地质力学学报  2020, Vol. 26 Issue (4): 520-532
引用本文
李壮, 高杨, 贺凯, 高浩源, 卫童瑶, 刘铮, 赵志男. 贵州省六盘水水城高位远程滑坡流态化运动过程分析[J]. 地质力学学报, 2020, 26(4): 520-532.
LI Zhuang, GAO Yang, HE Kai, GAO Haoyuan, WEI Tongyao, LIU Zheng, ZHAO Zhinan. Analysis of the fluidization process of the high-position and long-runout landslide in Shuicheng, Liupanshui, Guizhou Province[J]. Journal of Geomechanics, 2020, 26(4): 520-532.
贵州省六盘水水城高位远程滑坡流态化运动过程分析
李壮1,2,3, 高杨1,2, 贺凯1,2, 高浩源3, 卫童瑶3, 刘铮1,2, 赵志男3    
1. 中国地质科学院地质力学研究所, 北京 100081;
2. 新构造运动与地质灾害重点实验室, 北京 100081;
3. 长安大学, 陕西 西安 710054
摘要:高位远程滑坡是中国西南山区常见的一类灾难性地质灾害,其发生往往伴随有碰撞解体效应,导致滑体碎裂化,转化为碎屑流或泥石流,具有流化运动堆积的特征。2019年7月23日发生于中国贵州省六盘水市水城县的鸡场镇滑坡是典型的高位远程流态化滑坡,滑坡前后缘高差430 m,水平运动距离1340 m,堆积体体积200×104 m3,导致21幢房屋被掩埋,51人遇难。基于野外详细调查和滑前滑后地形对比,采用DAN-W软件对水城滑坡的整个运动堆积过程进行了模拟,结果显示:水城滑坡在滑源区残留堆积体厚度最大为27 m,堆积区最大堆积厚度为15 m,滑坡碎屑流前缘最大运动速度为27 m/s,最大动能为6.57×106 J;滑坡高位剪出,由于势能转化为动能,滑坡快速达到速度峰值,并铲刮地表松散土层;由于强降雨,滑体高速运动使基底孔隙水来不及排出,导致基底摩擦力下降,降低能量损耗,滑体解体促进颗粒流化运动,减少了摩擦,也是滑坡远程运动的重要原因。
关键词水城滑坡    高位远程    流态化    DAN-W    动力学特征    
DOI10.12090/j.issn.1006-6616.2020.26.04.045     文章编号:1006-6616(2020)04-0520-13
Analysis of the fluidization process of the high-position and long-runout landslide in Shuicheng, Liupanshui, Guizhou Province
LI Zhuang1,2,3, GAO Yang1,2, HE Kai1,2, GAO Haoyuan3, WEI Tongyao3, LIU Zheng1,2, ZHAO Zhinan3    
1. Institute of Geomechanics, Chinese Academy of Geological Sciences, Beijing 100081, China;
2. Key Laboratory of Neotectonic Movement and Geohazard, Beijing 100081, China;
3. Chang'an University, Xi'an 710054, Shaanxi, China
Abstract: High-position and long-runout landslide is a kind of common geological disaster in the southwestern mountainous area of China. It always exists with impact disintegration effect,then converts to avalanche debris or debris flow with the characteristics of fluidization movement and accumulation. The Jichang landslide,occurred in Shuicheng County,Liupanshui City,Guizhou Province,China on July 23,2019, is a typical high-position and long-runout fluidized landslide. The position difference between toe and crown is 430 m,the horizontal movement distance is 1340 m,and the volume of accumulation body is 200×104 m3,which caused 21 houses being buried and 51 people being killed. Based on the detailed field investigation and the comparison of the topography before and after the landslide,the whole process of the movement and accumulation of the landslide is simulated and analyzed by using DAN-W. (1) The maximum thickness of the accumulation body in the source area and accumulation area of the Shuicheng landslide is 27 m and 15 m respectively,the maximum velocity is 27 m/s in the front of debris flow,and the maximum kinetic energy is 6.57×106 J. (2) Due to the conversion of potential energy into kinetic energy,the landslide quickly reaches the peak velocity and scrapes the loose soil layer on the surface. (3) Due to heavy rainfall,the main body moves at high speed so that the pore water of the basement can't be discharged in time,which leads to the decrease of the friction of the basement and reduces the energy loss; Disintegration of the main body promotes fluidization of particles,then reduces friction,which is also an important reason for the long-runout movement of landslide.
Key words: Shuicheng landslide    high-position and long-runout    fluidization    DAN-W    dynamic characteristics    
0 引言

2019年7月23日,贵州省六盘水市水城县发生一起灾难性高位远程滑坡,最终导致21幢房屋被毁,51人遇难。在强降雨条件下,该滑坡约70×104 m3滑体从滑源区高位剪出,经势动能转换后,高速冲击铲刮运动路径上的第四纪残坡积层,体积不断增加的滑体同地表径流耦合并转换为泥石流,沿两侧沟谷分流运动,最终在前缘处汇流。滑坡后缘高程1650 m,前缘高程1220 m,高差430 m,水平距离达1340 m,堆积体约200×104 m3,属于典型的高位远程滑坡灾害(Gao et al., 2020)。

高位远程滑坡是指从高陡斜坡位置剪出,具有较大动能的滑坡,对地表和不动山体具有铲刮效应,从而转化为高速远程滑动的碎屑流或泥石流(殷跃平等,2017高杨等,2020)。中国西南山区是该类型灾害的高易发区,对人类的生命和财产安全造成了极大威胁,例如:1991年云南头寨滑坡(徐则民等,2007),2009年重庆鸡尾山滑坡(殷跃平,2010冯振等,2012),2013年云南镇雄赵家沟滑坡(殷跃平等,2013),2013年四川都江堰三溪村滑坡(Yin et al., 2016),2017年贵州张家湾普洒滑坡(Fan et al., 2019)等。这些灾难性的滑坡案例在运动过程中往往存在一些复杂的动力学作用。在国内外大量研究中,气垫效应、流化效应、液化效应、铲刮效应的研究成为滑坡高位启动后高速远程成灾研究的热点问题,这几种效应通常会导致滑坡运动路径摩擦阻力降低,运动距离、冲击能量和成灾规模放大,形成灾难性事件(Buss and Heim, 1881; Kent, 1966; Sassa, 1988; Davie et al., 1999; Hungr et al., 2005)。目前针对高位远程滑坡后破坏动力学和运动规律的研究中,数值模拟是行之有效的方法之一,当前主流算法包括连续介质方法(SPH,LS-RAPID,Massflow等)(杨龙伟等,2018杨少华等,2018高杨等,2019周琪等2019)和离散元方法(EDEM,PFC等)(王洋海等,2017秦岩等,2018胡晓波等,2019)。Hungr在1995年基于拉格朗日有限差分法研发的动力模拟方法(DAN),能够在模拟过程中将滑体等效为均匀连续流体,简化了复杂的岩体内部结构(Hungr, 1995)。DAN支持多种基底阻力模型,可以高效、可视化地模拟滑坡运动过程,反演滑坡体的堆积形态和速度分布变化情况,在滑坡后破坏的动力学分析中被广泛应用。

本文采用目前被广泛应用的DAN方法,针对水城滑坡,采用现场调查、遥感航片对比和数值模拟等方法对该滑坡的动力学特征进行初步探讨,分析了滑坡基本情况和成灾机理,模拟并分析了滑坡运动堆积过程,为类似滑坡的预测和反演提供帮助。

1 滑坡地质环境背景

水城县位于滇东高原向黔中丘原和广西丘陵的过渡地带,地处乌蒙山脉东北段之东南,其分支山脉贯穿中部,成为境内长江水系的三岔河和珠江水系的北盘江的分水岭,地理坐标范围为:东经104°40′06″—104°40′26″,北纬26°15′21″—26°15′56″。

高陡的地形地貌条件是滑坡高位启动关键条件。研究区内最高海拔为2050 m,最低海拔为1100 m,滑坡形态类似于“长筒靴”状,受北西—南东山体走向控制,滑坡山体南侧受山体阻挡,其北东侧单面临空,坡向为17°,坡度为30°。研究区山坡有多条沟壑发育,滑坡失稳下滑后,在运动路径中沿两条沟分别向5°和34°偏转,并在前缘东西向沟谷内堆积汇合。

强烈的构造活动使滑体母岩(玄武岩)变得破碎,力学性质变差。水城县地处扬子地块西南缘,属扬子准地台黔北台隆六盘水断陷的一部分,多个构造变形区相互影响,复杂的褶皱和断裂纵横交错,导致岩体破碎的情况较为严重。大断裂的走向以北西—南东向为主导,常形成陡峭的峡谷地带,以六盘江为界,以南地区地形起伏更大,地势更为复杂。滑坡研究区域属于盘江向斜的西南翼,地震烈度为Ⅵ度区,地震加速度为0.05 g。

地层从新到老依次是:第四系粘土层(Q4del),主要由残坡积的砂砾和粘土组成,厚度约3~6 m;三叠系嘉陵江组(T1-2j1-3)为一套浅灰色泥灰岩,飞仙关组(T1f1-4)以紫红色、灰绿色的砂页岩为主,偶见少量灰岩夹层;二叠系宣威组(P3x1-3)由灰色、灰黄色粘土岩和粉砂岩组成,二叠系峨眉山玄武岩(P2-3em1-2)为破碎的块状玄武质熔岩或玄武质的火山凝块岩(图 1)。滑体母岩为二叠系上统峨眉山玄武岩,经多期喷出沉积和新构造运动后形成破碎的岩体和多组构造结构面,主要的三组结构面产状分别为16°∠47°(J1),150°∠45°(J2),16°∠34°(J3)(图 2)。滑前斜坡坡向17°,坡角34°,认为该滑坡沿结构面顺向滑动且J3为主控结构面。

图 1 贵州六盘水水城滑坡地质简图 Fig. 1 Geological map of the Shuicheng landslide in Liupanshui, Guizhou

图 2 研究区峨眉山玄武岩岩体结构特征 Fig. 2 Structural characteristics of Emeishan basalt in the study area

强降雨是该滑坡发生的主要诱发因素。滑坡区域是亚热带高原型季风气候区,每年月降雨量分布不均,有明显的旱季和雨季之分。该区域5—10月份为强降雨期,降雨量约占年总降雨量的84.83%,6月份降雨量最多,占年总量的19.56%。根据滑坡附近降雨台站数据,滑坡发生前降雨量较大,发生前一个月的累计降雨量达371.9 mm,是往年平均最高月降雨量的1.57倍,7月12日一天的降雨量就达到83 mm,滑坡发生前一个星期频繁降雨,降雨量为153.7 mm。经过分析,前期强降雨和短时强降雨是滑坡失稳的主要诱发因素(高杨等,2017)。

2 滑坡流态化运动特征

通过现场调查,并结合滑前谷歌卫星图像和滑后无人机影像对比分析,约70×104 m3滑体高位失稳,整体下错40~60 m,从244县道下方剪出,210 m的公路被完全摧毁,20×104 m3滑体材料残留在滑源区,50×104 m3滑体材料离开滑源区,主滑方向为N17°E。滑体剪出后铲刮下方表面堆积层和强风化层,并解体形成碎屑流,随后和地表径流耦合转化为泥石流。运动过程中由于撞击微地貌山脊,滑体被分成两部分,分别沿N5°E和N34°E方向在沟谷内运动,最终在前缘汇合。根据该滑坡的运动堆积特征,可以将其覆盖区域分成三部分,分别是滑源区、铲刮区和流通堆积区(图 3图 4)。

图 3 贵州六盘水水城滑坡滑前滑后影像对比图 Fig. 3 Image comparison before and after the Shuicheng landslide in Liupanshui, Guizhou Province

图 4 贵州六盘水水城滑坡工程地质剖面示意图 Fig. 4 Engineering geological profile of the Shuicheng landslide in Liupanshui, Guizhou
2.1 滑源区

滑源区地形坡度约27°,滑体母岩为二叠系峨眉山玄武岩,岩体结构较为破碎,表层覆盖有厚度约3~5 m的第四系残坡积松散堆积物(图 5图 6)。滑源区平面形态近似为不等腰梯形,滑坡后缘高程约1680 m,剪出口高程约1540 m,高差120 m,横宽140~210 m,纵长约310 m,面积约5.0×104 m2,滑体厚度10~30 m,估计滑体总体积70×104 m3。滑坡启动后沿N17°E滑动,约50×104 m3滑体脱离滑源区,剩余20×104 m3滑体残留在滑源区。滑源区可见光滑后壁,与水平夹角约39°,侧缘陡坎最大高度为30 m,沿滑动方向有多条地表径流,后壁可见基岩出露,具明显层状结构。

图 5 贵州六盘水水城滑坡滑源区现场 Fig. 5 Site photos of the source area of the Shuicheng landslide in Liupanshui, Guizhou

图 6 贵州六盘水水城滑坡滑源区a-a′工程地质剖面图(剖面位置见图 1) Fig. 6 Engineering geological profile a-a′ of the source area of the Shuicheng landslide in Liupanshui, Guizhou (The position of the profile is shown in Fig. 1)
2.2 铲刮区

铲刮区后缘高程约1540 m,前缘高程约1330 m,高差210 m,横宽216~315 m,纵长210~567 m,总面积约9.2×104 m2,平均铲刮厚度10余米,估计铲刮体积约130×104 m3。铲刮区存在三处凸起微地貌,滑体在运动过程中撞击铲刮地形凸起区域,快速解体,转化为碎屑流,同时将大部分树木连根拔起;表层第四纪残坡积土以及被风化的基岩被铲起,扩大了滑坡体积规模,随后进入沟道继续运动。铲刮区在凸起的微地貌上几乎没有堆积体,基岩暴露在地表,沟道内存在少量堆积体,可见地表径流沿沟道分布,铲刮区上部有典型马刀树现象(图 7图 8)。

图 7 贵州六盘水水城滑坡铲刮区现场 Fig. 7 Site photos of the erosion area of the Shuicheng landslide in Liupanshui, Guizhou

图 8 贵州六盘水水城滑坡铲刮区b-b′工程地质剖面图(剖面位置见图 1) Fig. 8 Engineering geological profile b-b′ of the erosion area of the Shuicheng landslide in Liupanshui, Guizhou (The position of the profile is shown in Fig. 1)
2.3 流通堆积区

由野外勘查和绘制典型地质剖面可知(图 9图 10),堆积区上部,突出地形作为分水岭,滑体分流为两部分,分别沿两侧沟运动,方向分别为N34°E(东侧沟)和N5°E(西侧沟)。东侧沟后缘高程1330 m,前缘高程1220 m,高差110 m,纵长520 m,沟谷两侧为居民区,滑坡运动过程中冲毁并掩埋20户房屋(图 9a);西侧沟后缘高程1400 m,前缘高程1250 m,高差150 m,纵长450 m,由于运动方向急转,滑坡撞击左岸,将部分堆积体抛洒到岸上,掩埋一处养殖场(图 9b图 9c)。流通堆积区总面积约1.9×105 m2,堆积体主要分布在沟道中,最大堆积厚度约20 m,堆积物为第四纪残坡积土和玄武岩的松散混合物,颗粒粒径约10 cm(图 9d)。

图 9 贵州六盘水水城滑坡流通堆积区现场 Fig. 9 Site photos of the propagation & accumulation area of the Shuicheng landslide in Liupanshui, Guizhou

图 10 贵州六盘水水城滑坡堆积区c-c′工程地质剖面图(剖面位置见图 1) Fig. 10 Engineering geological profile c-c′ of the propagation & accumulation area of the Shuicheng landslide in Liupanshui, Guizhou (The position of the profile is shown in Fig. 1)
3 DAN数值模型 3.1 DAN介绍

DAN(Dynamic analysis)基于等效流体理论将滑体等效为流体,并考虑基底摩擦阻力模型的选取,模拟滑坡后破坏的运动堆积过程。软件基本原理是将滑坡体分成N个体积不变的块体,每个块体都与滑面接触,运动时会产生摩擦阻力,对每个块体设置平衡方程和运动方程后采用拉格朗日差分法求解方程(Hungr, 1995)。

3.2 模型建立和参数界定 3.2.1 模型建立

根据剖面图I-I′,可在软件中直接绘制点和线,得到滑体的范围和滑坡运动路径,由此建立滑坡的物理模型(图 11)。

图 11 贵州六盘水水城滑坡DAN模型 Fig. 11 DAN model of the Shuicheng landslide in Liupanshui, Guizhou

动态反演分析是根据经验,借助已有滑坡数据分析相似背景滑坡动态特征的分析方法。采用Hungr(1995)研发的DAN-W动态模型软件对水城滑坡进行数值模拟,模型受基础流变关系控制,且Frictional模型和Voellmy模型能够更准确地反映滑坡特征(Evans et al., 2001; Sosio, 2008, Hungr and McDougall, 2009)。通过大量实例研究,认为Frictional模型更适合模拟存在高孔隙水压力的滑源区,Voellmy模型更适合铲刮区和流通堆积区的预测和反演分析(Xing et al., 2016, 2017; Gao et al., 2017, 2019)。本次研究针对水城滑坡在滑源区、铲刮区和堆积区分别采用Frictional模型、Voellmy模型和Voellmy模型,模型公式如下(高杨等,2013)。

Frictional模型:

$ T = \gamma {H_i}\left({\cos \alpha + \frac{{{a_{\rm{c}}}}}{g}} \right)\left({1 - {r_{\rm{u}}}} \right)\tan \varphi $ (1)

式中:T为基底剪切阻力,N;γ为重度,N·m-3Hi为流体厚度,m;α为运动路径坡角,(°);ac=v2/R为离心加速度,m·s-2,大小取决于运动路径的曲率半径Rg是重力加速度,取9.8 m·s-2ru为孔隙水压力系数,无量纲;φ为摩擦角,(°)。

Voellmy模型:

$ \gamma H_{i}\left(\cos \alpha+\frac{a_{c}}{g}\right) f+\gamma \frac{v^{2}}{\xi} $ (2)

式中:f=tanφ为动力摩擦系数,无量纲;ξ为湍流系数,m·s-2;其他参数与公式(1)相同。

3.2.2 参数界定

软件参数设置包括拉格朗日差分法的算法控制参数和滑坡材料的模型参数(高杨等,2019)。

(1) 控制参数

控制参数包括单元块体数量、光滑系数和刚度系数等,本次模拟将滑体分成100个单元块体,其他参数见表 1

表 1 贵州六盘水水城滑坡数值计算控制参数表 Table 1 Table of numerical calculation control parameters of the Shuicheng landslide in Liupanshui, Guizhou

(2) 模型参数

DAN是基于校准的模拟软件,因此合适的流变模型参数必须通过对已存在滑坡进行试错反演分析法进行确定。此前已有大量应用该软件进行滑坡模拟分析的实例,Hungr等多个研究者整理并总结了多个典型滑坡模拟中使用的模型参数,并建立了参数校准数据库,McDougall在已有数据库的基础上模拟了多个不同类型的滑坡,证明了数据库在DAN模拟中的有效性和通用性,并进一步扩展了参数选取范围,各模型参数的相关取值范围如下:Frictional模型中孔隙水压力系数(ru)参考范围为0.1~0.9,基底动力摩擦角(φ)取值范围通常为8°—31°;Voellmy模型中动力摩擦系数(f)参考范围为0.03~0.24,湍流系数为(ξ)100~1000 m/s2(Hungr and Evans, 1996; McDougall, 2006)。

4 滑坡动力参数敏感性分析

用于模拟的模型参数是在已有参数校准数据库的基础上,结合野外地质调查,采用试错反演分析法获得的,基于已建好的模型和上述已确定的参数取值范围,对不同模型参数进行了敏感性分析。

(1) 当滑体从滑源区离开进入铲刮区和堆积区,由于滑体高速运动,底部孔隙水来不及排出,导致摩擦系数下降(Hungr and Evans, 2004),通过反复模拟发现当摩擦系数下降40%时得到结果较为符合实际。

(2) 在Frictional模型的摩擦系数((1-ru)tanφ)分别为0.32、0.33、0.34、0.35、0.36,Voellmy模型的湍流系数(ξ)分别为200 m/s2、300 m/s2、400 m/s2、500 m/s2、600 m/s2的25种参数组合情况下进行敏感性分析,根据调查结果设置铲刮区铲刮深度为10 m,模拟结果如下:

① 摩擦系数一定时,随湍流系数上升,运动距离会明显增加,摩擦系数小于等于0.33时,运动距离过远,当摩擦系数为0.34,对应湍流系数为200 m/s2,和摩擦系数为0.35,对应湍流系数为400 m/s2时的运动距离较为符合实际(图 12);

图 12 Frictional模型摩擦系数、Voellmy模型湍流系数与滑坡运动距离关系三维趋势图(优势参数组合对应运动距离为1355 m) Fig. 12 Three-dimensional trend diagram of the relationship between friction coefficient of the Frictional model, turbulence coefficient of the Voellmy model and landslide movement distance (The motion distance corresponding to the dominant parameters combination is 1355 m)

② 摩擦系数一定时,滑源区的堆积体厚度不变,说明Voellmy模型的参数对滑源区的堆积形态基本没有影响,且从堆积形态可以看出当滑源区堆积厚度为27 m(摩擦系数为0.35)时与实际堆积形态较为吻合(图 13);

图 13 Frictional模型摩擦系数、Voellmy模型湍流系数与滑源区堆积体厚度关系三维趋势图(优势参数组合对应堆积体厚度为27 m) Fig. 13 Three-dimensional trend diagram of the relationship between friction coefficient of the Frictional model, turbulence coefficient of the Voellmy model and thickness of accumulation body in the slip source area (The thickness of the accumulation body corresponding to the dominant parameters combination is 27 m)

③ 摩擦系数越小、湍流系数越大,堆积区的堆积厚度就越大(图 14)。根据敏感性分析结果,选用Frictional模型的摩擦系数为0.35,Voellmy模型的摩擦系数为0.21,湍流系数为400 m/s2

图 14 Frictional模型摩擦系数、Voellmy模型湍流系数与堆积区堆积体厚度关系三维趋势图(优势参数组合对应堆积厚度为15 m) Fig. 14 Three-dimensional trend diagram of the relationship between friction coefficient of the Frictional model, turbulent coefficient of the Voellmy model and thickness of accumulation body in the accumulation area (The accumulation thickness corresponding to the dominant parameters combination is 15 m)

(3) 为确定Frictional模型的摩擦角和孔隙水压力系数,进行了摩擦角分别为28°、29°、30°、31°四种情况的模拟,对应的孔隙水压力系数分别是0.34、0.37、0.39、0.42,Voellmy模型的摩擦系数为0.21,湍流系数为400 m/s2。模拟结果显示,滑坡运动距离、滑源区堆积体厚度及堆积区堆积体厚度在四种情况下基本一致,说明当摩擦系数一定时,滑坡的运动特征与Frictional模型的摩擦角和孔隙水压力系数无关。考虑到该滑坡滑体为破碎的玄武岩,参考McDougall对Quindici滑坡的DAN-3D模拟(McDougall, 2006),将摩擦角设置为30°,对应孔隙水压力系数为0.39。

通过以上敏感性分析,得到水城滑坡的模型参数,如表 2

表 2 贵州六盘水水城滑坡模型参数表 Table 2 Table of model parameters of the Shuicheng landslide in Liupanshui, Guizhou
5 滑坡运动全过程模拟 5.1 滑坡体内速度分布

某一时刻滑坡体不同位置的速度分布情况如图 15所示,从滑坡开始运动到结束,后缘的速度一直很小,且运动距离不到50 m,说明部分滑体残留在滑源区;前缘速度在滑坡开始20 s的时候较大,由于滑坡流态化运动的特征,速度缓慢降低,直到60~80 s之间某时刻前缘撞击地形才导致速度快速下降至0 m/s;前缘停止运动后,斜坡上的滑体在重力的作用下继续缓慢流动。

图 15 贵州六盘水水城滑坡滑坡体内速度分布图(时间间隔为20 s) Fig. 15 Velocity distribution map of the Shuicheng landslide in Liupanshui, Guizhou (20 s interval)
5.2 滑坡体前后缘速度

滑坡体前后缘速度随时间的变化规律如图 16。滑坡启动后,前缘先于后缘开始运动,10 s内速度快速达到顶峰,约27 m/s,随后伴随着波动缓慢下降,在64 s的时候突然快速下降,82 s的时候完全停止运动;后缘在前缘运动8 s后才开始运动,且运动速度较小,最大约5 m/s,最终在73 s的时候停止运动。滑坡体前后缘速度沿滑动路径的变化特征如图 17所示,前缘在运动不到200 m的时候速度就达到了顶峰,运动约1020 m后滑坡撞击前方地形,速度快速降低至0 m/s,后缘的运动距离约50 m。图 16图 17的运动曲线体现了该滑坡高位启动后,势能快速转化为动能,导致滑坡高速运动的特征。

图 16 贵州六盘水水城滑坡前后缘速度随时间变化图 Fig. 16 Velocity diagram of the front and rear of the Shuicheng landslide with time

图 17 贵州六盘水水城滑坡前后缘速度随滑程变化图 Fig. 17 Velocity diagram of the front and rear of the Shuicheng landslide with slip distance
5.3 动能

某一时刻滑坡不同位置的动能分布情况如图 18所示,滑坡最大动能为6.57×106 J,出现在20 s时刻,水平距离为600 m的位置,对应的运动速度为17.6 m/s,滑体厚度为14.1 m。可以看出,无论哪个时刻,从滑体后缘到中间位置动能从最小逐渐上升至最大,从中间位置到前缘动能伴随波动减小,而且20 s时刻的动能曲线可以看出,动能上升的趋势非常大,反映了高位滑坡势能转化为动能的过程。

图 18 贵州六盘水水城滑坡动能变化图(时间间隔为20 s) Fig. 18 Kinetic energy variation diagram of the Shuicheng landslide (20 s interval)
5.4 滑坡体运动形态变化

滑坡体的形态变化如图 19,反映了以20 s为间隔的各时间点滑坡的形态。在20 s的时候滑坡体将要通过铲刮区,以流态化运动形态进入堆积区;60 s的时候滑体撞击前方地形,之后前缘的滑坡体形态基本保持不变,其他部位仍在斜坡上流动,直到80 s之后基本不再变化。最终一部分滑体残余在滑源区,铲刮区有少量堆积体,堆积区的堆积体厚度较大,且分布较为均匀,模拟得到堆积的特征与实际堆积的特征较为吻合。

图 19 贵州六盘水水城滑坡滑体运动过程中形态变化图(时间间隔为20 s) Fig. 19 Shape variation diagram of the Shuicheng landslide in movement (20 s interval)
6 结论

本文针对水城滑坡,采用现场调查、遥感对比和数值模拟方法对贵州六盘水水城滑坡的动力学特征进行初步探讨,分析了滑坡基本特征和成灾机理,模拟并分析了滑坡运动堆积过程,并认为高位远程滑坡的动力减阻能够使滑坡运动速度更快,距离更远,是滑坡后破坏动力学研究的重点问题。

(1) 水城滑坡运动过程经历高位启动—快速铲刮—远程堆积三个阶段。结合数值模拟,滑坡运动距离达到1355 m,滑源区残留堆积体厚度最大为27 m,堆积区堆积体厚度最大为15 m,滑坡运动82 s,全程最大速度为27 m/s,最大动能为6.57×106 J。

(2) 根据已有实例,建模过程中分别在滑源区、铲刮区和流通堆积区采用Frictional模型、Voellmy模型和Voellmy模型,并通过敏感性分析得到最佳流变参数组:Frictional模型中孔隙水压力系数为0.39,摩擦角为30°,Voellmy模型中摩擦系数为0.21,湍流系数为400 m/s2

(3) 依据模拟结果认为,水城滑坡存在以下动力学特征:高位启动的滑坡,较大的势能转化为动能,是滑坡能够高速远程运动的一个重要原因,且有着快速达到滑坡运动速度峰值的特征;在强降雨背景下,滑坡运动过程中来不及排出孔隙水,会导致基底摩擦系数降低,减少了摩擦造成的能量损耗,进而使滑坡运动距离更远;滑坡的解体效应促进滑坡的颗粒流化运动,也是滑坡能够远程运动的一个重要原因。

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