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大光包巨型滑坡堆积特征及“刹车效应”研究

叶坤  
【摘要】:在发震断裂附近发生的强烈地震一般都具有非常复杂的动力环境。所以由强震引发的高速远程滑坡往往具有比较复杂的运动和堆积过程,同时也会具备一些在地震地条件下才能观察到的动力学特征。大光包巨型滑坡是5.12汶川特大地震触发的规模最大的滑坡,也是新中国成立以来已知规模最大的地震滑坡,其规模之大、破坏之强、形成机理之复杂、堆积特征之独特,在世界范围内也是极为罕见的。作者在大光包滑坡现场调查研究的基础上,详细研究了滑坡堆积体的堆积特征,并分区进行了精细描述;此外初步计算了滑坡发生各阶段的的运动速度等;最后,通过物理模拟实验验证了大光包滑坡失稳后运动过程中刹车效应的发生机理并分析了其动力学特征。本文取得的主要认识和结论简述如下: (1)将大光包滑坡区最新的1:2000地形图与滑坡前原有1:50000地形图进行详细对比,在滑坡区内布置七纵八横共15条剖面线;在此基础上详细分析了滑坡堆积体的纵向结构特征,合理推测了滑坡剪出口位置,其位置分布在黄洞子沟沟底右侧,高程分布在1440~1600m。 (2)综合考虑滑坡要素、堆积体形态特征与其表层块石的岩性分布以及地震前后地形差异,可将大光包滑坡区初步分为5个大区,分别Ⅰ区滑源区、Ⅱ区后期崩塌堆积区、Ⅲ区主堆积区、Ⅳ区上游碎屑流堆积区、V区下游碎屑流堆积区、Ⅵ区抛射-漫流区。其中Ⅰ区滑源区又分为Ⅰ1后缘拉裂壁、Ⅰ2北侧拉裂壁、Ⅰ3南侧滑床三个亚区;Ⅱ区又分为Ⅱ1、Ⅱ2、Ⅱ3三个亚区;Ⅲ区又分为Ⅲ1、Ⅲ2、Ⅲ3、Ⅲ4、Ⅲ5五个亚区,共计11个亚区。详细描述了各区的滑坡堆积特征。研究结果表明,滑坡堆积的块石岩性等特征并不是随意杂乱的,而仍有一定的规律性,其堆积块石岩性主要以泥盆系沙窝子组(Ds)灰岩为主,其它岩性也大体根据原有的层序分布在堆积体表面。 (3)调查了堆积表面散落511块扁平块石的优势产状,了解了扁平块石的一些堆积规律:从整体上看,扁平块石的优势方向并不十分突出,明显受到局部地形的影响;从各个分区来看则有着较为明显的优势方向,且该优势方位与该区的地貌形态、碎屑流的来源和成因等有着较为密切的关系。 (4)在扁平块石优势倾向调查的同时,对散落于堆积体106处倾倒树木的树干走向、树干直径等进行了调查,发现其走向在总体趋势上还是与滑坡主滑方向相一致,这与现场调查分析所得结果基本拟合。同时有些倾倒树木也会受到堆积体局部运动趋势的影响而只能反映出滑坡体局部的运动堆积特征。 (5)滑坡运动过程分可为四个阶段:(a)坡体震裂及滑床碎裂化阶段;(b)滑体锁固段剪断、滑体启程剧动阶段;(c)滑体高速溃滑阶段;(d)刹车超覆-震动堆积阶段。滑坡启程剧动是在地震作用下由于滑坡临床弹性冲动加速效应引起的,利用锁固段积累应变能和Newmark法分别计算了滑坡的启程剧发速度Veo为1.63~2.82m/s。滑坡行程中高速运动,在运动到沟底时其最大速度Ⅴ可达91.34m/s,该速度也即滑体发生刹车效应时的碰撞刹车速度。主滑体刹车后的碰撞速度Ⅴ’1为49.54m/s。从中可以看出,主滑体因刹车效应而发生强力碰撞后,其拥有的动能在瞬间减半,能量损失过半。另外还计算了滑体地在Ⅵ区抛射区的抛射速度Ⅴ0大约为102.3m/s。 另外,大光包滑坡的运动特征值为0.3014,比普通的高速远程滑坡的特征值要偏大,说明大光包滑坡在运动中明显受到前方山体的强力阻挡,使得滑坡在刹车效应的作用下,其运动所具有的能量损失较多,故降低了滑坡碎屑流的流动性及运动距离。 (6)探索性地设计并试验了刹车效应物理模拟试验,采用了6种不同的试验材料,在2种不同的速度下,一共进行了11次刹车效应的碰撞试验,取得了不同的试验效果。通过对模型试验结果与实际大光包滑坡的刹车效应进行对比分析,可以发现,模型试验中有许多试验现象都与实际的刹车效应耦合。因此,该试验结果基本验证了大光包滑坡刹车效应的形成机制。 (7)大光包滑坡刹车效应的形成过程可概括为两个阶段:1)高速滑体碰撞解体阶段,2)逆冲超覆堆积阶段。第1)阶段主要表现为主滑体下部岩层直接刹车急停;中上部岩层发生一定程度的挠曲变形;顶部的强卸荷带岩体和覆盖层由于前方临空沿着岩层走向直接前向扑出。第2)阶段主要表现为主滑体表层岩土体向前运动碰撞解体,形成高速碎屑流,翻越独杉树梁子形成超覆堆积;上部岩层在惯性作用下迎向独杉树梁子逆冲爬高,使原岩层面发生反翘,形成一系列推覆结构,最上层的岩层甚至直接翻越山梁形成逆冲超覆堆积。 另外解释了大光包滑坡发生刹车效应的三个关键性因素,即滑坡区地形地貌、滑坡体的岩体结构特征以及滑体具有足够的势能差。这三个因素缺一不可,其中地形地貌是最为关键的因素。


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