Natural Hazards：用离散元法对近期发生的甘肃某滑坡进行数值研究

该研究成果发表在期刊 Natural Hazards 上，详细内容见：Zhuo Chen*,Danqing Song (2021). Numerical investigation of the recent Chenhecun landslide (Gansu, China) using the discrete element method. Natural Hazards 105: 717-733.

原文链接：https://doi.org/10.1007/s1106 9-020-04333-w

【研究概述】

黄土泥岩滑坡在西北地区分布广泛。然而，这些滑坡的变形特征和运动过程仍不清楚。陈河村滑坡于2016年6月10日发生在中国东乡县陈河村附近。根据详细的实地调查、谷歌地球图像和钻孔调查，构建了滑坡的地质剖面。利用二维离散元软件MatDEM，分析了滑坡的变形行为和动力学特征。在动力分析中，考虑了滑坡的破坏过程、速度、位移、产热和能量转换。

【研究区域】

陈河村滑坡发生于北京时间2016年6月10日20:20 (UTC+8)，发生在中国甘肃省东乡县陈河村(图1、图2)附近的巴谢河左岸(35°34′40.43″N, 103°38′31.81″E)，巴谢河流域位于黄土高原西缘，与青藏高原东北缘相邻。该区缺乏褶皱和裂缝，以亚水平地层为特征。

图1 中国甘肃省巴谢河流域陈河村滑坡位置

图2 a陈河村滑坡平面图，b陈河村滑坡剖面图

【研究方法】

利用MatDEM中的离散颗粒模拟技术对陈恩村滑坡的力学行为进行了模拟。数值模拟的方法和技术方面总结如下。

这里使用的二维 DEM 基于晶格模型。在本研究中，DEM 由一系列具有相同半径的六边形且紧密堆积的离散单元组成。这些元件通过排斥-吸引力弹簧力相互作用，其中两个元件之间的法向弹簧力 (Fn) 是法向刚度 (Kn) 和法向相对位移 (Xn) 的乘积。元素与其相邻元素结合在一起，直到 Xn 超过断裂图3钻孔的岩性地层测井（B01 和 B05）位移（Xb）；因此，键断裂，两个元素之间的张力变为 0。然而，当它们从压缩接触中恢复时，排斥力仍然存在于它们之间。

在 DEM 系统中，为数值建模分析设置适当的材料参数非常重要。在 MatDEM 中，输入的微观参数为法向刚度 (Kn)、剪切刚度 (Ks)、剪切阻力 (FSo)、断裂位移 (Xb) 和摩擦系数 (μp)，而宏观参数包括杨氏模量 ( E)、泊松比(v)、密度(D)、抗压强度(Cu)、抗拉强度(Tu)和内摩擦系数(μi)。

在 DEM 中，能量有四种形式：（1）弹性势能（Ee）；(2)重力势能(Eg)；(3)动能(Ek)；(4)热量(Q)。DEM 的总能量 (Etotal) 是所有机械能（即 Ee、Eg 和 Ek和Q ）的总和。

图3 钻孔岩性地层测井（B01 和 B05）

【研究结果】

1、滑坡破坏过程

图4为陈河村滑坡不同时刻的变形破坏状态。初始阶段变形仅发生在边坡中上部（图 4a~c）。随后，滑动体向下移动，边坡发生失稳，陡疤内出现轻微沉降（见图 4d）。此后，滑动体表面变形继续增加，导致下部滑动质量滑动（图4e-g）。与此同时，后部的造型也发生了很大的变化。在最后阶段，整个滑动体减速并静态沉积在坡脚处（图4h，i）。在整个运动过程中，后边缘和底边缘的滑动质量表现出比前边缘和上边缘的滑动质量更低的活动性。

2、滑坡速度

图5显示了不同时刻整个滑动质量的速度分布。滑坡产生明显位移后，滑体向下移动并沉积在坡脚处，导致边坡整体失稳。早期，滑动体前缘的锁定部分是能量聚集的主要区域（图 5a）。中上部滑动质量和滑面高速运动。滑坡中部和前部的最大速度分别出现在经过7.2 s（约16.2 m/s）和8.8 s（约14.7 m/s）后（图5c，d）。之后，由于滑动质量内部元件的碰撞和摩擦，速度逐渐减小（图5e）。在16.8 s时，滑动质量相对静止并沉积在坡脚处（图5f）。

3、滑坡位移

模拟滑坡最大位移约为116 m，如图6所示。根据现场勘察，滑坡移动最大距离与数值模拟结果接近。在早期阶段，大部分元素之间的键保持完整，导致元素的初始运动缓慢。然后，随着键断裂，位移逐渐增加。斜坡中部和上部的元素比起源于下部的元素移动得更远。滑动过程中，位移从滑面向坡面增大。随后，由于自由运动受到限制，元件之间会发生碰撞，导致滑动质量减速。最后，位移逐渐减小，直至达到最终稳定值。

4、热量分布

热量变化的结果如图7所示。如图7a 所示，在滑动初始阶段，滑动带内部形成了一个热量较高的区域（明亮区域），表明滑动带在滑动剪切力的作用下逐渐形成并通过摩擦产生热量。随着滑坡继续向下移动，滑带上的元件剧烈滑动，产生大量摩擦热。

图4 陈河村滑坡破坏过程

图5 滑坡不同时刻的速度场（单位，m/s）

图6 滑坡不同时刻的位移变化（单位，m）

图7 滑坡不同时刻的热量变化

【研究结论】

基于野外调查、历史遥感影像和钻孔调查，利用MatDEM研究了陈河村滑坡的动力学过程，包括破坏过程以及速度、位移和能量的变化。本研究得出以下几个结论：

1、陈河村滑坡至少活动了14~15年，是黄土高原典型的黄土-泥岩滑坡，滑坡总体积为4.0×105 m3。该区基岩与上覆黄土的界面为主滑动面的形成提供了有利的条件。

2、滑动体运动过程中，在滑动带附近形成带状高热区，并随着滑动的继续向前扩展。由于岩土体的力学特性与温度有关，对于大型滑坡，滑带温度的快速升高可能会显着降低滑带的机械强度，从而加剧滑坡的危害效应。

3、由于运动距离短，大部分滑动质量仍在主滑动面上，势能尚未完全释放。因此，滑坡很容易因降雨和人类活动而重新激活。

 文章来源：复合链生自然灾害动力学