東河口滑坡高速遠程運動特性的影響因素研究

李小琴，富海鷹，張迎賓，王寶瑞，余鵬程，鄭 路

(1. 西南交通大學 土木工程學院，四川 成都 610031； 2. 福州大學 土木工程學院，福建 福州 350108；3. 四川大學 災后重建與管理學院，四川 成都 610207)

滑坡作為嚴重的自然災害，對人們的生命和財產安全造成了巨大的威脅[1-3]。自1932年瑞士地質學家Heim對1881年瑞士埃爾姆滑坡的探討以來[4]，國內外對于高速遠程滑坡的相關研究至今已經歷了三大階段[5]，從最初單一的地質考察到現在的試驗驗證、理論推導、數值模擬并舉，形成了大量極具價值的理論、假說與模型[6-11]。高速遠程滑坡運動機理持續成為國際滑坡研究領域的前沿和熱點問題[12-14]。

迄今為止，對于高速遠程滑坡的運動機理仍然存在爭議[15]，但滑動面的強度衰減已經成為廣泛認可的主要誘因之一[16]。Wang等[17]通過現場調查及理論分析，發現滑體內部存在一定規模及數量的局部剪切區域，提示強度衰減可能同樣存在于滑坡體內部并影響著滑坡的整個運動過程。汪發武等[18]利用對比試驗及現場調查，發現滑動帶在滑坡運動中存在向四周選擇性擴展的行為，而對于結構液化性的滑坡，滑動帶甚至同時存在于滑面與滑體中。潘歡迎等[19]采用室內試驗，論證了滑坡體滑前節理形態對滑坡運動堆積特征的控制作用，而順層坡體最易孕育大型高速遠程滑坡。可見，滑坡滑動面、滑體強度及節理形態等巖土體因素對滑坡運動堆積行為具有顯著影響。

東河口滑坡作為汶川地震誘發的典型高速遠程滑坡之一，具有明顯的大尺度高速水平拋射及遠程碎屑流運動等特征[20]。由于滑坡發生于地質條件復雜、地理環境變化的地區，其滑坡啟動、極高運動速度、極遠運動距離的影響因素是多元耦合的。具體而言，可以將因素概括為巖土體性質作用、有利場地條件、外部誘導因素。許強等[21]根據現場調測和遙感數據，認為東河口滑坡的啟動可能是上盤效應、方向效應、距離效應以及鎖固段效應等多種因素共同造成的。李秀珍等[22]通過地質勘探，認為坡體原有裂隙及地形影響不可忽視，是滑體具有高初速度及高動量的重要原因。但關于巖土體性質(如滑體內摩擦角、滑面內摩擦角、滑坡體節理形態)對其高速遠程運動速度及距離影響規律的定量研究較少。

滑坡運動評價方面，高速遠程滑坡的評價標準尚不明確。已有研究[23]將滑坡的速度由慢到快劃分為7個等級，其中最高級的下限速度為5 m/s，由于高速遠程滑坡速度往往遠大于滑坡分級中最高級別的滑速(5 m/s)，因而該分級明顯不適用于高速遠程滑坡的速度描述[5]。另一方面，同一時刻不同位置滑坡體的速度在方向、大小等方面具有極大的差別，且隨運動及地形不斷變化，滑坡滑速、最大運動速度等運動特性指標的概念也較為模糊。由于高速滑坡成因機理復雜、控制因素眾多，對于其運動、堆積行為，難以實現具有相當尺寸的試驗研究[24]。非連續變形分析方法(DDA)作為一種針對不連續巖土體運動模擬的計算方法，已廣泛運用于研究巖土工程領域的大變形問題[25-26]。鄔愛清等[27]基于真實地質條件，選取滑坡力學參數，模擬了千將坪滑坡運動的全過程，模擬結果與真實情況較為接近。Wu等[28]利用二維DDA模擬了1999年臺灣集集地震誘發的小林滑坡，模擬結果與滑坡堆積形貌及幸存者描述基本一致。Zhang等[29]利用三維DDA模擬了大型巖質失穩運動的全過程。

為了探究滑體內摩擦角、滑面內摩擦角、滑坡體節理形態等巖土體性質對其高速遠程運動速度及距離的影響規律，文中利用滑坡運動對參數的敏感性，分析了東河口滑坡高速遠程運動特性的影響因素，建立了包含整體滑程、前緣滑程、整體速度和高速水平4個評價指標的滑坡運動狀態評價體系，并采用DDA方法，對影響東河口滑坡高速遠程運動特性的3個重要巖土體性質因素進行定量評價。本文提出的新的滑坡運動狀態評價體系可以為滑坡運動分析提供新思路、新方法，對高速遠程滑坡的運動機理、危險性評價及防災減災具有一定的參考價值。

1 東河口滑坡概況

1.1 地質環境

東河口滑坡的原始滑坡體靠近紅石河、青竹江兩河交匯之處，毗鄰映秀-北川斷裂帶的北部區段，區域山體長期受自然侵蝕作用。各類自然地理、地質環境復雜。

地質考察結果表明，滑坡區域第四系、志留系、寒武系及震旦系巖層出露，其中志留系出露面積最大，而白堊系地層缺失[30]。各地層順向構造線條呈帶狀排布，由于構造活動活躍，呈現出軟硬巖交替的現象。風化程度上，滑坡區巖層倒轉，下部整體性良好，風化程度較低，而滑面較為破碎，風化程度中等較強。研究區域地質構造活動活躍，褶皺、斷層發育。

1.2 滑坡特征

東河口滑坡發源于東河口村王家山山頂區域，原始滑坡體靠近山頂區域的坡度較大(約40°)，山體山麓區域的坡度較小，約10°左右，坡度變化顯著。滑坡在經過啟動、加速、飛濺、解體、流動、堆積六大運動階段后，堆積堵塞了紅石河和青竹江，形成了兩個大型堰塞湖，如圖1所示。

圖1 東河口滑坡中部截面圖Fig.1 Central section of the Donghekou landslide

滑坡后緣海拔約1 350 m，滑坡體底端海拔約1 050 m，堆積區前端海拔約650 m，質心豎向運動位移約399 m，質心水平運動位移約 1 309 m，總運動距離約2 387 m，等效摩阻系數約0.28。滑坡平面總面積約1.08×106m3，形態呈錐形，自原始滑坡體區向堆積區寬度逐漸減小，最大寬度超過600 m[20]。滑坡總體積約2×107m3，豎向堆積厚度在前半段陡坡區域較薄，在中后段尤其中段較厚，最大堆積厚度超過50 m，平均厚度達25 m。滑坡體地層巖性如表1所示。

表1 滑坡地層巖性[27]Table1 Lithology of the Donghekou landslide

1.3 影響因素初步分析

滑坡巖土體物理力學性質作為滑坡運動不可忽略的重要影響因素，包括滑坡體的物理力學性質[17,24]以及滑面的物理力學性質[31]。根據地質資料，風化程度較高的原始坡體、巖層中抗拉強度極低的千枚巖潛在滑面以及其上滑坡體中發育的豎向節理系，均可能是造成東河口滑坡的重要因素。本文借助二維DDA程序，分別研究了滑體內摩擦角φT、滑面內摩擦角φM以及節理形態對滑坡運動速度和運動距離的影響，并依據滑坡速度以及距離變化的情況，分析其對應因素存在的影響程度及影響范圍。

2 東河口滑坡DDA模型

依據地質調查結果呈現的地形特征，建立二維DDA模型，模型截面效果如圖2所示。考慮到巖質滑坡黏聚力較小，且在坡體發生破壞后黏聚力顯著降低[32-33]，故本模型在建模過程中忽略其影響。

圖2 DDA建模截面效果圖Fig.2 The cross section that DDA modeling used

2.1 參數選取

分別建立二維DDA模型以探討滑體內摩擦角φT、滑面內摩擦角φM及滑坡體節理形態對滑坡體運動的影響。本模型根據已有研究[34]選取模型基本參數，如表2、表3所示。

表2 材料參數[34]Table2 Material parameters[34]

表3 控制參數[34]Table3 Control parameters[34]

2.2 模型設計

(1)滑體內摩擦角φT對滑坡運動影響模擬。本組模型試驗以滑坡體的內摩擦角為變量，據相關文獻[34]，滑坡實際內摩擦角約為20°，故保持滑面內摩擦角φM恒為20°，滑體內摩擦角φT在10°～30°的合理范圍內設置9個不同的數值模型(M1～M9，如表4所示)，以研究不同滑體內摩擦角φT對東河口滑坡運動的影響。

表4 滑體內摩擦角φT模型參數設置Table4 Parameter setting of model group for friction angles in sliding mass

(2)滑面內摩擦角φM對滑坡運動影響模擬。本組模型試驗以滑面內摩擦角φM為變量，保持滑體內摩擦角φT恒為20°，同樣設置9個不同滑面內摩擦角φM的數值模型(M10～M18，如表5所示)，以研究不同滑面內摩擦角φM對東河口滑坡運動的影響。

表5 滑面內摩擦角φM模型參數設置Table5 Parameter setting of model group for friction angles in sliding surface

(3)滑坡體節理形態對滑坡運動影響模擬。本組模型試驗設計了3種不同節理形態的滑坡體模型，分別為原生塊狀節理(順層滑坡，見圖3(a))、原生塊狀45°方向節理(切層滑坡，見圖3(b))以及散體隨機節理(均質滑坡，見圖3(c))(M19～M21，如表6所示)，以研究節理形態對東河口滑坡運動的影響。

圖3 三種不同的節理形態Fig.3 Three different joint directions

表6 節理形態模型參數設置Table6 Parameter setting of model group for joint directions

2.3 地震荷載

結合場地條件、臺站分布，本模型采用汶川地震的清平臺站(051MZQ)記錄，將水平面上滑坡軸線方向(S54°W)視為水平方向，并根據原始地震動記錄合成水平地震動，經基線校正等處理后，豎向和水平地震動如圖4所示。

圖4 豎向和水平地震動Fig.4 Applied vertical and horizontal ground motion

2.4 評價體系

目前有關滑坡運動特性的數值模擬中常以某些特定塊體樣本的運動數據為依據來評價滑坡體的運動速度及運動距離，但這種方法隨機性較大，不能較好地體現整個滑坡的運動狀態，難以代表滑坡體的較快運動部分、較遠運動部分以及整體運動情況。因此，本文建立了一套新的評價體系(如圖5所示)，該體系同時包含對于滑坡體運動速度和運動距離最大值的評價以及對于其整體運動特性的評價，共有四個具體指標：采取滑坡體的前緣堆積位置評價其前緣運動距離；采取滑坡體的質心堆積位置評價其整體運動距離；采取滑坡體的較快運動部分(運動速度大于5 m/s的塊體[5])的均值速度最大值(以下定義為“卓越速度”)評價其高速程度；采取滑坡體的總動能評價其整體速度。評價體系中的卓越速度和總動能作為速度評價指標，前緣堆積位置和質心堆積位置作為位移評價指標，卓越速度和前緣堆積位置作為最值評價指標，總動能和質心堆積位置作為整體評價指標，使得該評價體系可以同時考慮滑坡體的運動速度與運動距離，能夠較為全面地評價滑坡高速遠程運動狀態。基于該體系對原有DDA程序進行二次開發，獲取滑坡體的運動數據，從而對東河口滑坡運動速度及運動距離進行定量評價。

圖5 滑坡運動評價體系示意圖Fig.5 Schematic diagram of landslide motion evaluation system

該評價體系中的滑坡體的前緣堆積位置pf，滑坡體的質心堆積位置pc，卓越速度vp以及滑坡體的總動能Ek的計算公式如下。

pf=xmax.

(1)

(2)

(3)

(4)

其中，xmax表示滑坡體所有塊體位置坐標的最大值，n表示滑坡體中所有塊體的個數，mi表示第i個塊體的質量，xi表示第i個塊體的位置坐標，k表示達到卓越速度(速度值超過5 m/s)的塊體個數，vxj表示第j個達到卓越速度塊體在x方向的速度，vyj表示第j個達到卓越速度塊體在y方向的速度，vxi表示第i個塊體在x方向的速度，vyi表示第i個塊體在y方向的速度。

3 巖土體性質影響分析

本節依據所采集到的數據，分別分析滑體內摩擦角φT及滑面內摩擦角φM與滑坡體運動距離和運動速度的關系。由于計算模型較多，圖6僅展示了DDA模擬M1、M5、M10、M19、M20、M21模型的運動過程。

圖6 M1、M5、M10、M19、M20、M21的運動過程Fig.6 The motion process of M1, M5, M10, M19, M20, M21

3.1 滑體內摩擦角φT影響分析

(1)運動距離分析

在不同滑體內摩擦角φT下，滑坡體停積后，其后緣、質心及前緣的水平堆積位置如圖7所示。質心的堆積位置隨滑體內摩擦角φT減小不斷前移，內摩擦角每減小1°，滑坡整體堆積位置平均前移6.95 m。滑坡體前緣堆積位置的變化更加明顯，內摩擦角每減小1°，滑坡體前緣平均前移10.51 m。由以上分析可知，滑坡體整體運動距離及遠程水平一定程度受滑體內摩擦角φT影響，而且滑坡體后緣、質心及前緣堆積位置隨滑體內摩擦角φT的變化規律相近，均隨滑體內摩擦角φT的減小而前移。

(2)速度分析

在不同滑體內摩擦角φT下，滑坡體總動能及卓越速度的變化情況如圖8所示。滑體內摩擦角φT每減小1°，滑坡總動能最大值增大1.11×106kJ。而各滑坡體的卓越速度相近，并沒有呈現出較大的波動，滑體內摩擦角φT每減小1°，滑坡體卓越速度僅增大0.19 m/s，穩定維持26 m/s左右。但卓越速度的持速段距離隨內摩擦角減小明顯增大。

綜上分析，發現在滑體內摩擦角φT變化區間內，東河口滑坡的整體運動速度、運動距離都隨滑體內摩擦角φT減小而明顯提高，但其高速程度所受影響較小，卓越速度的持速段具有一定差異，主要表現為持速段的長短與運動距離的大小成正相關。

3.2 滑面內摩擦角φM影響分析

(1)運動距離分析

在不同滑面內摩擦角φM下，滑坡體后緣、質心及前緣的堆積位置如圖9所示。滑面內摩擦角φM每減小1°，滑坡體質心運動距離增大53.87 m；滑坡體前緣運動距離增大65.27 m。可見，滑面內摩擦角φM對滑坡體整體運動距離影響較大，大致呈現出指數級別的數量關系。滑坡體后緣、質心及前緣堆積位置均隨滑面內摩擦角φM的減小而增大，但增大程度有較大差別，滑面內摩擦角φM衰減對滑坡體前緣運動距離影響最大，而對滑坡體前緣運動距離影響較小，體現了滑坡體最遠運動距離是由前端少部分塊體達到的。

(2)速度分析

在不同滑面內摩擦角φM下，滑坡體總動能及卓越速度的變化情況如圖10所示。滑面內摩擦角φM每減小1°，滑坡體總動能增大4.61×106kJ，最大總動能達到9.72×107kJ。滑面內摩擦角φM每減小1°，滑坡體的卓越速度增大0.87 m/s，最大速度達到40 m/s，與理論計算速度較為相近。相比而言滑體內摩擦角對卓越速度的影響相對較小，僅為滑面內摩擦角影響下的21.8%。隨著滑面內摩擦角φM的變化，滑坡體的總動能和卓越速度均大致呈現指數變化關系。由以上分析可知，滑面內摩擦角φM對東河口滑坡高速運動特性具有較大影響。

3.3 坡體節理形態影響分析

(1)運動距離分析

滑坡體按滑面與巖層的關系可分為均質滑坡、切層滑坡、順層滑坡，其中，順層滑坡由于原生坡面含天然潛在滑面，易在擾動下發生失穩，因此順層滑坡最為常見。3種節理形態下質心堆積位置的坐標如表7所示，在x、y方向的極差分別為246.26 m和121.13 m。原生塊狀節理與散體隨機節理條件下滑坡體質心運動距離較為接近，但在原生塊狀45°方向節理條件下，質心運動距離在x方向有較大的減小，在y方向略有增加。

在3種節理形態下滑坡體前緣堆積位置坐標如表8所示，在x、y方向的極差分別為138.23 m和43.29 m。原生塊狀45°方向節理與散體隨機節理條件下滑坡體前緣運動距離較為接近，但在原生塊狀節理條件下，質心運動距離在x方向有較大的增加，在y方向略有減小。這表明節理形態對東河口滑坡整體運動距離有一定的影響，且東河口滑坡體的節理形態有利于增大滑坡整體運動距離。

(2)速度分析

在3種不同節理形態下滑坡體總動能隨其質心水平位置的變化情況如圖11所示。在原生塊狀節理條件下，滑坡體總動能僅具有一個峰值(故前文僅對總動能最大值進行了討論)，而原生塊狀45°方向節理及散體隨機節理條件下分別具有3個和2個峰值，但原生塊狀節理條件下峰值最大，約為原生塊狀45°方向節理條件下的3倍，散體隨機節理條件下的2倍。可見，節理形態對東河口滑坡整體運動速度的影響較大，且東河口滑坡原生塊狀節理條件對滑坡體的運動具有一定促進作用。

在3種不同節理形態下滑坡體卓越速度隨其質心水平位置的變化情況如圖12所示。在3種節理條件下，卓越速度的變化形態有較大的差異，基本呈現出在某一平衡位置上下波動的變化規律。3種節理條件下的平衡位置比較接近，而且都呈現出近端變化相對平緩、遠端變化相對劇烈的規律，尤其是原生塊狀45°方向節理條件下，卓越速度的變化呈現出較大的波動。可見節理形態對東河口滑坡高速水平的影響也較大。

綜上，東河口滑坡在上述3種不同形態的節理形態下，整體速度、卓越速度、整體運動距離、前緣運動距離都具有較大的變化。滑體內摩擦角φT、滑面內摩擦角φM的變化造成各個指標的變化趨勢相近，而不同節理形態的情況下，各指標的變化在變化規律上存在較大差異。對比3種形態下的結果，東河口原生塊狀節理對滑坡運動的促進作用最大，對東河口滑坡高速遠程運動的影響不可忽略。

結合本節的分析可知，整體速度、高速程度、整體運動距離、前緣運動距離4個運動指標受滑體內摩擦角φT、滑面內摩擦角φM以及節理形態的影響程度有所不同，隨著摩擦角的變化(摩擦角每減小1°)4個指標的平均變化值以及節理形態的改變對4個指標的影響程度匯總于表9。

表9 不同影響因素作用規律對比Table9 Comparison of different internal influence factors

4 結論

基于本文提出的滑坡高速遠程運動狀態評價體系，對原DDA程序進行二次開發后，定量評價了東河口滑坡高速遠程運動特性。滑體內摩擦角φT、滑面內摩擦角φM以及節理形態是影響滑坡高速遠程運動特性的3個重要因素，在這3個因素的影響下，對滑坡體的整體運動距離、前緣運動距離、整體速度和卓越速度4個滑坡運動特性指標進行定量評價和分析，得出以下結論：

(1)滑體內摩擦角φT對東河口滑坡整體運動距離、前緣運動距離及整體速度3個指標均有明顯影響，但高速程度所受影響較為微小。同時結果也表明相比滑坡的整體運動距離，滑體內摩擦角φT對其前緣運動距離所受影響更加明顯。

(2)隨著滑面內摩擦角φM的減小，東河口滑坡4個運動特性指標都表現出指數函數形態的變化趨勢，而且滑面內摩擦角φM對東河口滑坡運動機理的影響比滑體內摩擦角φT更大。

(3)在3種節理形態下，東河口滑坡的4個運動特性指標都呈現出較大差異，并且東河口滑坡的原生塊狀節理對整體運動距離、前緣運動距離以及整體速度的促進作用最大。

本文通過提出滑坡高速遠程運動狀態評價體系，對東河口滑坡的3個重要影響因素進行了分析，為DDA模擬相關滑坡的參數指標選取以及研究滑坡高速遠程運動狀態的評價體系選取提供了參考。