深圳“12.20”渣土場(chǎng)遠(yuǎn)程流化滑坡動(dòng)力過(guò)程分析

高 楊，衛(wèi)童瑤，李 濱，賀 凱，劉 錚，王學(xué)良

(1.中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)力學(xué)研究所,北京 100081；2.中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所/中國(guó)科學(xué)院頁(yè)巖氣與地質(zhì)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100029；3.長(zhǎng)安大學(xué)地質(zhì)工程與測(cè)繪學(xué)院，陜西 西安 710054)

據(jù)統(tǒng)計(jì)，自20世紀(jì)90年代以來(lái)，我國(guó)的城市固體廢棄物排量占世界總排量的30%[1]，填埋場(chǎng)堆填成為最為有效的處理方式。然而，這些人工堆填的高陡邊坡，體積方量，一旦失穩(wěn)就會(huì)造成滑坡災(zāi)害，對(duì)周圍居民的生命財(cái)產(chǎn)安全形成巨大威脅。

目前在全球范圍已經(jīng)發(fā)生了多起人工堆填體滑坡事件，如：20世紀(jì)70年代波黑薩拉熱窩堆填體滑坡[2]，1988年美國(guó)Kettleman Hills堆渣場(chǎng)滑坡[3-4]，1993年土耳其的伊斯坦布爾Umraniye Hekimbasi填埋場(chǎng)滑坡事件[5]，1996年美國(guó)Rumpke填埋場(chǎng)滑坡[6]，1997年南非德班Bulbul滑坡[7]，2000年菲律賓Payatas堆填體滑坡[8-9]，2005年印度尼西亞的Leuwigajah滑坡[7,10]，2015年我國(guó)的深圳紅坳渣土場(chǎng)滑坡[11-13]，等等。一般情況下，人工堆填邊坡失穩(wěn)后呈現(xiàn)了滑體在坡腳處堆積的狀態(tài)，運(yùn)動(dòng)等效摩擦系數(shù)高于0.3，滑坡沖擊力相對(duì)較小，如：Payatas滑坡(0.45)、Bulbul滑坡(0.32)、Rumpke滑坡(0.33)等。同時(shí)也有另一部分堆填坡體失穩(wěn)后形成遠(yuǎn)程運(yùn)動(dòng)，并具有明顯的流化特征，運(yùn)動(dòng)等效摩擦系數(shù)僅為0.1左右，如：Leuwigajah滑坡(0.11)、深圳滑坡(0.10)、山西襄汾“9.8”滑坡(0.09)，該類型滑坡運(yùn)動(dòng)距離遠(yuǎn)、沖擊力大、破壞力更強(qiáng)。人工堆填坡體通常距離人口居住區(qū)更為接近，坡體一旦失穩(wěn)后形成遠(yuǎn)程運(yùn)動(dòng)，往往會(huì)形成損失慘重的災(zāi)難性事件。

在探尋人工堆填體滑坡后的遠(yuǎn)程流化破壞運(yùn)動(dòng)堆積規(guī)律、成災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)的研究，數(shù)值模擬成為被廣泛應(yīng)用的技術(shù)方法。目前遠(yuǎn)程滑坡運(yùn)動(dòng)堆積數(shù)值模擬研究方法較多，主要分為單流體連續(xù)介質(zhì)算法和顆粒流離散元算法。單流體連續(xù)算法，主要是基于滑坡運(yùn)動(dòng)等效流體理論的CFD、LBM、SPH和MPM等計(jì)算方法[14-20]，具有可視化、計(jì)算效率高等優(yōu)勢(shì)，并且重點(diǎn)考慮到了滑坡運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的動(dòng)力本構(gòu)模型，適用于流化型滑坡中的泥石流、泥流和山洪等災(zāi)害的數(shù)值反演分析；顆粒流離散元算法，是基于非連續(xù)力學(xué)方法的PFC、EDEM和MatDEM等計(jì)算方法[21-23]，該方法基于不同的接觸類型和摩擦系數(shù)，能夠較好模擬大變形大位移，適用于崩塌、碎屑流的數(shù)值反演分析。另外，還有一些研究采用DEM-CFD的多相流耦合數(shù)值算法，考慮固體顆粒和流體之間的相互作用力。

在地質(zhì)災(zāi)害防災(zāi)減災(zāi)領(lǐng)域，針對(duì)不同滑坡類型能夠快速、高效地對(duì)影響區(qū)域進(jìn)行預(yù)測(cè)和評(píng)估，才能真正發(fā)揮數(shù)值模擬技術(shù)的實(shí)用價(jià)值。本文以2015年12月20日發(fā)生的深圳紅坳渣土場(chǎng)遠(yuǎn)程滑坡為研究實(shí)例，采用基于SPH方法的DAN3D的可視化、高效計(jì)算的數(shù)值模擬方法，建立三維滑坡模型，通過(guò)運(yùn)動(dòng)動(dòng)力模型和參數(shù)選取，對(duì)高含水量的人工堆填體滑坡-泥漿流的全運(yùn)動(dòng)過(guò)程進(jìn)行模擬分析，并對(duì)其運(yùn)動(dòng)堆積厚度、堆積形態(tài)及最大速度分布等進(jìn)行深入討論，并總結(jié)了采用該分析方法下的人工堆填體遠(yuǎn)程流化滑坡的動(dòng)力模型和參數(shù)的適用范圍，結(jié)果適用于堆填場(chǎng)科學(xué)選址和危險(xiǎn)區(qū)的快速精準(zhǔn)評(píng)估。

1 深圳滑坡基本情況及失穩(wěn)機(jī)制

2015年12月20日，廣東省深圳市光明新區(qū)紅坳渣土場(chǎng)發(fā)生特大型滑坡災(zāi)害，滑體體積約2.75×106m3，滑坡前后緣長(zhǎng)達(dá)1 100 m，造成77人遇難、33間房屋被毀。該滑坡主要物質(zhì)組成為城市固體廢棄物，滑坡覆蓋面積為0.38 km2，滑程長(zhǎng)達(dá)1 100 m，垂直高差達(dá)到113 m，等效摩擦角度僅為6°，屬于遠(yuǎn)程運(yùn)動(dòng)滑坡的范疇[24]。

研究區(qū)地貌演化過(guò)程主要分為三個(gè)階段：采石場(chǎng)階段、渣土場(chǎng)階段和滑坡階段。

(1)采石場(chǎng)階段：渣土場(chǎng)前身為采石場(chǎng)，以人類工程活動(dòng)開采花崗巖為主，通過(guò)遙感圖可以看出采石場(chǎng)后期已經(jīng)形成“凹槽狀”深坑，并存有大量積水，為后期滑坡的發(fā)生埋下了巨大隱患(圖1a)。

(2)渣土場(chǎng)階段：采石坑的地形使之成為建筑垃圾渣土堆放的有利場(chǎng)地，并形成了體積為5.83×106m3、坡率約為1∶2.5的人工堆填邊坡。深圳滑坡的巖土結(jié)構(gòu)主要由底部花崗巖基巖和上覆建筑垃圾渣土兩部分組成(圖1b)。

(3)滑坡階段：深圳滑坡發(fā)生后，一些研究者在災(zāi)后應(yīng)急調(diào)查工作基礎(chǔ)上，對(duì)該滑坡的失穩(wěn)機(jī)制進(jìn)行了探討，認(rèn)為滑坡的觸發(fā)機(jī)理與地下水密切相關(guān)(圖1c)。殷躍平等[25]認(rèn)為地表水入滲和固結(jié)滲流這兩種效應(yīng)的疊加導(dǎo)致坡體穩(wěn)定性降低，最終導(dǎo)致整體滑動(dòng)；劉傳正[26]提出深圳滑坡為泥化地基、承壓浮托、堆載推擠和臨空滑移等綜合作用下的“竹筏效應(yīng)”導(dǎo)致滑坡失穩(wěn)破壞遠(yuǎn)程運(yùn)動(dòng)；Peng等[27]和Zhan等[28]認(rèn)為松散渣土體材料性質(zhì)和地下水水位的迅速抬升是導(dǎo)致滑坡失穩(wěn)破壞的關(guān)鍵因素。滑坡下滑后大量房屋被滑坡沖毀掩埋，造成多人傷亡(圖1d)。

圖1 深圳人工堆填骨坡發(fā)生前后的三個(gè)階段及其破壞Fig.1 Three stages before and after the landslide and its destroy of Shenzhen landfill

2 深圳滑坡運(yùn)動(dòng)堆積情況

深圳滑坡失穩(wěn)啟動(dòng)后，約2.75×106m3的渣土體高位滑出?；麦w沿N20°W方向以流態(tài)化形式在受納場(chǎng)下方開闊地帶散開，形成了近似于喇叭形狀的堆積區(qū)。滑坡區(qū)域總面積約0.38 km2，南北主軸長(zhǎng)約1 100 m，東西向最大寬度為630 m，最小寬度為150 m。

根據(jù)堆積特征，紅坳受納場(chǎng)滑坡影響區(qū)主要分為滑源區(qū)、流通區(qū)和堆積區(qū)(圖2)。(1)滑源區(qū)：滑源區(qū)位于紅坳受納場(chǎng)區(qū)域，后緣及剪出口位置高程分別為155 m和65 m。根據(jù)滑坡縱剖面Ⅰ-Ⅰ′，滑源區(qū)沿主滑方向水平長(zhǎng)度約為460 m，寬度150～400 m，面積約為0.15 km2?；笆芗{場(chǎng)渣土坡體的最大厚度為 95 m，平均厚度為66 m；滑動(dòng)體的最大厚度達(dá)50 m，平均厚度約為35 m；滑后滑源區(qū)的平均堆積厚度為15 m；滑帶角度為4°。(2)流通區(qū)：該區(qū)域位于紅坳收納場(chǎng)的收口處，起始位置是滑坡前緣剪出口，滑前高程為65 m。流通區(qū)東西兩側(cè)地形較高；中間較低，是滑坡向前流通運(yùn)動(dòng)的主要通道。該區(qū)長(zhǎng)約100 m，寬度為150～260 m，面積為0.02 km2。巨大體積的滑體從該區(qū)域失穩(wěn)剪出后，以流態(tài)化的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)經(jīng)過(guò)流通區(qū)。(3)堆積區(qū)：堆積區(qū)主要位于受納場(chǎng)下方的工業(yè)園區(qū)，沿主剖面方向長(zhǎng)約540 m，最大寬度為620 m，影響面積為0.21 km2。堆積區(qū)的最大堆積厚度為22 m，平均堆積厚度為10 m?；掳l(fā)生前堆積區(qū)位置處為工業(yè)生產(chǎn)園區(qū)，滑坡后緣距離臨時(shí)建筑物位置約有720 m，距離最近廠房約820 m。

圖2 滑坡后破壞Ⅰ-Ⅰ’堆積平面圖及剖面圖Fig.2 Plane graph and I-I’ accumulation profile of Shenzhen landfill landslide

3 計(jì)算方法及基底阻力模型

SPH算法是典型的拉格朗日方法，它的基本原理就是通過(guò)粒子模擬流體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，適合于求解高速碰撞等動(dòng)態(tài)大變形問題。DAN3D滑坡模擬軟件采用SPH方法，將滑坡體總體積分為多個(gè)粒子，每個(gè)粒子都有一個(gè)有限的體積，材料的密度被認(rèn)為是一致的。流體單元柱體的厚度和該區(qū)域的體積呈正比，由相鄰顆粒深度相加而得，所以流動(dòng)體單元柱體的深度可用插值總和計(jì)算得到，即式(1)和(2)。SPH簡(jiǎn)單示意圖見圖3。

圖3 SPH自由插值法概化示意圖(據(jù)McDougall[32])Fig.3 Schematic diagram of SPH free interpolation(from McDougall[32])

流體厚度梯度公式：

(1)

式中：V——每個(gè)顆粒的體積；

W——差之內(nèi)核；

i和j——顆粒編號(hào)。

模型采用高斯插值內(nèi)核：

(2)

式中：e——粒子平滑長(zhǎng)度(所有粒子的e相等)，這是一個(gè)衡量?jī)?nèi)核寬度的值，即確定每個(gè)粒子的影響半徑[29]。

(3)

式中：N——總粒子數(shù)量;

B——光滑系數(shù)，無(wú)量綱量。

總之，SPH方法對(duì)于給定的每個(gè)顆粒體積和給定時(shí)間條件下，厚度和厚度梯度可以通過(guò)參考柱體區(qū)域計(jì)算出，并滿足連續(xù)性，根據(jù)動(dòng)態(tài)方程在下個(gè)時(shí)步繼續(xù)計(jì)算?？捎糜谶h(yuǎn)程滑坡-碎屑流運(yùn)動(dòng)過(guò)程中堆積特征的動(dòng)態(tài)分析。

該模擬方法基于結(jié)合流體深度的圣維南方程拉格朗日解，適用于表面層流、湍流、一般土體流動(dòng)及碎屑流等。根據(jù)右手準(zhǔn)則，在笛卡爾坐標(biāo)系中(x，y，z)進(jìn)行單元分析，z為滑動(dòng)基床法線方向。

(1)質(zhì)量守恒連續(xù)方程：

(4)

(2)動(dòng)量守恒單元方程：

(5)

式中：ρ——滑體密度；

T——剪應(yīng)力張量；

t——時(shí)間；

g——重力加速度；

▽——拉普拉斯算符；

v——速度；

?——張量積；

·——點(diǎn)積。

(6)

(7)

(8)

式中：ρ——等效流體密度；

h——流體深度；

vx、vy——流體x、y方向的速度；

τzx、τzy——基底剪切力；

kx、ky、kxy、kyx——切應(yīng)力系數(shù);

σz——等效流體對(duì)基底正應(yīng)力。

式(6)和(7)中等號(hào)右邊第一項(xiàng)為滑體重力提供，第二和第三項(xiàng)為運(yùn)動(dòng)材料側(cè)向壓力，第四項(xiàng)為基底剪切力。式(8)在平行滑坡運(yùn)動(dòng)路徑x方向上考慮運(yùn)動(dòng)剪切摩阻力和側(cè)向壓力；在垂直滑坡運(yùn)動(dòng)路徑y(tǒng)方向上主要考慮土體側(cè)向壓力；在滑坡運(yùn)動(dòng)豎直方向上由于剪切力τxz和τyz同正應(yīng)力σz相比較小，可忽略不計(jì)，因此不考慮。

4 模型建立及參數(shù)選取

4.1 滑坡模型建立

研究區(qū)地形網(wǎng)格文件主要為滑坡運(yùn)動(dòng)路徑文件和滑體網(wǎng)格，用來(lái)模擬滑體沿運(yùn)動(dòng)路徑的下滑運(yùn)動(dòng)，同時(shí)可以將運(yùn)動(dòng)路徑分為多個(gè)運(yùn)動(dòng)區(qū)域，分階段選用不同的基底阻力模型進(jìn)行分析。在滑坡成災(zāi)模式研究中，根據(jù)1∶2 000比例尺的數(shù)字高程模型，建立地形演化三個(gè)階段(采石場(chǎng)階段、填埋場(chǎng)階段和滑坡階段)，建立三維路徑地形和滑體數(shù)據(jù)網(wǎng)格文件(圖4)，隨后將兩個(gè)網(wǎng)格數(shù)據(jù)輸入到軟件中進(jìn)行模擬分析。在DAN3D中選取組合基底阻力模型和模型參數(shù)在模擬過(guò)程中，滑體初始體積約為2.75 ×106m3，滑源區(qū)面積約為0.15 km2。

圖4 研究區(qū)DEM三維數(shù)字高程模型Fig.4 DEM three-dimensional digital elevation model of the research area

4.2 基底阻力模型選取

在分析中可以選用不同流體模型模擬不同類型和不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下滑體的基底摩擦阻力對(duì)運(yùn)動(dòng)堆積過(guò)程的響應(yīng)關(guān)系,在DAN3D中可采用等效流體運(yùn)動(dòng)阻力模型。目前針對(duì)滑坡運(yùn)動(dòng)模擬，在國(guó)際上最為常用的流體模型主要有三種：摩擦模型(Frictional model)、Voellmy模型和賓漢姆模型(Bingham model)。

(1)摩擦模型(Frictional model)，通常被選用于滑坡運(yùn)動(dòng)的初始啟動(dòng)階段，且考慮了孔隙水壓力的重要影響作用。模型公式為：

τ=σ(1-ru)tanφ

(9)

式中：τ——滑體運(yùn)動(dòng)基底剪切阻力；

ru——孔隙水壓力系數(shù)；

φ——?jiǎng)恿δΣ两牵?/p>

σ——滑動(dòng)路徑上正壓力。

(2)Voellmy模型(Voellmy model)，通常被選用于滑坡運(yùn)動(dòng)的流通和堆積階段，且考慮了運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的湍流項(xiàng)和速度效應(yīng)，剪切阻力和運(yùn)動(dòng)速度呈正比。模型公式為：

(10)

式中：σf——滑體運(yùn)動(dòng)摩擦基底剪切阻力，參數(shù)和摩擦模型一致；

γ——滑體重度；

v——滑體運(yùn)動(dòng)速度；

ξ——湍流系數(shù)。

(3)賓漢姆模型(Bingham model)，通常被選用于滑坡運(yùn)動(dòng)的流通和堆積的尾部階段，且考慮了流態(tài)化滑體的屈服應(yīng)力和粘滯系數(shù)的影響作用。模型公式為：

(11)

式中：τ——滑體運(yùn)動(dòng)基底剪切阻力；

τy——滑體屈服應(yīng)力；

v——滑體運(yùn)動(dòng)速度；

μB——賓漢姆粘滯系數(shù)；

h——滑體厚度。

摩擦模型通常用于開闊地形，地形起伏較平緩，速度影響較小的運(yùn)動(dòng)階段，更適用于滑坡滑源區(qū)失穩(wěn)運(yùn)動(dòng)模擬，如：土質(zhì)、巖質(zhì)滑坡等；Voellmy流變模型更適合溝道中的湍流流體運(yùn)動(dòng)，模型針對(duì)溝渠地形，基底阻力與速度大小呈正比關(guān)系，更適用于滑坡鏟刮區(qū)域剪切，如：碎屑流、雪崩等；賓漢姆模型更適用于非牛頓泥漿流體的運(yùn)動(dòng)中剪切，如：泥石流、泥流等[18，30]。

4.3 模擬參數(shù)選取

在DAN3D的數(shù)值模擬參數(shù)設(shè)置中，主要包括SPH計(jì)算方法的控制參數(shù)和滑坡運(yùn)動(dòng)材料的模型參數(shù)。

(1)控制參數(shù)

SPH模擬方法控制參數(shù)主要包括顆粒數(shù)量(N)、粒子光滑系數(shù)(B)、速度平滑系數(shù)(C)、剛度系數(shù)(D)。連續(xù)體模擬是通過(guò)對(duì)控制方程進(jìn)行離散化進(jìn)行的，在滑動(dòng)質(zhì)量的每個(gè)重要位置，需要足夠多的計(jì)算單元(粒子)來(lái)捕捉其運(yùn)動(dòng)行為，因此計(jì)算分析中增加粒子數(shù)(N)，以提高SPH方法的計(jì)算精度；粒子平滑長(zhǎng)度(B)影響粒子插值流深度的平滑度，并且可以調(diào)整，直到初始深度插值看起來(lái)平滑為止；速度平滑系數(shù)(C)決定相鄰粒子的速度對(duì)中心粒子的影響程度，速度平滑系數(shù)的選取控制了粒子擴(kuò)散度，消除了運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的大變形，增加運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的穩(wěn)定性；無(wú)量綱剛度系數(shù)(D)控制主動(dòng)和被動(dòng)型的滑體內(nèi)應(yīng)力狀態(tài)之間的應(yīng)變率。針對(duì)深圳光明新區(qū)填埋場(chǎng)滑坡運(yùn)動(dòng)過(guò)程的分析，計(jì)算控制參數(shù)選取為：N=2 000，B=6，C=0.2，D=600。

(2)模型參數(shù)

為使滑坡后破壞的運(yùn)動(dòng)堆積模擬得到更精確的結(jié)果，通常采用試驗(yàn)測(cè)試方法進(jìn)行參數(shù)選取，包括模型中滑體密度、內(nèi)摩擦角、黏聚力和動(dòng)力摩擦角度等；其他模型參數(shù)可基于半經(jīng)驗(yàn)的試錯(cuò)法進(jìn)行確定，一些研究者已經(jīng)在出版的著作中提出相關(guān)取值范圍，亦可作為參考值[31-33,18]。通常情況下，摩擦模型中孔隙水壓力系數(shù)(ru)參考范圍為0.1～0.9，基底動(dòng)力摩擦角(φ)為10°～30°；Voellmy模型中孔隙水壓力系數(shù)(ru)參考范圍為0.5～0.8，動(dòng)力摩擦系數(shù)(f)為0.05～0.1，湍流系數(shù)(ξ)為200～800 m/s2；賓漢姆模型中滑體屈服應(yīng)力(τy)參考范圍為0.01～400 kPa，賓漢姆粘滯系數(shù)(μB)參考范圍為0.001～50 kPa·s，不同滑坡類型和滑體材料取值不同，具體參數(shù)參照實(shí)際的滑體屬性確定。

在深圳“12.20”滑坡實(shí)例模擬分析中，我們分別計(jì)算了三種組合模型的運(yùn)動(dòng)堆積過(guò)程，以此得到該類型滑坡最為適用的模型及參數(shù)?；磪^(qū)為滑體土失穩(wěn)下滑，液化作用明顯，因此在滑源區(qū)均選用考慮高孔隙水壓力的庫(kù)倫摩擦模型；將流通區(qū)和堆積區(qū)選為同種模型，先后選用摩擦模型、Voellmy流體模型和賓漢姆流體模型，模型參數(shù)取值見表1～3，分界位置在距離滑坡后緣580 m處。三種情況下滑體容重和內(nèi)摩擦角選用相同試驗(yàn)參數(shù)：容重γ=16 kN/m3、內(nèi)摩擦角φi=17°，再根據(jù)具體不同模型進(jìn)行參數(shù)選取。

表2 摩擦-Voellmy組合(FV)模型參數(shù)Table 2 Parameters of Frictional-Voellmy combined model

表3 摩擦-Bingham組合(FB)模型參數(shù)Table 3 Parameters of Frictional-Bingham combined model

5 數(shù)值模擬結(jié)果

5.1 堆積狀態(tài)對(duì)比結(jié)果

圖5～6分別顯示了三種組合模型下的最終堆積等值線圖和堆積厚度分布剖面圖，通過(guò)對(duì)比分析可以看出FV組合模型運(yùn)動(dòng)距離最近、影響范圍和堆積區(qū)堆積厚度最??；FF組合模型運(yùn)動(dòng)距離、影響范圍居于三組模擬的中間，同實(shí)際滑坡堆積情況較為一致：影響范圍同實(shí)際情況相對(duì)較小，堆積區(qū)堆積厚度比實(shí)際情況小。FB組合模型運(yùn)動(dòng)距離、影響范圍居于三組模擬的最大值，堆積區(qū)厚度同實(shí)際滑坡堆積情況較為一致，但模擬結(jié)果影響范圍超出了實(shí)際堆積范圍，體現(xiàn)了滑體流動(dòng)性的運(yùn)動(dòng)特征；因?yàn)榭紤]了運(yùn)動(dòng)路徑上房屋的阻擋作用，該模擬結(jié)果最適合于深圳滑坡堆積結(jié)果的反演分析。通過(guò)對(duì)比分析，摩擦模型和Voellmy模型雖有超孔隙水壓力的減阻作用，摩擦阻力仍然較大；摩擦模型在不考慮速度的情況下，剪切摩阻力小于帶有速度項(xiàng)的Voellmy模型。由于賓漢姆流體結(jié)模型剪切摩阻力小于以上兩者，更適合飽和渣土體泥漿的流態(tài)化運(yùn)動(dòng)情況。FB組合模型體現(xiàn)了滑體從滑源區(qū)剪出潰散解體后，呈泥流狀狀態(tài)運(yùn)動(dòng)堆積直到停止，流體的觸變和剪切變稀特性使滑體剪切屈服降低，以至于形成遠(yuǎn)程滑坡。

三組模擬試驗(yàn)都反映出，滑源區(qū)中具有高孔隙水壓力的摩擦模型能較好還原高含水量渣土體的失穩(wěn)下滑過(guò)程；流通區(qū)和堆積區(qū)采用賓漢姆流體阻力模型能更好地模擬滑坡流化運(yùn)動(dòng)堆積狀態(tài)，并且模擬結(jié)果同實(shí)際滑坡堆積情況最為一致(圖6)。FB組合模型的選取體現(xiàn)了水與滑體的相互作用：一方面地下水導(dǎo)致滑體內(nèi)孔隙水壓力的升高，有效應(yīng)力下降，剪切摩阻力降低，使得滑體加速下滑，體現(xiàn)在摩擦模型中的孔壓系數(shù)(ru)；另一方面飽水渣土剪出后呈現(xiàn)流態(tài)化運(yùn)動(dòng)，與固體剪切采用不同的阻力模型，更能表現(xiàn)出滑體的流動(dòng)狀態(tài)，剪切過(guò)程中摩擦阻力和運(yùn)動(dòng)速度呈正比關(guān)系，但流體屈服應(yīng)力更小。因此，最終得出FB組合模型最適合深圳人工堆填體滑坡從失穩(wěn)下滑到后破壞流化運(yùn)動(dòng)堆積的數(shù)值反演。

圖5 三組模型最終堆積厚度等值線圖Fig.5 Final stack thickness contour map of three groups of models

圖6 三組模型主滑方向堆積厚度變化剖面對(duì)比圖Fig.6 Comparison of the thickness variation profiles of the main sliding direction of the three groups of models

5.2 最大運(yùn)動(dòng)速度對(duì)比結(jié)果

圖7顯示了三種不同模型組合下深圳光明新區(qū)滑坡運(yùn)動(dòng)過(guò)程最大速度分布圖。FV組合模型最大速度為23 m/s，位于距離滑坡后緣590 m處，速度變化呈現(xiàn)上升快下降快的趨勢(shì)，體現(xiàn)了模型中速度同摩擦阻力成正相關(guān)關(guān)系的固體湍流剪切；FF組合模型最大速度為28 m/s，位于距離滑坡后緣620 m處；24～28 m/s的速度分布區(qū)域大于FV組合模型，但速度下降較快，滑體達(dá)到最大速度后，隨即很快下降為0 m/s，體現(xiàn)了模型中速度與剪切阻力不相關(guān)的高孔壓和低摩擦的固體滑體剪切。FB組合模型最大速度為30 m/s，位于距離滑坡后緣620 m處；24～30 m/s速度分布區(qū)域小于FF組合模型，但速度下降緩慢，滑體持速效應(yīng)明顯，滑體堆積形態(tài)持續(xù)調(diào)整后速度降為0 m/s，體現(xiàn)了滑體呈現(xiàn)流態(tài)化運(yùn)動(dòng)。

圖7 三組模型最大速度分布等值線圖Fig.7 Maximum velocity distribution contour map of the three sets of models

組合模型計(jì)算結(jié)果(表4)顯示，F(xiàn)B組合模型更適用于深圳光明新區(qū)滑坡的后破壞運(yùn)動(dòng)模擬分析。深圳光明新區(qū)滑坡的速度經(jīng)歷了“啟動(dòng)-加速-持速-減速”的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，水是影響滑動(dòng)速度變化的關(guān)鍵因素?；w破壞失穩(wěn)之后，由于地形因素滑體經(jīng)過(guò)勢(shì)動(dòng)能轉(zhuǎn)換，滑動(dòng)速度不斷增加。當(dāng)滑體到達(dá)流通區(qū)時(shí)，滑動(dòng)速度持續(xù)增加，最大速度均出現(xiàn)在流通區(qū)位置。隨后滑體呈流態(tài)化繼續(xù)向堆積區(qū)運(yùn)移，在運(yùn)動(dòng)路徑上掩埋和沖毀33棟房屋建筑。

表4 組合模型計(jì)算結(jié)果Table 4 Combined model calculation results

5.3 FB模型運(yùn)動(dòng)過(guò)程結(jié)果

圖8顯示了DAN3D軟件中FB組合模型對(duì)深圳“12.20”填埋場(chǎng)滑坡下滑運(yùn)動(dòng)堆積過(guò)程的模擬結(jié)果，體現(xiàn)了滑體在滑源區(qū)固體剪切(F模型)、流通和堆積區(qū)流化剪切(B模型)的不同時(shí)段的運(yùn)動(dòng)堆積等值線圖，并采用紅黃藍(lán)顏色進(jìn)行填充以表現(xiàn)滑體堆積厚度變化過(guò)程。在圖中滑體主滑方向?yàn)镹 20° E，堆積距離為1 200 m，運(yùn)動(dòng)時(shí)間為70 s，紅色輪廓線表示了滑坡真實(shí)堆積范圍。FB組合模型下滑坡運(yùn)動(dòng)堆積動(dòng)態(tài)過(guò)程如下：

圖8(a)顯示填埋場(chǎng)坡體失穩(wěn)下滑的初始狀態(tài)，反映了滑坡失穩(wěn)前渣土體堆填形態(tài)；

圖8(b)顯示填埋場(chǎng)滑坡的啟動(dòng)狀態(tài)，反映了滑體開始高位剪出、啟動(dòng)向下游運(yùn)動(dòng)；

圖8(c)顯示滑體移動(dòng)下滑，顯示了在地形條件的影響下滑體經(jīng)過(guò)流通區(qū)繼續(xù)向前運(yùn)動(dòng)，滑體呈流態(tài)化的運(yùn)動(dòng)特征向下游運(yùn)動(dòng)，且在流通區(qū)堆積厚度逐漸增加；

圖8(d)顯示滑體移動(dòng)下滑到達(dá)堆積區(qū)，顯示了滑體主滑方向?yàn)镹20°W，滑體前緣到達(dá)堆積區(qū)后呈流態(tài)化向周圍擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，速度持續(xù)增加；

圖8(e)顯示滑體到達(dá)堆積區(qū)后再無(wú)側(cè)限阻擋的條件下逐漸散開，進(jìn)入堆積區(qū)后滑體繼續(xù)向前運(yùn)動(dòng)，并向周圍擴(kuò)散，影響范圍逐漸增大，速度逐漸下降；

圖8 FB組合模型流體基底剪切阻力模型運(yùn)動(dòng)堆積等值線圖Fig.8 Accumulation contour map of FB combination model fluid base shear resistance model motion

圖8(f)顯示滑體運(yùn)動(dòng)堆積的結(jié)束階段，滑體運(yùn)動(dòng)的最大范圍超過(guò)了真實(shí)滑坡堆積范圍?；磪^(qū)的最大堆積厚度位于滑源區(qū)的西北側(cè)，約為53 m；流通區(qū)最大厚度位于流通區(qū)的中部，約為18 m；堆積區(qū)最大厚度位于堆積區(qū)的中部，約為15 m。堆積范圍和堆積距離同實(shí)際情況較為一致。

6 結(jié)論

(1)滑坡在后破壞運(yùn)動(dòng)過(guò)程中體現(xiàn)固-流剪切轉(zhuǎn)換特征，主要可分為兩個(gè)階段：在滑源區(qū)內(nèi)運(yùn)動(dòng)階段，為高孔隙水壓力下滑動(dòng)剪切；在流通區(qū)和堆積區(qū)內(nèi)運(yùn)動(dòng)階段，水動(dòng)力作用使渣土體呈現(xiàn)較高的流態(tài)化，體現(xiàn)了高飽和度滑體的流動(dòng)剪切。分階段的運(yùn)動(dòng)剪切方式增加了滑坡體的運(yùn)動(dòng)影響范圍。

(2)摩擦模型適合模擬堆渣土的孔隙水壓力作用下的失穩(wěn)下滑剪切過(guò)程，適用于高含水量的人工堆填體滑坡的滑源區(qū)；賓漢姆模型適合模擬非牛頓流體飽和渣土體的流化剪切過(guò)程，適用于流通區(qū)和堆積區(qū)的流態(tài)化運(yùn)動(dòng)反演模擬分析。

(3)深圳滑坡后破壞運(yùn)動(dòng)速度變化主要經(jīng)歷了“啟動(dòng)-加速-持速-減速”的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，固-流轉(zhuǎn)化導(dǎo)致滑坡造成巨大傷亡損失，其中水是影響滑動(dòng)速度變化的關(guān)鍵因素。

(4)模擬結(jié)果顯示：堆積區(qū)平均堆積厚度為11 m，堆積范圍為0.4 km2，最大運(yùn)動(dòng)速度為30 m/s，最大速度發(fā)生于距滑坡后緣620 m處，堆積范圍、堆積厚度和運(yùn)動(dòng)速度同滑坡實(shí)際值基本一致。