2023年甘肃积石山6.2级地震中川乡液化流滑灾害调查及诱因初析

2023年12月18日甘肃省临夏州积石山县发生了6.2级地震,地震导致青海省民和县中川乡金田村和草滩村发生特殊的流滑灾害,其规模之大、灾害之重在国内外实不多见。通过实地考察,得出了地震土壤液化是此次流滑灾害诱因的结论,且此次灾害是近70 a以来首次具有现场实证性质的液化流滑型地震灾害。调查分析结果表明:流滑区上游滑源区地下土壤液化触发了流滑,中游流通区特殊的水文地质条件加剧了流滑的发展;土壤液化潜在多区、多源特性,即中游流通区存在疑似液化区;流滑区地震动强度较大,初步估计地震动峰值加速度值为0.4(±0.1)g。调查分析结果可为认识此次液化流滑灾害提供科学依据。

2023年积石山6.2级地震诱发大规模黄土液化流滑的特征与启示

2023年12月18日23时59分,甘肃省积石山县发生了6.2级地震,震中位于北纬35.7°,东经102.79°,震源深度10 km。本次地震在距震中约20 km的青海省海东市民和县永川乡金田村和草滩村二级阶地黄土台塬地貌下引发了长2.5 km的大规模液化流滑灾害,引起了国内外的高度关注。笔者在震后立即对该液化流滑灾害和地震动特征进行了现场联合调查,基于现场考察、无人机现场勘测、钻孔勘探、电法探测、参考历史同类灾害的前期研究成果等手段,初步查明了液化流滑的特征与机理。结果表明,该液化流滑是由于地震触发11 m深度以下地下水饱和的黄土层大面积液化,上覆土体随液化土体沿液化层带顺着2°~3.5°的缓斜坡方向流滑进入冲沟,然后,沿坡度为1.5°~5°的冲沟向下游继续流滑。在流滑过程中,液化土体中喷涌出的大量水与上覆土体中高含水率表层土中的水不断与流滑土体搅合揉搓使得流滑混合体在到达冲沟中下部的拦洪坝之前,已经演化为泥流。在遇到拦洪坝受阻漫溢到左右两岸的同时,泥流转而也进入了左侧另一条相邻冲沟一定距离,最终拦洪坝溃坝,泥流继续下泄到了金田村和草滩村,造成两村51户房屋被埋或冲毁,20余人死亡,泥流最终停止于两村下游约317 m处。并在结论中得到了评估与减轻此类灾害风险的启示。

穿越液化流滑区盾构隧道纵向非线性地震响应研究

为了明确场地液化流滑区越江跨海盾构隧道结构的抗震性能,以宽河谷微倾斜可液化场地在不同地震动强度下土层的位移时程作为输入地层震动状态,并基于广义反应位移法,建立了4.8 km精细化梁-弹簧盾构隧道模型,研究了场地液化流滑对盾构隧道纵向地震响应和相邻管环纵向张开量的影响。研究结果表明:场地的液化流滑将导致盾构隧道产生极大的环间纵向张开量、截面拉力和压力突变,充分说明了场地流滑对隧道结构地震安全的危害性;盾构隧道损害严重位置处均位于液化土层的滑动面;沿轴线的弯矩变化曲线与加速度放大系数曲线和河谷地形具有一致性,且曲线在液化区呈现出明显的突变现象。

甘肃岷县永光1^(#)流滑型黄土滑坡的远程滑动特征

流滑型黄土滑坡是黄土地区沿沟道或斜坡远程滑动和堆积的长条状特殊类型滑坡,常造成难以预料的严重灾害。2013年7月22日7时45分,甘肃岷县漳县Ms6.6级地震诱发的岷县永光1^(#)滑坡体积约23×10^(4)m^(3),造成12人遇难。滑坡前后缘高差175 m,总长度1030 m,高长比值为0.17,属远程滑坡。通过现场调查和对滑动过程观察资料的综合分析,探讨了其滑动过程特征、不同部位的滑速及变化情况,分析了滑动机理。受地震作用促发和地形条件等影响,永光1^(#)滑坡经历了2次加速—减速的复杂滑动过程,滑坡首先在前部平台区整体滑动50~130 m,前缘约6×10^(4)m^(3)滑体再沿前部沟道滑动740 m,最大滑距达870 m,滑动总历时约7 h,最大滑速约10.6 m/s,平均滑速0.034 m/s。永光1^(#)滑坡由地震和前期降水耦合作用形成,地震前大量降水的入渗和软化,滑动过程中高含水率滑带土产生高孔隙水压力,甚至导致液化发生,圈闭的沟道地形和滑带土的低渗透性,使孔隙水压力消散非常缓慢,在全滑程中滑带土摩阻力大幅降低,持速效应明显,是永光1^(#)滑坡远程滑动的主要原因。

瑞利波作用下缓倾场地流滑大变形的SPH数值模拟

地震可能导致土体弱化甚至液化,从而在倾斜场地引起流滑变形,一般认为在缓倾场地中这种变形相对有限。然而,在2018年苏拉威西地震中,3°以内的缓倾场地却出现了数百米的大变形。已有的模型试验与数值计算大多只考虑了剪切波的作用,无法再现和解释这一现象。通过光滑粒子流体动力学法(Smoothed Particle Hydrodynamics,SPH)开展数值模拟,发现瑞利波对流滑大变形有显著影响。模拟使用HBP(Herschel Bulkley Papanastasiou)流变学模型模拟地基土,使用动力粒子边界(Dynamic Boundary Particles,DBP)实现瑞利波的非一致输入,结合地理信息系统(Geographic Information System,GIS)进行三维建模,计算并对比分析了瑞利波和剪切波输入下Balaroa缓倾场地的变形特征,解释了2018年苏拉威西地震Balaroa滑坡的成因。

液化流滑变形模型及初步实验

简要分析了地震液化流滑的灾害问题,初步研究了液化不同阶段引起流滑的机制,建立了流滑变形模型,进行了三轴实验和振动台系列实验研究,着重研究了引起液化流滑的微观机制,以及如何通过孔压变化来判定和识别流滑事件。研究发现,影响液化流滑的因素主要有土壤的种类、颗粒级配和土壤赋存条件、均匀程度以及边界条件等,研究结果有助于进一步加深对液化大变形的认识。

流滑型崩岸河岸侧蚀模式初探

流滑型崩岸是冲积河流河岸常见的一种崩塌形式,其发展速度快、破坏力强;该类崩岸主要取决于水流的直接冲刷,河岸崩退过程中水面与岸顶高差较小。依据此类崩岸的特征,基于水流冲刷分析,在基础层面上初步探讨并建立了流滑型崩岸的河岸侧蚀模式。结合水槽试验与土工离心模拟试验,对该模式进行了分析研究,初步率定了模式中的河岸侧蚀系数,计算值与实测值吻合较好。该模式参数少、应用方便,可为流滑型崩岸中河岸侧蚀的估算及河道横向变形数值模拟提供参考依据。

流滑型窝崩特征及概化模拟试验

流滑型窝崩是长江中下游一种典型的岸滩崩塌形式,土体崩塌破坏发展速度快、体量大,危害很大.根据典型实例,分析了此类崩岸的特征和发生规律,并通过初步的概化模拟试验,探讨了其形成过程和成因机理.研究结果表明,流滑型窝崩是水流冲刷过程中引起的土体滑动破坏,岸坡土质抗冲差、近岸水流急是窝崩形成的基础条件,而伴随窝塘扩大出现高强度的回流是土体连续崩塌破坏的重要动力因素.

液化土体流滑推桩效应的振动台模型试验

设计并开展了水平和倾斜可液化场地单桩振动台模型试验,考虑桩顶附加质量块、底部嵌固条件以及长径比3个因素,研究了液化土体流滑效应对单桩动力反应的影响。试验观察到场地局部喷水冒砂、土体流滑以及桩身倾斜等宏观现象。分析结果表明:单桩在土体流滑推力作用下发生了不对称运动,桩顶加速度反应和桩身拉、压应变的不对称性明显。土体流滑对底部非嵌固、桩顶附加质量块时的单桩动力反应的影响最为显著。基于试验结果我们认为倾斜场地土体流滑对摩擦型桩基的力学作用是负面的,其主要影响体现在加大桩顶附近应变反应以及造成桩身倾斜。

流滑型窝崩水流结构特征及其变化规律

针对长江中下游河段流滑型窝崩,进行水槽概化模拟试验,依据精细的流场观测数据,分析窝塘附近水流结构特征及变化规律,为探索此类崩岸力学机制奠定基础。结果表明,窝塘附近水流结构可分为口外主流区、口门涡流区和窝塘回流区三大区域。随着窝崩发展,三大区域内水流结构也随之产生变化。口外主流区基本为明渠弯道水流,有明显环流特征;口门涡流区呈现长条形态,其内存在多个大小、形态、位置和强度变化的涡旋,总体规律随主流快速下移不断破碎或分解,口门上、下两端水流呈明显三维特征且脉动性很强,水面波动剧烈;窝塘回流区内为典型空腔回流,随窝崩发展,其范围扩大,中心下移,形态由椭圆形趋向圆形,强度呈现增强-减弱-稳定的趋势。

尾矿坝液化流滑破坏模型与稳定措施研究

上游法尾矿坝浸润线较高,大部分坝体处于饱和状态,地震作用下易发生液化流滑破坏。通过分析尾矿坝地震灾害,初步研究了尾矿坝流滑破坏机理,从基础破坏、初期坝破坏、子坝破坏和内滑破坏方面提出了4种流滑破坏模型,探讨了针对尾矿坝流滑破坏的稳定措施及其加固效果。研究成果对指导尾矿坝抗震设计、提高矿山安全管理水平及降低灾害损失具有重要意义。

剪胀性砂土地震后流滑的机理和模拟

不均匀地层中超静孔压的扩散、重分布过程会导致孔隙水集中渗流累积至局部区域,导致该区域土体强制吸水,从而引发剪胀性砂土边坡地震后侧向流动变形甚至失稳。通过分析边坡流动变形过程中砂土的应力路径特征及强制吸水条件下的体变平衡条件,指出预测剪胀性砂土边坡流动变形的关键是描述砂土保持常剪应力和当前峰值应力比时的剪胀特性和震后再固结体变特性。通过常偏应力下的三轴剪切吸水试验,观察了砂土在流动变形过程中的吸水量与剪应变发展的关系,给出了基于强制吸水体变预测流动剪应变的状态剪胀模型。基于剪切后再固结试验,得出了再固结体变的变化规律和数学描述。基于所提出的机制和数学描述,给出了基于有限差分法的边坡流动变形发展过程直至失稳破坏的模拟方法。

基于流体力学方法的液化后砂土流滑推桩效应

采用计算流体动力学(CFD)中的流体体积(VOF)方法和固体力学中的有限元法,对液化后砂土流滑的推桩效应进行研究.将液化后砂土分别视为牛顿流体和剪切稀化非牛顿流体,将单桩视为线弹性结构,分析了牛顿流体黏度、非牛顿流体稠度系数和流动指数对推桩效应的影响.研究结果表明:将液化后砂土视为牛顿流体,则距离桩顶越近,桩身位移越大,距离桩底越近,桩身应力就越大;随着液化后砂土黏度的增大,桩身位移和应力也越大,曲线间差距则越来越小;将液化后砂土视为剪切稀化流体,沿桩身的响应规律与牛顿流体一致;稠度系数和流动指数的变化只会影响桩身位移和应力数值的变化,对变形方式不会产生影响.

黄土滑坡流滑机理的试验研究

饱和黄土的稳态强度(残余强度)是黄土边坡是否发生流滑的关键因素,为了评价饱和黄土的残余强度就需要很好的了解饱和黄土的不排水剪切性能。通过对饱和黄土的固结不排水三轴试验研究了饱和黄土的稳态强度理论。试验研究发现饱和黄土有两种典型的不排水剪切特性:稳态特性、准稳态特性。且大多数情况下饱和黄土总表现为稳态特性,只有疏松的黄土表现出准稳态特性;根据试验结果得出了黄土的稳态线与稳态强度线,可以用来分析黄土边坡的流滑机理。探讨了描述黄土稳态性质的参数内摩擦角和粘聚力的物理含义;比较了由地震引发的滑坡与灌溉诱发的滑坡流滑机理的差异,对于地震引起的黄土滑坡土体残余(稳态)强度起决定性作用,而对于灌溉引起的黄土滑坡土体的峰值强度才是关键因素。

尾砂流滑冲击效应数值分析

为研究溃决尾砂的流滑运移特征及对下游构筑物的冲击效应,基于光滑粒子流体动力学(SPH)算法,进行数值计算,并与室内模型试验数据对比。结果表明,尾砂流滑的冲击过程与山地泥石流的运移特征类似,表现为阵性连续流。尾砂流"龙头"对构筑物的瞬时冲击作用十分显著,易造成下游构筑物冲击破坏。数值计算结果与模型试验测试值吻合度较高,说明SPH算法在求解类似尾砂流滑的土工大变形问题上具有良好的适用性,能够有效模拟溃决尾砂的流滑冲击过程,并评价不同灾害强度下受灾体的抗冲击能力。

饱和剪胀性砂土液化后流滑现象与机理

基于完全不排水试验的已有研究结果表明,只有在饱和松砂中才可能发生流滑现象,较密实的饱和剪胀性砂土在初始液化后的不排水循环或单调剪切作用条件下,则会呈现出所谓往返活动性或抗剪强度恢复现象。然而,实际土工抗震边值问题中的饱和砂土在许多情况下并不能够被视为处于完全不排水条件,可能由于土性和变形等因素的不同而处于剪切排水甚至剪切吸水条件。通过对饱和砂土液化后常剪切吸水率试验结果的分析指出,剪切吸水条件可能导致剪胀性砂土的抗剪能力显著降低、甚至发生流滑现象。基于可逆性与不可逆性剪切体应变的概念以及3种体应变分量变化的特性规律,推导出剪切吸水条件下的体变约束条件。不同排水条件下的体变约束条件决定了剪胀性砂土应力-应变响应的不同变化,当满足自由吸水剪切条件时饱和砂土会出现具有流动特征的大变形;当满足强制吸水剪切条件时会发生具有非稳定特征的流滑现象。

流滑型窝崩水流运动和地形变化概化模拟试验

针对长江中下游的流滑型窝崩进行了典型窝崩水槽概化模拟试验,分析研究了窝崩形成与发展及窝塘水流运动和地形变化。结果表明,流滑型窝崩主要是由水流冲刷和岸坡上部土体持续崩塌所形成,且发展迅速,发展过程主要有始发期、发展初期、发展中期、发展成熟期和发展稳定期等阶段。随着窝崩的发展,岸坡崩塌、窝塘扩展,窝塘内回流和口门外涡流逐渐下移,窝塘内回流由椭圆形趋向圆形,强度由强变弱,岸坡先整体冲刷后退,之后窝塘由上下扩展逐渐演变为以下半部分拓展为主。

地震液化流滑震害

通过地震液化的震害调查，从土种类、地形条件和坡度、浓化土壤的赋存状况、地震能量和流滑的时间与空间分布等方面，简要总结了液化流滑的震害特征和规律，初步分析了液化引起流滑发生的条件、规模、剧烈程度、坡体运动规律以及流滑产生的破坏形式，分析了影响液化流滑的因素，可供进一步研究等参考．

三峡堰基淤砂的流滑特性和抗剪强度指标的选用

本文通过应力控制式固结不排水剪切试验，研究三峡围堰基淤砂的流滑特性．整理出淤砂的稳定状态线和稳定状态强度曲线，在此基础上，把饱和松砂的抗剪强度指标区分为大应变有效应力摩擦角Φ′、峰值有效应力内摩擦角Φ′ｐ、峰值总应力内摩擦角Φｐ以及稳定状态内摩擦角Φｒ４种类型供不同工程条件选用．文中还提出进入流滑状态的３个条件及土体内流滑区分布范围的分析方法．

基于三维并行SPH模型的土体流滑特性研究

土体的大变形流滑导致了许多地质灾害的发生,对人们的生命财产安全构成了极大的威胁,因此越来越多的研究开始关注土体的大变形流滑特性。其中,光滑粒子流体动力学(SPH)方法是常用的模拟方法之一,但SPH方法的粒子特性导致其计算时间过长,影响了在工程地质领域的进一步应用。对此,本研究基于SPH方法的基本原理、非牛顿流体理论和等效黏度概念,提出了适用于土体大变形流滑分析的三维SPH仿真模型。结合OpenMP并行计算原理,实现了SPH算法的并行优化。在此基础上,对土体流滑模型试验进行了二维和三维分析,得到了滑动距离、滑动冲击力和冲击力峰值等动力学参数,分析了计算维数和边界条件对流滑特性的影响机制。通过不同线程数下计算时间的对比,获得了计算效率随线程数的变化规律。结果证明了本文的OpenMP并行优化具有较高的计算效率,显著降低了三维SPH模拟的计算耗时,对工程地质数值方法的效率提升具有重要的借鉴意义。