学术前沿 | Engineering Geology 洞察结构面控制的降雨诱发泥岩滑坡的破坏机制

学术   2024-10-26 08:01   陕西  

结构面在控制泥岩滑坡中的作用是中国黄土高原地质灾害研究的关键问题。本研究通过不同边坡结构的 3 个模型试验,研究了滑移控制结构对泥岩滑坡机理的影响。结果表明:试验边坡的水文响应和破坏模式随结构条件的变化而变化。垂直节理作为优先渗流路径,加速降雨渗透,导致体积含水量和孔隙水压力的早期响应。随着竖向节理的加入,边坡破坏模式趋于由浅层破坏转变为深部破坏。弱夹层的存在导致滑动质量的速度和跳动显着增加。不同滑控结构对边坡破坏程度和变形特征的变化进一步改变了体积含水量和孔隙水压力的时空分布。不同的边坡破坏模式对应于不同的滑动控制机制,这些机制由结构平面的类型及其与水文响应的相互作用为主。在这些机制的作用下,孔隙水压力和渗流力在降低有效应力和抗剪强度方面起着重要作用。
图 1.灾难性 Pan'an 滑坡的位置和地质环境。(a) 滑坡的位置和滑坡区域的地形。(b) 显示采样点位置和边坡变形的滑坡正射影像。(c) 滑坡地区的地质条件。
图 2.Pan'an 滑坡的典型特征。(a) 显示滑坡全景的 Arial 摄影。(b-c)II-1 滑坡的局部变形。(d) II-1 滑坡沉积物前部的采样位置。(e) II-1 滑坡的纵向剖面。
图 3.实验室实验装置示意图。(a) 实验系统示意图。(b) 实验箱的照片。
图 4.实验斜率示意图和监测系统布局。
图 5.显示 (a) 正射影像、(b) 中央截面和 (c) 实验斜坡的数字高程模型的示例。
图 6.(a-c) TSP-1 、 (d-e) TSP-2 和 (g-i) TSP-3 试验在不同时刻试验斜坡中润湿前沿的位置。
图 7.(a) TSP-1、(b) TSP-2 和 (c) TSP-3 测试的润湿前沿的平均速度以及湿度传感器的响应时间。方形符号表示每列湿度传感器处润湿前沿的深度平均速度。t 的表示法0表示降雨渗透开始的时间。1和 t2分别表示上部(MS2-1、MS2-2、MS2-3、MS2-4)和下部(MS1-1、MS1-2、MS1-3、MS1-4)传感器的响应时间。
图 8.TSP-1、TSP-2 和 TSP-3 实验中边坡破坏在各个关键时刻的演变过程。
图 9.TSP-1 实验在 (a) t = 0 h,(b) t = 8.5 h,(c) t = 82.5 h,(d) t = 153.5 h,TSP-2 实验在 (e) t = 0 h,(f) t = 10.5 h,(g) t = 71.5 h,(h) t = 131 h,TSP-3 实验在 (i) t = 0 h,(j) t = 5.5 h;(k) t = 35 小时,(l) t = 84.5 小时。
图 10.TSP-1、TSP-2 和 TSP-3 实验不同阶段的广义边坡破坏模式。
图 11.在所有实验条件下,边坡不同传感器位置的体积含水量的时间演变。(一、二)TSP-1 测试的前 12 小时内体积含水量 (a) 和 (b) 整个实验中的变化。(c, d)TSP-2 测试前 12 小时内体积含水量 (c) 和 (d) 在整个实验过程中的变化。(e, f)TSP-3 测试的整个实验中前 12 h 和 (f) 体积含水量 (e) 的变化。
图 12.(a) TSP-1 实验、(b) TSP-2 实验和 (c) TSP-3 实验在每个降雨周期中湿度传感器不同位置的体积含水量变化。(d) 三个实验中 MS1-1 传感器位置的体积含水量变化。向上箭头表示降雨阶段体积含水量的增加,向下箭头表示降雨停止后体积含水量的减少。
图 13.(a) TSP-1 实验斜率、(b) TSP-2 实验斜率和 (c) TSP-3 实验斜率在不同传感器位置的孔隙水压力时间演变曲线。
图 14.具有不同破坏模式的新近纪泥岩滑坡案例。(a) 位于甘肃省鼓浪县黄泥岗村的泥岩滑坡,其滑动面切穿泥岩地层。(b) 小菜沟子滑坡(Xin et al., 2018a),位移块体沿着泥岩的薄弱夹层滑动。(c) 长河滑坡沿旧滑坡滑坡的滑动面发展 (Wang et al., 2020)。

结论

本研究通过一系列室内模型实验,研究了降雨诱发的泥岩滑坡与滑动控制结构之间的相互作用。通过对不同结构条件下泥岩边坡的入渗过程、水文响应、变形特征和破坏模式的详细分析,揭示了各种结构面的滑动控制机制。这项研究为地质结构在降雨条件下如何以及何种类型影响泥岩边坡行为提供了新的见解。研究结果对西北地区滑坡灾害评估、预测和减灾具有重要的实际意义。得出一些具有启发性的结论如下。
  • (1)

    降雨初期的渗透过程表现为湿润前沿迁移,可分为均匀相、异质相和收敛相。均匀相对应于雨水的非压力渗透,而最后两个阶段在斜坡的正面、中部和后部表现出不均匀的渗透速率,这是由于地表径流分布的差异造成的。垂直方向的渗透速率随着深度的增加而降低,但沿垂直节理的渗透速率显著增加,垂直节理是优先渗流路径。

  • (2)

    斜坡对间歇性降雨的水文响应以体积含水量和孔隙水压力的周期性变化为特征。在各试验中,较高的含水量和孔隙水压力主要集中在边坡中后部的泥岩-基岩界面。体积含水率的变化范围呈从坡肩到坡脚递减的趋势,与排水方向一致。沿构造面的优先渗流对水文响应影响显著,在入渗阶段促进了垂直节理周围土体含水量和孔隙压力的快速增加,有利于泥岩-层岩界面附近的快速排水。

  • (3)

    在整个实验过程中,湿度传感器和孔隙水压力传感器都通过测量值的突然变化来响应边坡破坏。以体积含水量或孔隙水压力突然下降为特征的响应是由破坏表面的形成或土壤结构变化引起的瞬态排水过程引起的。含水率和孔隙压力的急剧增加表明边坡变形过程中发生了剪切和压缩。边坡破坏对水文响应的长期影响对应于原始水力平衡的丧失和边坡内新平衡状态的形成。根据结构条件的不同,不同程度的破坏程度和变形特性会导致体积含水量和孔隙水压力的大小发生变化。

  • (4)

    在所有试验中,初始破坏通常发生在坡趾,其次是倒退性斜坡破坏。在不同滑控结构作用下,边坡呈现出3种类型的破坏模式,概括为倒退浅滑、倒退多滑和倒退滑流。不同的破坏模式由不同的结构面及其与水文响应的相互作用为主,其中孔隙水压力和渗流力起着重要作用。竖向节理为边坡破坏提供了上边界,同时也起到了优先渗流路径的作用,而弱夹层的作用主要是为滑坡提供了优先的滑动面。


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