新疆伊宁县克孜勒赛滑坡成灾机理和动力学特征

2018-07-26杨龙伟魏云杰朱赛楠王文沛

中国地质灾害与防治学报 2018年3期

杨龙伟，魏云杰，朱赛楠，王文沛，邵海，高杨

(1.长安大学地质工程与测绘学院，陕西西安 710054；2.中国地质环境监测院，北京 100081；3.中国地质科学院地质力学研究所，北京 100081)

0 引言

近年来，受自然气候条件变化影响，新疆地质灾害频发，地质灾害易发区域面积达到1.059 9×106km2，占到新疆国土面积的63.7%，仅2016年发生突发性地质灾害65起，灾害类型主要为滑坡和泥石流[1]。尤其在冰雪融水和极端异常暴雨作用下，地区内的表层覆盖黄土的中低山体易发生滑坡，给人民的生命财产造成损失。围绕降雨诱发黄土滑坡机理方面，许多学者已开展深入研究。张茂省等[2]通过统计大量的陕北地区降雨诱发型滑坡的灾害特征，发现降雨入渗深度有限，使得表层黄土含水率增高并增重，易发生浅层滑坡。林鸿州等[3]采用模型试验方法研究发现高强度的降雨使得边坡表层发生流滑破坏，低强度的降雨会使得边坡的孔隙水压增大，发生大规模的滑坡。戴福初等[4]从土的应力应变特征方面来研究了滑坡发生机理。李喜安等[5]研究发现了下渗重力是主导黄土滑坡的重要因素之一，并建立了4种地表径流的下潜模式。由上述研究发现，降雨诱发黄土滑坡主要是通过在坡体内形成暂态水压力和暂态饱和区，坡体强度和应力水平发生变化，滑坡稳定性降低。冻融作用也是诱发滑坡发生的重要因素之一。在冻融致滑机理研究方面，王念秦等[6]研究甘肃冻融滑坡提出了“季节性冻结滞水促滑效应”，归纳了黄土冻融滑坡具有滑动速度快、滑动距离较远等特点。倪万魁等[7]研究了洛川黄土在冻融循环作用下的单轴压缩试验、电镜扫描和三轴剪切试验循环作用中结构变得疏松，孔隙比变大，黏聚力显著降低。肖东辉等[8]利用对多次冻融循环作用后的黄土进行压汞实验，发现随着冻融作用的次数的增加，黄土的孔隙比表现为先变小后增大，再趋于稳定的规律。由此可见，冻融作用通过改变黄土坡体的孔隙特征，改变其渗透性，影响黄土滑坡的稳定性。新疆地区的黄土滑坡受多种因素耦合作用控制，形成机理较为复杂，其研究具有较高的科学意义。

黄土滑坡的破坏性，不仅受其形成机制影响，还取决于其动力学特征。围绕黄土滑坡动力学方面，已有科研成果颇为丰厚。王家鼎等[9]通过变分原理推导了由灌溉诱发的高速滑坡的滑动速度、运移轨迹等。国际方面，关于滑坡动力学模型已有颗粒流模型[10]、空气润滑模型[11]、能量传递模型[12]、底部超孔隙水压力模型[13]等，这些运动模型推动了滑坡动力学的发展。Hungr基于圣维南方程的拉格朗日解析解，提出了滑坡动力学模拟方法DNA-W，采用不同的流变关系来模拟滑坡运动全过程，较为准确地得到滑坡动力学特征[14]。王磊等[15]利用DNA-W对岩质滑坡进行滑动全过程模拟,效果良好，但是将此模拟技术运用在黄土滑坡动力分析上还是较少。

本文在前人的科研基础上，以新疆伊宁县克孜勒赛滑坡为实例，利用滑坡动力学软件DNA-W来模拟黄土滑坡运动全过程，分析该类滑坡的成灾机制和运动学特性，为我国西北地区类似的黄土滑坡的减灾防灾提供理论支撑。

1 滑坡区地质环境条件

2017年4月2日，新疆伊犁哈萨克自治州伊宁县喀拉亚尕奇乡克孜勒赛沟内发生滑坡，造成402只羊，5头牛被掩埋，直接经济损失49.06余万元。滑坡中心点距离克孜勒赛沟沟口1.036 km，距喀拉亚尕奇乡镇1.874 km，距赛里木湖56.3 km。

滑坡研究区属于伊犁谷地西部，地势总体呈现为北高南低，由北东逐渐向南西倾斜，区域海拔在620～3 700 m，为剥蚀堆积块状隆起山，山体覆盖有砾石和黄土层，呈现低山草原地貌景观。滑坡区位于天山-兴安地槽褶皱区西南天山褶皱系西天山优地槽褶皱带(I级)西南侧，属博罗科努山复背斜(Ⅱ级)和伊犁地块(Ⅱ级)的交界部位，南距那拉提深断裂带(Ⅲ级，属于伊犁地块)2.7 km。研究区内岩石主要为石炭系中的伊什基里克组凝灰岩、凝灰熔岩和灰绿色粗砂岩和石炭系下统大哈拉军山组的玄武岩，表层为第四系全新统黄土，节理较为发育。

滑坡区属于温带大陆性半干旱气候，年降水量平均为330.6 mm，其中3～7月降水量较多，月降雨量均在30 mm以上，合计占全年降雨量的52.5%,属于雨季(图1)。根据当地国土部门提供资料显示，4月1号晚，山区降雨量达到30 mm，接近以往4月份全月的累计降水量。降雪主要集中在10月至次年3月。3月初，随着气温回暖，冰雪开始融化(图2)。滑坡区内的地下水类型分为第四系松散岩类孔隙水、碎屑岩类裂隙孔隙水和基岩裂隙水等。

图1 伊宁县历年每月平均降水量图Fig.1 Diagram of monthly average precipitation at Yining Country in recent years

图2 伊宁县历年每月平均气温-积雪深度图Fig.2 Diagram showing the relationship between monthly average temperature and snow depth at Yining Country in recent years

2 滑坡基本特征

滑坡在平面上形态呈现靴子型，地形坡度范围为30°～50°，主滑方向N 56°W，前缘为滑坡高速下滑时掩埋克孜勒赛沟遇阻时产生的反翘鼓丘，其工程地质剖面见图3。滑体越过河沟冲击对岸山体后，运动方向发生偏转至N 72°W，以碎屑流的形式继续流动直至停止。滑坡在高程为1 282～1 300 m处启动，坡底高程约1 235 m，滑坡高差约50.5 m，滑体最大纵长约210 m，滑距约为110 m。该滑坡属于黄土层内滑坡，分区如下(图4)。

(1)滑源区

滑体岩性主要为第四系全新统黄土。滑源区的平面形态近似为长方形，下部略宽于上部，沿着坡向滑源区长122.52 m，宽度平均为62.5 m，滑体厚4 m。面积大约为7 600 m2，体积约3.04×104m3。

图3 滑坡工程地质剖面图Fig.3 Engineering geologic section of the Kezilesai Landslide

图4 克孜勒赛滑坡分区示意图Fig.4 Zonation map of the Kezilesai Landslide Area

(2)堆积区

堆积区的平面形态呈现为“乒乓球拍”形，沿着沟谷方向长度达到112 m，垂直沟谷方向长度最大达到60 m，最窄处为30 m。面积为5 430 m2，体积大约有2.9×104m3，厚度最大达6 m。根据地质调查情况，将堆积区分为两个区：

铲刮区：滑体前缘越过克孜勒赛沟后撞向对岸山体(图5)，受阻后向沟口方向偏转。在此过程中，将对岸山体表面松散的松散堆积物和中风化的基岩岩体铲刮带走。铲刮区主要的堆积物为第四系全新统黄土和凝灰岩。

图5 滑体撞击对岸山体Fig.5 The photo showing the landslide hitting the opposite massif

堆积区：堆积区长度达到70 m，最宽处达到50 m，厚度范围为3～6 m，主要是由第四系全新统黄土和凝灰岩组成。

3 滑坡成灾机理

在野外地质调查的基础上，利用运动全过程演化的方法来研究滑坡的形成机制[16]，将该滑坡的孕灾-进展-发生的整个过程分为四个阶段(图6)。

(1)冻胀阶段：山区海拔较高，昼夜温差较大，冻胀作用十分明显。土体经历多期冻胀—消融作用后，使得黄土垂直节理和裂隙扩大。同时，冻融作用也改变黄土坡体的孔隙特征，影响土体的渗透性，加速地表水入渗，形成冻结滞水。

(2)拉裂阶段：较为单薄的山脊两面处于临空，在山体顶部附近出现相应的拉应力集中，使得上部土体沿着经历过冻胀作用的垂直节理裂隙拉开，裂隙进一步扩大，地表水沿着裂隙向坡体下部入渗，逐渐将各个裂隙末端联通，形成潜在滑移面。

(3)滑体增重阶段：气温回暖，冰雪融水沿着土体裂缝入渗，增大了滑体的下滑力和自重。同时，沟谷上游融雪补给，河流水位上涨，流速增大，对处于凹岸的滑坡前缘的侧蚀作用加剧，前缘土体强度降低并出现了垮塌。河流水位上涨使得山体内部的水力梯度下降，地下水位上升，使得冰雪融水能较长时间内留在山体内，继续增大滑体的下滑力和自重，形成潜在滑动面。

(4)滑坡失稳下滑阶段：2017年4月1号，山沟内出现强降雨，日降雨量达30 mm，大量雨水短时间内渗进坡体，孔隙水压增大，形成暂态水压力和暂态饱和区，坡体的阻滑力急剧下降，滑坡失稳而下滑，越过克孜勒赛沟后冲向对岸山体。因此，该滑坡的形成机制主要为滑移-拉裂。

图6 滑坡孕灾模式示意图Fig.6 Sketch map showing the gestation model of the Kezilesai landslide

4 基于DNA-W的滑坡运动过程模拟

4.1 基本原理

动力学模型DNA-W的原理是基于圣维南方程的拉格朗日解析解，主要是将滑体视为“等效流变材料”，将其分解成具有一定材料的若干个块体，在曲线坐标系中对每一个小块建立对应的平衡方程和物理方程进行求解，得到滑坡的运动速度和滑移距离等数值[17]。在DNA-W计算中，主要是确定滑体的运行轨迹，对材料参数赋值和采用合适的流变关系[18]。选用合适的流变关系,才能准确表现滑坡运动特性。采用试错法发现Voellmy和Frictional模型能较好的表现黄土滑坡的运动特性，具体的流变关系如下[19]：

Frictional模型：假设滑体的流动受到作用于每个块体上的有效正应力控制，其阻力的表达式如下：

τ=σ(1-γμ)tanφ

式中：τ——滑体底部阻力;

σ——与滑动路径方向相垂直的总应力；

γμ——孔隙压力系数，即孔隙压力与总应力的比值；

φ——内摩擦角。

Voellmy 模型的阻力表达式如下：

式中：τ——滑体底部阻力；

f——滑体的摩擦系数；

γ——材料重度；

v——滑体的运移速度；

ξ——湍流系数。

4.2 模型建立及参数选取

针对在滑源区、铲刮区、堆积区中的滑体的滑移特征的不同，采取复合的流变关系能较好的模拟滑坡的运动特点。对滑坡采取了Voellmy 模型、Frictional模型、VFF等七种模型(表1)。采取试错法来对模型进行计算验证，发现FVF模型运算结果更符合克孜勒赛滑坡的运动情况，结合土工试验和前人关于新疆伊宁黄土物理特性的研究[20]，确定黄土物理参数如下(表2)，最终建立克孜勒赛滑坡DAN模型(图7)。

图7 克孜勒赛滑坡DAN模型Fig.7 DAN model of the Kezilesai Landslide

模型滑源区刮铲区堆积区Voellmy 模型VVVFrictional模型FFFVFFVFFVVFVVFVFVVFVFVFFVFFFVFFV

表2 克孜勒赛滑坡模型(FVF)参数

4.3 模拟结果分析

4.3.1滑坡前后缘运动特征

从图8、图9可以看出，滑坡从启动到停止，前后历时大约20 s。后缘与前缘近乎同时启动，后缘在0～9 s内，滑动速度呈现波浪性增长，从9 s开始，速度急剧增加，至7.5 s附近时，速度达到最大为13.9 m/s。10 s后，后缘抵达坡脚后，受滑体阻挡，堆积到坡脚处直至停止。而前缘在0～4 s内，速度近线性增大。在4～12 s时，前缘越过沟底，撞向对岸山体时速度达到了7.2 m/s，进而运动方向发生偏转，在12～20 s滑体形成碎屑流。由此可以得到滑坡的最大速度为13.9 m/s，发生在滑坡后缘位于水平距离的65 m处，与利用雪橇摩擦模型计算该处的速度结果15.6 m/s接近[21]。

图8 滑坡前后缘速度随时间变化图Fig.8 Graph showing the velocity variation of the front and rear edge of landslide with time change

图9 滑坡前后缘速度随滑程变化图Fig.9 Graph showing the velocity variation of the front and rear edge of landslide with slippage change

4.3.2滑坡运动形态特征

图10和图11 呈现了每隔5 s后滑坡体堆积体厚度运动和形态变化情况。在0 s时，滑坡体后缘位于水平距离20 m处，前缘位于水平距离125 m处。滑坡堆积体的平均厚度范围为3～6 m，最大堆积体厚度为6.1 m，位于水平距离120 m处。在20 s(最终形态)时，滑坡后缘位于117 m，可见滑源区还有部分滑体残留。刮铲区堆积体厚度为5 m，碎屑流堆积区厚度为3～5 m，前缘到达水平距离223 m后停止。

图10 滑体厚度变化图Fig.10 Graph showing the thickness variation of the landslide

图11 滑体形态变化图Fig.11 Graph showing the morphologic variation of the sliding mass

4.3.3典型点运动特征

根据野外现场调查实际情况，选取水平距离150 m、180 m处两点(图3)作为典型点来进行分析。水平距离150 m处位于沟底附近，该处最大速度为8.2 m/s，堆积体的最终厚度为5.35 m。水平距离180 m处位于滑体撞击对岸山体点，撞击时的速度达到7.2 m/s，该处堆积体的厚度最终为2.2 m。(图12、图13)

图12 典型点速度随时间变化图Fig.12 Graph showing the velocity variation of typical points

图13 典型点厚度随时间变化图Fig.13 Graph showing the slide thickness variation of typical points

4.4 滑坡运动参数与变形破坏模式

在DNA-W软件中采用“试错法”，利用FVF流变模型可以较好的模拟克孜勒赛滑坡的运动特征。

根据模拟结果，克孜勒赛滑坡的初始滑动体积为2.8×104m3，堆积体体积最终为3.2×104m3，主铲刮区的铲刮深度为3 m，等效视摩擦角为13°。滑距为 110 m，运动时间总计为20 s。滑坡在位于水平距离的65 m处速度最大，为13.9 m/s。堆积区长度达到70 m，最宽处达到50 m，堆积厚度范围为3～6 m。最大堆积体厚度为6.1 m，位于水平距离120 m处。

根据前后缘的运动特征来看，前后缘几乎同时启动，滑坡的运动速度较快，当后缘停止运动时，前缘依然在运动。DAN-W模拟该滑坡的破坏模式表现为滑移-拉裂。