金沙江白格滑坡残留体稳定性及堵江风险分析

唐岳灏 姜清辉

摘要：

为评估2018年金沙江白格村两次特大型滑坡堰塞堵江事件后所形成潜在不稳定块体（残留体）的稳定性及堵江风险，在应用严格三维极限平衡分析白格滑坡残留体稳定性的基础上，结合应急处置方案，基于SPH-DEM流固耦合模型，对残留体滑坡范围和堆积体厚度进行了预测，定量评估崩滑堵江风险。结果表明：① K1-Ⅰ和K2-Ⅰ滑块处于临界状态，失稳风险较大，存在再次发生滑坡堵江的可能；② 河道清淤方法可降低堰塞体整体高度，增大滑坡物质堆积空间，有效降低再次滑坡堵江的风险。研究成果可为高位滑坡堵江风险预测提供一定参考。

关键词：

白格残留体； 滑坡堵江； SPH-DEM； 数值模拟； 风险评估

中图法分类号：P642.22

文献标志码：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2023.05.006

文章编号：1006-0081（2023）05-0038-07

0 引 言

2018年10月10日和11月3日，在西藏自治区江达县波罗乡白格村与四川省白玉县绒盖乡则巴村交界处的金沙江西藏岸，先后两次发生大规模高位滑坡［1-4］，堵塞金沙江，形成堰塞湖。滑坡堰塞湖淹没了上游的村庄和各种生产生活设施，同时溃坝洪水严重冲毁滑坡下游的村庄、农田和公路、桥梁等基础设施［5-6］。白格滑坡经两次滑动后，松散物质已大为减少，但滑坡体对山体扰动作用巨大（主要表现为拉、拽、刮、铲、刷），滑坡三面由于临空卸荷作用不断加强，变形迹象十分明显，后缘及两侧发育多条深大裂缝，存在大量滑坡残留体。无人机航空摄影测量及工程地质测绘、钻探、物探等详细勘察工作的成果表明：前两次白格滑坡周界后缘有3个主要残留变形体，其滑坡周界明显，已经发生了明显的下滑、错动，仍具备进一步下滑的趋势。同时，地表宏观变形迹象和监测成果表明残留体一直存在前缘溜滑和蠕滑变形，其稳定安全问题不容乐观。因此，开展白格滑坡残留体的防灾减灾研究，分析残留体的稳定性和变形趋势，可为滑坡应急处置提供支撑，并为白格滑坡第三次堵江的可能性、危害性预测提供基本数据。

目前，已有一些学者利用数值方法对白格残留体堵江风险进行风险评价。曹水合等［7］利用数值模拟软件Massflow对白格残留体堵江范围和高度进行了风险预测研究，赵程等［8］利用MassMov2D碎屑流模拟软件对白格滑坡滑源区的3处潜在不稳定岩体进行了预测，周礼等［9］利用PFC3D软件对白格滑坡滑源区残留不稳定部分可能失稳的运动路径和堆积范围进行预测。蔡耀军等［10］利用PFC3D软件对残留体不同失稳规模进行了堰塞体堆积形态预测。尽管这些数值仿真取得了一定进展，但也存在一些不足：这些软件大多使用固体力学的方法模拟滑坡动力学过程，无法处理滑坡堵江产生的流固耦合问题；有的将滑坡过程简化为流体流动过程，导致模拟结果与实际情况不完全对应。此外，上述大部分软件都是基于国外商用程序，后处理的二次开发功能比较有限，在精细化展示堆积体的三维几何形态方面缺乏可扩展性。

本文首先采用严格三维极限平衡分析方法分析计算滑体安全系数，同时确定滑体主滑方向，建立三维滑坡模型。然后使用基于拉格朗日力学体系的离散元（DEM）方法和光滑粒子流体动力学（SPH）方法完全自主开发的SPH-DEM耦合程序——利用DEM模拟大变形的滑坡动力过程、利用SPH模拟碎屑体入江产生的水动力学问题，以更好地反映滑坡（固体）与水体（流体）间的相互作用。通过SPH-DEM耦合程序可以实现真实场景下的滑坡堵江动力学过程模拟，对强变形区里不稳定体崩落后的发展过程和堆积形态进行预测，定量评估崩落后再次堵江的风险，为溃坝及洪水灾害分析做参考。

1 滑坡体特征

白格滑坡地质剖面如图1所示。根据勘察，按残留体变形特征与空间位置关系，将残留体划分为3个区块（图2）：滑坡后缘为K1，滑坡左侧（金沙江下游侧）为K2，滑坡右侧（金沙江上游）为K3。K1，K2和K3都是由滑坡牵引卸荷形成。各残留体面积较大，根据不同变形边界特征又可分为多个子块，其中，K1残留体细分为K1-Ⅰ，K1-Ⅱ和K1-Ⅲ，K2残留体细分为K2-Ⅰ，K2-Ⅱ。

根据《西藏自治区昌都市江达县波罗乡金沙江白格滑坡应急勘查报告》：K1-Ⅰ和K1-Ⅲ残留体潜在滑带为元古界雄松群千枚岩组，岩性以绢云母石英千枚岩为主，为深灰色、灰黑色，变余泥质结构，千枚狀构造，矿物成分以绢云母为主，含少量石墨、石英；K1-Ⅱ潜在滑带为片麻岩与侵入蛇纹岩接触面，岩性以全/强风化蛇绿岩为主，深灰绿色，风化呈浅绿-浅白色，碎块石土状；K2-Ⅰ残留体潜在滑带为元古界雄松群千枚岩组，岩性以绢云母石英千枚岩为主，深灰色、灰黑色，变余泥质结构，千枚状构造，矿物成分以绢云母为主，含少量石墨、石英；K2-Ⅱ残留体潜在滑面不明显；K3潜在滑带为元古界雄松群片麻岩强风化层。典型岩石样品如图3所示。

2 滑坡后缘残留体稳定性评价

2.1 计算模型和计算方法

根据白格滑坡残留体的地形等高线、滑坡边界以及地质钻孔、深部测斜仪监测确定的滑面深度，建立白格滑坡残留体（K1-Ⅰ，K1-Ⅱ，K1，K2-Ⅰ，K2-Ⅱ，K3）的三维稳定分析计算模型。计算方法采用滑源区严格三维极限平衡分析法，在对现有的边坡稳定性定量评价方法进行总结分析的基础上，克服了现有滑坡稳定性三维分析需要预先给定主滑方向以及滑体只满足部分平衡条件的局限性，适用于多结构面组合形成、具有复杂空间形态滑裂面的滑坡严格三维稳定分析理论，可以同时计算得到滑体的安全系数和主滑方向，且严格满足空间力系的6个平衡方程，能够实现对边坡/滑坡在自然、降雨、地震不同工况条件下的稳定状态或加固后斜坡稳定性的准确评估。图4为计算所得的K1-Ⅰ、K1-Ⅱ和K2-Ⅰ滑面。

2.2 计算工况和参数取值

根据滑坡残留体的实际情况，可能作用在残留体上的荷载有：坡体自重、水压力和地震力。① 坡体自重。在天然状态下，坡体自重按天然重度计算。据当地水文气象资料及斜坡岩性组成的实际情况，在连续降雨或暴雨条件下，降水入渗深度按全入渗计，入渗范围内的土体重度按饱和重度计。② 水压力。地下水产生的荷载主要是降雨诱发坡面暂态饱和区产生的地下水压力等。③ 地震力。工区地震设防烈度为7度，设计地震分组为第二组，设计基本地震加速度值为0.20 g 。计算工况考虑3种：正常工况（自重荷载）、降雨工况（自重荷载+降雨水压力）、地震工况（自重荷载+地震荷载）。残留体滑带力学计算参数主要依据岩土力学试验和工程经验选取，如表1所示。

2.3 穩定性评估与稳定状态分级

采用三维严格极限平衡法计算得到的白格滑坡后缘残留体K1-Ⅰ，K1-Ⅱ，K1，K2-Ⅰ，K2-Ⅱ和K3在不同工况条件下稳定性安全系数以及各个滑块的体积、主滑方向和稳定状态，如表2所示，其中主滑方向角为与正北方向夹角，顺时针为正。稳定状态根据《青藏高原重大滑坡风险防控指南》中滑坡稳定状态分为不稳定 （K<1.0）；临界稳定（1.0≤K≤1.05）；弱稳定（1.05

根据残留体在正常、降雨、地震工况下的稳定性分区、稳定状态分级和相应的预警等级，得到残留体的风险等级（图2），为下一步进行滑坡残留体应急处置和堵江风险评估提供了直观的参考。图5为计算得到的各滑块主滑方向与地表外观测点位移矢量的对比，从中可以看出，主滑方向与外观测点变形方向吻合，进一步论证了所使用的三维严格分析方法的有效性和可靠性。

基于对滑源区残留体的稳定性评估，可以看出K1-Ⅰ和K2-Ⅰ滑块处于临界状态，失稳风险较大，因此，首先考虑的失稳模式为K1-Ⅰ+K2-Ⅰ发生崩滑（模式1）；其次考虑处于临界状态和弱稳定状态的滑块发生失稳，即K1-Ⅰ+K2-Ⅰ+K1-Ⅱ+K3发生崩滑（模式2）。

3 滑坡体应急处置

由于白格滑坡后缘残留体K1-Ⅰ和K2-Ⅰ处于临界稳定状态，存在再次下滑和堵江风险，因此，需要采取应急处置措施。对白格滑坡后缘残留变形体的处置原则采用滑源区—运移区—堆积区全过程处理中的“顾两头”，分别为滑源区的处置和金沙江河道堰塞体的处置。滑源区应急处置采用的方案是削方减载，主要对K1-Ⅰ残留体进行削坡，其目的是提高残留体的稳定性，降低滑坡风险，如图6所示。削坡坡比根据GB 50330-2013《建筑边坡工程技术规范》坡率法，按碎石土边坡坡率允许值，结合深大裂缝分布位置，确定为1∶1.7～1∶1.3，分1～8级，坡高8 m，马道宽5～6 m；总开挖体积约48万m3。堰塞堆积区采用的方案是河道清淤，主要针对四川省一侧开展，主要目的是降低堰塞体整体高度，提高水流下泄能力，增大滑坡物质堆积空间，降低再次滑坡堵江的风险。具体方案为将堰塞体残体中靠近河道侧不小于40.0 m范围内、2 920 m高程以上的残体全部清除。开挖设计方案共有4级马道，马道宽度0.2 m，放坡坡比1∶2.0，每一级台阶高度20 m，总开挖体积约245万m3，如图7所示。

4 滑坡残留体堵江评估

4.1 光滑粒子流体动力学（SPH）

4.4 模型计算参数选择

从DEM建模角度，需要将滑坡碎屑体概化为等直径的小球。由于潜在滑坡体的体积超过500万m3（模式2），如果采用小颗粒构建滑坡体会导致颗粒数量巨大，严重影响DEM和SPH模型的计算效率，但过大的颗粒会影响模型计算精度。经反复验算，最终确定采用直径2.4 m的球形颗粒。模型计算参数见表3。

4.5 堵江风险评估

采用滑坡启动—运移—堵江灾害链全过程模拟的SPH-DEM耦合方法，对白格滑坡后缘残留体不同块体组合形成的失稳模式在失稳触发后的动力学过程及其入江后与水流相互作用的过程进行了模拟。根据滑坡最后形成的堰塞堆积体形态对滑坡堵江的危害性进行了评估。计算工况：① K1-Ⅰ+K2-Ⅰ（模式1）；② K1-Ⅰ+K2-Ⅰ+K1-Ⅱ+K3（模式2）。图8～9为两种失稳模式最后形成的堰塞体堆积体厚度和横剖面、纵剖面。为了对比分析，进行源区和河道工程应急处置后，相应失稳模式造成的堰塞体堆积体厚度和横剖面如图10～11所示。表4为应急处置前后滑坡堰塞坝几何特征统计。

根据图8～11和表4分析所得结果如下。

（1） 应急处置前，两种失稳模式堆积体方量分别为440万m3和527万m3，最后堆积形成的堰塞坝高分别为60.2 m和63.0 m。相对模式1，模式2的滑块方量增加了87万m3，但最后形成堰塞坝的高度仅增加了约3 m。主要原因是模式2中的K1-Ⅱ滑块和K3滑块主要位于上游侧坡，根据其失稳触发后运移轨迹，大部分滑坡物质堆积到靠金沙江上游侧河道，因此，模式2形成堰塞坝的宽度（顺河向）与模式1相比增加了446 m，但坝高增加较少。

（2） 采用应急处置措施后，金沙江河道清淤245万m3，为后缘残留体失稳后形成的滑坡坝提供了堆积空间，因此，模式1和模式2形成的堰塞坝高度分别为47.0 m和50.5 m，相对应急处置前坝高减少了约13 m，减少了堰塞湖库容，有效降低了滑坡堰塞湖的危害性。

（3） 根据计算结果，按照最危险的情况（模式2），白格后缘残留体处于临界稳定和弱稳定的子滑块触发失稳后，其堆积形成的最大坝高为50.5 m，与白格“10·10”滑坡堰塞坝高程大致相同。考虑滑坡区交通条件大为改善、人工干预简单易行等因素，裂缝区滑坡堵江及其灾害链风险处于可控范围。

5 结 论

（1） 本文采用严格三维稳定性分析方法对白格后缘残留体6个滑块（K1-Ⅰ、K1-Ⅱ、K1、K2-Ⅰ、K2-Ⅱ、K3）在不同工况条件下的稳定性进行评估，得到滑块的安全系数和主滑方向，计算结果与现场宏观定性分析和外观监测得到的各子区域变形方向吻合。根据滑块稳定性分析结果，对白格后缘残留体进行了稳定性分区、分级，并给出了分级监测预警建议。

（2） 针对堆积区的河道清淤应急处置，采用滑坡灾害链全过程模拟SPH-DEM方法，对后缘残留体不同失稳模式可能导致的滑坡堵江效果进行了分析。数值模拟结果表明：金沙江河道清淤为后缘残留体失稳后形成的滑坡坝提供了堆积空间，减少了堰塞湖库容，有效降低了滑坡堰塞湖的危害性。

（3） 通过定量分析白格残留体滑坡稳定性与堵江风险，验证了本文提出的方法可以用于碎屑流堵江的动力学过程及风险评价研究。

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（编辑：江 焘，高小雲）

Abstract：

In order to assess the stability and risk assessmentof river blockage for potentially unstable blocks （residual bodies） formed after two super-large landslides and river blockage occurred in Baige village，Jinsha River in 2018，the strict three-dimensional limit equilibrium method was applied to analyze the stability status of the residual bodies.Combing with the emergency response plans，the SPH-DEM fluid-solid coupling model was deployed to predict the deposit range and thickness，and to assess the risk of river blockage quantitatively.The results showed that：① The K1-I and K2-I blocks were in a critical state，with relatively large instability，leading to a high possibility of blocking Jinsha River again.② The clearance of river could decrease the overall height of the landslide damand increase the accumulation space for landslide debris consequently，which could effectively reduce the risk of river blockage.The research result could provide references for predicting the risk of landslide-caused river blockage.

Key words：

Baige residual body； river blockage； SPH-DEM； numerical simulation； risk assessment