基于UDEC的滑坡運動特征分析
——以貴州省松桃縣甘龍鎮(zhèn)石板村滑坡為例

陸泌鋒，張 輝*，謝配紅,2

(1.貴州省地質礦產(chǎn)勘查開發(fā)局一〇六地質大隊，貴州 遵義 563000；2.中國地質大學(武漢)，湖北 武漢 430074)

貴州省山多地少，近年來隨著城鎮(zhèn)化建設的加快，修路建房等切坡工程不可避免，加上貴州省脆弱的地質環(huán)境條件和極端的氣候，導致地質災害頻發(fā)。2020年7月8日上午7點左右，貴州省松桃縣甘龍鎮(zhèn)石板村發(fā)生滑坡，造成7人死亡，19戶房屋被埋，60戶房屋受損，79戶320人不同程度受災，并造成國道G326甘龍鎮(zhèn)石板村路段道路中斷及斜坡底部甘龍河改道。石板村滑坡是一起突發(fā)性的滑坡，研究其形成機制和運動特征對災后重建和工程治理具有重要的現(xiàn)實意義。

目前滑坡的運動特征和變形破壞過程主要可通過物理模擬試驗和數(shù)值模擬來反演。趙建軍等[1-2]利用室內(nèi)模型試驗模擬了貴州馬達嶺滑坡在煤礦開采與降雨作用下的變形破壞過程；王如賓等[3]利用物理模擬試驗，研究了不同降雨強度下滑坡堆積體孔隙水壓力變化與土壓力的響應規(guī)律與變形破壞模式。數(shù)值模擬主要包括有限元法和離散元法，其中離散元法能較好地模擬滑坡的非連續(xù)破壞和滑動過程[4]。王家柱等[5]利用離散元還原了地震作用下金沙江上游某特大型滑坡的堵江過程；崔芳鵬等[6]采用離散元模擬，再現(xiàn)了貴州納雍張家灣鎮(zhèn)普灑滑坡在煤層采空區(qū)、深大巖溶裂隙、強降雨和回采爆破振動協(xié)同作用下的動力響應特征，揭示出崩滑的動力觸發(fā)機制；劉春等[7]利用三維離散元模擬了四川茂縣新磨村滑坡從啟動、高速下滑到堆積的全過程，且模擬結果與實際的滑坡堆積體在形態(tài)和分布上非常相似；張龍等[8]、竇思軍等[9]、吳建川等[10]、李龍起等[11]、毛佳等[12]采用離散元對多個滑坡的運動過程進行了模擬，深入討論了位移、速度、堆積形態(tài)等各方面的因素。相比于物理模擬試驗，數(shù)值模擬應用更廣，成本更低，且模擬結果可定量化。因此本文以貴州省松桃縣甘龍鎮(zhèn)石板村滑坡為例，在現(xiàn)場調查、測繪和室內(nèi)試驗基礎上，運用二維離散元程序(UDEC)深度還原滑坡從啟動到堆積的全過程，結果可為附近區(qū)域相似地質災害隱患的早期識別和防災減災提供一定的參考。

1 滑坡基本特征

滑坡位于貴州省松桃縣甘龍鎮(zhèn)石板村，地處云貴高原東北邊緣向湘西低山丘陵過渡的斜坡地帶，第四系以來，在喜山期新構造運動作用下，地殼抬升并伴隨河流的快速下蝕，導致研究區(qū)河谷深切，相對高差大，可達550 m，屬構造侵蝕中山峽谷地貌。斜坡底部發(fā)育一條河流，名為甘龍河，滑坡位于甘龍河右岸，斜坡坡向為271°，平均坡度約22～25°，滑坡左側原發(fā)育一沖溝。

滑坡區(qū)出露地層巖性為奧陶系中下統(tǒng)大灣組(O1-2d)深灰色中厚層-厚層狀泥灰?guī)r夾薄層粗晶灰?guī)r，產(chǎn)狀為260°∠22°，斜坡類型為順向坡。斜坡表層第四系覆蓋層厚度較薄，且變化較大(0.2～3.0 m)，成分以第四系殘坡積含碎石粉質黏土為主。

石板村滑坡平面形態(tài)近似“舌”形，整體前緣寬，后緣窄(圖1)?；驴v長約760 m，寬60～200 m，前后緣高差約260 m，滑體厚度2～10 m，滑坡體積約70×104m3，為中型順層巖土混合型牽引式滑坡。滑面為奧陶系中下統(tǒng)大灣組(O1-2d)中厚層-厚層狀泥灰?guī)r與薄層狀粗晶灰?guī)r的接觸面(圖2)?；禄瑒雍螅诤缶壙梢姼?～8 m的滑坡后壁，并在中后部可見滑床，且在滑床面上可見滑痕現(xiàn)象，下滑的堆積體堵塞甘龍河并造成河流改道，改道河流與原河流距離最大可達90 m。

圖1 石板村滑坡全景

圖2 泥灰?guī)r與粗晶灰?guī)r接觸面

2 滑坡形成機制

2.1 控滑因素

根據(jù)現(xiàn)場訪問，石板村滑坡的發(fā)生是由于村民在山上種植茶樹而修建盤山公路，修路的棄渣堆積在滑坡左側的沖溝內(nèi)，沖溝被堵住，恰逢2020年7月8日前連續(xù)大暴雨，原來的沖溝相當于天然的排水溝，當被堵住之后，造成排水困難，最終產(chǎn)生滑坡。根據(jù)調查訪問結果，可將石板村滑坡的控滑因素歸納為以下4個方面。

a)地形地貌與地層巖性組合?；聟^(qū)坡度變化不大，斜坡結構類型為順向坡，且坡度與巖層傾角相當。另外泥灰?guī)r與粗晶灰?guī)r的接觸面膠結程度不一樣，兩者的接觸面相當于一個軟弱面。此外，斜坡底部由于河流下切作用在岸邊形成了陡坎，使泥灰?guī)r與粗晶灰?guī)r接觸面臨空。

b)巖體結構。斜坡下伏地層中節(jié)理裂隙發(fā)育，滑坡左壁平直(圖3)，可以看出，該處發(fā)育一組走向與坡向近于平行的控制性節(jié)理面，滑坡變形過程中在左側邊界上首先沿節(jié)理面發(fā)生剪切。

圖3 石板村滑坡左側邊界

c)降雨。松桃縣屬于中亞熱帶濕潤季風氣候區(qū)，汛期雨量充沛?；掳l(fā)生前一周的降雨量達101.9 mm，發(fā)生前兩天的降雨量達66.4 mm，占過去一周降雨量的65.2%，另外從小時降雨量數(shù)據(jù)來看，滑坡區(qū)的從7月8日凌晨2點開始出現(xiàn)連續(xù)性降雨，至凌晨4點達到最大值96.2 mm，隨后開始降低[13]，見圖4。

圖4 滑坡區(qū)7月7日晚9點至7月8日早8點小時雨強

滑坡發(fā)生于7月8日上午7點左右，可以看出，滑坡發(fā)生對于暴雨具有明顯的滯后效應。滯后的原因主要為降雨后雨水需要一段時間入滲，一方面增加巖體容重和降低巖體強度，特別是膠結程度不同的泥灰?guī)r和粗晶灰?guī)r的接觸面，抗剪強度受雨水的影響更大；另一方面，雨水入滲后會逐漸產(chǎn)生水壓力，特別是動水壓力和上揚壓力，都對斜坡穩(wěn)定性極為不利。

d)人類工程活動。人類工程活動的影響主要為破壞了天然的排水系統(tǒng)，導致雨水排出困難而就地入滲。

2.2 滑坡形成過程

根據(jù)調查分析結果，可將石板村滑坡的形成過程歸納為3個階段，即：前緣滑移-后緣拉裂階段、整體滑移階段、碰撞堆積階段(圖5)。

a)前緣滑移-后緣拉裂階段。河谷下切過程中，隨著斜坡側向應力的解除，為了適應新的河谷形態(tài)，斜坡應力逐漸調整，調整后坡腳部位形成剪應力集中區(qū)，且越靠近坡面，最大主應力的方向越會和坡面近于平行[14]。隨著河谷的繼續(xù)下切，當揭露順向坡中泥灰?guī)r和粗晶灰?guī)r的接觸面后，原本斜坡表面排水順暢，但隨著天然排水系統(tǒng)遭到破壞，雨水就地沿第四系土層的孔隙和巖體中的裂隙入滲，在增加巖土體容重的同時，并使泥灰?guī)r和粗晶灰?guī)r的接觸面的抗剪強度逐漸降低，降低到一定程度后，接觸面演變成滑面，斜坡開始沿接觸面從前緣的剪應力集中區(qū)產(chǎn)生滑移變形，變形逐漸向上傳遞，從而在坡面和滑坡后緣產(chǎn)生眾多拉張裂縫。

a)前緣滑移-后緣拉裂階段

b)整體滑移階段。坡面及后緣產(chǎn)生裂縫后，雨水沿裂縫入滲，入滲速率大幅度提高，雨水入滲后充填在裂隙中產(chǎn)生靜水壓力，從而對兩側的塊體產(chǎn)生擠壓作用，同時短時間的強降雨使斜坡中的地下水位升高，產(chǎn)生的上揚壓力沿泥灰?guī)r和粗晶灰?guī)r的接觸面形成浮托力，從而降低了巖體的有效壓力。隨著降雨的繼續(xù)，靜水壓力、上揚壓力和巖土體容重不斷增加，當產(chǎn)生的剪切力大于泥灰?guī)r和粗晶灰?guī)r的接觸面的抗剪強度后，斜坡沿接觸面急劇下滑，形成滑坡。

c)碰撞堆積階段?；聠雍?，由于滑移距離較遠，巖體在下滑過程中發(fā)生相互碰撞、解體，原生地層層序基本被打亂，滑體被分解成大小不一的塊石，塊石在雨水浮托力作用下繼續(xù)下滑，前緣的堆積體沖入底部的甘龍河中，原斜坡表層的含碎石粉質黏土充填到塊石的空隙中，使原來的河道被完全堵塞，從而迫使河流改道。

3 基于UDEC的滑坡運動特征分析

通用離散元程序(UDEC)是一個處理不連續(xù)介質的二維離散元程序。離散元能夠考慮到節(jié)理裂隙對材料的影響，即通過賦予節(jié)理裂隙相應的力學參數(shù)，便可以對節(jié)理裂隙在荷載作用下的力學響應進行分析[15]。因此，用離散元能較好地模擬巖質滑坡的運動特征和變形破壞過程。

3.1 模型建立

通過野外對已滑動后的石板村滑坡進行實測剖面，然后還原滑動之前的地形來模擬滑坡的變形破壞過程。模型沿泥灰?guī)r和粗晶灰?guī)r的接觸面將斜坡分為2個區(qū)，模型長1 034 m，底部高程為500 m。為了簡化模型并保證其合理性，模型中的結構面主要考慮對滑坡具有控制作用的巖層層面、泥灰?guī)r和粗晶灰?guī)r的接觸面和陡傾坡外的節(jié)理。此外，為了監(jiān)測滑坡滑動過程中位移的變化情況，在模型中設置了6個監(jiān)測點(G1—G6)，見圖6。邊界條件為固定模型左右邊界的水平位移和底邊界豎向位移。

圖6 滑坡概化模型

3.2 力學參數(shù)選取

本文主要模擬石板村滑坡在降雨條件下整體的變形破壞過程，可忽略塊體自身和塊體間的相對位移，因此模型選用剛性本構模型和摩爾庫倫屈服準則，結構面選用節(jié)理面接觸-庫侖滑移模型。巖體的力學參數(shù)包括密度、彈性模量和剪切模量，其中密度可通過室內(nèi)試驗直接獲得，體積模量和剪切模量則是利用試驗所得到的彈性模量與泊松比經(jīng)過公式計算獲得；結構面的力學參數(shù)在沒有試驗依據(jù)的情況下，可通過結構面的性質進行類比確定[16](表1、2)。

表1 巖體力學參數(shù)

表2 結構面力學參數(shù)

3.3 模擬結果分析

a)前緣滑移-后緣拉裂階段。當程序迭代計算至7 s時，斜坡在前緣沿泥灰?guī)r與粗晶灰?guī)r接粗面產(chǎn)生了小規(guī)模的滑移變形，在坡體表面和后緣也產(chǎn)生了細微的拉張裂縫，且拉張裂縫主要沿陡傾坡外的節(jié)理產(chǎn)生(圖7a)。從各監(jiān)測點產(chǎn)生的水平位移來看(圖7b)，各監(jiān)測點基本均保持均勻運動，在整個過程中前緣監(jiān)測點G1產(chǎn)生的水平位移都比其他監(jiān)測大，最大位移為2.4 m，后緣監(jiān)測點G6的產(chǎn)生位移明顯低于其他監(jiān)測點，說明斜坡首先是從前緣開始產(chǎn)生變形，隨后變形逐漸向上傳遞。

a)塊體變形特征

b)整體滑移階段。當程序迭代計算至20 s時，斜坡前緣的塊體沿泥灰?guī)r與粗晶灰?guī)r接粗面滑出，滑出后塊體發(fā)生解體并沖入河流中，后緣也產(chǎn)生明顯的拉張裂縫(圖8a)，裂縫寬度可達6 m，而斜坡中部的塊體未產(chǎn)生明顯的拉張裂縫，斜坡主要表現(xiàn)為整體的滑移，原生的地層層序基本能保持不變。從塊體變形速率矢量圖中可以看出(圖8b)，塊體的滑移方向基本與坡向平行，且前緣的變形速率最大，最大可達5.24 m/s，中后部變形速率相對較小。

a)塊體變形特征

c)碰撞堆積階段。當程序迭代計算至40 s后，前緣滑出的塊體已基本堆積于底部河道中，堆積的塊體有明顯的反翹和架空現(xiàn)象，中部的巖體也逐漸開始解體，不再保留原生的地層層序(圖9a)；迭代計算至150 s后，模型計算的最大不平衡力趨于0，坡體變形減緩，進入自穩(wěn)堆積階段，此時前緣的堆積體由于受到上部塊體的推擠被壓實，架空現(xiàn)象不明顯，河道已被完全堵塞，中部的巖體也基本完全解體，變成雜亂無章的塊體，上部滑床被揭露，后緣形成高陡的滑坡后壁(圖9b)。

a)計算40 s時塊體變形特征

通過各監(jiān)測點水平位移時效曲線(圖10)可以看出：①迭代計算0～10 s過程中，各監(jiān)測點產(chǎn)生的位移量均較小，曲線的切線較緩，也即變形速率較低，滑坡表現(xiàn)出緩慢的勻速變形特征，即處于滑移-拉裂的蠕變階段；②迭代計算從10 s開始，位移量突然急速增加，曲線的切線明顯變陡，說明滑坡開始啟動，發(fā)生了整體滑移破壞，此階段后緣的監(jiān)測點G6的位移量和變形速率明顯低于中下部的其他監(jiān)測點，說明上部的巖體變形有滯后效應；③迭代計算從40 s開始，各監(jiān)測點的位移增加量和變形速率表現(xiàn)出先減小后增加再減小的趨勢，說明滑坡開始進入碰撞堆積階段，碰撞作用會導致了變形速率的突然降低；④當計算到100 s后，位移曲線變得很緩，此時滑坡碰撞堆積已基本完成，滑坡啟動產(chǎn)生的能量已基本得到釋放，剩余的變形主要是由于上部堆積體在重力作用下對前緣堆積體的推擠、壓實而產(chǎn)生，滑坡最終產(chǎn)生的最大水平位移量為217.5 m，與現(xiàn)場調查結果基本一致，說明本次模擬計算具有較好的一致性和合理性。

4 結論

a)石板村滑坡屬于中型順層巖土混合型牽引式滑坡，滑面為泥灰?guī)r與粗晶灰?guī)r的接觸面，滑坡誘發(fā)的內(nèi)部因素為不利的地形地貌與地層巖性組合和巖體結構，誘發(fā)的外部因素為強降雨和人為對天然排水系統(tǒng)的破壞。

b)石板村滑坡的形成可分為前緣滑移-后緣拉裂、整體滑移和碰撞堆積3個階段，通過UDEC程序還原了滑坡的變形破壞過程和運動特征，滑坡的最大水平位移達217.5 m，與現(xiàn)場調查基本一致。

c)石板村滑坡具有劇烈啟動效應，啟動時最大速率可達5.24 m/s，后緣產(chǎn)生的位移和變形速率相對前緣滯后。