Reactivation and deformation mechanism of ancient landslides by excavation
-
摘要: 以三峡库区兴山县大礼溪村古滑坡为例,通过地质勘察、近1 a的现场宏观巡查、人工GPS位移监测数据、自动GPS监测数据等,在剖析该滑坡存在的古滑坡特征的基础上,分析了滑坡复活过程中地表裂缝发育的时空规律以及变形特征,并结合Geo-Studio模拟确定了开挖和降雨两种作用对古滑坡复活变形的影响及主次关系。研究表明：①大礼溪滑坡为地质历史时期形成的含软层中—陡倾顺层岩质古滑坡；②滑坡复活变形与开挖作用密切相关,前期集中于临近最早开挖区域的前缘Q3附近,并沿着开挖方向逐渐在前缘Q4、Q5出现,最终在前缘Q5附近演化出次级滑坡,与此同时,纵向上变形逐渐向中后部推进,表现出渐进后退的发育特征；③开挖作用是滑坡变形复活的主要因素和诱发因素,降雨为激发因素,两者共同作用促使变形持续发展。Abstract: The Dalixi ancient landslide in Xingshan County in the Three Gorges Reservoir area is taken as an example. Based on the analysis of its characteristics, the deformation characteristics and temporal-spatial laws of surface cracks of the ancient landside in the process of landslide revival are analyzed by use of geological survey, site inspection for nearly one year, artificial GPS displacement monitoring data and automatic monitoring data. Based on the Geo-Studio simulation, the influences of excavation and rainfall on the revival deformation of the ancient landslide and the primary and secondary relationships are determined. The results show that: (1) The Dalixi landslide is a middle-steep consequent ancient rock landslide with soft layer in geological history period. (2) The deformation of Dalixi landslide is closely related to excavation. In the early stage, it concentrates near the leading edge Q3 of the first excavation area, and gradually appears along the excavation direction at the leading edge Q4 and Q5, and finally evolves into the secondary landslides near the leading edge Q5. At the same time, the vertical deformation gradually advances to the middle and rear, showing the characteristics of progressive retrogression. (3) The excavation is the inducing factor for the revival of landslide deformation, and the rainfall is the stimulating factor. Both of them work together to promote the sustainable development of landslide deformation
-
Keywords:
- ancient landslide /
- deformation reactivation /
- excavation /
- deformation feature
-
0. 引言
冰-岩碎屑流是一种在启动时携带或在运动时铲刮裹挟冰屑的特殊碎屑流，相较于一般碎屑流拥有更快的运动速度与更长的冲出距离，因而其发生往往具有巨大的致灾力[1]。近年来，随着岩土体性质受冻融循环及温度变化的影响日益显著以及青藏高原独特的地形地貌特征和发育的活动断裂带，在地震和冰川侵蚀作用下产生了大量的松散固体物质，为冰－岩碎屑流的发生提供了丰富的物源条件。例如2000年的西藏易贡崩滑体导致下游450 km范围内受灾[2-3]；位于雅鲁藏布江左岸的色东普沟自2014年起共发生8次冰-岩碎屑流事件，导致雅鲁藏布江4次大规模堵塞[4]。然而冰-岩碎屑流往往发生在人烟稀少的山区，精确识别和定位此类灾害具有重要的科学价值和实际防灾减灾需求。
近年来，对高寒山区的冰-岩碎屑流的研究逐渐吸引了众多学者的目光，研究大多侧重于冰-岩碎屑流的运动特征、堆积形态及动力学参数等，如杨情情等[5-6]基于2000年易贡滑坡的灾史资料和斜槽试验，分析了冰-岩碎屑流的运动特性并进一步揭示了其运动机理；李昆仲等[7]利用DAN3D软件对2018年色东普沟冰-岩碎屑流建立三维数值模型，通过反演得到了碎屑流的堆积特征、滑体运动速度和铲刮深度等动力特征参数；师璐璐等[8]则以云南玉龙雪山南坡一起较大规模的冰-岩碎屑流型高速远程滑坡为例，通过遥感影像和现场调查阐释了冰-岩碎屑流的成因机制和运动过程。尽管目前针对冰-岩碎屑流的研究已取得一些阶段性成果，但研究始终存在对灾害过程的直接观测数据不足的困扰。
随着环境地震学的发展，基于地震动信号对冰-岩碎屑流进行精准识别成为一种新兴的研究方向，灾害过程中激发的地震动信号能够直观反映冰-岩碎屑流在运动中的相关信息。此外，由Huang等[9-11]提出的Hilbert-Huang变换方法在分析和处理瞬态信号方面展现出了极大的优越性，如Fan等[12-13]则通过HHT方法对地震作用下含软弱夹层岩质边坡的震损过程进行了精准识别。HHT作为一种新兴的时频分析方法，是目前对冰岩崩灾害产生的地震动信号分析效果最好的技术手段。
对此，本研究共设计了5组大型斜槽试验来模拟不同工况下的冰-岩碎屑流运动过程，通过现场布设的动态信号采集仪实时获取地震动信号，基于HHT方法对比分析了5种工况下冰-岩碎屑流运动过程中激发的信号的频谱特征，对含冰率和冰所处位置与冰-岩碎屑流冲击力的相关性进行了论证，研究可为此类灾害的精准识别和远程监测提供技术参考。
1. 试验方案
1.1 试验装置
为探究坡度变化对冰－岩碎屑流冲击力的影响，试验中布设有两段式斜槽，加速段为38°，缓坡段为15°。斜槽横截面为等腰梯形，底宽50 cm，顶宽120 cm，腰长50 cm。斜槽右侧布设钢化玻璃，以便观察冰－岩碎屑流的滑动状态。在滑槽下方支架上布设3个传感器，采集频率为500 Hz。试验安排在11月下旬进行，试验时现场气温为10°左右，以阴天为主，较低的气温与较弱的光照尽可能地减小了冰块因外界因素而产生的损耗。具体试验装置如图 1所示。
1.2 试验材料
以西藏高原地区采集的土壤为样本，按筛分出的颗粒级配进行本试验所用材料的物料配比，配比参数见表 1。试验中采用粒径为1.5 cm×1.5 cm×1.5 cm的方形冰块，所用物料如图 2所示。
表 1 物料组成Table 1. Material compositions物质 冰 砾粒 砂粒 黏土 状态 粒径/mm 10~20 10~20 5~10 2~5 1~2 — 百分比/% / 54 49 32 9 10 质量/kg 1 25 40.35 16.92 11.19 3.00 3.54 混合 2 50 26.90 11.28 7.46 2.00 2.36 3 100 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 4 25 40.35 16.92 11.19 3.00 3.54 冰在上 5 50 26.90 11.28 7.46 2.00 2.36 1.3 试验工况
本试验以含冰率和冰所在位置两个因素为变量，共设置5种工况（表 1），每次试验的物料总质量均为100 kg。受冰块融化及块体间相互摩擦的影响，试验结束后岩冰质量有所减小，耗损程度大致为2%~3%。试验过程如图 3所示。
2. 地震动信号频谱分析
试验共截取8 s的数据，对采集的原始地震动信号进行无限脉冲带通滤波，滤波范围为0.01~200 Hz，选择该滤波范围能够保留试验产生的绝大部分有效信号，且能在一定程度上降低噪音的干扰。以垂向地震动信号为例，经预处理后5种工况下的信号如图 4所示。
![]()
图 4 5种工况下记录的冰岩崩激发的垂向地震动信号Figure 4. Vertical ground motion signals induced by ice-rock avalanches recorded under 5 conditions以信号振幅的突然增大和趋近于噪音为节点，可以大致划分出试验过程中冰-岩碎屑流激发的地震动信号的持续时程。从图 4可以看出，5种工况下的地震动信号特征基本一致，信号振幅均先在噪音基础上明显增大，以较为平稳的振动持续一段时间后再次突增至峰值状态，此时信号振幅为前期的2~3倍，此后信号开始逐渐衰减，振幅缓慢恢复至噪音水平。为便于各个工况间的对比分析，本研究将信号的整个持续时程划分成3个阶段：平稳期、峰值期和衰弱期，其中峰值期采用红色矩形框在图中标出。在信号平稳区冰-岩碎屑流处于加速下滑状态，与加速段滑槽发生摩擦碰撞从而激发明显的地震动信号。在物料由加速段进入缓坡段时，由于坡度改变，碎屑流对缓坡面造成巨大冲击，信号进入峰值区。当物料冲出滑槽末端与河岸发生冲击碰撞时，持续激发强烈的地震动信号。此后冰-岩碎屑流逐渐沿河道上下游堆积，信号不断衰减直至恢复噪音水平，试验停止。
通过图 4（a）~（c）对比发现，当冰土混合时，随着含冰率的增加，信号的整个持续时间不断减小，峰值区域更加集中，且信号振幅更大。这是由于冰与滑脱面间的摩擦系数明显比土与滑脱面的摩擦系数小，随着冰-岩碎屑流中冰含量的不断提高，滑体整体的摩擦系数将不断减小，冰-岩碎屑流会受到更大的下滑力，以更快的速度冲下滑槽，冲击状态更加倾向于整体运动而非被滑道拉长截留。在极端工况即含冰率100%的纯冰状态下，激发的信号峰值振幅显著高于其余四种工况，且激发信号的峰值区间最为集中，峰值不再缓慢减低，而是平稳维持在较高振幅一段时间后突然下降，这与纯冰的下滑速度更快且冰体难以被滑道截留拉长，以整体形态迅速撞击滑槽并散落堆积在河道中的情况相符。
通过图 4（a），（d）和图 4（b），（e）两组对照试验，可以看出冰在土体上层时冰岩崩激发的地震动信号的持续时间均略大于冰土混合时的工况，且工况4和工况5的信号峰值区间更长而振幅更低。造成这一现象的原因是当冰在上层时，冰-岩混合物开始下滑时与滑道间的摩擦基本由下层土体承担，由于土体摩擦系数较大，在下滑过程中冰-岩混合物速度较低且滑动形态被逐渐拉长，位于上层的冰体先于土体冲击缓坡段，下层土体再陆续到达缓坡段并发生碰撞，在试验结束后仍有小部分土体残留在滑道中。
在从信号的时域角度进行初步分析后，采用Huang等[9-11]提出的HHT方法进一步对地震动信号进行处理，得到的Hilbert时频谱如图 5所示。由于工况3的振幅较为特殊，仅对其余4种工况的时频谱在时间轴上进行积分，获得的Hilbert边际谱如图 6所示。
![]()
图 5 不同工况下冰岩崩激发的垂向地震动信号Hilbert时频谱Figure 5. Hilbert-spectra of vertical ground motion signals excited by rock-ice avalanches recorded under different working conditions![]()
图 6 不同工况下的Hilbert边际谱Figure 6. Hilbert marginal spectra under different working conditions4种工况下冰-岩碎屑流产生的地震动信号的频谱特征基本一致，信号频率主要分布在0.06~45 Hz范围内，以低频振动为主，峰值均出现在0.8~0.9 Hz，高频成分集中出现在信号的峰值期，即冰-岩碎屑流与缓坡段及河道两岸发生强烈冲击碰撞时期。
3. 结论
本文通过开展5次模型试验，基于地震动信号分析了高寒山区冰-岩碎屑流在不同工况下的运动特性，得到如下结论：
（1）信号的整个持续时程可划分为3个阶段：平稳期、峰值期和衰弱期，随着含冰率的增加以及冰与滑脱面的接触面积增大，信号的持续时间不断减小，峰值区域更加集中，且信号振幅更大。
（2）冰-岩碎屑流激发的地震动信号以低频为主，信号频率主要分布在0.06~45 Hz，峰值出现在0.8~0.9 Hz，高频成分集中出现在冰-岩碎屑流与缓坡段及河道两岸发生强烈冲击碰撞时期。
（3）基于连续波形数据可以较为准确地识别冰-岩碎屑流运动过程中的一些动态信息，研究可为此类灾害的远程监测和灾后救援工作提供参考，也可为后续冰-岩碎屑流的动力学特征参数反演奠定基础。
-
![]()
图 2 大礼溪滑坡剖面图(Ⅰ-Ⅰ’)(位置见图1)
Figure 2. Geological cross section (Ⅰ-Ⅰ') of Dalixi landslide (see location in Fig. 1)
![]()
图 4 2017年5月13日次级滑坡变形特征
Figure 4. Deformation characteristics of secondary landslide on May 13, 2017
![]()
图 5 人工GPS监测点、自动GPS监测点累计位移与时间关系曲线
Figure 5. Curves of accumulated displacement and monthly displacement rate at artificial GPS monitoring points
![]()
图 8 开挖+实际降雨工况下滑坡前缘深部位移特征
Figure 8. Displacements of deep part at leading edge under excavation and rainfall
![]()
图 9 开挖+实际降雨工况下各观察点累积位移及稳定性系数
Figure 9. Accumulated displacement and stability coefficients at
![]()
图 10 不同工况下模拟变形对比图
Figure 10. Displacements of numerical simulation under different conditions
表 1 大礼溪滑坡地表裂缝统计表
Table 1 Statistical data of cracks of Dalixi landslide
编号 走向/(°) 性质 位置 出现时间 T1~T9 155~235 前缘Q3附近拉张裂缝,长约3~30 m,宽约1~5 cm,无明显上下错动,可见约深度5~10 cm 前缘Q3 2017年2月 T10~T17 130~240 前缘Q4附近拉张裂缝,长约5~40 m,宽约3~30 cm,局部有错动约5~20 cm,可见约深度5~15cm 前缘Q4 2017年3月,4月 T18~T28 130~160 前缘Q5附近拉张、剪切裂缝,断续延伸5~50 m,宽约10~35 cm,局部有错动约200 cm,可见约深度10~30 cm 前缘Q5 2017年5月次级滑坡发生时产生 T29~T30 160~190 拉张裂缝,长约50~60 m,宽约3~10 cm,可见约深度10 cm 滑体中部 2017年7月 T31~T35 170~260 拉张裂缝,长约4~8 m,宽约1~3 cm,可见约深度5~10 cm 滑体中部 2017年7月 T36,T40~T57 145~170 滑体拉张裂缝,长约5~40 m,宽约1~10 cm,局部有明显错动约150 cm,可见约深度15~30 cm 滑体中后部 2017年10月 T37~T39,T58~T65 155~230 后缘拉张、剪切裂缝,长约5~10 m,宽约5~15 cm,局部有上下错动约5~10 cm,可见约深度20cm 后缘及两侧边界裂缝 2017年10月 
下载: 导出CSV
表 2 大礼溪滑坡物理力学参数
Table 2 Physical and mechanical parameters of Dalixi landslide
材料 重度/(kN·m-3) 黏聚力c/kPa 内摩擦角φ/(°) 泊松比 模拟 室内试验 模拟 室内试验 滑体 24.5 31.5 33.0 21.0 21.0 0.30 滑带 22.0 23.0 23.6 16.6 17.0 0.35 滑床 25.0 — — — — —
下载: 导出CSV
-
[1] CRUDEN D M, VARNES D J. Landslide types and processes, special report, transportation research board[J]. National Academy of Sciences, 1996, 247: 36-75.
[2] BURDA J, HARTVICH F, VALENTA J, et al. Climate- induced landslide reactivation at the edge of the Most Basin (Czech Republic): progress towards better landslide prediction[J]. Natural Hazards and Earth System Sciences, 2013, 13: 361-374. doi: 10.5194/nhess-13-361-2013
[3] RONCHETTI F, BORGATTI L, CERVI F, et al. The Valoria landslide reactivation in 2005 — 2006 (Northern Apennines, Italy)[J]. Landslides, 2007, 4(2): 189-195. doi: 10.1007/s10346-006-0073-9
[4] DENG H, WU L Z, HUANG R Q, et al. Formation of the Siwanli ancient landslide in the Dadu River, China[J]. Landslides, 2017, 14(1): 385-394. doi: 10.1007/s10346-016-0756-9
[5] 吴瑞安, 张永双, 郭长宝, 等. 川西松潘上窑沟古滑坡复活特征及危险性预测研究[J]. 岩土工程学报, 2018, 40(9): 1659-1667. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YTGC201809014.htm WU Rui-an, ZHANG Yong-shuang, GUO Chang-bao. Reactivation characteristics and hazard prediction of Shangyaogou ancient landslide in Songpan County of Sichuan Province[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2018, 40(9): 1659-1667. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YTGC201809014.htm
[6] 郭健, 许模, 赵勇, 等. 黑水河库区某古滑坡形成及复活机制[J]. 成都理工大学学报(自然科学版), 2013, 40(6): 721-728. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-CDLG201306012.htm GUO Jian, XU Mo, ZHAO Yong, et al. Formation and reactivation mechanism of an ancient landslide in Heishui reservoir of Minjiang River, China[J]. Journal of Chengdu University of Technology, 2013, 40(6): 721-728. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-CDLG201306012.htm
[7] 李明辉, 李浩然, 王东辉. 大渡河上游亚喀则滑坡复活变形机理及发展趋势分析[J]. 水土保持研究, 2014, 21(1): 305-309. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-STBY201401059.htm LI Ming-hui, LI Hao-ran, WANG Dong-hui. The revival mechanism and development tendency of Yakaze landslide in the upper reaches of Dadu River[J]. Research of Soil and Water Conservation, 2014, 21(1): 305-309. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-STBY201401059.htm
[8] 付博, 严明, 李波, 等. 岷江某水电站库区#1滑坡复活机制分析[J]. 工程地质学报, 2008, 16(1): 11-16. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-GCDZ200801004.htm FU Bo, YAN Ming, LI Bo, et al. Analysis of revivification mechanism for a landslide on a hydropower station reservoir in Minjiang[J]. Journal of Engineering Geology, 2008, 16(1): 11-16. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-GCDZ200801004.htm
[9] WANG J J, LIANG Y, ZHANG H P, et al. A loess landslide induced by excavation and rainfall[J]. Landslides, 2014, 11(1): 141-152.
[10] GU D M, HUANG D, YANG W D, et al. Understanding the triggering mechanism and possible kinematic evolution of a reactivated landslide in the Three Gorges Reservoir[J]. Landslides, 2017, 14(6): 2073-2087.
[11] 李明辉, 郑万模, 石胜伟, 等. 丹巴县甲居滑坡复活机制及其稳定性分析[J]. 山地学报, 2008, 26(5): 577-582. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-SDYA200805013.htm LI Ming-hui, ZHENG Wan-mo, SHI Sheng-wei, et al. The revival mechanism and stability analysis to Jiaju landslide of Danba county in Sichuan province[J]. Journal of Mountain Science, 2008, 26(5): 577-582. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-SDYA200805013.htm
[12] 张永双, 郭长宝, 周能娟. 金沙江支流冲江河巨型滑坡及其局部复活机理研究[J]. 岩土工程学报, 2013, 35(3): 445-453. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YTGC201303008.htm ZHANG Yong-shuang, GUO Chang-bao, ZHOU Neng-juan. Characteristics of Chongjianghe landslide at a branch of Jinsha River and its local reactivation mechanism[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2013, 35(3): 445-453. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YTGC201303008.htm
[13] 哈秋舲. 三峡工程永久船闸陡高边坡各向异性卸荷岩体力学研究[J]. 岩石力学与工程学报, 2001, 26(5): 605-610. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YSLX200105003.htm HA Qiu-ling. Study on the anisotropic unloading rock mass mechanics for the steep-high rock slope of the three gorges project permanent shiplock[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2001, 26(5): 605-610. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YSLX200105003.htm
[14] 盛谦. 深挖岩质边坡开挖扰动区与工程岩体力学性状研究[D]. 武汉: 中国科学院武汉岩土力学研究所, 2002. SHENG Qian. Excavation Disturbed Zone of Deep Cutting Rock Slopes and Mechanics Behaviour of Engineering Rock Mass[D]. Wuhan: Institute of Rock and Soil Mechanics, The Chinese Academy of Sciences, 2002. (in Chinese)
[15] 黄润秋, 林峰, 陈德基, 等. 岩质高边坡卸荷带形成及其工程性状研究[J]. 工程地质学报, 2001, 9(3): 228-229. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-GCDZ200103000.htm HUANG Run-qiu, LIN Feng, CHEN De-ji, et al. Formation mechanism of unloading fracture zone of high slopes and its engineering behaviors[J]. Journal of Engineering Geology, 2001, 9(3): 228-229. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-GCDZ200103000.htm
[16] 李明, 张嘎, 李焯芬, 等. 开挖对边坡变形影响的离心模型试验研究[J]. 岩土工程学报, 2011, 33(4): 667-672. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YTGC201104030.htm LI Ming, ZHANG Ga, LEE C F, et al. Centrifugal model tests on excavation-induced deformation of slopes[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2011, 33(4): 667-672. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YTGC201104030.htm
[17] 许强, 汤明高, 黄润秋. 大型滑坡监测预警与应急处置[M]. 北京: 科学出版社, 2015. XU Qiang, TANG Ming-gao, HUANG Run-qiu. Monitoring, Warning and Emergency Treatment of Large Landslide[M]. Beijing: Science Press, 2015. (in Chinese)
-
期刊类型引用(0)
其他类型引用(1)
计量
- 文章访问数: 354
- HTML全文浏览量: 40
- PDF下载量: 191
- 被引次数: 1
