鸡尾山高速远程滑坡运动特征及数值模拟分析
高杨;李滨;王国章
【摘 要】This paper is bad on detailed geological survey of the Jiweishan landslide .It analyzes the characteristics of landslide geological environment background, slide source characteristics and deposition area.It discuss the movement characteristics of three phas including the landslide instability, collision and sliding accumulation.It establishes the geological model of Jiweishan landslide.It takes the advantage of DAN-3D numerical simulation software.The landslide is simulated by choosing the FVF combination model on the motion characteristics .It finally gets the landslide accumulation, scraping area and sliding distance features.Through analysis and comparison, the simulation results are consistent with the actual situation.So this analysis method can be ud for early asssment and prediction of disaster area to provide technical support for rapid and long run-out landslide.%本文在对鸡尾山高速远程滑坡的详细地质调查的基础上，分析了该滑坡地质环境背景特征、滑源区特征和堆积区特征。将滑坡后破坏运动主要分为失稳下滑、碰撞
解体和滑行堆积3个阶段的运动特征，建立鸡尾山高速远程滑坡运动特征的地质模型。结合 DAN－3D 数值软件，选用 FVF 组合模型对该滑坡的运动特征进行了模拟，最后得到了滑坡堆积、铲刮区域和滑动距离等方面的特征。通过对比分析，鸡尾山滑坡模拟后的运动特征与所建立的地质模型基本符合，模拟的堆积形态与实际情况基本一致。由此可以说明，该分析方法可以为高速远程滑坡成灾范围进行早期评估及预测，为该类滑坡的研究提供一定的帮助。
【期刊名称】《工程地质学报》
【年(卷),期】2016(024)003
【总页数】10页(P425-434)
【关键词】高速远程;滑坡碎屑流;动力学特征;DAN-3D;数值模拟
【作 者】高杨;李滨;王国章
【作者单位】中国地质科学院地质力学研究所 北京 100081; 中国地质大学 北京 北京 1000
83;中国地质科学院地质力学研究所 北京 100081;上海交通大学土木工程系 上海 200240
【正文语种】中 文
【中图分类】P642
2009年6月5日，重庆市武隆县铁矿乡红宝村发生特大型岩质滑坡灾害，造成了74人遇难， 8 人受伤的特大灾难。鸡尾山滑坡滑体体积约500×104m3，由于在运动过程中不断解体，形成了体积约为700×104m3的滑坡堆积体，水平堆积长度约为2150m。鸡尾山高速远程滑坡主要的失稳模式为“斜倾厚层岩质滑坡视向滑动”，且滑坡在失稳之后在短时间内迅速达到极高运动速度，最终形成了超远距离的位移，属于高速远程滑坡的范畴(许强等， 2009)。
关于高速远程滑坡的运动机理研究： 1932年Buss et al.(1881)对瑞士Elm滑坡的研究，并提出了滑坡运动中由于颗粒碰撞导致滑坡远程滑动的颗粒流模型； Kent(1966)等最早以美国Madison canyon滑坡远程滑动进行了相关研究，提出了空气润滑模型； Eisbacher(2011)等以加拿大高速远程滑坡为例，提出由于运动过程中的能量转换而导致远
程滑动的能量传递模型； Sassa(1988)教授提出了由于超孔隙水压力改变导致远程滑动的底部超孔隙水压力模型。以上4种模型的提出对高速远程滑坡动力学机理研究进展起着至关重要的作用(张明等， 2010)。而对于高速远程滑坡的数值模拟分析，加拿大Hungr教授等基于拉格朗日有限差分法建立了动力模拟方法(DAN数值模拟软件)(Cruden et al., 1986)。Evans et al.(2001)等采用DAN软件对加拿大Mount Cayley碎屑流反演模拟分析，得出摩擦模型(Frictional Model)，宾汉体模型(Bingham Model)和Voellmy Model 3种本构模型方程更适合高速远程滑坡的模拟分析。Scott (2004)采用基于SPH方法的DAN-3D方法，对Frank、Val pola、Cervinara等高速远程滑坡进行了数值模拟研究。同时国内一些专家学者通过理论分析、模型试验和数值模拟也对该类滑坡的动力学特征进行了详细的描述和分析(胡广韬， 1995； 邢爱国等， 2002， 2004； 孙萍等， 2009； Yin et al.,2011, 2012, 2013)。
本文针对于鸡尾山滑坡堆积情况的现场详细调查，建立了鸡尾山滑坡的运动地质模型，将运动过程主要分为启程下滑、碰撞铲刮和碎屑堆积3个阶段； 采用DAN-3D数值模拟软件，反演分析了鸡尾山高速远程滑坡运动堆积过程及特征。揭示了高速远程滑坡从块体到散体再到碎屑体的运动堆积特点，认为能量传递是导致该滑坡高速远程滑坡的主要动力条件。
希望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一定支持。
1.1 鸡尾山滑坡基本特征
鸡尾山滑坡位于重庆市武隆县铁矿乡铁匠沟西侧，属中深切割溶蚀-构造中山地貌，总体地势呈南西高北东低。该研究区呈单面山斜坡，地形坡角一般为20°～40°，岩层产状为NE315°～359°∠13°～33°，为典型的斜倾厚层山体结构 (图2)。
滑坡发生后，堆积区的平面形态为斜长的喇叭形，其沿铁匠沟散落堆积体长度约1500m，沟谷横向最大宽度约470m，散布堆积面积约48.3×104m2，滑坡堆积最大厚度约55m，总体积约为700×104m3。根据堆积体现场调查情况，将其主要分为4个区域：滑坡堆积区、铲刮区、碎屑流区以及撒落区 (图3)(殷跃平， 2010)。
1.2 鸡尾山滑坡运动特征分析
在现场的详细调查、物探及测绘工作，建立鸡尾山高速远程滑坡的运动地质模型，其运动过程主要分为启程下滑、碰撞铲刮和碎屑堆积3个连续阶段 (图4，图5)。
1.2.1 失稳下滑阶段
鸡尾山滑坡的类型属于斜倾厚层山体滑坡(图6)，沿视倾向滑动失稳并形成灾害，主要的发生机制为“后部块体驱动-前缘关键块体瞬时失稳”(殷跃平， 2010； 冯振， 2012a,2012b)。
1.2.2 铲刮阶段
滑坡失稳后约500×104m3滑体高位剪出，跃下前缘高约70余米的临空陡崖，通过势动能转换，得到较高的滑动速度。并在运动过程中，高速滑体对前缘的小型山体施加以巨大冲击力，碰撞铲刮掉前缘突出山体(图7)； 并且裹挟铲刮掉沟谷表层大量的松散堆积物和强风化层(殷跃平， 2010； 殷跃平等， 2010)。
鸡尾山滑坡的铲刮现象，主要可以分为碰撞侵蚀和裹挟侵蚀两种方式。碰撞侵蚀的山体主要有两座山体，山体一的体积约为36.8×104m3，山体二的体积约为2.54×104m3(图8，图9)，则碰撞后侵蚀的山体总体积约为40×104m3； 裹挟侵蚀作用是对表层松散堆积层及两侧山体表面风化层的侵蚀，该作用的侵蚀体积约为20×104m3。由此可以得出鸡尾山滑坡由最初的500×104m3滑体，最后散布形成的700×104m3的堆积体中，大约有60×104m3的体积是因为铲刮作用直接导致的，并且其他一部分是由于滑体解体破碎后扩容而使体积增加，解体扩容系数为1.28(高杨， 2014)。
1.2.3 滑行堆积阶段
滑体高速碰撞铲刮作用结束后，高速滑动岩体通过铁匠沟后，仍以较高的速度冲向对岸稳定山体，由于对岸山体的阻挡作用，滑坡体的运动路径受到了一定的阻碍，形成短暂的堆积，此处也是堆积体厚度最大的位置 (图10)。滑体运动中的较高速度和巨大的冲击力使较大的岩石块体不断碰撞解体，进行能量传递转向，由此该位置也可谓Eisbacher能量传递模型中的能量交换点(Eisbacher， 2011)。随后在沟谷中以碎屑流的方式向下游运动，最终运动停止 (图11)。
2.1 DAN介绍及基本原理
DAN-3D是在连续介质模型基础上将滑体等效为具有流变性质的流动体(Xing et al.， 2014)。因此，对于流变模型方程的选取，对于滑坡模拟与实际运动、堆积特征的影响至为关键(高杨等， 2013)。Hungr， Sosio等学者通过多个实例的模拟表明，Frictional、Voellmy两种流变模型可以较为逼真的反映出滑坡-碎屑流的运动及堆积特征，其流变模型方程式如下所述(Hungr et al., 2004; Sosio et al.， 2008)。
Frictional模型：滑动剪切阻力T为滑坡作用在运动路径上的函数，表达式如下：
