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世界各地高速远程滑坡的成因机理研究现状综述简介 精选

已有 11213 次阅读 2015-12-24 15:09 |系统分类:科普集锦

世界各地高速远程滑坡的成因机理研究现状综述简介

岳中琦

摘要:高速远程滑坡因其突发、剧烈、迅速及远程, 常成为灾难性滑坡。多年来,世界各地滑坡专家们一直探索和试图回答一个关键问题:为什么不少大型滑坡的水平运移距离,在无水或少水条件下,能够远远大于经典物理、力学和岩土力学理论和经验的预期值?他们专注土石滑动阻力,试图但囿于找出能够使得它减小的某种普遍因素。自2008年以来,我提出和论证了一种新的、地下高压天然气体膨胀能主动地制造高速远程滑坡的成因。

全世界存在的问题

高速远程滑坡因其突发、剧烈、迅速及远程, 往往造成灾难后果。带来巨大的社会财富人员损失和伤亡,是社会和谐发展隐患。一百年来,它们一直是各国滑坡地质灾害防治专家和学者的热点研究问题。中国陆地国土面积的70%以上是山地,且人口众多。从古到今,中国发生了很多起灾难性高速远程滑坡事件[1-14]

各国研究者们一直都在探索和试图回答一个关键问题[15]:为什么在很少雨水、很少地下水或缺水条件下,也能发生高速大型滑坡,并且滑坡体水平运移距离能够远远超过或大于经典摩擦物理和牛顿力学理论的预期值?

按照经典力学和岩土力学理论和经验,滑坡体的主要驱动能(即总重力势能差)是远小于破碎岩土体克服山地和沟谷坡面岩土体所做的阻力功。研究者们一直在争论和建议到底是何种原因造成破碎石块和土混合体水平长距离运移。多年来,研究者们都提出了很多种成因和机理假说和理论。这些假说或理论本质因素都可归结为,在滑坡体启动前后,存在某种因素导致滑动面上的摩擦阻力突然降到极小。这可降低摩擦阻力功,使它同总势能差相当。由于它们的假设和条件常常牵强附会,且与观察事实相差较远、甚至相矛盾,因此,高速远程滑坡的现有成因理论依然没有定论,无法解释所有现场实况及目击者的疑惑。它们的发生时常是“令人惊异”、“迷惑不解”、“历史上无记载”,从而,造成社会问题。

国外研究现状及分析

国外对高速远程滑坡的成因和机理的研究,可追溯到1904 McConnell Brock 1903 Frank高速远程滑坡的调查研究[22]。在100 秒时间内,3 千万m30.5×425 m 高× 915 m 宽×152 m 厚)的石灰岩山体失稳破裂、再以平均31 m/s 运移速度散落在坡前的3 km2 盆地面上,水平和垂直运移距离比为3.6。崩溃碎石体将Frank 镇南部摧毁,埋了76 人。

之后,在1932 年,Heim 发表了对发生在1881 年瑞士埃尔姆Elm的高速远程滑坡的系统研究成果[23]

高速远程滑坡引起世界范围内的重视,是因发生在1963 年意大利阿尔卑斯山区的瓦意昂(Vaiont)水电站库内的山体滑坡灾难2千多人死亡[24]。当时,世界各国正处于二战后的快速基础建设时期。因此,大型山体稳定性和高速远程滑坡问题,就成了山区大型基建的重要研究课题,引起了广泛地关注。

多年来,众多地质和工程学者和专家,对欧洲阿尔卑斯山区、加拿大落基山区、美国加利福尼亚山区、秘鲁安第斯山区、中亚天山山区和日本等地山区发生的高速远程滑坡事件, 进行了调查和分析。

近年来,大型高速远程滑坡灾难事件增大、增多。部分研究者认为,原因在于,全球气候变化导致的高山地区温度变化大和冰川冻融加速,再加上各地山区人口和建设增多。人们对这个问题的关注和重视得到加重[17]

国内研究现状及分析

自古以来,我们祖先都以“山崩地裂”来描述他们所观察和经历的大型高速远程山体滑坡 [5-6]1920 年海源地震调查者写道:“黄土滑坡旋涡像瀑布似的,吞下了房子和骆驼队…”[6]。

1961 年以来,中国发生的灾难性高速远程滑坡事件[25-38]包括:1961 年湖南柘溪水库塘岩光滑坡,1965 年云南禄劝普渡河谷滑坡,1972 年香港宝珊道滑坡,1980 年湖北宜昌盐池河磷矿滑坡,1983年甘肃东乡洒勒山滑坡,1989 年四川华蓥溪口镇滑坡,1991 年云南昭通头寨沟滑坡[7]1995 年香港深湾道滑坡,1999 年台湾集集地震造成的九份二山和草岭山体滑坡,2000 年西藏波密县易贡滑坡[10]2003 年湖北秭归县沙镇溪镇千将坪村滑坡,2004 年贵州省纳雍县岩脚寨崩滑,2008 年山西襄汾县塔山矿区尾矿溃决泥流,2009 年重庆武隆鸡尾山崩滑[12]2009 年青海同仁县尕沙日滑坡,2010年贵州关岭大寨村滑坡[13]2013 年云南镇雄高坡村滑坡[1-4]。最为特殊地,2008 5 12 日汶川大地震更是造成了大量大型高速远程山体滑坡或崩溃[16]。这些都是没有预测到的巨大滑坡灾难。

值得敬佩是,1985 年长江三峡新滩高速远程滑坡得到了成功的预报和预防。这被誉为“我国滑坡预测预报史上的罕见奇迹”![8]

在这些高速远程滑坡调查基础上,我国地质工程专家们对它们的动力学成因和机理做了大量深入地研究和探索,取得了丰富的研究成果[5-14, 25-38]

现有成因机理和本质

根据事件发生时的地质或气候条件,高速远程滑坡可划分为地震、降雨、冰雪冻融和火山等类型。各国研究者们一直都在探索和试图回答上述的那个关键问题。如果定义最大垂向落差和最大水平位移之比值是视摩擦系数值,那么,它一般都比经典坡积土石体修止角所确定的摩擦系数(或颗粒岩土体内摩擦系数)一倍以上。他们提出了很多种成因和机理假说和理论。国内外已有成因机理可被归划为四大类[15,25-38]

第一类是滑床润滑层和土石体液化。专家们提出了空气润滑层、水润滑层和摩擦生热润滑层假说。如果水体较多,大部分滑坡土石体可能被液化,形成泥石流,导致滑坡水平距离很远。特别地,水润滑床和液化是两种可能的成因机理。

第二类是滑坡土石体的体积效应。Heim1932 年统计发现滑坡体的视摩擦系数随着滑坡体的体积增大而减小[23]。滑坡体停止滑动一般是从底部一层一层地进行的。因此,厚层滑坡体能有更多的时间来让其上部土石体滑动的更远。

第三类是颗粒相互压强作用。高速碎屑间相互碰撞、动量传递,造成体积增大和内部剪切阻力降低。有机械液化、振动液化和岩块弹性应变能转化动能和热能效应。

第四类,空气垫-滑翔效应和碎屑流包裹空气流态化作用[3538]

以上四类成因机理的本质因素都可归结为:在滑坡体启动前,存在某种因素导致滑动面上的摩擦阻力突然降到极小;在启动后,滑坡体所经过的坡面摩擦阻力也因某种因素变得不大。从而,滑坡体在失稳时立即获得极快的初速度,在移动后,山坡滑道上所遇阻力极小,从而高速地远程运移。

但是,人们至今还是难以在现场定量地描述、观测、判断和预测这种因素。因此,高速远程滑坡成因和预测至今是世界难题,亟待解决。

 

我的地下高压气体动力源观点

经多年深入和潜心地研究,我找到了一个新的方向和突破口[16-21]:在巨大的土石山体下方,逐渐或快速地聚集着一种随时可突发而出的、具有超级能量、体积任意变形变大的物质,它具有主动快速地将山坡岩土体胀裂、拉裂、抛射、喷出和垫浮的能量和能力。从而,在不需要降低地面摩擦阻力的情况下,它们被高速和远远地运移和覆盖下方山坡、沟谷和平地。这造成土石坡体临空而出、飞速运移、再撞击或快速铲刮地面滑行、和骤然停止。我认为,这个物质因素就是地下高压天然气,它的体积膨胀能和力是完全能够主动地制造巨大土石山体的高速远程滑坡。相关物理和力学定律和控制方程可参阅我已发表的论文。

 

云南镇雄赵家沟特大型山体高速远程滑坡灾难分析

2013年1月11日8时20分许,云南省昭通市镇雄县果珠乡高坡村赵家沟发生一起特大型山体高速远程滑坡灾难:14戶民宅被埋,2戶受损,被掩埋房屋63间,厩厕31间,46人被埋,2人受伤,59头猪和5头牛被埋,毀坏耕地500余亩。这16戶累计戶籍人口67人。当时在家46人全部被埋:男27人,女19人(含11男童,8女童,7人60岁以上)。自11日8时30分,当地政府组织救援,调动了千人,大量挖掘机、裝载机、铲车、铁锹和搜救犬。由于土石覆盖面积大和深度厚(达到13米),救援极其困难。直到第二天中午,才找到被埋46人,全部遇难[39-40]

第二天下午,云南省国土资源厅滇东北地质灾害防治专家组通报了滑坡和原因[41-42]。滑坡体长约120米、宽约110米、厚约16米,总计约21万立方米的土石混合体,顺著地形往下冲,经过一个平坎之后,拐弯冲向赵家沟村,瞬间就把占地约1万平方米的村庄覆盖。灾害四原因:“第一,滑坡区地形陡峻,坡度达35度到50度,地形条件不利于斜坡稳定,为滑坡形成提供了有效的滑移空间;第二,滑坡区是第四纪残坡体堆积物,以粘性土为主,厚度大,自身稳定性差,是滑坡形成的内在因素;第三,连续雨雪天气是滑坡发生的直接诱因,最近一个月,该区域持续降雨降雪,堆积物水分渗透浸泡后达到饱和,在重力作用下发生滑坡;第四,彝良县‘9·7’地震对滑坡形成也有一定影响。”[42]

但是,当地村民们不满意上述原因,提出不少质疑[43-44]20131月18日,国土资源部派出第二批专家组到滑坡灾害现场调查。1月24日,他们给出了调查结果和对有争议问题的答案,认同上述的灾害原因,确认为西南地区时常发生的高速远程滑坡灾害[45-46]

我总结了村民们提出的质疑点和讨论,共有12个方面:

1)据《云南省地质灾害防治方案》,可能发生地质灾害的隐患点已查明,且纳入了群测群防体系。受灾村民组沒有被列入当地的地质灾害隐患点,也沒有纳入群测群防体系。

2)灾害发生前,有人见到,山坡上已经出现了裂缝。

3)发生在一月份冬季,甚至在云南大部分地区认为是旱季,这样大规模地质灾害在历史上还是第一次。云南省的汛期地质灾害气象预警预报在201211月21日结束。

4)2007年末2008年初,高坡村持续50天的暴雪,并未出现过山体滑坡,这次下雪只有几天,却引发这么严重的灾难,背后必有特殊的原因。

5)70年以来当地並沒有发生过山体滑坡。

6)滑坡前山腰处冒出白烟。

7)很多人听到‘轰’的一声。

8)目击者讲,“当时就像火山喷发一样,突然就爆发了……能明显感受到強大的气流从里面崩出來。”

9)一位拉煤司机恰巧经过赵家沟,亲眼目睹了山体滑坡的全过程。山体破坏特别地剧烈、飞速和远程。他力争跑去通知村民,但来不及。

10)泥土从山腰的平台处下滑,下方的植被和树木反而没垮塌。

11)滑坡体高差250多米,水平运移距离却700多米远和200多米宽,如何通过中间的广阔平台缓坡地;

12)附近煤矿采矿区离滑坡区没多远,山体滑坡可能与煤矿瓦斯爆炸有关。

1月11日中午开始,我一直在关注这次滑坡灾难。带著疑问[1],我在20131月18日赶到滑坡灾害现场调查[2-3]。我观察到更多的现象[2],例如,

1)滑坡主体是第四纪坡积,是粉沙泥质粘土和泥质粉沙质页岩碎块的土石混合体;

2)土石混合体在主通道两侧百米宽的广大山坡地面散落分布;

3)土石混合体堆积地带露出大量原来干燥、松散坡面泥土和植被;

3)土石混合体堆积物大多数呈松散裂开状态和低含水量;

4)部分饱水泥状土石混合体呈分离的团块状分布;

5)在土石混合体堆积物中很难找到长距离的磨擦、滑移和流水痕迹。

我认为,这次灾难性滑坡多种现象与经典滑坡或泥石流所造成的各种现象极不相符合。这次灾难性高速远程滑坡是地下高压天然气体体积膨胀喷出造成的。这个高压天然气体成因,能基本吻合现场滑坡状况和目击者描述。

 

主要参考文献

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2. 岳中琦,云南镇雄高坡村山坡崩溃灾难的现场工程地质初勘简报,2013-1-25 15:11,科学网博文,http://blog.sciencenet.cn/home.php?mod=space&uid=240687&do=blog&id=656490

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2013年3月13日写成于香港大学办公室

2015年12月24日上载到科学网博文




深圳山体滑坡事故
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