關注北川地質安全！西南科大揭秘陳家壩高速滑坡，44.14米堆積體背后的科研力量

西南科技大學團隊用數值模擬方法分析了北川陳家壩高速滑坡

高速滑坡是中國西南山區極具破壞性的地質災害。為預測四川省北川羌族自治縣陳家壩鎮滑坡復活后的運動過程，西南科技大學HUANG Tao等結合快速塊體運動模擬（RAMMS）與無人機影像（UAV），對陳家壩兩次滑坡災害的運動過程開展模擬分析，獲取了滑坡體的運動特征參數。反演分析結果顯示，擬合效果最優的流變參數為摩擦系數（μ=0.18）和湍流參數（ξ=400 m?s?2）。研究以滑坡壓力作為災害分區指標，繪制出陳家壩滑坡的影響范圍圖及災害分區圖。結果表明，陳家壩滑坡體失穩后，迅速阻斷了河流，形成的滑坡堆積體最大高度達 44.14 米；災害分區圖顯示，滑坡災害等級與坡度呈正相關關系。該滑坡評估方法基于滑坡運動過程構建，屬于定量災害評估手段，適用于高速滑坡研究。

Part.01

陳家壩滑坡概況

陳家壩滑坡（東經104°35′48.9″–104°36′42.1″、北緯31°58′16.3″–31°58′33.5″）地處中國四川省北川縣陳家壩鎮太洪村（圖1），該區域年降雨量為1399.1mm，且70%以上降雨集中在6-9月。陳家壩滑坡曾發生過兩次失穩災害，均阻斷了河流：第一次滑坡由汶川地震引發，發生于2008年5月12日，也被稱為太洪村滑坡，屬于典型的階梯狀滑坡（圖2(a)、圖3(a)），其上部滑坡體從滑床脫離后，撞擊下伏基巖的階梯狀邊緣發生破碎，轉化為高速滑坡碎屑流；上部滑坡體高度約21m、寬度100m、長度50m，體積約35×10?m3，下部滑坡體則由上部滑坡體與下伏基巖撞擊觸發，階梯狀滑床與杜巴河河床的高差約150m、寬度200m、長度150m，滑坡堆積體體積約150×10?m3、厚度50m，滑坡體撞擊杜巴河左岸后，拋射出約2×10?m3的碎石土，氣流沖擊覆蓋了麥田，運動距離約1140m。第二次滑坡發生于2016年9月5日，由降雨誘發，此前北川縣在2016年8月31日至9月4日期間以陰天為主，9月5日出現小雨，降雨量不足10mm；該次滑坡因受杜巴河左岸阻擋形成滑坡壩（圖2(b)、圖3(b)），發生時間為凌晨2時左右，受影響區域無人居住，未造成人員傷亡，但滑坡壩對沿河低洼地區的生命財產安全構成威脅，當地政府與武警部隊于9月6日開始開挖排洪溝，直至9月8日下午消除潰壩風險；第二次滑坡前后緣高差約260m、運動距離約580m、體積約30×10?m3，剪出高程為750m，形成的滑坡壩長度250m、寬度180m、高度10-22m，由土體與碎石組成。此外，陳家壩滑坡的組成巖性主要為志留系碳質頁巖與砂頁巖，整體屬于中型山坡滑坡與崩塌型滑坡。

圖 1 中國四川省北川縣陳家壩滑坡位置圖

圖 2 陳家壩滑坡影像圖。（a）2010 年 1 月 13 日陳家壩滑坡第一次失穩的谷歌地球影像；（b）2016 年 9 月 30 日陳家壩滑坡第二次失穩的正射影像

表 1 快速塊體運動模擬（RAMMS）模型所用基礎參數

圖 3 陳家壩滑坡剖面圖。（a）陳家壩滑坡第一次失穩的 A–A′剖面圖（Yin，2009a）；（b）陳家壩滑坡第二次失穩的 B–B′剖面圖

圖 4 陳家壩滑坡第一次失穩數值模擬的不同階段圖

圖 5 陳家壩滑坡第一次失穩的運動特征圖。（a）最大速度分布圖；（b）最大壓力分布圖；（c）最大高度分布圖

Part.03

滑坡數值模型

在滑坡整體運動過程中，其特征會受到不確定因素的干擾，而RAMMS（快速塊體運動模擬）模型將滑坡體視作流變流體，采用Voellmy - Salm流變連續體模型與隨機動能（RKE）模型來處理流變問題，且實際應用已證實，該模型借助這兩種模型能夠良好地模擬滑坡運動過程，并獲取滑坡運動特征參數。在Voellmy - Salm流變模型方面，RAMMS采用笛卡爾坐標系，將x、y、z設定為高程，t代表滑坡滑動時間。Christen等（2010）提出，滑坡的運動特征主要通過堆積體厚度（用H(x,y,t)表示）和滑動速度（用U(x,y,t)表示，包含x、y方向的速度分量）這兩個參數來體現。其中，滑動速率可通過由x、y方向速度分量構成的公式計算得出，運動方向需依據滑動速度的模以及x、y方向速度分量相關的公式確定，滑坡厚度則通過涉及時間偏導、x和y方向通量偏導以及源項Q(x,y,t)的公式獲取。同時，該模型的摩擦阻力（包含x、y方向分量）可通過結合庫侖摩擦系數μ、重力加速度z方向分量、堆積體厚度H、滑動速度模以及湍流參數ξ的公式計算得到。

對于RKE模型，其將滑動速度定義為深度平均值，即滑動速度平行于斜坡但方向具有分散性，因此把雪崩速度分解為平均速度（包含x、y、z三個方向分量）與變分速度（同樣包含x、y、z三個方向分量），且在X、Y、Z三個方向分別對應疊加形成總速度。該模型假設z方向的平均速度為0，即不存在垂直加速度，而庫侖摩擦系數（μ）與湍流摩擦系數（ξ）可通過包含初始庫侖摩擦系數μ?、初始湍流摩擦系數ξ?、常數R?（用于定義摩擦系數隨平均隨機動能密度變化的指數增長率）、深度平均隨機動能R以及指數函數的公式獲取。此外，RAMMS模型運行所采用的基礎參數如表1所示，涵蓋滑坡密度2204kg/m3、庫侖摩擦系數0.18、黏聚力1280Pa、湍流摩擦系數400m/s2，這些參數為后續滑坡運動過程的數值模擬提供了基礎支撐。

該研究采用了兩套分辨率均為 3 米的 DEM：第一套 DEM 從 2010 年繪制的 1:10000 地形圖中提取，覆蓋整個陳家壩滑坡區域，該數據可反映第一次滑坡后、第二次滑坡前的地形起伏狀況，適用于對比分析兩次滑坡對區域地形的改造效應；第二套 DEM 同樣通過 Photoscan 軟件處理 2016 年 9 月 30 日的無人機航拍影像生成，與同期正射影像數據對應，能精準呈現第二次滑坡后的最新地形特征，為 RAMMS 模型模擬第二次滑坡運動過程及預測滑坡復活場景提供了符合實際地形條件的高程數據。

圖 6 陳家壩滑坡第二次失穩模擬的不同階段圖

圖 7 陳家壩滑坡第二次失穩的流動高度圖

Part.04

數值模擬結果

該研究借助RAMMS模型對陳家壩滑坡的第一次失穩與第二次失穩過程分別開展數值模擬，獲取了詳細的運動特征參數，且模擬結果與實際情況具有較高一致性。對于第一次滑坡（2008年汶川地震誘發），圖4呈現了不同時刻的數值模擬結果，顯示其啟動過程短暫、滑動速度快，部分堆積體撞擊杜巴河左岸后形成滑坡壩，整個滑動過程耗時12秒；模擬得出的最大堆積厚度為29.54米，最大體積約148.02×10?m3，最大運動距離約1158米，與實際第一次滑坡運動距離約1140米的情況接近，僅因2010年繪制的地形圖中杜巴河左岸地形存在抬升，導致模擬堆積體與實際堆積體存在細微差異。同時，圖5展示了第一次滑坡的最大速度、最大壓力及最大高度分布，分析可知其最大速度達44.58米/秒，且速度與坡度呈正相關，最大壓力為4380.92千帕，最大滑坡厚度為45.26米，堆積體主要分布于杜巴河及杜巴河漫灘區域，與實際地形分布相符，無需額外校準，證明RAMMS模型對第一次滑坡模擬的高精度。

針對第二次滑坡（2016年降雨誘發），圖6呈現了不同時刻的模擬形態，結果顯示其同樣快速滑動，部分堆積體受杜巴河左岸阻擋形成滑坡壩，滑動總時長8秒；模擬得到的最大堆積厚度為25.87米，最大體積約30.34×10?m3，運動距離約620米，與實際第二次滑坡運動距離約580米、體積約30×10?m3的參數基本一致，且對比圖7與圖3（b）（第二次滑坡實際剖面）可知，模擬堆積體與實際堆積體形態幾乎完全吻合，驗證了RAMMS模型對潛在滑坡運動特征的預測能力。此外，圖8展示了第二次滑坡的運動特征分布，其最大速度為33.93米/秒（與坡度正相關），最大壓力為2537.81千帕（因低分辨率DEM導致阻力計算值偏低，使得壓力模擬值偏大），最大滑坡厚度達27.08米，堆積體同樣集中分布于杜巴河及漫灘區域，與實際情況相符。

兩次滑坡的模擬結果均表明，RAMMS模型能有效還原滑坡運動的關鍵參數（運動距離、堆積厚度、速度、壓力等），且模擬堆積范圍與實際地形匹配度高，為后續滑坡復活場景的模擬及災害評估奠定了可靠基礎，也進一步證實該模型在高速滑坡數值模擬中的適用性與準確性

對比圖 3 與圖 9 可知，陳家壩滑坡第一次失穩與第二次失穩的模擬運動距離分別為 572 米和 1105 米，這些模擬結果與實際情況基本一致。其中，陳家壩滑坡第一次失穩的最大速度、最大高度及最大壓力均為第二次失穩的兩倍以上，且兩次滑坡的運動距離也呈現出非線性變化特征。

陳家壩滑坡在2016年9月5日第二次失穩后，山坡后緣出現明顯拉裂縫（圖2(b)），裂縫寬度10-40厘米、長度70-900米，整體呈西北走向。考慮到暴雨、地震等因素可能誘發該滑坡再次復活，進而阻斷杜巴河形成堰塞湖，對周邊區域安全構成威脅，因此構建滑坡復活災害分區圖對災害影響范圍內的土地利用規劃具有重要實際意義。在開展滑坡復活模擬前，確定其釋放區平均厚度為6米，所采用的RAMMS模型基礎參數仍參考表1（滑坡密度2204kg/m3、庫侖摩擦系數0.18、黏聚力1280Pa、湍流摩擦系數400m/s2），以保證模擬參數的一致性與可靠性。

通過RAMMS模型對陳家壩滑坡復活過程進行數值模擬，圖10清晰呈現了滑坡復活后的流動高度分布，結果顯示滑坡復活后，大部分堆積體被阻擋在杜巴河及杜巴河西北部區域，少量堆積體越過杜巴河左岸，整個模擬過程總時長15秒；模擬得出的最大堆積厚度為41.98米，最大體積約140.41×10?m3，最大運動距離達1180米，且堆積體主要集中分布于杜巴河及杜巴河漫灘，與前兩次滑坡堆積區域特征相似，進一步體現了地形對滑坡堆積范圍的約束作用。同時，圖11展示了滑坡復活后的最大速度、最大壓力及最大高度分布，分析可知其最大速度為38.80米/秒，且速度與坡度呈正相關，最大壓力為3318.14千帕，相較于第二次滑坡壓力模擬值更接近實際（因采用了更高分辨率的DEM數據，減少了阻力計算誤差，提升了模擬精度），最大堆積高度達44.14米，這些參數為后續災害分區提供了關鍵的量化依據。

在災害分區過程中，基于RAMMS模型輸出的最大壓力數據，結合ArcGIS空間分析功能中的Jenks自然斷點法（該方法相較于專家主觀設定閾值更具客觀性，可確保分區結果的可比性），并參考圖3(a)中顯示的空氣沖擊與碎屑飛濺區長度約100米的特征，額外增設100米緩沖區作為低危險區，最終通過ArcGIS空間分析模塊的重分類功能生成陳家壩滑坡復活災害分區圖（圖12）。從分區結果來看，高危險區面積最小，主要沿滑坡滑動主方向分布，該區域因靠近滑動中心，速度與壓力均較大，災害風險最高；中危險區面積適中，受最大壓力與最大高度相對較小的影響，災害風險處于中等水平；低危險區面積最大，主要分布在滑坡邊緣區域，且包含增設的100米緩沖區，該區域最大壓力與最大速度較小，災害風險最低。此外，高危險區在山坡中下部呈連續分布，這一區域恰好為陳家壩滑坡壁所在位置，進一步印證了滑坡壁周邊因易發生二次滑動而災害風險較高的特征，該分區結果可為滑坡復活風險區域的城鎮建設規避、防災減災工程布局提供精準的空間指引。

圖 8 陳家壩滑坡第二次失穩的運動特征圖。（a）最大速度分布圖；（b）最大壓力分布圖；（c）最大高度分布圖

圖 9 基于快速塊體運動模擬（RAMMS）的陳家壩滑坡兩次失穩模擬運動距離、最大壓力、最大高度及最大速度剖面圖（圖中綠色表示陳家壩滑坡第一次失穩，紅色表示陳家壩滑坡第二次失穩）

圖 10 基于快速塊體運動模擬（RAMMS）的陳家壩滑坡復活模擬流動高度圖

圖 10 基于快速塊體運動模擬（RAMMS）的陳家壩滑坡復活模擬流動高度圖

圖 12 陳家壩滑坡復活災害分區圖

文章來源

該研究成果發表在期刊 Journal of Mountain Science 上，詳細內容見：Huang T, Ding MT, She T, et al. (2017) Numerical simulation of high-speed landslide in Chenjiaba, Beichuan, China. Journal of Mountain Science 14(11).

原文鏈接：https://doi.org/10.1007/s11629-017-4516-7

來源 | 復合鏈生自然災害

資料整理 | 崔澤飛

排版編輯 | 董浩然

編后語

西南山區地質復雜，高速滑坡隱患突出，北川陳家壩兩次滑坡災害，更凸顯了地質災害防控的緊迫性。

西南科技大學HUANG Tao等科研工作者，將RAMMS模型與無人機影像結合，精準還原陳家壩滑坡及復活場景，解鎖核心參數、繪制災害分區圖，為防災減災提供了堅實的定量支撐。

每一組數據、每一次模擬，都承載著科研人的堅守，他們以專業之力，為西南山區筑起地質安全屏障。

愿這份科研成果助力規避滑坡風險、守護山河安寧，也致敬每一位扎根一線、踐行使命的科研人。

原文發表于Journal of Mountain Science，感興趣的伙伴可點擊原文鏈接，深入研讀地質災害防控的科研奧秘～

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