东河口滑坡高速远程运动特性的影响因素研究

李小琴，富海鹰，张迎宾，王宝瑞，余鹏程，郑 路

(1. 西南交通大学 土木工程学院，四川 成都 610031； 2. 福州大学 土木工程学院，福建 福州 350108；3. 四川大学 灾后重建与管理学院，四川 成都 610207)

滑坡作为严重的自然灾害，对人们的生命和财产安全造成了巨大的威胁[1-3]。自1932年瑞士地质学家Heim对1881年瑞士埃尔姆滑坡的探讨以来[4]，国内外对于高速远程滑坡的相关研究至今已经历了三大阶段[5]，从最初单一的地质考察到现在的试验验证、理论推导、数值模拟并举，形成了大量极具价值的理论、假说与模型[6-11]。高速远程滑坡运动机理持续成为国际滑坡研究领域的前沿和热点问题[12-14]。

迄今为止，对于高速远程滑坡的运动机理仍然存在争议[15]，但滑动面的强度衰减已经成为广泛认可的主要诱因之一[16]。Wang等[17]通过现场调查及理论分析，发现滑体内部存在一定规模及数量的局部剪切区域，提示强度衰减可能同样存在于滑坡体内部并影响着滑坡的整个运动过程。汪发武等[18]利用对比试验及现场调查，发现滑动带在滑坡运动中存在向四周选择性扩展的行为，而对于结构液化性的滑坡，滑动带甚至同时存在于滑面与滑体中。潘欢迎等[19]采用室内试验，论证了滑坡体滑前节理形态对滑坡运动堆积特征的控制作用，而顺层坡体最易孕育大型高速远程滑坡。可见，滑坡滑动面、滑体强度及节理形态等岩土体因素对滑坡运动堆积行为具有显著影响。

东河口滑坡作为汶川地震诱发的典型高速远程滑坡之一，具有明显的大尺度高速水平抛射及远程碎屑流运动等特征[20]。由于滑坡发生于地质条件复杂、地理环境变化的地区，其滑坡启动、极高运动速度、极远运动距离的影响因素是多元耦合的。具体而言，可以将因素概括为岩土体性质作用、有利场地条件、外部诱导因素。许强等[21]根据现场调测和遥感数据，认为东河口滑坡的启动可能是上盘效应、方向效应、距离效应以及锁固段效应等多种因素共同造成的。李秀珍等[22]通过地质勘探，认为坡体原有裂隙及地形影响不可忽视，是滑体具有高初速度及高动量的重要原因。但关于岩土体性质(如滑体内摩擦角、滑面内摩擦角、滑坡体节理形态)对其高速远程运动速度及距离影响规律的定量研究较少。

滑坡运动评价方面，高速远程滑坡的评价标准尚不明确。已有研究[23]将滑坡的速度由慢到快划分为7个等级，其中最高级的下限速度为5 m/s，由于高速远程滑坡速度往往远大于滑坡分级中最高级别的滑速(5 m/s)，因而该分级明显不适用于高速远程滑坡的速度描述[5]。另一方面，同一时刻不同位置滑坡体的速度在方向、大小等方面具有极大的差别，且随运动及地形不断变化，滑坡滑速、最大运动速度等运动特性指标的概念也较为模糊。由于高速滑坡成因机理复杂、控制因素众多，对于其运动、堆积行为，难以实现具有相当尺寸的试验研究[24]。非连续变形分析方法(DDA)作为一种针对不连续岩土体运动模拟的计算方法，已广泛运用于研究岩土工程领域的大变形问题[25-26]。邬爱清等[27]基于真实地质条件，选取滑坡力学参数，模拟了千将坪滑坡运动的全过程，模拟结果与真实情况较为接近。Wu等[28]利用二维DDA模拟了1999年台湾集集地震诱发的小林滑坡，模拟结果与滑坡堆积形貌及幸存者描述基本一致。Zhang等[29]利用三维DDA模拟了大型岩质失稳运动的全过程。

为了探究滑体内摩擦角、滑面内摩擦角、滑坡体节理形态等岩土体性质对其高速远程运动速度及距离的影响规律，文中利用滑坡运动对参数的敏感性，分析了东河口滑坡高速远程运动特性的影响因素，建立了包含整体滑程、前缘滑程、整体速度和高速水平4个评价指标的滑坡运动状态评价体系，并采用DDA方法，对影响东河口滑坡高速远程运动特性的3个重要岩土体性质因素进行定量评价。本文提出的新的滑坡运动状态评价体系可以为滑坡运动分析提供新思路、新方法，对高速远程滑坡的运动机理、危险性评价及防灾减灾具有一定的参考价值。

1 东河口滑坡概况

1.1 地质环境

东河口滑坡的原始滑坡体靠近红石河、青竹江两河交汇之处，毗邻映秀-北川断裂带的北部区段，区域山体长期受自然侵蚀作用。各类自然地理、地质环境复杂。

地质考察结果表明，滑坡区域第四系、志留系、寒武系及震旦系岩层出露，其中志留系出露面积最大，而白垩系地层缺失[30]。各地层顺向构造线条呈带状排布，由于构造活动活跃，呈现出软硬岩交替的现象。风化程度上，滑坡区岩层倒转，下部整体性良好，风化程度较低，而滑面较为破碎，风化程度中等较强。研究区域地质构造活动活跃，褶皱、断层发育。

1.2 滑坡特征

东河口滑坡发源于东河口村王家山山顶区域，原始滑坡体靠近山顶区域的坡度较大(约40°)，山体山麓区域的坡度较小，约10°左右，坡度变化显著。滑坡在经过启动、加速、飞溅、解体、流动、堆积六大运动阶段后，堆积堵塞了红石河和青竹江，形成了两个大型堰塞湖，如图1所示。

图1 东河口滑坡中部截面图Fig.1 Central section of the Donghekou landslide

滑坡后缘海拔约1 350 m，滑坡体底端海拔约1 050 m，堆积区前端海拔约650 m，质心竖向运动位移约399 m，质心水平运动位移约 1 309 m，总运动距离约2 387 m，等效摩阻系数约0.28。滑坡平面总面积约1.08×106m3，形态呈锥形，自原始滑坡体区向堆积区宽度逐渐减小，最大宽度超过600 m[20]。滑坡总体积约2×107m3，竖向堆积厚度在前半段陡坡区域较薄，在中后段尤其中段较厚，最大堆积厚度超过50 m，平均厚度达25 m。滑坡体地层岩性如表1所示。

表1 滑坡地层岩性[27]Table1 Lithology of the Donghekou landslide

1.3 影响因素初步分析

滑坡岩土体物理力学性质作为滑坡运动不可忽略的重要影响因素，包括滑坡体的物理力学性质[17,24]以及滑面的物理力学性质[31]。根据地质资料，风化程度较高的原始坡体、岩层中抗拉强度极低的千枚岩潜在滑面以及其上滑坡体中发育的竖向节理系，均可能是造成东河口滑坡的重要因素。本文借助二维DDA程序，分别研究了滑体内摩擦角φT、滑面内摩擦角φM以及节理形态对滑坡运动速度和运动距离的影响，并依据滑坡速度以及距离变化的情况，分析其对应因素存在的影响程度及影响范围。

2 东河口滑坡DDA模型

依据地质调查结果呈现的地形特征，建立二维DDA模型，模型截面效果如图2所示。考虑到岩质滑坡黏聚力较小，且在坡体发生破坏后黏聚力显著降低[32-33]，故本模型在建模过程中忽略其影响。

图2 DDA建模截面效果图Fig.2 The cross section that DDA modeling used

2.1 参数选取

分别建立二维DDA模型以探讨滑体内摩擦角φT、滑面内摩擦角φM及滑坡体节理形态对滑坡体运动的影响。本模型根据已有研究[34]选取模型基本参数，如表2、表3所示。

表2 材料参数[34]Table2 Material parameters[34]

表3 控制参数[34]Table3 Control parameters[34]

2.2 模型设计

(1)滑体内摩擦角φT对滑坡运动影响模拟。本组模型试验以滑坡体的内摩擦角为变量，据相关文献[34]，滑坡实际内摩擦角约为20°，故保持滑面内摩擦角φM恒为20°，滑体内摩擦角φT在10°～30°的合理范围内设置9个不同的数值模型(M1～M9，如表4所示)，以研究不同滑体内摩擦角φT对东河口滑坡运动的影响。

表4 滑体内摩擦角φT模型参数设置Table4 Parameter setting of model group for friction angles in sliding mass

(2)滑面内摩擦角φM对滑坡运动影响模拟。本组模型试验以滑面内摩擦角φM为变量，保持滑体内摩擦角φT恒为20°，同样设置9个不同滑面内摩擦角φM的数值模型(M10～M18，如表5所示)，以研究不同滑面内摩擦角φM对东河口滑坡运动的影响。

表5 滑面内摩擦角φM模型参数设置Table5 Parameter setting of model group for friction angles in sliding surface

(3)滑坡体节理形态对滑坡运动影响模拟。本组模型试验设计了3种不同节理形态的滑坡体模型，分别为原生块状节理(顺层滑坡，见图3(a))、原生块状45°方向节理(切层滑坡，见图3(b))以及散体随机节理(均质滑坡，见图3(c))(M19～M21，如表6所示)，以研究节理形态对东河口滑坡运动的影响。

图3 三种不同的节理形态Fig.3 Three different joint directions

表6 节理形态模型参数设置Table6 Parameter setting of model group for joint directions

2.3 地震荷载

结合场地条件、台站分布，本模型采用汶川地震的清平台站(051MZQ)记录，将水平面上滑坡轴线方向(S54°W)视为水平方向，并根据原始地震动记录合成水平地震动，经基线校正等处理后，竖向和水平地震动如图4所示。

图4 竖向和水平地震动Fig.4 Applied vertical and horizontal ground motion

2.4 评价体系

目前有关滑坡运动特性的数值模拟中常以某些特定块体样本的运动数据为依据来评价滑坡体的运动速度及运动距离，但这种方法随机性较大，不能较好地体现整个滑坡的运动状态，难以代表滑坡体的较快运动部分、较远运动部分以及整体运动情况。因此，本文建立了一套新的评价体系(如图5所示)，该体系同时包含对于滑坡体运动速度和运动距离最大值的评价以及对于其整体运动特性的评价，共有四个具体指标：采取滑坡体的前缘堆积位置评价其前缘运动距离；采取滑坡体的质心堆积位置评价其整体运动距离；采取滑坡体的较快运动部分(运动速度大于5 m/s的块体[5])的均值速度最大值(以下定义为“卓越速度”)评价其高速程度；采取滑坡体的总动能评价其整体速度。评价体系中的卓越速度和总动能作为速度评价指标，前缘堆积位置和质心堆积位置作为位移评价指标，卓越速度和前缘堆积位置作为最值评价指标，总动能和质心堆积位置作为整体评价指标，使得该评价体系可以同时考虑滑坡体的运动速度与运动距离，能够较为全面地评价滑坡高速远程运动状态。基于该体系对原有DDA程序进行二次开发，获取滑坡体的运动数据，从而对东河口滑坡运动速度及运动距离进行定量评价。

图5 滑坡运动评价体系示意图Fig.5 Schematic diagram of landslide motion evaluation system

该评价体系中的滑坡体的前缘堆积位置pf，滑坡体的质心堆积位置pc，卓越速度vp以及滑坡体的总动能Ek的计算公式如下。

pf=xmax.

(1)

(2)

(3)

(4)

其中，xmax表示滑坡体所有块体位置坐标的最大值，n表示滑坡体中所有块体的个数，mi表示第i个块体的质量，xi表示第i个块体的位置坐标，k表示达到卓越速度(速度值超过5 m/s)的块体个数，vxj表示第j个达到卓越速度块体在x方向的速度，vyj表示第j个达到卓越速度块体在y方向的速度，vxi表示第i个块体在x方向的速度，vyi表示第i个块体在y方向的速度。

3 岩土体性质影响分析

本节依据所采集到的数据，分别分析滑体内摩擦角φT及滑面内摩擦角φM与滑坡体运动距离和运动速度的关系。由于计算模型较多，图6仅展示了DDA模拟M1、M5、M10、M19、M20、M21模型的运动过程。

图6 M1、M5、M10、M19、M20、M21的运动过程Fig.6 The motion process of M1, M5, M10, M19, M20, M21

3.1 滑体内摩擦角φT影响分析

(1)运动距离分析

在不同滑体内摩擦角φT下，滑坡体停积后，其后缘、质心及前缘的水平堆积位置如图7所示。质心的堆积位置随滑体内摩擦角φT减小不断前移，内摩擦角每减小1°，滑坡整体堆积位置平均前移6.95 m。滑坡体前缘堆积位置的变化更加明显，内摩擦角每减小1°，滑坡体前缘平均前移10.51 m。由以上分析可知，滑坡体整体运动距离及远程水平一定程度受滑体内摩擦角φT影响，而且滑坡体后缘、质心及前缘堆积位置随滑体内摩擦角φT的变化规律相近，均随滑体内摩擦角φT的减小而前移。

(2)速度分析

在不同滑体内摩擦角φT下，滑坡体总动能及卓越速度的变化情况如图8所示。滑体内摩擦角φT每减小1°，滑坡总动能最大值增大1.11×106kJ。而各滑坡体的卓越速度相近，并没有呈现出较大的波动，滑体内摩擦角φT每减小1°，滑坡体卓越速度仅增大0.19 m/s，稳定维持26 m/s左右。但卓越速度的持速段距离随内摩擦角减小明显增大。

综上分析，发现在滑体内摩擦角φT变化区间内，东河口滑坡的整体运动速度、运动距离都随滑体内摩擦角φT减小而明显提高，但其高速程度所受影响较小，卓越速度的持速段具有一定差异，主要表现为持速段的长短与运动距离的大小成正相关。

3.2 滑面内摩擦角φM影响分析

(1)运动距离分析

在不同滑面内摩擦角φM下，滑坡体后缘、质心及前缘的堆积位置如图9所示。滑面内摩擦角φM每减小1°，滑坡体质心运动距离增大53.87 m；滑坡体前缘运动距离增大65.27 m。可见，滑面内摩擦角φM对滑坡体整体运动距离影响较大，大致呈现出指数级别的数量关系。滑坡体后缘、质心及前缘堆积位置均随滑面内摩擦角φM的减小而增大，但增大程度有较大差别，滑面内摩擦角φM衰减对滑坡体前缘运动距离影响最大，而对滑坡体前缘运动距离影响较小，体现了滑坡体最远运动距离是由前端少部分块体达到的。

(2)速度分析

在不同滑面内摩擦角φM下，滑坡体总动能及卓越速度的变化情况如图10所示。滑面内摩擦角φM每减小1°，滑坡体总动能增大4.61×106kJ，最大总动能达到9.72×107kJ。滑面内摩擦角φM每减小1°，滑坡体的卓越速度增大0.87 m/s，最大速度达到40 m/s，与理论计算速度较为相近。相比而言滑体内摩擦角对卓越速度的影响相对较小，仅为滑面内摩擦角影响下的21.8%。随着滑面内摩擦角φM的变化，滑坡体的总动能和卓越速度均大致呈现指数变化关系。由以上分析可知，滑面内摩擦角φM对东河口滑坡高速运动特性具有较大影响。

3.3 坡体节理形态影响分析

(1)运动距离分析

滑坡体按滑面与岩层的关系可分为均质滑坡、切层滑坡、顺层滑坡，其中，顺层滑坡由于原生坡面含天然潜在滑面，易在扰动下发生失稳，因此顺层滑坡最为常见。3种节理形态下质心堆积位置的坐标如表7所示，在x、y方向的极差分别为246.26 m和121.13 m。原生块状节理与散体随机节理条件下滑坡体质心运动距离较为接近，但在原生块状45°方向节理条件下，质心运动距离在x方向有较大的减小，在y方向略有增加。

在3种节理形态下滑坡体前缘堆积位置坐标如表8所示，在x、y方向的极差分别为138.23 m和43.29 m。原生块状45°方向节理与散体随机节理条件下滑坡体前缘运动距离较为接近，但在原生块状节理条件下，质心运动距离在x方向有较大的增加，在y方向略有减小。这表明节理形态对东河口滑坡整体运动距离有一定的影响，且东河口滑坡体的节理形态有利于增大滑坡整体运动距离。

(2)速度分析

在3种不同节理形态下滑坡体总动能随其质心水平位置的变化情况如图11所示。在原生块状节理条件下，滑坡体总动能仅具有一个峰值(故前文仅对总动能最大值进行了讨论)，而原生块状45°方向节理及散体随机节理条件下分别具有3个和2个峰值，但原生块状节理条件下峰值最大，约为原生块状45°方向节理条件下的3倍，散体随机节理条件下的2倍。可见，节理形态对东河口滑坡整体运动速度的影响较大，且东河口滑坡原生块状节理条件对滑坡体的运动具有一定促进作用。

在3种不同节理形态下滑坡体卓越速度随其质心水平位置的变化情况如图12所示。在3种节理条件下，卓越速度的变化形态有较大的差异，基本呈现出在某一平衡位置上下波动的变化规律。3种节理条件下的平衡位置比较接近，而且都呈现出近端变化相对平缓、远端变化相对剧烈的规律，尤其是原生块状45°方向节理条件下，卓越速度的变化呈现出较大的波动。可见节理形态对东河口滑坡高速水平的影响也较大。

综上，东河口滑坡在上述3种不同形态的节理形态下，整体速度、卓越速度、整体运动距离、前缘运动距离都具有较大的变化。滑体内摩擦角φT、滑面内摩擦角φM的变化造成各个指标的变化趋势相近，而不同节理形态的情况下，各指标的变化在变化规律上存在较大差异。对比3种形态下的结果，东河口原生块状节理对滑坡运动的促进作用最大，对东河口滑坡高速远程运动的影响不可忽略。

结合本节的分析可知，整体速度、高速程度、整体运动距离、前缘运动距离4个运动指标受滑体内摩擦角φT、滑面内摩擦角φM以及节理形态的影响程度有所不同，随着摩擦角的变化(摩擦角每减小1°)4个指标的平均变化值以及节理形态的改变对4个指标的影响程度汇总于表9。

表9 不同影响因素作用规律对比Table9 Comparison of different internal influence factors

4 结论

基于本文提出的滑坡高速远程运动状态评价体系，对原DDA程序进行二次开发后，定量评价了东河口滑坡高速远程运动特性。滑体内摩擦角φT、滑面内摩擦角φM以及节理形态是影响滑坡高速远程运动特性的3个重要因素，在这3个因素的影响下，对滑坡体的整体运动距离、前缘运动距离、整体速度和卓越速度4个滑坡运动特性指标进行定量评价和分析，得出以下结论：

(1)滑体内摩擦角φT对东河口滑坡整体运动距离、前缘运动距离及整体速度3个指标均有明显影响，但高速程度所受影响较为微小。同时结果也表明相比滑坡的整体运动距离，滑体内摩擦角φT对其前缘运动距离所受影响更加明显。

(2)随着滑面内摩擦角φM的减小，东河口滑坡4个运动特性指标都表现出指数函数形态的变化趋势，而且滑面内摩擦角φM对东河口滑坡运动机理的影响比滑体内摩擦角φT更大。

(3)在3种节理形态下，东河口滑坡的4个运动特性指标都呈现出较大差异，并且东河口滑坡的原生块状节理对整体运动距离、前缘运动距离以及整体速度的促进作用最大。

本文通过提出滑坡高速远程运动状态评价体系，对东河口滑坡的3个重要影响因素进行了分析，为DDA模拟相关滑坡的参数指标选取以及研究滑坡高速远程运动状态的评价体系选取提供了参考。