学术前沿 | Engineering Geology 甘肃Ms6.2积石山地震诱发中川黄土泥流的机理分析与数值模拟

学术   2024-11-30 07:45   陕西  

2023年12月18日,中国甘肃省积石山县发生了破坏性的6.2级地震。地震引发了中川镇的黄土泥石流,造成13人死亡。灾害性土流在无降水的情况下移动了约3 km,其流动性指数(H/L)低至0.026。我们结合多源数据,包括遥感图像、无人机图像和实地调查数据,分析了这次灾害的发生机制。发现高饱和黄土在强烈的地震振动作用下液化,最终形成土流,沿北沟快速移动。采用综合考虑土、水侧压力的深度积分连续统模型揭示上述机理。提出了一种具有良好干湿边界处理的MUSCL-HLLC有限体积法来求解土流的全动力过程。模拟结果再现了此次灾害的运动过程,与实测数据吻合较好。与其他模型相比,采用孔隙水压力比划分的土压力-水压力耦合模型可以提高模拟精度。这一综合分析为风险管理和预防此类灾害提供了宝贵的见解和指导。
图 1.(a) 甘肃 MS6.2 地震烈度图(地震烈度数据来自中国地震局)。(b) 官厅盆地的地形和土流的位置。
图 2.(a) 2022 年 4 月 7 日的土流前图像。(b) 2023 年 12 月 19 日的土流后图像。(c) 2014 年 3 月 26 日的土流源图像。(d) 2022 年 4 月 7 日的土流源图像。
图 3.土流的边界和分区。(a) 泥石流的无人机图像。(b) 灌溉受损。(c) 土流源中的地层。(d) 土流的前缘。
图 4.(a) 后土流地形。(b) 土流前和土流后之间的高差。
图 6.源区域的日降雨量(降雨数据来自 Global Precipitation Measurement)。

图 8.(a) t = 0 s,(b) t = 100 s,(c)t = 200 s,(d) t = 400 s,(e) t = 600 s,(f) t = 800 s,(g) t = 1000 s处的中川土流深度等值线。

图 9.(a) t = 100 s,(b) t = 200 s,(c) t = 400 s,(d) t = 600 s,(e) t = 800 s,(f) t = 1000 s 处的中川土流速度等值线。

图 10.(a) t = 1000 s 时中川土流的最大深度。(b) t = 1000 s 时中川土流的最大速度。

图 11.(a)–(g) 点 1-7 处泥痕的深度。

图 12.中川土流的流深等值线,在 t = 1000 s 时均匀 λ 为 0.89。

图 13.不同模式下 t = 1000 s 时中川土流的流深等值线。(a) k = k 的颗粒流模型(b) k = 1 的泥石流模型。

图 14.不同型号的 7 个点的最大深度。


本文通过卫星图像、无人机图像和现场调查等方法研究了中川土流的机理,构建了综合考虑土和水侧压的深度集成连续体模型,采用MUSCL-HLLC有限体积法对模型进行了求解,再现了土流的动力学过程。主要结论如下:

  • (1)

    6.2 S甘肃地震引发了这次土流,源区南侧的沟壑和高含水率土壤助长了这一灾难性事件。基岩泥岩和东部沟壑转变为农田不利于地下水排放,长期灌溉促使源区低层土壤长期饱和。地震前连续三天的冬季灌溉,加上受损的灌溉渠道,增加了水源。此外,源区土壤主要由粉砂组成,结构疏松。土壤在地震加速下进一步液化,形成土流并进入南部沟壑。最终,具有高孔隙水压的土流向下游移动约 3 公里,淹没了住宅区和农田,造成 13 人死亡。

  • (2)

    通过数值模拟揭示了中川土流的动力学过程。大部分滑动块在 t = 600 s 时沉积,土流在 t = 1000 s 时完全停止运动。沟壑中土流的最大速度达到 19 m/s,泥石流以约 10 m/s 的速度冲出沟壑,对居民区的房屋造成严重破坏。7 个对比点处的最大深度与测得的泥痕深度一致。总体而言,模拟结果在运动时间、边界和沉积深度方面与实测数据吻合较好,本文使用的数值模型(耦合土水压力的深度积分连续体模型)有效地揭示了土流的整个动力学过程。此外,与其他模型相比,分区孔隙水压力比模型在跳动边界和沉积深度方面具有优异的性能。



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