西南科技大學團隊用數(shù)值模擬方法分析了北川陳家壩高速滑坡

高速滑坡是中國西南山區(qū)極具破壞性的地質(zhì)災(zāi)害。為預(yù)測四川省北川羌族自治縣陳家壩鎮(zhèn)滑坡復(fù)活后的運動過程，西南科技大學HUANG Tao等結(jié)合快速塊體運動模擬（RAMMS）與無人機影像（UAV），對陳家壩兩次滑坡災(zāi)害的運動過程開展模擬分析，獲取了滑坡體的運動特征參數(shù)。反演分析結(jié)果顯示，擬合效果最優(yōu)的流變參數(shù)為摩擦系數(shù)（μ=0.18）和湍流參數(shù)（ξ=400 m?s?2）。研究以滑坡壓力作為災(zāi)害分區(qū)指標，繪制出陳家壩滑坡的影響范圍圖及災(zāi)害分區(qū)圖。結(jié)果表明，陳家壩滑坡體失穩(wěn)后，迅速阻斷了河流，形成的滑坡堆積體最大高度達 44.14 米；災(zāi)害分區(qū)圖顯示，滑坡災(zāi)害等級與坡度呈正相關(guān)關(guān)系。該滑坡評估方法基于滑坡運動過程構(gòu)建，屬于定量災(zāi)害評估手段，適用于高速滑坡研究。

Part.01

陳家壩滑坡概況

陳家壩滑坡（東經(jīng)104°35′48.9″–104°36′42.1″、北緯31°58′16.3″–31°58′33.5″）地處中國四川省北川縣陳家壩鎮(zhèn)太洪村（圖1），該區(qū)域年降雨量為1399.1mm，且70%以上降雨集中在6-9月。陳家壩滑坡曾發(fā)生過兩次失穩(wěn)災(zāi)害，均阻斷了河流：第一次滑坡由汶川地震引發(fā)，發(fā)生于2008年5月12日，也被稱為太洪村滑坡，屬于典型的階梯狀滑坡（圖2(a)、圖3(a)），其上部滑坡體從滑床脫離后，撞擊下伏基巖的階梯狀邊緣發(fā)生破碎，轉(zhuǎn)化為高速滑坡碎屑流；上部滑坡體高度約21m、寬度100m、長度50m，體積約35×10?m3，下部滑坡體則由上部滑坡體與下伏基巖撞擊觸發(fā)，階梯狀滑床與杜巴河河床的高差約150m、寬度200m、長度150m，滑坡堆積體體積約150×10?m3、厚度50m，滑坡體撞擊杜巴河左岸后，拋射出約2×10?m3的碎石土，氣流沖擊覆蓋了麥田，運動距離約1140m。第二次滑坡發(fā)生于2016年9月5日，由降雨誘發(fā)，此前北川縣在2016年8月31日至9月4日期間以陰天為主，9月5日出現(xiàn)小雨，降雨量不足10mm；該次滑坡因受杜巴河左岸阻擋形成滑坡壩（圖2(b)、圖3(b)），發(fā)生時間為凌晨2時左右，受影響區(qū)域無人居住，未造成人員傷亡，但滑坡壩對沿河低洼地區(qū)的生命財產(chǎn)安全構(gòu)成威脅，當?shù)卣c武警部隊于9月6日開始開挖排洪溝，直至9月8日下午消除潰壩風險；第二次滑坡前后緣高差約260m、運動距離約580m、體積約30×10?m3，剪出高程為750m，形成的滑坡壩長度250m、寬度180m、高度10-22m，由土體與碎石組成。此外，陳家壩滑坡的組成巖性主要為志留系碳質(zhì)頁巖與砂頁巖，整體屬于中型山坡滑坡與崩塌型滑坡。

圖 1 中國四川省北川縣陳家壩滑坡位置圖

圖 2 陳家壩滑坡影像圖。（a）2010 年 1 月 13 日陳家壩滑坡第一次失穩(wěn)的谷歌地球影像；（b）2016 年 9 月 30 日陳家壩滑坡第二次失穩(wěn)的正射影像

表 1 快速塊體運動模擬（RAMMS）模型所用基礎(chǔ)參數(shù)

圖 3 陳家壩滑坡剖面圖。（a）陳家壩滑坡第一次失穩(wěn)的 A–A′剖面圖（Yin，2009a）；（b）陳家壩滑坡第二次失穩(wěn)的 B–B′剖面圖

圖 4 陳家壩滑坡第一次失穩(wěn)數(shù)值模擬的不同階段圖

圖 5 陳家壩滑坡第一次失穩(wěn)的運動特征圖。（a）最大速度分布圖；（b）最大壓力分布圖；（c）最大高度分布圖

Part.03

滑坡數(shù)值模型

在滑坡整體運動過程中，其特征會受到不確定因素的干擾，而RAMMS（快速塊體運動模擬）模型將滑坡體視作流變流體，采用Voellmy - Salm流變連續(xù)體模型與隨機動能（RKE）模型來處理流變問題，且實際應(yīng)用已證實，該模型借助這兩種模型能夠良好地模擬滑坡運動過程，并獲取滑坡運動特征參數(shù)。在Voellmy - Salm流變模型方面，RAMMS采用笛卡爾坐標系，將x、y、z設(shè)定為高程，t代表滑坡滑動時間。Christen等（2010）提出，滑坡的運動特征主要通過堆積體厚度（用H(x,y,t)表示）和滑動速度（用U(x,y,t)表示，包含x、y方向的速度分量）這兩個參數(shù)來體現(xiàn)。其中，滑動速率可通過由x、y方向速度分量構(gòu)成的公式計算得出，運動方向需依據(jù)滑動速度的模以及x、y方向速度分量相關(guān)的公式確定，滑坡厚度則通過涉及時間偏導(dǎo)、x和y方向通量偏導(dǎo)以及源項Q(x,y,t)的公式獲取。同時，該模型的摩擦阻力（包含x、y方向分量）可通過結(jié)合庫侖摩擦系數(shù)μ、重力加速度z方向分量、堆積體厚度H、滑動速度模以及湍流參數(shù)ξ的公式計算得到。

對于RKE模型，其將滑動速度定義為深度平均值，即滑動速度平行于斜坡但方向具有分散性，因此把雪崩速度分解為平均速度（包含x、y、z三個方向分量）與變分速度（同樣包含x、y、z三個方向分量），且在X、Y、Z三個方向分別對應(yīng)疊加形成總速度。該模型假設(shè)z方向的平均速度為0，即不存在垂直加速度，而庫侖摩擦系數(shù)（μ）與湍流摩擦系數(shù)（ξ）可通過包含初始庫侖摩擦系數(shù)μ?、初始湍流摩擦系數(shù)ξ?、常數(shù)R?（用于定義摩擦系數(shù)隨平均隨機動能密度變化的指數(shù)增長率）、深度平均隨機動能R以及指數(shù)函數(shù)的公式獲取。此外，RAMMS模型運行所采用的基礎(chǔ)參數(shù)如表1所示，涵蓋滑坡密度2204kg/m3、庫侖摩擦系數(shù)0.18、黏聚力1280Pa、湍流摩擦系數(shù)400m/s2，這些參數(shù)為后續(xù)滑坡運動過程的數(shù)值模擬提供了基礎(chǔ)支撐。

該研究采用了兩套分辨率均為 3 米的 DEM：第一套 DEM 從 2010 年繪制的 1:10000 地形圖中提取，覆蓋整個陳家壩滑坡區(qū)域，該數(shù)據(jù)可反映第一次滑坡后、第二次滑坡前的地形起伏狀況，適用于對比分析兩次滑坡對區(qū)域地形的改造效應(yīng)；第二套 DEM 同樣通過 Photoscan 軟件處理 2016 年 9 月 30 日的無人機航拍影像生成，與同期正射影像數(shù)據(jù)對應(yīng)，能精準呈現(xiàn)第二次滑坡后的最新地形特征，為 RAMMS 模型模擬第二次滑坡運動過程及預(yù)測滑坡復(fù)活場景提供了符合實際地形條件的高程數(shù)據(jù)。

圖 6 陳家壩滑坡第二次失穩(wěn)模擬的不同階段圖

圖 7 陳家壩滑坡第二次失穩(wěn)的流動高度圖

Part.04

數(shù)值模擬結(jié)果

該研究借助RAMMS模型對陳家壩滑坡的第一次失穩(wěn)與第二次失穩(wěn)過程分別開展數(shù)值模擬，獲取了詳細的運動特征參數(shù)，且模擬結(jié)果與實際情況具有較高一致性。對于第一次滑坡（2008年汶川地震誘發(fā)），圖4呈現(xiàn)了不同時刻的數(shù)值模擬結(jié)果，顯示其啟動過程短暫、滑動速度快，部分堆積體撞擊杜巴河左岸后形成滑坡壩，整個滑動過程耗時12秒；模擬得出的最大堆積厚度為29.54米，最大體積約148.02×10?m3，最大運動距離約1158米，與實際第一次滑坡運動距離約1140米的情況接近，僅因2010年繪制的地形圖中杜巴河左岸地形存在抬升，導(dǎo)致模擬堆積體與實際堆積體存在細微差異。同時，圖5展示了第一次滑坡的最大速度、最大壓力及最大高度分布，分析可知其最大速度達44.58米/秒，且速度與坡度呈正相關(guān)，最大壓力為4380.92千帕，最大滑坡厚度為45.26米，堆積體主要分布于杜巴河及杜巴河漫灘區(qū)域，與實際地形分布相符，無需額外校準，證明RAMMS模型對第一次滑坡模擬的高精度。

針對第二次滑坡（2016年降雨誘發(fā)），圖6呈現(xiàn)了不同時刻的模擬形態(tài)，結(jié)果顯示其同樣快速滑動，部分堆積體受杜巴河左岸阻擋形成滑坡壩，滑動總時長8秒；模擬得到的最大堆積厚度為25.87米，最大體積約30.34×10?m3，運動距離約620米，與實際第二次滑坡運動距離約580米、體積約30×10?m3的參數(shù)基本一致，且對比圖7與圖3（b）（第二次滑坡實際剖面）可知，模擬堆積體與實際堆積體形態(tài)幾乎完全吻合，驗證了RAMMS模型對潛在滑坡運動特征的預(yù)測能力。此外，圖8展示了第二次滑坡的運動特征分布，其最大速度為33.93米/秒（與坡度正相關(guān)），最大壓力為2537.81千帕（因低分辨率DEM導(dǎo)致阻力計算值偏低，使得壓力模擬值偏大），最大滑坡厚度達27.08米，堆積體同樣集中分布于杜巴河及漫灘區(qū)域，與實際情況相符。

兩次滑坡的模擬結(jié)果均表明，RAMMS模型能有效還原滑坡運動的關(guān)鍵參數(shù)（運動距離、堆積厚度、速度、壓力等），且模擬堆積范圍與實際地形匹配度高，為后續(xù)滑坡復(fù)活場景的模擬及災(zāi)害評估奠定了可靠基礎(chǔ)，也進一步證實該模型在高速滑坡數(shù)值模擬中的適用性與準確性

對比圖 3 與圖 9 可知，陳家壩滑坡第一次失穩(wěn)與第二次失穩(wěn)的模擬運動距離分別為 572 米和 1105 米，這些模擬結(jié)果與實際情況基本一致。其中，陳家壩滑坡第一次失穩(wěn)的最大速度、最大高度及最大壓力均為第二次失穩(wěn)的兩倍以上，且兩次滑坡的運動距離也呈現(xiàn)出非線性變化特征。

陳家壩滑坡在2016年9月5日第二次失穩(wěn)后，山坡后緣出現(xiàn)明顯拉裂縫（圖2(b)），裂縫寬度10-40厘米、長度70-900米，整體呈西北走向?？紤]到暴雨、地震等因素可能誘發(fā)該滑坡再次復(fù)活，進而阻斷杜巴河形成堰塞湖，對周邊區(qū)域安全構(gòu)成威脅，因此構(gòu)建滑坡復(fù)活災(zāi)害分區(qū)圖對災(zāi)害影響范圍內(nèi)的土地利用規(guī)劃具有重要實際意義。在開展滑坡復(fù)活模擬前，確定其釋放區(qū)平均厚度為6米，所采用的RAMMS模型基礎(chǔ)參數(shù)仍參考表1（滑坡密度2204kg/m3、庫侖摩擦系數(shù)0.18、黏聚力1280Pa、湍流摩擦系數(shù)400m/s2），以保證模擬參數(shù)的一致性與可靠性。

通過RAMMS模型對陳家壩滑坡復(fù)活過程進行數(shù)值模擬，圖10清晰呈現(xiàn)了滑坡復(fù)活后的流動高度分布，結(jié)果顯示滑坡復(fù)活后，大部分堆積體被阻擋在杜巴河及杜巴河西北部區(qū)域，少量堆積體越過杜巴河左岸，整個模擬過程總時長15秒；模擬得出的最大堆積厚度為41.98米，最大體積約140.41×10?m3，最大運動距離達1180米，且堆積體主要集中分布于杜巴河及杜巴河漫灘，與前兩次滑坡堆積區(qū)域特征相似，進一步體現(xiàn)了地形對滑坡堆積范圍的約束作用。同時，圖11展示了滑坡復(fù)活后的最大速度、最大壓力及最大高度分布，分析可知其最大速度為38.80米/秒，且速度與坡度呈正相關(guān)，最大壓力為3318.14千帕，相較于第二次滑坡壓力模擬值更接近實際（因采用了更高分辨率的DEM數(shù)據(jù)，減少了阻力計算誤差，提升了模擬精度），最大堆積高度達44.14米，這些參數(shù)為后續(xù)災(zāi)害分區(qū)提供了關(guān)鍵的量化依據(jù)。

在災(zāi)害分區(qū)過程中，基于RAMMS模型輸出的最大壓力數(shù)據(jù)，結(jié)合ArcGIS空間分析功能中的Jenks自然斷點法（該方法相較于專家主觀設(shè)定閾值更具客觀性，可確保分區(qū)結(jié)果的可比性），并參考圖3(a)中顯示的空氣沖擊與碎屑飛濺區(qū)長度約100米的特征，額外增設(shè)100米緩沖區(qū)作為低危險區(qū)，最終通過ArcGIS空間分析模塊的重分類功能生成陳家壩滑坡復(fù)活災(zāi)害分區(qū)圖（圖12）。從分區(qū)結(jié)果來看，高危險區(qū)面積最小，主要沿滑坡滑動主方向分布，該區(qū)域因靠近滑動中心，速度與壓力均較大，災(zāi)害風險最高；中危險區(qū)面積適中，受最大壓力與最大高度相對較小的影響，災(zāi)害風險處于中等水平；低危險區(qū)面積最大，主要分布在滑坡邊緣區(qū)域，且包含增設(shè)的100米緩沖區(qū)，該區(qū)域最大壓力與最大速度較小，災(zāi)害風險最低。此外，高危險區(qū)在山坡中下部呈連續(xù)分布，這一區(qū)域恰好為陳家壩滑坡壁所在位置，進一步印證了滑坡壁周邊因易發(fā)生二次滑動而災(zāi)害風險較高的特征，該分區(qū)結(jié)果可為滑坡復(fù)活風險區(qū)域的城鎮(zhèn)建設(shè)規(guī)避、防災(zāi)減災(zāi)工程布局提供精準的空間指引。

圖 8 陳家壩滑坡第二次失穩(wěn)的運動特征圖。（a）最大速度分布圖；（b）最大壓力分布圖；（c）最大高度分布圖

圖 9 基于快速塊體運動模擬（RAMMS）的陳家壩滑坡兩次失穩(wěn)模擬運動距離、最大壓力、最大高度及最大速度剖面圖（圖中綠色表示陳家壩滑坡第一次失穩(wěn)，紅色表示陳家壩滑坡第二次失穩(wěn)）

圖 10 基于快速塊體運動模擬（RAMMS）的陳家壩滑坡復(fù)活模擬流動高度圖

圖 10 基于快速塊體運動模擬（RAMMS）的陳家壩滑坡復(fù)活模擬流動高度圖

圖 12 陳家壩滑坡復(fù)活災(zāi)害分區(qū)圖

文章來源

該研究成果發(fā)表在期刊 Journal of Mountain Science 上，詳細內(nèi)容見：Huang T, Ding MT, She T, et al. (2017) Numerical simulation of high-speed landslide in Chenjiaba, Beichuan, China. Journal of Mountain Science 14(11).

原文鏈接：https://doi.org/10.1007/s11629-017-4516-7

來源 | 復(fù)合鏈生自然災(zāi)害

資料整理 | 崔澤飛

排版編輯 | 董浩然

編后語

西南山區(qū)地質(zhì)復(fù)雜，高速滑坡隱患突出，北川陳家壩兩次滑坡災(zāi)害，更凸顯了地質(zhì)災(zāi)害防控的緊迫性。

西南科技大學HUANG Tao等科研工作者，將RAMMS模型與無人機影像結(jié)合，精準還原陳家壩滑坡及復(fù)活場景，解鎖核心參數(shù)、繪制災(zāi)害分區(qū)圖，為防災(zāi)減災(zāi)提供了堅實的定量支撐。

每一組數(shù)據(jù)、每一次模擬，都承載著科研人的堅守，他們以專業(yè)之力，為西南山區(qū)筑起地質(zhì)安全屏障。

愿這份科研成果助力規(guī)避滑坡風險、守護山河安寧，也致敬每一位扎根一線、踐行使命的科研人。

原文發(fā)表于Journal of Mountain Science，感興趣的伙伴可點擊原文鏈接，深入研讀地質(zhì)災(zāi)害防控的科研奧秘～

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