东河口高速远程滑坡-碎屑流全程动力特性模拟

东河口高速远程滑坡-碎屑流全程动力特性模拟
齐超;邢爱国;殷跃平;李滨
【摘要】The rockslide-debris avalanche is a geological disaster of great danger and always causes disastrous ca tastrophes because of its high velocity and unexpected long runout. Scholars in China had made a lot of forward-loo king results for the high-speed rockslide-debris flows after Wenchuan Earthquake. A majority of the research results on this field have not been widely accepted due to itself complication. This paper takes the Donghekou rockslide-debris avalanche in Qingchuan County triggered by Wenchuan Earthquake as example to reveal the moving mecha nism of rockslide-debris avalanches. The dynamic analysis software of DAN-W is applied to the creation of threedifferent rheological models. They are Friction model, Voellray model and" F-V" model to simulate on the motion be havior of flow slides and put an emphasis on the travel distance, speed characteristics at different intervals, distri bution of the deposits. The volume and duration are estimated. The results reveal that applying different rheological models to different moving stages have reasonable results. The Friction model is better to simulate the landslide at set-out phase and short-runout phase. The Voellmy model has advantages of simulating flow debris at long run-out phase. The two-rheological model "F-V "provides the best simulation of the Donghekou rockslide-debris avalanche movement. The best fitting rheological parameters friction angle φ= 18°,friction coefficient μ = 0. 1 and turbulence parameter ξ= 400m·s‐ 2
have been found by the back analysis.%高速远程滑坡-碎屑流具有速度快、滑
程远、冲击破坏力强等特点,是一种危害性极大的地质灾害,往往会造成严重的生命
财产损失.汶川地震后,国内学者对高速远程滑坡-碎屑流的研究取得了大量前瞻性成果,但由于此类滑坡自身的复杂性,目前为止尚未取得公认的研究成果.为了进一步揭示高速远程-碎屑流效应机理,本文以汶川地震触发的青川东河口滑坡-碎屑流为例,
通过滑坡动力分析软件DAN-W分别建立了摩擦模型、Voellmy模型和F-V等3
种不同的滑坡数值模型,对东河口滑坡-碎屑流的运动距离、不同时刻运动速度特性、堆积物分布规律及滑坡堆积体积进行了模拟,同时对滑坡运动时间进行了估算.模拟
结果表明:根据高速远程滑坡-碎屑流不同运动阶段选择不同的流变模型分析的结果更加合理.摩擦流变模型对运动距离的模拟结果小于滑坡的实际滑程,适于模拟滑体
整体性好的启程和近程运动阶段；Voellmy流变模型对滑体的运动距离模拟效果
很好,但对速度的分析结果偏大,适合模拟滑坡远程碎屑流运动阶段；F-V双流变模
型对滑坡运动特性模拟效果最佳,并给出了选取东河口滑坡-碎屑流数值模型的最佳流变参数,摩擦角(φ)=18.,摩擦系数μ=0.1,湍流系数ξ=400m·s-2.
【期刊名称】《工程地质学报》
【年(卷),期】2012(020)003
【总页数】6页(P334-339)
【关键词】东河口滑坡-碎屑流;流变模型;DAN-W数值模拟
【作者】齐超;邢爱国;殷跃平;李滨
【作者单位】上海交通大学土木工程系上海 200240;上海交通大学土木工程系上海 200240;中国地质环境监测院北京 100081;中国地质科学院地质力学研究所北京 100081
【正文语种】中文
【中图分类】P642.22
汶川大地震触发了15000多处滑坡、崩塌、泥石流等地质灾害，直接造成2万多
人死亡，约占总死亡人数的1/4［1］。

在汶川地震带来的重大人员伤亡和财产损
失中，由地震触发的高速远程滑坡具有滑动速度极快、滑行距离超远且冲击能量巨大等特点更是带来了巨大的损失。

这些高速远程滑坡主要沿发震主断裂汶川映秀－安县高川－北川曲山－平武南坝－青川红光地震破裂带展布，产生的机理和过程大致可以归结为强震作用下坡体抛掷、滑体撞击破裂解体及高速远程碎屑流效应，较为典型的滑坡有安县大光包崩滑、绵竹文家沟滑坡、映秀牛圈沟滑坡－碎屑流以及东河口滑坡－碎屑流。

汶川地震发生后，我国许多工程地质学家先后对汶川地震诱发的地质灾害进行了详细的调查研究，对高速远程滑坡－碎屑流的研究取得了大量的前瞻性成果。

黄润秋等［2，3］通过野外调查发现强震作用下大型滑坡具有高速、远程的运动特征，
水平运动距离可达1～4km，高初速、碎屑流效应和气垫效应可能是导致滑体高速、远程运动的主要机制，并对大光包滑坡的动力学过程进行了系统分析。

许强等［4］通过对汶川地震诱发的20余处大型滑坡的变形破坏特征进行深入调研，结合振动台试验和数值模拟等手段，发现汶川地震诱发大型滑坡的变形破坏模式和内在力学机制与常规重力作用下滑坡机制具有显著的不同，其中青川东河口滑坡的成因模式为拉裂－水平滑移型。

殷跃平［5，6］通过研究发现汶川地震触发的高速远程滑
坡因获得了1.5g以上的抛掷加速度，如青川东河口滑坡－碎屑流在水平和垂直加速度的联合作用下，上部滑体被整体高速抛出，凌空飞行300余米后在前缘高程
约1050m处发生撞击，并破碎解体为高速碎屑流。

孙萍等［7］通过FLAC软件
对青川东河口滑坡破坏机制进行了模拟分析，结果表明，竖向峰值加速度引起了边
坡后缘大面积的拉张破坏，是汶川地震引起西南山区产生大量崩滑甚至岩土体“抛掷”现象的一个重要因素。

方华等［8］通过不同方法对东河口高速远程滑坡的速度进行了分析，得到滑坡最大运动速度为63.4m·s－1，平均运动速度超过25m·s －1。

由于高速远程滑坡体积巨大，具有突发性启程的特点，同时影响滑坡碎屑流运移机制的因素很多。

例如，在空气圈闭效果好的狭长沟谷地形区，气垫效应是碎屑流高速运动的主要因素;而在有河流冲积堆积中，铲刮效应则是影响滑体长距离运动的
主要因素，因此，对高速远程滑坡－碎屑流做系统的分析目前很难做到，尚未取得公认的研究成果［9］。

目前，研究高速远程滑坡－碎屑流的主要手段有:(1)通过
分析滑坡堆积物质组成成分变化，反演出堆积物颗粒在碎屑流运动过程中的受力情况和运动状态，进而解释高速远程滑坡－碎屑流的运动机制。

(2)利用滑坡模型试
验再现滑坡－碎屑流运移堆积过程，但由于试验的“尺寸效应”及滑坡存在分阶段的运动表现形式，模型试验很难解释高速碎屑的运动机理。

(3)对滑坡运动状态进
行数值模拟，研究结果显示通过数值方法模拟滑坡－碎屑流的几何形态、运移堆积、铲刮效应、高速碎屑流动等特性都取得了较大成功，是未来研究滑坡－碎屑流的重要方法。

本文基于 Hungr［10］开发的动力分析软件DAN-W建立三维滑坡模型，对青川东河口滑坡－碎屑流运动全过程进行模拟，重点分析了滑坡运动过程中表现出来的速度特性、堆积物厚度分布以及运动时间和距离，并且比较了DAN－W程序中不同流变模型对滑坡运动特性的影响。

2.1 地质环境特征
青川东河口滑坡－碎屑流是汶川地震触发的较为典型的高速远程复合型滑坡，位于四川省青川县红光乡东河口村。

滑坡在长距离滑动过程中造成惨重的损失，掩埋了4个自然村社，导致780人死亡，经济损失达5000多万元。

东河口滑坡体的地层主要为寒武系邱家河组地层，主要由统炭质板岩、千枚岩、页岩、砂岩构成。

滑坡体上部岩性以块状白云质灰岩为主，中、下部岩体以炭硅质板岩、炭质石英岩为主。

2.2 运动特征
滑坡体的前后缘高差700m，滑程2400m;上部坡体高差200m，纵长500m，滑源区宽100～600m。

滑坡体在强震作用下起始滑动方向NE30°，经过凌空飞行阶段后与东河口所在沟谷碰撞转向为NE70°，滑体破碎解体后以高速碎屑流的方式
向前运动2km左右，受周围山谷地形限制，堵塞于红石河与青竹江的交汇处。

按照东河口滑坡的运动特点，可大致将该滑坡划分为高速启程、近程凌空飞行和远程高速碎屑流3个相互连续的运动阶段［11］(图1)［5］。

3.1 DAN－W动力分析模型
高速远程滑坡的动力分析模型通常包括集中质量模型和连续介质力学模型2类［12，13］。

前者是将整个滑体运动简化为重心处的质点运动，因此，该类模型
既不能模拟碎屑流的内部变形，也不能模拟滑坡运动过程中前缘和尾缘的速度变化，而滑坡速度一直是高速远程滑坡的研究重点［14］;连续介质模型则考虑了滑体运
动过程内部变形情况，包括初始几何形态、运动过程中变形特征及堆积特征，能够模拟整个滑体运动状态分布。

DAN-W(Dynamic Analysis)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体，通过设定滑坡的运动路径、运动方向和选取不同的流变模型求解其运动方程，实现滑坡运动距离、速度大小、堆积物厚度分布的数值模拟，其目的在于成为高速滑坡后处理分析工具。

在DAN模型中，滑体由一系列相互作用的质量块代替，这些块体在运动过程中内部可以发生形变但体积恒定不变 (图2)［14］。

每个小质量块的控制单元中存在底部剪力T，其大小取决于在DAN－W中选取的流变模型。

对于大型高速远程滑坡，在DAN－W中主要选用2种流变模型［15］:摩擦流变
模型和Voellmy流变模型。

其中摩擦流变模型只与摩擦角φ一个未知参数有关，其值与滑坡岩土体的含水量有关;Voellmy流变模型包括摩擦系数μ和湍流系数ξ
两个未知参数。

对东河口滑坡的运动特性研究，本文选取上述2种流变模型分别
对滑坡运动距离、各阶段的运动速度、堆积物的厚度分布等进行分析。

3.2 模型参数选取
高速远程滑坡运动特性数值模拟结果的准确性主要取决对滑坡物质材料的确定。

根据前文对滑坡体主要岩性成分的确定，首先在DAN－W程序中分别建立摩擦模型和Voellmy模型2种单一流变模型，用以模拟滑坡全程的动力特性。

考虑到东河
口滑坡运动过程复杂，其每个运动阶段又表现不同的运动特点和物质特性，滑体在启程和近程阶段整体性良好，而在远程阶段则完全破碎解体表现为高速碎屑流，因此，再建立一个摩擦模型和Voellmy模型的复合模型，简称F-V模型，即用摩擦
流变模型来模拟滑体的启程和近程阶段的运动特性，而用Voellmy流变模型模拟
后期碎屑流的运动情况(表1)。

3.3 数值模拟结果分析
3.3.1 运动距离
图3是3种流变模型对东河口滑坡运动过程中滑体不同时刻堆积形态的模拟。

由
图3和滑坡运动距离结果对比 (表2)可见，Voellmy模型得到的滑坡最大运动距
离为2506m，而摩擦模型计算出滑体的最大距离为1905m，F－V模型得出的结
果为2329m。

可见Voellmy模型和F－V双流变模型对滑坡运动距离的模拟更接近调查结果。

数值模拟的结果表明，使用摩擦流变模型对运动距离的计算趋于保守，其原因在于摩擦模型适合崩滑，滑体本身没有完全破碎，岩体块度大小不一，运动过程中块体之间彼此撞击，消耗了大量能量，促使岩块迅速堆积，从而导致运动距离较短。

3.3.2 运动速度
3种流变模型得到不同时刻滑坡速度分布(图4)。

由图4得到，摩擦模型最大的滑
动速度为59.14m·s－1，运动过程中平均速度约为39.11m·s－1; Voellmy模型滑坡最大速度64.89m·s－1，平均速度为42.26m·s－1;F－V模型得到的滑坡最大速度为55.13m·s－1，平均速度为31.79m·s－1。

同时从图4中也可以看出在Voellmy模型中最大速度均发生在滑体前缘，并且滑体前后缘运动速度相差较大，而摩擦模型中速度分布则比较均匀。

其原因在于，滑体启程阶段整体性良好，滑体速度表现一致，因而速度分布较均匀;而后期滑体碰撞后完全破碎形成碎屑流时，
就如同流动一般高速向前运动，前缘的速度必然要大于后缘，此结论也反映出Voellmy模型更适合后期碎屑流阶段的数值模拟。

根据文献［8］对东河口滑坡速度的分析，F－V模型对速度的模拟应与实际滑体运动速度更接近。

3.3.3 滑坡堆积体积
由青川东河口滑坡－碎屑流体积模拟结果(表3)可知，该滑坡属于特大型滑坡，DAN－W程序给出的滑坡堆积体积约为1700×104m3，而且滑坡最终的堆积体
积要大于初始滑源区坡体体积。

其原因在于滑体在运动过程中铲刮下伏基岩表层风化岩层，使得滑坡最终的堆积方量增大。

在DAN－W程序中通过设定滑体对下伏基岩的铲刮深度，实现体积方量的变化。

3.3.4 堆积物分布
从3种流变模型模拟的堆积物分布形态(图5)可见，堆积物堆积长度分别约为
1400m，1500m和1500m。

其中摩擦模型堆积物平均厚度大约为30m;Voellmy 模型堆积物主要分布在滑坡的中前部，厚度在40m以上，最大厚度达到55m;F－V模型中堆积物形态表现为中部厚度大两端较薄，呈抛物线状，中部厚度最大处在50m以上，平均厚度在25～30m之间。

3.3.5 运动时间
DAN-W程序同样对滑坡的运动时间进行了分析。

3种流变模型模拟东河口滑坡运
动过程所经历的时间分别是63s、80.24s和83.76s。

其中摩擦模型所用的时间最少，后两者模拟滑坡运动时间相近。

运动时间的长短与滑体运动距离、滑坡平均速度有关，通常运动时间越长，滑程越远，造成的灾害也越大。

本文使用DAN-W动力分析软件对青川东河口滑坡－碎屑流运动全过程进行了数
值模拟，得出以下结论:
(1)摩擦流变模型对东河口滑坡运动反演分析的结果不理想，对滑坡运动距离的分
析偏于保守，小于滑坡的实际滑程。

(2)Voellmy流变模型对滑体的运动距离模拟效果很好，但对速度的分析结果偏大。

(3)F-V双流变模型是东河口滑坡最佳的数值分析模型，给出了理想的滑坡运动距离、速度分布及堆积物分布，其最佳流变参数为:摩擦角φ=18°，摩擦系数μ=0.1，湍流系数ξ=400m·s－2。

(4)3种流变模型对滑坡体积的分析结果一致，约为1700×104m3，并且给出了滑体运动前后体积变化的原因;对滑体运动时间的模拟结果为摩擦模型时间最短，另
2种模型计算时间相近。

总之，对东河口滑坡运动数值模拟的结果表明，在DAN－W中摩擦流变模型适于模拟滑体整体性好的启程和近程阶段运动;而Voellmy流变模型更适合于远程阶段滑体完全破碎解体的高速碎屑流运动。

因此，对于高速远程滑坡－碎屑流要根据不同的运动阶段选择更加合理的流变模型。

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