白龍江流域大型高位滑坡成災(zāi)動力過程模擬研究*

馮 振，游 楊，陳 亮，王立朝

(1.中國地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院，北京 100081；2.湖北省地質(zhì)局第二地質(zhì)大隊，恩施 445000)

白龍江流域位于青藏高原東北緣、西秦嶺構(gòu)造帶，長期地質(zhì)構(gòu)造發(fā)展過程中沿北西構(gòu)造線形成與白龍江大致互相平行的擠壓帶，構(gòu)造運(yùn)動強(qiáng)烈，活動斷裂發(fā)育，曾發(fā)生過震級較大的地震(圖1)。

圖1 立節(jié)北山滑坡構(gòu)造環(huán)境背景(斷裂帶數(shù)據(jù)來源于參考文獻(xiàn)[1])

受秦嶺緯向構(gòu)造體系的影響，歷經(jīng)燕山運(yùn)動和喜馬拉雅山造山運(yùn)動，白龍江復(fù)式背斜在長期擠壓、擴(kuò)張、褶皺和不斷復(fù)合過程中，形成多期性斷裂構(gòu)造，次級褶皺非常發(fā)育，巖體極其破碎。區(qū)域性深大斷裂-光蓋山-迭山南麓斷裂帶由多條分支走滑逆沖斷裂組成，分支斷裂斷錯在泥盆系與志留系之間。光蓋山-迭山南麓斷裂帶總體走向300°，傾向NE，傾角60°～80°，其左旋走滑速率約1.4 mm/a、擠壓逆沖速率約3.7 mm/a。

地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育，地層巖性復(fù)雜，水系切割強(qiáng)烈，地形具有山勢陡峻、相對高差大等特點，使白龍江流域發(fā)育大量高位滑坡災(zāi)害，并且具有大型滑坡成群集中的特點，是我國高位地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險極高的地區(qū)之一[2-4](圖2)。大型高位滑坡發(fā)育于高陡斜坡中上部，蘊(yùn)含巨大的重力勢能，滑坡失穩(wěn)發(fā)生重力勢能與動能轉(zhuǎn)化，極易形成高速遠(yuǎn)程滑坡-碎屑流災(zāi)害，具有超遠(yuǎn)距離的滑動位移、強(qiáng)大的破壞與致災(zāi)能力[5-10]。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，白龍江流域舟曲段分布由45處大型-特大型高位滑坡，包括咀疙瘩滑坡、鎖兒頭滑坡、泄流坡滑坡、南峪鄉(xiāng)江頂崖滑坡等，曾發(fā)生過多起高位高速遠(yuǎn)程滑坡堵江事件，造成重大的經(jīng)濟(jì)損失[11-15]。因此，有必要在該區(qū)域開展大型高位滑坡風(fēng)險調(diào)查評價工作，為保障山區(qū)城鎮(zhèn)化與重大工程建設(shè)安全提供技術(shù)支撐。

圖2 白龍江流域舟曲段滑坡分布及立節(jié)北山滑坡位置圖(底圖來源于Bigemap軟件，災(zāi)害點數(shù)據(jù)來源于參考文獻(xiàn)[16])

立節(jié)北山古滑坡位于光蓋山-迭山南麓斷裂帶分支斷裂上盤、白龍江左岸的立節(jié)鎮(zhèn)北側(cè)山體上部，體積約240萬 m3，高程2 210～2 430 m，剪出口與坡腳的立節(jié)場鎮(zhèn)、白龍江江面高差約700 m，屬于典型的大型高位滑坡(圖3)。本文以白龍江流域舟曲立節(jié)北山滑坡為例，通過資料搜集、遙感調(diào)查與解譯、野外踏勘等手段，查明了滑坡所處的地質(zhì)環(huán)境條件和變形破壞特征，采用基于光滑質(zhì)點流體動力學(xué)與等效流體模型的DAN3D動力分析軟件，開展滑坡后破壞運(yùn)動過程模擬，獲得運(yùn)動學(xué)參數(shù)與動力致災(zāi)特征。

圖3 立節(jié)北山滑坡全貌(2021年9月無人機(jī)傾斜攝影DOM)

1 地質(zhì)環(huán)境條件

1.1 地形地貌

舟曲縣立節(jié)鎮(zhèn)北山滑坡區(qū)域構(gòu)造上位于青藏高原東緣、西秦嶺西翼與岷山山脈交會地帶。古滑坡所在山體地形北高南低，坡頂高程約2 780 m，白龍江江面高程約1 510 m，最大高差近1 270 m，屬于強(qiáng)烈上升的侵蝕構(gòu)造地貌(圖3)。依據(jù)坡度、高程及變形破壞特征，可將山體劃分為5段(圖4)：高程大于2 440 m為穩(wěn)定緩坡區(qū)，坡度14°～19°，主要為耕地；高程2 210 m～2 440 m為古滑坡變形區(qū)，坡度14°～60°，呈整體坡度32°，上陡下緩的地形，為梯級旱地；高程1 870 m～2 210 m為淺表層滑坡區(qū)，坡度34°～41°，基巖裸露，分布零星灌木雜草；高程1 600 m～1 870 m為坡面侵蝕溝谷區(qū)，坡度41°～52°，溝道呈“V”字形；高程小于1 600 m為白龍江河谷階地，坡度0～17°，為建筑用地及農(nóng)田(圖2)。

圖4 立節(jié)北山滑坡剖面A-A’(剖面位置見圖2)

1.2 地層巖性

1.3 巖體結(jié)構(gòu)

圖5 立節(jié)北山滑坡工程地質(zhì)條件圖(底圖為2021年1月無人機(jī)傾斜攝影DOM)

2 滑坡體基本特征

立節(jié)北山滑坡具有典型的凹陷負(fù)地形地貌，其平面形態(tài)為圈椅狀，剖面呈階梯狀，邊界清晰(見圖5)。調(diào)勘察結(jié)果顯示，立節(jié)北山滑坡前緣高程為2 223 m，后緣高程為2 432 m，相對高差209 m，主滑方向203°，滑體最大長度391 m，平均寬度362 m，面積約14.15×104m2，平均厚度17 m，總體積約240×104m3，為中層大型堆積層滑坡。

滑坡后緣與山體后部穩(wěn)定緩坡區(qū)發(fā)生地形轉(zhuǎn)折，坡度陡峭，坡度約40°～45°，局部出露厚層狀灰?guī)r，小型崩塌時有發(fā)生(圖5、圖6)。滑坡中下部坡度約20°～28°，為條帶狀梯田，各梯田高差3～5 m，陡坎坡度68°～84°。東西兩側(cè)為與后壁相連的近南北向山梁，前緣均以為沖溝界，滑體變形導(dǎo)致兩側(cè)道路斷陷，東側(cè)前緣黃土覆蓋區(qū)揭露明顯的陡立滑動面(圖7)。滑坡前緣地形陡立，坡度32°～45°，發(fā)生大面積的淺層滑動，地表凌亂，分布大量的裂縫與錯坎(圖5、圖8)。

圖6 小型崩塌-碎屑流(鏡向345°，位置見圖5點a)

圖7 立節(jié)北山滑坡東側(cè)邊界(左圖鏡向330°，右圖鏡向40°，位置見圖5點b)

圖8 立節(jié)北山滑坡前緣變形(鏡向280°，位置見圖5點c)

3 變形破壞特征

立節(jié)北山滑坡長期處于蠕滑變形，滑體上分布規(guī)模各異的裂縫，局部淺層滑動、崩塌不斷發(fā)生，強(qiáng)降雨與地震的變形加劇效應(yīng)尤為顯著[17]。1979年滑坡首次發(fā)生復(fù)活變形，前緣東側(cè)發(fā)生局部滑動，經(jīng)長期降雨侵蝕形成深切沖溝。1982年滑坡前緣出現(xiàn)裂縫，中部民房變形開裂。1984年、1998年強(qiáng)降雨導(dǎo)致前緣不斷發(fā)生小面積滑動。2008年汶川地震使滑坡前緣淺層滑動加劇，東側(cè)沖溝出現(xiàn)小型黃土崩塌。2013年受岷漳地震及降雨影響，滑坡西側(cè)前緣發(fā)生淺層滑動，東側(cè)沖溝坡面不斷崩塌滑落。2014-2020年，滑坡各個區(qū)域變形不斷加劇，局部崩滑時常發(fā)生。直至2020年8月17日暴雨，滑坡前部發(fā)生大面積滑動，滑體沿坡面沖溝轉(zhuǎn)化為泥石流沖入白龍江，造成白龍江擁堵過半。2021年1月14日，立節(jié)北山滑坡變形加劇，坡體多處出現(xiàn)裂縫合錯落，滑體前部村道局部變形破壞(見圖5)。

根據(jù)無人機(jī)傾斜攝影與現(xiàn)場調(diào)查，截至2021年底，立節(jié)北山滑坡范圍內(nèi)形成8處崩塌、39條裂縫、8個次級滑動(圖5)崩塌源自滑坡局部出露的厚層狀碎裂灰?guī)r，巖體風(fēng)化程度高，節(jié)理裂隙發(fā)育，垂向裂隙切割巖體發(fā)生錯落式崩塌，沿陡坡形成碎屑流，最終堆積于梯田、陡坎與道路上(圖5、圖6)。裂縫傾向臨空方向，傾角近直立，均為張拉性質(zhì)，根據(jù)發(fā)育分布特征可分為三組(圖5)。一組沿滑坡邊界展布，走向與滑坡邊界基本平行，包括：后緣4條弧形裂縫，平均寬度15 cm，平均深度50 cm；西翼3條、東翼13條羽狀裂縫，平均寬度15 cm，平均深度70 cm，局部有錯動陡坎，高差5～20 cm，其中滑坡下部東側(cè)側(cè)壁處裂縫落距約2.1 m，在表層黃土中揭露平直的滑動面。一組位于滑坡中部，共4條，長25～70 m，整體走向北西，其中3條構(gòu)成西側(cè)次級滑動的東側(cè)邊界。一組位于滑坡前緣，共16條，長20～120 m，整體走向與滑動方向近垂直，是前緣3處局部滑動形成的張拉裂縫。

立節(jié)北山滑坡屬于古滑坡堆積體復(fù)活變形，具有典型的土質(zhì)滑坡特征與要素，包括圈椅狀地貌、圓弧形滑動面、“上陡下緩”的地形等特點，后緣拉張錯斷、前緣塌陷溜滑、地表裂縫交錯等各類變形跡象，是滑坡蠕滑變形的結(jié)果。滑坡下部斜坡由千枚巖、板巖構(gòu)成，強(qiáng)度低、性質(zhì)軟、風(fēng)化程度高，坡面沖溝發(fā)育，長期溯源侵蝕作用導(dǎo)致溝坡及淺表層滑動不斷發(fā)生，規(guī)模與面積逐漸擴(kuò)大，形成多處次級滑動(圖9)。由于前緣逐級失穩(wěn)，滑體阻滑力不斷減小，滑坡發(fā)生漸進(jìn)破壞、產(chǎn)生蠕滑變形，受局部地形控制，地表發(fā)育規(guī)模與走向各異的裂縫，隨著裂縫貫通形成2個次級滑動。總而言之，立節(jié)北山滑坡變形是前緣坡面沖溝溯源侵蝕引起的高位古滑坡堆積體復(fù)活，在自然條件下持續(xù)蠕滑(圖10)，強(qiáng)降雨與強(qiáng)震可能導(dǎo)致整體劇烈失穩(wěn)，形成高速遠(yuǎn)程滑坡，對坡腳的立節(jié)鎮(zhèn)及白龍江造成重大威脅。

圖9 立節(jié)北山滑坡前緣次級滑動(2021年9月無人機(jī)傾斜攝影三維立體影像)

圖10 滑坡前緣裂縫擴(kuò)展特征(位置見圖5點d)

4 動力致災(zāi)過程模擬

4.1 DAN3D基本原理

為了預(yù)測立節(jié)北山滑坡整體失穩(wěn)后的滑動運(yùn)動過程，選擇DAN3D軟件開展滑坡動力學(xué)數(shù)值模擬。DAN3D軟件在連續(xù)介質(zhì)模型的基礎(chǔ)上，將地質(zhì)災(zāi)害等效為具有流變性質(zhì)的流體，采用基于光滑質(zhì)點流體動力學(xué)(Smoothed Particle Hydrodynamics，SPH)方法，對結(jié)合流體深度的圣維南方程進(jìn)行求解，運(yùn)用連續(xù)動態(tài)方程，在復(fù)雜三維地形上模擬地質(zhì)災(zāi)害運(yùn)動、鏟刮及堆積過程，實現(xiàn)反演或預(yù)測分析[19]。根據(jù)前人研究結(jié)果表明，在流變模型的選取上，F(xiàn)rictional、Voellmy兩種流變模型對于大型高位遠(yuǎn)程滑坡的運(yùn)動過程模擬有較好的結(jié)果[20-23]。兩種模型的流變關(guān)系式如下。

1)Frictional流變模型：該模型適用于計算顆粒材料在基底阻力作用下的情況。當(dāng)流體基底阻力T僅作用于基巖上有效的正應(yīng)力時，可以使用該模型。在這種情況下，應(yīng)力與滑體高度、單位重力和孔隙水壓力相關(guān)，其阻力關(guān)系如下：

T=AγH(cosα+ac/g)(1-ru)tanφ。

(1)

其中：T為流體基底阻力；A為底面積；γ為流體重度；H為流體厚度；ac為滑面的離心加速度；ru為孔隙水壓力系數(shù)；φ為內(nèi)摩擦角；g為重力加速度。

2)Voellmy流變模型：該模型由顆粒摩擦和湍流運(yùn)動兩種運(yùn)動形式組合而成，主要適用于雪崩、泥石流、滑坡碎屑流等。

T=A[γH(cosα+ac/g)tanφ+γv2/ξ]。

(2)

其中：ξ為湍流系數(shù)；v為流體運(yùn)動速度；其他參數(shù)與公式(2)中一致。

4.2 模型建立與參數(shù)選取

為了建立DAN3D運(yùn)動分析數(shù)值模型，首先需要得到三個地形數(shù)據(jù)文件，包含滑移路徑地形(Path Topography)、滑體地形(Source Topography)和侵蝕地形(Erosion Map)。

1)滑移路徑地形：滑體運(yùn)動的下墊面地形。基于等高線生成的數(shù)字高程DEM，導(dǎo)入到Surfer軟件，生成DAN3D軟件可運(yùn)行的格式(.grd)。

2)滑體地形：即滑源區(qū)滑體厚度。根據(jù)調(diào)查得到的滑坡邊界、鉆孔揭露的滑體厚度，利用Surfer軟件，將滑前和滑后DEM數(shù)據(jù)的對比，從而得到滑源區(qū)的滑體厚度。此次模擬的滑體不考慮滑坡前緣的淺層次級滑動，主要考慮主變形區(qū)的滑體(圖11)。

圖11 滑坡厚度模型(圖例與圖5一致)

3)侵蝕地形：用于定義滑移路徑的下墊面材料分布。根據(jù)野外調(diào)查和工程地質(zhì)圖(圖3)，確定地層巖性的分布。

針對高速遠(yuǎn)程滑坡滑源區(qū)、鏟刮流動區(qū)、堆積區(qū)的分區(qū)特點，通過兩種流變模型的組合對比發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)-V-V模型在立節(jié)北山滑坡的成災(zāi)動力過程模擬中具有較好結(jié)果，相關(guān)的模型計算參數(shù)見表1。

表1 模型計算參數(shù)

4.3 模擬結(jié)果分析

模擬結(jié)果顯示，立節(jié)北山滑坡整體啟動轉(zhuǎn)化為碎屑流，經(jīng)過高速滑動到堆積完全停止，滑坡運(yùn)動過程可分為以下三個階段(圖12)。

圖12 運(yùn)動過程滑體厚度變化(底圖為無人機(jī)攝影DSM數(shù)據(jù)形成的山體陰影)

1)0～20 s為滑坡啟動階段(圖12a)。滑體沿滑面開始向下運(yùn)動，逐漸脫離滑動面，自2 250 m高程剪出。由于滑動面呈“上陡下緩”的形態(tài)，整體傾角約25°，因此滑源區(qū)啟動速度相對較小(0～15 m/s)，西側(cè)受坡度影響速度較大，在前緣剪出口加速至約30 m/s。

2)20～100 s為高速鏟刮階段(圖12b)。滑體脫離滑動面后沿坡面及沖溝向下運(yùn)動，轉(zhuǎn)化為高速碎屑流。滑體沿途刮鏟并挾帶淺表層的松散巖土體，使滑體體積快速增大，毀壞沿途植被、耕地等。由于鏟刮區(qū)斜坡高度大、地形陡，滑體賦存的巨大勢能轉(zhuǎn)化為動能，保持加速運(yùn)動狀態(tài)，運(yùn)動速度達(dá)24～52 m/s(圖13)。由鏟刮厚度等值線(圖14)可知，碎屑流高速鏟刮平均厚度約3 m，最大厚度約5.3 m，體積擴(kuò)容約77.7萬 m3。

圖13 最大運(yùn)動速度分布圖

圖14 鏟刮等值線圖

3)100 s后進(jìn)入減速堆積階段(圖12c)。碎屑流前緣到達(dá)坡腳高程約1 600 m處，因地勢趨于平緩開闊，碎屑流受到的動摩阻力增大，速度逐漸減小，同時因前緣受阻后，碎屑流向兩側(cè)擴(kuò)散，進(jìn)入減速堆積狀態(tài)(圖13)。碎屑流前緣最終到達(dá)白龍江右岸，約200 s時完全停止運(yùn)動。據(jù)滑體厚度變化圖(圖12)所示，高速遠(yuǎn)程滑坡-碎屑流最大運(yùn)動距離約1 600 m，在坡腳后整體呈扇形堆積，覆蓋面積0.22 km2，堆積體積約317.7萬 m3，平均厚度7.19 m，最大厚度17.8 m。

國際上一般將大于5 m/s的滑坡歸為極速滑坡，將滑坡體重心位置的垂直位移與水平位移的比值H/L(等值摩擦系數(shù))小于0.6的滑坡稱為遠(yuǎn)程滑坡[24]。上述分析可知，立節(jié)北山滑坡若失穩(wěn)啟動將形成典型的高速遠(yuǎn)程滑坡-碎屑流，滑坡等值摩擦系數(shù)約0.49，滑體最大運(yùn)動速度45.7 m/s，具有對立節(jié)城鎮(zhèn)建設(shè)與人民生命財產(chǎn)安全造成嚴(yán)重的災(zāi)難的能力。

5 結(jié)論和討論

1)以白龍江流域大型高位滑坡-甘肅舟曲立節(jié)北山滑坡為研究對象，在調(diào)勘察與遙感解譯的基礎(chǔ)上，查明了滑坡地質(zhì)環(huán)境條件和變形破壞特征，認(rèn)為滑坡蠕滑變形是前緣坡面沖溝溯源侵蝕引起的高位古滑坡堆積體復(fù)活的結(jié)果。

2)立節(jié)北山滑坡前后緣高差大，剪出口距坡腳高差極大，擁有巨大的勢能，具有轉(zhuǎn)化為高位高速遠(yuǎn)程滑坡的有利地形和動力條件。近年持續(xù)顯著的復(fù)活變形說明滑坡具有較大的劇滑成災(zāi)風(fēng)險，對坡腳立節(jié)鎮(zhèn)人民和財產(chǎn)造成嚴(yán)重威脅。

3)基于DAN3D軟件，對立節(jié)北山滑坡潛在高速遠(yuǎn)程運(yùn)動過程進(jìn)行了模擬預(yù)測。滑坡運(yùn)動過程可分為失穩(wěn)啟動、高速鏟刮、減速堆積三個階段。初始滑體方量240萬 m3，滑程約為1 600 m，最大運(yùn)動速度為45.7 m/s，沿途平均鏟刮厚度3 m。滑坡最終堆積體積317.7萬 m3，平均厚度7.19 m，最大厚度17.8 m，覆蓋面積0.22 km2，約占立節(jié)場鎮(zhèn)面積的50%。運(yùn)動過程模擬與分析可為滑坡危險性分區(qū)提供理論依據(jù)，為類似的高位滑坡風(fēng)險預(yù)測與評價提供參考。