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鸡尾山高速远程滑坡运动过程模拟研究

张龙  
【摘要】:2009年6月5日,重庆市武隆县铁矿乡鸡尾山山体发生了大规模的崩滑,约500万方被结构面切割成“积木块”状的灰岩山体,沿缓倾页岩软弱夹层发生整体滑动。高速运动的滑体物质在堵塞前部宽约200m,深约50m的铁匠沟沟谷后,形成平均厚约30m,纵向长度约2200m的堆积区,掩埋了12户民房和正在开采铁矿的矿井入口,造成10人死亡,64人失踪,8人受伤,成为近年来少有的一次灾难性崩滑事件。 紧接着,在2010年6月28日下午,贵州关岭因突降暴雨发生特大滑坡灾害,致使岗乌镇大寨村2个村民组37户99名村民遇难。地质灾害也呈现高速远程滑动特征。这两起高速远程滑坡事件拉开了西部地区复杂山体滑坡成灾机理及高速远程滑坡形成机制研究序幕。 本文在对高速远程滑坡的运动特征、高速远程运动机理研究现状等相关问题总结的基础上,从鸡尾山滑坡区域地质背景及工程地质条件入手,应用离散单元法的基本原理以及ITASCA岩土工程数值软件PFC3D对高速远程滑坡的地形等控制性因素及体积效应问题进行了探讨,最后对鸡尾山高速远程滑坡运动过程进行了深入分析。得到以下七点结论: 1.通过对鸡尾山滑坡区域工程地质条件调查,以及对鸡尾山滑坡的变形破坏历史了解,最终认为,在溶蚀作用、软弱页岩层蠕变、两组陡倾结构面切割以及采矿活动下使滑体前部的关键块体失稳直接诱发了滑坡的破坏。 2.通过对离散单元法及PFC3D软件的特点进行介绍,认为由于PFC3D软件不限制对研究对象位移,直接以牛顿第二定律,力与位移定律为基本方程,对于高速远程滑坡这类大位移大变形具有先天的良好适用性及无与伦比的优越性。同时对PFC宏观及微观参数匹配过程进行了详细论述,取得了较好经验。 3.通过对0°、30°、45°、60°“V”字型沟谷滑坡体运动过程讨论,得到以下几点结论:(1)在平面状态下,坡体物质将会因无侧向限制而扩散,随着侧向限制加强(两侧坡角逐渐变大),坡体物质被限制在较窄的范围;(2)可以看到随着坡度增加,坡体物质重心运动距离将不断减小,(图中黑色部分为未破裂的粘结,范围越大块体越大),大块体亦主要堆积于后部;(3)将碰撞能耗(collision energy)与总的体力做功即重力做功的比值令为λ,则两侧坡角为0°、30°、45°、60°时其比值λ依次为0.3239,0.2974,0.2817,0.1987。即随着坡度增加,碰撞能耗减少,即碰撞机会减少。相比之下需要由摩擦耗能分担的部分越来越大,显然在现实同等条件下(主要运动方式非滚动情况下),摩擦能耗越大其运动(滑动)距离将越远。 4.通过方量试验得到以下几点结论:(1)随着块体数增加,速度更具规律性,前部块体的最大速度整体上大于后部块体。此外,在块体最后位置方面,前部块体整体上大部分超过10m,而大于后部块体(其一般小于10m)。经过计算3x3x3、5x5x5模型能耗比值λ依次为0.187、0.212。(2)可以看到随着块体数目增加,块体的聚集效应逐步体现,证明随着体积增大,堆积体远端位移越大,但堆积体重心(通过计算Y方向的重心位置依次为13.6m6.94m5.38m)运动的位移变小,从一定程度上证实了GH.Eisbacher (1980)提出的能量传递模型。 5.通过对不同能耗下的地形讨论得到如下几点结论:(1)低能耗地形下,滑体物质沿沟谷分布,可以看到在不同块体下(a粘结强度较低,块体小:b粘结强度高,块体较大)堆积情况有所不同,由于沟谷狭窄,底部仅二三十米,造成块体较大时,滑体在滑源区堆积,而当破裂成较小块体时可以通过部分物质。故可以得出一个结论:滑体方量或块体大小与滑坡的运动通道相适应才可能发生远距离运动。(2)中等能耗下地形由于越往下走越宽阔,块体最终运动到阻挡边界。(3)高能耗地形即T字形地形下,滑体物质从左侧滑下遇到右侧阻挡后,而向前后漫延堆积。(4)考察λ看到,低能耗、中能耗、高能耗地形分别为0.3163,0.39077,0.4326依次增加,即摩擦能耗依次减少,碰撞次数依次增加。 6.针对鸡尾山高速远程滑坡得到如下五点结论:(1)对于大型远距离滑坡,在滑坡体运动路径上坡面形态确定的情况下,滑动路径上的摩擦系数,和滑坡体的强度,对于滑体能达到的最大位移影响不大,它们的主要影响是对滑坡体物质在堆积区的分布。即滑坡发生区域的坡面形态及微地貌决定了滑坡体所能达到的最大位移。(2)鸡尾山高速远程滑坡的发生过程是分阶段完成。第一阶段主要是滑源区岩体的破裂化,第二阶段破裂块体的运动及滑出,即滑源区物质不是关键块体失稳后整体沿着滑动面飞出。在关键块体失稳后610s内都是滑体的内部破裂过程。此外可以看到在滑体破裂阶段,粘结破裂基本上达到了最终破裂的85%以上,仅有15%是在第二阶段即滑体中块体启动后经过碰撞解体过程完成的。(3)通过速度位移等监测发现滑体外围区域块体速度首先达到最大值,并具备二次加速的特征,综合速度及位移可以认为在滑体中处于上部边缘部分更有可能远距离运动。(4)通过对摩擦系数与粘结强度影响讨论,结合堆积形态等不同模拟结果,认为鸡尾山滑坡当摩擦系数为0.05,粘结强度为中等(250-200MPa)时,得到的结果最合适。(5)离散元颗粒流软件PFC3D对滑坡运动过程的模拟,可为防灾减灾工作及决策提供有益参考。 7.在高速远程滑坡的机理上,应该承认高势能的作用,高势能为高速提供能量基础,但是高速不一定远程,滑坡体发生远距离运动必须有有利于滑坡体运动的地形条件。


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