0.   引言

贵州岩溶山区地质环境复杂、人类活动强烈，是我国特大崩滑灾害高发区^[1-3]。特别是近年来，随着采矿活动强度增大，矿山崩滑灾害频发。据贵州省地质环境监测院资料统计，截至2019年，由采矿诱发的地质灾害总数达到996处。矿山崩滑灾害不仅监测预警难度大、体量大，而且致灾动力过程复杂，导致空间预测难度大，群死群伤性崩滑灾害不断发生。例如：2004年12月3日，受地下采动诱发，贵州省纳雍县鬃岭镇突发崩塌灾害，约1×10⁴ m³的崩塌体倾泻而下。崩塌体受微地貌影响，于海拔1913 m处产生分流，西支碎屑流摧毁了12栋房屋，共造成39人死亡和5人失联^[4]；2017年8月28日纳雍县张家湾镇发生高位崩塌，约50×10⁴ m³的崩塌体自源区高位启动，沿途铲刮运动800 m，最终形成体积约80万方的堆积体。碎屑流在运动过程中受一20 m高的小山包阻挡产生分流，摧毁了下游大树脚组和桥边组的23栋房屋，造成26人遇难，9人失踪^[5]。因此，如何对贵州省矿山崩滑灾害潜在隐患点开展致灾范围预测，防范特大崩滑灾害造成的群死群伤事故，成为当前亟须解决的重要科学难题。

尖山营不稳定斜坡是贵州省典型的矿山崩滑灾害潜在隐患点，自2005年开始进行大规模采煤，截至2019年，开采煤层多达8层，坡体已发生显著变形，并于2020年9月16日受地下采动和降雨影响触发滑坡灾害，严重威胁到当地279户1062名居民的生命财产安全。刘兵 ^[6] 综合了现场调查、遥感影像分析和地表GPS实时监测技术，对尖山营不稳定斜坡位移和变形破坏特征进行了分析；CHEN等^[7] 通过光学遥感解译分析，探究了尖山营不稳定斜坡变形演化规律，并提出了变形失稳模式。ZHAO等 ^[8] 和DONG等^[9] 通过数值仿真，分析了地下采动影响下尖山营不稳定斜坡裂隙发展和变形演化规律，探究了坡体结构对边坡稳定性的影响。可见，当前对尖山营不稳定斜坡的研究主要集中于边坡失稳机理和变形监测，针对尖山营滑坡运动过程动力学特性和潜在滑坡区致灾范围预测的研究还十分欠缺。因此，本文在现场调查的基础上，通过动力分析软件DAN3D反演再现了尖山营滑坡动力致灾全过程，并利用确定的流变模型和参数，对潜在滑坡区开展了致灾范围预测，为尖山营地区地质灾害危险性评价提供了依据。

1.   尖山营滑坡基本概况

1.1   地质环境条件

尖山营不稳定斜坡位于水城县发耳镇西侧，地形跌宕起伏，属于构造侵蚀而成的低中山至中低山地貌。最高处位于斜坡山顶，海拔1526 m，最低处位于发耳河西出口河床，海拔949 m，最大高差达577 m。斜坡所在区域位于水城县发耳煤矿三采区范围内，是典型的地下采动控制型崩滑灾害潜在隐患点，严重威胁到当地279户1062名居民的生命财产安全 （图1）。

图  1  尖山营不稳定斜坡全貌

Figure  1.  Aerial view of the unstable slope at Jianshanying area

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研究区出露地层由老至新分别为：二叠系上统龙潭组（P₃l）、三叠系下统飞仙关组（T₁f）和第四系松散堆积物（Qh）^[10]。

二叠系上统龙潭组（P₃l）由粉砂岩、细砂岩、泥岩和煤组成。底部2～3 m为铝质岩层，含大量菱铁矿结核、黄铁矿结核。厚度分布410～430 m，主要位于研究区东部。

三叠系下统飞仙关组（T₁f）主要分布于研究区西侧，不稳定斜坡主要出露于该层。岩性上部为紫色、灰绿色相间钙质泥岩与细砂岩互层，夹薄至厚层状细砂岩；中部为泥质粉砂岩及粉砂质泥岩或细砂岩；底部见黑色斑粒，碳化植物化石。

第四系松散堆积物以残、坡积物和崩积物为主，厚度为0～80 m，残、坡积物主要分布在同向坡及单斜谷中，崩积物分布于陡崖脚下。

1.2   滑坡体特征

2020年9月16日，受地下采动和降雨等因素影响，尖山营不稳定斜坡触发大规模滑坡灾害，滑坡体积约80万方，摧毁了两条公路，所幸未造成人员伤亡。滑体后缘海拔1320 m，前缘高程1020 m，相对高差300 m。滑体自源区高位启动后，沿正北向以碎屑流的形式高速向前运动，最终滑体前缘停止于范家沙坝和酒店子组，运动距离达1 km，后缘岩土体受其牵引作用影响，已出现明显下错，形成潜在滑体（图2、图3），并发育有宽大裂隙（图4）。根据尖山营滑坡-碎屑流运动特征，可将其分为滑源区和流通堆积区（图2、图3）。

图  2  尖山营滑坡碎屑流全貌

Figure  2.  Overview of Jianshanying landslide-debris flow

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图  3  尖山营滑坡剖面图（A-A’剖面）

Figure  3.  Longitudinal cross-section geological profile of the Jianshanying landslide (section A-A’)

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图  4  坡顶宽大裂缝

Figure  4.  Aerial view of wide cracks at the top of the slope at Jianshanying area

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（1） 滑源区：位于尖山营不稳定斜坡西南侧，滑源区后缘高程为1320 m，前缘高程约1260 m，主要由第四系松散堆积和飞仙关组泥岩、砂岩组成。因长期地下采空失去有效支撑，在重力作用下产生变形，坡体裂隙发育，为雨水快速入渗提供通道，最终在长期地下采矿和降雨综合作用下发生失稳。

（2） 流通堆积区：位于海拔1020～1260 m处。滑体失稳后，沿前缘临空方向向下运动，于海拔1160 m处受地形阻碍，发生碰撞分流。滑坡主体在运动过程中不断破碎解体形成碎屑流，最终运动了约1 km，摧毁了范家沙坝和酒店子组、小寨组部分房屋，并掩埋了两条公路，未造成人员伤亡。

2.   滑坡-碎屑流动力学特性分析

2.1   数值方法及计算参数

DAN3D（Dynamic Analysis）是加拿大学者HUNGR^[11]和其团队成员基于等效流体理论开发的动力分析软件，已在全球范围内高位远程滑坡动力学分析中得到了广泛应用。软件基本原理是将滑体等效为连续介质流体，通过设定不同流变关系，模拟滑坡运动速度、时间、路径及堆积等特征。目前，大量学者已采用DAN3D对我国西南山区高位远程滑坡动力致灾过程进行了深入分析，研究结果表明：Frictional-Voellmy组合模型能较好地模拟滑坡-碎屑流动力学特征^[12-16]。因此，本文在滑源区选用Frictional模型，流通堆积区采用考虑流体湍流项的Voellmy流变模型，对尖山营滑坡-碎屑流进行数值仿真，并基于反分析法系统地调整数值流变参数，直至模拟结果与实际情况基本一致。

Frictional模型假设滑体所受剪切阻力（$ \tau $）正比于正应力（$ \sigma $）：

式中：$ {r}_{u} $——孔压系数，即孔隙水压力与正应力之比；

$ \varphi $——摩擦角/（°）。

Voellmy模型将滑体所受剪切阻力视为摩擦力和湍流流动产生的阻力之和，表达式为：

式中：$ f $——摩擦系数；

$ \rho $——滑体密度/（kg·m⁻³）；

$ g $——重力加速度/（m·s⁻²）；

$ v $——滑体速度/（m·s⁻¹）；

$ \xi $——湍流系数/（m·s⁻²）。

基于高精度无人机航测影像，采用PIX4D及Surfer软件分析处理无人机航测数据，建立滑坡区数字高程模型（图5），尖山营滑坡模型精度为2.5 cm。在此基础上，结合现场精细调查，明确了滑坡分区和致灾范围（图2）。以滑坡运动路径及致灾范围为参考，通过反分析法调整数值流变参数，直至数值模拟得到的滑坡运动路径和致灾范围与实际情况基本一致。本文选用的流变模型及参数如表1所示。

图  5  尖山营滑坡数字高程模型

Figure  5.  Digital elevation model of the Jianshanying landslide

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表  1  尖山营滑坡流变模型和参数取值

Table  1.  Selected rheological models and parameter values of the Jianshanying landslide

	流变模型	摩擦角	孔压 系数	摩擦 系数	湍流 系数
滑源区	Frictional	27	0.5	−	−
流通 堆积区	Voellmy	−	−	0.18	600

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2.2   尖山营滑坡运动过程模拟结果

尖山营滑坡-碎屑流运动全过程的DAN3D模拟结果如图6所示。滑坡-碎屑流最大运动距离约1 km，运动时间持续约50 s，随后只有少量的内部蠕变和侧向变形，滑坡已基本停止运动。碎屑流最终堆积厚度为0～15 m，几乎覆盖整个堆积区，最大堆积厚度位于滑体左侧前缘，滑坡运动距离和堆积形态与实际情况较为吻合。

图  6  尖山营滑坡-碎屑流运动过程不同时刻滑体堆积形态

Figure  6.  Landslide accumulation distribution patterns for landslide-debris flow deposits of the Jianshanying landslide at different moments

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滑坡启动后，受地形影响沿正北方向运动并不断加速，20 s时滑体已全部离开源区。受海拔1160 m处山脊影响，少量滑体分流，滑坡主体仍沿主滑方向向前运动。40 s时，滑体前缘抵达范家沙坝和酒店子组公路，阻断公路正常运行。最终至50 s时，滑体前缘抵达小寨组并基本停止运动，堆积形态不再发生改变。

尖山营滑坡-碎屑流速度分布如图7所示。研究区地形地貌呈现典型的“上陡下缓”特征，滑源区海拔较高，坡度较陡，滑坡启动后，巨大的势能转化为动能，在10 s时，前缘速度达到峰值，约36 m/s，随后，滑体仍保持25 m/s的高速向前运动。20 s后，滑体前缘运动至海拔1100 m处，受地形变缓影响开始减速，直至运动停止。

图  7  尖山营滑坡-碎屑流运动过程不同时刻速度分布云图

Figure  7.  Cloud map of velocity distribution of the landslide-debris flow movement in the Jianshanying landslide at different moments

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3.   潜在隐患点致灾范围预测

尖山营滑坡发生后，后缘岩土体受其牵引作用影响，已出现明显下错，形成潜在滑体。如图2所示，潜在滑坡区面积约2.6×10⁴ m²，呈三角形分布，结合三维数字高程模型分析和现场精细调查，预估体积约40×10⁴ m³。潜在滑坡区后缘已明显下错形成宽大裂隙，前缘为凌空面，在后续降雨和自身重力作用下极易失稳，形成高位远程滑坡灾害。因此，亟须对其开展致灾范围预测，预测其可能的影响范围，为尖山营地区人居安全和居民搬迁提供依据。

由于潜在滑坡与2020年已发生滑坡具有相似的工程地质条件，因此本文利用尖山营滑坡数值反演结果已确定的流变模型及参数，对潜在滑坡区致灾范围进行预测，尖山营不稳定斜坡潜在滑体动力致灾全过程的数值模拟结果如图8所示。潜在滑体的运动时间为60 s，滑体运动距离同样达到了约1 km。滑体高位启动后，沿15°方向高速运动并随后逐渐转为正北向运动。与2020年9月16日发生的高位滑坡运动过程相似，潜在滑体在运动中于海拔1160 m处受山脊阻碍产生分流，滑坡主体仍沿正北向运动，最终覆盖于已发生滑坡堆积体上。潜在滑坡堆积厚度为0～11 m，滑体将再次淹没新修公路，并摧毁酒店子组部分房屋，造成可能的人员伤亡和财产损失。因此，亟须对当地居民进行适当搬迁，并进行地质灾害安全教育，防范群死群伤性滑坡灾害的发生。

图  8  尖山营潜在滑坡致灾范围预测

Figure  8.  Prediction of affected area of the potential landslide at Jianshanying area

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4.   结论

针对2020年9月16日贵州尖山营不稳定斜坡发生的高位远程滑坡灾害，本文基于现场精细调查和高精度无人机航测影像建立了滑坡区三维数字高程模型，利用动力分析软件DAN3D分析了其致灾过程和动力学特性，并在此基础上对潜在滑坡区进行了致灾范围预测，得到如下结论：

（1） 基于动力分析软件DAN3D，采用Frictional-Voellmy组合模型模拟了尖山营滑坡动力致灾全过程。结果表明：尖山营滑坡-碎屑流运动时长约50 s，最终堆积厚度为0～15 m，滑坡最大速度达到36 m/s，模拟的滑坡运动距离、堆积范围和方量与实际情况较为吻合。

（2） 基于数值反演确定的流变模型和参数对潜在滑坡开展致灾范围预测，潜在滑坡区预估体积约40×10⁴ m³，模拟结果表明：潜在滑体运动距离可达1 km，将再次淹没新修公路，并摧毁酒店子组部分房屋。因此需对当地居民进行搬迁，避免人员伤亡和不必要的财产损失。