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。