吳偉樂 賀 凱高 楊李 濱劉朋飛

1.長安大學地質(zhì)工程與測繪學院,陜西 西安 710054;

2.中國地質(zhì)科學院地質(zhì)力學研究所,北京 100081;

3.自然資源部活動構造與地質(zhì)安全重點實驗室,北京 100081;

4.中國地質(zhì)調(diào)查局新構造與地殼穩(wěn)定性研究中心,北京 100081;

5.重慶市地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測總站,重慶 401122

0 引言

全球氣候變化對極端天氣事件(極端降雨、氣溫升高、強風和洪水災害)的影響尤為強烈,增加了地質(zhì)災害發(fā)生的風險(高楊等,2017),尤其是強降雨條件下的高位遠程滑坡災害頻發(fā),給人類的生命和財產(chǎn)安全帶來了極大威脅。高位遠程滑坡是從高陡斜坡凌空剪出、加速下墜的一類滑坡,常常具有較大的能量,在運動過程中易轉化為泥石流或碎屑流(許強等,2009;殷躍平,2010;殷躍平等,2017)。中國西南砂泥巖地層山區(qū)由暴雨災害引發(fā)了多起高位遠程地質(zhì)災害事件,如2014年9月初渝東北地區(qū)發(fā)生強降雨事件,導致多地多處發(fā)生遠程滑坡(Li et al., 2022),主要有重慶奉節(jié)無山坪滑坡、咸池水庫滑坡、白果寨滑坡。國內(nèi)學者對強降雨型高位遠程巖質(zhì)滑坡的成災模式和遠程運動機理開展了相關研究(許強,2010;高楊等,2020,2022;高浩源等,2020;李壯等,2020),認為強降雨是導致滑坡遠程運動的關鍵因素。也有學者對順層滑坡開展了系統(tǒng)的研究,余飛等(2005)采用數(shù)值模擬方法,展現(xiàn)了順層滑坡的漸進破壞過程;鄒宗興等(2012)將順層巖質(zhì)滑坡的變形破壞地質(zhì)力學模式分為了兩類,并給出了相應的穩(wěn)定性計算方法;龍建輝等(2019)探討了含有軟弱夾層的順層巖質(zhì)滑坡的變形破壞規(guī)律;胡樂等(2021)通過離心機模型實驗,探索了硬土軟巖型滑坡沿順層破壞時的運動特點。滑坡運動過程中的動能保持和基底摩擦阻力是影響滑坡遠距離運動本質(zhì)條件,不少學者提出了諸如氣墊效應、流化效應和液化效應等觀點,主要從摩擦阻力下降的角度解釋了其遠程致災的現(xiàn)象(Buss et al., 1881;Kent,1966;Sassa, 1989;Hungr,1995;Davies et al.,1999;邢愛國等,2004;邢愛國和殷躍平,2009;De Blasio and Crosta, 2015;Lai et al., 2017;Gao et al, 2022)。

隨著計算機技術的發(fā)展,數(shù)值模擬技術因其成本低、操作方便、可重復試驗等優(yōu)點,成為了反演分析滑坡運動過程和動力學機制的最為高效的手段之一。基于等效流體理論以及非連續(xù)力學方法,對滑坡運動的數(shù)值模擬主要包括連續(xù)介質(zhì)算法以及離散元算法。①連續(xù)介質(zhì)算法:如DANW、SPH2D、FlAC3D等基于剖面的數(shù)值模擬技術,把復雜的滑坡體看成等效流體,通過不同的流變模型確定基底的摩擦阻力,可以較好地模擬滑坡的運動速度和堆積厚度(Hungr,1995;Evans,2001;Sassa et al.,2004,2010;張遠嬌等,2012;Gao et al.,2017,2019,2020;張艷玲等,2021);②離 散 元 算 法:如PFC、EDEM和MatDEM等計算方法,通過設置不同的接觸類型和摩擦參數(shù),可以有效地模擬崩塌、碎屑流等大變形問題。如張龍等(2012)利用 PFC3D軟件分析了摩擦因數(shù)與黏結強度的變化對雞尾山滑坡的運動、堆積特征的影響。孟桓羽等(2022)利用離散元軟件PFC3D,對山陽滑坡運動全過程進行模擬,再現(xiàn)了滑坡體失穩(wěn)后,在重力作用下沿視傾向起動、碰撞和堆積的全過程。

牛兒灣滑坡位于重慶市武隆區(qū)白馬鎮(zhèn)魚光村,在持續(xù)降雨影響下,滑體于2020年7月13日沿層面發(fā)生整體滑移失穩(wěn),造成8棟房屋倒塌、S529省道及頁巖氣輸氣管道損毀。目前仍有約273.5×104m3滑體處于基本穩(wěn)定狀態(tài),若遭遇強降雨天氣,極有可能再次失穩(wěn)下滑,嚴重威脅居民房屋、S529省道、村道、高壓線鐵塔等設施的安全。文章基于對牛兒灣滑坡的詳細野外工程地質(zhì)調(diào)查與分析,系統(tǒng)闡述了滑坡體運動堆積特征,并利用離散元軟件PFC3D還原了牛兒灣滑坡運動過程及堆積特征,揭示了砂泥巖地層山區(qū)滑坡整體失穩(wěn)和遠程流化運動的成災模式,認為在砂泥巖地層山區(qū)的遠程流化滑坡風險調(diào)查與預測過程中,應當充分基于滑體遠程流化運動的成災特點進行調(diào)查與評價,為防災減災工作提供定量化科學依據(jù)。

1 滑坡地質(zhì)環(huán)境條件

1.1 自然地理

研究區(qū)位于重慶市武隆區(qū)白馬鎮(zhèn),經(jīng)緯度為107°30′41.82″E,29°23′59.47″N,屬于低山地貌區(qū)(圖1)。研究區(qū)西側和西南側為山頂,總體為西高東低,北部地形轉折,形成小山脊,繼續(xù)往北轉折為沖溝,向東延伸至研究區(qū)東部(滑坡前緣)(圖2)。目前已滑移區(qū)地勢較周邊低,形成凹槽。除已滑移區(qū)外,研究區(qū)總體為上緩下陡,上部地形坡角一般為10°～15°,下部地形坡角一般為20°～28°,整體坡向約115°;最高點位于西側,高程約為625～666 m,最低點位于下部前緣堆積體所處沖溝,高程約為334～339 m,相對高差約291～327 m。

圖2 牛兒灣滑坡遙感影像圖及現(xiàn)場照片F(xiàn)ig.2 Remote sensing images and pictures of the Niuerwan landslide

1.2 地質(zhì)構造及地層巖性

研究區(qū)位于揚子準地臺四川臺坳川東南坳褶帶南端與川黔經(jīng)向構造帶交匯部位,主控構造為白馬向斜,軸線位于白馬鎮(zhèn)以西。向斜南段軸向為南西向;中段軸向由南西向轉為北北東向;北段軸向為北北東向。由于研究區(qū)處于復雜的斷裂和褶皺的交匯地帶,強烈構造活動使得區(qū)內(nèi)巖體較為破碎(圖3)。

圖3 研究區(qū)區(qū)域地質(zhì)圖Fig.3 Regional geological map of the study area

圖4 滑坡巖體赤平投影及出露基巖Fig.4 Stereographic projection of the rock mass and outcropping of the bedrock

1.3 氣象水文

武隆區(qū)屬典型的亞熱帶濕潤季風氣候,降雨充沛,多集中在5～10月,年平均降水量1100.1 mm,月均降水量見圖5。研究區(qū)為斜坡地形,總體西高東低,有利于地表水的排泄,滑坡區(qū)域內(nèi)無常年地表水,主要通過沖溝及公路排水溝進行地表水的排泄。

圖5 研究區(qū)多年月均降雨量圖Fig.5 Monthly rainfall in the study area

地表水易向沖溝匯集,且區(qū)內(nèi)巖土體裂隙發(fā)育,故地表水易向巖土體中下滲;同時,由于部分路段的公路排水溝直接排向路邊巖土體中,也極易造成巖土體飽水。在這樣不良的排水條件下,持續(xù)性降雨成為該滑坡失穩(wěn)的重要誘因,松散的殘坡積層及發(fā)育的基巖裂隙,導致雨水大量入滲,不但加大了滑體容重,還削弱了巖土體的抗剪強度,極大地降低了滑坡穩(wěn)定性。

2 滑坡運動特征

根據(jù)滑坡發(fā)生前后的遙感圖對比和現(xiàn)場調(diào)查分析顯示,在持續(xù)的強降雨條件下,滑坡發(fā)生整體失穩(wěn),隨后滑體前部開始下滑。失去前部的阻擋,滑體中后部隨之下滑,在運動一段距離后,受山脊地形影響,滑體分流為N45°E和N81°E兩部分,最大運動距離約1.4 km,前緣呈尖滅狀?；旅娣e約為13.4×104m2,堆積體平均厚度約為11.08 m,體積約為147.5×104m3(圖6,圖7),造成8棟房屋倒塌、S529省道及頁巖氣輸氣管道損毀。根據(jù)滑坡的運動堆積特征,將滑坡分為了滑源區(qū)、主堆積區(qū)和碎屑流堆積區(qū)(圖6)。

圖6 牛兒灣滑坡平面圖Fig.6 Plan map of the Niuerwan landslide

圖7 牛兒灣滑坡剖面圖Fig.7 Profile map of the Niuerwan landslide

2.1 滑源區(qū)

滑源區(qū)地形坡度約16°,滑體基巖為三疊系巴東組砂質(zhì)泥巖,表面覆蓋厚度約0～9.30 m的第四系殘坡積物。滑源區(qū)平面形態(tài)呈長條帶狀,寬約150～200 m,長約600 m?；潞缶壐叱碳s620 m,剪出口高程約450 m,高差170 m,面積約6×104m2;滑體厚度10～30 m,體積約147.5×104m3?；w從剪出口剪出,整體下錯約10～20 m,滑動方向約為N115°E,與巖層產(chǎn)狀接近,后因地形影響滑動方向偏轉為N81°E,下部基巖發(fā)生破碎但仍保持一定的結構性,上部松散且飽水的殘坡積層迅速解體形成碎屑流向下流動。

2.2 主堆積區(qū)

主堆積區(qū)為滑坡堆積體的主要場所之一,范圍約7×104m2,滑坡失穩(wěn)后,約有70×104m3的滑體下滑形成遠距離運動,最遠運動距離約1400 m,仍有約70×104m3滑體留在滑源區(qū)范圍內(nèi)形成堆積。堆積體中可見被破壞的房屋和公路(圖1),成分為碎石土,母巖主要為砂質(zhì)泥巖。該區(qū)域已經(jīng)發(fā)生滑動,土體松散,在暴雨情況下,堆積體有發(fā)生進一步滑動和形成泥石流的可能。

2.3 碎屑流堆積區(qū)

碎屑流沿主滑方向(N81°E)運動過程中,受凸起的山脊地形影響,碎屑流分流成兩部分,分別朝N45°E和N81°E方向沿溝谷運動。其中大部分滑體沿N81°E方向運動,受山谷地形變窄影響,滑體動能降低、流速變慢并逐漸堆積,前緣呈現(xiàn)尖滅狀;小部分滑體沿N45°E方向運動,越過了凸起的山脊,拋灑于此處形成堆積。整個碎屑流堆積區(qū)平面形態(tài)近似鉗狀,溝谷后緣高程約450 m,前緣高程約335 m,高差115 m,長約750 m,面積約6×104m2,最大堆積厚度約20 m。該區(qū)堆積物主要為第四系殘坡積土以及砂質(zhì)泥巖的松散混合物,碎石粒徑明顯比主堆積區(qū)中堆積物的粒徑小。

3 牛兒灣滑坡運動過程數(shù)值模擬

3.1 滑坡模型建立

本次數(shù)值模擬采用PFC3D軟件,重點在于重現(xiàn)滑體失穩(wěn)后的運動堆積過程,因此采用PFC3D中的ball-wall模型進行建模,以wall剛性墻體作為滑面,ball顆粒作為滑體,提高了數(shù)值模擬的計算效率。

首先,根據(jù)牛兒灣滑坡滑后1∶1000地形圖生成wall剛性墻體作為計算模型的邊界;然后采用generate顆粒生成法生成ball顆粒模擬滑坡巖土體。在構建滑體的過程中,將滑體概化為上下兩層的特殊二元結構?；w總厚度約20 m,上下層顆粒厚度均按10 m生成兩層滑體,上層顆粒采用線性接觸模型模擬松散土體,下層顆粒則采用平行黏結模型模擬膠結的巖石(圖8)。

圖8 牛兒灣滑坡PFC3D模型Fig.8 PFC3D model of the Niuerwan landslide

3.2 模型微觀參數(shù)標定

文中采用虛擬三軸實驗進行參數(shù)標定,應力-應變曲線如圖9所示,為了與模擬時較大的顆粒半徑保持一致,將三軸實驗試樣設置為直徑50 m、高度100 m的圓柱形,顆粒數(shù)目約12000個,最小半徑Rmin為1.2 m,最大半徑Rmax為2 m。

圖9 PFC3D三軸壓縮試驗 Fig.9 Virtual triaxial compression test using the PFC3Dsoftware

由圖9分析知,對于上層土體試樣,由于沒有設置粘結強度,三種圍壓下的峰值強度基本一致;對于下層基巖試樣,在低圍壓下,試樣的抗壓強度較低,隨著圍壓的增加,試樣的抗壓強度也隨之增大,與實際情況相吻合。

將模擬結果與實際滑坡的運動特征和堆積形態(tài)進行反演對比,經(jīng)過不斷的優(yōu)化和調(diào)節(jié)微觀參數(shù),最終實現(xiàn)模擬滑坡運動與實際運動特征基本一致。由此最終確定牛兒灣滑坡數(shù)值模擬的微觀參數(shù)(表1)。

表1 PFC3D模型微觀參數(shù)表 Table 1 Micro-parameters for the PFC3Dmodel

3.3 滑坡運動過程及堆積結果

模擬結果顯示,滑坡運動總時間約360 s,堆積狀態(tài)與野外調(diào)查結果基本一致,同時得益于數(shù)值模擬的便利性,將上下兩層滑體分別建模,便于更好地分析上下層滑體的運動堆積特征(圖10)。

圖10 牛兒灣滑坡滑體分組運動情況圖Fig.10 Diagrams showing the movement of the upper and lower layers of the sliding body in different time periods

由圖10對上下層滑體進行分析可知,上層滑體為松散的殘坡積物,受降雨影響滑體接近飽和,當滑坡失穩(wěn)后,上層滑體迅速解體形成碎屑流,呈流態(tài)化運動(圖10a—10d),大部分上層滑體都堆積到了滑坡前緣,運動距離超1 km;而下層滑體為強風化且節(jié)理發(fā)育的砂質(zhì)泥巖,同樣發(fā)生了解體的現(xiàn)象,并與上層滑體混合向下運動(圖10e、10f),但下層滑體仍保持有一定的結構性(圖10g—10i),并且運動距離較短,仍有大量滑體留在滑源區(qū)內(nèi)。不同時間段內(nèi)滑坡的運動情況如下。

0～45 s:滑坡發(fā)生整體失穩(wěn)后,滑源區(qū)前部滑體從剪出口剪出,開始下滑,主滑方向為N81°E,部分滑體最大運動速度超過15 m/s(圖11a、11b),上層滑體發(fā)生流態(tài)化滑動,下層滑體也逐漸發(fā)生解體,兩層滑體混合,形成碎屑流向下流動(圖10b);由于運動路徑上山脊的阻擋,滑體開始產(chǎn)生分流,大部分滑體沿N81°E方向繼續(xù)運動,小部分滑體則沿N45°E方向運動。

45～135 s:滑體持續(xù)運動,分流現(xiàn)象更加明顯,同時滑源區(qū)中后部滑體失去了前部滑體的阻擋,隨之發(fā)生更大規(guī)模的下滑,但受地形坡度制約,下滑速度相對較小,大部分滑體的運動速度處于4～6 m/s(圖11c、11d)。

135～225 s:該階段滑體的運動更加明顯,中部滑體繼續(xù)以4～10 m/s的速度向下運動,而前部滑體受到逐漸變窄的山谷地形影響,已開始停止運動(圖11e、11f);同時流態(tài)化特征更加明顯,上層滑體持續(xù)下滑并裹挾下層滑體不斷匯入到堆積區(qū)內(nèi)(圖10e、10f)。

225～360 s:前部滑體已停止運動形成堆積體,后方滑體在前方堆積體的阻擋以及阻力作用下也逐漸停止運動(圖11g—11i),滑坡的最終堆積形態(tài)與實際情況較為一致。

圖11 牛兒灣滑坡滑體速度分布圖Fig.11 Velocity of the sliding body

3.4 速度曲線及位移軌跡分析

如圖8所示,為了監(jiān)測滑坡的速度和運動軌跡,在滑體前、中、后部的上層滑體、下層滑體分別設置了共26個監(jiān)測顆粒,對其中19—26號顆粒進行了運動軌跡的監(jiān)測(圖12),同時對滑體前部1—6號、中部7—12號和后部13—18號顆粒進行速度的監(jiān)測(圖13)。

前部滑體的上、下兩層滑體都發(fā)生了解體,混合形成碎屑流共同運動,1—6號顆粒的運動距離基本一樣,約為435～472 m(圖12),同時運動速度變化也保持一致,最大速度約18 m/s(圖13b);中部滑體的7—12號顆粒的速度變化也基本一致,最大速度約5 m/s(圖13c),但上層顆粒(21號)的運動距離約403 m,而下層顆粒(22號)的運動距離僅155 m;后部滑體只有13號顆粒的最大速度達到約5 m/s,14—18號顆粒幾乎沒有發(fā)生運動(圖13d),上層顆粒(19號)發(fā)生下滑,運動距離約200 m,下層顆粒(20號)運動距離僅72 m。

圖12 監(jiān)測顆粒運動軌跡圖Fig.12 Trajectory of specific particles

圖13 監(jiān)測顆粒運動速度曲線圖Fig.13 Velocity curves of the monitoring particles

經(jīng)過以上的分析,發(fā)現(xiàn)上下兩層滑體的運動特征存在明顯的差異,在滑體前部,上下兩層滑體的解體破碎現(xiàn)象較為徹底,形成碎屑流,運動特征保持一致;而滑體中后部,上層滑體解體更加徹底,運動距離可以達到下層滑體的2倍,具有明顯的流態(tài)化運動特征,下層滑體則保持有一定的結構性,呈現(xiàn)整體運動(圖12)?；w前中后部的運動方向也展示出了其特殊的失穩(wěn)模式,后部滑體沿N112°E～N122°E方向發(fā)生滑動,與巖層傾向(N115°E)基本一致,認為后部塊體沿真傾向方向滑動;而前部和中部滑體受到滑坡右側邊界山體的影響,滑動方向則偏轉為N70°E～N82°E,表現(xiàn)出了沿視傾向方向滑動的特點(圖12)。

4 成災模式探索討論

牛兒灣滑坡為順層滑坡,地層傾角較為平緩,滑體運動速度較典型的高位遠程滑坡慢,但該滑坡仍產(chǎn)生了遠程運動的現(xiàn)象,其遠程致災模式值得進一步的探索與討論。文章根據(jù)滑坡的運動、堆積特征,提出了其遠程運動的概化模式,可分為3個階段(圖14)。

圖14 牛兒灣滑坡遠程運動模式概化圖Fig.14 Generalized model for the long-runout movement of the Niuerwan landslide

(1)整體失穩(wěn)階段:滑坡沿地層層面發(fā)生整體失穩(wěn),滑源區(qū)范圍較大,勢動能轉換后滑體不同部位的運動速度差異較大,前部滑體動能較大,中后部滑體動能則相對較小。

(2)混合加速階段:滑體開始解體形成碎屑流,但上下兩層性質(zhì)迥異的滑體展現(xiàn)了不同的運動特征。下層滑體受到基底層摩擦阻力以及上覆土體的影響,加上地形較為平緩,沒有強烈的碰撞,保持了一定的結構性;上層滑體為飽和的殘坡積土,受到擾動后徹底破碎形成碎屑流,呈現(xiàn)出明顯的流態(tài)化運動特征,同時,上層滑體裹挾下層滑體頂部較為破碎的塊體,逐漸形成混合碎屑流開始加速下滑。

(3)運動流化堆積階段:隨著滑體的進一步運動,混合碎屑流形成遠距離運動,持續(xù)匯入下方堆積區(qū)。

5 結論

文章以牛兒灣滑坡為研究對象,以詳細的野外調(diào)查資料為基礎,對牛兒灣滑坡開展了系統(tǒng)的分析以及數(shù)值模擬工作,取得以下結果。

(1)牛兒灣滑坡運動歷時360 s,最大速度約18 m/s,最大平均速度約8 m/s,滑坡最大運動距離約1250 m。值得注意的是,遠距離運動的物源大部分來自上層滑體,上層滑體的流態(tài)化運動特征大大增加了滑坡的致災范圍。

(2)上下兩層滑體的運動有明顯差異。滑體前部,上下兩層滑體的解體破碎現(xiàn)象較為徹底,運動特征基本一致;而滑體中后部,上層滑體解體相對更加徹底,運動距離可以達到下層滑體的2倍,具有明顯的流態(tài)化運動特征,下層滑體則仍保持有一定的結構性,呈現(xiàn)整體運動。滑體前中后部的運動方向也展示出了其特殊的失穩(wěn)模式,后部滑體沿真傾向方向滑動,而前部和中部滑體受到地形影響,表現(xiàn)出了沿視傾向方向滑動的特點。

(3)將牛兒灣滑坡的遠程運動過程模式分為整體失穩(wěn)、混合加速和運動流化堆積三個階段,為研究該類滑坡的遠程運動模式做出一定的探索。

(4)強降雨條件和“上土下巖”的二元結構,造成滑坡軟弱夾層地下水富集,表層殘破積土層飽水,不但降低了巖體的抗剪強度,同時增加了下滑力,是導致滑坡深層失穩(wěn)整體下滑,表層流化遠程運動的關鍵因素。