含水平软弱夹层斜坡变形破坏特征的振动台试验

已有研究结果表明,强度相对较低的软弱夹层会对地震波产生吸收或强化作用,在一定程度上控制了斜坡的地震动力响应及变形破坏特征。试验以振动台为研究手段,设计并完成含不同厚度水平软弱夹层的两个单面斜坡概念模型。通过记录斜坡模型的变形破坏过程,分析其动力响应特征。试验结果表明,斜坡模型的变形破坏与地震动力参数密切相关:1.模型在正弦波激振下较天然波变形明显;2.合成向ZX、水平单向X和竖直单向Z的激振下,变形程度依次减弱;3.随着激振强度增加,变形破坏愈明显。两模型的变形破坏均出现在坡体中上部,且最大破坏深度距坡顶约50 cm。含薄夹层斜坡的破坏范围分布于整个中上部,坡顶近1/2发生变形和滑移破坏,呈现出"拉裂-剪切-滑移-碎屑流化"破坏模式,而含厚夹层斜坡的破坏范围仅集中于软弱夹层以上坡肩以下,两侧未达坡体边缘的局部范围,形成浅表的"凹岩腔",呈现出"震裂-剥落"破坏模式。在相同的加载条件下,含薄夹层斜坡变形破坏先于含厚夹层斜坡。试验模拟再现了含水平软弱夹层斜坡在强震作用下的变形破坏规律,为地震诱发次生地质灾害的研究和防治提供了有力的依据。     

厚层堆积层震裂斜坡变形特征及破坏机制——以小金县某震裂不稳定斜坡为例

“5.12”汶川特大地震形成了震区大量的震裂不稳定斜坡,其中绝大部分发生在厚层堆积层斜坡中,这类次生地质灾害有着特殊的力学破坏机制.以小金县某不稳定斜坡为例,研究了高程、地形坡度、岩土体结构条件等对斜坡动力响应的影响,初步分析了厚层堆积层震裂斜坡的变形特征及破坏机制.认为,在地震动力作用下厚层堆积物斜坡往往出现潜在多级滑动面的现象,且破裂面多沿着堆积层中某些曲面发生滑动破坏,这与地震瞬间拉张破坏在斜坡体中产生的震裂缝深度和延伸有关.总的来说,震裂不稳定斜坡的失稳可以认为是地震使边坡岩土体力学参数降低、震后地下水的软化共同作用下累计破坏的结果.     

西藏俄拉村滑坡地震动态响应失稳过程

为了研究岩浆岩质边坡在地震作用下的动力响应特征和失稳过程,以西藏俄拉村滑坡为原型建立离散元数值模型,通过输入实测地震动数据,研究该斜坡在地震作用下的动力响应特征和失稳破坏过程。模拟结果表明:(1)俄拉村滑坡失稳过程为:震动拉裂-剪切阶段→"锁固段"剪断贯通阶段→堆积掩埋夯实阶段;(2)水平向地震加速度PGA具有高程放大效应,且在相同高程坡面PGA放大系数较坡体内部大,坡形转折处和坡体凸出部位的放大效应也表现为坡面较坡内显著;(3)水平向地震加速度PGA值自坡体内部向外表现为时而增大、时而减小的节律性规律。研究结果可为岩浆岩质边坡在地震作用下的失稳模式提供依据。     

地震作用下边坡及不利地质体的动力特征

深切谷坡浅表部卸荷裂隙发育,风化强烈,致使浅表层介质性质出现差异,成为非连续介质,地震动力响应由此变得复杂。根据青川地震监测数据分析线型坡及山坳处的地震动力响应特征,并结合适用于分析岩质边坡运动过程的不连续变形分析方法(DDA),对不同岩质边坡及岩体中出现节理和软弱夹层等不利地质体时的动力特征进行分析,揭示在一定高程下线型坡上地震波加速度随高程增加而增大,且垂直山脊方向的地震波峰值加速度放大系数大于沿山脊方向,最大可达3.12倍;山坳处的地震波加速度较谷底会出现一定程度的衰减。同一规模边坡,岩质越硬加速度放大系数越大;当边坡中存在节理及软弱夹层时,地震波传播会受到反射和透射的影响,从而影响边坡的动力响应特征。分析表明,岩体弹模较大时,节理对地震波传播的透射作用较强,且节理间距与输入波长的比值小于临界值时,其比值越大,节理对地震波的透射作用越强;岩体分界面下部岩性较上部岩性硬时,随着两种岩性弹模差别增大,透射波峰值加速度降低越明显,而反之分界面以下岩性较上部软时,随着两种岩性弹模差值越大,透射波加速度放大越显著;软弱夹层厚度以及其与周围岩体波阻抗比较大时,地震波经过软弱夹层时的透射系数较小。     

西北某坝肩变形体成因机制的离散元数值模拟

通过对西北某坝肩边坡勘探平硐的现场调查,综合分析边坡的基本特征、岩体结构特征、坡体结构特征、变形破坏特征,认为坡体为形成年代比较久远的变形体,在自重的作用下坡体发生缓慢的变形,地震的作用加速了坡体的变形,从而形成了现今的变形体,但坡体未发生整体的失稳。由于坡体变形年代比较久远,故采用离散元数值模拟对其成因机制进行研究。研究结果表明:自重作用下坡体有沿缓倾坡外层面缓慢滑移变形的趋势,在地震荷载的作用下最终诱发边坡发生比较大的变形。坡体在变形过程中经历了启动、高速变形和自稳3个阶段,在启动阶段坡肩位置首先出现拉张裂缝,然后坡体中部出现变形,最后坡脚位置剪出。通过坡体中监测点加速度、速度的研究发现随着高程的增加坡体的加速度、速度放大系数明显增加。     

皂角沱崩塌形成机制数值模拟

以位于"5·12"汶川大地震震中区的皂角沱崩塌为研究对象,通过对崩塌所处的自然地理、工程地质环境进行野外调查,分析崩塌的发育特征;采用不连续变形分析软件DDA,对坡体失稳崩塌的全过程进行模拟研究。结果表明,斜坡地形放大效应在震中区是客观存在的,具倾向坡外的陡倾控制性结构面的高陡突出地形对地震波具有明显的放大作用。该坡体崩塌失稳模式为:峰值加速度放大→增加的振幅迫使岩体沿陡倾坡外的控制性结构面迅速拉裂→沿滑动面发生崩滑→高速脱离滑源区→巨大的势能和动能驱动块体做长距离运动。通过数值模拟可知,随着斜坡坡高的增大,地震加速度和速度无论是在水平向,还是在竖直向均存在放大效应,但是水平向的放大效应较竖直向更明显;结构面监测点的加速度和速度放大系数相比稳定的坡体要大得多,地震袭来,当遇到陡倾坡外的不连续结构面时,斜坡动力响应强烈,最终危岩体沿控制性结构面发生崩滑破坏。     

土质边坡中部与顶部抗滑桩动力响应和边坡变形比较

地震作用及其诱发的变形或滑坡常会使抗滑桩受力发生显著变化,为此,研究了地震作用下不同加固位置的抗滑桩的动力响应和边坡变形情况.试验分析表明:中桩位边坡坡顶变形比高桩位边坡坡顶变形大,但中桩位边坡坡脚堆积变形比高桩位边坡坡脚变形较小;在同样条件下中桩位抗滑桩的静力、动力弯矩小于高桩位抗滑桩相应位置的弯矩;地震结束后由于坡体震动残余变形较大,抗滑桩最终承担着震后残余弯矩,但高桩位抗滑桩的承载能力在震后仍然发挥较大.研究结果表明:高桩位加固位置可以有效发挥抗滑桩的抗弯承载能力,但中桩位可以有效抑制坡底坡脚变形.     

金沙江某水电站左坝肩岩体双面倾倒形成机制

倾倒变形是层状边坡的一种主要变形破坏形式,在以往研究中,单面倾倒已研究较多而双面倾倒尚无研究成果。在充分研究金沙江某水电站左坝肩岩体双面倾倒变形特征基础上,对其形成机制进行了地质分析和数值模拟,揭示了双面倾倒岩体主要是在二次应力场作用下岩体沿片理面产生剪切错动、滑移、拉裂从而岩体产生弯曲或折断而形成的。其中顺倾边坡的倾倒变形始于坡脚,并以"滑移-倾倒"式逐渐向坡后发展,其倾倒扩展速率及倾倒深度明显小于反倾边坡;而反倾边坡初始倾倒位置不一定在坡脚,而是始于其最有利倾倒位置,该位置受初始坡形、所受应力及岩性组合等因素控制,并用数值模拟揭示了该水电站边坡初始倾倒位置在距坡脚约1/3坡高处,此后,当岩层倾角足够陡时,在该初始倾倒位置的上部岩层可表现出一定的"滑移-倾倒"性质,而该位置下部岩层则总是表现出"压致型"倾倒特征;无论顺倾还是反倾边坡,倾倒变形速率有从坡体中部附近向两端递减的趋势。     

新疆塔里木河下游断流河道输水对地下水变化的影响分析

结合2000～2002年以来塔里木河下游间歇性输水后地下水变化的监测数据．用回归分析的方法对输水后地下水位动态响应变化过程进行分析,揭示输水量与地下水的响应范围之间的关系。结果表明：在横向上．随着向塔河生态输水次数和输水量的增加．地下水的响应范围逐渐扩大．但随远离输水河槽中轴线,响应程度减小．地下水位的抬升幅度减弱;纵向上,输水河段上游区段地下水位响应范围最大,中游区段次之,下游区段较小。在第二次输水过程中,靠近河岸地下水位出现急剧上升,而在第三次输水过程中,地下水的响应范围则有巨幅增加．输水量与输水持续时间与地下水位变化有着密切关系。     

基于环境噪声及地震数据对斜坡地震动响应特征分析——以芦山仁加斜坡为例

"4·20"芦山强震导致震区斜坡动力响应强烈,并诱发大量斜坡次生地质灾害。强震后余震频发,在发震断裂附近芦山双石峡谷下游出口,对仁加水电站进水口边坡地震动效应监测初步揭示,该斜坡中上部峰值加速度放大达3.4倍,斜坡放大效应明显,但各监测点场地效应需深入分析。因此,基于对该斜坡环境噪声测试与地震监测数据,采用水平与竖向谱比(H/V)和标准反应谱(SSR)对比分析。研究揭示,该斜坡参考点H/V谱比曲线放大系数约为1.1,场地放大效应微弱;斜坡上部监测点环境噪声揭示H/V与SSR谱比放大峰值频率约为13.0 Hz,放大系数为1.2～1.6。环境噪声与地震监测数据对比表明,其平均谱比曲线峰值频率特征接近,但后者谱比放大系数为1.6～2.6。综合研究表明,该斜坡场地地质结构较为单一,其动力效应主要受斜坡地形因素较强,斜坡中上部地形放大效应较明显。基于环境噪声与地震数据对比研究斜坡场地效应,两者在场地卓越频率上较一致,而放大系数后者明显强于前者。     

基于DDA的斜坡地震动响应分析

深切谷坡浅表部卸荷裂隙发育,风化强烈,致使浅表层成为非连续介质及介质性质差异,地震动响应由此变得复杂。基于此,对适用于分析岩质边坡运动过程的不连续分析方法(DDA)进行改进,实现了地震波从模型底部输入,将其应用到四川青川东山斜坡中,通过与地震波的实地监测数据对比,揭示了高程、地形、山脊宽度以及"丁"字形山体等因素对地震波峰值加速度(PGA)放大的影响:相对谷底,当坡度一致时随高程增加地震波会出现放大,在坡折部位,由于地震波的反射及折射作用,PGA会得到放大,放大倍数达3.16倍;垂直单薄山脊方向上水平PGA放大明显,达4.64倍;"丁"字形山脊结合处,PGA放大倍数减小,约2倍。用改进后的DDA还模拟了四川汶川映秀"飞来石"临空抛射过程,认为"飞来石"形成的主要原因是斜坡中部古河道堆积物与单薄山脊的介质性质差异引起的放大效应。     

爆破地震效应对坡体稳定性的影响

天然边坡在开挖过程中,由于爆破动力作用破坏了原岩的完整性,造成边坡岩体发生局部或整体层裂而形成边坡岩体松动带,使岩体的自稳能力降低(边坡抗滑力减小),甚至可能导致路堑滑坡或坍塌.而目前在边坡设计中没有考虑由于开挖爆破地震效应对边坡稳定性的影响,从而造成个别边坡在开挖过程中或施工完成后产生滑动.通过现场爆破地震效应试验,根据应力波在岩体中的传播规律和运动规律,得出岩体内质点振动加速度和不同部位岩体平均加速度对边坡稳定性的影响效果,给出了水平和垂直方向振动加速度作用下边坡安全系数的计算公式,并通过了实例验证,从而为边坡稳定性设计提供了有力依据.     

间歇性输水影响下的2001-2011 年塔里木河下游生态环境变化

采用2001-2011 年野外调查资料和卫星遥感影像数据,对生态输水影响下的塔里木河下游地下水、植被变化特征进行分析,并探讨了典型断面植被对地下水埋深变化的响应关系。结果表明:(1) 各断面地下水位变化过程与河道来水过程密切相关,近10 年来经历了显著抬升(2000-2005 年)—缓慢降低(2006-2009 年)—小幅抬升(2010 至今) 的过程,主要表现为随生态输水量的改变呈波动变化;地下水位抬升幅度与生态放水量的相关系数达0.78,与生态放水持续时间的相关系数为0.70。(2) 2001-2011 年塔河下游植被覆盖面积总体上呈增加趋势,其中灌木林地和草地变化显著,林地和耕地面积呈小幅度变化;植被覆盖度的变化主要表现为2001-2006 年显著提高和2006-2011 年小幅变化。(3) 植被覆盖度随地下水位的抬升呈现出增加的趋势;垂直河道的方向上,同时期植被覆盖度与地下水埋深空间分布特征一致,均以输水河道为轴向两侧植被覆盖度(地下水埋深) 逐渐降低(增大);平行河道的方向,植被覆盖度对地下水埋深的响应幅度随着离大西海子水库距离的增加而减小。     

高地震烈度区堆积体边坡动力响应时程特征分析

考虑到在地震过程中,工程边坡的动安全系数最小值出现在某一瞬间,而用这个值评价边坡在地震荷载作用下的抗滑稳定性不合适宜。在简单分析地震荷载作用下边坡稳定性评价的主要方法及差异基础上,介绍了地震动力响应时程分析法的基本原理和计算过程,明确指出了边坡动力稳定分析时应注意的边界条件、材料参数等问题,建立了评价动力稳定性的有限元应力法表达式。基于地震动力时程反应,结合金安桥水电站库岸堆积体边坡工程,用动力有限元计算获得了边坡的动力响应在空间的变化规律(包括动应力和加速度等)和整体稳定性,计算成果合理地评价了其稳定性。     

宜宾长宁M_S6.0级地震斜坡动力响应特征

地震作用下,山体发生同震地质灾害,在山体特定部位相对集中,破坏程度较大。目前学术界多采取物理模型实验和数值模拟研究这一现象,较少地采取天然地震下记录到的山体地震动响应数据进行分析。长宁M_S6.0级主震以及M_S5.4级余震触发了布置在石棉南垭河两岸的3台强震监测仪,通过分析记录到的地震数据,结果表明:(1)震级的绝对大小决定了同一监测点峰值加速度和阿里亚斯强度(Arias Intensity)的大小,即呈正相关;(2)覆盖层场地在水平向对地震波能量表现为较为明显的低频放大效应和高频衰减效应,而在垂直向则不明显;(3)覆盖层场地水平方向特征周期远大于基岩场地;(4)山脊部位对地震具有明显的放大效应,表现为山脊处的水平向峰值加速度与阿里亚斯强度的放大;(5)覆盖层场地在三分量上均对峰值加速度和阿里亚斯强度均有放大,尤其是对阿里亚斯强度的放大最为显著。但是放大效应在水平向上要远强于垂直向;(6)地震动响应规律具有极强的方向性,水平向放大效应远强于垂直向。本研究为川西北高烈度山区地震危险性评价提供依据和参考。     

坡脚开挖诱发滑坡机理——以沙井驿滑坡为例

坡脚开挖、坡面堆载、不合理灌溉等人类活动诱发的工程性黄土滑坡灾害频频发生,对于当地居民的生命财产安全构成极大威胁。本文以兰州市沙井驿滑坡为研究对象,在工程地质勘测的基础上,研究滑坡的基本特征及导致滑坡发生的关键因素。通过减围压三轴试验研究黄土边坡开挖过程中土体的变形破坏特征。基于FLAC3D数值模拟方法,对黄土边坡的开挖过程进行模拟,分析开挖过程中边坡不同深度的土体应力及变形发展规律,揭示开挖过程中坡体稳定性变化规律及滑坡启动机理。结果表明,沙井驿滑坡是由于坡脚不合理开挖导致老滑坡复活,为牵引式滑坡;在开挖过程中,坡体内发生应力重分布,应力状态不断发生变化,随着开挖的进行,坡体变形逐渐增大;开挖结束后,坡体中部产生大量剪切裂缝,后缘产生张拉裂缝,坡体稳定性降至最低,中上部均有较大变形,最后发生失稳。     

芦山地震仁家村斜坡地震动监测

芦山地震次生地质灾害一个显著特点是地形放大效应。震后第二天,课题组在极震区仁家村斜坡局部孤突地带谷底基岩及斜坡中部坡折部位各放置一台地震监测仪,捕捉到一系列余震数据。数据显示,坡折(2#监测点)相对谷底监测点(1#监测点,二级阶地高程)的最大峰值加速度一般放大最大可达3.4,最小为1,说明坡折部位的地震动能量大于谷底部位。阿里亚斯强度计算显示,坡折部位阿里亚斯强度最大值为0.004 855 m/s,谷底部位阿里亚斯强度值最大为0.003 145 m/s,前者约为后者的1.5倍,阿里亚斯强度放大系数最大可达6.9。傅里叶频谱分析可知,1#监测点主频范围为4.81~22.81 Hz,2#监测点主频范围为3.31~20.94 Hz,说明局部孤突地形并不影响坡体接收到地震波的丰富程度。通过与桅杆梁监测成果对比,说明了软弱覆盖层地震波的低频部分有放大作用,而对高频部分存在滤波作用;三面临空山体表现更显著的放大效应。研究认为,地震条件下局部孤突地形对地震动加速度有明显的放大效应,因而在这些地区较易达到岩土体的强度极限,从而增加震裂、崩塌、滑坡等次生地质灾害发生的数量和规模,在进行山区工程选址和城镇规划时应充分考虑局部地形的放大作用和影响。     

塔里木河下游长期输水条件下河流剖面地下水埋深估算

准确估计输水条件下河岸地下水埋深的动态变化,可以量化生态输水量与地下水埋深的响应关系,并由此估计自然河道所需输水量及持续时间,这对于干旱区水资源管理的可持续发展具有重要的科学意义。结合塔里木河下游20 a生态输水监测数据,用发展的包含地下水和土壤水的拟二维地下水模型,对输水条件下塔里木河下游上、中、下段3个断面(英苏、阿拉干和依干不及麻)的地下水埋深变化进行20 a长期模拟。通过率定期和后11 a(2010—2020年)的地下水埋深模拟结果与站点数据比较,发现两者较一致,证明该模型在塔里木河下游河岸断面地下水长期模拟上的合理性和适用性。然后根据3个断面20 a的模拟结果分析输水条件下地下水埋深和土壤水的长期变化及其对生态输水的响应。结果表明:经过20 a的生态输水,英苏、阿拉干和依干不及麻3个断面上的地下水位和土壤湿度都有明显的上升,地下水位埋深从输水前的8 m左右抬升到输水后的4 m左右,土壤湿度从最初的0.20上升到0.35以上,特别是自2009年以来,随年输水量增加,地下水位和土壤湿度增加幅度明显。生态输水与地下水的年际变化有一定的滞后性,由于土壤湿度和地下水位表现为正相关关系,这使得土壤湿度对输水量也有滞后性的特点。相比于河水流量,地下水水平传导率的取值对断面地下水埋深变化起着更重要的作用。另外,输水量与地下水的年际变化表明塔里木河下游河岸要想获得持续的生态效益,需要对河道提供间歇性的生态输水。     

石羊河流域环境现状及其演化趋势分析

石羊河流域下游地区蒸发强度大、地下水循环速度慢,加之近年来地表水供给量的严重不足,过度开采地下水已引发了区域性地下水位下降、植被退化、盐渍化、沙漠化等一系列生态环境问题的不断恶化。地下水位的下降与矿化度的增高存在着明显的正相关性,特别是流域下游地区地下水矿化度的增高趋势明显。根据影响地下水动态的主要影响因素可将石羊河流域地下水的动态类型划分为蒸发型、开采型、径流开采型、渗入型和蒸发开采型5种,在此基础上,结合多年地下水位和水质变化的实测资料,对石羊河流域地下水下降趋势和亏空状况进行模拟分析,表明该区近40a来地下水位持续下降,亏空量不断增加,并且具有明显的加速趋势。1960年武威和民勤盆地地下水亏空量为174×10⁸m³,1998年已达452×10⁸m³,如不采取有力措施加以治理,预计2010年将达到67×10⁸m³,这将对该区生态环境产生严重的影响。     

水与裂隙对边坡稳定性的影响分析及工程应用

地下水与岩土体之间发生的氧化还原作用,既改变着岩土体中的矿物成分,又改变着地下水的化学组分及侵蚀性,从而影响岩土体的力学特性。将剖面上垂直裂缝深度取为边坡稳定性系数为最小值时的对应深度值来确定裂缝的开裂深度。裂缝与水的相互作用加剧边坡变形并使之滑动。运用岩石边坡平衡破坏的分析计算模型,对工程实例进行稳定性计算与分析。结果表明,在边坡稳定性计算中,考虑裂隙、水以及它们的共同作用能比较合理地评价边坡稳定性状况。