高速遠(yuǎn)程滑坡沿程速度演化與沖擊力分布研究
——以三溪村滑坡為例

陳 果，鈕志林，樊曉一，3，胡曉波

（1.西南科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，四川綿陽 621010；2.中國公路工程咨詢集團(tuán)有限公司，北京 100089；3.西南石油大學(xué)土木工程與測繪學(xué)院，四川成都 610500；4.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）

引言

高速遠(yuǎn)程滑坡具有巨大的體積，運(yùn)動速度快，啟動突然的特點(diǎn)［1－2］，在運(yùn)動過程中常表現(xiàn)出異常的高速運(yùn)動和流動性強(qiáng)的特征，是自然界中具有極端破壞力的地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)象之一，常造成嚴(yán)重的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失，嚴(yán)重威脅山區(qū)建筑安全和人民財(cái)產(chǎn)安全［3－4］。國內(nèi)外針對高速遠(yuǎn)程滑坡的研究主要采用野外調(diào)查和遙感勘測、理論計(jì)算、實(shí)驗(yàn)室模型實(shí)驗(yàn)以及數(shù)值模擬等技術(shù)手段，分析其啟動機(jī)制、動力學(xué)過程以及堆積特征等。理論計(jì)算如謝德格爾法，能計(jì)算滑坡的運(yùn)動距離和速度。野外調(diào)查和遙感監(jiān)測可以直接獲取滑坡的形態(tài)特征和部分運(yùn)動參數(shù)，例如Perinotto等［5］基于對La Reunion島的滑坡堆積體的實(shí)地考察，提出大塊石崩解釋放的大量彈性勢能以及細(xì)粒碎屑的潤滑作用能顯著增加滑體的動能；李華等［6］采用野外調(diào)查等手段，分析滑坡基本特征和滑坡體結(jié)構(gòu)，研究公路切坡和持續(xù)強(qiáng)降雨因素對滑坡穩(wěn)定性的影響。實(shí)驗(yàn)室模型實(shí)驗(yàn)?zāi)茉诳s尺比例上研究滑坡的變形和破壞機(jī)理，如冷曉玉等［7］利用滑坡模型試驗(yàn)研究不同坡角和顆粒級配對滑坡運(yùn)動的影響機(jī)制。趙運(yùn)會［8］等通過開展室內(nèi)滑坡模型試驗(yàn)，分析巖土體類型、斜坡坡度和滑體體積對滑坡運(yùn)動距離、速度及堆積體厚度的影響。

由于滑坡發(fā)生時(shí)間和位置的不確定，其致災(zāi)速度和沖擊力的實(shí)時(shí)監(jiān)測存在難度，缺乏對致災(zāi)強(qiáng)度的準(zhǔn)確評估。運(yùn)用數(shù)值模擬，以滑坡最終堆積特征為參照，模擬其運(yùn)動的過程，反演致災(zāi)過程中的運(yùn)動速度和沖擊力，為滑坡致災(zāi)強(qiáng)度的研究提供了有力的工具。Li等［9］基于MPM法，考慮速度弱化摩擦效應(yīng)和應(yīng)變軟化效應(yīng)模擬大光包滑坡，但相比于物質(zhì)點(diǎn)法，離散元法基于細(xì)觀力學(xué)出發(fā)，考慮了顆粒的不連續(xù)性，能夠較好的模擬大變形、大位移，對于模擬高速遠(yuǎn)程滑坡運(yùn)動具有較好的適用性。Tang等［10］利用PFC2D，研究摩擦系數(shù)和顆粒粘結(jié)強(qiáng)度對集集滑坡數(shù)值模擬的影響，并進(jìn)一步分析潤滑機(jī)制。Wang等［11］運(yùn)用PFC3D并考慮地震的因素，研究紅石巖滑坡速度、堆積特征。畢鈺璋［12］等采用離散元軟件對四川綿竹清平文家溝地震滑坡的運(yùn)動過程進(jìn)行了研究，并設(shè)置不同摩擦系數(shù)條件作為變量，研究滑坡堆積情況以及防護(hù)結(jié)構(gòu)體對滑坡的耗能作用。肖思友等［13］在離散元軟件中采用Hertz-Mindlin模型建模，模擬防護(hù)結(jié)構(gòu)為柔性網(wǎng)和剛性擋墻在受到滑坡沖擊時(shí)，沖擊力及動力響應(yīng)過程；Bi［14］等使用離散元法，設(shè)置擋板列、排的數(shù)量和間距作為變量，研究滑坡對擋板產(chǎn)生的沖擊力以及擋板對滑坡的耗能作用。張睿驍?shù)龋?5］運(yùn)用三維離散元軟件，研究3種不同攔擋結(jié)構(gòu)對滑坡運(yùn)動和堆積特性的影響，得到較好的結(jié)果。

室內(nèi)模型試驗(yàn)?zāi)茌^好的研究沖擊力隨巖土體參數(shù)和坡度的變化規(guī)律，但針對滑坡巨大的體積，室內(nèi)模型試驗(yàn)一般采用較小的相似比，導(dǎo)致滑坡地形地質(zhì)條件的簡化，對呈現(xiàn)滑坡的實(shí)際運(yùn)動特征存在一定的局限性。數(shù)值模擬可以通過匹配滑坡參數(shù)實(shí)現(xiàn)堆積結(jié)果與實(shí)際滑坡的一致性，來反演滑坡致災(zāi)參數(shù)，在分析滑坡致災(zāi)機(jī)制方面得到了廣泛運(yùn)用。本文以典型滑坡災(zāi)害——三溪村滑坡為例，研究三溪村滑坡沿程速度演化和沖擊力分布。

1 三溪村滑坡概況

1.1 滑坡概況

三溪村滑坡位于四川省都江堰市中興鎮(zhèn)三溪村，處于龍門山斷裂帶與成都平原過渡地段，滑坡體呈NE方向展布。2008年5·12汶川地震導(dǎo)致三溪村大字巖平臺上部巖土體開裂形成貫通性裂縫，在強(qiáng)降雨的影響下，大量水體滲入到裂縫中，在動水壓力和靜水壓力的作用下，山體結(jié)構(gòu)破壞失穩(wěn)，形成災(zāi)難性高位滑坡?；虑昂缶壌怪备卟?77 m，后緣到前緣的水平距離為1 240 m，滑源區(qū)1.47×106m3的山體發(fā)生整體滑動，在沿程運(yùn)動過程中破碎解體，導(dǎo)致運(yùn)動堆積區(qū)內(nèi)11戶居民建筑被毀、52人死亡、109人失蹤［16］，造成巨大的人員傷亡及財(cái)產(chǎn)損失。三溪村滑坡屬于典型的溝道偏轉(zhuǎn)型滑坡，其滑坡方向由57°轉(zhuǎn)向350°（圖1）。

圖1 三溪村滑坡平面圖Fig.1 Landslide plan of Sanxi Village

1.2 三溪村滑坡巖性

三溪村滑坡區(qū)主要出露白堊系灌口組（Kg）和第四系地層（Q）。其中白堊系灌口組（Kg）分布于三溪村滑坡整個(gè)區(qū)域，在滑坡區(qū)上部主要以黃棕、紅棕色砂巖、泥質(zhì)粉砂巖為主，滑坡區(qū)中下部主要以礫巖為主。三溪村滑坡溝槽內(nèi)主要分布堆積層（Q4sef），其主要物質(zhì)為含碎石（巨石、漂石）的粉質(zhì)粘土，粉質(zhì)粘土主要以褐黃色為主，軟塑～流塑狀態(tài)、飽和，碎塊石（巨石、漂石）主要為強(qiáng)風(fēng)化砂巖、粉砂巖，無分選性，磨圓度差，直徑一般5～20 cm，漂石、巨石多大于80 cm，個(gè)別達(dá)數(shù)米大。其中巨石、漂石的含量約為20%～25%；溝槽的底部及溝口前緣兩岸的岸坡上主要分布第四系泥石流積、洪積層（Q4pl+sef），其主要物質(zhì)為含礫石粉質(zhì)粘土；滑坡坡面上主要分布第四系滑坡堆積層（Q4del），其主要物質(zhì)為粉質(zhì)粘土夾碎塊石土；斜坡表層主要分布第四系殘坡積層（Q4el+dl），其主要物質(zhì)為粉質(zhì)粘土夾碎塊石土。

2 模型建立和參數(shù)標(biāo)定

2.1 離散元介紹

PFC作為離散元方法的一種，由Cundall（1979）定義［17］。在PFC程序中離散顆粒能獨(dú)立產(chǎn)生運(yùn)動和旋轉(zhuǎn)，在計(jì)算過程中每個(gè)顆粒都能獨(dú)立自動識別接觸并產(chǎn)生運(yùn)動。PFC在巖土體領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，主要用于模擬離散顆粒的運(yùn)動和相互作用。

2.2 建模過程

PFC3D滑坡模擬中常采用ball-ball法和ball-wall法建模，ball-ball法指用ball構(gòu)建滑體和滑床及邊界，ball-wall法指用ball構(gòu)建滑體，而滑床及邊界由wall構(gòu)建。本研究采用ball-wall法模擬三溪村滑坡，該法所需顆粒較少，提高模擬的效率，適用于模擬滑床及邊界已知的滑坡。如圖2所示滑坡體物源區(qū)被分成了9塊區(qū)域（G1－G9），用不同顏色表示，用以追蹤研究堆積區(qū)物質(zhì)的來源。因本文主要目的是研究三溪村滑坡前緣速度和滑坡對山區(qū)房屋的沖擊致災(zāi)機(jī)制，所以主要監(jiān)測前緣顆粒。選擇較少的監(jiān)測點(diǎn)會存在較大的誤差。因此每個(gè)部分選擇4個(gè)監(jiān)測點(diǎn)（P1-12），共計(jì)12個(gè)監(jiān)測顆粒。

圖2 三溪村滑坡模型圖Fig.2 The model of Sanxi Village landslide

2.3 接觸模型

PFC中內(nèi)含多種接觸模型，本研究選擇平行鍵粘結(jié)模型（Linearpbond），該模型其粘結(jié)組件和線性元件平行，可以在不同顆粒之間傳遞接觸-接觸間的彈性相互作用（類似于環(huán)氧樹脂膠合玻璃珠、水泥間骨料的黏結(jié)）。因此平行鍵粘結(jié)模型在滑坡、泥石流、崩塌等地質(zhì)災(zāi)害中應(yīng)用廣泛［18－19］。

2.4 參數(shù)標(biāo)定

PFC中參數(shù)采用的是顆粒之間的微觀參數(shù)，而實(shí)際巖土體中的宏觀參數(shù)很難與微觀參數(shù)對應(yīng)，顆粒不能直接實(shí)現(xiàn)宏觀材料的性質(zhì)，但二者之間存在一定的聯(lián)系。常見的參數(shù)標(biāo)定方法有試錯(cuò)法和通過三軸實(shí)驗(yàn)獲取應(yīng)力應(yīng)變曲線，并和宏觀參數(shù)做比較，但試錯(cuò)法嘗試次數(shù)多且標(biāo)定參數(shù)可能造成比較大的誤差。利用PFC建立三軸實(shí)驗(yàn)進(jìn)行微觀參數(shù)標(biāo)定，成為廣大學(xué)者研究災(zāi)難性滑坡的有效工具。

PFC中顆粒是剛性物質(zhì)，不能實(shí)現(xiàn)模擬顆粒破碎及磨損，顆粒之間碰撞產(chǎn)生的非彈性能量耗散難以直接模擬，所以引入阻尼來加速數(shù)值解的收斂和實(shí)現(xiàn)能量的耗散。在平行鍵粘結(jié)模型中，有效粘結(jié)模量與和楊氏模量有關(guān)，顆粒剛度比和泊松比有關(guān)，平行粘結(jié)強(qiáng)度和單軸壓縮應(yīng)力有關(guān)，利用PFC3D中的伺服機(jī)制設(shè)置無側(cè)限單軸壓縮實(shí)驗(yàn)，獲取應(yīng)力應(yīng)變曲線圖3，通過和室內(nèi)試件的參數(shù)對比，校核數(shù)值模擬的微觀參數(shù)，查閱文獻(xiàn)得到白堊系粉砂巖［20－21］的單軸抗壓強(qiáng)度約61 MPa，楊氏模量約11.06 GPa，密度約2 300 kg·m－3，無側(cè)限單軸壓縮實(shí)驗(yàn)得到的結(jié)果同室內(nèi)試驗(yàn)參數(shù)一致，獲得數(shù)值模擬參數(shù)見表1。

圖3 單軸壓縮試驗(yàn)Fig.3 Uniaxial compression test

表1 數(shù)值模型微觀參數(shù)Table 1 The numerical micro-parameters of the PFC model

2.5 模擬結(jié)果

根據(jù)三溪村滑坡地形（圖1），滑坡發(fā)生后的影像（圖4）和文獻(xiàn)資料（圖6）［16］，比較數(shù)值模擬的最終堆積結(jié)果（圖5、圖7），表明數(shù)值模擬的堆積形態(tài)符合實(shí)際滑坡堆積特征，滑坡堆積區(qū)后緣高程850 m，前緣高程740 m，堆積長度約560 m，寬50～140 m，堆積厚度5～15 m。

圖4 滑坡發(fā)生后的遙感影像圖（Google Earth）Fig.4 Remote sensing image after landslide

圖5 數(shù)模擬堆積圖Fig.5 Numerical simulation stacking diagram

圖6 滑坡剖面圖Fig.6 Landslide profile

圖7 數(shù)值模擬剖面圖Fig.7 The profile of numerical simulation

3 三溪村滑坡前緣運(yùn)動速度特征

三溪村滑坡啟動、加速運(yùn)動后，土體快速崩落、破碎。在撞擊右側(cè)山體后，滑坡的運(yùn)動由北東方向轉(zhuǎn)向北西方向，沿程沖擊損毀和掩埋山區(qū)農(nóng)房建筑，到最終停止堆積，模擬結(jié)果表明，三溪村滑坡的運(yùn)動時(shí)間約為80 s（圖8），滑坡啟動后，在重力的作用下，巖土體崩塌破碎，經(jīng)過陡坎地形后速度快速增加，運(yùn)動到7.5 s時(shí)速度達(dá)到20 m/s。后受狹窄溝道的影響，巖土體速度增速降低，經(jīng)過19.5 s后，滑坡體進(jìn)入溝道偏轉(zhuǎn)區(qū)，速度增至峰值速度35 m/s。受到溝道偏轉(zhuǎn)區(qū)地形的影響，巖土體和山體激烈碰撞，滑坡主滑方向改變?yōu)?50°，T=36 s時(shí)，滑坡大部分巖土體到達(dá)溝道偏轉(zhuǎn)區(qū)，速度降至12.4 m/s。隨著滑坡大部分巖土體經(jīng)過溝道偏轉(zhuǎn)區(qū)，滑坡巖土體運(yùn)動到相對寬闊平坦的地形，在摩擦和碰撞的因素作用下速度逐漸減小，在大約80 s時(shí)，滑坡巖土體停止堆積，滑坡運(yùn)動結(jié)束。

圖8 滑坡運(yùn)動演化過程Fig.8 The evolution process of landslide

受地形條件的作用，三溪村滑坡前緣巖土體運(yùn)動速度呈現(xiàn)一定的差異（圖9）。在開始階段，前緣巖土體運(yùn)動基本一致，即滑坡失穩(wěn)后，經(jīng)過陡坎階段速度快速增加，到達(dá)偏轉(zhuǎn)區(qū)時(shí)速度增加至峰值速度，由于巖土體和偏轉(zhuǎn)區(qū)山體激烈碰撞，巖土體破碎解體繼續(xù)向前運(yùn)動并逐漸停止堆積。其中前緣左側(cè)巖土體運(yùn)動距離＜前緣右側(cè)巖土體運(yùn)動距離＜前緣中部巖土體運(yùn)動距離，這是因?yàn)榛聠雍笄熬壸髠?cè)巖土體不在主滑方向上，而是向主滑方向運(yùn)動，在運(yùn)動過程中和中部巖土體碰撞，能量耗散較多，呈現(xiàn)出運(yùn)動距離最短的現(xiàn)象。而前緣右側(cè)巖土體運(yùn)動到偏轉(zhuǎn)區(qū)時(shí)，和山體激烈碰撞、摩擦，造成滑坡動能大量耗散，致使運(yùn)動距離小于中部巖土體運(yùn)動距離。

圖9 滑坡沿程速度演化曲線Fig.9 The velocity evolution curve of landslide

三溪村滑坡前緣各部位巖土體速度曲線也呈現(xiàn)一定的差異（圖10），右側(cè)巖土體峰值速度為21.05 m/s，中部巖土體峰值速度為22.68 m/s，左側(cè)巖土體峰值速度為21.75 m/s。前緣巖土體速度均是先增加后減小至0，但前緣巖土體各部位速度變化不相同。滑坡前緣各部位巖土體速度的差異主要受地形和主滑方向改變的影響，結(jié)合圖4可以看到三溪村滑坡前緣開闊，滑坡啟動后，受重力勢能和后部巖土體的推擠作用，前緣巖土體速度持續(xù)增加，前緣巖土體到達(dá)陡坎地帶，受到重力勢能的影響，巖土體速度急速增加并向前沖擊?；聨r土體運(yùn)動到狹窄的溝谷地帶后，受到溝谷地形條件的影響，巖土體和溝谷兩側(cè)山體、巖土體之間撞擊、摩擦加劇，導(dǎo)致巖土體速度增加幅度降低。滑坡巖土體運(yùn)動到偏轉(zhuǎn)區(qū)時(shí)，受到偏轉(zhuǎn)地形條件的影響，前緣巖土體和右側(cè)山體激烈碰撞致使巖土體破碎解體，由于激烈的碰撞和摩擦，滑坡速度減小，主滑方向發(fā)生改變?；聨r土體運(yùn)動到堆積區(qū)后，滑坡進(jìn)入最后的減速階段，巖土體顆粒與地面持續(xù)發(fā)生摩擦，滑坡前緣速度持續(xù)減小，滑坡前緣陸續(xù)堆積在堆積區(qū)，后部分巖土體撞擊并鏟刮堆積區(qū)巖土體使得滑坡速度進(jìn)一步減小直至停止。

圖10 前部巖土體顆粒速度Fig.10 The velocity of the front rock mass

運(yùn)用加速度隨時(shí)間的變化曲線進(jìn)一步揭示了滑坡速度變化規(guī)律（圖11）。如圖11所示，3個(gè)部位巖土體加速度變化趨勢大致相同，都是先由正向負(fù)變化直至停止運(yùn)動。即滑坡啟動初始階段加速度最大，呈現(xiàn)為快速加速階段，后受地形條件和摩擦的影響，加速度逐漸減小至0，隨著滑坡巖土體運(yùn)動到偏轉(zhuǎn)區(qū)，巖土體破碎解體，滑坡前緣速度減小，加速度變?yōu)樨?fù)值，且隨著碰撞加劇，加速度向著負(fù)方向增加至最大值，后因受到地面摩擦和鏟刮作用，滑坡加速度逐漸減小直至停止運(yùn)動。

結(jié)合三溪村滑坡前緣運(yùn)動速度和加速度分布演化特征，三溪村滑坡前緣速度分為4個(gè)階段，即快速加速階段、緩慢加速階段、速度突降階段、緩慢減速階段。下文逐一介紹各階段速度變化情況：

（1）快速加速階段：運(yùn)用滑坡前緣巖土體速度曲線進(jìn)一步揭示滑坡速度變化規(guī)律（圖12），如圖12所示，滑坡巖土體右側(cè)快速加速階段持續(xù)時(shí)間最短為1.91 s，中部巖土體快速加速階段持續(xù)時(shí)間為5.39 s，左側(cè)巖土體快速加速階段持續(xù)時(shí)間為7.31 s。且由圖11加速度曲線可知三溪村前緣右側(cè)巖土體初始階段加速度最大，其次是中部巖土體加速度，左側(cè)巖土體加速度最小。作者認(rèn)為其原因在于以下2個(gè)方面，滑坡啟動后左側(cè)巖土體受到左邊突出山體的擠壓和碰撞，啟動和下落受到限制，而右側(cè)巖土體處在比較平坦的地形條件之下，啟動和下落受限制較小，即呈現(xiàn)出在較短的時(shí)間內(nèi)速度迅速增大。三溪村滑坡主滑方向的改變是影響前緣各部位巖土體快速加速階段不同的主要因素，右側(cè)巖土體運(yùn)動方向?yàn)橹骰较?，而中部和左?cè)巖土體在初始階段是向主滑方向運(yùn)動，運(yùn)動過程中和右側(cè)巖土體碰撞，導(dǎo)致初始階段右側(cè)巖土體加速度＞中部巖土體加速度＞左側(cè)巖土體加速度。

圖11 前緣巖土體顆粒加速度Fig.11 The acceleration of the front rock mass

（2）緩慢加速階段：觀察圖12可以看出，滑坡前緣巖土體緩慢加速階段持續(xù)時(shí)間不同，其中右側(cè)巖土體緩慢加速階段持續(xù)時(shí)間為18.89 s，中部巖土體緩慢加速階段持續(xù)時(shí)間為15.81 s，左側(cè)巖土體緩慢加速階段持續(xù)時(shí)間為19.09 s，前緣巖土體在地形條件的影響下，加速度逐漸減小。中部巖土體的峰值速度最大，其原因在于中部巖土體處于主滑方向上，受兩側(cè)山體凸出地形條件的影響小。

圖12 前緣巖土體速度Fig.12 The velocity of the front rock mass

（3）速度突降階段：右側(cè)巖土體速度突降階段持續(xù)時(shí)間為13.3 s，中部巖土體速度突降階段持續(xù)時(shí)間為13.1 s，左側(cè)巖土體速度突降階段持續(xù)時(shí)間為8.7 s。巖土體受到摩擦和碰撞的作用導(dǎo)致速度快速降低。為了更好的研究三溪村前緣巖土體減速階段運(yùn)動過程，對減速階段進(jìn)行擬合（圖13），右側(cè)巖土體減速階段呈現(xiàn)出規(guī)律性的減速過程，而中部和左側(cè)巖土體減速階段則呈現(xiàn)出明顯的速度突降和緩慢減速過程。其中左側(cè)巖土體速度突降階段斜率＞中部巖土體斜率＞右側(cè)巖土體斜率。這是因?yàn)樽髠?cè)巖土體進(jìn)入溝谷地形時(shí)，受到偏轉(zhuǎn)地形的影響，滑動方向改變幅度較大，如圖4，主滑方向由57°改變?yōu)?50°，造成左側(cè)巖土體顆粒和中部巖土體激烈碰撞，致使左側(cè)巖土體迅速減速。相關(guān)的溝谷偏轉(zhuǎn)型滑坡的模型試驗(yàn)［22］顯示了滑坡體速度在偏轉(zhuǎn)位置處發(fā)生突變。

圖13 滑坡減速階段擬合Fig.13 Fitting of debris flow deceleration stage of landslide

（4）緩慢減速階段：滑坡巖土體運(yùn)動到堆積區(qū)，在摩擦和碰撞的影響下，巖土體逐漸減速直至停止堆積。當(dāng)滑坡巖土體運(yùn)動到堆積區(qū)，進(jìn)入緩慢減速階段，右側(cè)、中部、左側(cè)巖土體共同運(yùn)動到開闊地帶，其緩慢減速階段加速度變化相似。

4 三溪村滑坡對山區(qū)房屋的沖擊力特征

為研究滑坡對山區(qū)建筑的沖擊作用機(jī)制，采用沖擊力作為量化指標(biāo)，建立4處房屋的沖擊力時(shí)程關(guān)系（圖14），分析滑坡運(yùn)動堆積區(qū)房屋遭受滑坡沖擊的致災(zāi)機(jī)制。本研究利用PFC將需監(jiān)測的房屋受沖擊面設(shè)置為“剛性wall”，利用PFC遍歷顆粒與“wall”的接觸，獲得該位置的沖擊力曲線。雖然山區(qū)農(nóng)房結(jié)構(gòu)存在不同差異，但房屋尺寸和災(zāi)難性滑坡的規(guī)模相比是極小值，文中主要研究的是沖擊力的時(shí)程和運(yùn)程的分布，不開展房屋結(jié)構(gòu)的損壞機(jī)制研究，因此不考慮房屋結(jié)構(gòu)的影響，因此本文選擇在房屋所在位置處，將房屋簡化為擋墻的形式，進(jìn)行沖擊力的提取與研究。得到?jīng)_擊力時(shí)程曲線（圖15）。圖15中，房屋離滑源區(qū)距離越遠(yuǎn)，其遭受的滑坡峰值沖擊力越小。房屋遭受滑坡沖擊可以分為三個(gè)階段即沖擊力陡增階段、沖擊力下降階段和準(zhǔn)靜態(tài)堆積階段。1、2、3號房屋沖擊力變化形式為先增大至峰值沖擊力再減小至殘余沖擊力，4號房屋沖擊力變化形式為從零開始逐漸增加至殘余沖擊力。其原因是4號房屋處于滑坡運(yùn)動逐漸堆積的位置，當(dāng)滑坡巖土體運(yùn)動到此處，其運(yùn)動速度較小，對房屋建筑的動態(tài)沖擊作用較小，而隨著滑坡巖土體逐漸堆積在房屋建筑周圍，其對房屋建筑作用的靜態(tài)堆積力逐漸增加。而1、2、3號房屋位于滑坡運(yùn)動堆積階段，即房屋先遭受滑坡的動態(tài)沖擊，隨著滑坡巖土體逐漸堆積在房屋周圍，其遭受的沖擊力形式由動態(tài)沖擊階段轉(zhuǎn)變?yōu)闇?zhǔn)靜態(tài)堆積階段。用Fmax1、Fmax2、Fmax3、Fmax4分別表示1號房屋～4號房屋的峰值沖擊力，F(xiàn)1、F2、F3、F4分別表示1號房屋～4號房屋的殘余沖擊力，其中Fmax1＞Fmax2＞Fmax3＞Fmax4，F(xiàn)2＞F3＞F4＞F1，對比殘余沖擊力可以看出1號房屋殘余沖擊力最小，這是因?yàn)?號房屋位于堆積區(qū)后緣，堆積的巖土體較少，而2，3，4號房屋位于滑坡堆積區(qū)前緣，堆積的巖土體較多。

圖14 房屋位置Fig.14 The location of the building

圖15 房屋沖擊力時(shí)程曲線Fig.15 Time history curve of building impact force

從沖擊力增加階段來看，1號房屋斜率＞2號房屋斜率＞3號房屋斜率＞4號房屋斜率，沖擊力下降階段中1號房屋斜率＞2號房屋斜率＞3號房屋斜率＞4號房屋斜率，滑坡前緣開始沖擊1號房屋時(shí)速度為15.4 m/s，三溪村滑坡在1號房屋處達(dá)到峰值沖擊力時(shí)刻的速度為23.1 m/s（表2），即是1號房屋位于滑坡加速階段，滑坡加速通過1號房屋致使1號房屋受到的沖擊力急速增加，并且三溪村滑坡在1號房屋周圍堆積較少，致使1號房屋受到的沖擊力在短時(shí)間內(nèi)快速下降。而2、3、4號房屋位于滑坡減速階段，呈現(xiàn)出滑坡在沖擊房屋的過程中，隨著速度的降低，部分巖土體逐漸堆積在房屋周圍，滑坡沖擊力緩慢下降，呈現(xiàn)出準(zhǔn)靜態(tài)堆積階段。

表2 沖擊力與速度Table 2 Impact force and velocity

由上面分析可知，山區(qū)建筑遭受滑坡沖擊，產(chǎn)生的峰值沖擊力和山區(qū)建筑離滑源區(qū)的距離存在聯(lián)系，為進(jìn)一步研究山區(qū)建筑物遭受峰值沖擊力和其位置的關(guān)系，文中以1號房屋為初始點(diǎn)按40 m的間距設(shè)置11個(gè)監(jiān)測點(diǎn)得到峰值沖擊力和距離的關(guān)系（圖16）。由圖16得到，監(jiān)測點(diǎn)到滑源區(qū)距離越遠(yuǎn)，峰值沖擊力逐漸減小，0～50 m階段隨著距離的增加，沖擊力下降的較快，其后隨著距離的增加，沖擊力下降較慢，這是因?yàn)槿寤碌奶厥獾匦卧斐傻模诨聠雍髱r土體激烈沖擊右側(cè)山體，使得滑坡方向偏轉(zhuǎn)，巖土體以碎屑流的形式繼續(xù)向前運(yùn)動，三溪村滑坡在這一階段能量損失較大，巖土體能量和速度變化較大，造成在這一階段房屋遭受滑坡的沖擊力變化幅度較大。在滑坡堆積區(qū)處，房屋遭受的峰值沖擊力受距離的影響較小。這是因?yàn)殡S著滑坡運(yùn)動速度逐漸減小，滑坡巖土體逐漸堆積在房屋周圍，房屋遭受的動態(tài)沖擊作用很小，靜態(tài)堆積作用占據(jù)主導(dǎo)。

圖16 峰值沖擊力與運(yùn)程曲線Fig.16 Peak impact force and distance curve

利用峰值沖擊力與速度關(guān)系曲線進(jìn)一步揭示速度對峰值沖擊力的影響（圖17），如圖17，隨著滑坡速度的減小，滑坡對房屋產(chǎn)生的峰值沖擊力逐漸減小，當(dāng)速度較大時(shí)，滑坡對房屋產(chǎn)生的沖擊力受速度的影響較大，而當(dāng)速度較小的時(shí)，滑坡對房屋產(chǎn)生的沖擊力受速度的影響較小，由此可見滑坡速度是影響滑坡對房屋建筑峰值沖擊力的主要因素。

圖17 峰值沖擊力與速度曲線Fig.17 Peak impact force and velocity curve

5 結(jié)論

本研究利用三維離散元軟件PFC3D，對三溪村滑坡進(jìn)行模擬，取得了較好的效果。特別是對于前緣顆粒速度變化、滑坡沖擊力研究取得了較好的結(jié)果。通過對三溪村滑坡進(jìn)行數(shù)值模擬得到以下結(jié)論：

（1）三溪村滑坡啟動后前緣巖土體在重力勢能和后緣巖土體的推擠作用下，沿著溝谷地形快速向下滑動，三溪村滑坡前緣開闊，致使滑坡初期巖土體速度快速增加并向下滑動，通過監(jiān)測前緣速度發(fā)現(xiàn)，前緣巖土體由于能量傳遞、碰撞、推擠，呈現(xiàn)出不同的速度變化。其中偏轉(zhuǎn)地形造成主滑方向的改變，是影響滑坡運(yùn)動的主要因素，受到偏轉(zhuǎn)區(qū)的影響，滑坡前緣各部位速度變化各不相同，滑坡初期前緣右側(cè)巖土體加速度最大，在加速階段中，中部巖土體呈現(xiàn)出最大的峰值速度，在急減速階段中，左側(cè)巖土體加速度最大。

（2）根據(jù)滑坡前緣巖土體運(yùn)動速度和加速度分布演化特征，三溪村高速遠(yuǎn)程滑坡的運(yùn)動過程可劃分為四個(gè)階段，即快速加速階段、緩慢加速階段、速度突降階段、緩慢減速階段。

（3）通過對沖擊力的研究發(fā)現(xiàn)，房屋遭受滑坡沖擊主要分為3個(gè)階段即沖擊力陡增階段、沖擊力下降階段和準(zhǔn)靜態(tài)堆積階段，滑坡啟動后巖土體持續(xù)沖擊山區(qū)建筑，在動能的作用下，滑坡沖擊力急劇增大至峰值，而隨著滑坡繼續(xù)向前運(yùn)動至停止，房屋遭受滑坡動態(tài)沖擊階段結(jié)束，部分巖土體堆積在房屋周圍并持續(xù)給房屋施加“靜態(tài)沖擊力”，使得沖擊力曲線呈現(xiàn)出準(zhǔn)靜態(tài)堆積。

（4）建立的沖擊力運(yùn)程曲線顯示，滑坡沖擊山區(qū)建筑，產(chǎn)生的峰值沖擊力和山區(qū)建筑位置相關(guān)，房屋到滑源區(qū)距離越遠(yuǎn)，峰值沖擊力越小。當(dāng)房屋離滑源區(qū)近時(shí)，房屋遭受峰值沖擊力隨著距離的變化幅度較大，而當(dāng)房屋離滑源區(qū)較遠(yuǎn)時(shí)，房屋遭受峰值沖擊力隨著距離的變化幅度較小。當(dāng)速度較大時(shí)，滑坡對房屋產(chǎn)生的沖擊力受速度的影響較大，而當(dāng)速度較小時(shí)，滑坡對房屋產(chǎn)生的沖擊力受速度的影響較小。