第32卷第3期2010年9月
地球科学与环境学报
Journal of Earth Sciences and Environment
Vol.32No.3Sep.2010
收稿日期:2009-12-28
基金项目：中国地质调查局项目(1212010914025) 作者简介：苏生瑞(1963-)，男，甘肃庆阳人，教授，博士研究生导师，工学博士，从事地质工程教学和研究。E -mail:dcsus r@chd.edu
苏生瑞1
，张永双2
，李 松1
，郝莉莉1
，王 凯1
，梅 海
1
(1.长安大学地质工程与测绘学院，陕西西安710054; 2.中国地质科学院地质力学研究所，北京100081)
摘要：针对汶川地震引发的谢家店子滑坡，在现场调查分析的基础上，建立了二维离散元数值模拟模型，采用2D -Block 软件对其进行了全过程的数值模拟研究，并通过对跟踪块体的深入分析，研究了相应地质体在不同阶段下的运动特征。模拟结果表明，谢家店子滑坡经历了剧动启程抛掷阶段、快速撞击飞行阶段、铲刮减速碎屑流阶段及堆积掩埋阶段。为了揭示地震引发高速滑坡的发生规律，分别研究了地震震级、斜坡地形和斜坡上岩块的尺寸对高速滑坡启动和运动过程的影响规律。地震震级对边坡的启动、变形、破坏和运动有很大的影响，地震震级越大，滑体启动的加速度和速度也就越大，从而易形成高速远程滑坡。斜坡体本身的地形地貌对滑体运动也有较大影响。在震级和岩石力学参数一定的条件下，斜坡上岩块的大小对其启动、变形和运动过程有一定影响，随着岩块的增大，滑体运动的每个阶段历时都在减小，但当岩体十分破碎时，滑体虽然能够运动，但是很难发生抛掷。将地震滑坡的启动机理概括为积累变形效应、振荡启程效应和振荡加速效应。关键词：滑坡；数值模拟；运 动机理；谢家店子；汶川地震
中图分类号:P642.22 文献标志码:A 文章编号:1672-6561(2010)03-0277-11
Numerical Analysis on Motion Mechanism of Highspeed
and Long Runout Landslide by Wenchuan Earthquake
)))Taking Xiejiadianzi Landslide as an Example
SU Sheng -rui 1,ZH AN G Yong -shuang 2,LI Song 1,H AO L-i li 1,WAN G Kai 1,M EI H ai 1
(1.S chool of Ge ological E ngineer ing and S urv ey ing ,Chang p an Unive rsity ,X i .an 710054,Sh aanxi,China;
2.In stitute of Ge omec hanic s,Chinese A cade my of G eolog ical Sc ienc es,Be ij ing 100081,China)
Abstract:In view of X iejiadianzi highspeed and long r unout landslide caused by Wenchuan Ea rthquake,based o n the inv est igation and analysis o n t he spot,a tw o -dimension discrete element numerical simulat ion mo del was built,
numer ical simulatio n w as do ne by 2D -Block so ftwa re.
Furt her mor e,
mo tio n char acteristics of
co rr esponding g eolo g ic bo dy at different stages t hr ough the thoro ug h analy sis of tracking block w ere discussed.T he results indicated that Xiejiadianzi landslide ex perienced four per io ds:the instantaneo usly sliding stag e,t he intensiv e co lliding cushion stag e,the scraping slow do wn stage and the deposit st age.In order to r eveal t he occur ence r eg ular ity of highspeed landslide t rig ger ed by W enchuan Earthquake,the influence law s o f three fact ors including earthquake mag nitude,t he to pog r aphy o f landslo pe and the size of r ockmass on the landslo pe to t he highspeed landslide wer e studied.Ear thquake mag nitude had gr eat influence o n the set -o ut,deformat ion and destructio n and mo vement of landslo pe.T he g reater the ear thquake magnitude,the faster the accelerat ed speed and speed o f the sliding,t he easier of for ming high speed and long runout landslide.T he topog raphy of slo pe also had g reater effect on the mo vement o f the sliding mass.U nder the certain mag nitude and ro ck mechanics
par ameters,the size of the ro ckmass o n the landslo pe had a cert ain effect on the set -o ut ,defo r
matio n and destructio n and mov ement of landslo pe.Wit h the increasing o f the size of rockmass,the speed o f the sliding decreased in each stag e.H ow ever ,when the r ockmass w as br oken,it w as hard to cast for the sliding mov ement although it co uld move.T he set -out mechanisms of landslide wer e summar ized as three effects:t he pr og ressive and defo rmatio n effect,the set -o ut effect and the acceleration effect.
Key words:landslide;numerical simulation;mo tion mechanism;Xiejiadianzi;Wenchuan Ear thquake
0 引言漱口杯
地震是最为严重的自然灾害之一，不仅直接造成人员伤亡和财产损失，而且还可以引发其他类型的自然灾害，尤其是山体滑坡、崩塌。2008年5月12日发生的四川汶川8.0级地震诱发的滑坡有15000多处[1-2]，高速远程滑坡是其中典型的一类。为了有效减小人员伤亡和经济损失，减轻该类地震地质灾害对社会和经济的影响，分析研究强震作用下形成的高速远程滑坡具有重大的现实意义。关于汶川地震引发的滑坡，前人已经从断层效应[3]、发育特征[4]和运动特征[1]等方面进行了研究。谢家店子滑坡是汶川地震诱发的典型高速远程滑坡之一，伍法权等[5]、王涛等[4]对其特征进行了描述。笔者在对位于极震区的谢家店子滑坡现场调查的基础上，建立了数值模拟模型，进而进行较为系统的数值模拟。首先，采用离散单元法软件2D -Block 模拟其形成和运动过程；然后，通过改变有关参数进行模拟试验，
得到地震震级、地形地貌、斜坡岩体结构等对高速滑坡启动和运动过程的影响规律；最后，通过对上述模拟结果的综合分析，揭示地震引发高速远程滑坡的启动机理。
1 滑坡区地质条件
滑坡区位于四川省彭州市龙门山镇九峰村白水河右岸(图1)，海拔高度1000~2500m，地形坡度25b ~35b ，纵剖面为上陡下缓，中间有一山包(图2)。
滑坡形成于龙门山中央断裂带上盘，龙门山中央断裂带走向北东向，倾向北西向，倾角约60b 。断裂上盘为元古界黄水河(Pt hn 2
)，岩性主要为花岗岩、辉长岩和花岗闪长岩。岩体中节理发育，主要有两组：一组与坡向近于平行；另一组倾向坡内，间距一般为10~50cm 。断裂下盘为三叠系上统须家河组(T 3x )砂岩、泥岩和炭质页岩。汶川地震使龙门山中央断裂发生地表破裂，以兼有右旋走滑分
量的逆断层型破裂为主，最大垂直位移612m，最
图1 谢家店子滑坡平面图不用充电的手电筒
Fig.1 Layout Map of Xiejiadianzi Landslide
大右旋走滑位移419m [6]。地震使龙门山中央断裂在迅速向北东向破裂的同时，沿断裂产生了多处高速滑坡，谢家店子滑坡即形成于龙门山断裂带上盘紧邻断裂的岩体中。
2 滑坡特征
谢家店子滑坡发生于2008年5月12日，摧毁九峰村20余户房屋，导致63人死亡。该滑坡后缘
高程约2000m，前缘高程约1200m，长度约2800m ，在平面上呈长条状，总体围限于白水河右岸的沟谷中，总体积约为400@104
m 3
，滑动方向137b (图1)。由于龙门山中央断裂带从沟谷上游(沟头)斜坡通过，在地震作用下首先产生冲击滑坡，然后顺沟谷倾泻而下，沿途铲刮沟谷斜坡碎屑物质，最终在沟口谢家店子堆积(图3)，掩埋房
屋造成人员伤亡并撞击白水河左岸斜坡，散落的块石堵塞河道形成堰塞湖。构成滑坡的块石岩性主要包括断层上盘彭灌杂岩体的花岗岩、辉长岩、花岗闪长岩(图4)和断层下盘上三叠统须家河组的
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图2 谢家店子滑坡地质剖面
安装网Fig.2 Geological Section Map of Xiejiadianzi
Landslide
图3 滑坡前缘Fig.3 Toe of the
Landslide
图4 断层上盘的花岗岩和花岗闪长岩岩块Fig.4 Rock of Granite and Granodiorite
流(H)in the Hanging Wall
砂岩、泥岩、炭质页岩等，块石粒度在纵向上呈从上往下依次变小的趋势。总体上，该滑坡大致可以分为快速崩滑段、重力加速段、快速气垫飞行)
撞击段、铲刮减速碎屑流段和堆积掩埋段。滑坡后壁走向总体60b ，横向上呈缓波状，滑坡壁倾角
40b ，高度150m 。
3 谢家店子滑坡运动过程模拟
3.1 模型建立依据
模型的建立主要依据该滑坡地形图及现场调查，结合周边地形地貌、地层岩性和地质构造特征等，将其恢复到原始地貌形态和相应的岩体结构，以此进行二维动态离散元数值模拟，以再现其变形
破坏过程。
3.2 模型建立及参数选取
离散单元法是针对节理岩体提出的，其单元的划分根据节理的自然切割状况确定。根据前述滑坡的基
本特征和最为发育的两组结构面)))层面及顺坡向节理，然后再通过适当的简化建立离散元图5 离散元分析模型
Fig.5 Discrete Element Analysis Model
分析模型(图5)。该模型底部长4500m ，左侧高1800m ，右侧高1000m，整个模型剖分为695个单元格，滑体部分剖分为367个单元格(图6)。单元格的疏密情况根据斜坡的岩体结构特征确定，滑床以下的基岩部分作为固定单元处理，整个计算过程中不发生位移，运动过程中单元之间的位移增量等完全由单元的几何尺寸、质心平移和单
279
第3期 苏生瑞，等：汶川地震引发高速远程滑坡运动机理数值模拟研究)))以谢家店子滑坡为例
图6滑体单元格划分
Fig.6Division of Cell in the Landslide
元绕其质心转角大小来决定。在接触关系上，选用标准塑性无张力角)边接触模型及其本构关系。有关材料的力学参数取值见表1。需要说明的是，计算所用的参数用一般方法很难测定，在没有实验依据的情况下，一般根据节理性质的工程性质类比法确定，在计算过程中对参数进行适度范围内的调整，以获得理想的计算成果。这样的调参过程对宏观机理的模拟是合理的，并且离散元模型中只能设置岩土体的重度及其节理参数，外加荷载并不能直接考虑地震的影响，因此用等效的方法来考虑地震作用的影响。其思路是离散元模型中各块体的抗剪强度值应与实际岩石块体遭受地震作用时的抗剪强度相等，然后把地震力的作用转化为内摩擦角的变化。而地震实际上是一个交变力系，但在实际应用中一般都简化为一个等效静力作用，因此，模型中也采用规范中常用的地震作用处理方式，将地震作用采用一个地震作用系数转化为静力来考虑[7]。
光敏三极管
为了真实全面地模拟谢家店子滑坡运动全过程，在计算模型取值方面，除按表1的参数赋值外，在斜坡启动运动的初始瞬间对所有变形体单元赋予水平(X)方向初始速度72m/s，加速度8182m/s2，竖直(Y)方向初始速度15m/s，加速度-918m/s2。模型底部和侧向施加水平和竖直方向约束。水平和竖直向的初始速度(V)采用毛彦龙等[8]的公式
V=T d PX a c a2max
a2c -1+arcsin
a c
a max
-
P
2
(1)
式中:T d为地震动持时;X为振动圆频率;a max为地面最大加速度;a c为临界加速度。地面最大加速度数据来源于卧龙地震台采集的地震波数据的最大值，后又经过模拟修正。抛射方向则根据谢家店子滑坡实际运动情况来确定。强震区竖向力的作用是通过竖向赋予的初速度来得到实现。
表1材料的力学参数
Tab.1M echanical Parameters of the Materials
参数
地质体
黄水河须家河组滑坡体断层接触法向刚度/
(kN#m-3)
2.8@109 1.5@109 2.0@103 1.5@106
接触切向刚度/
(kN#m-3)
1@1095@1082@102 5.0@105接触摩擦角/
(b)
55451030接触内聚力/
(kN#m-2)
5@1044@1048 1.2@103块体密度/
(kg#m-3)
2700250024002300节理法向刚度/
(kN#m-3)
1.5@1091@109 1.6@103 5.0@104
节理切向刚度/
(kN#m-3)
1@1095@108 1.5@1028.0@103节理面摩擦角/
(b)
4532626节理面内聚力/
(kN#m-2)
4@1043@10404@103 3.3模拟结果分析
根据上述模型，对谢家店子滑坡进行了全过程的数值模拟研究，并跟踪了196、242、487号块体，以其为代表来反映相应地质体在不同阶段下的运动特征。整个过程经历了180000个单位时间，每个单位时间约为5@10-4s，故整个过程经历了90s，模拟结果见图7~10。
图7剧动启程抛掷阶段坡体运动状态
Fig.7Kinestate of Landslide in
Instantaneously Sliding Stage
通过对模拟数据资料的对比和综合分析，可将谢家店子滑坡不同运动阶段及其失稳、破坏、解体的主要运动特征概括为以下阶段:
280地球科学与环境学报第32卷
图8 快速撞击飞行阶段坡体运动状态Fig.8 Kinestate of Landslide in Intensive水中氨氮的测定方法
Colliding Cushion
Stage
图9 铲刮减速碎屑流阶段坡体运动状态
Fig.9 Kinestate of Landslide in Scraping Slow D own Stage
(1)剧动启程抛掷阶段(0~1.5s)：在地震力及滑体重力的作用下，滑体沿着中后部的软弱面产生蠕动，使应力不断在中前部的锁固段集中，引起锁固段的渐近破坏，使锁固段长度不断缩短，直到贯通破坏。在地震产生的坡体波动振荡加速效应及滑床面锁固段变形体中所储存的弹性应变能的释放而产生的加速效应共同作用下，使滑体获得一个比较大的启程剧动速度，并且由于势动能转化的加速效应，使滑速不断增大，整个滑体被抛掷而出。根据牛顿第二定律可以得出，抛掷力约为6.0@107kN 。至整个斜坡腾空而下时，其运动速度已达82174m /s 。在断层段附近，可见断层发生明显的
挤压错位，并且在滑坡后壁可见拉张裂缝，这是因
图10 堆积掩埋夯实阶段坡体运动状态Fig.10 Kinestate of Landslide in Deposit Stage
为在极震区，首先到达的压缩波形成的强大竖向作用力，使山体震裂松动乃至溃屈，并在山体浅表层产生竖向裂缝，并且这些裂缝为地震诱发次生地质灾害提供了基础。当剪切波到达后，已被震裂松动的山体在强大的地震水平作用力下产生大量的崩塌、滑坡，且崩滑体的后壁一般沿已有的竖向裂缝产生。
(2)快速撞击飞行阶段(1.5~15.0s)：被抛掷出来的整个滑体在飞行约180m 后，在自重作用下向下运动，并与对面的山包发生强烈碰撞，致使整个山包发生解体，形成所谓的/爆炸0现象。由于强烈碰撞，滑体开始逐渐发生解体，滑体的解体方式主要有滑体前后不同部分运动速度的差异性导致
解体和相邻块体间复杂的相对差异运动2种形式。由于惯性和空气的擎托持速效应，整个滑体形成高速抛出的碎屑流，这些碎屑物质在空中甚至产生/涡旋0运动，形成飞轮式的/碎屑流环0，由此可见这种运动方式对山包的撞击破坏能力很大。
(3)铲刮减速碎屑流阶段(15~40s)：整个滑体解体形成的碎屑流在空中飞行13s 后，由于重力作用，以势不可挡之势向斜坡冲下，尽管须家河组砂岩相对坚硬，但由于岩体节理发育、风化较严重，在猛烈撞击下发生溃决，在碰撞的斜坡处形成明显的气浪冲击和碎屑流翻越的痕迹。在不断铲刮和碎屑物质相互碰撞过程中，整个碎屑流速度不断减小。
(4)堆积掩埋夯实阶段(40~90s)：碎屑物质不断减速，使得此阶段持续时间较长，碎屑流在出山口形成堆积，堆积体一脉迁就地势呈南东向脊状形
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第3期 苏生瑞，等：汶川地震引发高速远程滑坡运动机理数值模拟研究)))以谢家店子滑坡为例
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