滑坡堵江災害分析及離散元數值模擬

黃 鴻 強

(中山市火炬高技術產業開發區水利所，廣東 中山 528436)

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滑坡堵江災害分析及離散元數值模擬

黃 鴻 強

(中山市火炬高技術產業開發區水利所，廣東 中山 528436)

簡要分析了滑坡堵江形成的災害鏈，采用離散元軟件PFC2D對其進行了模擬，考慮了地形坡度及河道寬度對堵江的影響，模擬結果表明，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、地震頻發以及人類活動增加等原因，滑坡等地質災害的發生頻率日益增加，嚴重威脅人類的生命財產安全[1]。山區河流岸坡由于地形陡峻、地質條件復雜，是滑坡災害的高發地區。滑坡沿河流方向滑動，堆積物在河道堆積，很有可能造成河道堵塞并釀成巨大災害。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后發生潰決，引發特大潰壩洪水，造成多人死亡[2]。

滑坡堵江災害已經嚴重影響到人類的工程經濟活動，但人們對其的研究仍不甚深入[2]。張天佑分析了西南山區堰塞湖現象及滑坡堵河的影響因素，對堰塞湖及其危害進行了討論[3]。柴賀軍等對中國堵江滑坡的分布、成因以及基本特征進行了研究[4]。羅剛采用彈塑性力學和離散元模擬等手段對唐家山高速短程滑坡堵江過程及機制進行了研究[5]。胡卸文等對唐家山滑坡及其堰塞壩開展了現場調查，在此基礎上對滑坡堵江的發生機理進行簡單的探討，認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]。

本文對滑坡堵江災害進行了簡單的分析，并采用二維離散元軟件PFC2D對滑坡堵江過程進行了模擬，考慮了地形坡度和河道寬度兩個因素的影響，主要對堵江過程、滑坡速度等進行分析。

2 滑坡堵江災害分析

滑坡堵江是滑坡從河岸一側滑入河道并停積，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因素[6]。

堵江事件在世界范圍內廣泛存在，尤其是在山區，而我國是滑坡堵江的重災區之一。據不完全統計，截至1995年，我國發生了至少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產安全，滑入河道后可阻斷河流，影響下游航運及其他用水需求。另外，如果滑坡完全將河道截斷形成堰塞壩，由于滑坡堆積物較為松散，隨著水位上漲容易發生潰壩并形成潰壩洪水，給下游居民帶來滅頂之災。柴賀軍等[8]曾統計了我國28個堰塞壩，發現其中有18個發生了潰決，因此滑坡堵江及其次生潰壩洪水災害不容忽視。

3 數值模擬

為加深對山區滑坡堵江的認識，本文采用PFC2D離散元軟件對該過程進行簡單模擬，旨在研究堵江過程及探討不同因素對滑坡堵江的影響規律。模擬過程中認為滑坡在運動過程中充分破碎，并考慮河道處于枯水期，忽略水流對滑坡堵江的影響。雖然實際河道中通常不會完全處于干燥狀態，滑坡堵江過程中會受到動水的影響，但是以下各因素的影響規律大致相同。

3.1 計算方案

數值模型主要由料斗、運動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因素對堵江作用的影響，計算方案見表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 數值模擬方案

3.2 計算結果

1)堵江過程。

滑坡堵江過程對認識堵江災害具有重要意義，PFC2D可在計算過程中對滑坡整個運動過程進行監測。圖3為滑坡堵江的基本過程，由圖3可知，滑坡啟動后經運動加速段加速后滑入河道并在主河道內堆積，隨著滑坡物質不斷進入河道內，堆積體范圍不斷擴大并向滑坡沖擊部位兩側發展，形成三角形堆積形態。在滑坡方量足夠大的情況下，滑坡堆積物最終將河道截斷，形成堰塞湖。在河道水流流量大、流速快的情況下，部分滑坡物質在入河后將被沖走，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三種情況對滑坡堵江的影響，模擬結果如圖4所示。圖4a)～圖4c)分別為河寬為1 m,3 m和4 m時滑坡物質堆積形態，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。當河道寬度為4 m時，由于滑坡物質有限，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向下游流動，并不斷沖刷滑坡堆積物。

另外，河寬較小時，滑坡物質在入河時可能直接撞擊對岸，對其施加較大的沖擊荷載，如圖5所示。若河岸地質情況較差，有可能發生失穩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°兩個不同地形坡度對滑坡堵江作用的影響，模擬結果如圖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移動。當河道水流較大時，同一斷面上不同位置水流流速分布不均將導致滑坡在不同位置開始堆積而導致不同的堵江效果。

圖7為不同地形坡度條件下滑坡運動過程中速度演化過程，由圖7可以看出，坡度較大時滑坡經過加速獲得的速度增大。滑坡物質進入河道形成堆積后速度迅速下降，當地形坡度為30°時，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 結語

滑坡堵江是山區河流中的一種較為典型的衍生災害，其嚴重威脅著人類的生命財產安全。本文對滑坡堵江災害進行了簡單的分析，并采用離散元軟件PFC2D對其進行模擬，主要得出以下結論：

1)滑坡堵江可造成重大災害損失，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。若不及時處理而導致潰壩，甚至會給下游居民帶來滅頂之災。

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；地形坡度的增大導致滑坡體入河位置向河右側偏移，同時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.典型地質災害遙感監測與應急關鍵技術及應用[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的理論分析[J].水文地質工程地質,2001,28(6):15-17.

[3] 張天佑.西南山區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.中國滑坡堵江的類型及其特點[J].成都理工大學學報(自然科學版),1998(3):411-416.

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

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

[7] 柴賀軍,劉漢超.中國滑坡堵江事件目錄[J].地質災害與環境保護,1995(4)：1-2.

[8] 柴賀軍,劉漢超,張倬元,等.中國堵江滑坡的分布、成因和基本特征研究(英文)[J].成都理工大學學報(自然科學版),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(1989- )，男，助理工程師

P642.22

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