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锁固型岩质斜坡的失稳前兆与失稳演化规律

已有 3446 次阅读 2018-12-1 11:39 |个人分类:科普|系统分类:科普集锦| 锁固型斜坡, 失稳前兆, 失稳机理

大家对斜坡不陌生吧,去名山大川旅游,常常看到形态各异的斜坡,如按组成斜坡的岩性可分为:岩质斜坡、土质斜坡、土石混合型斜坡(堆积层斜坡)。斜坡在开挖、地震、降雨等作用下一旦失稳——滑坡,常造成严重的人员伤亡与财产损失。如意大利瓦依昂滑坡(图1)造成的损失令人触目惊心。1963109日,瓦依昂大坝左岸约2.4亿立方米的山体以最大30m/s的速度整体下滑,激起250m高的涌浪, 翻越坝顶,约 300万立方米水注入深 200余米的下游河谷,冲毁兰加隆镇和附近5个村庄,死亡1925人。

若能掌握斜坡失稳演化的前兆及其规律,就能提前采取相应措施,减少或避免滑坡灾害造成的损失。

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1 意大利瓦依昂水库滑坡剖面Semenza and Ghirotti, 2000

灰岩;含黏土岩夹层的薄层灰岩;含燧石的厚层灰岩;泥灰质灰岩;老滑坡;滑动面;滑动后地面线

随着对斜坡失稳机理研究的进展,我们发现不少大型斜坡受潜在滑面上的锁固段控制,称该类斜坡为锁固型斜坡。锁固段具有聚能效应,其在未贯通之前会储存大量弹性应变能,并在锁固段突发脆性断裂时转换为坡体动能,导致滑坡高速启动,故锁固型斜坡失稳后往往具有强烈破坏性,典型实例如昭通头寨沟特大型滑坡、三峡库区千将坪滑坡、唐家山滑坡和重庆武隆鸡尾山滑坡等。

我们在分析多个典型滑坡资料的基础上,将锁固型斜坡划分为两大类层状锁固型斜坡(图2a, b, c和非层状锁固型斜坡(图2d, e, f。在此基础上,依据锁固段潜在宏观破裂贯通面与坡体地层层面的产状关系,将层状锁固型斜坡细分为“跨层斜切式”与“顺层直剪式”两类,其中根据坡面与地层层面产状关系将跨层斜切式”进一步细分为内倾式(图2a)和外倾式(图2b;依据锁固段赋存形式,将非层状锁固型斜坡细分为“均质岩桥式”、“挡墙式”和“支撑拱式”三类。

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2 锁固型斜坡分类

锁固段通常具有扁平状与大尺度的几何特征,承受极其缓慢的压剪荷载或应力腐蚀作用,这将导致其具有强非均匀性与低脆性破坏特征。在这种情况下,当锁固段损伤演化至体积膨胀点时,由于裂纹的非稳定扩展,将出现两种可判识的前兆模式:(1)斜坡开始出现加速蠕滑,且往往持续较长时间;(2)在锁固段体积膨胀点处发生高能级破裂事件,其与地震区孕震锁固段【1】类似。我们构建了锁固段体积膨胀点与峰值强度点的力学联系,即:

uf(k)=1.48kuc        (1)

式中,ucuf(k)分别为第1锁固段体积膨胀点和第k个锁固段峰值强度点处沿潜在滑面的剪切位移。当最后一个锁固段在峰值强度点处发生宏观破裂后,潜在滑动面贯通,滑坡的发生将不可避免。

应用我们提出的物理预测模型时,建议优先采用锁固段沿滑面的剪切位移,但碍于锁固段赋存环境往往具有隐蔽性,在目前难以对其深部位移进行有效监测的情况下,建议位移监测数据按照如下原则选择使用:锁固段自身数据优先,深部坡体数据次之,浅部坡体数据再次之。对于岩质斜坡,当其整体连续性较好时,可用坡体表面位移表征锁固段沿潜在滑面的的剪切位移。

下面我们介绍两个典型实例,加以说明。

1、盐池河山崩

198063日,湖北远安县盐池河磷矿发生灾难性大型山体崩塌,导致整个工矿区被毁,造成约284人死亡以及2500万元财产损失。崩塌体在脱离鹰嘴崖山体垮落冲击地面过程中,引起一次与MS1.6天然地震能量近乎相当的强烈震动,并最终散落在崖下河谷宽缓地带和斜坡上,形成南北长约560m、东西宽约400m、最大厚度约40m、方量约100万方的堆积体,导致河道堵塞形成堰塞湖。

盐池河山崩的发生具有特定地质背景,崩塌山体不仅具有三面临空的陡峻地形条件,而且具有软硬岩层相间的岩体介质结构和沿节理面追踪破坏的构造条件。除此之外,盐池河磷矿开采的影响也不容忽视。如图3a所示,地下磷矿的开采会引起上覆山体发生应力重分布,促使崩塌山体地表裂缝形成并向下延伸扩展,当地表裂缝IIV先后向深部延伸至崩塌山体底部滑面时,前者完成了对崩塌山体的侧向切割,为崩塌体的形成提供了边界条件,而后者则将崩塌体切割成两块,降低了崩塌山体整体滑移倾倒的难度。容易理解,地表裂缝向深部追踪发展的过程,实质就是锁固段逐步被剪断贯通的过程。按照锁固型斜坡分类体系(图2)的标准,由于盐池河崩塌山体内部锁固段潜在宏观破裂贯通面与层状地层相交(图3a),其应属于跨层斜切式”

根据锁固段损伤演化至体积膨胀点对应的斜坡位移值uc (~15cm),由式(1)可预测出锁固段损伤演化至峰值强度点对应的斜坡位移值uf (~22.2cm),其十分接近于盐池河山崩前最后一次观测值(图3b),对应于崩塌前1天。

综上分析,盐池河山崩的破坏失稳机理可归纳为:在盐池河崩塌山体自重、降雨与地下磷矿开采扰动等因素长期作用下,山体内部锁固段逐步损伤演化至体积膨胀点,导致崩塌体出现明显位移加速现象;而崩塌前3天近80mm的降雨,进一步加剧了锁固段损伤,使其最终演化至峰值强度点发生宏观破裂,导致裂缝IV与底部滑面连通,此时斜坡失稳已成必然。由于岩质锁固段刚度大,则滑移量小,且其变形破坏达到峰值强度点坡体即将失稳,故失稳类型为突发型;加之剪出口处于高位且前缘临空,故失稳后运动表现形式为山崩。

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3 盐池河崩塌山体地质剖面示意图(a)及1980年裂缝IV水平位移观测记录(b

猜猜看,锁固段在哪里?

2Mesnil-Val海岸某岩质崩塌

白垩陡崖为法国Mesnil-Val海岸的典型地貌。陡崖部分区域被多组相互交叉的垂向节理所切割,形成上部分离、下部与母岩相连的危岩。显然,下部未贯通的岩体控制着危岩稳定性,可视为锁固段。Senfaute et al.2009)于20021月开始对其中一处崩塌倾向较明显的危岩进行微震监测(图4),同年623日锁固段贯通破坏,随即崩塌发生。该锁固段位于陡崖下部,受海水浸泡和潮汐反复冲击作用,其损伤演化速率较一般崩塌体锁固段更快,所以尽管监测周期较短,仍可能记录了锁固段体积膨胀点的微震信息,可尝试对其进行判识。从图5看出, 2002219日观测到的高能级破裂事件(从微震能量-时间曲线可知,该图略),很可能对应该锁固段的体积膨胀点。

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崩塌前陡崖形貌与微震测点分布

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崩塌前每天监测到的微震事件数

我们的研究表明,斜坡潜在滑动面中的锁固段与地震区孕震断层锁固段,其破裂失稳前兆类似,且锁固段在加速破裂阶段(体积膨胀点与峰值强度点之间)的位移或应变有确定性联系,即这两类锁固段的破裂行为遵循相同演化规律,所以说锁固型滑坡和标志性地震的发生机理并无本质不同。由此看出,凝练关键科学问题【2】是多么重要啊。

在未弄清某一自然对象的本质演化机理前,学界应提倡“百花齐放百家争鸣”之风,以找到正确的研究方向。然而,科研的归宿是找到描述某一类自然对象演化的普适规律,从“百花齐放百家争鸣”到“一统江湖”是科学发展的必然,尽管探索过程漫长且艰难,但这应是科研人员追求的崇高目标。

参考

【1】科学探索之旅:寻找大地震前兆的艰辛历程 

http://blog.sciencenet.cn/blog-575926-1122732.html

【2】如何凝练具体的关键科学问题? 

http://blog.sciencenet.cn/blog-575926-1131989.html

其他(略)




http://blog.sciencenet.cn/blog-575926-1149297.html

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