学术前沿 | Engineering Geology 灾难性地震引发的黄土滑坡的流动性

学术   2024-11-02 08:00   陕西  

滑坡流动性是指滑坡可以向下移动的距离和速度。它控制着山体滑坡的影响区域和破坏力。高度移动的滑坡通常始于陡峭超过 30° 的斜坡上。然而,在 2023 年 12 月 18 日,地震引发的滑坡(35°52′54“N,102°51′10”E)表现出非凡的流动性,整体行进角度为 1.5°,打破了陆上滑坡记录。流滑起源于一个平缓的斜坡 (3.6°),侵蚀了沿途的土坝,最终摧毁了 51 座房屋,夺走了 20 人的生命。进行了遥感和实地调查,以提供灾害链的形态特征。采用数值程序 EDDA(侵蚀-沉积泥石流分析)来重现流动动力学并调查过度活动的原因。研究结果揭示了过度移动的三个主要原因:(1) 由于灌溉活动和地震载荷的综合影响,饱和粉质黄土层液化,(2) 黄土的松散和大孔结构,以及 (3) 受限地形和冰冻河床。揭示的机制对于理解地震活跃地区缓坡上的流化质量运动具有广泛的意义。
图 1.(a) M 的构造和地貌设置s6.2 吉士山地震。F1:拉季山北部断裂;F2:拉季山南部断裂;F3:道塘河-临夏断层。峰值加速度表示地震仪(黄色三角形)在所有三个方向上记录的最大值。(b) 区域地质图(Pang et al., 2017)。(有关此图例中对颜色的引用的解释,读者可参考本文的网络版本。
图 2.中川流滑坡的地貌特征。(a) 中川滑坡的边界;底图:高分 7 号。航空照片显示 (b) 震源区域;(c) 被侵蚀的土坝;(d) 埋地建筑群。在图 (c) 中,沉积材料的海拔 [1806.7 m a.s.l.] 高于坝顶 [1805.8 m a.s.l.] 的事实表明了溢流破坏机制。展板 (d) 照片来源:新华社。
图 3.(a) 中川滑坡纵向地形剖面;剖面在图 2a. (b) 源区的土壤层中显示为黑线。(c) 当地日气温。现场照片显示 (d) 源区裸露的土层和受损的农业灌溉渠;(e) 从门中流出的高流动性混合物。

图 4.各种滑坡类型的移动指数 H/L 与源体积的关系。来自 Corominas (1996) 的落石/岩石雪崩、平移滑坡和土流数据;来自 Hunter 和 Fell (2003) 的泥石流受限和泥石流无受限数据;从 Schneider 等人(2011 年)检索的岩冰雪崩数据;黄土滑坡 - 降雨和黄土滑坡 - 地震数据来自 Zhang 和 Wang (2007)。

图 5.示意图显示了在可侵蚀层上移动的流动层,并伴有侵蚀和沉积过程。h, 流深;Z 系列b、河床表面高程;𝜃,河床表面坡度;𝜏,作用在可侵蚀层上的剪切应力;𝐶𝑣𝐶𝑣分别是流层和可侵蚀床中的固体体积浓度。

图 6.已建立的 EDDA 数值模型的模拟区域。

图 7.最大流高的观测值。(a) 显示面板 (b)-(e) 中所示的四个验证点位置的地图。(b) 带有泥浆痕迹的结构。(c, d)两栋建筑有泥痕。(e) 从倾斜航空摄影重建的逼真 3D 场景中测量最大流高。

图 8.数值模拟结果的验证。(a) 源材料的几何图形。(b) 100 s 处的总深度快照;(c) 500 秒;(d) 1800 年代。(e) 100 s 处的流速快照;(f) 500 秒;(g) 1800 秒。(h) 六个验证点的模拟时间序列总深度。(i) 模拟的最大总深度与观测值的比较。(h) 和 (i) 中六个验证点的位置由面板 (a) 中的矩形表示。


图 9.(a) 总深度和 (b) 流速的时空演变。(c) 总深度、(d) 流速和 (e) 流量的时间演变。

图 10.河道侵蚀的空间分布。(a) 河道侵蚀深度的数值模拟结果。现场证据显示 (b) 在岸边斜坡的脚趾处进行冲刷,以及 (c) 由于对斜坡脚部的冲刷,河岸斜坡坍塌。说明土坝侵蚀的正射影像:(d) 滑行前的完整土坝;(e) 滑行后完全侵蚀的土坝和土坝的横截面形态。

图 11.(a) 沉积深度和 (b) 固体体积浓度 (𝐶𝑣).

图 12.显示冰存在的照片。(a) 水从沉积材料中渗出并冻结成冰。(b)-(c) 河床上破裂的厚冰层(~ 15 cm 厚)。(d) 冻结的河床。图 (b)-(c) 所示的完美冻结多层冰结构必须在滑动事件之前就已经存在。这些照片的摄影位置如图 7a.

已经收集了相关的现场证据来调查过度活动的原因。已经确定了三个关键因素:受限地形、黄土多孔结构的高可塌陷性和饱和黄土的液化。

  • (1)

    受限的地形和冰床的存在。被移位的源物质直接飞入一个狭窄的通道(10-30 m 宽)(图 2a),该通道为质量流提供了通道化地形,以沿着通道内的行进路径增加动量。此外,事件发生前,通道内存在一层厚厚的冰床(~ 15 cm 厚)(图 12b-d),导致基底剪切阻力低。

  • (2)

    黄土的松散和大孔结构具有很高的湿陷性。黄土具有独特的微观结构,其特征是松散堆积的颗粒骨架,较大的颗粒被较细的颗粒包围(Wang et al., 2014;Peng et al., 2018b)。黄土孔隙率高,空隙率值范围为 0.6 至 1.8,固体浓度低𝐶𝑣值为 0.36–0.53。低𝐶𝑣值表示根据方程的低等效曼宁系数和动态粘度。(6)、(7)。

  • (3)

    水饱和黄土层液化。如方程 (8) 所示,水饱和粉砂质黄土层的液化大大增强了滑坡的流动性。实际上,在源区观察到明显的沙子沸腾,表明发生了液化(Chen et al., 2024b)。活动发生前,源区的大面积灌溉持续了三天,导致地下水位和源材料中的含水量升高。由于黄土松散和多孔结构的高度塌陷性,水饱和的粉质黄土极易受到循环剪切载荷的液化(Ishihara 等人,1990 年;Wang et al., 2007;Zhang 和 Wang,2007 年;Zhang et al., 2021)。距离滑坡 5 公里的地震仪记录的水平峰值加速度为 0.477 g。当受到如此强大的地震载荷时,黄土微观结构会坍塌,导致固体颗粒变得更加密集(Shen et al., 2024;Wang et al., 2024c)。这导致产生高孔隙水压力(即大孔隙压力比 (ru) 在方程 (8) 中)。然后,富含水、低固体浓度的混合物失去了强度,表现得像液体,导致液化。随后在缓坡上的长行驶距离部分是由于液化质量流的基底阻力降低。

本研究报告了 2023 年 12 月 18 日发生的地震引发的灾难性滑坡危险链。进行了遥感和实地调查以解释流淌的特征。采用数值模拟重建危险链的动力学并揭示过度活动的原因。主要发现如下:

  • (1)

    流滑的水平行进距离为 3160 m,垂直落差为 83 m,导致行进角度仅为 1.5°,超过了全球其他类型滑坡的移动性。流滑引发了危险链,导致一座 8 m 高的土坝完全被侵蚀,51 栋房屋被毁。

  • (2)

    使用基于单元的深度平均数值程序 EDDA 再现了危险链的复杂动力学。仿真结果表明,土坝位置峰值流量从 2400 m 下降到 2000 m3/s 由于大坝的保护性阻塞。

  • (3)

    现场证据和对替代情景的模拟表明,过度活动的主要原因是饱和粉质黄土层的液化。略微降低液化程度会显著降低流动性,从而保护土坝和建筑群。此外,通道化地形和冰冷河床的存在进一步增强了流滑的流动性。

  • (4)

    与陡峭地形侵蚀导致质量体积和动量大幅增加的普遍认识相反,中川流滑坡发生在近乎平坦的地形上,侵蚀主要发生在河道内的岸坡上,占初始物质体积的 5.6%。


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