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汶川地震引发高速远程滑坡运动机理数值模拟研究——以谢家店子滑坡为例苏生瑞;张永双;李松;郝莉莉;王凯;梅海【期刊名称】《地球科学与环境学报》【年(卷),期】2010(32)3【摘要】针对汶川地震引发的谢家店子滑坡,在现场调查分析的基础上,建立了二维离散元数值模拟模型,采用2D-Block软件对其进行了全过程的数值模拟研究,并通过对跟踪块体的深入分析,研究了相应地质体在不同阶段下的运动特征.模拟结果表明,谢家店子滑坡经历了剧动启程抛掷阶段、快速撞击飞行阶段、铲刮减速碎屑流阶段及堆积掩埋阶段.为了揭示地震引发高速滑坡的发生规律,分别研究了地震震级、斜坡地形和斜坡上岩块的尺寸对高速滑坡启动和运动过程的影响规律.地震震级对边坡的启动、变形、破坏和运动有很大的影响,地震震级越大,滑体启动的加速度和速度也就越大,从而易形成高速远程滑坡.斜坡体本身的地形地貌对滑体运动也有较大影响.在震级和岩石力学参数一定的条件下,斜坡上岩块的大小对其启动、变形和运动过程有一定影响,随着岩块的增大,滑体运动的每个阶段历时都在减小,但当岩体十分破碎时,滑体虽然能够运动,但是很难发生抛掷.将地震滑坡的启动机理概括为积累变形效应、振荡启程效应和振荡加速效应.【总页数】11页(P277-287)【作者】苏生瑞;张永双;李松;郝莉莉;王凯;梅海【作者单位】长安大学地质工程与测绘学院,陕西西安,710054;中国地质科学院地质力学研究所,北京,100081;长安大学地质工程与测绘学院,陕西西安,710054;长安大学地质工程与测绘学院,陕西西安,710054;长安大学地质工程与测绘学院,陕西西安,710054;长安大学地质工程与测绘学院,陕西西安,710054【正文语种】中文【中图分类】P642.22【相关文献】1.汶川地震非规范滑坡体上植被的自然恢复能力研究——以彭州银厂沟谢家店子滑坡体为例 [J], 刘守江;张斌;杨清伟;胡翠华;舒成强2.汶川地震高速远程滑坡机制实验研究 [J], 孙萍;汪发武;殷跃平;吴树仁3.高速远程滑坡-碎屑流运动机理研究发展现状与展望 [J], 张明;殷跃平;吴树仁;张永双4.汶川地震高速远程滑坡速度研究 [J], 方华;裴来政;向灵芝5.汶川地震触发牛圈沟高速远程滑坡-碎屑流动力学特性分析 [J], 张远娇;邢爱国;朱继良因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
汶川地震滑坡遥感信息提取及灾害危险性评价研究【中文摘要】地震滑坡是一种常见的地震次生灾害,因其巨大的致灾力而广泛引起人们的关注。
目前,单体滑坡的稳定性评价和滑坡预报研究已取得了较为深入的研究成果,但在向区域滑坡稳定性评价推广时会遇到许多困难。
随着遥感和地理信息技术的发展,作为一种新的调查、监测途径和手段,在地震滑坡领域已得到广泛运用。
2008年5月12日,四川省汶川县发生Ms 8.0强震,直接导致数万人死亡,数十万人受伤,同时地震诱发大量的滑坡、崩塌和泥石流等地质灾害,给当地人民带来了极大的影响。
为了有效避免次生灾害对灾区造成进一步的危害,本文选取重灾区——汶川县作为研究区域,基于地震滑坡原理,利用遥感与地理信息技术,综合各种数字滑坡技术获取滑坡信息,全面分析了研究区内滑坡与各影响因子间的相关性特征,运用信息量法与逻辑回归模型进行灾害危险性评价,并对两种方法进行了比较分析,主要研究内容如下:(1)基于遥感数据,论述了一系列数字图像处理技术(影像融合、影像校正),研究获取影响滑坡灾害因素信息的方法,并对研究区地震滑坡特征进行分析。
(2)按照指标体系所确定的指标因子进行数据采集,并按照统一的数字研究环境框架的规范进入GIS数据库,建立研究区域滑...更多坡空间数据库,包括滑坡分布数据库和滑坡因子数据库,为研究区域地质灾害预警信息系统建设提供了丰富的滑坡灾害基础数据。
(3)选取高程、坡度、坡向、岩性、地震断裂、烈度以及水系因子7个评价因子,采用信息量法与逻辑回归模型进行滑坡灾害危险性评价,将研究区滑坡危险性划分为极轻度、轻度、中度、高度和极高危险五个级别,合理地反映区内滑坡灾害发育的总体特征。
(4)将信息量模型与逻辑回归模型进行比较分析,发现逻辑回归法能较好地避免滑坡危险度区划研究中评价因子选择及权重赋值的主观性,具有更高的评价精度。
在GIS支持下对研究区遥感影像进行解译和信息提取,获取其地震滑坡特性,获得了汶川地区一些预测和危险性分析的结果,对于该地区震后恢复重建、居民地选址、次生灾害的预警与防治等工作都有一些建设性的指导意义【英文摘要】 As a kind of secondary disaster caused by strong earthquake, the earthquake-induced landslide has drawn much attention in the world due to the severe hazard. Nowadays, researches on single landslides have been carried out more successfully comparing to the ones on regional landslides. To a certain degree, remote sensing and GIS, as new kinds of tools for investigation and monitor, have been used in many researches on landslide susceptibility and hazard mapping.The Ms 8.0 Wenchuan earthquake, occurred on 12 May 2008 in Sichuan Province, made a great many houses collapsed and hundreds thousand people injured. Meanwhile, damage caused by earthquake-induced landslides, collapse and debris flow became the major part of total losses. In order to remove threat from the secondary disasters effectively, this study used information value method and logistic regression, coupled with techniques of remote sensing and GIS, to generate susceptibility maps, taking the case of Wenchuan County. Main con...更多tent and production can be summarized as follows:(1) Based on the remote sensing data, this paper introduces the significance of digital image processing technology (e.g. data fusion and ortho-rectification), illustrates the procedures and techniques of information extraction and analyses thecharacteristics of earthquake-induced landslides in the research area.(2) To perform the potential analysis, it was necessary to establish spatial database of landslides containing landslides’attributes and variables contributing to landslide in the study area. The database following the unified standard of digital surrounding can provide plenty of basic data for advanced process.(3) Seven factors controlling landslide occurrence have been taken account into the susceptibility assessment, including elevation, slop, aspect, lithology, seismic intensity, distance to faults and rivers. According to the probability that predicts the possibility oflandslide occurrence calculated applying information value method and logistic regression separately, the study zone was ultimately categorized into five classes, specifically,“extremelylow”,“low”,“moderate”,“high”and“very high”. These results have been proved to reflect closely the spatial distributions of landslides in the study area.(4) It has been found that the predictive capability of logistic regression model appears to be more accurate comparing to information value method. It is mostly because logistic regression could reduce effectively the subjectivity in selection of evaluation factors and weight assignment.In sum, this paper extracts some information from remote sensing data, analyses the characteristic of earthquake-induced landslides under aGIS environment and accordingly generates the susceptibility maps in Wenchuan County, which undoubtedly contributes to recovered construction, location of habitation and prevention of secondary disasters in the study area.【中文关键词】地理信息系统; 地震; 滑坡; 危险性评价; 信息提取; 遥感。
高精度GPS在滑坡监测中的应用——以四川峨眉川主乡滑坡为例摘要：西南地区地形复杂，人口众多，属地质灾害多发区。
自2008年5.12汶川大地震和2013年4.20芦山地震以后，四川大渡河流域地区的自然环境正在发生着令人不可忽视的变化。
为保障该区人民财产生命安全损失不受侵害。
建立有效的山体滑坡监测网、累积足够的监测数据以了解地质灾害的发生诱因与进程显得刻不容缓。
建立地质灾害山体滑坡监测数据库，对公路建设、旅游开发、人居环境、资源开采等领域有着必不可缺的意义。
GPS卫星全球定位系统由于其定位速度快、不受气候条件限制、可获得mm级精度等可靠性，对大地测量以及地球动力学研究等诸多领域产生了极其深刻的影响，在地质灾害滑坡以及地壳形变监测等领域受到了越来越广泛的应用。
关键词：地质灾害滑坡；GPS监测；监测网建立；数据处理我国幅原辽阔，人口众多，地质灾害频发。
随着经济的迅猛发展，人口急剧膨胀，交通水利及自然资源的大力建设和大量开采。
导致了自然环境正在发生着令人不容忽视的变化。
加上2008.5.12汶川大地震和2013.04.20芦山地震发生以后。
西南川、云、贵、西藏等地区的滑坡、崩塌等地质灾害对人民生产生活造成的影响在大量的增加。
其中尤以地质灾害滑坡对人民生命财产和国民经济造成的损失最为直接和巨大。
所以建立安全可靠的滑坡监测体系，持续有效的监测地质灾害显得尤为重要和意义重大。
滑坡监测的方法是多种多样的，包括滑坡体整体变形监测，滑坡体内部应力监测如滑体深部位移等，滑坡体外部环境监测如降雨量、地下水位、地声监测等。
其中滑坡体整体变形监测是诸多监测方法中最重要的内容，也是判断滑坡是否危险的主要依据。
以往滑坡监测方法通常有两种：1.高程用水准测量方法进行测量；2.用三角测量方法或经纬仪导线测量平面位移。
20世纪80年代中期出现全站仪以后，人们就利用全站仪导线和电磁波测距三角高程方法进行变形监测。
但上述方法都需要人员到现场观测，工作量大，特别在西南山区进行外业操作，山陡路险，树杂草深，作业十分困难，很难实现无人值守监测。
J ournal o f E ngineering G eology 工程地质学报 1004-9665/2008/16(6) 0730 12汶川地震触发大光包巨型滑坡基本特征及形成机理分析*黄润秋 裴向军 李天斌(成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室 成都 610059)摘 要 大光包 红洞子沟巨型滑坡是汶川地震触发的最大规模滑坡,其体积达7.42亿m3,堰塞坝高达690m,是我国已知的最大规模地震滑坡和最高的滑坡堰塞坝,也是目前全世界已知的为数不多的几个方量在5亿m3以上的超大规模滑坡之一,其高达690m的滑坡堰塞坝为目前世界最高的滑坡坝。
滑坡位于发震断层上盘,距发震断裂 映秀 北川断裂不足7k m。
震前斜坡为三面切割的孤立型山脊,相对高差达1500m;斜坡岩层走向与坡面近于垂直,层面延展性极好,构成滑动面形成的基础。
调查和分析表明,斜坡的临空条件和贯通性好的灰岩层面是滑坡产生的基础;而高强度和长持时强震地面运动是导致滑坡产生的根本因素。
滑坡产生的机理和过程可分为以下4个阶段:即坡体震裂、松弛和解体阶段、高速溃滑阶段、震动堆积阶段、二次抛射和碎屑流堆积阶段。
失稳高速下滑的坡体,形成了沿主滑方向长4.2k m,宽2.2k m的堆积体,高速流动的碎屑流越过下游侧风波岩山脊,沿红洞子沟形成了长1k m的碎屑流堆积区。
关键词 大光包滑坡形成机制溃滑震动堆积中图分类号:P642.22 文献标识码:ABA SI C CHARACTERISTICS AND FOR M AT I ON MECHAN IS M OF THE LARGEST S CALE LAND S L IDE AT DAGUNGBAO OCCURRED DUR ING THE W ENCHUAN EARTHQUAKEHUANG Runq i u PE I X iang jun LI T i a nbin(StateK ey Laboratory of Geo-H azard Prevention an d G eo-Environ m e nt Protecti on,Chen gdu Uni versit y of T echnology,Chengdu 610059) Abst ract The landslide atDaguangbao andH ongdongzi g ou site i s the largest a m ong a ll landslides occurred during t h eW enchuan E arthquake.Its vo l u m e is up to742Mm3,and its debris da m hei g ht reaches690m.So it is a lso the m ost largest sca le l a ndsli d e triggered by earthquake a m ong a ll i n vesti g ated landsli d es i n China.Add itionally,it has t h e highest debris da m or i g i n ating fro m l a ndsli d e i n Ch i n a.It is even one of a fe w super large-scale landslides kno w n a ll over t h e world,whose i n d i v idua l vo l u m e is over500Mm3.The debris da m for m ed by th is landslide can be the h i g hest around the w orl d.The landslide i s located on the upper plate of the Causative Faul.t It is nearly7 k m a w ay fro m the tri g geri n g se is m ic fracture o fY i n gx i u-be i c huan fau l.t The sl o pe was an iso lated ridge before the Earthquake.its'the ridge had its3sides cu.t Its he i g ht d ifference reaches1500m.The str i k e o f cli n o then w as al m ost vertical to the sl o pe surface.the cli n othen had perfect ex tensi o n.They co m posed together t h e basic cond itions of sli d i n g surface f o r m ation.Our i n vesti g ati o n and ana l y sis sho w that the free surface conditi o ns o f t h e sl o pe and the surface connectivity of li m estone bedd i n g plane w ere t h e base o f landsli d e f o r m ation.And the ground m ove m ent re su lted fro m the i n tensive quak i n g w ith large i n tensity and long durati o n w as the rad ica l triggering factor o f the land*收稿日期:2008-11-10;收到修改稿日期:2008-12-10.基金项目:本项工作获国家自然科学基金汶川地震灾后调查主任基金资助(编号:40841009).第一作者简介:黄润秋,主要从事工程地质和岩土工程方面的教学与研究工作.Em ai:l hrq@cdu sli d e.The m ec han is m and process of the landsli d e cou ld be d i v ided i n to4stages as fo ll o w s:(a)the stage of sl o pe body shatter,re laxation and disi n tegrati o n,(b)the stage of h i g h speed sli d i n g,9c)the stage o f accu m u lati o n w ith shock,and(d)the stage o f the second projectile and debris flo w depositi o n.Because o f destab ilizati o n and high speed sli d i n g do w n,t h e sl o pe m ass co m posed a deposit body a l o ng m ain d irection of sli d i n g,4.2km l o ng and2.2 k m w i d e.H i g h-speed clastic flo w cr ossed do w nstrea m Fengboyan,and for m ed a deposit zone of debris flo w a l o ng H ongdongzi g ou,1km long.K ey w ords D aguangbao large-sca le landslide,For m ation m echan is m,S li d i n g,Accu m uation w ith shock,W en chuan E arthquake,Ddebris da m1引 言2008年5月12日14时28分,四川盆地西部龙门山断裂带发生了震级高达M s8.0级的汶川特大地震。
高速远程滑坡成因及特征李峻青 G2******* 国科硕2002班摘要：高速远程滑坡作为一种特殊的地质灾害，具有运动速度快、滑动距离远、致灾范围广等特征，一旦发生往往给人类的生命财产带来巨大的损失，因此，针对其超强运动机制的研究一直受到国内外滑坡领域的高度关注。
已有研究表明，这种大型滑坡-碎屑流在运动过程中呈现流体化运动的特征。
高速运动的滑体从岩土体转变为流态化的湿碎屑流或干碎屑流。
这种湿碎屑流或干碎屑流不同与一般定义的流体或固体，而是特殊的二相流。
（1）收集国内外著名远程滑坡碎屑流的远程运动特性数据和基本形态数据，分析了体积、滑移区中部宽度、滑坡后壁最高点至滑坡堆积体前缘的垂直高差、滑源区滑动面倾角和滑移区中部坡度这5个因素对碎屑流远程运动距离影响。
（2）通过滑槽试验获得的碎屑体含水率与水平位移的关系曲线发现，在石英砂固体颗粒质量一定的条件下，随着含水率的增加，水平位移出现了缓慢地减小；在含水率达到一定值后，碎屑流的水平位移开始快速增大。
在碎屑流位移减小和增大之间存在一个含水率阈值，该阈值就是碎屑流和泥石流的界限值。
（成都理工郑光）关键词：高速远程滑坡；碎屑流；远程运动距离；影响因素引言：岩质的高速远程滑坡是自然界中一类具有特殊运动性质的地质现象，具有初速高、滑距远的特点，滑体运动常呈“流态化”特征。
由强震所诱发形成的大型高速远程滑坡更是受到国内外学者的关注，以“5·12”汶川地震滑坡为例，在高速滑坡的强震破坏与启动机制、滑坡动力学特征、碎屑流堆积以及滑速与滑距预测等方面开展了大量研究。
对于高速远程滑坡的研究，主要是以滑坡现场调查为原型，通过岩土体力学实验，碰撞实验等研究方法，运用物理模拟与数值模拟等开展理论与实验验证，迄今为止关于高速滑坡碎屑流运动较为成熟的理论或假说包括无粘性颗粒流说、气垫层说、圈闭空气导致流体化说等，而近年来随着多力学耦合机制与多相态流体力学等新方向的发展，促进了高速远程滑坡的研究不断深入。
大型远程高速滑坡的相关研究1研究目的和意义20世纪60年代以后，在世界范围内陆续发生过许多大型高速滑坡，给人类造成很大灾难。
这类滑坡大多具有极高的滑速和极远的滑程。
在平缓的地面上，滑速有的超过100km/h，滑程可达几公里，甚至十几公里；由于高速远程滑坡引起的气浪和碎屑流化将受害区扩展到滑坡形成区以外很远处，致使造成很大的灾害。
例如，1963年10月9日意大利威尼斯省瓦依昂河下游的托克山斜坡，在瓦依昂水库开始蓄水时坡体整体性高速下滑，激起了巨大的涌浪，致使坝内所有设施遭受破坏；对岸朗格尼亚镇、下游皮拉哥城和维拉诺尼镇、上游拉瓦佐镇均道涌浪袭击而摧毁，死亡2400余人，整个水库完全破坏，造成震惊世界的灾难性事故；在我国，特别是在西北和西南地区，这类大型高速滑坡也多次发生。
如1983年3月7日发生的甘肃东乡洒勒山大型高速滑坡，在不到一分钟的时间里滑出1600m、摧毁4个村庄，伤亡278人，最高滑动速度达30m/s。
1991年9月23日发生的云南昭通头寨沟大型高速岩质滑坡，总体积大约1800×l04m3的滑体高速下滑，仅在2~3分钟时间内冲入盘河，滑体的最大移动距离达3.65km。
这场罕见的巨型滑坡-碎屑流灾害，造成了极为惨重的人员伤亡和损失，共有216人死亡，202间房屋被摧毁、94户村民半数以上无家可归，300头牲畜被埋，覆盖农田300亩，经济损失达200余万元。
2000年4月9日发生在西藏易贡藏布下游的扎木弄巴特大规模滑坡，波及长度2600m，堵塞长度1500 m，形成高130 m的天然坝，堵断易贡错(湖)的出口，使正常流量100m3／s左右的易贡藏布断流，而中、上游的地表径流和冰雪融水又不断地注入，使得库容75.4×108m3的易贡错水位每天以50 cm的涨幅上升，直接威胁着湖区周围藏、汉等多民族居民和享誉中外的易贡茶基地。
另外还有1965年云南禄劝普渡河谷大型高速滑坡；1980年湖北宜昌盐池河磷矿灾难性高速崩滑体；1981年8月23日发生在石家坡的高速滑坡，最终发展为多冲程碎屑流；1974年四川南江的白梅垭滑坡及瑞士Elm 岩崩-碎屑流。
汶川地震高速远程滑坡速度研究X方 华1,2,裴来政1,2,向灵芝1(1.中国科学院成都山地灾害与环境研究所、中国科学院山地灾害与地表过程重点实验室,成都610041;2.中国科学院研究生院,北京100049)摘要:汶川地震诱发了大量的高速远程滑坡。
在超强的地震动作用下,坡体结构被撕裂并抛射后,受到坡体前缘地形及自身势能的影响,很容易转化为碎屑流作远程运动,这种高位滑坡以其很快的运动速度和超常的运动距离造成了巨大的灾害与损失。
本文在对汶川地震大型典型高速远程滑坡大量现场调查的基础上,分析了坡体临空飞行运动初始速度、滑程运动最大速度以及碎屑流运动速度,并且以东河口滑坡为例,对比了不同计算方法下的运动速度和运动性,得到东河口滑坡的运动特征值L=0.2292,最大运动速度V max=63.40m/s,平均运动速度超过25m/s,属于超高速滑坡运动以及强碎屑流性质。
关键词:汶川地震;高速远程滑坡;滑坡运动特征中图分类号:P315.9 文献标识码:A 文章编号:1672-2132(2011)02-0212-06引 言汶川地震引发了大量的地质灾害,导致大量的人员伤亡,其致死2万多人,约占总死亡人数的1/4[1],并造成巨大的财产损失。
在众多的地质灾害中,由地震诱发的高速远程滑坡是最为典型的,具有巨大的体积、异常的高速度、超常的运动距离、巨大的能量以及异常高的流动性等特点[2]。
遥感解译表明,此次汶川地震诱发体积规模大于1000万m3的巨型滑坡达30多个,面积大于5万m2的滑坡有100多个[3]。
巨大的地震动为坡体迅速破坏并临空飞行运动提供了有利的条件。
坡体高位剪出后,作高速运动而撞击铲刮地面,在此过程中,其运动方向往往发生改变,并使坡体碎裂,互相碰撞,通过碰撞传递能量和动量,受其前缘地形影响继续作高速运动,极大的运动速度导致土体或岩屑迅速液化而形成岩质碎屑流。
这种高速“流动”的岩土体具有极高的爬坡能力,能迅速摧毁坡脚及坡面的建筑物和其它设施[4],造成巨大灾难。
如青川红石河滑坡冲到对岸爬高超过30m;绵竹小天池滑坡向对岸爬高超过20m[5];映秀牛圈沟滑坡在运动过程中,经过4次撞击改变运动方向后依然高速前行;青川东河口滑坡更是高速飞行铲刮坡面,经撞击后仍以最高约60m/s的速度运动,迅速掩埋村庄和学校,造成巨大伤亡[6]。
这种高速运动的滑坡体具有很强的运动性,国际上常采用滑坡顶部最大高度H max和最大水平运动距离L max之比L来描述滑坡运动性的特征参数,称为滑坡运动特征值,即L=H max/L max。
滑坡的运动速度对其后续的运动过程非常重要,大型滑坡的运动速度控制其整体能量的大小,影响其运动过程及运动距离,巨大速度带来的巨大冲击力和能量决定其破坏力的大小。
因此,对于汶川地震诱发大型滑坡运动速度的研究是非常有意义,而且是十分重要的。
1 坡体临空飞行初速度1.1 拟静力分析计算法 强大的地震动作用以及特殊的地貌地质环境等因素促使汶川地震诱发的大型滑坡表现出高速水平抛射、猛烈撞击铲刮、远程碎屑流运动等独特的动力学特征。
高位滑坡是在超强地震动的长时间作用下,坡体结构面经过地震波反复的折射和反射形成的强第31卷第2期2011年4月防灾减灾工程学报Jo urnal of Disaster Pr eventio n and M itig ation EngineeringV ol.31N o.2A pr.2011X收稿日期:2010-08-20;修回日期:2010-10-08基金项目:国家“973”计划项目(2008CB425802)资助作者简介:方 华(1982-),男,博士研究生。
研究方向为山地灾害及治理。
Email:fanghuihuahust@烈拉剪应力作用和累积位移而遭贯通破坏,最后在强大的加速度惯性力作用下被抛掷或临空滑行。
滑坡启动后,地震动对于滑坡体结构再无任何作用,所以地震作用下的滑坡体初始速度往往成为其后续运动的初始条件,决定了坡体的运动方式(飞行、崩滑、滑行),进而影响后续的运动速度及过程。
由于汶川地震持续时间长且可能存在多个震源点,外加持续不断的余震,地震加速度叠加极其复杂,而关键部位缺乏三维加速度监测资料[7],因此,本文利用拟静力法简化计算模型,将作用在滑体的地震力F 等效为水平地震力F h 及垂向地震力F z ,并且假设其垂直向及水平向峰值加速度均以相同倍值放大。
对于孤立的滑坡体,拟静力法分析模型如图1所示。
图1 滑坡体初始运动速度拟静力法分析模型F ig .1 I nitial velocit y analy sis o f landslide mass usingquasi -stat ic method注:F z 和F h 为滑坡体竖直向和水平向合力,G 为滑坡体自重,N 为滑体对滑面的压力,f 为抗滑力,h 为滑坡体重心到滑动面的距离,A 为坡角,V 1和V 2为滑坡体起飞水平向和垂直向初始速度,H 为滑坡体起飞角度,L 为滑坡体水平向运动距离,H 为滑坡体垂向运动距离根据图1,滑体质量m =Q V ,重力G =m g ,滑体对滑面的压力N =G cos A -F h sin A -F z cos A ,则抗滑力f =N tan U +cS =(G cos A -F h sin A -F z cos A )tan U +cS (1)式中 c 为岩土体粘聚力; U 为岩土体内摩擦角; S 为滑动面面积,S =V /h ,其中V 为滑坡体体积,h 为滑体重心到滑面距离。
在滑动面上分解各力,得f =F h co s A +G sin A -F z sin A(2)联立式(1)、式(2),得(G cos A -F h sin A -F z cos A )tan U +cS =F h cos A +G sin A -F z sin A(3) 根据《建筑抗震设计规范》[8],未经地形放大时的垂直地震力F z 为水平地震力F h 的0.5倍,而且根据假设,其垂直向及水平向的地震加速度放大倍值相同,因此把F z =0.5F h 代入式(3),得到滑体启动所需的水平地震力:F h =(cos A tan U -sin A )G +cScos A -0.5sin A +sin A tan U +0.5co s A tan U(4)所以极限状态下的水平加速度a 0=F h /m 。
根据文献[8],取地震力单次作用时间为地震波特征周期的5倍,此次汶川地震区为设计地震分组中的第一组,特征周期值为0.4s,故取地震力作用与滑坡体的直接接触时间为2.0s (文献[7])。
假设水平向地震加速度放大倍数为n ,则垂直向地震加速度放大倍数为n /2,即当水平向地震加速度a h =n g 时,垂直向地震加速度a v =n g /2,只有水平地震加速度a h 大于屈服加速度时,即a h ≥g 时,也就是n ≥2时,滑坡体才会发生抛射。
因此,作用在滑坡体的合力在水平向的分力F 1=ma 1=m (n g -a 0)=m n g -F h /m ,在垂直方向的分力F 2=ma 2=m n /2-1g 。
根据动量定理,水平向初速度V 1和垂直向初速度V 2分别为V 1=F 1tm=2n g -F h /m (5)V 2=F 2tm=(n -2)g (6) 把式(4)代入式(5)、式(6),根据水平向地震加速度放大倍数n ,就可以计算2个方向的运动速度,但关键是水平向运动速度V 1,因为水平向速度决定了滑坡体在空中飞行的距离以及后续的运动速度和整个运动过程。
1.2 简化计算法如图1所示,在滑坡体飞行阶段尚未完全解体前,将其视为一个刚性质点,设某时刻t 滑体质心的水平运动距离为L ,垂直运动距离为H ,坡体起飞角度为H ,则L =V 1t (7)H =V 2t +12g t 2(8)V 2=V 1tan H(9)联立以上3式消去时间t ,整理得213 第2期方 华等:汶川地震高速远程滑坡速度研究由式(10)就可以计算滑坡体临空飞行的初始速度。
2 碎屑流运动速度2.1 滑坡体高速撞击铲刮山体导致碎屑化 此次汶川地震发生于龙门山中高山区,沟谷深邃,地表起伏巨大,相对高差悬殊,触发的滑坡滑床落差较大,滑面坡度较陡,滑坡体启动后一直在重力作用下不断加速,在飞行过程中,由于空气阻力相对较小,绝大部分重力势能转化为动能,使得滑体持续加速。
因此,滑坡体高速猛烈撞击地面,导致滑体完全崩解,使岩块基本碎屑化,短时间内狭窄的沟谷使得空气无法及时排出,产生强烈的气垫效应,最终滑体物质和空气混合成为气固二相碎屑流(或称“干碎屑流”),并保持了较高的速度,运动过程中的碰撞不停地交替传递动量和动能,流动面处孔隙水压力不断积聚且不能消散,最终使“土体”有效应力降为零,于是“土体”迅速液化,又促使这种碎屑流进一步加剧,导致滑坡体以超高速度作长距离运动。
2.2 滑坡体碎屑流运动速度估算本次汶川地震诱发的大型高速滑坡如大光包、王家岩、东河口、谢家店子等,均以超高速度迅速摧毁并且掩埋村庄、民房和学校等,造成了巨大的伤亡和损失。
特别是王家岩滑坡在短短数十秒内摧毁楼房20余栋,高速超前气浪更是摧毁了大片建筑物(文献[3]),足以证明滑坡下滑运动速度之快。
而正是超高的运动速度使得滑坡体具有巨大的能量和冲击破坏力,因此滑坡的运动速度很大程度上决定了其所造成的灾害的强度。
高速远程滑坡运动速度计算是一个比较复杂的问题。
一方面,要考虑滑坡区的地形地貌、岩土体和软弱带的强度参数等条件;另一方面,要考虑滑坡体在运动过程中滑动带参数的变化及滑块受力条件的变化(文献[3])。
目前,国内外学者提出了多种滑坡运动速度的分析方法,比较常用的有理论计算法、反推计算法、间接测定法[9]。
本文根据汶川地震诱发高速远程滑坡的运动特征以及现场调查和有关资料,选用理论计算法中具有代表性的能量传递法、谢德格尔法及反推计算法,估算汶川地震高速远程滑坡运动速度。
2.2.1 动量传递法(文献[3,9])因为汶川地震触发的大型高速滑坡在初始时刻是受地震力作用,在滑坡体裂隙贯通脱离坡面那一刻,地震力对滑坡体已再无任何作用,所以在计算过程中,假设初始时刻地震力所做的功与下滑过程中的碰撞能量损失相互抵消,因此该计算模型考虑的是理想弹性碰撞的情况,并没有考虑碎屑之间碰撞时的能量损失。
设在滑坡体碎屑运动某时刻t0且经过一微小时间间隔$t,即在时刻t0+$t,运动系统的质量减小了$m,运动系统质心的速度减少了$v,作用于运动系统的外力为F(t)。
在$t时间间隔内,由动量定理可得[m(t)-$m]õ[u(t)-$v]-m(t)õu(t)=F(t)õ$t令$t趋向于零,得到F+vd md t=-md vd t 碰撞过程中,滑道的倾角(A)和动摩擦系数(f′)可近似看作为常数,一般的附加外力可忽略,即只考虑重力。
