滑坡堵江災(zāi)害分析及離散元數(shù)值模擬

黃 鴻 強(qiáng)

(中山市火炬高技術(shù)產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)水利所，廣東 中山 528436)

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滑坡堵江災(zāi)害分析及離散元數(shù)值模擬

黃 鴻 強(qiáng)

(中山市火炬高技術(shù)產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)水利所，廣東 中山 528436)

簡(jiǎn)要分析了滑坡堵江形成的災(zāi)害鏈，采用離散元軟件PFC2D對(duì)其進(jìn)行了模擬，考慮了地形坡度及河道寬度對(duì)堵江的影響，模擬結(jié)果表明，河寬是決定滑坡體能否堵江的重要因素，隨著河寬層增加，滑坡堵江由全堵型變成部分堵江。

滑坡堵江，山區(qū)河流，離散元模擬，影響因素

1 概述

由于全球氣候變暖、地震頻發(fā)以及人類活動(dòng)增加等原因，滑坡等地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生頻率日益增加，嚴(yán)重威脅人類的生命財(cái)產(chǎn)安全[1]。山區(qū)河流岸坡由于地形陡峻、地質(zhì)條件復(fù)雜，是滑坡災(zāi)害的高發(fā)地區(qū)。滑坡沿河流方向滑動(dòng)，堆積物在河道堆積，很有可能造成河道堵塞并釀成巨大災(zāi)害。如1786年6月的如瀘定縣磨西地震引起的大渡河木杠嶺山崩堵江，堰塞壩于10 d后發(fā)生潰決，引發(fā)特大潰壩洪水，造成多人死亡[2]。

滑坡堵江災(zāi)害已經(jīng)嚴(yán)重影響到人類的工程經(jīng)濟(jì)活動(dòng)，但人們對(duì)其的研究仍不甚深入[2]。張?zhí)煊臃治隽宋髂仙絽^(qū)堰塞湖現(xiàn)象及滑坡堵河的影響因素，對(duì)堰塞湖及其危害進(jìn)行了討論[3]。柴賀軍等對(duì)中國(guó)堵江滑坡的分布、成因以及基本特征進(jìn)行了研究[4]。羅剛采用彈塑性力學(xué)和離散元模擬等手段對(duì)唐家山高速短程滑坡堵江過程及機(jī)制進(jìn)行了研究[5]。胡卸文等對(duì)唐家山滑坡及其堰塞壩開展了現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，在此基礎(chǔ)上對(duì)滑坡堵江的發(fā)生機(jī)理進(jìn)行簡(jiǎn)單的探討，認(rèn)為滑坡能夠堵江取決于滑坡速度、主河道水流流量和速度以及河道寬度等因素[6]。

本文對(duì)滑坡堵江災(zāi)害進(jìn)行了簡(jiǎn)單的分析，并采用二維離散元軟件PFC2D對(duì)滑坡堵江過程進(jìn)行了模擬，考慮了地形坡度和河道寬度兩個(gè)因素的影響，主要對(duì)堵江過程、滑坡速度等進(jìn)行分析。

2 滑坡堵江災(zāi)害分析

滑坡堵江是滑坡從河岸一側(cè)滑入河道并停積，造成河道完全或不完全堵塞的過程如圖1所示。滑坡能否堵江取決于滑坡下滑速度、主河道流量和流速以及主河道寬度三個(gè)因素[6]。

堵江事件在世界范圍內(nèi)廣泛存在，尤其是在山區(qū)，而我國(guó)是滑坡堵江的重災(zāi)區(qū)之一。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，截至1995年，我國(guó)發(fā)生了至少147起滑坡堵江事件[7]，其中較為典型的如表1所示。

表1 我國(guó)典型的滑坡堵江事件

滑坡在入河過程中有可能激起巨大涌浪，威脅附近居民的生命財(cái)產(chǎn)安全，滑入河道后可阻斷河流，影響下游航運(yùn)及其他用水需求。另外，如果滑坡完全將河道截?cái)嘈纬裳呷麎危捎诨露逊e物較為松散，隨著水位上漲容易發(fā)生潰壩并形成潰壩洪水，給下游居民帶來滅頂之災(zāi)。柴賀軍等[8]曾統(tǒng)計(jì)了我國(guó)28個(gè)堰塞壩，發(fā)現(xiàn)其中有18個(gè)發(fā)生了潰決，因此滑坡堵江及其次生潰壩洪水災(zāi)害不容忽視。

3 數(shù)值模擬

為加深對(duì)山區(qū)滑坡堵江的認(rèn)識(shí)，本文采用PFC2D離散元軟件對(duì)該過程進(jìn)行簡(jiǎn)單模擬，旨在研究堵江過程及探討不同因素對(duì)滑坡堵江的影響規(guī)律。模擬過程中認(rèn)為滑坡在運(yùn)動(dòng)過程中充分破碎，并考慮河道處于枯水期，忽略水流對(duì)滑坡堵江的影響。雖然實(shí)際河道中通常不會(huì)完全處于干燥狀態(tài)，滑坡堵江過程中會(huì)受到動(dòng)水的影響，但是以下各因素的影響規(guī)律大致相同。

3.1 計(jì)算方案

數(shù)值模型主要由料斗、運(yùn)動(dòng)加速段和河道三部分組成，其尺寸如圖2所示。如圖2所示，河道簡(jiǎn)化為矩形斷面，河寬為3 m，高度為1 m；料斗寬度和后部高度均為1 m；河道與料斗之間由坡度為30°，水平長(zhǎng)度為9 m的斜板連接。

本文主要研究地形坡度以及河道寬度兩個(gè)因素對(duì)堵江作用的影響，計(jì)算方案見表2。如表2所示，T01～T03是為了研究河寬的影響；T02與T04是為了研究地形坡度的影響。

表2 數(shù)值模擬方案

3.2 計(jì)算結(jié)果

1)堵江過程。

滑坡堵江過程對(duì)認(rèn)識(shí)堵江災(zāi)害具有重要意義，PFC2D可在計(jì)算過程中對(duì)滑坡整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程進(jìn)行監(jiān)測(cè)。圖3為滑坡堵江的基本過程，由圖3可知，滑坡啟動(dòng)后經(jīng)運(yùn)動(dòng)加速段加速后滑入河道并在主河道內(nèi)堆積，隨著滑坡物質(zhì)不斷進(jìn)入河道內(nèi)，堆積體范圍不斷擴(kuò)大并向滑坡沖擊部位兩側(cè)發(fā)展，形成三角形堆積形態(tài)。在滑坡方量足夠大的情況下，滑坡堆積物最終將河道截?cái)啵纬裳呷Ｔ诤拥浪髁髁看蟆⒘魉倏斓那闆r下，部分滑坡物質(zhì)在入河后將被沖走，但是滑坡往往體積巨大且速度極快，在有水條件下仍然可將河道阻斷形成堰塞湖。

2)河寬的影響。

河寬是決定滑坡是否能堵江的重要因素之一，本文模擬過程中考慮了河寬為1 m,3 m和4 m三種情況對(duì)滑坡堵江的影響，模擬結(jié)果如圖4所示。圖4a)～圖4c)分別為河寬為1 m,3 m和4 m時(shí)滑坡物質(zhì)堆積形態(tài)，由圖4可以看出，在相同的滑坡體積條件下，河寬越大越不容易造成堵江。當(dāng)河道寬度為4 m時(shí)，由于滑坡物質(zhì)有限，只能造成河道局部堵塞。不完全堵江形成后，若河道處于豐水期，大量的水流將以更大的速度沿未堵塞一側(cè)向下游流動(dòng)，并不斷沖刷滑坡堆積物。

另外，河寬較小時(shí)，滑坡物質(zhì)在入河時(shí)可能直接撞擊對(duì)岸，對(duì)其施加較大的沖擊荷載，如圖5所示。若河岸地質(zhì)情況較差，有可能發(fā)生失穩(wěn)破壞而增加堵江的幾率。

3)坡度的影響。

模擬過程中研究了20°和30°兩個(gè)不同地形坡度對(duì)滑坡堵江作用的影響，模擬結(jié)果如圖6所示。由圖6可以看出，隨著地形坡度的減小，滑坡入河位置向河道左側(cè)移動(dòng)。當(dāng)河道水流較大時(shí)，同一斷面上不同位置水流流速分布不均將導(dǎo)致滑坡在不同位置開始堆積而導(dǎo)致不同的堵江效果。

圖7為不同地形坡度條件下滑坡運(yùn)動(dòng)過程中速度演化過程，由圖7可以看出，坡度較大時(shí)滑坡經(jīng)過加速獲得的速度增大。滑坡物質(zhì)進(jìn)入河道形成堆積后速度迅速下降，當(dāng)?shù)匦纹露葹?0°時(shí)，下降的速率要高于坡度為20°的情況。并且，滑坡體完全入河堆積所需時(shí)間也隨坡度的增加而增加，因此在同等水力條件下，坡度越大越容易造成堵江。

4 結(jié)語(yǔ)

滑坡堵江是山區(qū)河流中的一種較為典型的衍生災(zāi)害，其嚴(yán)重威脅著人類的生命財(cái)產(chǎn)安全。本文對(duì)滑坡堵江災(zāi)害進(jìn)行了簡(jiǎn)單的分析，并采用離散元軟件PFC2D對(duì)其進(jìn)行模擬，主要得出以下結(jié)論：

1)滑坡堵江可造成重大災(zāi)害損失，一方面它可直接激起巨大涌浪，危及周邊居民的安全；另一方面可阻斷河流形成堰塞壩，影響下游航運(yùn)。若不及時(shí)處理而導(dǎo)致潰壩，甚至?xí)o下游居民帶來滅頂之災(zāi)。

2)滑坡體在加速段加速后高速滑入河道并堆積，隨著滑坡過程的發(fā)展，堆積物高程不斷升高，最終將河道阻斷形成堰塞壩。

3)河寬對(duì)堵江影響重大，寬度越小，滑坡體越容易將河道完全阻斷；地形坡度的增大導(dǎo)致滑坡體入河位置向河右側(cè)偏移，同時(shí)使滑坡體入河速度增加，增大堵江的幾率。

[1] 范一大,朱建軍,童小華,等.典型地質(zhì)災(zāi)害遙感監(jiān)測(cè)與應(yīng)急關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用[J].科技成果管理與研究,2016(1)：25-26.

[2] 晏鄂川,鄭萬模,唐輝明,等.滑坡堵江壩潰決洪水及其演進(jìn)的理論分析[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì),2001,28(6):15-17.

[3] 張?zhí)煊?西南山區(qū)公路滑坡泥石流堵江問題概述[J].甘肅科技,2010,26(11):141-143.

[4] 柴賀軍,劉漢超,張倬元.中國(guó)滑坡堵江的類型及其特點(diǎn)[J].成都理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),1998(3):411-416.

[5] 羅 剛.唐家山高速短程滑坡堵江及潰壩機(jī)制研究[D].成都：西南交通大學(xué),2012.

[6] 胡卸文,黃潤(rùn)秋,施裕兵,等.唐家山滑坡堵江機(jī)制及堰塞壩潰壩模式分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2009,28(1):181-189.

[7] 柴賀軍,劉漢超.中國(guó)滑坡堵江事件目錄[J].地質(zhì)災(zāi)害與環(huán)境保護(hù),1995(4)：1-2.

[8] 柴賀軍,劉漢超,張倬元,等.中國(guó)堵江滑坡的分布、成因和基本特征研究(英文)[J].成都理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2000,27(3):302-307.

Landslide-dammed lake disaster analysis and discrete element numerical simulation

Huang Hongqiang

(ZhongshanHuojuTechnologyIndustryDevelopmentDistrictHydrologyDepartment,Zhongshan528436,China)

The paper briefly analyzes landslide-dammed lake forming disaster chain, carries out a simulation by applying discrete element software PFC2D, and takes the influence of morphological slope angle and river width upon the landslide-dammed. The simulation results show that: the river width is the important element for determining the landslide dammed river, with the river width increasing, the landslide-dammed lake will change from the full-dam to sub-dam.

landslide-dammed lake, mountainous river, discrete element simulation, influential factor

1009-6825(2017)14-0072-03

2017-03-02

黃鴻強(qiáng)(1989- )，男，助理工程師

P642.22

A