該研究成果發表在期刊 Natural Hazards 上，詳細內容見：Zhuo Chen*,Danqing Song (2021). Numerical investigation of the recent Chenhecun landslide (Gansu, China) using the discrete element method. Natural Hazards 105: 717-733.

原文鏈接：https://doi.org/10.1007/s1106 9-020-04333-w

【研究概述】

黃土泥巖滑坡在西北地區分布廣泛。然而，這些滑坡的變形特征和運動過程仍不清楚。陳河村滑坡于2016年6月10日發生在中國東鄉縣陳河村附近。根據詳細的實地調查、谷歌地球圖像和鉆孔調查，構建了滑坡的地質剖面。利用二維離散元軟件MatDEM，分析了滑坡的變形行為和動力學特征。在動力分析中，考慮了滑坡的破壞過程、速度、位移、產熱和能量轉換。

【研究區域】

陳河村滑坡發生于北京時間2016年6月10日20:20 (UTC+8)，發生在中國甘肅省東鄉縣陳河村(圖1、圖2)附近的巴謝河左岸(35°34′40.43″N, 103°38′31.81″E)，巴謝河流域位于黃土高原西緣，與青藏高原東北緣相鄰。該區缺乏褶皺和裂縫，以亞水平地層為特征。

圖1 中國甘肅省巴謝河流域陳河村滑坡位置

圖2 a陳河村滑坡平面圖，b陳河村滑坡剖面圖

【研究方法】

利用MatDEM中的離散顆粒模擬技術對陳恩村滑坡的力學行為進行了模擬。數值模擬的方法和技術方面總結如下。

這里使用的二維 DEM 基于晶格模型。在本研究中，DEM 由一系列具有相同半徑的六邊形且緊密堆積的離散單元組成。這些元件通過排斥-吸引力彈簧力相互作用，其中兩個元件之間的法向彈簧力 (Fn) 是法向剛度 (Kn) 和法向相對位移 (Xn) 的乘積。元素與其相鄰元素結合在一起，直到 Xn 超過斷裂圖3鉆孔的巖性地層測井（B01 和 B05）位移（Xb）；因此，鍵斷裂，兩個元素之間的張力變為 0。然而，當它們從壓縮接觸中恢復時，排斥力仍然存在于它們之間。

在 DEM 系統中，為數值建模分析設置適當的材料參數非常重要。在 MatDEM 中，輸入的微觀參數為法向剛度 (Kn)、剪切剛度 (Ks)、剪切阻力 (FSo)、斷裂位移 (Xb) 和摩擦系數 (μp)，而宏觀參數包括楊氏模量 ( E)、泊松比(v)、密度(D)、抗壓強度(Cu)、抗拉強度(Tu)和內摩擦系數(μi)。

在 DEM 中，能量有四種形式：（1）彈性勢能（Ee）；(2)重力勢能(Eg)；(3)動能(Ek)；(4)熱量(Q)。DEM 的總能量 (Etotal) 是所有機械能（即 Ee、Eg 和 Ek和Q ）的總和。

圖3 鉆孔巖性地層測井（B01 和 B05）

【研究結果】

1、滑坡破壞過程

圖4為陳河村滑坡不同時刻的變形破壞狀態。初始階段變形僅發生在邊坡中上部（圖 4a~c）。隨后，滑動體向下移動，邊坡發生失穩，陡疤內出現輕微沉降（見圖 4d）。此后，滑動體表面變形繼續增加，導致下部滑動質量滑動（圖4e-g）。與此同時，后部的造型也發生了很大的變化。在最后階段，整個滑動體減速并靜態沉積在坡腳處（圖4h，i）。在整個運動過程中，后邊緣和底邊緣的滑動質量表現出比前邊緣和上邊緣的滑動質量更低的活動性。

2、滑坡速度

圖5顯示了不同時刻整個滑動質量的速度分布。滑坡產生明顯位移后，滑體向下移動并沉積在坡腳處，導致邊坡整體失穩。早期，滑動體前緣的鎖定部分是能量聚集的主要區域（圖 5a）。中上部滑動質量和滑面高速運動。滑坡中部和前部的最大速度分別出現在經過7.2 s（約16.2 m/s）和8.8 s（約14.7 m/s）后（圖5c，d）。之后，由于滑動質量內部元件的碰撞和摩擦，速度逐漸減小（圖5e）。在16.8 s時，滑動質量相對靜止并沉積在坡腳處（圖5f）。

3、滑坡位移

模擬滑坡最大位移約為116 m，如圖6所示。根據現場勘察，滑坡移動最大距離與數值模擬結果接近。在早期階段，大部分元素之間的鍵保持完整，導致元素的初始運動緩慢。然后，隨著鍵斷裂，位移逐漸增加。斜坡中部和上部的元素比起源于下部的元素移動得更遠。滑動過程中，位移從滑面向坡面增大。隨后，由于自由運動受到限制，元件之間會發生碰撞，導致滑動質量減速。最后，位移逐漸減小，直至達到最終穩定值。

4、熱量分布

熱量變化的結果如圖7所示。如圖7a 所示，在滑動初始階段，滑動帶內部形成了一個熱量較高的區域（明亮區域），表明滑動帶在滑動剪切力的作用下逐漸形成并通過摩擦產生熱量。隨著滑坡繼續向下移動，滑帶上的元件劇烈滑動，產生大量摩擦熱。

圖4 陳河村滑坡破壞過程

圖5 滑坡不同時刻的速度場（單位，m/s）

圖6 滑坡不同時刻的位移變化（單位，m）

圖7 滑坡不同時刻的熱量變化

【研究結論】

基于野外調查、歷史遙感影像和鉆孔調查，利用MatDEM研究了陳河村滑坡的動力學過程，包括破壞過程以及速度、位移和能量的變化。本研究得出以下幾個結論：

1、陳河村滑坡至少活動了14~15年，是黃土高原典型的黃土-泥巖滑坡，滑坡總體積為4.0×105 m3。該區基巖與上覆黃土的界面為主滑動面的形成提供了有利的條件。

2、滑動體運動過程中，在滑動帶附近形成帶狀高熱區，并隨著滑動的繼續向前擴展。由于巖土體的力學特性與溫度有關，對于大型滑坡，滑帶溫度的快速升高可能會顯著降低滑帶的機械強度，從而加劇滑坡的危害效應。

3、由于運動距離短，大部分滑動質量仍在主滑動面上，勢能尚未完全釋放。因此，滑坡很容易因降雨和人類活動而重新激活。

 文章來源：復合鏈生自然災害動力學