基于DEM的“10.11”金沙江大型山體滑坡運動特性分析

趙 川, 蔣琳琳, 李曉鵬, 羅思敏, 李 勁

(1. 四川省水利科學研究院 水利科技信息中心站, 四川 成都 610072;2. 天津大學 仁愛學院, 天津 301636; 3. 四川省都江堰東風渠管理處, 四川 成都 610057)

2018年10月11日上午7時10分許,位于西藏自治區江達縣波羅鄉境內的金沙江岸坡(四川白玉縣絨蓋鄉對岸)發生了大規模山體垮塌,如圖1所示.滑坡中心位于東經98°42′18″、北緯31°4′56″,由于土石量巨大,滑坡體造成金沙江干流堵塞并形成白格堰塞湖,堰塞湖最大蓄水量近2億m3,直接影響下游人民的生命和財產安全.

經調查,此次滑坡主要是由金沙江右岸西藏方向的白格滑坡引發,白格滑坡體含泥量較高,主要由土、碎石和塊石組成,屬于典型的強風化巖體碎屑流.滑坡體頂部高程約3 670 m,底部高程約2 930 m,最大高程差近740 m,原始邊坡坡度平均34°,沿江方向縱向寬度350 m.滑坡發生后,在金沙江河道內堆積形成的堰塞體順河長度約1 500 m,最大厚度近80 m,最大寬度約500 m.經初步估算,總的堰塞體體積約2 000萬m3.

圖1 金沙江白格滑坡現場Fig.1 Image of Baige landslide of Jinsha River

為了及時分析白格滑坡的各項滑動參數特性,盡快掌握白格滑坡滑動后的演化趨勢和堆積過程,本文利用有限元極限分析法[1-3]計算白格滑坡滑裂面滑帶土的相關力學參數,并采用顆粒離散單元法(discrete element method,DEM)[4-5]建立金沙江白格滑坡數值模型,模擬白格滑坡的啟動-滑移-堆積-停止整個過程,旨在為后期防災減災部門采取適宜的治理措施提供參考.

1 模型建立及計算參數

圖2為金沙江白格滑坡最大橫剖面.滑坡體位于金沙江左岸的西藏自治區江達縣波羅鄉境內,右岸為四川省白玉縣絨蓋鄉.根據現場調查,滑坡體主要由土、碎石和塊石組成,是典型的碎屑流[6-7],碎屑流由于風化非常嚴重,可不考慮滑坡體的黏聚力.根據文獻[8]中金沙江兩岸山體不同巖性構成巖堆的天然休止角,并結合白格滑坡實際情況,滑坡體的綜合內摩擦角取30°,靜摩擦因數取內摩擦角的正切值,即0.58.

圖2 金沙江白格滑坡最大橫剖面Fig.2 The largest cross section of Baige landslide of Jinsha River

由于前期當地降雨較多,雨水滲入滑裂面,滑裂面的抗剪強度指標明顯低于滑坡體.因此,可將滑裂面視為一條存在一定厚度的滑帶土[9-12],本次采用有限元極限分析法計算滑裂面滑帶土的力學參數,其原理為通過不斷調整滑帶土的強度參數,直到達到臨界狀態塑性點貫通滑裂面,將此時滑帶土的力學參數作為滑裂面的強度指標,有限元網格模型和邊坡極限狀態如圖3、圖4所示.最終循環計算得到的滑帶土的內摩擦角為18.5°,由于該滑坡碎屑不考慮黏聚力,則對應滑動面靜摩擦因數取內摩擦角的正切值,為0.33.

圖3 白格滑坡有限元模型Fig.3 Finite element model of Baige landslide

圖4 白格滑坡塑性點貫通狀態Fig.4 Plastic point penetration state of Baige landslide

表1 白格滑坡離散元模型相關參數Table 1 Parameters of discrete element model of Baige landslide

圖5 白格滑坡顆粒離散元分析模型Fig.5 DEM particle model of Baige landslide

2 白格滑坡整體運動特性分析

為了分析白格滑坡體在不同時刻的運動狀態,圖6給出了滑坡體最大剖面在不同時刻的運動速度分布.由圖6分析可知,在白格滑坡整體啟動后時間t=8 s時,滑坡體前緣部分沖入金沙江,此時前緣顆粒最大運動速度約30 m·s-1,滑坡體中部運動速度約20 m·s-1,后緣部分速度相對較小.之后,由于滑坡體巨大的沖擊,不斷擠壓坡體前緣部分,使其沖上對岸(四川白玉)邊坡,接著坡體前緣部分速度逐漸減小并順坡回流,造成四川岸邊坡表面植被大面積刮鏟,運動停止后堆積在河道內和四川岸,在四川岸的最大堆積高度為90 m左右;滑坡體中后部隨之向下滑動,顆粒最大速度可達60 m·s-1,停止后大部分堆積在西藏岸,西藏岸堆積高度達70 m左右.在t=40 s時,剖面上的運動基本停止,形成四川岸高、西藏岸低的堰塞體,這與滑坡現場觀察情況一致.

圖6 不同時刻白格滑坡體運動速度分布Fig.6 Velocity distribution of the Baige landslide body at different times

滑坡體形成的堰塞湖江水于2018年10月12日下午5點蓄滿,并開始溢流,溢流口首先出現在堰塞體厚度較低的西藏岸.圖7為金沙江水沖破堰塞體進行泄流的情況.

圖7金沙江水沖破堰塞體泄流(西藏岸)

Fig.7JinshaRiverbreakingthroughweirbody anddischarging(onTibetbank)

為了分析白格滑坡在空間上的運動特性,圖8給出了整個滑坡體運動過程的平均速度隨時間的變化情況.由圖8a可見:在t=18 s時滑坡體整體運動速度最大,為37 m·s-1,而在t=54 s時,平均速度減小至0.04 m·s-1,可認為此時滑坡運動基本停止,白格滑坡總的持續時間為54 s.

由圖8b、圖8c、圖8d可知坡體在X、Y、Z方向的運動速度.在X方向(主滑方向)上,坡體在t=18 s 時速度最大,為32 m·s-1,t=36 s時速度由正轉負,表明此時沖入四川岸的坡體開始順坡回流,t=41 s后坡體在X方向的運動基本停止;-Y方向表示重力方向,在t=14 s時平均速度的絕對值最大為15.5 m·s-1;而在沿河道的Z方向上(水流方向為-Z),滑坡體在后期運動更為明顯,在t=36 s時平均速度的絕對值達到最大值6 m·s-1,t=54 s時順河方向的速度趨于0.

圖8 白格滑坡體平均速度-時間曲線Fig.8 Curve of average velocity of the Baige landslide(a)—整體速度; (b)—X方向速度; (c)—Y方向速度; (d)—Z方向速度.

說明白格滑坡運動前期主要表現為橫向沖擊,后期為縱向的運動堆積.

圖9為白格滑坡顆粒離散元模擬得到的堆積堰塞體,由圖9可見,在河道內堰塞體總長度約1 700 m,向上游延伸500 m,向下游延伸1 200 m,最大堆積寬度約500 m,最大厚度90 m(四川岸).計算結果與現場情況基本一致, 結果顯示直徑9 m 的大顆粒主要位于堰塞體中部,形成明顯的帶狀,并向下游逐步延伸.

圖9白格滑坡體堆積形成堰塞體
Fig.9ThebarrieroftheBaigelandslide

3 白格滑坡局部運動特性分析

為進一步分析金沙江白格滑坡體不同部位的運動差異,將顆粒模型試樣從上到下分成3個區域,編號A、B、C(如圖10所示),分別代表滑坡體的后部、中部和前部.圖10給出了白格滑坡體不同部位在不同時刻的堆積效果,分析可知坡體前部和中部顆粒主要堆積在四川岸和河道中,并向下游延伸,而后部坡體基本堆積在西藏岸,并未堆積在金沙江河道內.

圖10 白格滑坡體不同部位不同時刻堆積效果Fig.10 Deposition of different parts of the Baige landslide at different times

通過后處理模塊對3個區域內所有顆粒運動速度進行統計分析,取速度平均值繪制相應的速度-時間變化曲線,見圖11.分析圖11a可知,A、B、C三部分的最大運動速度分別為51.5、42.7和30.8 m·s-1,對應的時刻分別為24、18和14 s.X方向上各部位運動速度變化趨勢與整體速度基本一致.Y方向上各部位速度基本向下,為負值.滑坡體從下部到上部速度逐漸達到峰值,其中滑坡體后部的速度絕對值最大為26.5 m·s-1,唯有C區的速度在第19～27 s期間為正,正好符合坡體前緣顆粒沖上四川岸的物理現象.因方向向上,故速度為正.河道Z方向上B區和C區的速度絕對值較大,分別為8.2和6.5 m·s-1.后緣A區速度最小,絕對值的最大值僅為3.7 m·s-1,說明在順河道方向流動堆積的顆粒主要是由滑坡體的前部和中部組成.

圖11 不同分區顆粒運動平均速度-時間曲線Fig.11 Curve of average velocity-time of different regions(a)—整體速度; (b)—X方向速度; (c)—Y方向速度; (d)—Z方向速度.

圖12以流線方式顯示了金沙江白格滑坡離散元模型所有顆粒單元的運動軌跡和速度分布,其運動軌跡可以確定白格滑坡整個滑動過程的影響區域,可以快速確定致災范圍.根據速度分布可以發現顆粒單元最大運動速度區主要位于坡腳及兩側,極個別巖塊顆粒速度大于50 m·s-1,為滑坡過程中脫離母體而產生的飛石.

圖12白格滑坡模型顆粒單元運動軌跡及流線速度分布

Fig.12Trajectoryandstreamlinevelocitydistribution ofBaigelandslide

4 結 論

本文基于離散單元法,建立了2018年10月11日發生的金沙江大型山體滑坡----白格滑坡----的數值分析模型,并通過有限元極限分析法確定了相關計算參數,進而模擬再現了金沙江白格滑坡的啟動-滑移-堆積-停止整個過程,通過分析滑坡的運動、堆積特性,得到以下結論.

1) 白格滑坡運動總的持續時間為54 s,滑坡體整體運動速度最大平均值為37 m·s-1,對應時刻為滑坡啟動后的第18 s.

2) 將白格滑坡運動過程劃分為3個階段,分別為滑坡啟動-沖擊到金沙江河道(順坡滑動)、滑坡前緣沖上對岸(逆向爬坡)、滑坡體向河道下游擠壓運動堆積,對應時段分別為0～8 s、8～36 s、36～54 s.

3) 白格滑坡體最終堆積形成的堰塞體總長約1 700 m,向上游延伸500 m,向下游延伸1 200 m;最大堆積寬度約500 m;最大厚度位于四川岸,接近90 m,西藏岸厚度相對較小,為后期江水蓄滿,從西藏岸溢流創造了條件.

4) 滑坡體前部和中部顆粒主要堆積在四川岸和河道中,并向下游延伸,擴大了滑坡災害的影響范圍;而后部坡體主要堆積在西藏岸,并未堆積在金沙江河道內.

5) 滑坡體后緣部分運動速度峰值最大,為51.5 m·s-1;前緣部分運動速度峰值最小,為30.8 m·s-1.

本文研究的白格滑坡是當地金沙江流域典型的強風化碎屑滑坡,經現場調研,金沙江兩岸經常發生類似的小規模滑坡和巖體崩塌(見圖13),直接阻斷公路并影響到當地人們的生命財產安全.因此,本文的研究成果可為后期金沙江兩岸風化嚴重的山體發生類似土石混合滑坡的安全評估和滑動預測提供參考和借鑒.

圖13 金沙江岸坡強風化巖體碎屑滑坡和崩塌Fig.13 Strong weathered rock mass debris and landslides in the Jinsha river bank