滑坡灾害研究数值模拟技术.doc

滑坡灾害研究数值模拟技术

斜坡活动（如滑坡）是一个复杂的动态系统。目前，尽管已经在这一领域进行了大量的研究工作，但是仍不可能评价所有的边坡失稳、滑坡活化和迅速运动，也不可能成功地模拟这些活动的瞬时和多维行为及其发展。本文的目标是对研究滑坡的技术发展水平和开发模型过程中存在的挑战进行总结，主要考虑了边坡活动的特性以及采用数学物理模型模拟这些活动相关行为的难点。其后，论文讨论了如何将分析地方滑坡活动的方法应用于整个区域，如何进行地形调查，如何应用监测技术改进理论概念，以及如何将基于物理方法的滑坡模型应用于不同的空间和时间范围。

一、概 述
为了实现山区的可持续发展和保证居民的生命财产安全，需要对灾害过程及其相应的风险进行认真分析。边坡活动（如岩崩、倾倒、滑动和侧向扩张等）是这些地区面临的主要威胁之一，而且也是最具破坏性的自然灾害之一（Brabb，1991）。在许多发展中国家，人员伤亡和财产损失可能会占国民生产总值的1~2%（Schuster和Highland，2001）。根据2006年报导，在过去一个世纪，亚洲遭受了220次灾难性的滑坡（到目前为止，是世界上遭受灾害最多的地区）；在南美和北美，由滑坡造成的人员伤亡和财产损失与亚洲相近；在欧洲，滑坡造成的损失最为严重，每次滑坡约造成2300万美元的损失（OFDA/CRED，2006）。另外，由于全球变暖和人类活动的干扰，滑坡活动似乎有增加的趋势（Schuster，1996）。因此，滑坡活动的分析、评价和减灾就成为许多地球科学家、工程师和决策者面临的挑战工作。
在定量分析边坡活动灾害时，要求从时间和空间上分析滑坡发生的概率及强度（Aleotti和Chowdhury，1999；Bonnard等2003）。按照不确定的时间间隔对滑坡发生的空间概率进行分析，通常称为滑坡敏感性（Varnes，1984）。滑坡发生概率是指特定时间范围内，一个地区出现滑坡现象的概率；强度是对一种破坏性事件破坏潜力的大小，根据物理参数来确定，如速度、移动碎屑的厚度、体积、能量和冲击力。沿物质运动方向，不同位置的强度也有所不同，因此，应当按照空间范围进行描述。
根据目前对滑坡知识的了解，预测和控制与滑坡相关的灾害仍与经验有关。滑坡研究涉及定性和定量分析，包括从多学科角度，如地形、构造地质、工程、地质、水文、水文地质、地球物理、岩土工程和土木工程等进行模型模拟。根据灾害评价的目标，按照不同的时间和空间尺度进行分析（Aleotti和Chowdhury，1999；van Westen等，2006），这样，分析的方法和手段就会有很大的不同，一般采用经验或统计学方法（如多元分析）预测区域尺度的滑坡敏感性，采用基于过程的方法（如有限元平衡方法和数值变形方法）预测地方尺度的滑坡敏感性。
本文的研究目的是提出滑坡灾害评价的技术、问题和进展，仅限于对近年来（<100年）地方到区域尺度的滑坡灾害进行定量评价，主要是采用基于物理或基于过程的方法。本文主要对关于滑动或流动过程的文献进行了分析：
首先，讨论了斜坡活动的复杂性，以及采用数值模型模拟其基于时间的行为的难点。同时也分析了采用基于物理的模型了解滑坡作用以及评价滑坡灾害的不同方案；
其次，通过对文献进行分析，对在地方尺度范围分析滑坡机制的问题进行了总结。根据滑坡发展阶段，将滑坡机制进行分类，如失稳前期、失稳阶段和失稳后期；
第三，讨论了采用基于物理的模型进行区域尺度范围的灾害评价和填图；
最后，提出了如何对现有模型进行改进。
二、特定的斜坡活动和基于物理学的方法
（一）斜坡活动和控制因素
在地貌学和岩土工程文献（Dikau等，1996；Cruden和Varnes，1996），术语斜坡活动是指所有地面失稳和在重力作用下表土物质向着坡下运动的活动。一种最简单的分类方法最初是由Varnes（1978）提出的，之后经过了Vaunat等（1994）和Leroueil（2001）的补充：根据运动类型、物质类型、运动阶段或活动状态（即一段时间的发展速率）来对斜坡活动进行分类。
Cruden和Varnes（1996）以及Dikau等（1996）根据地貌学分类方法，对滑坡划分为5类，这5类滑坡有时会在时间和空间上进行合并或重叠，造成“复杂的运动”，包括不止一种滑坡类型（如旋转-平移滑动）或从一种类型向另一种类型演化（如滑落-泥石流）。尽管一般都是某一种类型在时间和空间上起主导作用，但许多斜坡活动都非常复杂。由于除了岩崩和倾倒，很少滑坡是首次运动，因此识别滑坡发生的初始状态就尤为重要，因为这样可以更好地了解当前的形变模式。
另一种识别滑坡类型的定性标准是确定其规模特别是厚度。Varnes（1984）将斜坡运动划分为浅层（厚度小于2m）、中等（厚度在2~5m）和深层（厚度大于5m）滑坡。仅根据地貌学标准，很难确定厚度，需要进行详细的现场调查。
斜坡活动行为很大程度上受土层物质，以及其物理、水文地质和岩土工程性质的控制。在进行岩土工程分类时，将土层物质分为10类：坚硬的完整岩石、坚硬的裂隙岩石、软岩石、结构复杂地层、硬粘土、冰川后期沉积的粘土、粉土物质、细砂、岩屑和粗粒物质以及其它不饱和物质，如残留物。一般而言，斜坡物质是不连续、各向异性、非均质和无弹性的介质，同时也是在复杂的压力、温度和流动体力原位条件下含有流体（液相或气相）的裂隙或孔隙介质。
最后，斜坡活动行为与时间有关（Flageollet，1996；Qin等，2001），运动阶段可以分为失稳前、失稳和失稳后（可能会出现偶然的再活化现象）。所有活动类型都与特定的控制变量（分为先决因素和诱发因素）有关。
活动受物质剪切力（内聚力和有效粒间摩擦力）的抵抗，因此，有效剪切阻力（抵抗因子）和剪切力（扰动力），或安全因子F，通常用来分析斜坡的稳定性（Bromhead，1992；van Beek，2002）。当剪应力接近于最大有效切变强度时，安全因子为1，马上会出现失稳现象。如果由诱发因素（如地震和降水）破坏斜坡的稳定性，则剪应力随有效切变强度的增加量相当于滑动物质的加速度。因此，将斜坡形象化为以下3个阶段中的一个，对于分析问题可能更有帮助：
（1）稳定，F>1.5：斜坡稳定性足够高，可以抵抗各种破坏力；
（2）临界稳定，1.0<F<1.5：由于破坏力达到某一特定值，可能在某个时候出现斜坡失稳现象；
（3）不稳定，F<1.0：破坏力会造成滑坡物质（连续或间歇运动）加速度。
根据这一分类，可以更好地了解滑坡发生的因素。可以看出，由于地下水位和孔隙压力的季节性变化，安全因子会出现短期变化；而安全因子的长期变化，反映了风化、冰川作用或区域地下水条件的长期变化。这就说明，出现滑坡并非受单一控制因素的作用，通常都是受先决因素和诱发因素的共同作用。这样，先决因素通常都是随时间逐渐改变的，而诱发因素则是瞬时变化的（Crozier，1986；Leroueil，2001）。诱发因素可能会同时增加物质的剪应力，减小剪切阻力。
（二）灾害评价方法：概念、模拟工具和方法
尽管可以根据工程或地貌学判断来定性地回答一些滑坡问题，但是仅根据人为推理，不足以系统地分析复杂的斜坡活动（van Westen等，2006）。有助于分析和预测滑坡灾害的最佳工具是表现先决因素和诱发因素之间联系（模型输入）以及斜坡响应（模型输出）的数学模型。然而，在许多情况下，由于斜坡运动的4D模式（时间和空间），很难建立有效的数学模型。
灾害评价提出了一种将斜坡和控制稳定性主要机制进行概念化，这样可以很好地表现滑动物质在负荷作用下的运动过程（Hutchinson，1988）。了解这一斜坡运动机制是按不同尺度范围评价灾害的关键（Brunsden，1999）。在Terzaghi（1950）、Mrogenstern和Sangrey（1978）、Hutchinson（1988，1993）和Picarelli等（2000）的文献中，对基本失稳作用机制和失稳后的作用机制进行了分析，而且据此可以定义分析或数值模型。这些机制包括在现有的离散面或沿剪切带进行滑动、物质的累积塑性形变和剪切带形变、静态液化和不排水荷载（Hutchinson和Bhandari，1971；Sladen等，1985；Urcioli，2002）、粒间作用和液化、振动能力（Sassa，1998；Iverson等，1997）。为了用数学模型更好地表现斜坡活动，需要考虑以下特征或模型：
l  表示斜坡局部形状和内部结构（如分层、不连续）的几何模型，以确定斜坡活动的可能范围；
l  识别局部活动（如运动裂隙、突起、陡坡、地垒地堑构造）的地形结构模型，以确定斜坡运动的可能活动状态，通过图片解译和野外工作建立这一模型；
l  确定主要控制变量随时间变化（如降水、空气和土壤温度、土壤湿度和水位等）的动力学模型，可以确定滑坡运动速率，也可以确定斜坡以前的状态；
l  确定物质物理学和水文机制的岩土工程模型，反映其非均质性和各向异性，以确定斜坡运动由时间和速率决定的行为；
l  将这些模型和相关数据进行合并的岩土力学模型，确定运动的可能机制，以将相关的物理过程用数学形式来表示。
图1表示了控制变量和基于过程的滑坡模型等式之间的关系，强调了降水诱发滑坡，采用水文地质模型（R-U关系）和机制模型（U-S-F-V关系）进行模拟。

图1 采用直接的方法来模拟基于物理学的滑坡模型
根据调查情况和研究目标确定这些特征，采用基于物理学的模拟方法来表示其范围（2D或3D，常量或根据时间进行模拟）和规模（不连续或连续方法）。不连续方法的重点是确定天然不连续面的位置和几何形状，连续方法的重点是评价斜坡尺度范围内物质的水力性质，这一参数很难通过野外调查或实验室试验来确定。
为了将斜坡机制在时间和空间上进行离散，需要采用极限平衡方法（LEM）、有限元方法（FEM）、边界要素方法（BEM）和有限差分方法（FDM）来分析连续性问题，采用确切要素方法（DEM）来分析不连续性问题。极限平衡方法并不能用来评价斜坡的应力和应变问题，因此也不能确定斜坡运动产生形变的主要作用（Bromhead，1996；Griffiths和Lane，1999）。有限元方法和有限差分方法是较为灵活的方法，可以处理物质的各向异性、非线性和边界条件问题，但是由于其固有的离散性，不能模拟无限大的区域范围，而且也无法确定计算时间。边界要素方法需要对研究区域的边界进行离散化，这样极大地简化了输入条件，但是当需要考虑不止一种物质时，这一方法就不再适用。确切要素方法是将不连续介质作为块体的集合，通过连续监测和确定这些块体之间的相互作用，来求解等式。这样，尽管这些方法不适合于模拟塑性变形，但是却适用于分析大的位移问题。
因此，任何模拟都包括主观判断，而且需要在过程描述和现实考虑之间进行折衷。这样，目前面临的挑战并非是开发真实完整的基于物理学的耦合模型（热-水机制），由于缺乏对斜坡几何形状和物理性质的了解，会不断遇到问题；更为重要的是确定对于特定问题开发物理学模型的指导原则：模型并不完整或完美，但是却适合于评价灾害。
三、失稳前的行为：先决要素的影响
（一）了解先决要素长期机制的必要性
失稳前的变形会造成第一次滑坡，因此识别这一变形对于成功地评价滑坡灾害，特别是早期预警极为重要。这样，就需要调查控制斜坡长期演化的先决要素，这些要素的长期演化与岩石和土壤物质的化学和物理风化有关，同时受地震的影响，会造成累积破坏。所有这些作用都会造成裂隙的增加和地下水成分的变化。这样，在斜坡演化过程中，由于气候条件受到的不同强度作用，会使负荷改变，最终影响其平衡（Brunsden，1999）。
裂隙系统的演化，与岩石的构造和水文地质条件有关，需要进行这些方面的调查工作，以预测第一次失稳。水在主要裂隙系统运动产生的热力学机制和化学作用，可以进一步加强裂隙系统的发展（Peng，1973；Boukharov等，1995；Kilburn和Petley，2003）。水的循环改变了母岩的化学成分、孔隙压力和根系生长，造成裂隙扩大和地面破坏。因此，破坏作用可以用水文化学信号来指示，暴露面扩大会造成水岩分界面的反应更为强烈。这一假设与实验室观测结果一致（Ojala等，2003；Bruderer-Weng等，2004；Song等，2004），而且据此可以解释斜坡变形和流水化学成分之间的关系（Cappa等，2004；Charmoille等，2005）。
（二）挑战和将来的研究方向
为了提高模拟失稳前变形的能力，需要进行实验室和野外试验，开发数值模型，描述不连续性的发展，需要注意的是，外部荷载、孔隙压力波动、温度梯度和水文化学交换作用都会改变岩石的应力分布。这一方法提供了解释现场观测结果，特别是识别斜坡失稳之前变形的重要信息。
可以通过不连续介质或连续介质来模拟裂隙和岩石破坏，一种折衷的方法是考虑在中间范围内物质连续，之后将破裂作为弹性破坏来考虑（表观弹性模数减小），这样就可以模拟宏观塑性（Zapperi等，1997）和宏观脆性（Tang，1997；Tang和Kaiser，1998），这一方法主要是应用于地下采矿失稳。Amitrano等（1999）提出的模型可以连续地将分散破坏的宏观塑性转换为局部破坏的宏观脆性，这些数值模拟结果与实验室试验结果和地壳观测结果具有很好的一致性（Amitrano，2003），但是直到最近才应用于岩石斜坡运动。根据中间范围方法，考虑裂隙数量的变化，Amitrano和Helmstetter（2006）模拟了脆性蠕动现象，如与空间破坏分布不同阶段（从分散破坏到局部破坏）相关的3个蠕动阶段（首次、再次和第三次蠕动）。根据对泥泞斜坡失稳和白垩悬崖坍塌的现场观测结果，第三次蠕动与应变和地震加速度有关（Voight，1988；Petley等，2002；Amitrano等，