shí)際監(jiān)測數(shù)據(jù)可知(見圖5)，滑坡滑帶逐步泥化、軟化，進(jìn)而產(chǎn)生變形。模擬計(jì)算時，3號區(qū)域的滑帶首先軟化，待滑坡位移穩(wěn)定后，4、5號區(qū)域的滑帶依次軟化直到滑坡完全失穩(wěn)。為計(jì)算滑坡失穩(wěn)后破壞的最大范圍，主滑區(qū)滑帶按暴雨工況下處于飽和狀態(tài)考慮，故取滑帶土液限飽和狀態(tài)下的物理力學(xué)參數(shù)(見表1)；受沖溝的排水作用，剪切擠壓區(qū)滑帶未處于飽水狀態(tài)，故剪切擠壓區(qū)塊體間依照滑帶土天然力學(xué)強(qiáng)度計(jì)算(見表1)；下伏基巖為不可變形的剛體。

圖7 滑坡模型監(jiān)測點(diǎn)分布

表1 裁縫巖滑坡巖土體物理力學(xué)參數(shù)

2.3 危險性模擬結(jié)果與分析

當(dāng)滑帶處于天然狀態(tài)下時，數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果顯示滑坡體發(fā)生微量變形后趨于穩(wěn)定，這與滑坡的實(shí)際情況相符。

當(dāng)3號區(qū)域(見圖6)滑帶軟化后，滑體后緣形成約5 m寬的后緣拉裂縫，主滑區(qū)前緣局部滑塌，而后部趨于穩(wěn)定。當(dāng)3、4號區(qū)域(見圖6)滑帶均軟化后，滑坡立刻失穩(wěn)破壞，主滑前緣首先剪出?？紤]到滑坡失穩(wěn)后的運(yùn)動時間遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于降雨入滲至5號區(qū)域的時間，故5號區(qū)域滑帶的力學(xué)參數(shù)仍按照天然狀態(tài)下的力學(xué)參數(shù)考慮。而后，由于滑坡前緣5號區(qū)域?qū)缶壔w的阻擋作用，使滑坡左側(cè)中部部分滑體沿左側(cè)陡坡下滑并形成溜滑體；最終在中后緣滑體的推擠作用下，主滑區(qū)前緣(5號區(qū)域)及剪切擠壓區(qū)(2號區(qū)域)完全失穩(wěn)，并滑入綦江中，形成滑坡壩，滑坡左側(cè)也有部分溜滑體滑至鐵路隧道雷吼洞洞口，堵塞鐵路線(見圖8、圖9)。

圖8 不同區(qū)域的滑動結(jié)果

圖9 數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果

通過模擬結(jié)果中溜滑體和滑坡壩的各點(diǎn)坐標(biāo)和高程，得到如下結(jié)果:溜滑體堵塞鐵路面積約為452 m2，平均厚度為1.6 m，體積約為723 m3；滑坡堵塞河道面積約為20 139 m2，寬度為40～102 m，最大高度為14 m，前緣滑塊入水速率為20 m/s，最高水位高程達(dá)304 m，未超過川黔線鐵路運(yùn)營高程(310 m)，不會影響鐵路運(yùn)營。

2.4 危險性分區(qū)云圖

通過數(shù)值模擬和無人機(jī)航拍，獲得了滑坡范圍內(nèi)的滑塊數(shù)量、滑動速率、滑坡誘發(fā)次生災(zāi)害的概率以及植被覆蓋情況，并將以上四個指標(biāo)因素用于危險性分區(qū)的定量評價。

首先，設(shè)定每個塊體對某點(diǎn)人員造成傷亡的概率為0.5，某點(diǎn)滑塊砸中人員的概率劃分為:小于75%、75%～97%，大于97%三種標(biāo)準(zhǔn)。某點(diǎn)滑塊數(shù)量基準(zhǔn)值為2和5；人一般奔跑速率為5～7 m/s，走路的速率為0.5～1 m/s，將人能夠安全逃出的速率(0.5 m/s)設(shè)定為打分基準(zhǔn)值，從而獲得某點(diǎn)各指標(biāo)因素的分值。而后，通過層次分析法(AHP法)建立判斷矩陣[18]，歸一化后計(jì)算得出四個指標(biāo)因素的權(quán)重值(見表2)。最終，通過所得權(quán)重值乘以相應(yīng)各指標(biāo)因素的分值，得到該點(diǎn)的最終評分值。

表2 單體滑坡危險性分區(qū)打分

依據(jù)相應(yīng)的危險性分區(qū)，判斷該點(diǎn)最終評分值所處區(qū)域，繪制準(zhǔn)確的危險性分區(qū)圖，并采取相應(yīng)的防災(zāi)減災(zāi)措施(見表3)。

表3 危險性分級及防災(zāi)措施

根據(jù)以上危險性分區(qū)評價準(zhǔn)則，將數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果網(wǎng)格化，共建立38個點(diǎn)(見圖10)。分別對各點(diǎn)滑塊數(shù)量、滑動速率、滑坡誘發(fā)次生災(zāi)害的概率、植被覆蓋情況這四個指標(biāo)因素進(jìn)行打分，并乘以相應(yīng)的權(quán)重，最終獲得各點(diǎn)總分值(見表4)及裁縫巖滑坡準(zhǔn)確的危險性分區(qū)(見圖11)。

圖10 滑坡數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果

圖11 裁縫巖滑坡的危險性分區(qū)

表4 裁縫巖滑坡危險性評價打分

3 滑坡失穩(wěn)概率分析

3.1 觸發(fā)滑坡失穩(wěn)的降雨量閾值

裁縫巖滑坡發(fā)生于2016年6月28日19∶30?；赂浇袃商幱炅勘O(jiān)測站，分別為距離滑坡點(diǎn)2.1 km的岔灘站，距離滑坡點(diǎn)5.1 km趕水站。從滑坡失穩(wěn)前岔灘站和趕水站兩處降雨降雨量統(tǒng)計(jì)資料(見圖12、圖13)中可以發(fā)現(xiàn)，只有3日累計(jì)降雨量的峰值時間點(diǎn)與滑坡失穩(wěn)時間相同(皆為2016年6月28日)。由此可見，3日累計(jì)降雨量峰值與滑坡發(fā)生的相關(guān)度最高?；率Х€(wěn)時，岔灘站的3日累計(jì)降雨量峰值為48.7 mm，趕水站的3日累計(jì)降雨量峰值為151.5 mm。由于趕水站、裁縫巖滑坡點(diǎn)、岔灘站正好在一條直線上，可通過內(nèi)插法計(jì)算出滑坡失穩(wěn)時3日累計(jì)降雨量的閾值(為78.7 mm)。

圖12 岔灘站降雨量

圖13 趕水站降雨量

3.2 滑坡失穩(wěn)概率

根據(jù)重慶市綦江區(qū)氣象局提供的趕水站附近2009年1月1日至2017年12月31日的日降雨量資料，趕水站3日累計(jì)降雨量統(tǒng)計(jì)曲線如圖14所示，9年間，3日累計(jì)降雨量超過閾值的次數(shù)共計(jì)5次，通過觸發(fā)因素確定裁縫巖滑坡年發(fā)生概率為56%。其失穩(wěn)概率顯然超過了社會可以接受的范圍，必須盡快進(jìn)行治理。

圖14 2009年至2017年趕水站三日累計(jì)降雨量

4 結(jié)論與展望

在現(xiàn)場調(diào)查、室內(nèi)試驗(yàn)、穩(wěn)定性評價的基礎(chǔ)上，利用3DEC三維數(shù)值模擬的方法模擬裁縫巖滑坡失穩(wěn)后的運(yùn)動路徑，證實(shí)在最不利工況下，滑坡再次失穩(wěn)后滑體將滑入綦江中，形成體積約14×104m3的滑坡壩，并且有體積約723 m3的溜滑體將滑至川黔鐵路雷吼洞洞口，阻塞鐵路；其次，將模擬結(jié)果與層次分析法相結(jié)合，建立危險性分區(qū)標(biāo)準(zhǔn)，制作裁縫巖滑坡危險性分區(qū)圖；最后，通過多年降雨統(tǒng)計(jì)資料確定該滑坡發(fā)生失穩(wěn)的降雨閾值(為78.7 mm)，滑坡的年失穩(wěn)概率為56%，明確了滑坡治理的必要性。