基于Massflow的西南山区某大型岩质滑坡-碎屑流运动模拟研究

周硼焜, 张洪波, 赵伟华, 康 舜, 刘长武

(1.四川大学 水利水电学院,成都 610065; 2.成都理工大学 环境与土木工程学院,成都 610059;3.中铁二十三局集团 第一工程有限公司,山东 日照 276800; 4.西华大学 应急管理学院,成都 610039)

2019年,中国西南某山区发生大型山体滑坡。滑坡平面形态呈长条形,滑动距离约1 300 m,近2×106m3岩土体从高位剪出,遇凸起地形碰撞解体,顺坡面持续运移,并沿两条冲沟铲刮、扩容、加速,转化为高速碎屑流,最终造成巨大的人员与财产损失。

作为体积大、速度快、破坏力强的山地灾害,滑坡-碎屑流复杂的发生机制、运动特征、堆积特点吸引了大量学者对其开展研究。李滨等[1]对西南山区大型崩滑灾害进行了分析,认为岩溶山区具有的上硬下软、上陡下缓的“靴状”地貌特征是形成高速远程碎屑流的关键地质因素。郑光等[2]对滑坡现场开展调查,认为滑源区的地形条件、岩体结构和结构面形态是滑坡形成的内因,强降雨软化岩层及公路切坡扰动是导致滑坡发生的外因。李华等[3]运用Geostudio软件模拟了滑坡发生前120 h的实际降雨情况,分析了持续强降雨工况下道路切坡对稳定性的影响。李壮等[4]应用DAN-W软件对滑坡的动力学特征开展研究,模拟并分析了滑坡流态化运移及堆积过程。高浩源等[5]模拟了滑坡的碰撞与铲刮过程,认为碎屑流铲刮效应可以降低其冲击速度与动能,但会裹挟更多滑体物质,使滑坡成灾范围和堆积厚度增大,并将滑坡的冲击铲刮过程归纳为冲击嵌入→剪切推覆→裹挟混合3个阶段。以上研究主要着眼于滑坡的形成条件、发育原因、影响因素、运动特征,对其形成机制、铲刮效应和动力学特征进行了初步探讨,并未对滑坡的运动阶段和动态过程进行模拟和深入分析。本文在现场调查和地质踏勘资料的基础上,结合相关文献[6-16],对该滑坡基本情况和各运动阶段特征进行了归纳概括,运用Massflow数值仿真软件对滑坡-碎屑流运动全过程进行反演研究,对碎屑流运移的动力学特性开展进一步模拟与分析,并将Massflow软件应用到西南地区的碎屑流运动、堆积过程研究中,探讨高速滑坡运动与堆积阶段划分及相关特征,为后续类似条件岩质滑坡-碎屑流的灾害演进过程规律和时空预测提供参考。

1 滑坡-碎屑流特征

1.1 地质环境条件

1.1.1 地质构造和地层岩性

滑坡区地处扬子地块边缘,地质构造复杂。斜坡岩体经过了多次构造运动破坏,力学性质较差,岩体强度受风化剥蚀作用影响有所降低,卸荷变形等作用显著,滑坡、崩塌等地质灾害普遍。该处主要出露二叠系峨眉山玄武岩,可观察到多个喷发旋回,形成多组结构面,在垂向上表现出火山碎屑岩-玄武岩-凝灰岩的沉积韵律。

1.1.2 地形地貌

滑坡发育的斜坡顶部海拔高度为2 070 m,坡底为河谷洼地,海拔高度为1 250 m,高差达820 m。斜坡呈折线形,有3级缓坡平台,缓坡之间较陡地形坡度约35°,局部接近陡坎状。滑坡区域内发育的两条冲沟为滑体运动提供了有利地形条件。滑坡后缘海拔高度约1 660 m,前缘海拔高度约1 240 m,相对高差426 m。

1.2 滑坡发育特征

1.2.1 滑坡-碎屑流分区

根据滑坡运动和堆积特征,结合实地调查资料及卫星图片,可以将滑坡区划为3个部分,分别为:滑源区、铲刮-堆积区与碎屑流主堆积区(图1)。

a.滑源区

滑源区位于斜坡中上部,是滑坡启动区域,后缘海拔高度约1 660 m,剪出口海拔高度约1 540 m,横宽140～210 m,纵长约310 m。滑源区面积约3×104m2,估算残余体的体积约为24×104m3。

滑源区岩性主要为峨眉山玄武岩,较为破碎,表层覆盖有第四系残坡积物,滑体整体厚度约8～20 m,平均地形坡度约27°。

b.铲刮-堆积区

铲刮-堆积区位于斜坡中部,海拔高度1 250～1 520 m,为缓坡山脊左右两个冲沟。东侧沟后缘海拔高度1 330 m,前缘海拔高度1 220 m,高差110 m,纵长约520 m;西侧沟后缘海拔高度1400 m,前缘海拔高度1 250 m,高差150 m,纵长450 m[4-5]。

主滑体启动滑出后,前缘临空坠落、冲击地面发生强烈撞击,进而解体,形成高速滑坡-碎屑流,沿NNE方向向下运动,沿途铲刮松散堆积物和强风化岩体,体积迅速扩大。滑源区后部岩土体在运动一定距离后,停积于缓坡平台上,其余则向两侧分流,进入沟道继续运动。高速碎屑流受到斜坡冲沟导引,在海拔高度1 450 m附近分流到两条冲沟中(图1):西侧沟谷地势较深且弯曲;东侧沟谷地势开阔而笔直。估算铲刮-堆积区残余碎屑体的体积约1.3×106m3。

c.碎屑流主堆积区

主堆积区位于斜坡下部东西走向的岔沟宽谷,平均厚度约为2 m,堆积体积约0.4×106m3。堆覆区后部堆积厚度较大,含大量碎石;中部多为颗粒较小的饱水碎屑物质;前部为气浪抛洒的黏土碎石。

宽谷附近存在一小山包,对东侧沟道物质运移具有导向作用,而对于西侧沟道碎屑流则具有阻挡作用。由于运动方向受阻,西侧沟道碎屑流撞击左岸,将少量堆积体抛洒至对岸。

1.2.2 斜坡岩体结构

滑坡西侧冲沟内揭露斜坡为岩质边坡,东侧揭露岩体为似层状玄武岩(图2-A)。山脊露头处可观察到斜坡表面上覆厚度为2 m左右的黄色、红色残坡积层,其下为呈散体-碎裂结构的强风化玄武岩(图2-B)。

图2 滑坡现场照片Fig.2 Picture of landslide site(A)似层状玄武岩;(B)山脊露头坡体结构;(C)杏仁状玄武岩;(D)泥化滑带;(E)外倾斜岩层;(F)台阶式滑面

滑面位于第一段和第二段之间的凝灰岩夹层上,滑坡区附近玄武岩体具有以下特征:

a.玄武岩体总体呈强风化-中风化,强风化层表面近黏土化,而浅层岩体则多呈块裂、碎裂状。岩体裂隙张开,强度较低。

b.滑坡区玄武岩存在喷发旋回,可见凝灰岩夹层,主要为火山灰和玄武质岩屑等,厚度0.5～2.5 m。凝灰岩构成岩体软弱夹层。上部玄武岩破碎,局部强风化后泥化,可用手挖动;下部玄武岩致密程度与完整性较好,呈块状,夹有杏仁状结核(图2-C)。凝灰岩夹层遇水泥化湿滑(图2-D),是岩体变形的理想滑面。

c.斜坡岩体节理发育。柱状节理将玄武岩体切割成块状结构。滑坡区内共发育3组节理面,其中两组优势外倾节理面(图2-E),一组倾角近水平。3组节理面呈折线状组合,形成台阶式滑面(图2-F)。

2 滑坡-碎屑流动力特性模拟分析

2.1 Massflow简介

Massflow软件是一款基于深度积分的连续介质力学方法、应用流体力学方程的数值仿真软件,可以在考虑复杂地形条件下进行山体滑坡、碎屑流、泥石流等山地灾害的动力演化过程模拟。乔渊等[17]将Massflow软件应用于泥石流危险性评价,王学良等[18]应用Massflow软件进行了尾矿库溃决运动模拟研究,周琪等[19]运用Massflow软件对突发型黄土滑坡的堆积厚度和运动速度开展了探究,均有效地模拟得到灾害体时空演化过程。但针对西南地区滑坡-碎屑流的Massflow模拟应用与研究还比较缺乏,有待进一步丰富和完善。本文运用Massflow软件对该滑坡-碎屑流的全程动力过程进行模拟,研究滑坡的运动、堆积特征。

2.2 Massflow模型

利用卫星遥感影像和无人机航测分别获得研究区在滑坡前后1：10 000的数字高程模型(DEM),通过ArcGIS进行DEM坐标系重定义和数据处理,并将滑坡前后地形栅格数据进行叠加、剖分,确定滑坡地形、滑坡体积以及高程数据(图3)。在本次模拟中,根据实际情况并出于模型简化和运算效率的考虑,将计算模型设置为单层单相流,忽略演化过程中密度的变化,同时将惯性力对重力加速度的影响视为零。

图3 滑坡计算模型图Fig.3 Landslide calculation model

为达到滑坡运动模拟的最佳效果,根据滑坡运动性质与调查资料,基底摩擦模型选择常用的库仑模型。莫尔-库仑强度破坏准则假定滑体抗剪应力取决于剪切面上的流体正应力大小和滑体本身性质,表达式为

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表示流体厚度(m);φ表示基底摩擦角(°);c表示黏聚力(kN)。

根据现场实验资料结合多次试算结果,滑体土的黏聚力平均值为93.8 kPa,内摩擦角平均值为22.0°,因此基底摩擦系数取0.4。由于该滑坡在碎屑化、流态化后主要以玄武岩质碎屑颗粒运移,因此将滑体区块材料密度设为2 700 kg/m3。主要参数组合如表1所示。

表1 参数取值表Table 1 The parameter values

2.3 滑坡-碎屑流过程模拟

Massflow模拟计算得到滑坡运动的总时长为55 s,与实际监测结果基本吻合;模拟得到的滑坡-碎屑流运动过程如图4所示。

图4 不同时刻滑体堆积情况Fig.4 Accumulation of sliding mass at different times

t<5 s为坡体失稳下滑初始阶段,反映了滑坡失稳形态,滑体高位剪出,从滑源区启动沿临空面向下运动,巨大势能转化成动能,滑体获得较大初速度。

5 s≤t<15 s阶段,滑体冲击中部凸起基岩,解体成为碎块体,运动过程中能量释放加剧了滑体破碎程度,进一步碎屑化。受凸起地形阻挡,滑坡物质在此分叉,分流为两股碎屑流(t=10 s),一股沿西侧沟道发生偏转,另一股向东侧顺坡流动。

15 s≤t<30 s阶段,滑体沿沟道加速下滑。从图4可发现西侧滑体滑移速度快于东侧,是由滑坡运移区域的坡度、地形特征所决定的,与实地调查后预测的滑体运动情况相符,显示了地形条件对滑体运动的影响。该时段属于沟道加速阶段,整体运动积聚有巨大能量,因此对沿途山体破坏比较剧烈,碎屑流体积扩大。

30 s≤t<40 s阶段,滑体运动由陡变缓,速度显著降低。由于西侧沟道地形偏转,碎屑流撞击沟槽侧壁形成爬高,但因速度减弱,爬高量较小。此阶段内,上部及两侧沟道出现滑体堆积。

40 s≤t<50 s阶段,滑体基本到达主堆积区,受碰撞变向后的碎屑流实现交汇(t=40 s)。西侧碎屑流因碰撞发生变向、减速,因此两侧碎屑物质基本同时到达交汇点,此时滑体堆积轮廓基本形成。由于西侧沟道口较小,流动通道截面变窄,流体物质厚度在此处明显增大,最大厚度约24 m(t=40 s),而东侧沟道碎屑物质到达主堆积区呈流态化向周围扩散,形成扇状堆积于沟口。碎屑流体在主堆积区汇合后在无限制条件下逐渐向周围扩散,散开范围逐渐增大,滑体整体继续向前缓慢运动,后部碎屑流沿途发生堆积,堆积厚度开始调整,呈现下降趋势。

50 s≤t≤55 s阶段,由于滑体物质缺乏补充,同时沿途铲刮、碰撞消耗大量动能,滑坡堆积过程基本停止。50 s末滑坡整体堆积范围成型,滑体基本处于稳定状态,堆积体大体保持稳定,没有发生较大改变,少部分残留沿沟道缓慢滑移,说明滑坡-碎屑流全过程已结束,历时约55 s。模拟计算得到西侧沟道凹处滑体堆积明显要厚于其他堆积区域,最大堆积厚度达到18 m。

对比模拟结果与现场堆积情况,Massflow对滑坡-碎屑流全运动过程模拟体现性较好,基本能全面展现碎屑流形成的运移、碰撞、铲刮、堆积等现象。虽然个别区域存在偏差,但整体堆积形态和运动范围基本吻合,总体而言模拟效果较理想。

2.4 碎屑体堆积分布特征

滑坡-碎屑流的最终堆积形态如图5所示。

图5 滑坡最终堆积情况Fig.5 Final accumulation of landslide

从堆积特征来看,碎屑物质堆积形态与实际情况比较一致,主要呈现上下两部分堆积:上部残留部分滑体物质,平均厚度约4.5 m,主要堆积在两条沟道上方;中部流通区域沿途有碎屑残留,但体积很小;下部由于地形变开阔,堆积体向两侧散开,主要停留在沟道出口和谷底部位,最大堆积厚度约18 m,没有向四周形成大范围扩散,也没有出现在谷底继续运动较远距离的现象。图5中的a为滑坡后缘堆积,可以看到主要为松散覆盖堆积,在中部突起岩体以上堆积,影响范围不大;图5中的b为沟道部分残留,从图可以看到沟道冲击运动中抛洒残留的松散薄层覆盖;图5中的c为整个滑坡中的“安全岛”,此处由于岩体分流作用及植物阻挡,没有受到滑坡冲击影响,因此几乎没有堆积物质;图5中的d是沟道底部,也是滑坡主要堆积区,可见整体呈流态状,堆积厚度约15 m,停积范围基本在沟谷内。

但就堆积范围而言,相较于实际分布,模拟得到的堆积体扩散范围偏大。分析认为在Massflow模拟计算中,采用流体力学方程,认为碎屑体流态化过程比较彻底,将其等效为完全流体,所以在泥石流危险性模拟中效果良好,对于土质滑坡和极其破碎岩质滑坡进行的模拟结果也与实际情况有较好符合度。但该滑坡由于岩性组合特征和碰撞、运移过程中解体不完全、流态化不充分,还保留有一些巨大块石和大粒径的碎石,属于岩土复合型滑坡,完全按照流体对其进行模拟会导致扩散分布范围加大,与实际结果产生偏差。因此对于大块体岩质滑坡来说,将其完全视作流体进行Massflow模拟会放大其影响范围,使模拟的分布特征和实际存在差距。

2.5 能量特征

滑体在整个运动过程中能量特征如图6所示。

图6 能量分布图Fig.6 Energy distribution

从滑坡运动开始,东侧沟道碎屑流能量在缓慢增加,在坡度最大、沟道宽度较为狭窄处达到最大,随后进入开阔地带,物质呈喇叭状散开,能量也迅速消散;西侧沟道碎屑物质能量从滑源区到铲刮-流通区一直处于增加状态,在沟道转折发生碰撞前、坡度最大处达到最大,发生碰撞后能量急剧下降,随后汇入谷底,与东侧碎屑流汇聚。

根据胡晓波[20]对滑坡运动过程中能量消耗影响因素的研究结果,结合实地地形条件,认为斜坡坡度改变、地层岩性组成、运动路径坡型变化、滑面横断面形态特征是决定滑坡-碎屑流运动过程中滑体能量变化的主要影响因素:

a.滑坡启动加速阶段,竖直方向速度分量随斜坡坡度增加而不断增加;滑坡运移至坡脚与水平地面碰撞后,竖直方向速度减小为零。说明在相同落差条件下,滑坡能量损失与斜坡坡度呈正相关关系。

b.滑体强度决定了滑坡解体破碎程度、运移摩擦效应和摩擦耗能机制。该滑坡体主要为较坚硬的玄武岩,这类硬岩破碎产生的大块体有利于能量传递,但也增强了与地面的摩擦作用。

c.西侧沟道凹面型的运动路径纵剖面形态影响了碎屑流运移的加速﹑碰撞和减速效应,进而影响了滑坡整体运动的能量分布。

d.东侧沟道开阔型的横断面形态,虽然对碎屑流运动的挤压﹑约束作用小,相对内能消耗小,但碎屑物质的横向扩散增大了运动接触面积,导致能量耗散增加。

3 结 论

本文基于滑坡工程地质条件与基本分区特征,应用Massflow软件对西南山区某滑坡的运动堆积全过程进行了模拟分析,得到下列结论:

a.该滑坡由多因素诱发,滑坡发展过程中碰撞解体、沟道运移碎屑流态化具有较好代表性。滑坡总滑行距离约1.4 km,物源区到堆积区高差达到500 m,可根据运动与堆积特征划分为滑源区、铲刮-堆积区和主堆积区。

b.通过Massflow软件模拟,较为准确地重现了滑坡时空演化过程,得到了较为理想的运动参数。可按照演化特征分为失稳、碰撞、分流加速、扩容减速、堆积5个阶段。堆积形态呈上下两部分,表现为沟道薄、谷底厚、沿途抛洒;上部物质主要残留于沟道上方,平均厚度约4.5 m;下部堆积体向两侧散开,主要停留在沟道出口与谷底,没有大范围扩散,也没有沿谷底运移较远距离,最大堆积厚度位于西侧沟道下凹处,达到18 m。对滑坡运动过程能量变化起主要影响作用的因素有斜坡坡度、地层岩性、运动路径坡型变化和滑面横断面形态。

c.将模拟结果与实际情况对比,认为Massflow模拟能在一定程度上反映滑坡-碎屑流的运动过程,运动特征和堆积形态有较高一致性,可为西南山区高速远程滑坡-碎屑流形成演化动力学机制研究提供基本参数,为相似地形滑坡灾害的启动与影响范围分析提供依据,对类似山地灾害的特征分析和预测具有参考意义。

d.由于Massflow模拟中将对象等效为完全流体,因此对泥石流、山洪等流态化程度较高的山地灾害适用性良好,对于本次研究的颗粒较小、极其破碎的岩质滑坡或土质滑坡的模拟结果也较理想;但对于含有许多大块石、大漂砾的岩质滑坡全过程模拟的准确性、可靠程度还需在更多案例中加以研究与改进。