鸡场镇滑坡成因机制与碎屑流运动特征研究

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我国是一个地质灾害频发的国家,尤其在西部山区,因其特殊的地质环境条件,滑坡、崩塌、泥石流等大型地质灾害在空间上更为集中,由此带来了较多的人员伤亡和较重的经济损失。在众多地质灾害中,突发型的高速远程滑坡在早期识别和空间预测方面难度较大,一旦发生极易造成群死群伤的灾难性后果。2019年7月23日晚上20时40分,贵州省水城县鸡场镇坪地村发生一起大型高速远程滑坡-碎屑流灾害,造成42人死亡,9人失踪,成为近年来损失较为严重的崩滑灾害事件之一。本文在对灾害现场进行大量地质调查的基础上,结合物探、无人机航拍、遥感解译等综合手段,查明了滑坡区的地质环境条件、滑坡形态规模和发育特征。采用原状土样物理力学试验、碎屑流运动物理模型实验、结合有限元数值模拟软件(Geo-Studio)、离散元颗粒流数值模拟软件(PFC3D)对鸡场镇滑坡的形成机理与滑坡启动后碎屑流的运动特征展开研究,并得到如下成果:(1)现场调查和物探结果表明:鸡场镇滑坡-碎屑流是一起发育于二叠系中统强风化散体-碎裂玄武岩地层中的高速远程岩质滑坡。鸡场镇滑坡滑动面位于强风化带内,坡体内两组倾坡外的结构面为滑坡发生提供了有利条件。滑前遥感影像和Insar变形分析表明:2017年至滑坡发生前,滑坡区变形量在-5mm和+5mm之间波动,可视为稳定区域,滑坡滑前无征兆,具有隐蔽性和突发性。(2)鸡场镇滑坡滑带土具有明显的软化特征。试验结果表明:滑带土的力学参数随含水率升高而降低,持续强降雨的饱水加载、入渗和软化作用,是滑坡发生的直接诱发因素。鸡场镇滑坡底滑面具有台阶状和波状的起伏特征,说明滑面附近存在差异风化而形成的岩质锁固段,锁固段的破坏是滑坡发生的控制性因素。结合工程地质条件综合分析认为滑坡的破坏失稳机理为:持续强降雨作用下,强风化玄武岩渗透通道难以将渗入地下的降水及时排出,在锁固段附近形成暂态高水位,并累积了较高的应力,同时原有结构面在雨水浸泡作用下饱水软化,两者共同作用导致多级岩质锁固段剪断,滑坡启动。(3)基于二维有限元法的滑坡降雨入渗过程数值模拟研究结果表明:降雨入渗对斜坡稳定性影响具有滞后效应,强降雨停止后几个小时内,依然继续对斜坡稳定性产生负作用。在7月22日晚间暴雨后15h,滑坡浅表部强风化玄武岩达到饱和含水率,滑体有效应力降低到5Kpa以下,斜坡稳定性降低到0.994,滑坡启动。(4)在进行滑坡-碎屑流运动特征研究时,利用3D打印技术能还原滑坡区三维地形形态。相较于常规的平直斜槽物理实验,在三维地形下进行的实验能更直观真实地反映碎屑流运动过程中的形态特征、运动路径、堆积厚度特征。(5)PFC3D碎屑流运动过程数值模拟结果表明:鸡场镇滑坡-碎屑流运动持续时间60s,运动最大距离1150m。在剪出口下方100米处,滑坡-碎屑流达到最大平均速度31m/s。根据运动状态和速度特征可将鸡场镇滑坡-碎屑流整个运动过程分为:滑坡启动、撞击解体、沿沟道分流运动和汇合堆积四个阶段。(6)鸡场镇滑坡-碎屑流的运动路径受地形条件控制,在碎屑流沿左右两个沟道运动过程中存在明显的爬高、撞击外翻及凌空飞跃等现象,在运动后期具有明显的流态化特征。整个滑坡过程释放重力势能2.9×1012J,动能最大值达到4.2×1011J。能量的耗散形式主要为摩擦耗能和阻尼耗能,分别占释放重力势能的72.4%和27.5%。
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