贵州福泉滑坡冲击水塘的涌浪过程分析

吕 刚，朱要强

(贵州省地质环境监测院，贵州 贵阳 550018)

贵州福泉滑坡冲击水塘的涌浪过程分析

吕 刚，朱要强

(贵州省地质环境监测院，贵州 贵阳 550018)

2014年8月27日20∶30左右，贵州福泉突发灾难性山体滑坡灾害，致使两个村庄受灾，23人死亡。滑坡失稳后，滑体沿140°方向高速剪出，冲击坡脚深水塘激起涌浪，产生的高压水波裹挟滑坡碎屑沿滑坡路径西侧越过小山包，淹没新湾村民小组3户居民房屋，部分滑坡碎屑运动40 m破坏了小坝村民小组。为了对贵州岩溶山区灾害易发地区潜在的类似滑坡灾害预测防治提供依据，本文运用DAN-W软件反演了滑坡入水前的运动参数和几何形态，并利用FLUENT软件对滑坡碎屑入水产生的涌浪及其传播过程进行了模拟分析，结果表明：滑坡前缘在9.2 s时开始入水，滑坡启动后21.7 s时涌浪水波裹挟滑坡碎屑冲向对岸，模拟结果与现场调查基本吻合。

福泉滑坡；涌浪；耦合模拟；反分析

贵州岩溶山区地质环境复杂、人类活动强烈，是我国特大崩滑灾害高发区，近年来灾难性崩滑灾害频发，造成了重大人员伤亡和财产损失[1-4]。2014年8月27日，福泉滑坡造成英坪村小坝村民组、新湾村民组受灾，造成15人死亡，8人失联，22人受伤，77栋房屋损毁；2016年7月1日，大方县理化乡岩质滑坡造成偏坡村金星组23人死亡。因此，如何防范贵州岩溶山区特大崩滑灾害造成的群死群伤事故，是该地区防灾减灾的重中之重。

本文在福泉滑坡现场详细调查的基础上，分析了福泉滑坡的地质环境条件，探讨了滑坡失稳后的运动特征和滑坡-碎屑流堆积特征。运用Hungr[5]开发的DAN-W动力分析软件反演了滑坡入水前运动参数和几何形态，在DAN模拟的基础上，基于FLUENT软件对滑坡碎屑冲击深水塘所产生的涌浪次生灾害进行了模拟分析。

1 福泉滑坡概况

1.1 地质环境条件

滑坡区位于川黔南北构造带的白岩-道坪背斜东翼，属构造侵蚀剥蚀低中山地貌，滑坡区最高点位于牛皮井，高程为1 502.5 m，最低点为英坪溪沟沟底，高程1 170 m，相对高差332 m。区内地形呈台阶状，斜坡呈陡缓相间展布(图1)。

图1 福泉滑坡滑源区Fig.1 View of the source area

1.2 滑坡基本特征

滑坡现场调查表明: 滑体沿140°方向由高程1 310 m处高速剪出，大部分滑体冲入滑源区下部蓄水2.1×104m3的深水塘，激起涌浪裹挟着大量滑坡碎屑越过滑坡运移路径西侧高27 m的小山脊，摧毁了新湾组三户居民房屋；部分滑坡碎屑运移约40 m后毁坏了小坝组，此次滑坡及其涌浪灾害共造成23人死亡、22人受伤，77栋房屋损毁(图2)。

图2 福泉滑坡纵剖面图Fig.2 Cross section of the Fuquan landslide

滑源区纵长约160 m、横宽约60～140 m、厚约20～50 m，后缘高程1 450 m、前缘高程1 231 m，垂直高差约219 m，体积约1.41×106m3。

滑坡碎屑主要堆积在高程1 286～1 231 m范围，可分成4个亚区(图3)。堆积区a位于深水塘及其西侧山脊东南侧，堆积物约1.1×106m3，主要由漂石、块石、砾石夹杂黏土颗粒组成，以块石为主，约占65%(图3a)；堆积区b纵长约50 m，宽约40 m，厚约25 m，堆积物约1.7×105m3，以黏土颗粒夹杂块石组成(图3b)；堆积区c因滑体侧压形成，纵长约80 m，宽约60 m，厚约15 m，堆积物约1.5×105m3，其顺沟右侧堆积碎石夹杂黏土颗粒，左侧堆积黏土颗粒夹杂块、碎石，呈现平面二元堆积结构(图3c)；堆积区d是由涌浪水波裹挟碎屑形成的，涌浪水波裹挟、铲刮、冲刷等形成的堆积区面积较大，堆积物约2.0×105m3，以黏土颗粒混杂岩粉、碎石、块石、砖木及混凝土碎块组成(图3d)。此次滑坡灾害堆积物总体积约1.6×106m3(图4)。

图4 福泉滑坡堆积区Fig.4 Views of the landslide deposits

2 滑坡及涌浪过程模拟

2.1 滑坡入水前运动过程模拟

(1) 流变模型及参数选取

基于Hungr[5](1995)开发的DAN-W动力分析方法本文对福泉滑坡入水前的运动过程进行模拟。该方法将滑体等效为流变性质的流体，模拟滑坡运动各时刻滑体形态、速度分布、堆积物分布等。滑坡-碎屑流运动受滑体内部和底部流变模型控制，其中应用最为广泛的底部流变模型是Frictional模型和Voellmy模型。

摩擦流变模型中，抗剪强度(τ)仅与正应力(σ)有关：

τ=σ(1-ru)tanφ

(1)

式中：ru——孔压系数；

φ——摩擦角/(°)。

可将孔压比与动摩擦角综合成单一指标φb表示：

φb=arctan(1-ru)tanφ

(2)

Voellmy模型中抗剪强度由摩擦项和紊流项两部分组成：

τ=σf+ρgv2/ξ

(3)

摩擦项f等同于式(2)中tanφb，紊流项ξ与碎屑流速度和密度相关。

在DAN-W模拟过程中，通过试错法确定滑体入水前选用Frictional模型，摩擦角取11°，滑体内摩擦角取35°，滑体重度设为20 kN/m3。

(2)DAN模拟结果分析

滑坡入水前运动过程模拟结果见图5。由图5(a)可见，滑体前缘在9.2 s开始入水；滑体前缘在水平距离X=457 m处速度达到最大值27.6 m/s；后缘速度在水平距离X=158 m处达到最大值9.8 m/s(图5b)。图5(c)显示了滑体入水前的形态和沿运动路径的平均堆积厚度，在水平距离X=353 m处滑坡碎屑达到最大堆积厚度25.8 m。

图5 福泉滑坡入水前模拟结果Fig.5 Simulated results for the Fuquan landslide before entering the quarry

2.2 滑坡-碎屑流入水后涌浪模拟

邱昕等[6]对比Heinrich[7]的实验数据和FLUENT软件对该实验的模拟结果，发现模拟结果与实验数据高度拟合，证明FLUENT软件能较好地模拟涌浪运动传播过程。结合DAN-W对滑坡碎屑入水前的模拟结果，运用FLUENT软件对滑坡碎屑冲击入水后涌浪传播进行模拟。9.2 s时滑坡碎屑开始入水，此时的几何形态模拟见图6。

图6 滑体入水前形态模拟Fig.6 Model configuration of the Fuquan landslide before entering the quarry

(1)参数选取及网格划分

采用FLUENT前处理软件GAMBIT进行建模及网格划分。计算区域内采用非结构化三角形网格，网格总数为115 181。对滑体附近的网格进行适当加密，网格大小为1 m×1 m，其他区域网格大小为3 m×3 m。 并将计算区域划分为动态网格区和静态网格区以提高计算效率。

将滑体模拟为密度为2 100 kg/m3的流体和10 %空气组成的二项流，模型计算参数见表1。

表1 FLUENT模型计算参数Table 1 Parameter of materials about FLUENT model

(2)FLUENT模拟结果分析

根据不同时刻三相流密度模拟结果(图7)，滑坡冲击深水塘激起的涌浪传播过程可分为三个阶段[8]：第一阶段滑坡碎屑冲击入水将能量传递到水中(图7a-c)；第二阶段水波裹挟着滑体-碎屑流沿运移路径传播(图7d-e)，在12.2 s时，涌浪灾害在水平距离X=506 m形成30 m高的首浪；第三阶段是涌浪爬坡过程(图7f-h)，水波裹挟滑坡碎屑冲向对岸达到1 280 m高程并在21.7 s时冲击破坏新湾村。

图7 不同时刻三相流密度变化图Fig.7 Simulated density image sequence of the impulse wave after the landslide entering the quarry

3 结论

本文基于现场调查分析了福泉滑坡的地质环境条件及滑坡失稳后的运动特征和滑坡-碎屑流堆积特征，分别用DAN-W和FLUENT软件模拟了滑坡碎屑入水前的运动过程和涌浪传播过程。

(1)滑坡碎屑入水前将滑体等效为连续介质流体，选用Frictional模型通过试错法确定流变参数，通过DAN-W软件反演得出滑坡-碎屑流运动过程，模拟结果与现场调查基本吻合。模拟结果显示滑坡前缘在9.2 s时开始入水，在水平距离X=457 m处滑坡前缘达到最大速度27.6 m/s；后缘速度在水平距离X=158 m处达到最大值9.8 m/s。

(2)滑坡碎屑入水后用FLUENT软件对涌浪传播进行模拟。在DAN-W模拟的基础上，基于FLUENT软件对滑坡碎屑冲击深水塘所产生的涌浪次生灾害进行了模拟分析。模拟结果表明，在滑坡启动后21.7 s时水波裹挟滑坡碎屑冲向对岸达到1 280 m高程并严重摧毁新湾村庄造成重大损失。

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DynamicanalysisonthecatastrophiclandslideandrelatedimpulsewaterwavesinFuquan,Guizhou,China

LYU Gang，ZHU Yaoqiang

(GuizhouInstituteofGeo-EnvironmentMonitoring,Guiyang，Guizhou550018,China)

At about 8:30 p.m. on 27 August 2014, a catastrophic landslide occurred in Fuquan, Yunnan, southwestern China. This landslide and related impulse water waves destroyed two villages and killed 23 people. After the landslide initiation, the slide mass ran down rapidly toward the direction of 140( and the main part of the displaced materials plunged into a water-filled quarry below the source area and resulted in an impulse wave of muddy water and rock debris. The wave ran up the opposite slope on the western side of the runout path and overwhelmed three homes in the Xinwan village. Part of the displaced materials travelled a horizontal distance of about 40 m from its source and destroyed the Xiaoba village. To provide information for hazard zonation of similar type of potential landslides in the same area, a combined landslide-wave simulation is carried out in this paper. The DAN-W model is used to simulate the landslide propagation before entering the quarry, while FLUENT is applied to simulate the impulse wave generation and propagation after entering the quarry and output data from the DAN-W simulation of the landslide before entering the quarry are used as input parameters for wave modelling. The results shows that the sliding mass began entering the quarry at 9.2 s and 21.7 s after the landslide initiation, the impulse wave and trapped rock debris ran up the opposite slope at an elevation of 1 280 m amsl, respectively. Very good agreement between the observed and simulated results of the landslide propagation has been achieved. It is worth noting that locations affected by recordable waves according to the simulation correspond to those ones recorded by field investigation.

Fuquan landslide; impulse wave; coupled modeling; back analysis

10.16031/j.cnki.issn.1003-8035.2017.04.01

P642.22

A

1003-8035(2017)04-0001-05

2017-06-08;

2017-06-27

贵州省国土资源与可持续发展(贵州省2016年地勘基金项目)(黔科合支撑(2017)2814)

吕 刚(1974-)，男，贵州德江人，高级工程师，研究方向为地质灾害预测评价。E-mail:395166072@qq.com

朱要强(1918-)，男，河南西平人，高级工程师，研究方向为地质灾害监测预警。 E-mail: zhuyaoqiang2005@163.com