第 54 卷第 1 期
西# $%
Vol. 54 No. 12021 年(总 219 期)
NORTHWESTERN GEOLOGY
2021(Sum219)
DOI ： 10. 19751/j. cnki. 61 —1149/p. 2021. 01. 018
基于
DAN-W
模型的高速远程滑坡灾变过程分析
张艳玲】，陈亮"，闫金凯2，高杨3
(1.中国地质环境监测院，北京100081#.中国地质科学院，北京100037；
3.中国地质科学院地质力学研究所，北京100081)
摘要：高速远程滑坡因其突发性、剧烈性、高速性、远程性等特L 对人员和财产造成重大危害，是 中国最严重的地质灾害类型之一，研究其灾变过程对中国防灾减灾具有重要的意义。DAN-W 是
基于拉格朗日有限差分法建立的动力模拟方法，反演模拟碎屑流运动过程，更适合高速远程滑坡的
模拟分析。笔者以哀牢山地区芭蕉树滑坡为研究对象，研究芭蕉树滑坡的基本特征，利用DAN-W
软件建立芭蕉树滑坡的计算模型，分析滑坡的灾变过程，依据滑坡特征考虑滑坡分区和铲刮效应， 将滑动路径分为3段：滑源段、铲刮段、堆积段进行模拟计算；结果显示：滑坡前缘最大速度为26
m/s，后缘最大速度为30 m/s，后缘最大速度发生在剪出口位置，最大滑距为420 m，滑动14 s 后滑
体基本滑离剪出口，至运动30 s 时停止滑动。所得结果与实际情况吻合度高# 关键词：高速远程滑坡；灾变过程；数值模拟;DAN-W 中图分类号：P694
文献标志码:A 文章编号：1009-6248(2021)01-0204-08
Study on the Catastrophic Process of Rapid and Long Run-out Landslides Bad on DAN-W
ZHANG Yanling 1 , CHENG Liang 1*
* , YAN Jinkai 2 , GAO Yang 3收稿日期：2020-04-15；修回日期：2020-09-27
基金项目：自然资源部国家级地质环境监测与预报项目“哀牢山地区地质灾害监测预警-(121201014000150003 - 3)，中国地质
调查局地质调查类项目“全国地质灾害数据更新与服务-(DD20190638)
作者简介：张艳玲(982 -)，女，工程师，主要从事地质灾害调查评价综合研究、地质灾害数据库管理及信息系统建设等工作$
E - mail ： zhangyl@ cigem. cn
*通讯作者：陈亮(1983 -)，男，高级工程师，主要从事地质灾害调查评价监测预警综合研究工作$ E-mail ：chenl@cigem. cn
(1. China Institute of Geo-Environment Monitoring , Beijing 100081, China ； 2. Chine Academy
of Geological Sciences , Beijing 100037 , China ； 3. Institute of Geo-mechanics , Chine
Academy of Geological Sciences , Beijing 100081 , China)
Abstract : Rapid and long run-out landslides , one of the most rious geological hazards in China ,
caud great damage due to its sudden , violent , high speed and long run-out characteristics.
Therefore itisofgreatsignificancetostudythecatastrophicprocessforpreventionand mitiga- tionofthehazard. DAN-Wisadissipativepartic?edynamicsbadonLagrangianfinite-di f erence
and inver simulation of the detrital flow process. This paper studies the characteristics of the Banana-TreeLandslidein Ailao moun7ainarea. DAN-W was ud7o es7ablish7he calcula7ion modelandanalyze7heca7as7ropheprocess. Theslidepa7hwasdividedin7o7hreegmen7s ：slid- ingsourcegmen7 scrapergmen7andaccumula7iongmen7 according7olandslidezoning
and scraping effect. The results showed that the maximum speed of frontal part was 26m/s , the
第1期张艳玲等：基于DAN-W模型的高速远程滑坡灾变过程分析205
frontal rear part was30m/s at the shear exit；the maximum slip distance was420m,sliding off shear outlet after14s,and stopped after30s.The results are consistent with the actual situation.
Keywords:rapid and long run-out landslide；catastrophic process；numerical simulation；DAN-W
滑坡是自然界中分布最广、危害最为严重的一种突发性地质灾害。而在所有滑坡灾害中，高速远程滑坡因其突发性、剧烈性、高速性、远程性、危害大等突出特点导致了巨大的财产损失和人员伤亡，成为最为严重的地质灾害类型之一（张明等，2010；殷跃平等,2009；邢爱国等，2002）。历史上由于高速远程滑坡引发的重大损失为数不少，典型案例有1963年发生于意大利北部威尼斯省瓦依昂河下游的Vaiont滑坡，该滑坡体积约为2.4亿m3，其规模属巨型滑坡，滑坡体的最大运动速度高达30m/s，造成下游3km处的数个村镇毁灭，导致2000余人遇难（Chiara Del Ventitte，et al.，2015）；2008年5.12汶川地震诱发了大量高速远程滑坡，并造成惨重伤亡及财产损失。其中，位于震中映秀镇的牛圈沟滑坡，运动距离达3.2km，造成50人死亡（张明等，2010）；青川东河口滑坡，运动距离2.7km，掩埋4个社，造成约260人死亡（孙萍等，2009）2017年6月24日茂县“6.24”特大滑坡，最长运动距离2.5 km，造成40多户农房被掩埋,90余人失踪（许强等,2017）。
目前，国际上尚未对高速远程滑坡进行明确定义，通常认为滑坡的平均速度大于等于20m/s，且滑体
中心位置的垂向位移与水平位移的比值小于0.6（约为tan32。）时，便是高速远程滑坡（Gao Yang,et al.,2016；Ouyang Chaojun,et al.,2017；Song Yixiang,et al.,2016）。由于高速远程滑坡的危害重大，且成因复杂，至今对高速远程滑坡的高速度和超远距离位移的现象尚没有明确的解释，对其影响范围的预测亦成为研究的重点和难点。因此，开展高速远程滑坡的运动机理研究对地质灾害防治工作具有重大意义。
DAN-W数值模拟方法由加拿大Hunger教授等提出（Hungr O,1990；Hungr O,1995；Hungr O, etal.2009；HungrO etal.2004）"法于
格朗日有限差分法建立，是模拟高速远程滑坡的动力模拟的有效方法（Hungr O,et al.,2004；高杨等, 2016；高杨等，2019；刘东飞等，2014）。近年来，此方法被广泛应用于各种滑坡反演分析中，基于DAN-W模型Hungr（HungrO etal.2004）等
刮效应对滑坡的影响；刘东飞等（2014）模拟研究了舟曲泄流坡滑坡运动特性；高杨等（高杨等，2016, 2019）模拟分析了鸡尾山高速远程滑坡运动特征及深圳“12.20”渣土场远程流化滑坡动力过程。上述模拟研究均取得了良好效果，与实际调查结果吻合度较高。应用证明，该方法能更好的反演模拟高速远程滑坡碎屑流运动过程，揭示高速远程滑坡从块体到散体再到碎屑体的运动堆积特点，为高速远程滑坡的反演分析、预测分析及动力理论分析提供支持。
笔者针对哀牢山东麓广泛发育的高速远程流状滑坡，选取芭蕉树滑坡为研究对象，运用DAN-W软件开展高速远程流状滑坡灾变过程分析。
1芭蕉树滑坡基本特征
芭蕉树滑坡发生于2002年8月13日，其直接诱因是罕见特大暴雨（根据新平县气象资料，滑坡区遭遇60年罕见的特大暴雨，滑坡发生当日最大降雨量高达到100mm）。芭蕉树滑坡位于云南省新平自（新平）水镇
树村民小组上方坡体，恩水（恩施-水塘镇）公路从滑坡剪出口的下方穿过，滑坡所处位置属于哀牢山中段，海拔约1000〜3100m，高差较大，地貌特点呈构造剥蚀高中山型，特殊的地貌特点为滑坡的发生提供。查滑坡在哀牢山群下亚组（P ta a）之中，滑坡体母岩主要为黑云斜长片麻岩，其片理层普遍较薄，最薄处约2cm，片理产状为50。〜65。$36。〜45。，坡体为顺向坡，岩层倾向坡外。片麻岩底部分布白云母片岩夹层厚度约5 cm，该夹层抗剪强度低，摩擦系数小，形成顺岩体片理面的易滑面，严重威胁滑坡稳定性，极易造成滑坡失稳。芭蕉树滑坡位于哀牢山山前断裂（李传宝, 2007；陈亮等，2017），该断裂为红河断裂南段的一支，此断裂横穿滑坡体。源区位于断裂下盘，堆积区于断裂上之上。上特的地
之等诱导致滑坡的"成8人死亡，3人失踪，附近村庄被毁的惨重损失。
206
西北地质
NORTHWESTERN GEOLOGY 2021
依据现场调查成果（图1、图2），芭蕉树滑坡平 面形态呈“长舌形”，滑坡主滑方向为N70°E，沿主
滑方向最大平面长度为540 m，后缘至剪岀口长度 为126 m，滑坡后壁呈弧形圈椅状，横向宽度最大为
122 m，中前部主堆积区平均宽约120 m，次堆积区 长50 m，宽26 m，位于 积区前缘左侧，滑坡总
体呈中间较宽、两侧较窄的条带状，主堆积区平面面 积约5.36 X 104 m 2。滑坡后缘陡壁冠部高程为
1 170 m ，堆积区前缘高程为1 00
2 m，高差达
168 m 。滑坡形成时长度为157 m ，平均宽度约
120 m，平均厚度为6〜8 m，其体积为1. 32 X 105
m 3，从规模上看属中型滑坡$在滑坡过程中，滑体
冲岀剪岀口后飞行约50 m 才坠地发生解体，主支
转化为 ，从滑体坠地处至滑坡趾尖处的区域
为碎屑流区，其位于高程为1 002〜1 058 m，平均坡 度为10°，滑体在“铲地”运行约364 m 后停息；左侧
次支落地 弹射，继续飞行约170 m 之后坠落
积；滑坡体整个运动过程历时仅约20余秒，其平
均运动速度达到29 m/s 。上述运动特征充分
；
滑坡是典型的高速远程滑坡。
图1芭蕉树滑坡平面图
Fig.$ PlanediagraminBajiaoshulandslide
元古界哀牢山群
三叠系上统祥云组环
Ptz>'ft®后璧
7
实测剖面位置
渝片理产状
层理产状
哀劳山山前断裂居民地
I Pt/|元古界哀牢山群 I T3*三叠系上统祥云组 I △劎滑坡堆积物
巨砂岩
煤层
片麻岩
图2芭蕉树滑坡剖面图
Fig.2
Bajiaoshulandslideprofile
第1期张艳玲等：基于DAN-W模型的高速远程滑坡灾变过程分析207
2DAN-W软件介绍
由加拿大Hunger教授等建立的DAN-W（Dynamic Analysis）模型是目前模拟高速远程滑坡动力特征的有法。该模型不同于常规滑坡块体算模型，其计算原理是建立在连续介质模型基础上，即将运动中的滑坡体视同为具有流变性质的流体$首先通过野外调查，确定滑坡的运动路径、运动向等参数,DAN-W选取不同流变模型一步滑坡的运动过程，计算岀滑坡运动'、滑动速度及堆积体厚度分布等参数$在具体计算中，将滑坡体分为N个连续分布的块体，且假定这些连续块体在运动过程中不会部变形，对每个块体建立平衡方程和运动方程，采有限差分法求，从而得到滑坡运动、运动速度等特征值$
在上述等效流体假设的前提下,DAN-W模型中视滑坡体由多个相互接触的不规则块体构成，并假设滑体运动过程中这体在垂直下滑时不会产部变形，且能保体的体积固定不变$如图3所示，其中图3中标号i=1〜"代表边界块；标1=1〜（"一1）代表$运动过程中各质量块始终保持体积不变，并有效隔开边界块。基于上述假设，滑坡体的运动问题演化为一个关于流体动力的有限差分解问题，曲线坐标以
图3滑动体单元块体划分剖面示意图（据Hungr,2004）Eg.3The profile sketch map of sliding mass block element
为方便理解，笔者所言长度方向、切向以及垂向关系均是对于滑坡运动路径的曲线坐标而言$分析上述滑动体单元块体划分结果可知，在与滑动；垂直的方向，可以列岀关于单元块体的动
及关于的连续性，其他参数可以通过插值确定，在假定流体表面和滑坡运动路径均是光滑的前提下，每个时间段里的相关值便可通过求解得
图4单元块体边界力学分析图（据Hungr,2004）Fig.4Mechanical analysis of block element boundary
单元块体力学分析:
F=yH z5z#ssin%+p—&
上述公式中各参数定：F为下滑力；&为基底阻力；P为重力分力；％为坡角；/为流体容重; 4单元块体高度；5为单元块体宽度$
3芭蕉树滑坡计算模型
笔者基于野外实际调查结果建立芭蕉树滑坡地质模型$在DAN-W模型建立地质模型过程中，首先查结果，确定好滑坡体滑动、始坡体地和滑动宽度等参数$
滑坡特征，结合滑坡分区和运动过程中的铲刮
将滑动地分为3段：滑源段、铲刮段、堆积段（图5）$流变阻力（即每个块体单元与滑动面之间的阻力）模型采用常用的Frictional流变模型，不同区段的材料参数见表1$
4芭蕉树滑坡运动过程分析
4.1滑坡体前后缘速度与时间
通过模算，滑坡体前后缘的速度随时间变化规律如图6所示$分果可得，芭蕉树滑坡的前后缘同时开始滑动，初始滑动阶段前缘的速度
提
208西北地质NORTHWESTERN GEOLOGY2021
图5芭蕉树滑坡DAN模型图
Fig.5DAN model of Bajiaoshu landslide
表1芭蕉树滑坡计算模型参数表
Tab.1Model parameter of Bajiaoshu landslide
滑坡区域模型孔隙水压力-u角容重N/m3系数/滑缘段Frictional0352018
铲刮段Frictional0.5352017积段Frictiona?0352018
升远大于后缘，显示岀明显的牵引滑动特征$前缘速度在5s内达到20m/s，此后经过短暂的下降后速度继续提升，至滑动12s时，前缘速度达到最大值26m/s，此后速度基本匀速下降，至滑动30s时，前缘速度降为零$滑坡后缘的速度在运动前期相对较小，前8s的最大速度为5m/s，且存在波动现象$运动8s后，后缘的速度开始大幅上升，至17s时达到最大速度30m/s，此后速度迅速下降为零，达到最大滑动$
滑坡体沿滑行路径的速度变化趋势如图7所示。分果可得，滑坡前缘速度在滑动初期迅速增大，在滑动至200m时，速度达到最大值，此后随滑体的堆积，滑动速度逐渐减小，至滑动435m后速度降为零，停止滑动$滑坡后缘的速度变化较剧烈，初期速度相对较小且有波动，此后在滑坡滑源区滑动时速度迅速增大，至后缘滑动150 m剪岀口时速度达到最大值，此后随着坡体堆积速度迅速减小为零，停止滑动$
30—前缘速度
后缘速度
35 25
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图6滑坡前后缘速度随时间变化曲线图Fig.6Change of velocity over time
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图7滑坡前后缘速度沿滑程变化曲线图Fig.7Changeofve?ocitya?ongthegidepath
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