学术前沿 | Landslides 在缓坡地形中地震引发的液化引起的泥石流:案例研究

学术   2024-11-30 07:45   陕西  

2023年12月18日晚11时59分,甘肃省积石县发生6.2级地震(简称2023年积石山6.2级地震),导致黄河阶地震中20公里处发生黄土泥石流。许多房屋被厚厚的沉积物掩埋,20人死亡。本文通过高分辨率遥感、无人机(UAV)成像(~ 10 cm)、野外调查、动三轴试验、环剪试验和flow - 2d模拟等手段,研究了地震引发黄土泥流的形成特征和过程。此外,还分析了地震作用下饱和黄土液化的特征。结果表明:(1)地震引起的黄土泥流破坏面积约为15万m2,最大破坏深度为13 m;地质灾害链影响区长2.8公里,面积0.43平方公里。黄土泥流的平均移动速度约为2 m/s,淹没面积约为1.9 × 105 m2,沉积物厚度为0.5 ~ 3 m。(2)黄土泥流涉及饱和黄土在振动荷载作用下,孔隙水压力(PWP)突然增大并液化,最终导致灾难性失稳破坏。其形成过程可分为以下几个阶段:振动诱发饱和黄土液化;沟壑区积水促进了失稳土体的流动;蓄水坝的崩塌加速了溃决体的流动;开阔平坦的地形导致破坏体下埋深面积增大。(3)高幅频动应力使饱和黄土在最短时间内发生破坏。动强度和抗液化强度随振动持续时间的增加而降低,且受动载荷和振动频率的影响,随着振动频率的降低和动应力比的增大,动强度和抗液化强度显著降低。(4)孔隙水压力(PWP)超过正应力,导致有效应力为负。这使得滑动带表现出明显的液化和流动滑动,导致剪切位移形成液化型黄土泥流。这一现象解释了该地区饱和黄土破坏后频繁形成黄土泥石流的原因。

研究区域的位置

黄土泥石流前后

黄土泥石流的特征(a 泥石流的分区和破坏区域  b 深度)

黄土泥石流破坏区特征

黄土泥石流的上游流和沉积段

黄土泥石流的下游沉积和流动段

黄土泥石流沉积区

振动过程中饱和未受扰动黄土的 PWP (a) 和应变 (b) 动态曲线 (CSR = 0.17)

不同动应力比下的抗液化强度曲线

饱和黄土环剪试验中的抗剪承载力、PWP 和剪切位移

抗法向应力的剪切强度

从模拟中获得的黄土泥石流的沉积深度和流速(a 沉积深度和 b 流速)


研究 2023 M 诱发的黄土泥石流的形成过程和特征S6.2 集石山地震,以及地震事件期间饱和黄土液化的特点,进行了现场调查、GDS动态三轴试验、环剪试验和Flo-2D模拟,得出以下结论。
(1)
2023 M 引发的黄土泥石流S6.2 积石山地震移动了 2.8 公里,面积 0.43 公里2。黄土泥石流的平均移动速度约为 2 m/s,泥石流面积为 1.9 × 105 m2,体积为 6.75 × 105 m3。泥石流过程可分为4个阶段:地震震动诱发饱和黄土液化,沟渠积水促进了体流破坏,蓄水坝坍塌加速了破坏体的流动,开阔平坦的地形增加了破坏体的埋藏面积。
  1. (2)
    饱和未受扰动黄土的变形速率随振动逐渐增加。高振幅、低频动态应力以最快的速度破坏样品。动强度和抗液化强度均随振动的增加而降低,这受动载荷和振动频率的影响。具体而言,强度随振动频率的降低而显著降低,随动应力比的增加而降低。

    (3)剪切位移达到 1500 mm 后,PWP 超过法向应力(152 kPa vs. 150 kPa),导致负有效应力,并表明样品滑动区具有明显的液化和流动滑动特性。在济石山饱和黄土样品中,剪切产生的过量PWP将有效应力降低到零,导致形成液化型黄土泥石流。这种现象解释了为什么该地区的饱和黄土在黄土溃败后容易形成泥石流。

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