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地震诱发滑坡(碎屑流)成因机理及运动学特性初步研究

黄河清  
【摘要】: I汶川地震是新中国建立以来,影响范围最广、伤亡最为严重的地震灾难。地震最终造成87150余人遇难,大量房屋和基础设施损毁,工农业生产遭受重大损失,生态环境遭到严重破坏,直接经济损失达8451亿元。强烈地震引发的崩塌、滑坡、泥石流、堰塞湖等次生地质灾害的数量和规模都极为巨大。汶川地震诱发的地质灾害表现出与重力作用下地质灾害迥异的动力学特征。这些巨型滑坡灾害受强烈地震动的影响,不同程度的出现高速度、强动能以及强烈的流体化特点。文家沟滑坡—碎屑流就是其中之一。 强烈地震过程,尤其是在发震断裂附近,往往具有极为复杂的动力环境。因此,强地震诱发的高速远程滑坡一般具有较为复杂的运动过程,也具备一些在非地震条件下较为罕见的动力学特性。本文以汶川地震诱发的文家沟高速远程滑坡—碎屑流为典型案例,在现场调查研究的基础上,分析了文家沟滑坡—碎屑流堆积体不同部位的堆积物结构特点,分析了文家沟滑坡的激发—启动—加速—碎屑化—停积各阶段的成因机制和运动特点,并对提出的激发—启动机制进行了二维振动台物理模拟验证。最后,本文对包括文家沟滑坡—碎屑流事件在内的66个全球范围的地表滑坡典型案例进行了统计分析,获得了地震诱发和非地震诱发滑坡在运动学特征上的联系与差异。本文获得的主要认识和结论简述如下: (1).文家沟滑坡—碎屑流事件是由特大地震直接诱发的高位、远程、超高速的中—深部岩质巨型滑坡—碎屑流过程。整个事件历时1min左右,滑体厚度20~30m,初始体积约2.750×107m3,并最终在文家沟沟谷中留下总体积达5×107m3的堆积物,最大堆积厚度近150m。 (2).文家沟滑坡—碎屑流堆积体不同位置的颗粒直径含量是与其运动过程相对应的,表现为:随高程下降总体呈现大直径颗粒含量减小,中等颗粒直径含量上升。 (3).分析计算表明,滑坡—碎屑流体运动全过程依据运动学特征可分为五个冲程,并经历了明显的先加速后减速直至停积的过程。其中,第一冲程为启动和加速阶段。滑体在地震作用下的启程剧发速度高达8.32m/s。在凌空飞行阶段结束时,滑体在地震力和重力作用下被加速到143.80m/s,并在随后的剧烈碰撞中解体和碎屑化。根据山体遗留的多处撞击和超高痕迹,沿途堆积物结构特征,以及撞击区与堆积垄岗之间的空间位置关系,本文重建了滑坡—碎屑流运动路径和运动过程。 (4).文家沟滑坡—碎屑流的运动特征值为0.326,较一般高速远程滑坡偏大。这是滑体/碎屑流体与文家沟山体多次发生碰撞而引起的动能损失所导致的。 (5).文家沟中,滑坡和碎屑流这两种运动状态分界较为清晰。在半圈闭的沟谷中,滑体解体后形成的碎屑物迅速和空气混合为由气固二相物质组成的气溶胶体系(即G-S体系)。而由于此时碎屑物质依然具备的高速度,使得这样的混合物质集合体得以继续运动,成为高速“干碎屑流”。由于气态成分的散逸和四次撞击导致的速度减低,使得碎屑流体的运动能力和速度迅速下降并停积在文家沟沟口。 (6).文家沟周边的特殊地形,导致强烈地震波在山体转折、坡度突变部位产生“应力集中”,并与在高耸山脊顶端产生的“尖端放大效应”相叠加,最终形成“地形能量汇聚效应”,控制了滑源区岩体的破坏边界。 (7).滑源区呈顺向坡产出的中厚层灰岩、白云岩岩体在周期往复的强烈地震波长时间持续作用下,被切割成规模不等的板状块体,外倾结构面(包括层面)发生“钝化”,粘聚力迅速丧失。被切割成大小不等的块体的破碎岩体最终在纵横波共同作用下向凌空面方向“跳起”,进而产生“多米诺骨牌”效应,导致整个岩体的崩溃。 (8).对66个地面大型滑坡案例的统计分析表明,滑坡体积与其运动特征值μ联系较紧密,前者并在较大程度上决定了最大运动距离。而滑坡的运动距离与它的破坏范围(即滑坡面积)相关度较高。对于发生在地表的高速远程滑坡而言,尽管相同成因的滑坡往往具有相似的运动特征,但是具有相同运动特征的滑坡则往往因触发因素和发生环境的差异而具有不同的成因机制。


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