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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

“4·20”芦山地震震中龙门乡地质灾害特征

"4·20"芦山地震为龙门山断裂带南端上的浅源构造地震,震中位于四川省芦山县龙门乡马边沟,最大烈度达IX度,龙门乡99%以上房屋受损。乡境内因地震形成35处地质灾害,主要类型为滑坡、崩塌,分别占40.0%、60.0%,乡境内5个村有分布。崩塌失稳模式为震动-剥落、震动-拉裂-滑移、震动-拉裂-错落;滑坡失稳模式为震动-拉裂-蠕滑。地震地质灾害除受控于地震触发作用,陡峻的地形、地形与高程放大效应特征突出外,强风化卸荷作用也是地质灾害产生的物质基础。乡境内以崩塌危害较为严重。开展震中地震地质灾害特征研究,预测灾害发展趋势,对灾区安置点规划、灾后3 a恢复重建都将具有重要的指导意义。     

不同地下水位碎石土斜坡对震动的差异性动力响应

基于室内小型振动台试验研究不同地下水位碎石土斜坡动力响应规律及变形破坏特征,对边坡的工程抗震设计有参考作用。结果表明,地下水具有一定的减震作用。有地下水边坡中下部的水平及竖直加速度峰值表现出局部高程减弱的趋势,边坡上部的水平及竖直向加速度峰值表现出高程放大的趋势。输入相同振动强度条件下,随着地下水位的增加,动力响应减弱区域增大,减震能力增强;地下水位越高,边坡顶部加速度放大系数越小。无地下水斜坡变形破坏主要发生在坡顶;有地下水斜坡变形破坏主要发生在坡脚。地下水位及振动强度的增加,加剧坡脚破坏的程度。     

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.     

云南鲁甸地震甘家寨滑坡基本特征及失稳机制

甘家寨滑坡是云南鲁甸6.5级地震诱发的特大型滑坡,规模达到1×10~7m~3。滑坡堵塞沙坝河,形成堰塞湖,中断交通,造成32户民房掩埋、55人死亡与失踪,是鲁甸地震区规模最大、灾损最严重的滑坡之一。该滑坡是地震诱发陡峻山体上的石灰岩强风化堆积体滑动而形成的特大型岩土质滑坡,表层为10~20 m固结良好的白云质灰岩结构体,中下层为50~60 m具空隙结构的深厚灰岩风化堆积物。滑坡主要的触发因素有:断层滑动方向性效应、地形放大效应、近断层地震动作用、背坡面效应。滑动过程分为坡体震裂松动、后缘拉裂、整体下滑、减速堆积4个阶段,受滑坡体原有地形影响及滑坡动力过程控制,滑坡堆积体形成4级台坎,其中第二级台坎形成高差约2 m的反向堆积。结合野外实际调查数据与滑坡运动力学模型,估算滑体水平滑动至350 m左右处,速度达到最大4.4 m/s,滑动至砂坝河时滑坡前缘速度减至3.6 m/min,堆积于河道,形成堰塞湖。甘家寨滑坡堆积体地形陡峻、堆积物裂缝密集分布,强降雨条件下,容易再次滑动并成灾,建议进行滑坡体的综合治理,控制后缘地表径流、减轻坡体下渗、强化滑坡前缘工程治理,保障交通顺畅,减轻灾害损失。     

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.     

软岩区低强度地震诱发大规模滑坡的机理——以重庆小南海地震滑坡为例

为研究低强度地震在软岩区诱发大规模滑坡的动力学机理,通过现场调查采样,采用单轴动循环荷载试验及离散元数值模拟分析方法,对岩体强度的动力衰减问题﹑孤立突出地形的动力响应以及滑坡形成机理研究。结果表明:1."龟裂状"泥岩的动力响应极为敏感,极易崩解裂离成碎裂岩块;2.高陡孤立状软质岩山体的动力放大效应十分强烈,山体内部最大水平及竖向加速度分别为-4.2~7.8 m/s~2及-17.0~9.0 m/s~2,远高于基岩的0~1.5 m/s~2;3.经过碎裂化处理的模型2,模拟结果与实际一致;4."龟裂状"泥岩的震动崩解碎裂,导致山体剪切滑移形式由泥岩层面控制的平面摩擦型,转变为受泥岩振动碎裂带控制的转动摩擦滑动(甚至滚动摩擦)。受此机理控制,剪切面摩阻力急剧降低,剪切位移发生突变,山体迅速崩解破坏。这种特殊的成因机理,称之为孤立山体底部"龟裂状"泥岩层的"动力触变崩解"效应。     

地震作用诱发老滑坡复活机制的数值模拟

甘肃省白龙江流域某大型顺层岩质滑坡经"滑移-拉裂-剪断"而形成,天然状态下基本稳定。在经历"5·12"汶川特大地震发生后,此滑坡有明显的局部复活迹象,可见于滑坡后缘出现连续贯通的拉裂缝。以该滑坡在地震响应下的局部复活为例,以滑坡所处的区域地质条件为基础,对滑坡受地震响应导致局部复活的现象、特征,利用Geo Studio软件动力响应Quake模块,对该滑坡局部复活机制进行模拟研究。结果表明:地震响应下滑坡变形破坏受地质条件和地形坡度的影响显著,同一地震波,相对于基岩,滑坡体对地震波具有明显的放大效应。这为合理地解释在"5·12"汶川特大地震作用下该滑坡局部复活原因提供了理论依据。     

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13.0Hz,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。     

地震作用下边坡稳定性分析的坐标转换法

在地震作用下边坡稳定性分析中,拟静力法是将地震作用简化为水平方向或垂直方向的不变加速度作用.此加速度产生作用于不稳定体质心的地震力,根据极限平衡理论,将所有作用于潜在滑动体上的力沿滑动面进行分解,得出沿滑动面的安全系数.在拟静力法的基础上,提出一种坐标转换法,通过坐标旋转,将地震力与重力的合力转变为垂直向下的力,从而使边坡地震稳定性问题等效为经过边坡几何形态和土体容重修正后的一般静力稳定性问题,再利用比较成熟、简便的静力分析方法进行边坡稳定性分析.利用此方法可以克服传统拟静力分析的不足,并且用于水下边坡分析,将滨水边坡的拟静力分析模型转换为相应的静力分析模型,考虑地下水的流动来模拟水对边坡的动力作用.此方法对于分析水库边坡体和堰塞湖坝体的抗震稳定性问题具有一定的应用价值.     

安县雎水河流域地质灾害发育、分布及影响因素

安县雎水河流域属龙门山山脉与四川盆地过渡地区,地形切割强烈,地层岩性复杂,活动断裂发育,特别是"5.12"汶川特大地震后,区内地质环境变得十分脆弱,大型、特大型崩塌滑坡泥石流流十分发育,具有数量多、规模大、分布范围广,呈区域性密集分布等特征.在"成兰线雎水河段卫星遥感解译图"的基础上,通过对该流域两次详细的地质测绘调查,分析了地质灾害的发育、分布特性及其影响因素,进而对灾后重建提供一定的参考依据.研究得出的主要认识有:(1)地质灾害在流域内分布范围广、密度大、呈密集性分布,"成群成带性"现象明显;(2)地质灾害的分布与地形地貌有密切的关系,大多数地质灾害发生在高程800～1 500 m,坡度30°～50°的范围内;(3)地质灾害主要沿雎水河及其支流两岸发生,多呈线性分布;(4)发震断裂控制着地质灾害的分布,在断层的上下盘分布表现出明显的差异,断层上盘的地质灾害数量明显多于下盘,距发震断裂10 km范围是地质灾害最为发育的区域;(5)地层岩性与地质灾害的类型有密切的关系,坚硬、较坚硬岩组中的崩塌数量远远多于软弱泥页岩、千枚岩岩组,软岩、极软岩岩组中的滑坡比坚硬岩中相对要多;(6)不同的岸坡结构控制着地质灾害的发育、分布,横向岸坡中崩滑最为发育,其次为斜向倾内层状岸坡.另外,中陡倾岸坡中的地质灾害较缓倾岸坡发育;(7)地质灾害的类型、发育分布与也与坡体结构、岩体结构及其组合特征有一定的关系.研究发现,顺层边坡中如发育有陡倾坡内的结构面,则易形成滑坡,而反倾边坡中如发育有倾坡外的结构面则更易形成崩塌.     

宜宾长宁M_S6.0级地震诱发地质灾害应急调查

2019年6月17日四川省宜宾市长宁县发生M_S6.0级地震。对震中双河镇开展野外应急调查,查明了此次地震诱发地质灾害的发育特征,并开展了环境噪声测试。调查发现,此次地震诱发地质灾害主要有崩塌、滑坡、路基破坏(沉陷或隆起)、屋基沉降、地表裂缝或塌陷、粉土液化等类型,且地质灾害主要沿北西向、北东向两条断裂地表破裂带沿线分布;地震诱发斜坡场地动力效应产生的崩塌、滑坡规模较小且发育密度较低,断层活动导致地表同震破裂产生地表裂缝、塌陷及喷水冒泥砂等震害;典型灾害点的水平与竖向谱比(HVSR)放大系数高于一般测试场地,且以高频放大为主(10 Hz),与斜坡靠近活动断层带附近的高频振动产生共振效应导致破坏密切相关;研究区测点的南北分量(NS)放大值普遍高于东西分量(EW),具有明显的方向效应,与调查区开挖公路边坡所形成的临空方向密切相关。调查结果可为震区的灾害评估、震后救援、灾区重建和灾害治理提供科学指导。     

震区砾石土泥石流起动临界状态与力学性状

虽然汶川震区的松散砾石土历经近10年的自然固结过程,坡面植被恢复良好,但灾后持续活跃的泥石流等地质灾害告诉我们,了解这类因地震产生的砾石土的力学性状,仍然是理解灾区地质灾害肆虐的最重要的方面之一。本文以汶川县映秀镇牛圈沟泥石流源区的砾石土为研究对象,采用人工水槽模型试验与三轴测试,观察泥石流起动时砾石土的宏细观现象,分析粗细颗粒含量变化对砾石土干密度的影响,并从临界状态土力学角度,探讨了泥石流起动时砾石土的力学性状,提出砾石土临界状态数学表达式。结果表明:(1)泥石流起动时间、模式与初始干密度密切相关,其过程伴随着干密度和孔隙比的变化;(2)细颗粒迁移与粗细颗粒含量调整引起土体内部细观结构重组是干密度与孔隙比变化的主要原因;(3)相同级配的砾石土在等同围压条件下排水剪切,会近似达到一个临界孔隙比;(4)砾石土力学性状可根据其状态参数(e,p')与e_c-p'平面临界状态线的相对位置来判断;(5)砾石土边坡在降雨淋溶下失稳形成泥石流,坡体内同时存在剪胀与剪缩两种力学性状,且以剪胀为主。本文研究成果一方面能对泥石流起动机理的理论体系进行完善与补充,另一方面能为震区砾石土泥石流的防治预警预报提供初步依据。     

内蒙古“十大孔兑”流域主河道纵剖面发育动力特征

地貌发育动力特征是探索流域产沙机制的基础。位于鄂尔多斯台地北缘和河套盆地之间的"十大孔兑"是黄河内蒙古段的十条重要支流(孔兑,季节性洪水沟,蒙古语)。流域内存在严重的风-水两相侵蚀作用,产沙量大,对入汇段黄河的输水输沙过程产生重要影响。本文以DEM数据为依据,采用数学函数形态拟合、河长坡降指数分析以及Hack剖面分析的方法,并结合区域地质和气候特征方面的数据,对流域主河道纵剖面的形成和演化特征进行了分析。结果显示:除了壕庆河之外,孔兑各流域主河道纵剖面目前均表现为指数函数拟合形态,处于侵蚀演变的早期阶段;纵剖面指数函数的拟合度自西向东呈下降趋势,而对数函数拟合度则呈现上升趋势,说明其发育程度在该方向上趋于增高,产沙量随之减小;孔兑各流域构造活动性普遍较弱,并存在自西向东降低的趋势;纵剖面平均高程与莫霍面平均深度,河长坡降指数平均值(SL)与纵剖面指数函数拟合系数关系均很密切,表明纵剖面特征的基本格局受内营力特征影响;Hack剖面特征表明各流域均处于隆升状态,其中西部孔兑流域高于东部;从纵剖面演化的时空模式上讲,孔兑流域东部和西部的差异性隆升大致出现在上新世前后,西部孔兑流域海拔增长较快,使得纵剖面因受侵蚀而降低的高程得以弥补,而东部流域纵剖面由于隆升速度慢,外营力的作用效应相对凸显,纵剖面下凹较甚,演进程度相对较高。