汶川地震触发大光包巨型滑坡基本特征及形成机理分析

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7km。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4.2km,宽2.2km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1km的碎屑流堆积区。     

汶川八级地震地质灾害研究

汶川地震触发了15000多处滑坡、崩塌、泥石流,估计直接造成2万人死亡。地质灾害隐患点达10000余多处,以崩塌体增加最为显著,反映出地震对山区高陡斜坡的影响差异性非常大,在山顶上的放大作用非常显著。通过综合分析堰塞湖库容、滑坡坝高以及坝体物质组成和结构,对地震形成的33处坝高大于10m的滑坡堰塞湖进行了评估,划分出极高、高、中和低4种溃决危险。汶川地震滑坡滑床往往不具连续平整的滑面,"尖点撞击"是极震区滑坡的一大共性,可以分为勺型滑床、凸型滑床和阶型滑床等类型。据实地调查,滑坡附近震毁建筑物垂向震动非常明显,具有"地震抛掷"—"撞击崩裂"—"高速滑流"三阶段特征。在高速滑流中,发生3种效应:(1)高速气垫效应,滑坡体由较大块石和土构成,具有一定厚度,飞行行程可达1~3km;(2)碎屑流效应,撞击粉碎的土石呈流动状态,特别是含水丰富时,形成长程流滑;(3)铲刮效应,巨大撞击力导致下部岩体崩裂,形成新滑坡、崩塌,但是,其厚度不大,滑床起伏不平。本文以北川城西滑坡和青川东河口滑坡为例,分析了地震滑坡高速远程滑动及成灾机理。北川县城城西滑坡导致1600人被埋死亡,数百间房屋被毁,是汶川地震触发的最严重的滑坡灾难,举世罕见。青川东河口滑坡—碎屑流是汶川地震触发的较为典型的高速远程复合型滑坡,滑程约2400m,高速碎屑流冲抵清江河左岸,形成滑坡坝,致使7个村庄被埋,约400人死亡。     

再论大光包滑坡特征与形成机制

 摘  要  大光包滑坡是汶川地震触发的规模最大的巨型滑坡。滑坡位于安县高川乡、汶川地震发震断裂上盘,滑动距离4.5 km,堆积体宽度2.2km,面积7.8 km2,估算体积7.5亿m3。与地震灾区178处特大滑坡相比,大光包滑坡除了强震触发崩滑灾害具有的震动溃裂、溃滑失稳、超强动力和大规模高速抛射与远程运动等特征之外,其存在一个长度大于1km的长大滑面,是其余滑坡绝无仅有的！作者在去年研究的基础上,又多次到现场调查、测绘并取样分析,初步认为大光包滑坡发生过程为一次性完成,滑带物质组成较为复杂,主体为震旦系（Zd）风化程度较高的泥质灰岩,局部夹泥盆系沙窝子组（Ds）磷矿及其伴生矿。滑坡形成机理主要分为以下3个阶段：即(1)坡体震裂阶段：在强震作用下后缘拉裂边界及上游拉裂边界形成,并与下游侧的岩层层面构成巨大的“V”型楔形体;(2)滑面碎裂化,摩阻力急剧降低阶段：滑坡下游边界（主控滑动面）滑床被震裂、松弛、剪胀-扩容并碎裂化,产生滚动摩擦效应,导致滑面摩阻力急剧降低;(3) 前部“锁固段”剪断,高速溃滑阶段：滑体前部滑面上的锁固段在强震持续作用下,产生突发性剪断,从而导致整个巨大的楔形体,如同“拉抽屉”一样,沿岩层走向高速溃滑而下;（4）震动堆积阶段,滑体冲过黄洞子沟,受到迎面山体的强力阻挡,逆冲爬高500余m后,表部惯性极大的松散岩土体快速折返并震动堆积、荡平,余势不减的碎屑流汇入滑坡扩容抛撒体,向黄洞子沟下游流动1km,止于大偏桥。     

高速远程滑坡-碎屑流运动机理研究发展现状与展望

高速远程滑坡-碎屑流具有极高的运动速度和超远距离的位移,往往能够引发灾难性事故,造成严重的生命财产损失,因此,它的运动机理,即高速远程效应机理一直是国内外学者研究的热点。目前国外主要存在四种观点:空气润滑模型、颗粒流模型、能量传递模型和底部超孔隙水压力模型。但是,由于高速远程滑坡-碎屑流自身的复杂性,到目前为止,研究还没有取得公认的成果。 中国是高速远程滑坡-碎屑流的频发区,因其研究才刚刚起步,研究成果还处于定性阶段。本文在查阅大量文献的基础上,从理论和技术两方面分别阐述了国内外高速远程滑坡-碎屑流运动机理研究的发展现状,对目前纵多的理论和模型进行了归纳与总结,点评了目前研究的难点,并在此基础上提出了今后的研究重点。本文是国内外首次对该领域的研究进行系统的归纳和总结,对今后类似的研究具较高的参考价值。     

汶川地震诱发文家沟巨型滑坡 碎屑流基本特征及成因机制初步分析

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2008年5月12日,汶川M80地震在四川省绵竹市清平乡文家沟内诱发一巨型滑坡。通过现场调查得知,滑坡前后缘高差455m,厚度20～30m,滑面为基岩层面,初始方量2750×107m3。滑体在运动中转化为碎屑流。滑坡-碎屑流总的水平运动距离为4022m,垂直运动距离为1443m,遗留的堆积物体积达5×107m3。滑坡距映秀—北川断裂仅36km,位于其下盘,地震烈度达XI度。滑坡导致文家沟中48人遇害,并形成一条完整的地震次生地质灾害链。初步分析表明滑坡启动速度快,滑坡向碎屑流转化过程明显、地点明确。碎屑流运动过程复杂,伴有强烈的“气垫效应”和“前缘气浪冲击效应”。作者认为,文家沟滑坡的高启动速度是长持时强烈地震动作用的结果,与山体的猛烈碰撞是导致滑体解体并转化为碎屑流的原因。     

贵州关岭大寨高速远程滑坡—碎屑流研究

2010年6月28日,贵州关岭因突降暴雨发生高速远程滑坡,滑程约1.5km,体积约174.9万m³,两个村组被毁,99人遇难。滑坡区位于西南地区常见的煤系地层区,上部为灰岩、白云岩,中部为相对较缓的砂岩地层,下部为页岩、泥岩地层,局部含煤,具有上硬下软的山体地质结构和上部富水下部隔水的水文地质结构,极易形成滑坡地质灾害。从地形上看,斜坡上陡下缓,形似“靴状地形”,上部陡峭地形导致山体易于失稳,而中下部开阔伸展良好的沟谷提供了远程的运动条件,较大的势能向动能的转化,容易形成高速远程滑坡—碎屑流。6月27日和28日的降雨是触发此起特大灾害的主要原因,其24h降雨量达310mm,超过了当地近60a来的气象记录,分析表明,降雨产生的沟谷径流量是平时强降雨(100～150mm·d^-1)的沟谷径流的2倍之上,一是在滑源区砂岩裂隙岩体中形成静水压力和渗透压力,触使滑坡的失稳下滑; 二是在沟谷中产生地表径流,为碎屑流远程流动形成饱水下垫面,导致了碎屑流流动距离和速度的显著增加。近年来随着极端强降雨等灾害性天气的重现期缩短,高速远程滑坡造成的群死群伤特大地质灾害在我国呈逐渐增加趋势,应加强对这种灾害类型的调查与防范,特别是要进行滑坡安全避让范围和逃逸速度的研究。     

2010年7 ·27四川汉源二蛮山滑坡-碎屑流特征与成因机理研究

2010年7月27日凌晨4时许,四川省汉源县万工乡二蛮山发生大规模滑坡,约48×10⁴m³的强风化玄武岩体,在前期降雨的影响下高位高速滑出,随即解体转化为碎屑流,沿沟谷高速运动,沿途不断携卷和铲刮堆积于沟床及两侧斜坡的表层松散物质,使滑体的体积和含水量不断增大。当运动到沟谷中段时,因沟道在此向右偏转,在强大的惯性力作用下,部分碎屑流体冲向左岸斜坡,将居住于此的双合村一组5户村民房屋掩埋,造成20人失踪; 另一部分碎屑流体继续沿沟谷高速运动近1.4km才最终停止。约30min后,堆积于沟谷中段深切沟道内的滑坡堆积物,在重力作用下再次启动,形成二次滑坡。二次滑坡缓慢蠕滑流动数小时,最终到达万工新集镇,将部分房屋推倒掩埋,造成92户房屋受损、1500人被迫紧急转移。本文在对灾害现场进行详细地质调查的基础上,结合现场测绘、颗分试验、航拍等手段,对二蛮山滑坡体的基本特征进行了较深入的调查研究,对滑坡发生及成灾原因进行了初步分析。结果表明,滑源区相对突出的地形条件、风化破碎的玄武岩体和有利的结构面组合是滑坡发生的基本条件; 前期降雨期间爆发的泥石流对滑源区坡脚的掏蚀、强降雨的饱水加载作用以及雨水沿陡倾张裂结构面的下渗软化作用,是诱发滑坡发生的直接原因。二蛮山沟谷原为一高频泥石流沟,滑坡发生前并无明显的滑坡迹象,滑坡的发生表现出极强的隐蔽性和突发性以及高位高速远程运动和危害巨大的特点,同时,主滑坡发生后在短时间内滑坡区再次启动发生二次滑坡,这些现象和特点具有特殊性,也具有典型性,值得深入研究。     

汶川八级地震滑坡高速远程特征分析

汶川地震触发的高速远程滑坡主要沿龙门山主中央断裂带汶川映秀—安县高川—北川县城—平武南坝—青川一线地震破裂带展布。由于获得了1.5g以上的抛掷加速度,具有明显的气垫效应,估计最大滑动速度一般大于70m•s-1,滑动距离一般为滑体启动时长度的数倍甚至10多倍,堆积成坝形成多处堰塞湖,最大滑行距离达3.2km。本文重点解剖了位于地震破裂带南西段(初始震中)的汶川映秀牛圈沟滑坡—碎屑流、位于地震破裂带中段的北川城西滑坡和位于地震破裂带北东段青川东河口滑坡—碎屑流3个典型实例,认为具有如下特征：(1）岩性条件：母岩遭受长期构造动力作用,呈碎裂岩体,后期被强烈风化,岩体极为破碎;(2）抛掷效应：位于汶川地震主断裂带或附近,垂直加速度大于水平加速度,强地面运动持时长,岩体发生振胀和抛掷;(3）碰撞效应：上部滑坡体发生高位剪出和高位撞击,致使岩体碎屑化;(4）铲刮效应：撞击作用导致下部山体被铲刮,形成次级滑坡,为碎屑流体提供了足够展翼和抛洒物源体积;(5）气垫效应：碎屑化岩体快速抛掷导致下部沟谷空气迅速谷状圈闭和向下紊流,形成气垫效应,或者,在下部地形开阔地带压缩空气呈层流状态致使滑体凌空飞行。     

汶川地震触发文家沟高速远程滑坡-碎屑流成因机理分析

文家沟高速远程滑坡-碎屑流位于映秀—北川断裂带与灌县—安县断裂带夹持的文家沟向斜断块中,地震断裂的强烈活动引起的振动效应是形成滑坡的先决条件。滑坡源区顶端与文家沟沟口高差约1360m,突兀山体下临深切峡谷的地形使地震动荷载在山脊部位的放大效应显著,并直接导致坡体破坏; 滑坡源区的地震动加速度3分量峰值分别为aEW=2.4g,aNS=2.3g,aUP=1.2g。D2gn观雾山组石灰岩斜坡具有强度渐进式分层结构,坡体表层以下约50m内的结构相对松散的残坡积层~新鲜岩体上部无法抵抗地震纵横波的周期性拉压与剪切耦合作用,被切割成为初始滑体; 滑体在第八级台地边缘高位剪出后,在文家沟上游地区最高滑移速度约介于93m ·s^-1~122m ·s^-1之间。滑体上部的干碎屑流在两处路径转折端瞬间压缩沟谷内的圈闭气体,形成明显的"气垫效应",滑体下部泥石流底层液化和颗粒有效动摩擦系数随剪切速度增大而减小的效应都是导致碎屑流体高速远程滑移的关键; 同时,碎屑物流通过程中还伴有明显的岸坡铲刮与翻越效应、以及树木摧削效应。汶川地震后截至2009年9月,降雨诱发碎屑堆积物形成多次泥石流,反映了地震地质灾害的链生性和长期性。     

2008汶川大地震极端滑坡事件初步研究

  为了分析汶川地震诱发滑坡灾害事件强度和影响,本文以汶川地震诱发滑坡极端事件为线索,在统计分析前10个规模最大、位移最远、危害最重及最大滑坡堰塞湖分布特征的基础上,重点研究前三甲极端滑坡事件的简要特征,初步揭示： (1)汶川地震诱发的极端滑坡事件主要沿龙门山中央断裂（映秀—北川断裂带）和Ⅹ-Ⅺ高烈度地段分布,强震的振动力、地震主传播方向和发震断裂NE向扩展作用是启动极端滑坡事件的主要原因;  (2)规模最大的前10个滑坡和距离最大的前10个高速远程滑坡具有很好的重合特征,两者都反映汶川地震诱发的高能量滑坡事件; 其中,规模最大的绵竹市安县大光包滑坡,初步估算体积约742×108m3,最大运动距离达到35km,距离排名第二; 距离最大的绵竹文家沟高速远程滑坡,初步估算最大位移为42km,其体积约15×108m3,规模排名第二,这两个滑坡都属于世界上罕见的大型高能量高速远程滑坡;  (3)前10个最大的灾难性滑坡事件,累计导致3751人死亡,单个滑坡引起的人员死亡超过100人,最多的达到1600人,属于世界上罕见的灾难性滑坡事件;  （4）潜在危险性最大的10个滑坡堰塞湖,曾经威胁几十万人的生活安全,其中,最大的北川唐家山滑坡堰塞湖,曾经威胁下游绵阳市30万人的生活安全,这些滑坡堰塞湖都及时采取人工开挖措施排除了潜在危险。     

高速远程地震黄土滑坡发生机制试验研究

研究了一种新的远程导弹飞行轨道的可行性,它的最大飞行高度约100km. 这种 超低弹道,借鉴卫星模式,利用离心力抵抗重力. 与卫星轨道运行不同的是,超低弹道周围 的稀薄空气影响至关重要,必须考虑. 计算和分析结果表明,在相同载荷条件和射程条件下, 超低弹道和经典的最小能量弹道对于火箭动力的需求大致相当,射程10000km以上基本相同. 头部半径为5cm的轴对称外形,沿超低弹道飞行时,其驻点热流在高度26km左 右达到最大值 50MW/m2, 约为最小能量弹道驻点热流最大值的50%. 由于超低弹道对升力没有要求, 飞行过程中的气动加热问题,沿用成熟方法如烧蚀防热即可解决. 总体而言,超低弹道对于 火箭动力与外形气动力/热要求,现有技术容易满足,因此利用它增强远程导弹的突防能力是 现实可能的.     

汶川八级地震滑坡特征分析

汶川地震诱发的15000多处滑坡明显受地震断裂控制,主要沿龙门山主中央断裂带和后山断裂带展布,沿龙门山主中央断裂带汶川映秀—安县高川—北川陈家坝—平武南坝一线,滑坡面密度大于50%以上,最大可达70%。沿断裂带形成了大量的松动山体,在暴雨期间极易发生滑坡、泥石流灾害,对灾后重建构成严重威胁。据初步调查,汶川地震触发的体积最大的滑坡是位于主中央断裂带上的安县高川大光包滑坡,滑动距离长4500m,滑坡堆积体长2800m,宽1700~2200m,最大厚度达580m,若以平均厚度200m计,体积达11亿m3为我国已发生的单体滑坡之最。与常见滑坡明显不同的是,汶川地震极震区滑坡的滑床往往不具连续完整的滑面,剪出口滑坡特征不明显,呈现明显的“尖点突起”或“边缘突出”特征,反映出上部滑体被地震力振动解体,甚至抛掷后与下部滑床边缘发生撞击。以阶型滑坡、凸型滑坡、勺型崩滑、座落型（振胀型）滑坡和巨大滚石5种类型最为典型。根据强震地面运动纪录和大量实例调查表明,在汶川地震极震区,触发滑坡的地震竖向力作用是非常明显的,大量滑坡经历了初始斜坡（风化碎裂岩体）——地震抛掷——撞击崩裂——高速滑流的作用过程。     

汶川地震极重灾区地质背景及次生斜坡灾害空间发育规律

5·12汶川大地震造成大量的次生斜坡灾害,本次研究区域为汶川大地震的11个重灾区,包括汶川、北川、青川、安县、平武、茂县、江油、彭州、什邡、绵竹、理县等市县。通过对重灾区航片、卫片、雷达图像的解译研究发现,重灾区次生斜坡灾害的主要灾种表现为崩塌、滑坡以及崩塌、滑坡高速运动解体形成的碎屑流（个别地方由于水的参与表现为泥石流）以及它们堵江形成的堰塞湖。研究发现地震次生斜坡灾害的发育具有明显的丛集性规律。从区域上看,次生斜坡灾害明显呈带状,沿龙门山断裂带展布,并主要受北川—映秀断裂控制。各灾种的发育在不同地段发育的规模、频率差别较大。以灾害分布面积来排序,汶川县灾害面积最大,为131.55km2,其次为北川县,为45.57km2,其余9个县（市）灾害面积相差不大,均介于6~17km2,其中理县灾害面积最小,为6.25km2。各灾种的发育在不同地段发育的规模、频率差别较大。青川县、平武县灾种主要为滑坡,汶川县、茂县、安县、理县灾种主要表现崩塌转化的碎屑流,北川的主要灾种则为碎屑流,其次为滑坡,什邡、彭州、绵竹、江油等地主要灾种为崩塌。
灾种发育的这种地域性差别主要受控于地层岩性,除此而外,还与构造特征、地形地貌等因素紧密相关。研究表明：岩性对灾害种类的展布有决定性控制作用。统计发现,岩性越坚硬,崩塌、碎屑流发育率越高,滑坡则在软岩地区、较软岩地区和较坚硬区发育率最高,泥石流则在软岩地区最为发育。地形地貌对次生斜坡灾害的发育有重要影响,统计表明,崩塌、碎屑流以及泥石流在1200～2000m坡段范围内发育率最高,其次为800～1200m坡段;而滑坡则在800～1200m坡段范围发育率最高。对坡度而言,除11°~20°坡度范围外,崩塌和碎屑流的发育率总体具有随坡度增高而增大的特点;而滑坡和泥石流的发育率呈现典型的单峰特征,在1°~20°范围内发育率最大。坡向对地震次生斜坡灾害的发育影响不明显。
地震次生斜坡灾害的发育规律表明,地震斜坡灾害的发生主要受控于活动构造本身,并沿活动构造呈带状展布,同时受场地条件如岩性、地形地貌等因素的强烈控制。     

易贡滑坡堰塞湖溃坝洪水分析

滑坡堰塞坝体主要由块石、碎石土等松散材料组成,随着上游水位的不断上升,极易失稳,一旦决口将对给下游人民的生命财产安全造成极大的威胁。因此,研究堰塞坝溃坝问题具有重要的学术意义和应用价值。2000 年 4 月 9 日,西藏林芝地区波密县易贡藏布河扎木弄沟发生大规模山体滑坡堵塞易贡藏布江,形成坝高60m,长约2500m,库容可达288×108m3,体积约28×108～30×108m3的滑坡堰塞湖, 2000年6月10日堰塞坝溃决。本文以易贡堰塞湖溃坝为例,从连续性方程及Navier Stokes方程出发,结合标准型湍流模型,并采用VOF方法进行自由面处理,基于流体计算软件Fluent模拟分析了溃坝洪水在下游弯曲河道的演进过程及不同位置的流速变化。数值模拟结果与实测资料记录基本一致,表明该模型能够模拟溃坝洪水在地形复杂弯曲河道中的演进过程。     

Numerical simulation of vortex ring formation in the presence of background flow with implications for squid propulsion

Numerical simulations are used to study laminar vortex ring formation under the influence of background flow. The numerical setup includes a round-headed axisymmetric body with an opening at the posterior end from which a column of fluid is pushed out by a piston. The piston motion is explicitly included into the simulations by using a deforming mesh. A well-developed wake flow behind the body together with a finite-thickness boundary layer outside the opening is taken as the initial flow condition. As the jet is initiated, different vortex evolution behavior is observed depending on the combination of background flow velocity to mean piston velocity () ratio and piston stroke to opening diameter () ratio. For low background flow () with a short jet (), a leading vortex ring pinches off from the generating jet, with an increased formation number. For intermediate background flow () with a short jet (), a leading vortex ring also pinches off but with a reduced formation number. For intermediate background flow () with a long jet (), no vortex ring pinch-off is observed. For high background flow () with both a short () and a long () jet, the leading vortex structure is highly deformed with no single central axis of fluid rotation (when viewed in cross-section) as would be expected for a roll-up vortex ring. For , the vortex structure becomes isolated as the trailing jet is destroyed by the opposite-signed vorticity of the background flow. For , the vortex structure never pinches off from the trailing jet. The underlying mechanism is the interaction between the vorticity layer of the jet and the opposite-signed vorticity layer from the initial wake. This interaction depends on both and . A comparison is also made between the thrust generated by long, continuous jets and jet events constructed from a periodic series of short pulses having the same total mass flux. Force calculations suggest that long, continuous jets maximize thrust generation for a given amount of energy expended in creating the jet flow. The implications of the numerical results are discussed as they pertain to adult squid propulsion, which have been observed to generate long jets without a prominent leading vortex ring. PACS 02.60.Cb, 47.32.cf, 47.32.cb, 47.20.Ft, 47.63.M-     

The Effect of Sudden Permeability Changes in Porous Media Filling Box Flows

We report upon experimental and analytical investigations of filling box flows in non-uniform porous media characterized by a sudden change in permeability. The porous medium consists of two layers separated by a horizontal permeability jump and is initially filled with light ambient fluid. A line source located at the top of the upper layer supplies dense contaminated fluid that falls toward the bottom of the domain. Two configurations are studied, i.e., a low-permeability layer on top of a high-permeability layer and vice versa. In the former scenario, the flow dynamics are qualitatively similar to the case of a uniform porous medium. Thus, the analytical formulation of Sahu and Flynn (J Fluid Mech 782:455–478, 2015) can be adopted to compute the parameters of interest, e.g., the plume volume flux. In the latter scenario, the flow dynamics are significantly different from those of the uniform porous medium case; after reaching the permeability jump, some fraction of the dense plume propagates horizontally as a pair of oppositely directed interfacial gravity currents. Meanwhile, the remaining fraction of the plume flows downward into the lower layer where it accumulates along the bottom boundary in the form of a deepening layer of discharged plume fluid. Depending on the permeability ratio of the upper and lower layers and the source conditions, the gravity currents may become temporarily arrested after traveling some finite horizontal length. An analytical prediction for this so-called run-out length is derived, motivated, in part, by the immiscible analysis of Goda and Sato (J Fluid Mech 673:60–79, 2011). Finally, a prediction of the filling box time, consisting of the time required to fill the control volume up to the point of contaminated fluid overflow, is made. These predictions are compared with analog experimental measurements. Generally positive agreement is found when the higher-permeability layer is located below the lower-permeability layer. In the opposite circumstance, the agreement is conditional. If the run-out length of the gravity current is less than the horizontal dimensions of the control volume (or tank in case of the experiments), the agreement is good. By contrast, when the run-out length is large, comparatively poor agreement may be realized: In spite of the higher density of the contaminated fluid, it may occupy the entirety of the upper layer before filling the lower layer.