戴興建，殷躍平，邢愛國

(1.上海交通大學(xué)船舶海洋與建筑工程學(xué)院，上海 200240；2.中國地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院，北京 100081)

0 引言

高山峽谷地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)，其中高速遠(yuǎn)程滑坡占比突出。高速遠(yuǎn)程滑坡具有高位、高速、遠(yuǎn)程等特點(diǎn)，易誘發(fā)次生災(zāi)害形成災(zāi)害鏈，造成大規(guī)模的人員傷亡和財產(chǎn)損失[1-3]。當(dāng)滑坡運(yùn)動方向有水體分布時，滑坡碎屑堵江易形成堰塞湖，一旦壩體潰決將對下游區(qū)域造成巨大破壞。世界范圍內(nèi)發(fā)生過多次災(zāi)難性的滑坡堵江事件[4-6]，我國也是此類災(zāi)害的多發(fā)國家[1,7]。2000年4月9日西藏波密縣易貢鄉(xiāng)扎木弄溝發(fā)生巨型滑坡，滑坡碎屑堵塞易貢藏布河形成堰塞湖，堰塞壩最終潰決沖擊下游區(qū)域，對下游區(qū)域造成了巨大的破壞。

國內(nèi)外對于易貢滑坡的研究主要集中在現(xiàn)場調(diào)查、室內(nèi)試驗和滑坡機(jī)理研究[8-11]，對于易貢滑坡的動力學(xué)研究比較少，且僅停留在災(zāi)害鏈部分階段的模擬研究[12-14]。對滑坡-堰塞壩潰壩-洪水演進(jìn)完整災(zāi)害鏈的動力學(xué)研究幾乎為空白，因此對于易貢滑坡完整災(zāi)害鏈動力致災(zāi)過程的模擬研究具有重要的學(xué)術(shù)意義和應(yīng)用價值。

在現(xiàn)場調(diào)查資料和上述研究成果的基礎(chǔ)上，本文依據(jù)遙感影像數(shù)據(jù)建立三維數(shù)值模型，結(jié)合DAN3D和FLOW3D模擬易貢滑坡-碎屑流-堰塞壩潰壩鏈生災(zāi)害全過程分析，以期揭示高山峽谷區(qū)滑坡-堰塞壩潰壩鏈生災(zāi)害的動力學(xué)特征。

1 地質(zhì)環(huán)境條件

2000年4月9日西藏自治區(qū)波密縣易貢鄉(xiāng)扎木弄溝(E94°55′～95°，N30°10′～30°15′)發(fā)生巨型山體滑坡，滑坡點(diǎn)位于雅魯藏布江支流易貢藏布河左側(cè)(圖1a、1b)。易貢地區(qū)位于西藏東南部，屬于高山峽谷地貌，該地區(qū)地勢陡峻，河谷縱橫，氣候復(fù)雜。易貢藏布河是雅魯藏布江下游北側(cè)的一條支流，長286 km，流域面積13 533 km2，日平均徑流量3.27×107m3。

由于氣溫轉(zhuǎn)暖、冰雪融化、持續(xù)降雨等原因，約9.0×107m3滑體高速下滑，沖入易貢藏布河，滑坡后緣高程5 520 m，河道高程2 190 m，垂直高差3 330 m，最大水平移動距離10 000 m(圖1c)?；滤樾甲罱K堵塞易貢藏布河形成長寬2 500 m，平均高度60 m，體積約3.0×108m3的堰塞壩[8]。2000年6月10日，壩體最終潰決，對下游區(qū)域造成了嚴(yán)重的破壞。

圖1 易貢滑坡位置圖Fig.1 Location of the Yigong Landslide

滑坡區(qū)出露的地層，由老至新為前震旦系岡底斯變質(zhì)巖群(AnZgd)、喜山期花崗巖、第四系堆積物。海拔4 100 m以下為前震旦系岡底斯巖群，總體傾向SSW，地層傾角在30°以上。4 100 m以上為喜山期花崗巖，在扎木弄溝內(nèi)與前震旦系岡底斯變質(zhì)巖群呈侵入接觸關(guān)系(圖2)。

2 滑坡-碎屑流分區(qū)

滑坡高差3 330 m，水平距離10 000 m。根據(jù)滑坡前后遙感影像和現(xiàn)場調(diào)查情況，將滑坡區(qū)分為滑源區(qū)Ⅰ、流通區(qū)Ⅱ、碎屑流堆積區(qū)Ⅲ(圖1c，圖2)。

(1)滑源區(qū)：位于扎木弄溝溝谷源區(qū)，高程范圍4 100～5 520 m，水平距離2 000 m。頂部尖峭，終年為冰雪覆蓋，崩滑體呈楔型，巖體主要為喜山期花崗巖。滑坡發(fā)生后裸露出其底部形態(tài)，形成“V”型懸谷(圖3a)。

(2)流通區(qū)：位于扎木弄溝溝谷，高程范圍2 600～4 100 m，水平距離3 500 m。溝谷上寬下窄，呈 NE-SW 走向，溝內(nèi)原堆積有50～80 m厚碎屑堆積物，滑坡發(fā)生后溝谷內(nèi)巖石出露，溝谷兩側(cè)陡壁上有明顯的擦痕(圖3b)，說明區(qū)內(nèi)早期堆積物已全被裹挾鏟刮。

(3)碎屑流堆積區(qū)：位于扎木弄溝口至藏布河南岸，高程范圍2 190～2 600 m，水平距離4 500 m。約3.0×108m3滑坡物質(zhì)呈喇叭狀堆積于此(圖3c)，形成長寬各2 500 m，高60 m堰塞壩。

圖2 易貢滑坡縱斷面Fig.2 Longitudinal profile of the Yigong landslide

圖3 滑坡-碎屑流災(zāi)后地貌Fig.3 Photograph showing the study area after Yigong rockslide-debris avalanche

3 災(zāi)害鏈全程動力學(xué)分析

3.1 滑坡-碎屑流階段模擬

3.1.1DAN3D簡介

DAN(Dynamic Analysis)是加拿大學(xué)者HUNGR[15]開發(fā)的等效流體動力分析軟件。DAN3D對于高速遠(yuǎn)程滑坡的模擬已經(jīng)非常成熟[14-17]。DAN3D模擬過程中，滑體上邊界為自由邊界，滑體下邊界的應(yīng)力包括重力作用產(chǎn)生的正應(yīng)力和運(yùn)動時產(chǎn)生的剪應(yīng)力，其中剪應(yīng)力由流變模型決定。模擬選用Frictional模型及Voellmy模型對易貢滑坡-碎屑流運(yùn)動過程進(jìn)行模擬分析。

Frictional模型假設(shè)抗剪強(qiáng)度(τ)僅與正應(yīng)力(σ)有關(guān)，即：

τ=σ(1-ru)tanφ

(1)

式中：ru——孔隙水壓力系數(shù)(即孔隙水壓力與基底正應(yīng)力之比)；

φ——動摩擦角/(°)。

其中，孔隙水壓力系數(shù)和動摩擦角之間有如下關(guān)系：

φb=arctan(1-ru)tanφ

(2)

式中：φb——有效摩擦角/(°)。

Voellmy模型假設(shè)滑體受到的阻力來源于摩擦力和湍流造成的阻力之和，即：

τ=σf+ρgv2/ξ

(3)

式中：f——摩擦項，等同于tanφb；

ξ——紊流項，與碎屑流的速度和密度有關(guān)。

3.1.2模型及參數(shù)選取

參考易貢滑坡已有研究成果[18]，建立體積為9.0×107m3滑體模型。依據(jù)SRTM-3遙感影像建立滑動路徑數(shù)字高程模型(圖4)。運(yùn)用DAN3D對易貢滑坡-碎屑流階段進(jìn)行數(shù)值模擬，通過試錯反演，滑源區(qū)采用Frictional模型，流通區(qū)和碎屑流堆積區(qū)采用Voellmy模型，反演得到計算參數(shù)見表1。

圖4 易貢滑坡數(shù)字高程模型Fig.4 Digital elevation model of the Yigong Landslide

表1 流變模型和計算參數(shù)

3.1.3模擬結(jié)果分析

通過DAN3D模擬得到滑坡-碎屑流階段不同時刻滑坡體堆積形態(tài)如圖5所示。

模擬結(jié)果顯示滑坡-碎屑流過程持續(xù)300 s，最大水平運(yùn)動距離10 000 m，垂直高差3 330 m，平均速度35 m/s。滑體自4 000 m高程剪出后，沿NE-SW方向運(yùn)動，30 s時滑體前緣進(jìn)入溝谷，經(jīng)過鏟刮體積快速增大，90 s時前緣沖出溝口(高程2 600 m)，在溝口外開始呈扇形擴(kuò)散。至150 s，滑體運(yùn)動至藏布河道，210 s時，滑體前緣運(yùn)動至河流對岸并停止。至300 s，滑體后緣停止運(yùn)動，堆積形態(tài)呈現(xiàn)為喇叭狀不再變化。

圖5 滑坡-碎屑流過程不同時刻滑坡堆積形態(tài)Fig.5 Time-lapse image of deposit distribution during the rockslide-debris avalanche process

最終堆積形態(tài)如圖6所示，滑坡堆積物呈喇叭狀分布于藏布河道，最大堆積厚度100 m，平均厚度60 m，前沿最寬3.2 km。模擬得到滑坡堆積范圍與實際接近，平均厚度與實測堰塞壩平均厚度(60 m)相同。

鏟刮分布結(jié)果如圖7所示，溝谷內(nèi)鏟刮較深位置在高程2 600～4 000 m，鏟刮深度超過60 m，最大鏟刮深度100 m，與早期碎屑堆積物厚度(50～80 m)接近。鏟刮方向呈NE-SW，與谷內(nèi)老滑坡堆積區(qū)形態(tài)大致相符。

速度分布模擬結(jié)果如圖8所示，滑坡從海拔5 520 m加速下滑，在高程范圍3 200～3 800 m時速度超過70 m/s，最大速度達(dá)90 m/s，接下來速度逐漸減小，到溝口位置速度接近于0，運(yùn)動停止。從滑坡縱斷面圖(圖2)可以看出，在滑動路徑中高程范圍3 200～3 800 m坡度最大，高程3 200 m以下地勢逐漸平緩，模擬結(jié)果符合實際情況。

圖6 滑坡-碎屑流最終堆積分布圖Fig.6 Final deposit distribution of rockslide-debris avalanche

圖7 滑坡-碎屑流鏟刮分布圖Fig.7 Scraping distribution of rockslide-debris avalanche

圖8 滑坡-碎屑流最大速度分布圖Fig.8 Maximum velocity of rockslide-debris avalanche

3.2 潰壩后洪水演進(jìn)過程模擬

3.2.1FLOW3D簡介

FLOW3D軟件是基于CFD (Computational Fluid Dynamics)解算技術(shù)的計算仿真軟件。其VOF算法對流體自由表面進(jìn)行追蹤計算，可對多種復(fù)雜流體運(yùn)動現(xiàn)象進(jìn)行精準(zhǔn)模擬。選用潰壩模擬常用模型RNGk-ε模型進(jìn)行模擬。

3.2.2三維模型建立及參數(shù)選取

依據(jù)SRTM-3遙感影像數(shù)據(jù)建立山體模型，根據(jù)DAN3D堆積區(qū)形態(tài)模擬結(jié)果(圖6)，建立長寬2 500 m，高60 m喇叭狀堰塞壩模型(圖9)，堰塞壩材料設(shè)置為泥沙沖刷模式，以模擬壩體逐漸潰壩過程，堰塞壩材料參數(shù)見表2。并根據(jù)真實泄洪情況建立截面尺寸150 m×30 m×24 m，長1 500 m引流渠模型。設(shè)置水體模型水流深度為實測堰塞湖水深60 m。組合模型形成潰壩模擬三維模型(圖10)。

表2 堰塞壩材料模型參數(shù)

圖9 堰塞壩模型Fig.9 Landslide dam model

圖10 研究區(qū)Flow3D三維模型Fig.10 Three-dimensional model of study area

計算區(qū)域內(nèi)設(shè)置3.2×107個尺寸為25 m×20 m×10 m的網(wǎng)格進(jìn)行模擬運(yùn)算。監(jiān)測點(diǎn)設(shè)置如圖10所示，在堰塞壩壩口，壩尾分別設(shè)置監(jiān)測點(diǎn)1、2，河道曲折度較大處設(shè)置監(jiān)測點(diǎn)3、4，距離堰塞壩17 km通麥大橋處設(shè)置監(jiān)測點(diǎn)5。

3.2.3模擬結(jié)果分析

通過FLOW3D模擬潰壩后洪水演進(jìn)過程得到不同時刻水流深度、流量等水動力特征參數(shù)。模擬時間12 000 s。

洪水演進(jìn)過程中水流深度變化如圖11所示，初始水深60 m，300 s時，堰塞壩開始過流，1 500 s洪水到達(dá)監(jiān)測點(diǎn)3，湖水深度降至46 m，2 800 s達(dá)到監(jiān)測點(diǎn)4, 湖水深度降至45 m。3 200 s時達(dá)到通麥大橋。在8 000 s的時候，堰塞湖水深降至30 m左右不再變化，達(dá)到出入庫平衡。

圖11 洪水演進(jìn)過程不同時刻水流深度變化圖(單位: m)Fig.11 Time-lapse image of variation of water depth during the outburst flood process

洪水演進(jìn)過程中各監(jiān)測點(diǎn)水流深度變化如圖12所示，泄洪過程中堰塞湖水深在8 000 s時降至30 m后逐漸達(dá)到穩(wěn)定。其他監(jiān)測點(diǎn)水流深度隨洪水到達(dá)上升至一定高度后小幅波動然后急劇增大，該趨勢表現(xiàn)出堰塞壩逐漸潰決過程，壩體完全潰決后，各監(jiān)測點(diǎn)水流深度快速達(dá)到峰值然后逐漸降低。下游河道狹窄位置水流深度大，通麥大橋處在7 000 s前后達(dá)到峰值約100 m。

各監(jiān)測點(diǎn)流量監(jiān)測結(jié)果如圖13所示，模擬得到通麥大橋處在5 100 s達(dá)到洪峰流量約130 000 m3/s，與實測洪峰流量120 000 m3/s[8]較為接近。整個洪水演進(jìn)過程中，流量峰值出現(xiàn)在監(jiān)測點(diǎn)4即河道最急處，此處在4 950 s時達(dá)到峰值流量240 000 m3/s。10 000 s時，各位置流量基本達(dá)到穩(wěn)定，通麥大橋上游區(qū)域穩(wěn)定在70 000 m3/s，通麥大橋處穩(wěn)定流量約50 000 m3/s。

圖12 不同時刻監(jiān)測點(diǎn)水流深度變化曲線Fig.12 Water depth at different time steps of monitoring points

圖13 不同時刻監(jiān)測點(diǎn)流量變化曲線Fig.13 Flood discharge at different time steps of monitoring points

4 結(jié)論

基于遙感影像建立三維數(shù)值模型對易貢滑坡-堰塞壩潰壩-洪水演進(jìn)完整災(zāi)害鏈進(jìn)行反演分析。得到如下結(jié)論：

(1)運(yùn)用DAN3D的F-V-V模型能夠反演易貢滑坡-碎屑流運(yùn)動過程，滑坡-碎屑流過程持續(xù)300 s，平均速度35 m/s，最大滑動速度90 m/s，平均堆積厚度60 m，碎屑流最終堆積形態(tài)與實際接近。

(2)基于DAN3D的碎屑流最終堆積分布結(jié)果建立堰塞壩模型，運(yùn)用FLOW3D能夠反演潰壩后洪水演進(jìn)過程，模擬結(jié)果顯示通麥大橋處洪峰流量130 000 m3/s，與實測值接近。

(3)DAN3D和FLOW3D的結(jié)合使用能夠較好的反演滑坡-堰塞壩潰壩-洪水演進(jìn)完整災(zāi)害鏈動力致災(zāi)過程，并得到相關(guān)動力學(xué)參數(shù)。對于此類鏈生災(zāi)害的系統(tǒng)性模擬分析及防治工程提供了研究思路。