山体滑坡泥石流对公路危害数值模拟研究

徐飞飞 周宗志 张少雄

（曹妃甸临港商务区管理委员会1） 河北唐山 063000唐山市曹妃甸湿地文化旅游度假区管理委员会2） 河北唐山 063000石家庄铁道大学3） 河北石家庄 050000）

1 前言

我国是一个多山，而且山区地质地貌条件相当复杂的国家，丘陵、山区和高原的面积占我国陆地领土面积的 60%以上，大部分属于有利于自然灾害形成的地形。近些年来，随着公路沿线经济的快速发展，加之人类的生产、生活对山体环境的破坏作用没有得到重视从而未加控制，山区的大量开发，森林与地表植被受到严重破坏导致生态环境日趋恶劣，降水年际变化大，每年都会产生大量泥石流和滑坡等突发性自然灾害[1,2]。例如1981年的成昆线利子依达沟暴发了特大型泥石流灾害，足足84万m3且携带着巨石的固体物质在短短1h之内被冲了出来，桥墩瞬间被泥石流剪断，死亡人数接近360余人，造成直接经济损失达2000余万元。后来为了避开泥石流影响，从而耗费2000余万元修建山体隧道，但却严重影响交通运输[3]。因此需要对山区公路沿线泥石流滑坡的活动特征进行分析，归结出滑坡泥石流对公路的危害程度，然后为山区公路工程建设与山区交通提供安全的保障和科学的理论依据。

2 工程概况

本文所研究的案例为公路穿越山体滑坡区，该山区地质灾害隐患点较多，其中存在一处旧滑坡体。1981年由于持续暴雨的作用，该山体曾经发过生大规模滑动，对下游居民和设施造成了严重的危害。目前拟在滑坡体下游修建一条公路，一旦再次滑动，形成的滑坡泥石流会对公路造成极大的危害，因此本文对山体滑坡所形成的泥石流运动规律进行模拟，通过对其运动规律进行分析从而可以了解泥石流运动对于公路的影响并加以防治。

该山体滑坡区位于山顶高程为 1040m，山坡较陡，坡度约 35°，整体坡向 342°，纵向剖面呈直线形，南高北低，横向上滑体部分低于周围围岩高度。图1为滑坡区示意图。

图1 滑坡区示意图

3 模型建立

滑坡泥石流数值模型由泥石流覆盖区和滑坡区两部分组成，泥石流覆盖区为滑坡体滑动覆盖所形成的泥石流影响破坏的区域，滑坡区为初始时刻滑坡体所处的区域。模型长3 000 m、宽2 500 m、高800 m，如图2所示。滑坡体面积约为1.9×105m2，总体积约4.8×106m3为了较好的拟合滑坡体运动，本次计算采用矩形网格对计算区域进行划分，网格大小为30 m×50 m×4 m，网格总数100万。

图2 模型范围图

4 计算结果

在长期降雨作用下，杜家山土体在发生滑坡时，土体含水量达到饱和，所以土体流动性较大，滑坡体粘滞性小。综合考虑滑坡体的物理力学参数和水力学特性，对杜家山滑坡体运动进行数值分析。

4.1 滑坡体堆积厚度

杜家山山体滑坡运动初始时刻（t=0），滑坡体前后缘高差达到300 m，此时滑坡体尚未沿滑裂面滑动，整体形成了一个静止状态的高势能危险源（图3）。滑坡体由于失稳形成滑坡泥石流，在重力作用下沿地形向下游运动。滑坡泥石流发生第7s后，滑坡体前缘到达对面山坡坡脚，此时滑坡前缘龙头堆积厚度达到18.5 m（图4）。滑坡发生18s后，滑坡体前缘部分到达山谷右侧边缘，滑坡体龙头堆积厚度约4.5 m，此时泥石流堆积厚度最深处位于滑坡体对面山脚处，此处堆积厚度达到72 m（图5）。滑坡发生25s后，滑坡体前缘到达山谷中心海拔最低处，此时滑坡体前缘龙头堆积厚度约为10.8 m，此时泥石流最深处位于滑坡体初始时刻正下方，堆积厚度达到48.3 m（图6）。滑坡发生约35 s后，滑坡体前缘到达铁路线附近，滑坡体龙头堆积厚度约为5 m（图7）。

图3 t=0s滑坡体厚度

图4 t=7s滑坡体厚度

图5 t=18s滑坡体厚度

图6 t=25s滑坡体厚度

图7 t=35s滑坡体厚度

4.2 滑坡体运动流动速度

杜家山山体滑坡运动初始时刻（t=0），速度均为0m/s（图8），此时滑坡体处于静止状态，整体为高势能危险源。发生泥石流滑坡后第7s，滑坡体前缘到达对面山坡坡脚，滑坡前缘体龙头流动速度达到64.6m/s左右，此时泥石流流动速度最大处位于滑坡体左侧边缘即两山坡之间，最高速度达到122m/s（图9）。发生滑坡后第18s，滑坡体前缘到达山谷右侧，滑坡体龙头流动速度约为29.8m/s左右，此时滑坡体流动速度最大处位于整个滑坡体的中部，速度约为70m/s（图10）。滑坡发生后第25s时，滑坡体前缘到达山谷中心海拔最低处，此时滑坡体前缘龙头流动速度达到35.6m/s左右，此时滑坡体流速最大位置位于滑坡体初始位置的坡脚下，最大速度为98m/s（图11）。滑坡发生后35s左右，滑坡体前缘到达铁路线，滑坡体龙头流动速度约为30.9m/s，泥石流的整体速度基本稳定，并无流速差异很大的点（图12）。滑坡发生85s左右，此时滑坡体前缘运动速度趋近于0，滑坡体龙头运动平缓，滑坡体向前缓慢移动，滑坡泥石流运动基本停止向前（图13）。滑坡发生98s后，滑坡体整体运动速度接近于0，运动极为缓慢，堆积状态趋于平衡，滑坡泥石流运动基本停止（图14）。

图8 t=0s滑坡体流动速度

图9 t=7s滑坡体流动速度

图10 t=18s滑坡体流动速度

图11 t=25s滑坡体流动速度

图13 t=85s滑坡体流动速度

图12 t=35s滑坡体流动速度

图14 t=98s滑坡体流动速度

4.3 泥石流淹没面积

杜家山山体滑坡运动初始时刻（t=0），泥石流覆盖面积为2.68×105m2，发生滑坡后第7s，滑坡体前缘到达对面山坡坡脚处，滑坡体整体覆盖范围达到3.31×105m2。滑坡发生18s后，滑坡体前缘到达山谷左侧，滑坡体破坏范围达到5.23×105m2。滑坡发生35 s后，滑坡体前缘到达铁路线附近，此时滑坡体覆盖范围达到7.7×105m2。滑坡发生98 s后，滑坡体整体运动速度接近0，运动趋于平缓，堆积状态趋于平衡，滑坡体整体向前缓慢蠕动，滑坡基本停止，此时滑坡体整体淹没范围约为9.77×105m2。

5 结论

本文利用数值模拟方法对某山体滑坡形成泥石流对公路的危害进行了研究，模拟了泥石流运动的速度、厚度和覆盖面积等参数，得到了山体滑坡泥石流对公路的危害性大小。主要结论如下：

（1）滑坡体以黏性泥石流的状态向下游运动，发生滑坡7 s后，滑坡体达到对面山坡坡脚，前缘厚度达到18.5 m，此时泥石流的流动速度为整个滑坡体流动过程中的最大值，最大流速达到了122 m/s。

（2）滑坡发生18 s后，滑坡体到达山谷左侧，此时存在泥石流运动过程所达到的最大堆积厚度为72 m。

（3）滑坡发生35 s后，滑坡体到达公路，此时前缘厚度为5m，前缘的流动速度为30.9m/s。

（4）滑坡发生98 s后，由于自身碰撞和底部摩擦阻力作用的影响，滑坡体运动处于向前缓慢蠕动状态，堆积状态趋于平衡，滑坡泥石流运动基本停止。