海原地震党家岔滑坡形成机制与运动特征研究

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我国位于世界两大地震带—环太平洋地震带与欧亚地震带之间,受太平洋板块、菲律宾海板块和印度板块的挤压,地震断裂带非常发育,大地震频发。1920年发生在宁夏回族自治区南部的海原环球大地震因震级高、烈度大、破坏性强以及影响范围广等特点而闻名世界,此次地震直接诱发了大量的滑坡和崩塌等地质灾害,尤以导致形态多样、数量庞大的黄土滑坡最为典型,本文所研究的党家岔滑坡就是其一。党家岔滑坡位于宁夏回族自治区西吉县苏堡乡党家岔村,属于地震Ⅸ度烈度带区,该滑坡因其特殊的形成机制和运动特征而倍受地质学者关注。本文就是运用野外调查、测绘、钻探、槽探等勘察手段,查明了滑坡区的地形地貌、地层岩性、地质构造、水文地质条件、工程地质条件以及滑坡的范围、规模、形态与变形破坏模式等。进而采取现场原状土样和钻孔滑带土进行室内物理、力学实验,以探究其在震动荷载下的变形破坏模式。最后利用离散元PFC数值计算方法,模拟滑坡变形破坏以及运动全过程,并监测破坏过程中相关物理、力学参数的变化情况,进而对滑坡的形成机制与运动特征展开研究并得到如下成果;(1)党家岔滑坡位于黄河二级支流滥泥河中游流域,地形连绵起伏,地势南高北低,西高东低。具有典型的黄土塬、梁、峁、坳地貌,切割强烈,冲沟侵蚀严重,地质灾害十分发育。滑坡区表部主要由第四系中更新统、晚更新统黄土所覆盖,下伏砖红色新近纪泥岩。区域地下水类型属于第四系黄土类土潜水,主要依赖当地大气降水通过黄土的节理和孔隙等通道进行补给。区内新构造运动强烈,其中1920年海原地震发震断裂为一大型逆冲断裂,伴随很大的左旋位移,地震释放的能量巨大,直接诱发了党家岔滑坡启动。(2)根据党家岔滑坡的平面形态与堆积特征,将其分为主滑方向分别为295°、300°及80°的三个子滑坡。滑坡边界清晰,滑壁高陡,平面形态呈圈椅状或长椅状,堆积体地形多见波状起伏。三个滑坡总方量约2000万方,边界相连构成“鱼形”平面形态,根据运动情况划分为滑源区、流通区与堆积区。滑源区地形陡缓交替,后缘洼陷;流通区为具有束流加速作用的“U“型断面峡谷地形;堆积区填覆古河道,截断水流,形成闻名遐迩的亚洲第二大震湖。(3)党家岔滑坡的形成条件主要有地形地貌条件、地层岩性条件、地下水作用以及地震作用。其经历了临空面形成、潜在滑面形成、震发滑面贯通及高速启动四个阶段的演化过程。就其变形破坏的机理主要体现在两个方面:其一是地震动荷载作用下致使黄土动强度大幅降低,尤其是在上部黄土与其下伏泥岩胶结面及附近的饱和黄土带内发生剪切变形破坏,进而形成滑面;其二是局部饱和黄土发生液化,在地下水埋深较浅的斜坡坡脚处发生了饱和黄土震动液化现象,抗剪强度大幅下降直至基本丧失;在这两种情况的联合影响下,最终导致滑面贯通、斜坡失稳,上部黄土以下伏新近纪泥岩为滑床开始启动。(4)根据滑坡运动状态和速度方向,将党家岔滑坡整个运动过程分为5个阶段:(1)失稳启动阶段,即滑动面贯通,三个滑坡相继失稳启动;(2)对冲变向阶段,即滑坡脱离滑床运动较小的距离后,在其共有的临空面里,沿着小岔子沟大角度斜交对冲,并改变运动方向继续运动。(3)解体流滑阶段,即滑体前部因扰动最大而基本全部解体,而靠后的滑坡物质形成了下部湿润泥流托浮着上部干燥的黄土块体和碎屑进行快速流滑;(4)阻挡反翘阶段,即三个滑坡形成的混合运动体迅速填埋并越过堡玉沟沟道,然后撞到对面高陡的山体上后,受到强烈阻挡开始反翘并形成超覆堆积体,完成第一个滑程段运动;(5)侧向扩离阶段,即后面持续高速运移而来的碎屑流以与泥流混合的滑坡物质,能量并为完全消散,而是受阻后沿着与主滑向近乎垂直的堡玉沟上游和下游双向扩散,开始第二个滑程段运动。经相关测量和计算,得出该滑坡具有运动距离远、运动速度高等特点,且具有滑动液化和超距等现象。(5)运用离散元颗粒流PFC2D数值模拟软件,建立二维仿真模型进行地震动力响应分析,再现了党家岔滑坡整个运动过程。首先在地震波垂向和水平向的震动荷载作用下,滑坡后缘拉应力集中,坡脚压应力集中,斜坡体先发生震密,进而坡肩位置形成拉槽,逐渐形成后缘陡壁,并在坡脚剪出口位置出现鼓掌,最后形成“滑移—压致拉裂”的破坏模式。通过速度监测发现滑坡经历了先加速再减速的过程,通过孔隙率监测,发现在滑动的过程中,滑体材料之间的粘结关系相继被破坏并拉断,滑体逐步解体至溃散,最后表现为碎屑流运动状态。
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