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浙江省东部台风暴雨诱发滑坡变形特征和成因机制研究

张泰丽  
【摘要】:我国海域广阔,是世界上台风登陆最频繁和台风破坏最严重的国家之一。浙江省东部火山岩发育,在丘陵山区广泛分布着厚达十几米的风化壳,在高频高危的台风暴雨袭击作用下,常引发大量的滑坡灾害,其具有“分布广、规模小、频率高、群发性、危害大”等特点,严重威胁人类生命及社会经济安全,已列为地方政府防灾减灾的重点。由于降雨强度及时效的差异,台风暴雨诱发滑坡的变形特征及成因机制不同于一般降雨诱发的滑坡。通过数值及物理模型试验模拟,确定台风降雨期不同时段边坡水文响应及变形破坏特征、临界高降雨量阈值等,对台风期诱发滑坡的早期识别及预警预报有重要的指导意义。本文基于多次台风期诱发滑坡的调查资料,选择典型滑坡,采用数理统计、典型滑坡勘查监测、数值模拟和物理模型实验模拟等方法,分析了台风暴雨诱发滑坡的特征及影响因素,初步构建了台风暴雨诱发滑坡的成因机理概念模型,从内外动力机制的角度,基于降雨量—含水量—地下水水位—位移—应变等主要参数的变化规律,提出了台风暴雨条件下滑坡的成因机制及预警预报临界降雨量阈值。最终本文形成的主要认识和成果如下:(1)通过对影响及登陆浙江台风期降雨资料统计,分析了台风降雨的强度及降雨周期,重点从过程降雨量、降雨强度及降水历时三方面阐述了台风期诱发滑坡的降雨效应。台风常造成大—特大暴雨,影响浙江沿海地区的台风最大日降水量一般都高于200 mm/d,其诱发的滑坡多集中于暴雨期,并无明显滞后性,临界降雨量在180~200 mm/d之间。(2)基于1999~2009年间影响浙江省的7次台风暴雨引发的滑坡数据,阐述了台风暴雨诱发滑坡的发育特征及影响因素,并选择典型滑坡建立了工程地质模型,提出了台风暴雨诱发滑坡成因机理的两种概念模型。研究发现台风暴雨诱发的滑坡主要以浅层土质小型滑坡为主,根据变形特征主要可分为破坏型滑坡和缓动型滑坡两种类型。破坏型滑坡规模及厚度较小,突发性强,物质来源主要为松散残坡积层,成因机理模型以浅表顺层滑动为主;缓动型滑坡规模及厚度较大,以蠕滑为主,危害性大,物质来源为不同岩体风化层,成因机理模型以缓动型滑坡滑动为主,此类滑坡为本文研究的重点。(3)为刻画台风暴雨在斜坡内部的渗流特征,本文从两方面描述水文响应及变形特征:一方面采用物理模拟真实再现台风暴雨周期内斜坡含水率变化引起滑坡的变形规律;另一方面采用数值模拟分析台风暴雨条件下斜坡内地下水水位变化引起滑坡变形的成因机制。本文数值及物理试验模型主要基于通过勘查及监测建立的中林村滑坡工程地质概念模型。(4)本文基于文成县中林村滑坡,运用BOTDA光纤感测技术,开展了台风暴雨条件下的室内物理模型试验,从岩土体含水率的变化及斜坡应变分布方面,揭示了台风暴雨条件下滑坡启动及变形破坏机制。台风期降雨强度与斜坡含水率、应变等密切相关,降雨量50~200 mm/d为斜坡含水量与应变快速上升期,即孕灾期,200 mm/d对斜坡出现较大变形,形成滑坡的临界降雨量阈值,滑裂面的位置与含水量突变位置相一致。(5)应用Geostudio软件对中林村滑坡进行了数值模拟,模拟了台风暴雨两种工况条件下地下水水位及斜坡位移变化规律。在瞬时高强度降雨(台风期极端降雨)和台风暴雨渐变降雨(台风期极端降雨前期降雨量)两种工况条件下,坡体内地下水渗流特征基本相同,地下水水位响应迅速,在24小时降雨后,斜坡体内中前部地下水位位于强风化和中风化接触面附近,而在坡脚位置形成坡面溢流。在台风暴雨前期渐变降雨阶段(工况二),稳定系数与地下水水位呈弱相关,斜坡变形位移量较小呈蠕滑状态,仅表部可见细微裂隙。在台风极端暴雨阶段(工况一),地下水水位上升至强风化带内以后,稳定系数快速下降,水位稳定以后,稳定系数下降速度减缓,斜坡位移量增加,斜坡处于变形破坏阶段。工况一较工况二位移量大、滑面埋深大。(6)通过数值及物理试验模拟,建立了台风暴雨引起斜坡变形破坏的两种地质力学模式:蠕滑—拉裂和塌滑—拉裂—蠕滑,其中瞬时高强度降雨条件下滑坡的失稳模式以塌滑—拉裂—蠕滑为主,而渐变式降雨条件下滑坡的失稳模式在蠕滑—拉裂和塌滑—拉裂—蠕滑两者之间转换。(7)通过台风期诱发滑坡的特征分析,基于中林村滑坡的物理模型试验及数值模拟,研究发现台风暴雨诱发滑坡的成因机制主要分为两个阶段:孕灾阶段和破坏阶段,台风期前期降雨量是滑坡的孕灾阶段,降雨引起斜坡岩土体含水量变化,从而重度增加,导致岩体发生变形破坏。该阶段滑坡位移量较小,处于蠕滑状态,表部可见拉张和剪切裂隙,滑面埋深较浅;台风期形成极端暴雨时激发滑坡加剧,为变形破坏阶段,降雨引起地下水径流强度及速度增加,携带大量的土石颗粒流失,形成空洞,导致斜坡上部岩土体发生滑塌,发生大位移量滑移,并形成圆弧形的二级滑动面,滑面埋深较大。(8)在台风暴雨前期的渐变降雨阶段触发滑坡蠕动变形的临界降雨量为100mm/d,在该阶段应对裂隙进行填埋,并建立排水沟,加强斜坡监测;当降雨量超过200 mm/d,滑坡发生剧烈变形破坏,在该阶段应以避让为主。


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