降雨诱发震裂山体滑坡变形失稳机理研究——以安县大树湾滑坡为例

摘要

本文以大树湾震裂山体滑坡为出发点，在对震裂山体结构特征、震裂缝发育特征分析的基础上，对该滑坡基本特征进行分析，包括滑坡边界特征、滑坡物质组成以及滑坡堆积特征;然后分析大树湾山体的震裂损伤特征，包括岩体结构的损伤特征和岩石强度的衰减特征。同时分析降雨对震裂岩体的作用，包括软化等物理作用以及水的力学作用。在此基础上，分析降雨条件下震裂岩体裂缝的变形扩展类型，扩展判据，以及震裂岩体断裂韧度和均质度的求解，从而通过断裂力学计算裂缝起裂的临界水头，运用基于损伤力学的RFPA软件对其进行模拟验证分析。通过震裂缝的边界效应分析及以上分析，进行滑坡成因机制分析，得出滑坡失稳时的临界水头高度，利用RFPA软件模拟验证滑坡的变形过程和失稳过程，从而明确滑坡的失稳机制。最后分析滑坡-碎屑流灾害链效应特征。综合论文研究工作，得到以下几点结论:
　　(1)大树湾滑坡是沿岩层倾向偏走向方向滑动的岩质滑坡，主滑方向约109°。滑源区平面上呈“圈椅状”，滑源区平均坡度约36°。滑坡体纵向长450m，横向平均宽150m，左侧滑体厚20～80m，右侧滑体厚10～20m，平均厚度30m，约为202.5×104m3。滑坡造成10人死亡及8户房屋损毁，堵塞河流，造成了巨大的经济损失。
　　(2)滑坡堆积区域分成六部分，分别为滑源区、翻越铲刮区、碰撞解体区、流通铲刮区、超高抛洒区、堆积致灾区。堆积区地形起伏较大，其中沟口区域为主堆积区，最大堆积厚度约50m，平均厚度约32m。通过粒径统计分析，说明了滑体在运动中不断碰撞解体，物质碎屑化程度不断增加，大块体逐步解体成小块体，最终在沟口主要以0.1～0.2m粒径的块体堆积。
　　(3)根据调查看出，土体震裂缝和岩体震裂缝的产生是山体被震裂的宏观特征。该斜坡顶部共发育13条较大土体裂缝，沿山脊发育，且越靠近山脊规模越大，其分布与滑坡边界有较高一致性，可见其对震裂山体滑坡边界形成及规模的控制起决定性作用，表现出了震裂缝的边界效应;岩体震裂缝分为两类，在地震力作用下，一类是原有岩体结构面的错动、张开等，面壁一般有锈染或泥膜附着，另一类是岩体裂缝扩展，结构面连通以及新结构面产生等，此面壁较为新鲜，无锈染，断口为锯齿状，呈拉张力学性质。
　　(4)将坡体按震裂较强区和震裂较弱区两区域进行岩体结构的对比，分别选取滑带及后壁岩体进行精细侧网统计。可以看出，震裂较强区相对震裂较弱区，岩体各结构面张开度、连通率、裂隙度均增大，其中陡倾结构面增大明显，损伤程度较大。同时通过现场回弹试验看出，震裂较强区和震裂较弱区岩石强度基本一致。说明地震对岩体作用主要是对岩体结构的损伤，而岩石强度强度衰减并不明显。
　　(5)用无量纲裂缝长度α等价于陡倾结构面的平均连通率，取α=0.35试件代表后壁底部震裂损伤较轻岩体，α=0.54试件代表后壁顶部震裂损伤较重岩体，损伤较重岩体断裂韧度值最小，为0.6487 Mpa*m1/2，作为岩体扩展计算的断裂韧度。岩体震裂程度越大，断裂韧度越小，对应均质度m值越小，其中均质度m=2.5符合大树湾滑坡后壁顶部陡倾结构岩体的震裂程度。
　　(6)地震作用和震后降雨是诱发大树湾滑坡的主要原因，地震是基础，降雨是诱发因素。同时，斜坡内在成因也是滑坡形成的必要条件。滑坡形成过程是:由于受地震力的影响，岩体结构受到损伤，后缘产生张拉裂缝，大量雨水沿裂缝进入坡体，裂缝中形成一定高度的水柱，当水柱高度大于13.5m时(4.4.3节)，水柱将会对岩体产生劈裂作用，导致震裂岩体裂缝变形扩展。裂缝沿裂缝尖端发生扩展，直至到潜在软弱滑带，水体沿滑带向下流动，裂缝停止向下扩展，雨水的渗入使本已受地震损失的滑带岩体抗剪能力再次减弱。随着降雨继续入渗，抗滑力不断降低，坡体下滑力不断增加，最终当后缘裂缝中水头高度达到52.0m～65.5m时（5.2.3节），坡体受后缘水柱推力和底部浮托力的双重水压力作用下，底部剪切面贯通，滑带岩体被剪断，从而形成滑坡。
　　(7)从汶川地震发生至今，研究区形成了一条完整的“山体震裂→大树湾滑坡→碎屑流→堰塞湖”地震次生灾害链。山体震裂是形成灾害链的演化之源，降雨诱发大树湾滑坡是灾害链的关键环节，碎屑流是灾害链的演化过程，堰塞湖是灾害链的灾害体现形式，这一系列的环节都是环环相扣，相辅相成的。

目录

声明

摘要

第一章 前言

1．1 选题依据及研究意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 震裂山体滑坡研究现状

1．2．2 降雨诱发滑坡研究现状

1．2．3 岩体断裂及裂缝扩展研究现状

1．3 研究内容及技术路线

1．3．1 研究内容

1．3．2 技术路线

1．4 主要研究成果

第二章 研究区自然地质环境条件

2．1 自然地理

2．1．1 地理位置

2．1．2 气象水文

2．2 地质环境条件

2．2．1 地形地貌

2．2．2 地层岩性

2．2．3 地质构造

2．2．4 地震

2．2．5 水文地质条件

第三章 大树湾震裂山体滑坡基本特征

3．1 大树湾滑坡概述

3．1．1 汶川地震作用

3．1．2 大树湾滑坡

3．2 震裂山体结构特征

3．2．1 坡体结构

3．2．2 岩体结构

3．3 震裂缝发育特征

3．3．1 土体震裂缝

3．3．2 岩体震裂缝

3．4 滑坡基本特征

3．4．1 滑坡边界特征

3．4．2 滑坡物质组成

3．4．3 滑坡堆积特征

第四章 大树湾山体震裂损伤特征及降雨条件下变形研究

4．1 山体震裂损伤特征

4．1．1 山体震裂机理

4．1．2 岩体结构损伤特征

4．1．3 岩石强度衰减试验特征

4．2 降雨对震裂岩体作用

4．2．1 软化作用试验分析

4．2．2 水力作用

4．3 降雨条件下震裂岩体裂缝变形扩展研究

4．3．1 裂缝扩展类型

4．3．2 裂缝扩展判据

4．3．3 断裂韧度求解试验

4．3．4 裂缝起裂临界水头

4．4 岩体损伤变形数值模拟分析

4．4．1 RFPA软件及损伤理论介绍

4．4．2 震裂岩体均质度取值研究

4．4．3 裂缝起裂临界水头模拟验证分析

4．5 本章小结

第五章 大树湾滑坡成因机制及灾害链效应分析

5．1 滑坡成因机制分析

5．1．1 震裂缝边界效应

5．1．2 滑坡演化过程

5．1．3 滑坡成因机制分析

5．2 滑坡成因机制数值模拟分析

5．2．1 滑坡概化模型

5．2．2 计算模型建立及参数选取

5．2．3 数值模拟结果厦分析

5．3 滑坡-碎屑流灾害链效应

5．4 本章小结

结论

致谢

参考文献

攻读硕士期间发表论文及科研成果