基于SOC理论的地震触发崩塌滑坡分布规律与线路灾势预测

发布时间：2018-03-01 21:01

本文关键词： 地震滑坡分布规律自组织临界性振动台试验变异系数高位滑坡线路工程驱动机制地震崩塌滑坡b值　出处：《西南交通大学》2016年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：中国是一个多震、多山的发展中国家,因此中国也是地震触发崩塌滑坡灾害的重灾区。21世纪以来,在我国西部5场大地震所触发的崩塌滑坡等次生山地灾害给人们的生命财产及基础设施造成了毁灭性破坏。故对地震触发崩塌滑坡的整体分布规律和减灾对策的研究,具有重要科学意义和明确应用背景。鉴于自组织临界理论(SOC)是使整体理论适用于动态系统的唯一模型或数学描述,因此本文选择自组织临界为理论框架并运用卫星遥感资料解译、野外现场考察、振动台沙堆模型试验、快驱动沙堆模型试验、变组构特性沙堆模型试验、元胞自动机数值模拟等手段,来研究地震作用下斜坡系统动力学的总体特征,主要工作和研究结论如下：(1).“5.12”汶川大地震和“4.20”芦山地震均触发了大量的崩塌、滑坡。实震资料显示,不同地震烈度区地震触发崩塌滑坡规模的整体分布规律会发生变化。这一统计层面的认知亟待得到物理试验的验证。在自组织临界状态理论的概念框架下,开展了6组振动台沙堆模型试验。试验表明：输入地震波峰值加速度(PGA)为0.075g-0.125g时,落沙量与发生频率的关系可用幂律描述；PGA增加到0.15g～0.25g时,该关系服从对数正态分布；PGA增加到0.35g-0.45g时,该关系具有正态分布特征。首次通过振动台沙堆模型试验重现了从Ⅸ度到Ⅺ度烈度区地震触发崩塌滑坡分布规律演变的现象。(2).针对随扰动强度增加,斜坡系统动力学演变的现象开展数理分析。数学分析表明,变异系数的减小,是这3种概型依次转变的原因。根据试验观察,随扰动递增沙堆表面颗粒行为呈现不同响应模式：微振动时颗粒活动性消失的概率与活动性分叉的概率在总体上平衡,当颗粒间近邻的相互作用导致连锁反应时才能发生大规模落沙事件,具有最大的不确定性；强振动时大部分颗粒就能独立启动,大规模落沙成为必然事件。据此提出,落沙规模由自组织控制的颗粒链式反应过程,向外力控制的颗粒独立下落过程的转化是导致变异系数减小的物理机制。以上认识为不同地震烈度区地震触发崩塌滑坡规模整体分布规律演变的机理,提供了诠释。(3).“5.12”汶川实震结果表明,大量的高位崩塌滑坡是造成线路工程震害的主要威胁。在地震作用下,判识能够威胁到线路工程的高位崩塌滑坡对高烈度山区选线设计具有十分重要的应用价值。为此,提出了地震触发高位崩塌滑坡灾势预测方法,该方法在GIS技术支持下,按照水文地质条件划分边坡单元；基于边坡单元建立威胁线路的高位边坡判识模型,即高位边坡须同时满足能量和路径两种必要条件,才能保证其在失稳后会威胁到线路工程；在此基础上,结合综合指标法预测地震触发的崩塌滑坡。得到了研究区域内地震作用下威胁到线路工程的高位崩塌滑坡灾势预测图。该模型方法对威胁到线路工程的高位边坡提供了有效的判识手段,对高烈度山区线路选线以及既有线改建工程提供了重要的决策依据。最后,将自组织临界理论框架所得到的Ⅸ度烈度区地震触发崩塌滑坡总体特征分布规律关系应用到地震触发高位崩塌滑坡灾害防护工程量当中,建立起了地震触发高位崩塌滑坡灾害防护工程应用框架。(4).通过统计汶川、芦山Ⅸ度烈度区崩塌滑坡,发现其规模与累计发生频率均服从幂律分布,但是其幂指数b值存在较大差距。为此,在SOC理论概念框架下,对其原因进行了探讨。受地震b值与断层分维数呈正相关的物理特性启发,推断地震崩塌滑坡b值与系统内部组构的分维数存在一定关系。为验证这一推断,开展了7组变沙堆组构特性的沙堆模型试验。试验结果表明落沙量b值和沙堆组构分维数D之间具有一定的正相关关系,但不是线性关系,沙堆组构分维数D越大,落沙量b值也就越大,反之亦然。由此,可确定系统组构特性会对地震崩塌滑坡b值造成影响。据此初步推断,两场地震震区地质条件的差异可能是造成汶川、芦山地区地震崩塌滑坡b值不同的原因之一(5).基于SOC运行机制及汶川实震现象,推断当地震使地表发生快速隆升变形时,位于极震区的斜坡系统运行机制符合快驱动机制。为研究快速隆升区的地震触发崩塌滑坡分布规律,对汶川地震断裂带上、下盘地区1.5km内的崩塌滑坡规模面积进行对比统计分析,发现上盘灾害服从对数正态分布,而下盘不服从对数正态分布。随后,通过快速倾斜底板的方式,模拟快驱动条件下的沙堆动力过程,开展了4组快驱动沙堆模型试验。试验结果表明,沙堆坡度保持在临界角附近时,落沙量服从幂律分布；而当沙堆坡度偏离临界角度时,落沙量的统计特性呈现对数正态分布,不再呈现SOC特性。据此提出,汶川地震快速隆升区,地震触发崩塌滑坡呈现对数正态分布的现象,可能是系统运行机制发生转变(快驱动机制)的效应。综上,通过以上研究,不仅获得了地震触发崩塌滑坡的整体分布规律和减灾对策研究的基本认识,同时也对SOC相关领域的研究,具有一定的指导意义,并希望藉此范例性的探索,推动自组织临界理论研究从唯象学向精确化科学迈进。
[Abstract]:......
【学位授予单位】：西南交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：P642.22;U216.419.1

【参考文献】