关注北川地质安全！西南科大揭秘陈家坝高速滑坡，44.14米堆积体背后的科研力量

西南科技大学团队用数值模拟方法分析了北川陈家坝高速滑坡

高速滑坡是中国西南山区极具破坏性的地质灾害。为预测四川省北川羌族自治县陈家坝镇滑坡复活后的运动过程，西南科技大学HUANG Tao等结合快速块体运动模拟（RAMMS）与无人机影像（UAV），对陈家坝两次滑坡灾害的运动过程开展模拟分析，获取了滑坡体的运动特征参数。反演分析结果显示，拟合效果最优的流变参数为摩擦系数（μ=0.18）和湍流参数（ξ=400 m・s⁻²）。研究以滑坡压力作为灾害分区指标，绘制出陈家坝滑坡的影响范围图及灾害分区图。结果表明，陈家坝滑坡体失稳后，迅速阻断了河流，形成的滑坡堆积体最大高度达 44.14 米；灾害分区图显示，滑坡灾害等级与坡度呈正相关关系。该滑坡评估方法基于滑坡运动过程构建，属于定量灾害评估手段，适用于高速滑坡研究。

Part.01

陈家坝滑坡概况

陈家坝滑坡（东经104°35′48.9″–104°36′42.1″、北纬31°58′16.3″–31°58′33.5″）地处中国四川省北川县陈家坝镇太洪村（图1），该区域年降雨量为1399.1mm，且70%以上降雨集中在6-9月。陈家坝滑坡曾发生过两次失稳灾害，均阻断了河流：第一次滑坡由汶川地震引发，发生于2008年5月12日，也被称为太洪村滑坡，属于典型的阶梯状滑坡（图2(a)、图3(a)），其上部滑坡体从滑床脱离后，撞击下伏基岩的阶梯状边缘发生破碎，转化为高速滑坡碎屑流；上部滑坡体高度约21m、宽度100m、长度50m，体积约35×10⁴m³，下部滑坡体则由上部滑坡体与下伏基岩撞击触发，阶梯状滑床与杜巴河河床的高差约150m、宽度200m、长度150m，滑坡堆积体体积约150×10⁴m³、厚度50m，滑坡体撞击杜巴河左岸后，抛射出约2×10⁴m³的碎石土，气流冲击覆盖了麦田，运动距离约1140m。第二次滑坡发生于2016年9月5日，由降雨诱发，此前北川县在2016年8月31日至9月4日期间以阴天为主，9月5日出现小雨，降雨量不足10mm；该次滑坡因受杜巴河左岸阻挡形成滑坡坝（图2(b)、图3(b)），发生时间为凌晨2时左右，受影响区域无人居住，未造成人员伤亡，但滑坡坝对沿河低洼地区的生命财产安全构成威胁，当地政府与武警部队于9月6日开始开挖排洪沟，直至9月8日下午消除溃坝风险；第二次滑坡前后缘高差约260m、运动距离约580m、体积约30×10⁴m³，剪出高程为750m，形成的滑坡坝长度250m、宽度180m、高度10-22m，由土体与碎石组成。此外，陈家坝滑坡的组成岩性主要为志留系碳质页岩与砂页岩，整体属于中型山坡滑坡与崩塌型滑坡。

图 1 中国四川省北川县陈家坝滑坡位置图

图 2 陈家坝滑坡影像图。（a）2010 年 1 月 13 日陈家坝滑坡第一次失稳的谷歌地球影像；（b）2016 年 9 月 30 日陈家坝滑坡第二次失稳的正射影像

表 1 快速块体运动模拟（RAMMS）模型所用基础参数

图 3 陈家坝滑坡剖面图。（a）陈家坝滑坡第一次失稳的 A–A′剖面图（Yin，2009a）；（b）陈家坝滑坡第二次失稳的 B–B′剖面图

图 4 陈家坝滑坡第一次失稳数值模拟的不同阶段图

图 5 陈家坝滑坡第一次失稳的运动特征图。（a）最大速度分布图；（b）最大压力分布图；（c）最大高度分布图

Part.03

滑坡数值模型

在滑坡整体运动过程中，其特征会受到不确定因素的干扰，而RAMMS（快速块体运动模拟）模型将滑坡体视作流变流体，采用Voellmy - Salm流变连续体模型与随机动能（RKE）模型来处理流变问题，且实际应用已证实，该模型借助这两种模型能够良好地模拟滑坡运动过程，并获取滑坡运动特征参数。在Voellmy - Salm流变模型方面，RAMMS采用笛卡尔坐标系，将x、y、z设定为高程，t代表滑坡滑动时间。Christen等（2010）提出，滑坡的运动特征主要通过堆积体厚度（用H(x,y,t)表示）和滑动速度（用U(x,y,t)表示，包含x、y方向的速度分量）这两个参数来体现。其中，滑动速率可通过由x、y方向速度分量构成的公式计算得出，运动方向需依据滑动速度的模以及x、y方向速度分量相关的公式确定，滑坡厚度则通过涉及时间偏导、x和y方向通量偏导以及源项Q(x,y,t)的公式获取。同时，该模型的摩擦阻力（包含x、y方向分量）可通过结合库仑摩擦系数μ、重力加速度z方向分量、堆积体厚度H、滑动速度模以及湍流参数ξ的公式计算得到。

对于RKE模型，其将滑动速度定义为深度平均值，即滑动速度平行于斜坡但方向具有分散性，因此把雪崩速度分解为平均速度（包含x、y、z三个方向分量）与变分速度（同样包含x、y、z三个方向分量），且在X、Y、Z三个方向分别对应叠加形成总速度。该模型假设z方向的平均速度为0，即不存在垂直加速度，而库仑摩擦系数（μ）与湍流摩擦系数（ξ）可通过包含初始库仑摩擦系数μ₀、初始湍流摩擦系数ξ₀、常数R₀（用于定义摩擦系数随平均随机动能密度变化的指数增长率）、深度平均随机动能R以及指数函数的公式获取。此外，RAMMS模型运行所采用的基础参数如表1所示，涵盖滑坡密度2204kg/m³、库仑摩擦系数0.18、黏聚力1280Pa、湍流摩擦系数400m/s²，这些参数为后续滑坡运动过程的数值模拟提供了基础支撑。

该研究采用了两套分辨率均为 3 米的 DEM：第一套 DEM 从 2010 年绘制的 1:10000 地形图中提取，覆盖整个陈家坝滑坡区域，该数据可反映第一次滑坡后、第二次滑坡前的地形起伏状况，适用于对比分析两次滑坡对区域地形的改造效应；第二套 DEM 同样通过 Photoscan 软件处理 2016 年 9 月 30 日的无人机航拍影像生成，与同期正射影像数据对应，能精准呈现第二次滑坡后的最新地形特征，为 RAMMS 模型模拟第二次滑坡运动过程及预测滑坡复活场景提供了符合实际地形条件的高程数据。

图 6 陈家坝滑坡第二次失稳模拟的不同阶段图

图 7 陈家坝滑坡第二次失稳的流动高度图

Part.04

数值模拟结果

该研究借助RAMMS模型对陈家坝滑坡的第一次失稳与第二次失稳过程分别开展数值模拟，获取了详细的运动特征参数，且模拟结果与实际情况具有较高一致性。对于第一次滑坡（2008年汶川地震诱发），图4呈现了不同时刻的数值模拟结果，显示其启动过程短暂、滑动速度快，部分堆积体撞击杜巴河左岸后形成滑坡坝，整个滑动过程耗时12秒；模拟得出的最大堆积厚度为29.54米，最大体积约148.02×10⁴m³，最大运动距离约1158米，与实际第一次滑坡运动距离约1140米的情况接近，仅因2010年绘制的地形图中杜巴河左岸地形存在抬升，导致模拟堆积体与实际堆积体存在细微差异。同时，图5展示了第一次滑坡的最大速度、最大压力及最大高度分布，分析可知其最大速度达44.58米/秒，且速度与坡度呈正相关，最大压力为4380.92千帕，最大滑坡厚度为45.26米，堆积体主要分布于杜巴河及杜巴河漫滩区域，与实际地形分布相符，无需额外校准，证明RAMMS模型对第一次滑坡模拟的高精度。

针对第二次滑坡（2016年降雨诱发），图6呈现了不同时刻的模拟形态，结果显示其同样快速滑动，部分堆积体受杜巴河左岸阻挡形成滑坡坝，滑动总时长8秒；模拟得到的最大堆积厚度为25.87米，最大体积约30.34×10⁴m³，运动距离约620米，与实际第二次滑坡运动距离约580米、体积约30×10⁴m³的参数基本一致，且对比图7与图3（b）（第二次滑坡实际剖面）可知，模拟堆积体与实际堆积体形态几乎完全吻合，验证了RAMMS模型对潜在滑坡运动特征的预测能力。此外，图8展示了第二次滑坡的运动特征分布，其最大速度为33.93米/秒（与坡度正相关），最大压力为2537.81千帕（因低分辨率DEM导致阻力计算值偏低，使得压力模拟值偏大），最大滑坡厚度达27.08米，堆积体同样集中分布于杜巴河及漫滩区域，与实际情况相符。

两次滑坡的模拟结果均表明，RAMMS模型能有效还原滑坡运动的关键参数（运动距离、堆积厚度、速度、压力等），且模拟堆积范围与实际地形匹配度高，为后续滑坡复活场景的模拟及灾害评估奠定了可靠基础，也进一步证实该模型在高速滑坡数值模拟中的适用性与准确性

对比图 3 与图 9 可知，陈家坝滑坡第一次失稳与第二次失稳的模拟运动距离分别为 572 米和 1105 米，这些模拟结果与实际情况基本一致。其中，陈家坝滑坡第一次失稳的最大速度、最大高度及最大压力均为第二次失稳的两倍以上，且两次滑坡的运动距离也呈现出非线性变化特征。

陈家坝滑坡在2016年9月5日第二次失稳后，山坡后缘出现明显拉裂缝（图2(b)），裂缝宽度10-40厘米、长度70-900米，整体呈西北走向。考虑到暴雨、地震等因素可能诱发该滑坡再次复活，进而阻断杜巴河形成堰塞湖，对周边区域安全构成威胁，因此构建滑坡复活灾害分区图对灾害影响范围内的土地利用规划具有重要实际意义。在开展滑坡复活模拟前，确定其释放区平均厚度为6米，所采用的RAMMS模型基础参数仍参考表1（滑坡密度2204kg/m³、库仑摩擦系数0.18、黏聚力1280Pa、湍流摩擦系数400m/s²），以保证模拟参数的一致性与可靠性。

通过RAMMS模型对陈家坝滑坡复活过程进行数值模拟，图10清晰呈现了滑坡复活后的流动高度分布，结果显示滑坡复活后，大部分堆积体被阻挡在杜巴河及杜巴河西北部区域，少量堆积体越过杜巴河左岸，整个模拟过程总时长15秒；模拟得出的最大堆积厚度为41.98米，最大体积约140.41×10⁴m³，最大运动距离达1180米，且堆积体主要集中分布于杜巴河及杜巴河漫滩，与前两次滑坡堆积区域特征相似，进一步体现了地形对滑坡堆积范围的约束作用。同时，图11展示了滑坡复活后的最大速度、最大压力及最大高度分布，分析可知其最大速度为38.80米/秒，且速度与坡度呈正相关，最大压力为3318.14千帕，相较于第二次滑坡压力模拟值更接近实际（因采用了更高分辨率的DEM数据，减少了阻力计算误差，提升了模拟精度），最大堆积高度达44.14米，这些参数为后续灾害分区提供了关键的量化依据。

在灾害分区过程中，基于RAMMS模型输出的最大压力数据，结合ArcGIS空间分析功能中的Jenks自然断点法（该方法相较于专家主观设定阈值更具客观性，可确保分区结果的可比性），并参考图3(a)中显示的空气冲击与碎屑飞溅区长度约100米的特征，额外增设100米缓冲区作为低危险区，最终通过ArcGIS空间分析模块的重分类功能生成陈家坝滑坡复活灾害分区图（图12）。从分区结果来看，高危险区面积最小，主要沿滑坡滑动主方向分布，该区域因靠近滑动中心，速度与压力均较大，灾害风险最高；中危险区面积适中，受最大压力与最大高度相对较小的影响，灾害风险处于中等水平；低危险区面积最大，主要分布在滑坡边缘区域，且包含增设的100米缓冲区，该区域最大压力与最大速度较小，灾害风险最低。此外，高危险区在山坡中下部呈连续分布，这一区域恰好为陈家坝滑坡壁所在位置，进一步印证了滑坡壁周边因易发生二次滑动而灾害风险较高的特征，该分区结果可为滑坡复活风险区域的城镇建设规避、防灾减灾工程布局提供精准的空间指引。

图 8 陈家坝滑坡第二次失稳的运动特征图。（a）最大速度分布图；（b）最大压力分布图；（c）最大高度分布图

图 9 基于快速块体运动模拟（RAMMS）的陈家坝滑坡两次失稳模拟运动距离、最大压力、最大高度及最大速度剖面图（图中绿色表示陈家坝滑坡第一次失稳，红色表示陈家坝滑坡第二次失稳）

图 10 基于快速块体运动模拟（RAMMS）的陈家坝滑坡复活模拟流动高度图

图 10 基于快速块体运动模拟（RAMMS）的陈家坝滑坡复活模拟流动高度图

图 12 陈家坝滑坡复活灾害分区图

文章来源

该研究成果发表在期刊 Journal of Mountain Science 上，详细内容见：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).

原文链接：https://doi.org/10.1007/s11629-017-4516-7

来源 | 复合链生自然灾害

资料整理 | 崔泽飞

排版编辑 | 董浩然

编后语

西南山区地质复杂，高速滑坡隐患突出，北川陈家坝两次滑坡灾害，更凸显了地质灾害防控的紧迫性。

西南科技大学HUANG Tao等科研工作者，将RAMMS模型与无人机影像结合，精准还原陈家坝滑坡及复活场景，解锁核心参数、绘制灾害分区图，为防灾减灾提供了坚实的定量支撑。

每一组数据、每一次模拟，都承载着科研人的坚守，他们以专业之力，为西南山区筑起地质安全屏障。

愿这份科研成果助力规避滑坡风险、守护山河安宁，也致敬每一位扎根一线、践行使命的科研人。

原文发表于Journal of Mountain Science，感兴趣的伙伴可点击原文链接，深入研读地质灾害防控的科研奥秘～

关注我们，及时了解更多本地资讯!

请点赞点亮右下小花让更多人看到↓↓↓