西藏米林县色东普沟冰崩灾变机理及灾变过程模拟

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我国是全球中、低纬地区冰川最为发育的国家,青藏高原地区冰川面积占我国冰川总面积的80%以上。近年来,受全球气候变暖影响,青藏高原冰川活动强烈,引起了一系列冰川灾害,其中以冰崩灾害最为频繁。藏东米林县色东普沟是青藏高原典型冰崩灾害发育区域,多次发生冰崩—碎屑流—堵江事件。本文以色东普沟冰崩为研究对象,综合遥感、野外调查、物理力学试验和数值模拟等手段,对色东普沟冰崩的灾变过程及灾变机理进行系统性研究。取得的主要研究成果如下:(1)查明了色东普沟冰崩地质特征和冰介质物理性质。近几期色东普沟冰崩事件之前,色东普沟可按照冰川补给源分为9个分区,共发育冰崩变形体14处。色东普沟特殊的地形条件使得色东普沟具有冰崩碎屑流活动频发且规模巨大的特征。“漏斗”状的地形有利于流域内的物质向沟内汇集,为冰崩碎屑流提供了丰富的物源和载体;色东普沟上陡下缓,冰川处于高位落差大,冰崩具有良好的位能条件和启动条件;色东普沟主沟道曲率较小,碎屑流在沟内流通条件较好,致灾效应明显。野外测定了冰川的温度、冰川冰的密度和孔隙率。此外,冰川冰结构在微观和宏观上都具有各向异性,冰川冰是由多个大小不一的冰晶体组合而成,具有孔隙。(2)通过遥感解译梳理分析了色东普沟历史事件和影响因素。2014年以来,色东普沟发生了8次碎屑流事件,堵塞雅鲁藏布江4次,其中3次为上游冰崩引发碎屑流造成。气温和地震活动与色东普沟冰崩的发生具有一定相关性,且存在累积效应和滞后效应。地形坡度是冰崩发生的最主要影响因素,色东普沟近年来发生的冰崩灾害所在的原始地形平均坡度为30°~60°,且地形坡度超过30°的面积占比为35%~50%,当前色东普沟流域内仍存在类似地形条件的冰川变形体。(3)通过试验分析了多晶冰及冰岩嵌固体的力学特征及其随温度变化的规律,揭示了色东普沟冰崩灾变的力学机理。多晶冰和冰岩嵌固体剪切曲线符合库仑定律。在温度条件接近冰的融点(0℃)时,多晶冰样的内摩擦角φ几乎为0。随着温度降低,多晶冰样和冰岩嵌固体的粘聚力c和内摩擦角φ有增大趋势,但随着温度降低到一定程度,粘聚力c和内摩擦角φ增大趋势变小。冰崩在温度升高作用下的力学机理为:在重力作用下因为温度变化引起的滑带(变形破坏带)冰川介质抗剪强度劣化导致整体失稳破坏。(4)基于FLAC-PFC模拟再现了色东普沟冰崩启动、运动堆积演化过程。冰崩变形启动过程分为初始(减速)变形阶段、等速变形阶段和加速变形阶段,且各阶段冰崩的变形、裂缝发展及变形破坏带应力状态存在分期配套的特征;色东普沟冰崩碎屑流灾害演化过程可分为冰崩、滑坡、碎屑流运动、碎屑流堆积堵江四个阶段。(5)初步提出了色东普沟冰崩监测预警建议。针对冰崩变形启动过程和冰崩碎屑流运动过程,初步提出了色东普沟冰崩碎屑流的监测预警建议。
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