滑坡堵江灾害分析及离散元数值模拟

黄 鸿 强

(中山市火炬高技术产业开发区水利所，广东 中山 528436)



滑坡堵江灾害分析及离散元数值模拟

黄 鸿 强

(中山市火炬高技术产业开发区水利所，广东 中山 528436)

简要分析了滑坡堵江形成的灾害链，采用离散元软件PFC2D对其进行了模拟，考虑了地形坡度及河道宽度对堵江的影响，模拟结果表明，河宽是决定滑坡体能否堵江的重要因素，随着河宽层增加，滑坡堵江由全堵型变成部分堵江。

滑坡堵江，山区河流，离散元模拟，影响因素

1 概述

由于全球气候变暖、地震频发以及人类活动增加等原因，滑坡等地质灾害的发生频率日益增加，严重威胁人类的生命财产安全[1]。山区河流岸坡由于地形陡峻、地质条件复杂，是滑坡灾害的高发地区。滑坡沿河流方向滑动，堆积物在河道堆积，很有可能造成河道堵塞并酿成巨大灾害。如1786年6月的如泸定县磨西地震引起的大渡河木杠岭山崩堵江，堰塞坝于10 d后发生溃决，引发特大溃坝洪水，造成多人死亡[2]。

滑坡堵江灾害已经严重影响到人类的工程经济活动，但人们对其的研究仍不甚深入[2]。张天佑分析了西南山区堰塞湖现象及滑坡堵河的影响因素，对堰塞湖及其危害进行了讨论[3]。柴贺军等对中国堵江滑坡的分布、成因以及基本特征进行了研究[4]。罗刚采用弹塑性力学和离散元模拟等手段对唐家山高速短程滑坡堵江过程及机制进行了研究[5]。胡卸文等对唐家山滑坡及其堰塞坝开展了现场调查，在此基础上对滑坡堵江的发生机理进行简单的探讨，认为滑坡能够堵江取决于滑坡速度、主河道水流流量和速度以及河道宽度等因素[6]。

本文对滑坡堵江灾害进行了简单的分析，并采用二维离散元软件PFC2D对滑坡堵江过程进行了模拟，考虑了地形坡度和河道宽度两个因素的影响，主要对堵江过程、滑坡速度等进行分析。

2 滑坡堵江灾害分析

滑坡堵江是滑坡从河岸一侧滑入河道并停积，造成河道完全或不完全堵塞的过程如图1所示。滑坡能否堵江取决于滑坡下滑速度、主河道流量和流速以及主河道宽度三个因素[6]。

堵江事件在世界范围内广泛存在，尤其是在山区，而我国是滑坡堵江的重灾区之一。据不完全统计，截至1995年，我国发生了至少147起滑坡堵江事件[7]，其中较为典型的如表1所示。

表1 我国典型的滑坡堵江事件

滑坡在入河过程中有可能激起巨大涌浪，威胁附近居民的生命财产安全，滑入河道后可阻断河流，影响下游航运及其他用水需求。另外，如果滑坡完全将河道截断形成堰塞坝，由于滑坡堆积物较为松散，随着水位上涨容易发生溃坝并形成溃坝洪水，给下游居民带来灭顶之灾。柴贺军等[8]曾统计了我国28个堰塞坝，发现其中有18个发生了溃决，因此滑坡堵江及其次生溃坝洪水灾害不容忽视。

3 数值模拟

为加深对山区滑坡堵江的认识，本文采用PFC2D离散元软件对该过程进行简单模拟，旨在研究堵江过程及探讨不同因素对滑坡堵江的影响规律。模拟过程中认为滑坡在运动过程中充分破碎，并考虑河道处于枯水期，忽略水流对滑坡堵江的影响。虽然实际河道中通常不会完全处于干燥状态，滑坡堵江过程中会受到动水的影响，但是以下各因素的影响规律大致相同。

3.1 计算方案

数值模型主要由料斗、运动加速段和河道三部分组成，其尺寸如图2所示。如图2所示，河道简化为矩形断面，河宽为3 m，高度为1 m；料斗宽度和后部高度均为1 m；河道与料斗之间由坡度为30°，水平长度为9 m的斜板连接。

本文主要研究地形坡度以及河道宽度两个因素对堵江作用的影响，计算方案见表2。如表2所示，T01～T03是为了研究河宽的影响；T02与T04是为了研究地形坡度的影响。

表2 数值模拟方案

3.2 计算结果

1)堵江过程。

滑坡堵江过程对认识堵江灾害具有重要意义，PFC2D可在计算过程中对滑坡整个运动过程进行监测。图3为滑坡堵江的基本过程，由图3可知，滑坡启动后经运动加速段加速后滑入河道并在主河道内堆积，随着滑坡物质不断进入河道内，堆积体范围不断扩大并向滑坡冲击部位两侧发展，形成三角形堆积形态。在滑坡方量足够大的情况下，滑坡堆积物最终将河道截断，形成堰塞湖。在河道水流流量大、流速快的情况下，部分滑坡物质在入河后将被冲走，但是滑坡往往体积巨大且速度极快，在有水条件下仍然可将河道阻断形成堰塞湖。

2)河宽的影响。

河宽是决定滑坡是否能堵江的重要因素之一，本文模拟过程中考虑了河宽为1 m,3 m和4 m三种情况对滑坡堵江的影响，模拟结果如图4所示。图4a)～图4c)分别为河宽为1 m,3 m和4 m时滑坡物质堆积形态，由图4可以看出，在相同的滑坡体积条件下，河宽越大越不容易造成堵江。当河道宽度为4 m时，由于滑坡物质有限，只能造成河道局部堵塞。不完全堵江形成后，若河道处于丰水期，大量的水流将以更大的速度沿未堵塞一侧向下游流动，并不断冲刷滑坡堆积物。

另外，河宽较小时，滑坡物质在入河时可能直接撞击对岸，对其施加较大的冲击荷载，如图5所示。若河岸地质情况较差，有可能发生失稳破坏而增加堵江的几率。

3)坡度的影响。

模拟过程中研究了20°和30°两个不同地形坡度对滑坡堵江作用的影响，模拟结果如图6所示。由图6可以看出，随着地形坡度的减小，滑坡入河位置向河道左侧移动。当河道水流较大时，同一断面上不同位置水流流速分布不均将导致滑坡在不同位置开始堆积而导致不同的堵江效果。

图7为不同地形坡度条件下滑坡运动过程中速度演化过程，由图7可以看出，坡度较大时滑坡经过加速获得的速度增大。滑坡物质进入河道形成堆积后速度迅速下降，当地形坡度为30°时，下降的速率要高于坡度为20°的情况。并且，滑坡体完全入河堆积所需时间也随坡度的增加而增加，因此在同等水力条件下，坡度越大越容易造成堵江。

4 结语

滑坡堵江是山区河流中的一种较为典型的衍生灾害，其严重威胁着人类的生命财产安全。本文对滑坡堵江灾害进行了简单的分析，并采用离散元软件PFC2D对其进行模拟，主要得出以下结论：

1)滑坡堵江可造成重大灾害损失，一方面它可直接激起巨大涌浪，危及周边居民的安全；另一方面可阻断河流形成堰塞坝，影响下游航运。若不及时处理而导致溃坝，甚至会给下游居民带来灭顶之灾。

2)滑坡体在加速段加速后高速滑入河道并堆积，随着滑坡过程的发展，堆积物高程不断升高，最终将河道阻断形成堰塞坝。

3)河宽对堵江影响重大，宽度越小，滑坡体越容易将河道完全阻断；地形坡度的增大导致滑坡体入河位置向河右侧偏移，同时使滑坡体入河速度增加，增大堵江的几率。

[1] 范一大,朱建军,童小华,等.典型地质灾害遥感监测与应急关键技术及应用[J].科技成果管理与研究,2016(1)：25-26.

[2] 晏鄂川,郑万模,唐辉明,等.滑坡堵江坝溃决洪水及其演进的理论分析[J].水文地质工程地质,2001,28(6):15-17.

[3] 张天佑.西南山区公路滑坡泥石流堵江问题概述[J].甘肃科技,2010,26(11):141-143.

[4] 柴贺军,刘汉超,张倬元.中国滑坡堵江的类型及其特点[J].成都理工大学学报(自然科学版),1998(3):411-416.

[5] 罗 刚.唐家山高速短程滑坡堵江及溃坝机制研究[D].成都：西南交通大学,2012.

[6] 胡卸文,黄润秋,施裕兵,等.唐家山滑坡堵江机制及堰塞坝溃坝模式分析[J].岩石力学与工程学报,2009,28(1):181-189.

[7] 柴贺军,刘汉超.中国滑坡堵江事件目录[J].地质灾害与环境保护,1995(4)：1-2.

[8] 柴贺军,刘汉超,张倬元,等.中国堵江滑坡的分布、成因和基本特征研究(英文)[J].成都理工大学学报(自然科学版),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

黄鸿强(1989- )，男，助理工程师

P642.22

A