高　杨　李　滨　王国章

(①中国地质科学院地质力学研究所　北京　100081)(②中国地质大学(北京)　北京　100083)(③上海交通大学土木工程系　上海　200240)



鸡尾山高速远程滑坡运动特征及数值模拟分析*

高杨①②李滨①王国章③

(①中国地质科学院地质力学研究所北京100081)(②中国地质大学(北京)北京100083)(③上海交通大学土木工程系上海200240)

本文在对鸡尾山高速远程滑坡的详细地质调查的基础上，分析了该滑坡地质环境背景特征、滑源区特征和堆积区特征。将滑坡后破坏运动主要分为失稳下滑、碰撞解体和滑行堆积3个阶段的运动特征，建立鸡尾山高速远程滑坡运动特征的地质模型。结合DAN-3D数值软件，选用FVF组合模型对该滑坡的运动特征进行了模拟，最后得到了滑坡堆积、铲刮区域和滑动距离等方面的特征。通过对比分析，鸡尾山滑坡模拟后的运动特征与所建立的地质模型基本符合，模拟的堆积形态与实际情况基本一致。由此可以说明，该分析方法可以为高速远程滑坡成灾范围进行早期评估及预测，为该类滑坡的研究提供一定的帮助。

高速远程滑坡碎屑流动力学特征DAN-3D数值模拟

0　引　言

2009年6月5日，重庆市武隆县铁矿乡红宝村发生特大型岩质滑坡灾害，造成了74人遇难， 8 人受伤的特大灾难。鸡尾山滑坡滑体体积约500×104m3，由于在运动过程中不断解体，形成了体积约为700×104m3的滑坡堆积体，水平堆积长度约为2150m。鸡尾山高速远程滑坡主要的失稳模式为“斜倾厚层岩质滑坡视向滑动”，且滑坡在失稳之后在短时间内迅速达到极高运动速度，最终形成了超远距离的位移，属于高速远程滑坡的范畴(许强等， 2009)。

图1　鸡尾山滑坡剖面布置图Fig. 1　Section layout of Jiweishan landslide

关于高速远程滑坡的运动机理研究： 1932年Buss et al.(1881)对瑞士Elm滑坡的研究，并提出了滑坡运动中由于颗粒碰撞导致滑坡远程滑动的颗粒流模型； Kent(1966)等最早以美国Madison canyon滑坡远程滑动进行了相关研究，提出了空气润滑模型； Eisbacher(2011)等以加拿大高速远程滑坡为例，提出由于运动过程中的能量转换而导致远程滑动的能量传递模型； Sassa(1988)教授提出了由于超孔隙水压力改变导致远程滑动的底部超孔隙水压力模型。以上4种模型的提出对高速远程滑坡动力学机理研究进展起着至关重要的作用(张明等， 2010)。而对于高速远程滑坡的数值模拟分析，加拿大Hungr教授等基于拉格朗日有限差分法建立了动力模拟方法(DAN数值模拟软件)(Cruden et al., 1986)。Evans et al.(2001)等采用DAN软件对加拿大Mount Cayley碎屑流反演模拟分析，得出摩擦模型(Frictional Model)，宾汉体模型(Bingham Model)和Voellmy Model 3种本构模型方程更适合高速远程滑坡的模拟分析。Scott (2004)采用基于SPH方法的DAN-3D方法，对Frank、Val pola、Cervinara等高速远程滑坡进行了数值模拟研究。同时国内一些专家学者通过理论分析、模型试验和数值模拟也对该类滑坡的动力学特征进行了详细的描述和分析(胡广韬， 1995； 邢爱国等， 2002， 2004； 孙萍等， 2009； Yin et al.,2011, 2012, 2013)。

本文针对于鸡尾山滑坡堆积情况的现场详细调查，建立了鸡尾山滑坡的运动地质模型，将运动过程主要分为启程下滑、碰撞铲刮和碎屑堆积3个阶段； 采用DAN-3D数值模拟软件，反演分析了鸡尾山高速远程滑坡运动堆积过程及特征。揭示了高速远程滑坡从块体到散体再到碎屑体的运动堆积特点，认为能量传递是导致该滑坡高速远程滑坡的主要动力条件。希望为高速远程滑坡的反演分析、预测分析及动力理论分析提供一定支持。

图2　鸡尾山滑坡山体结构剖面图(参考图1剖面Ⅰ—Ⅰ1)Fig. 2　Mountain structure profile of Jiweishan landslide (Refer to figure 1，profile Ⅰ—Ⅰ1)

1　鸡尾山高速远程滑坡概述

1.1鸡尾山滑坡基本特征

鸡尾山滑坡位于重庆市武隆县铁矿乡铁匠沟西侧，属中深切割溶蚀-构造中山地貌，总体地势呈南西高北东低。该研究区呈单面山斜坡，地形坡角一般为20°～40°，岩层产状为NE315°～359°∠13°～33°，为典型的斜倾厚层山体结构 (图2)。

滑坡发生后，堆积区的平面形态为斜长的喇叭形，其沿铁匠沟散落堆积体长度约1500m，沟谷横向最大宽度约470m，散布堆积面积约48.3×104m2，滑坡堆积最大厚度约55m，总体积约为700×104m3。根据堆积体现场调查情况，将其主要分为4个区域：滑坡堆积区、铲刮区、碎屑流区以及撒落区 (图3)(殷跃平， 2010)。

图3　鸡尾山滑坡遥感分区图Fig. 3　Remote Sensing division map of Jiweishan landslide

1.2鸡尾山滑坡运动特征分析

在现场的详细调查、物探及测绘工作，建立鸡尾山高速远程滑坡的运动地质模型，其运动过程主要分为启程下滑、碰撞铲刮和碎屑堆积3个连续阶段 (图4，图5)。

图4　鸡尾山高速远程滑坡运动过程平面图Fig. 4　Plane graph of motion process of Jiweishan landslide with rapid and long￣runout

1.2.1失稳下滑阶段

鸡尾山滑坡的类型属于斜倾厚层山体滑坡(图6)，沿视倾向滑动失稳并形成灾害，主要的发生机制为“后部块体驱动-前缘关键块体瞬时失稳”(殷跃平， 2010； 冯振， 2012a,2012b)。

1.2.2铲刮阶段

滑坡失稳后约500×104m3滑体高位剪出，跃下前缘高约70余米的临空陡崖，通过势动能转换，得到较高的滑动速度。并在运动过程中，高速滑体对前缘的小型山体施加以巨大冲击力，碰撞铲刮掉前缘突出山体(图7)； 并且裹挟铲刮掉沟谷表层大量的松散堆积物和强风化层(殷跃平， 2010； 殷跃平等， 2010)。

图6　鸡尾山滑坡横剖面(参考图1剖面Ⅱ—Ⅱ1)Fig. 6　Rross section Ⅱ—Ⅱ1 of Jiweishan landslide(Refer to figure 1， profile Ⅱ—Ⅱ1)

图7　鸡尾山滑坡横剖面Ⅲ—Ⅲ1Fig. 7　Cross section Ⅲ—Ⅲ1 of Jiweishan landslide(虚线表示的为原始地形，实线表示的为现有的地形； 参考图1，比例尺为1︰5000)

鸡尾山滑坡的铲刮现象，主要可以分为碰撞侵蚀和裹挟侵蚀两种方式。碰撞侵蚀的山体主要有两座山体，山体一的体积约为36.8×104m3，山体二的体积约为2.54×104m3(图8，图9)，则碰撞后侵蚀的山体总体积约为40×104m3； 裹挟侵蚀作用是对表层松散堆积层及两侧山体表面风化层的侵蚀，该作用的侵蚀体积约为20×104m3。由此可以得出鸡尾山滑坡由最初的500×104m3滑体，最后散布形成的700×104m3的堆积体中，大约有60×104m3的体积是因为铲刮作用直接导致的，并且其他一部分是由于滑体解体破碎后扩容而使体积增加，解体扩容系数为1.28(高杨， 2014)。

图8　鸡尾山滑前被铲刮山体(落水洞为参考)Fig. 8　The scraped mountain before Jiweishan sliding(referring to sinkhole)

图9　鸡尾山滑体被铲刮后现状(落水洞为参考)Fig. 9　The scraped mountain status after Jiweishan sliding(referring to sinkhole)

1.2.3滑行堆积阶段

滑体高速碰撞铲刮作用结束后，高速滑动岩体通过铁匠沟后，仍以较高的速度冲向对岸稳定山体，由于对岸山体的阻挡作用，滑坡体的运动路径受到了一定的阻碍，形成短暂的堆积，此处也是堆积体厚度最大的位置 (图10)。滑体运动中的较高速度和巨大的冲击力使较大的岩石块体不断碰撞解体，进行能量传递转向，由此该位置也可谓Eisbacher能量传递模型中的能量交换点(Eisbacher， 2011)。随后在沟谷中以碎屑流的方式向下游运动，最终运动停止 (图11)。

图10　鸡尾山滑坡横剖面Ⅳ—Ⅳ1(参考图1，比例尺1︰2000)Fig. 10　Cross section Ⅳ—Ⅳ1 of Jiweishan landslide(Refer to figure 1，Scale 1︰2000)

图11　鸡尾山滑坡横剖面Ⅴ—Ⅴ1(参考图1，比例尺1︰2000)Fig. 11　Cross section Ⅴ-Ⅴ1 of Jiweishan landslide(Refer to figure 1，Scale 1︰2000)

2　DAN-3D数值模拟分析

2.1DAN介绍及基本原理

DAN-3D是在连续介质模型基础上将滑体等效为具有流变性质的流动体(Xing et al.， 2014)。因此，对于流变模型方程的选取，对于滑坡模拟与实际运动、堆积特征的影响至为关键(高杨等， 2013)。Hungr， Sosio等学者通过多个实例的模拟表明，Frictional、Voellmy两种流变模型可以较为逼真的反映出滑坡-碎屑流的运动及堆积特征，其流变模型方程式如下所述(Hungr et al., 2004; Sosio et al.， 2008)。

Frictional模型：滑动剪切阻力T为滑坡作用在运动路径上的函数，表达式如下：

(1)

其中，T为流体基底剪切阻力；γ为重度；H为流体厚度；α为运动路径坡角；ac=v2/R为离心加速度，它的值取决于运动路径曲率；ru为孔隙水压力系数，φ为摩擦角。

Voellmy模型：相比Frictional模型增加了湍流系数，表达公式如下：

(2)

其中，ξ为流体运动中的湍流扩散系数，其他参数与方程(1)一致。

2.2模型建立及参数选取

根据滑坡区域的地形图和滑坡堆积特征分区图，作者通过滑前和滑后地形的比较 (图12)，将滑坡从失稳到堆积的运动过程分为3个阶段：启动下滑阶段、铲刮碰撞阶段、滑行堆积阶段。选用Frictional、Voellmy两种流变模型进行模拟分析，在模拟的过程中由于在碎屑流运动过程中不同的阶段流变性质的不同，则基底的流体阻力模型也不同，则可对滑坡的不同区域分别采用不同的模型，并将模拟结果和堆积体实际调查结果进行对比(表1)(高杨， 2014)。

表1　鸡尾山滑坡-碎屑流DAN模拟模型分区Table1　Debris flow model of Jiweishan landslide

模型滑坡分区 滑源区铲刮区主堆积、碎屑堆积区Frictional模型FrictionalFrictionalFrictionalVoellmy模型VoellmyVoellmyVoellmyFFV模型FrictionalFrictionalVoellmyFVF模型FrictionalVoellmyFrictionalFVV模型FrictionalVoellmyVoellmy

通过对比分析，采用FVF流变组合模型对鸡尾山高速远程滑坡的模拟更为合理 (表2 为FVF模型参数)。

表2　FVF模型参数Table2　The parameters of FVF model

模型参数内摩擦角/(°)摩擦系数湍流系数/m·s-2重度/N·m-3平均铲刮深度/mFrictional35——280Voellmy350.20200283Frictional350.20—280

图12　鸡尾山滑坡滑前滑后三维地形图对比Fig. 12　The 3D terrain map comparison of Jiweishan landslide from start to finisha. 鸡尾山滑坡滑前三维地形图； b. 鸡尾山滑坡滑后三维地形图

图13　鸡尾山滑坡滑前DAN模拟界面图Fig. 13　DAN simulation interface diagram before Jiweishan landslide

图14　鸡尾山滑坡滑后DAN模拟界面图Fig. 14　DAN simulation interface diagram after Jiweishan landslide

2.3模拟结果与分析

DAN-3D具有可视化的优点，可以直观的反映出滑坡运动过程中滑体形态的变化情况，图13、图14为鸡尾山滑坡滑前、滑后鸡尾山滑坡的DAN模拟界面图。

2.3.1滑坡运动形态分析

2.3.1.1启程视向滑动-碰撞铲刮阶段

图15为滑体后部明显沿真倾向向左侧山体方向发生滑动，由于山体的阻挡而使滑体沿视倾向发生偏移，而滑坡前缘对剪出口下方的松散堆积层开始进行铲刮。当滑坡下滑脱离滑源区后，进入铲刮阶段，滑体前缘先对前方的小型山体进行碰撞铲刮，逐渐破碎，随后对松散堆积层进行裹挟铲刮图。

2.3.1.2铲刮-撞击转向阶段

图16表现了滑坡体脱离滑源区后铲刮前缘山体及周围松散堆积层的过程，并在到达了对岸山体后发生堆积，随后转向沿沟谷向下游运动。

2.3.1.3碎屑流动堆积阶段

图17反映了鸡尾山滑坡在运动过程中由于滑体内部速度的不同以及与周围山体的碰撞，不断解体形成碎屑流，沿沟谷向下游继续运动，最后运动停止。由停止后的堆积图可以看出在滑坡运动过程中铲刮区和转向处的堆积厚度较大。

图15　鸡尾山高速远程滑坡堆积等值线图(启程视向滑动阶段)Fig. 15　Accumulation contour diagram(departure radial sliding stage) of Jiweishan landslidea. T=0s； b. T=20s； c. T=30s

图16　鸡尾山高速远程滑坡堆积等值线图(铲刮和撞击转向阶段)Fig. 16　Accumulation contour diagram(scraping and impacting stage) of Jiweishan landslidea. T=40s； b. T=50s； c. T=60s

图17　鸡尾山高速远程滑坡堆积等值线图(碎屑流堆积分析)Fig. 17　Accumulation contour diagram(The accumulation of debris flow stage) of Jiweishan landslidea. T=80s； b. T=120s； c. T=200s

2.3.2滑坡运动铲刮分析

模拟计算中，鸡尾山滑坡失稳后，约430×104m3体积的滑坡体高速下滑，经过约70m高度的势动能转化阶段，产生巨大的能量，铲刮掉剪出口下方的山体及大面积松散堆积层。铲刮山体的体积约为80×104m3； 铲刮区的平均铲刮深度为3m； 从模拟等值线图中可以看出，铲刮深度最大值为9m，发生在水平距离920m处，此处正是滑后被铲刮的山体的位置，在水平位置约1100m处的铲刮深度达到7m，是侵蚀前方突出山脊和表层大量的松散堆积物的结果，与调查结果基本一致，反映了其实际情况 (图18)。

　图18　鸡尾山高速远程滑坡铲刮等值线图(T为模拟时间)Fig. 18　Scraping contour diagram of Jiweishan landslidea. T=30s； b. T=50s； c. T=70s

2.3.3滑坡运动过程速度变化和体积分析

图19　鸡尾山滑坡运动过程中最大速度分布图Fig. 19　The maximum velocity distribution diagram of Jiweishan landslide motion process

图21显示了鸡尾山滑坡运动过程中最大速度的分布情况，滑体启动后，通过90m高陡坎后势能转化为动能，速度不断增加； 通过铲刮区后(水平距离约1000m)因为基底阻力的影响速度逐渐下降； 当到达水平距离约为1300m处时，速度又出现增加的特征，据现场调查该处有高差约为50m的下降坡导致； 最后随着能量的耗散运动逐渐停止。

图20　平均堆积厚度与时间变化曲线图Fig. 20　The curve diagram of average accumulation thickness with time changing

图21　滑体体积与时间变化曲线图Fig. 21　The curve diagram of volume with time changing

鸡尾山滑坡滑体启动后，由于滑体碰撞解体扩散，平均堆积厚度逐渐减小，但受前缘山体的阻挡以及前缘下方山体的铲刮作用，滑坡运动到30s(模拟时间)时平均堆积厚度 (图20)和滑体体积 (图21)显著增加。从滑坡堆积厚度和体积的趋势图中，证实了滑坡的运动过程经历了滑体剪出下滑、铲刮侵蚀和滑行堆积3个阶段。模拟时间0～30s之间为滑坡下滑阶段、30～55s之间为滑坡铲刮阶段、55～200s为碎屑体滑行堆积阶段。

2.3.4模拟结果分析

综上所述，在鸡尾山高速远程滑坡DAN-3D模拟中，FVF模型较好的反映出了鸡尾山高速远程滑坡运动过程中3个阶段，并且与实际情况基本一致。通过模拟分析发现，鸡尾山滑坡-碎屑流的滑程为2170m，模拟运动时间200s，滑坡运动最大速度为39.97m·s-1，堆积体水平长约1520m，平均厚度为15m，最大厚度为37m。鸡尾山滑坡发生后铲刮方量达到80×104m3，铲刮区平均铲刮深度为3m，最大铲刮深度达到9m。上述模拟结果基本反映了鸡尾山滑坡的堆积趋势。

3　结　论

本文以重庆武隆鸡尾山高速远程滑坡为例，在建立运动地质模型的基础上，讨论了鸡尾山岩质高速远程滑坡的破坏机制及后破坏的运动特征； 并运用DAN-3D软件反演模拟了碎屑流的运移堆积过程，解释了鸡尾山高速远程滑坡失稳后下滑、铲刮和碎屑堆积的3个连续的运动阶段和动力学特征。通过不同模型的比较，FVF组合模型得到的滑坡堆积、铲刮和滑动距离等方面特征与实际情况较一致，认为FVF组合模型是高速远程滑坡在DAN模拟中较为合适的流动模型，可以更好的反映出高速远程滑动的运动过程，并且反映出了在运动过程中的动力学特征。希望通过以上分析研究，对今后一些高速远程滑坡的运动特征及成灾范围进行模拟预测。

致谢感谢上海交通大学邢爱国老师和冯振、贺凯、王磊博士提供的帮助和指导!

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MOTION FEATURE AND NUMERICAL SIMULATION ANALYSIS OF JIWEISHAN LANDSLIDE WITH RAPID AND LONG RUN-OUT

GAO Yang①②LI Bin①WANG Guozhang③

(①Institute of Geo-mechanics， Chinese Academy of Geological Sciences， Beijing100081)(②China University of Geosciences (Beijing), Beijing100083)(③Shanghai Jiao Tong University， Shanghai200240)

This paper is based on detailed geological survey of the Jiweishan landslide. It analyzes the characteristics of landslide geological environment background， slide source characteristics and deposition area. It discusses the movement characteristics of three phases including the landslide instability， collision and sliding accumulation. It establishes the geological model of Jiweishan landslide. It takes the advantage of DAN-3D numerical simulation software. The landslide is simulated by choosing the FVF combination model on the motion characteristics. It finally gets the landslide accumulation， scraping area and sliding distance features. Through analysis and comparison， the simulation results are consistent with the actual situation. So this analysis method can be used for early assessment and prediction of disaster area to provide technical support for rapid and long run-out landslide．

Rapid and long run-out， Landslide-debris flow， Dynamic characteristics， DAN-3D， Numerical simulation

10.13544/j.cnki.jeg.2016.03.012

2014-11-27;

2015-07-22.

国家自然科学基金项目(编号： 41472295， 41302246)，十二五国家科技支撑项目(编号： 2012BAK10B01)， 国土资源地质调查项目(编号： 1212011220140， 12120114079101)资助.

高杨(1989-)，男，博士生，主要从事地质工程与地质灾害研究方面的工作. Email: gaoyang19891014@163.com

P642

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