基于Massflow的西南山區(qū)某大型巖質(zhì)滑坡-碎屑流運動模擬研究

周硼焜, 張洪波, 趙偉華, 康 舜, 劉長武

(1.四川大學(xué) 水利水電學(xué)院,成都 610065; 2.成都理工大學(xué) 環(huán)境與土木工程學(xué)院,成都 610059;3.中鐵二十三局集團 第一工程有限公司,山東 日照 276800; 4.西華大學(xué) 應(yīng)急管理學(xué)院,成都 610039)

2019年,中國西南某山區(qū)發(fā)生大型山體滑坡?；缕矫嫘螒B(tài)呈長條形,滑動距離約1 300 m,近2×106m3巖土體從高位剪出,遇凸起地形碰撞解體,順坡面持續(xù)運移,并沿兩條沖溝鏟刮、擴容、加速,轉(zhuǎn)化為高速碎屑流,最終造成巨大的人員與財產(chǎn)損失。

作為體積大、速度快、破壞力強的山地災(zāi)害,滑坡-碎屑流復(fù)雜的發(fā)生機制、運動特征、堆積特點吸引了大量學(xué)者對其開展研究。李濱等[1]對西南山區(qū)大型崩滑災(zāi)害進行了分析,認為巖溶山區(qū)具有的上硬下軟、上陡下緩的“靴狀”地貌特征是形成高速遠程碎屑流的關(guān)鍵地質(zhì)因素。鄭光等[2]對滑坡現(xiàn)場開展調(diào)查,認為滑源區(qū)的地形條件、巖體結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)面形態(tài)是滑坡形成的內(nèi)因,強降雨軟化巖層及公路切坡擾動是導(dǎo)致滑坡發(fā)生的外因。李華等[3]運用Geostudio軟件模擬了滑坡發(fā)生前120 h的實際降雨情況,分析了持續(xù)強降雨工況下道路切坡對穩(wěn)定性的影響。李壯等[4]應(yīng)用DAN-W軟件對滑坡的動力學(xué)特征開展研究,模擬并分析了滑坡流態(tài)化運移及堆積過程。高浩源等[5]模擬了滑坡的碰撞與鏟刮過程,認為碎屑流鏟刮效應(yīng)可以降低其沖擊速度與動能,但會裹挾更多滑體物質(zhì),使滑坡成災(zāi)范圍和堆積厚度增大,并將滑坡的沖擊鏟刮過程歸納為沖擊嵌入→剪切推覆→裹挾混合3個階段。以上研究主要著眼于滑坡的形成條件、發(fā)育原因、影響因素、運動特征,對其形成機制、鏟刮效應(yīng)和動力學(xué)特征進行了初步探討,并未對滑坡的運動階段和動態(tài)過程進行模擬和深入分析。本文在現(xiàn)場調(diào)查和地質(zhì)踏勘資料的基礎(chǔ)上,結(jié)合相關(guān)文獻[6-16],對該滑坡基本情況和各運動階段特征進行了歸納概括,運用Massflow數(shù)值仿真軟件對滑坡-碎屑流運動全過程進行反演研究,對碎屑流運移的動力學(xué)特性開展進一步模擬與分析,并將Massflow軟件應(yīng)用到西南地區(qū)的碎屑流運動、堆積過程研究中,探討高速滑坡運動與堆積階段劃分及相關(guān)特征,為后續(xù)類似條件巖質(zhì)滑坡-碎屑流的災(zāi)害演進過程規(guī)律和時空預(yù)測提供參考。

1 滑坡-碎屑流特征

1.1 地質(zhì)環(huán)境條件

1.1.1 地質(zhì)構(gòu)造和地層巖性

滑坡區(qū)地處揚子地塊邊緣,地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜。斜坡巖體經(jīng)過了多次構(gòu)造運動破壞,力學(xué)性質(zhì)較差,巖體強度受風(fēng)化剝蝕作用影響有所降低,卸荷變形等作用顯著,滑坡、崩塌等地質(zhì)災(zāi)害普遍。該處主要出露二疊系峨眉山玄武巖,可觀察到多個噴發(fā)旋回,形成多組結(jié)構(gòu)面,在垂向上表現(xiàn)出火山碎屑巖-玄武巖-凝灰?guī)r的沉積韻律。

1.1.2 地形地貌

滑坡發(fā)育的斜坡頂部海拔高度為2 070 m,坡底為河谷洼地,海拔高度為1 250 m,高差達820 m。斜坡呈折線形,有3級緩坡平臺,緩坡之間較陡地形坡度約35°,局部接近陡坎狀?；聟^(qū)域內(nèi)發(fā)育的兩條沖溝為滑體運動提供了有利地形條件?；潞缶壓０胃叨燃s1 660 m,前緣海拔高度約1 240 m,相對高差426 m。

1.2 滑坡發(fā)育特征

1.2.1 滑坡-碎屑流分區(qū)

根據(jù)滑坡運動和堆積特征,結(jié)合實地調(diào)查資料及衛(wèi)星圖片,可以將滑坡區(qū)劃為3個部分,分別為:滑源區(qū)、鏟刮-堆積區(qū)與碎屑流主堆積區(qū)(圖1)。

a.滑源區(qū)

滑源區(qū)位于斜坡中上部,是滑坡啟動區(qū)域,后緣海拔高度約1 660 m,剪出口海拔高度約1 540 m,橫寬140～210 m,縱長約310 m。滑源區(qū)面積約3×104m2,估算殘余體的體積約為24×104m3。

滑源區(qū)巖性主要為峨眉山玄武巖,較為破碎,表層覆蓋有第四系殘坡積物,滑體整體厚度約8～20 m,平均地形坡度約27°。

b.鏟刮-堆積區(qū)

鏟刮-堆積區(qū)位于斜坡中部,海拔高度1 250～1 520 m,為緩坡山脊左右兩個沖溝。東側(cè)溝后緣海拔高度1 330 m,前緣海拔高度1 220 m,高差110 m,縱長約520 m;西側(cè)溝后緣海拔高度1400 m,前緣海拔高度1 250 m,高差150 m,縱長450 m[4-5]。

主滑體啟動滑出后,前緣臨空墜落、沖擊地面發(fā)生強烈撞擊,進而解體,形成高速滑坡-碎屑流,沿NNE方向向下運動,沿途鏟刮松散堆積物和強風(fēng)化巖體,體積迅速擴大。滑源區(qū)后部巖土體在運動一定距離后,停積于緩坡平臺上,其余則向兩側(cè)分流,進入溝道繼續(xù)運動。高速碎屑流受到斜坡沖溝導(dǎo)引,在海拔高度1 450 m附近分流到兩條沖溝中(圖1):西側(cè)溝谷地勢較深且彎曲;東側(cè)溝谷地勢開闊而筆直。估算鏟刮-堆積區(qū)殘余碎屑體的體積約1.3×106m3。

c.碎屑流主堆積區(qū)

主堆積區(qū)位于斜坡下部東西走向的岔溝寬谷,平均厚度約為2 m,堆積體積約0.4×106m3。堆覆區(qū)后部堆積厚度較大,含大量碎石;中部多為顆粒較小的飽水碎屑物質(zhì);前部為氣浪拋灑的黏土碎石。

寬谷附近存在一小山包,對東側(cè)溝道物質(zhì)運移具有導(dǎo)向作用,而對于西側(cè)溝道碎屑流則具有阻擋作用。由于運動方向受阻,西側(cè)溝道碎屑流撞擊左岸,將少量堆積體拋灑至對岸。

1.2.2 斜坡巖體結(jié)構(gòu)

滑坡西側(cè)沖溝內(nèi)揭露斜坡為巖質(zhì)邊坡,東側(cè)揭露巖體為似層狀玄武巖(圖2-A)。山脊露頭處可觀察到斜坡表面上覆厚度為2 m左右的黃色、紅色殘坡積層,其下為呈散體-碎裂結(jié)構(gòu)的強風(fēng)化玄武巖(圖2-B)。

圖2 滑坡現(xiàn)場照片F(xiàn)ig.2 Picture of landslide site(A)似層狀玄武巖;(B)山脊露頭坡體結(jié)構(gòu);(C)杏仁狀玄武巖;(D)泥化滑帶;(E)外傾斜巖層;(F)臺階式滑面

滑面位于第一段和第二段之間的凝灰?guī)r夾層上,滑坡區(qū)附近玄武巖體具有以下特征:

a.玄武巖體總體呈強風(fēng)化-中風(fēng)化,強風(fēng)化層表面近黏土化,而淺層巖體則多呈塊裂、碎裂狀。巖體裂隙張開,強度較低。

b.滑坡區(qū)玄武巖存在噴發(fā)旋回,可見凝灰?guī)r夾層,主要為火山灰和玄武質(zhì)巖屑等,厚度0.5～2.5 m。凝灰?guī)r構(gòu)成巖體軟弱夾層。上部玄武巖破碎,局部強風(fēng)化后泥化,可用手挖動;下部玄武巖致密程度與完整性較好,呈塊狀,夾有杏仁狀結(jié)核(圖2-C)。凝灰?guī)r夾層遇水泥化濕滑(圖2-D),是巖體變形的理想滑面。

c.斜坡巖體節(jié)理發(fā)育。柱狀節(jié)理將玄武巖體切割成塊狀結(jié)構(gòu)。滑坡區(qū)內(nèi)共發(fā)育3組節(jié)理面,其中兩組優(yōu)勢外傾節(jié)理面(圖2-E),一組傾角近水平。3組節(jié)理面呈折線狀組合,形成臺階式滑面(圖2-F)。

2 滑坡-碎屑流動力特性模擬分析

2.1 Massflow簡介

Massflow軟件是一款基于深度積分的連續(xù)介質(zhì)力學(xué)方法、應(yīng)用流體力學(xué)方程的數(shù)值仿真軟件,可以在考慮復(fù)雜地形條件下進行山體滑坡、碎屑流、泥石流等山地災(zāi)害的動力演化過程模擬。喬淵等[17]將Massflow軟件應(yīng)用于泥石流危險性評價,王學(xué)良等[18]應(yīng)用Massflow軟件進行了尾礦庫潰決運動模擬研究,周琪等[19]運用Massflow軟件對突發(fā)型黃土滑坡的堆積厚度和運動速度開展了探究,均有效地模擬得到災(zāi)害體時空演化過程。但針對西南地區(qū)滑坡-碎屑流的Massflow模擬應(yīng)用與研究還比較缺乏,有待進一步豐富和完善。本文運用Massflow軟件對該滑坡-碎屑流的全程動力過程進行模擬,研究滑坡的運動、堆積特征。

2.2 Massflow模型

利用衛(wèi)星遙感影像和無人機航測分別獲得研究區(qū)在滑坡前后1：10 000的數(shù)字高程模型(DEM),通過ArcGIS進行DEM坐標系重定義和數(shù)據(jù)處理,并將滑坡前后地形柵格數(shù)據(jù)進行疊加、剖分,確定滑坡地形、滑坡體積以及高程數(shù)據(jù)(圖3)。在本次模擬中,根據(jù)實際情況并出于模型簡化和運算效率的考慮,將計算模型設(shè)置為單層單相流,忽略演化過程中密度的變化,同時將慣性力對重力加速度的影響視為零。

圖3 滑坡計算模型圖Fig.3 Landslide calculation model

為達到滑坡運動模擬的最佳效果,根據(jù)滑坡運動性質(zhì)與調(diào)查資料,基底摩擦模型選擇常用的庫侖模型。莫爾-庫侖強度破壞準則假定滑體抗剪應(yīng)力取決于剪切面上的流體正應(yīng)力大小和滑體本身性質(zhì),表達式為

τ=ρgdtanφ+c

(1)

其中:τ表示基底摩阻力(kN);ρ表示密度(kg/m3);g表示重力加速度(m/s2);d表示流體厚度(m);φ表示基底摩擦角(°);c表示黏聚力(kN)。

根據(jù)現(xiàn)場實驗資料結(jié)合多次試算結(jié)果,滑體土的黏聚力平均值為93.8 kPa,內(nèi)摩擦角平均值為22.0°,因此基底摩擦系數(shù)取0.4。由于該滑坡在碎屑化、流態(tài)化后主要以玄武巖質(zhì)碎屑顆粒運移,因此將滑體區(qū)塊材料密度設(shè)為2 700 kg/m3。主要參數(shù)組合如表1所示。

表1 參數(shù)取值表Table 1 The parameter values

2.3 滑坡-碎屑流過程模擬

Massflow模擬計算得到滑坡運動的總時長為55 s,與實際監(jiān)測結(jié)果基本吻合;模擬得到的滑坡-碎屑流運動過程如圖4所示。

圖4 不同時刻滑體堆積情況Fig.4 Accumulation of sliding mass at different times

t<5 s為坡體失穩(wěn)下滑初始階段,反映了滑坡失穩(wěn)形態(tài),滑體高位剪出,從滑源區(qū)啟動沿臨空面向下運動,巨大勢能轉(zhuǎn)化成動能,滑體獲得較大初速度。

5 s≤t<15 s階段,滑體沖擊中部凸起基巖,解體成為碎塊體,運動過程中能量釋放加劇了滑體破碎程度,進一步碎屑化。受凸起地形阻擋,滑坡物質(zhì)在此分叉,分流為兩股碎屑流(t=10 s),一股沿西側(cè)溝道發(fā)生偏轉(zhuǎn),另一股向東側(cè)順坡流動。

15 s≤t<30 s階段,滑體沿溝道加速下滑。從圖4可發(fā)現(xiàn)西側(cè)滑體滑移速度快于東側(cè),是由滑坡運移區(qū)域的坡度、地形特征所決定的,與實地調(diào)查后預(yù)測的滑體運動情況相符,顯示了地形條件對滑體運動的影響。該時段屬于溝道加速階段,整體運動積聚有巨大能量,因此對沿途山體破壞比較劇烈,碎屑流體積擴大。

30 s≤t<40 s階段,滑體運動由陡變緩,速度顯著降低。由于西側(cè)溝道地形偏轉(zhuǎn),碎屑流撞擊溝槽側(cè)壁形成爬高,但因速度減弱,爬高量較小。此階段內(nèi),上部及兩側(cè)溝道出現(xiàn)滑體堆積。

40 s≤t<50 s階段,滑體基本到達主堆積區(qū),受碰撞變向后的碎屑流實現(xiàn)交匯(t=40 s)。西側(cè)碎屑流因碰撞發(fā)生變向、減速,因此兩側(cè)碎屑物質(zhì)基本同時到達交匯點,此時滑體堆積輪廓基本形成。由于西側(cè)溝道口較小,流動通道截面變窄,流體物質(zhì)厚度在此處明顯增大,最大厚度約24 m(t=40 s),而東側(cè)溝道碎屑物質(zhì)到達主堆積區(qū)呈流態(tài)化向周圍擴散,形成扇狀堆積于溝口。碎屑流體在主堆積區(qū)匯合后在無限制條件下逐漸向周圍擴散,散開范圍逐漸增大,滑體整體繼續(xù)向前緩慢運動,后部碎屑流沿途發(fā)生堆積,堆積厚度開始調(diào)整,呈現(xiàn)下降趨勢。

50 s≤t≤55 s階段,由于滑體物質(zhì)缺乏補充,同時沿途鏟刮、碰撞消耗大量動能,滑坡堆積過程基本停止。50 s末滑坡整體堆積范圍成型,滑體基本處于穩(wěn)定狀態(tài),堆積體大體保持穩(wěn)定,沒有發(fā)生較大改變,少部分殘留沿溝道緩慢滑移,說明滑坡-碎屑流全過程已結(jié)束,歷時約55 s。模擬計算得到西側(cè)溝道凹處滑體堆積明顯要厚于其他堆積區(qū)域,最大堆積厚度達到18 m。

對比模擬結(jié)果與現(xiàn)場堆積情況,Massflow對滑坡-碎屑流全運動過程模擬體現(xiàn)性較好,基本能全面展現(xiàn)碎屑流形成的運移、碰撞、鏟刮、堆積等現(xiàn)象。雖然個別區(qū)域存在偏差,但整體堆積形態(tài)和運動范圍基本吻合,總體而言模擬效果較理想。

2.4 碎屑體堆積分布特征

滑坡-碎屑流的最終堆積形態(tài)如圖5所示。

圖5 滑坡最終堆積情況Fig.5 Final accumulation of landslide

從堆積特征來看,碎屑物質(zhì)堆積形態(tài)與實際情況比較一致,主要呈現(xiàn)上下兩部分堆積:上部殘留部分滑體物質(zhì),平均厚度約4.5 m,主要堆積在兩條溝道上方;中部流通區(qū)域沿途有碎屑殘留,但體積很小;下部由于地形變開闊,堆積體向兩側(cè)散開,主要停留在溝道出口和谷底部位,最大堆積厚度約18 m,沒有向四周形成大范圍擴散,也沒有出現(xiàn)在谷底繼續(xù)運動較遠距離的現(xiàn)象。圖5中的a為滑坡后緣堆積,可以看到主要為松散覆蓋堆積,在中部突起巖體以上堆積,影響范圍不大;圖5中的b為溝道部分殘留,從圖可以看到溝道沖擊運動中拋灑殘留的松散薄層覆蓋;圖5中的c為整個滑坡中的“安全島”,此處由于巖體分流作用及植物阻擋,沒有受到滑坡沖擊影響,因此幾乎沒有堆積物質(zhì);圖5中的d是溝道底部,也是滑坡主要堆積區(qū),可見整體呈流態(tài)狀,堆積厚度約15 m,停積范圍基本在溝谷內(nèi)。

但就堆積范圍而言,相較于實際分布,模擬得到的堆積體擴散范圍偏大。分析認為在Massflow模擬計算中,采用流體力學(xué)方程,認為碎屑體流態(tài)化過程比較徹底,將其等效為完全流體,所以在泥石流危險性模擬中效果良好,對于土質(zhì)滑坡和極其破碎巖質(zhì)滑坡進行的模擬結(jié)果也與實際情況有較好符合度。但該滑坡由于巖性組合特征和碰撞、運移過程中解體不完全、流態(tài)化不充分,還保留有一些巨大塊石和大粒徑的碎石,屬于巖土復(fù)合型滑坡,完全按照流體對其進行模擬會導(dǎo)致擴散分布范圍加大,與實際結(jié)果產(chǎn)生偏差。因此對于大塊體巖質(zhì)滑坡來說,將其完全視作流體進行Massflow模擬會放大其影響范圍,使模擬的分布特征和實際存在差距。

2.5 能量特征

滑體在整個運動過程中能量特征如圖6所示。

圖6 能量分布圖Fig.6 Energy distribution

從滑坡運動開始,東側(cè)溝道碎屑流能量在緩慢增加,在坡度最大、溝道寬度較為狹窄處達到最大,隨后進入開闊地帶,物質(zhì)呈喇叭狀散開,能量也迅速消散;西側(cè)溝道碎屑物質(zhì)能量從滑源區(qū)到鏟刮-流通區(qū)一直處于增加狀態(tài),在溝道轉(zhuǎn)折發(fā)生碰撞前、坡度最大處達到最大,發(fā)生碰撞后能量急劇下降,隨后匯入谷底,與東側(cè)碎屑流匯聚。

根據(jù)胡曉波[20]對滑坡運動過程中能量消耗影響因素的研究結(jié)果,結(jié)合實地地形條件,認為斜坡坡度改變、地層巖性組成、運動路徑坡型變化、滑面橫斷面形態(tài)特征是決定滑坡-碎屑流運動過程中滑體能量變化的主要影響因素:

a.滑坡啟動加速階段,豎直方向速度分量隨斜坡坡度增加而不斷增加;滑坡運移至坡腳與水平地面碰撞后,豎直方向速度減小為零。說明在相同落差條件下,滑坡能量損失與斜坡坡度呈正相關(guān)關(guān)系。

b.滑體強度決定了滑坡解體破碎程度、運移摩擦效應(yīng)和摩擦耗能機制。該滑坡體主要為較堅硬的玄武巖,這類硬巖破碎產(chǎn)生的大塊體有利于能量傳遞,但也增強了與地面的摩擦作用。

c.西側(cè)溝道凹面型的運動路徑縱剖面形態(tài)影響了碎屑流運移的加速﹑碰撞和減速效應(yīng),進而影響了滑坡整體運動的能量分布。

d.東側(cè)溝道開闊型的橫斷面形態(tài),雖然對碎屑流運動的擠壓﹑約束作用小,相對內(nèi)能消耗小,但碎屑物質(zhì)的橫向擴散增大了運動接觸面積,導(dǎo)致能量耗散增加。

3 結(jié) 論

本文基于滑坡工程地質(zhì)條件與基本分區(qū)特征,應(yīng)用Massflow軟件對西南山區(qū)某滑坡的運動堆積全過程進行了模擬分析,得到下列結(jié)論:

a.該滑坡由多因素誘發(fā),滑坡發(fā)展過程中碰撞解體、溝道運移碎屑流態(tài)化具有較好代表性?；驴偦芯嚯x約1.4 km,物源區(qū)到堆積區(qū)高差達到500 m,可根據(jù)運動與堆積特征劃分為滑源區(qū)、鏟刮-堆積區(qū)和主堆積區(qū)。

b.通過Massflow軟件模擬,較為準確地重現(xiàn)了滑坡時空演化過程,得到了較為理想的運動參數(shù)?？砂凑昭莼卣鞣譃槭Х€(wěn)、碰撞、分流加速、擴容減速、堆積5個階段。堆積形態(tài)呈上下兩部分,表現(xiàn)為溝道薄、谷底厚、沿途拋灑;上部物質(zhì)主要殘留于溝道上方,平均厚度約4.5 m;下部堆積體向兩側(cè)散開,主要停留在溝道出口與谷底,沒有大范圍擴散,也沒有沿谷底運移較遠距離,最大堆積厚度位于西側(cè)溝道下凹處,達到18 m。對滑坡運動過程能量變化起主要影響作用的因素有斜坡坡度、地層巖性、運動路徑坡型變化和滑面橫斷面形態(tài)。

c.將模擬結(jié)果與實際情況對比,認為Massflow模擬能在一定程度上反映滑坡-碎屑流的運動過程,運動特征和堆積形態(tài)有較高一致性,可為西南山區(qū)高速遠程滑坡-碎屑流形成演化動力學(xué)機制研究提供基本參數(shù),為相似地形滑坡災(zāi)害的啟動與影響范圍分析提供依據(jù),對類似山地災(zāi)害的特征分析和預(yù)測具有參考意義。

d.由于Massflow模擬中將對象等效為完全流體,因此對泥石流、山洪等流態(tài)化程度較高的山地災(zāi)害適用性良好,對于本次研究的顆粒較小、極其破碎的巖質(zhì)滑坡或土質(zhì)滑坡的模擬結(jié)果也較理想;但對于含有許多大塊石、大漂礫的巖質(zhì)滑坡全過程模擬的準確性、可靠程度還需在更多案例中加以研究與改進。