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堰塞湖的元兇之崩滑—碎屑流

來源:中國建筑加固改造與病害處理網 瀏覽:342次 發布日期: 2018-11-02 11:30
 

10月中旬,因山體滑坡,金沙江和雅魯藏布江先后在西藏境內發生了堰塞湖險情。在歷史上,雅魯藏布江地區多次形成堰塞湖,其中西藏易貢特大滑坡形成的堰塞湖最為典型。2000年4月西藏易貢藏布河發生約3.0億立方米的滑坡,截斷易貢河形成庫容28億立方米的滑坡堰塞湖。泄流前后,我國有14000余群眾受災,直接經濟損失4.2億。印方損失更加慘重,94人死亡,250萬人無家可歸。易貢特大滑坡是崩滑—碎屑流型滑坡。這種滑坡運動速度快,運移距離遠,具有很強的破壞性。接下來由小編帶領大家了解一下該種滑坡。


圖一:西藏易貢滑坡


晏同珍先生《滑坡學》一書,將滑坡定義為“巖土體在重力作用下依附于其自身軟弱結構面(帶)作水平位移分量較大的斜坡移動現象,包括其過程和結果”。


圖二:滑坡結構要素


滑坡體或崩塌體在運動過程中,在一定條件下可轉化為“流體”狀態,主要表現為碎屑流、泥流等。碎屑流是一種主要發生在山區高陡巖質或土質斜坡破壞后的高速散體狀流體。崩滑—碎屑流型滑坡運動速度一般在30m/s以上,遠遠超過了“國際地科聯滑坡工作組”1995年公布的“極迅速”滑坡的下限速度(表一)。目前已知速度最高的為加拿大西部Mackenzie山的Avalanche Lake滑坡碎屑流,達到了213m/s(約766.8km/h),直接攀越了對面640m的高山。


表一:滑坡滑速等級分類方案對比


同時,滑坡——碎屑流往往還具有超遠距離的位移,因為超乎尋常的高速度和遠距離位移,高速遠程滑坡—碎屑流往往能夠引發災難性事故,造成嚴重的生命財產損失。


01

嚴重的破壞性


1881年瑞士Elm滑坡——碎屑流體積高達1.1×107m3,以42m/s的速度運行了1.5km,掩埋了一個村莊,造成120人死亡。


1903年加拿大亞伯達省發生巨型崩塌,4.0×107m3的崩塌體從高1000~3000英尺的地方俯沖下來與坡腳碰撞轉化為碎屑流,在不到30s的時間里運動了2.5km,掩埋了半個Frank鎮,造成超過10000人死亡;


1962年秘魯Ancash省發生體積高達1.3 ×107m3的Ranrahirca滑坡——碎屑流,整個村被埋,造成約5000人遇難;


1965年云南祿勸普渡河谷大型高速遠程滑坡——碎屑流,掩埋了5個村莊,造成444人死亡;


1970年秘魯Yungay城發生由地震誘發的滑坡——碎屑流,高速運動了超過10km,掩埋了整個城市,造成18000人死亡;


1974年秘魯Mayunmarca滑坡——碎屑流掩埋了整個Mayunmarca村,造成450人死亡,碎屑物質又形成150m高的土石壩,堵塞河流形成洪災;


1980年美國華盛頓發生Mount St. Helens滑坡——碎屑流, 體積高達2.8 ×109m3,由于疏散及時只造成5~10人死亡,但卻毀壞了大量的房屋和高速公路;


1989年四川華鎣溪口鎮高速滑坡——碎屑流造成221人死亡;


1991年云南昭通頭寨溝滑坡——碎屑流, 造成216人死亡;


2009年重慶武隆的雞尾山滑坡——碎屑流,造成10人死亡,64人失蹤。


特別令人心痛的是,我國2008年5.12汶川地震誘發了大量高速遠程滑坡——碎屑流,傷亡慘痛。映秀牛圈溝滑坡滑體造成50人死亡;青川東河口滑坡——碎屑流掩埋了7個村莊,造成約400人死亡;綿竹文家溝滑坡——碎屑流造成約80人死亡等等。


02

滑坡——碎屑流的分類


按形成條件和平面形態可分為:山前平地型和溝谷型兩類。

甘肅灑勒山滑坡、加拿大Frank滑坡、瑞士阿爾卑斯山Elm滑坡為典型山前平地型滑坡——碎屑流。



圖三:甘肅灑勒山滑坡——碎屑流(山前平地型)


圖四:加拿大Frank滑坡(山前平地型)


西藏易貢滑坡、安縣大光包滑坡為典型溝谷型滑坡——碎屑流。



圖五:西藏易貢滑坡(溝谷型)


圖六:安縣大光包滑坡(溝谷型)


03

崩滑—碎屑流是如何形成的


根據張倬元等編著《工程地質分析原理》碎屑流的形成包含了碎屑化和流態化兩個過程。以下三方面的條件是十分重要的。


(1)碎屑化條件

碎屑化有多種方式,可概括為兩種主要方式。

一種是滑動式解體:滑體在高速運動中解體為碎屑體。滑塌是一種最典型的方式(Frank滑坡、御岳山滑坡等)。灑勒山滑坡前緣破碎體也是在高速運動中解體而成。這種方式多發生在松散土體或碎(塊)裂狀、散體狀巖體構成的斜坡中。

一種是碰撞式解體:高速崩落或滑落的巖土體,與前進方向上的阻擋山坡、溝壁或平臺猛烈沖撞,粉碎成碎屑(Elm滑坡)。此外,溝谷兩側同時發生的滑坡相互碰撞,也是碎屑化的一種方式。


(2)臨界運動速度

無論是哪一種方式或形成機制,都只有在崩落體或滑落體具有一定運動速度條件下,才能“流態化”。根據現場調研和計算資料,國內一些碎屑流在轉換為碎屑流前滑體達到的最大滑速約在25~30m/s 以上(如溪口滑坡24.6m/s,灑勒山滑坡30m/s,查納滑坡60m/s)。國外文獻資料提供的碎屑流滑速大多在30~70m/s。說明碎屑體的“流態化”存在著一定的臨界速度(如同水發生紊流的雷諾數)。滑體的具體特征不同,或引起主導作用的轉化機制不同,臨界值的大小也會有所差別。


(3)適宜的滑道地形

碎屑流的形成應具有開闊的山前平地,或方向、坡度適宜的溝床或溝谷地,為碎屑流的運移提供合適的場所。


04

崩滑—碎屑流運動速度為什么這么快


目前碎屑流的高速運動機制取得了豐碩的成果,各種運動機理和模型層出不窮,產生重要影響的主要有以下4種:


(1) 空氣潤滑模型:在滑坡體剪出下落的過程中,碎屑流內部圈閉并壓縮著大量的空氣,氣體與固體顆粒之間的作用取代了固體顆粒的粒間碰撞而成為力的主要傳導方式。因此,碎屑流受到的地面摩擦阻力幾乎為零,碎屑流能高速前進。該原理和氣墊船相似。

圖六:氣墊船原理


(2) 顆粒流模型:認為高速遠程滑坡—碎屑流是純固相碎屑流體,在運動的過程中,受到了來自地面的剪應力,如果碎屑流運動速度足夠大,則剪應力足夠大,底部顆粒便會對上部碎屑顆粒施加向上的碰撞力,導致顆粒流與地表面的應力減小,摩擦阻力降低,所以碎屑流能夠高速運動很長的距離。


(3) 能量傳遞模型:當碎屑流高速運動時,其中的碎屑顆粒受到來自周圍的剪應力,當剪應力超過其剪切強度時,顆粒便會破裂,一部分停止運動并把動能傳遞給另外一部分,接受能量的部分會高速向前運動。


(4) 底部超孔隙水壓力模型:當碎屑流在沖積層、淤積層或者冰川上流動時,會鏟刮這些物質而在底部形成一層飽和或者近飽和的淤泥層,這些淤泥層由于受到上部碎屑流的加載剪切作用,且由于其滲透系數很低,這個過程相當于加載不排水剪切,因而在淤泥層內產生超孔隙水壓力,使碎屑流施加給地面的有效應力降低,摩擦阻力減小。


05

如何監測預警崩滑—碎屑流


除了傳統常規的實地考察方法,隨著科學技術的發展,可以用合成孔徑雷達干涉測量技術(InSAR)發現超視距危巖體或者潛在滑坡體并加以監測。合成孔徑雷達干涉測量是指利用同一地區獲取的SAR數據中的相位信息進行干涉處理,根據雷達參數反演地形及地表形變信息的空間大地測量技術。InSAR變形監測具有觀測精度高(最高可達mm級)、覆蓋范圍廣(一景可達3600 km2)、變形監測值密度大(大于3點/km2)及適宜在環境惡劣地區工作等優勢。通過多時相InSAR干涉圖像分析,獲取一定時間段內的坡體變形數據,可對滑坡隱患進行早期識別。一旦確定了潛在危巖體位置,就可以利用高精度遙感影像、無人機航拍等手段進行針對性的坡體穩定性調查、分析和評價,制定具體的監測預警方案和風險管控措施。


圖七:InSAR測量原理圖



參考文獻

[1]張明,殷躍平,吳樹仁,張永雙. 高速遠程滑坡-碎屑流運動機理研究發展現狀與展望. 工程地質學報,2010,18(06):805-817.

[2]曾慶利,魏榮強,薛鑫宇,周元澤,尹前鋒. 茂縣新磨特大滑坡-碎屑流的發育特征與運移機理. 工程地質學報,2018,26(01):193-206.

[3]張倬元,王仕天,王蘭生編著.工程地質分析原理 第4版.北京:地質出版社.2016.

[4]晏同珍等著.滑坡學.武漢:中國地質大學出版社.2000.


美編:魯方圓

校對:黃志偉

 
 
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