关于突发地质灾害中应急数值模拟技术应用浅析论文
0引言
突发地质灾害应急是一种非常规防灾减灾行动，具有跨阶段、高要求、大集成、快反应和求实效的特征。突发地质灾害事件应急响应具有社会聚焦性和时间紧迫性，处置决策离不开科学高效的技术支撑，数值模拟技术具有低成本、高效率、且多工况模拟等优势，在公共安全、气象、水资源与环境等应急事件领域得到广泛的应用，其决策辅助功能突出。
然而，数值模拟技术在地质灾害应急领域现场应用却并不多见，尚未形成一种范式的程序化方法，对灾害应急支撑效果十分有限，其主要原因有6点:
①在应急情况下，数值模拟的应用受到技术条件限制；
②在数值模拟理论研究与应用实践中，长期以来对时间效率考虑较少，导致常规模拟耗时较长，这与抢险救灾时效性强的特点有差距；
③缺乏专门应急情景下的数值模拟技术适应性研究；
④突发地质灾害应急工作本身具有技术集成性、方法协调性和追求实效性的特点；
⑤灾害体自身的特异性决定了似乎很难找到普遍适用的数值方法和模型；
⑥数值分析人员往往在软件模拟中带有较强主观性，降低了结果的可信度。
但是，数值模拟技术在常规地质灾害研究领域却相当广泛，结合应急实践经验来看，两者在功能和思路基本相似，大体上包括稳定性分析、变形机制分析和还原或推演灾害过程等3个方面，区别在于常规数值模拟缺乏应急情境适应性，例如，建模、选参及模拟结果表达等方面的特殊性。
1数值模拟技术在滑坡应急应用中的基础
在地质灾害理论研究和防治工程实践过程中，已经积累了大量数值模拟技术研究成果。尽管尚缺乏应急情境下数值模拟技术应用的专门研究，但是通过常规数值模拟的应用，尤其是单一问题的实践，可以探求数值模拟技术应急条件下应用的技术基础，相关文献分析结果及其对应急数值模拟技术应用的参考意义。
2滑坡应急数值模拟关键技术
2.1技术条件对比
文献分析表明数值模拟在常规和应急状态研究内容具有一致性，即灾害体稳定性分析、变形机理分析和破坏过程推演等3方面。现场应急处置过程中，应急调查快速查明灾害体周边工程地质条件，是现场应急模拟几何模型和物理力学参数等基本信息的主要数据来源，是建立初步数值模型的基础。此外，现场动态应急监测实时掌握灾害发展趋势，为验证数值模型的正确性和修正参数取值提供拟合数据，以便灾害体关键部位的迅速确立。应急治理阶段，数值模拟方便考虑支护结构与灾害体的耦合作用，动态反映处置措施的有效性，满足灾害应急求实效的客观要求。然而常规数值模拟应用非直面应急情景，必然与应急数值模拟技术条件存在差别。
2.2关键技术问题
应急决策需要快速研判滑坡稳定性、推演可能的滑动过程，不要求模拟结果十分精确，但必须是可靠的，这是安全法则所决定的。分析突发地质灾害应急响应技术流程，表明数值模拟技术在实际应急处置过程可以发挥辅助应急决策作用，应急响应启动之后便可介入。表3从应急建模、数值方法选择和参数选取及结果表达等3个方面，提出数值模拟技术在应急过程中应用的关键技术方法。
针对灾害应急情景模式，使数值模拟技术应用更加高效，有必要分类建立灾害类型数据库，库内包含常见典型应急案例数值模型建立、方法选择和主要参数类型及取值等基本类，以便应急处置过程中直接调用，在此基础上作出特异性修改；同时为规范化建模，有必要探索半自动和自动化应急建模技术，最终实现参数输入、模型输出的现场应急快速建模，也有利于数值模拟技术更为广泛的应用，当然也要充分降低数值模拟主观性因素的影响，增加模拟的准确性。
3典型滑坡应急案例实证研究
2015年6月14日，位于峨眉山市九里镇兴阳村九沙河右岸发生大型顺层岩质滑坡，滑坡体总体积约500×104m3，27户共52人安全受到威胁，滑体前缘冲进九沙河，形成厚度达50m左右的堰塞坝体，汛期对下游存在重大安全隐患。应急现场迫切需要对滑坡发生机理和滑动过程进行分析，以便迅速确定滑坡成因和应急治理重点。在应急调查观测基础上，经综合考虑，结合非连续大变形分析真实时间模拟和大变形问题处理的优势，对滑坡滑动成因和滑动过程进行推演，辅助应急决策。
3.1应急建模
峨眉山九里滑坡灾情发生后，迫切需要对灾害发生过程进行反演，确立防治重点。通过滑坡历史资料收集和现场应急调查，确定潜在滑动面和基岩出露情况，滑体被两组节理切割破碎，凝灰岩滑带泥化现象严重，充分利用三维激光扫描技术非接触式测量的技术优势，获得滑坡表面云图，结合历史卫星遥感图，推测原始地面，将滑坡划分为滑体和滑床两个部分，滑床为一个整体，初步建立滑坡二维几何模型。滑坡物理力学参数取值综合考虑经验取值、反演分析和既有资料。本工程以历史资料为主，辅以专家意见，利用数值分析参数反演的优势综合确定符合现场实际的物理力学参数。根据计算模型简化结果，将滑坡参数分为岩体和节理参数两类。模型的左右边界和底部边界设为固定边界，上部自由边界以模拟滑体在自重作用下的位移。根据现场应急调查，滑坡出露基岩位置为滑动面，故将基岩以下划分为一个块体；单元尺寸趋于均一，以便充分反映降雨弱化滑体物理力学参数对滑体稳定状况的'影响，滑体部分块体系统包含块体单元306个，布置前中后3个监测点。
3.2结果解读与实证分析
3.2.1滑坡启动原因
通过现场应急调查、参数反演和历史数据收集，滑体天然状态下黏聚力约30kPa，内摩擦角约30°。天然状态模拟结果显示，由于滑体前缘存在髙10余米的临空面，滑体前缘部分块体发生滑动，11#监测块体显示滑距最大为0.65m，滑体缓慢蠕动后，关键块体稳定系数保持在1.8左右，说明滑坡整体稳定。应急调查表明，现场水文地质条件简单，主要为第四系松散地层孔隙潜水和基岩裂隙水，滑坡处于地下水位以上，且灾情发生前该区域多日连续降雨。综合模拟结果及实际情况初步判定造成灾情的主要诱因是降雨弱化节理岩体物理力学参数，临空面为滑坡发生提供有利条件。
3.2.2滑动过程推演
根据前述对滑坡发生诱因的初步判断，拟合现场滑体变形和关键标志物的运动情况，通过数值参数反演确定实际滑体物理力学参数估计值。根据DDA模拟结果，滑坡滑动分为启动、快速滑动和堆积3个阶段，启动阶段滑体前缘块体首先滑出，滑体后缘出现拉裂面；快速滑动阶段，滑体表层松动，部分块体飞起，滑体滑动过程中最大水平位移约87m，速度峰值最高达7m·s-1；堆积停止阶段，随着滑坡势能的摩擦消耗，以及滑体前缘出现反压，滑体中下部趋于稳定，表层碎石土局部发生缓慢滑动，滑距约为38m，前缘堆积体厚度53m，持续时间70s左右。
综上所述，王山—抓口寺滑坡破坏模式为以后部推移为主、前部牵引为辅的“强降雨-入渗-岩体软化-推拉”破坏模式。模拟结果很好的为确立应急治理重点和理解滑坡发生机制提供了参考，辅助应急效果明显。
4结语
突发地质灾害应急现场对数值模拟技术提出了对时间、模拟结果和可靠度的更高要求。实际灾害应急是多学科、多领域、多部门和多层次的综合性防灾减灾活动。灾害应急现场对数值模拟技术的应用提出了实际需求，虽然常规数值模拟在灾害领域的研究存在非基于时间和应急模式模拟等诸多应急工况适应性不足问题，但是也为数值模拟技术应急应用提供了大量素材。应急过程中，应急调查为数值模拟提供了基础数据，应急监测作为验证建模准确性和模拟结果的合理性的重要手段。通过峨眉山九里镇王山—抓口寺滑坡灾情的数值模拟技术应用分析，直观的反映了数值模拟在灾害应急的极大优势，进一步说明了数值模拟技术对应急决策辅助效果明显。
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