基于粒子图像测速技术的滑坡-涌浪两相运动分析系统

滑坡-涌浪灾害威胁沿河两岸居民生产生活安全和航道安全。当前尚缺乏同步提供流固两相运动矢量的相关物理试验分析系统,以深刻分析滑坡-涌浪产生机制。文章提出了基于流固两相识别的粒子图像测速（PIV）技术和试验实现方法。利用2560×1024像素的工业相机,该PIV技术可实现在3 m×1.5 m视窗下最小1.17 mm的空间分辨率和0.01 s内最小0.117 m/s的观测速度。同时,提出了与该系统方法有关的误差来源和克服相关问题的解决方法。利用相关硬件设施示范性构建了滑坡-涌浪两相运动观测平台,并编制了专门的解算软件。对三维柱体颗粒崩塌、二维柱体颗粒崩塌及其涌浪和水下崩塌-涌浪进行了展示性试验,取得了良好效果。该系统可以揭示广泛的岩土体及水体运动全过程,具有很好的应用前景;将为滑坡-涌浪及相关动力学领域研究提供强有力的研究工具。      

三峡库区龙门寨危岩体崩塌产生涌浪研究

长江两岸高耸的危岩体对航道、沿岸居民带来巨大安全隐患。大宁河属于长江一级支流,龙门寨危岩体位于大宁河上,距离巫山县城仅1 km。利用FLOW-3D软件,模拟了145 m、175 m两种水位工况下龙门寨危岩体崩塌产生涌浪过程和涌浪传播过程。模拟结果表明,涌浪在145 m水位工况下最大浪高约为17.9 m,175 m水位工况下最大浪高约为11.6 m;在巫山县的五个码头处,两种水位工况最大涌浪爬高分别约为10.9 m、3.8 m;根据涌浪高度,对大宁河进行危险分区,145 m水位工况下极高危险区长度约4.4 km,很高危险区长度约1.9 km;175 m水位工况下极高危险区长度约3.0 km,很高危险区长度约1.0 km。研究结果有助于防控龙门寨危岩体潜在涌浪灾害危害,保障大宁河航道和巫山县码头安全,同时也为三峡库区滑坡涌浪灾害提供了预警依据。      

一种流动性滑坡涌浪动力学模型

滑坡涌浪是入水滑坡引起的一种次生灾害,其致灾范围远大于滑坡的运动区域,准确预测其演化过程是防治这类灾害的关键。现有预测模型多将滑体简化为刚体,而实际滑坡多表现出流态运动的特征。为更合理地描述滑体和涌浪的耦合运动,将滑体视为流态物质,在此基础上推导了滑坡与水体耦合运动的控制方程,利用有限差分法对控制方程求解,建立了一种可模拟流动性滑坡涌浪演化过程的动力学模型。使用该模型对三峡库区的龚家方滑坡涌浪的演化过程进行模拟,将模拟所得河道纵截面处的最大浪高值与实测值进行对比,结果表明最大浪高值出现在滑坡的主滑动方向,且最大浪高沿纵截面两侧快速衰减,模拟结果与实测吻合。     

二维条件下颗粒柱体崩塌入水堆积过程

在我国西南地区,以塔柱状危岩体崩塌为扰动源的涌浪次生灾害时有发生。涌浪特征与其扰动源的初始形状和破坏模式关系密切,塔柱状危岩体由下至上、空中崩解的破坏模式与颗粒柱体崩塌相似。区别于以往多试验采用的刚体材料和利用运动距离获得初始动力状态的涌浪试验,本研究设计并进行了不同高度和宽度的颗粒柱体在不同水深下自然崩塌的物理模型试验。运用PIV技术分析了颗粒体及水体的运动特征,按颗粒体与水体的相互作用关系将整个过程大致分为了3个阶段,并研究了颗粒柱体初始形态对试验结果的影响。结果表明,颗粒柱体崩塌后的残余体积受颗粒体初始形态影响较大,水深对其影响较小。涌浪产生早期,首浪位置与颗粒运动位置有着良好的对应关系;而后,两者的位置逐渐拉开。颗粒柱体高度越高,首浪最大波高出现时的位置与崩塌颗粒群前端位置的差值越大。这可能与流固相互作用后期水体流速大于颗粒流动速度有关。试验产生的涌浪大多具有完整波形,这与柱状颗粒体的散体性及其覆盖堆积特征对水体的作用呈不均匀性有关。涌浪传播过程中,水体在z方向上抬升幅度具有一定的渐变性。试验分析结果揭示了柱状危岩体引发涌浪的机制特点,为涌浪灾害防治提供了基础资料。     

基于改进的FAST模型的千将坪滑坡涌浪研究

千将坪滑坡是三峡库区支流浅水区滑坡产生涌浪的典型案例,但对大范围、长距离的水动力过程和涌浪灾害分析研究成果较少。基于浅水区滑坡涌浪物理实验的推导公式,更新了FAST涌浪计算系统,构建了相应的涌浪源数值模型,在已有的滑坡涌浪灾害快速评价系统程序中新构建了浅水区滑坡涌浪源数值模型,开展了千将坪滑坡涌浪研究。数值计算区域为18.6 km×11.8 km,包括千将坪滑坡附近的长江干流及支流。计算结果显示,千将坪滑坡产生的最大浪高为38.8 m,最大爬高为36.7 m。最大涌浪空间分布显示大于1 m涌浪的河道长约10.5 km,大于2m涌浪的河道长约9.3 km,大于3 m涌浪的河道长约8 km。大于1 m的波浪影响范围主要集中在青干河和锣鼓洞河,涌浪在河道中传播受地形影响而有快速衰减或放大效应。与多源数据对比表明,涌浪爬高数值相差为±2 m,相关性系数达0.97。建立的涌浪数值模型具有消耗计算资源少、计算速度快、计算结果精度较好等优点。基于水波动力学的浅水区滑坡涌浪源模型将可用于水库区支流或干流浅水区滑坡产生的涌浪问题研究,为大范围长距离滑坡涌浪灾害预测预警提供重要技术支撑。     

柱状危岩体崩塌产生涌浪的物理试验与数值模拟分析

柱状危岩体是三峡库区常见的一种典型地质灾害隐患,其崩塌产生涌浪给库区航运、旅游、生产生活以及人员财产造成巨大威胁和损害。文章基于野外柱状危岩体的成生及运动边界条件,开展了颗粒柱体崩塌产生涌浪的物理试验和数值模拟。结果表明:该数值模型能较好地模拟崩塌涌浪的形成过程、矢量信息以及与水体的相互作用;速度曲线定量地展示了能量的传递;物理试验和数值模拟涌浪高度偏差约3~4 cm;数值模拟堆积区堆积角比物理试验大5%;比前缘运动距离小7%。为柱状危岩体崩塌产生涌浪灾害的预测和预警提供了重要依据。      

基于水波动力学模型的棺木岭危岩体涌浪数值分析

以棺木岭危岩为研究对象,在分析危岩体变形破坏的基础上,运用水波动力学模型进行危岩体在145 m、175 m水位条件下的滑坡涌浪模拟。结果显示:145 m条件下最大涌浪高度为24.2 m,最大爬高为19.9 m,1m以上涌浪高度的河道长约5.4 km;175 m条件下最大涌浪高度为23.3 m,最大爬高为14.5 m,1 m以上涌浪高度的河道长约6.6 km。在九畹溪河道上,涌浪的波高严重不均衡,下游涌浪强度明显高于上游。在长江河道上,涌浪波以九畹溪口为扰动点,向上下游衰减,衰减近似平缓。随着库水位的下降,危岩体形成的最大涌浪高度增大,而涌浪危害的范围逐渐减小。     

鄂西山区崩塌落石运动特征及危险性分析

以远安县瓦坡崩塌区为例,通过地质调查、野外测绘、无人机航拍,建立了瓦坡崩塌区三维模型,基于Rockfall Analyst（RA）分析软件,实现了瓦坡崩塌区大量崩塌落石三维空间下运动路径、高度、能量等要素模拟,探究了崩塌区落石的三维运动特征,开展了崩塌区落石危险性评估,为崩塌落石的防治提供科学参考。研究结果表明:崩塌区危岩主要破坏形式为倾倒式,目前处于欠稳定状态;模拟落石三维运动轨迹与已有落石点基本重合,说明此次模拟结果与实际情况较为吻合;落石运动过程中以碰撞弹跳、自由飞落为主,落石主要集中在崩塌区下部冲沟及公路内,部分落石达到居民区,在崩塌落石区下部公路、冲沟及崩塌区右侧危险性较高;崩塌落石防治工程建议采用危石孤石清除+被动防护网,在公路内侧、斜坡下方分别设置5 m高和3 m高抗冲击力2 000 kJ的被动防护网,可有效拦截落石。     

藏东察达高位崩塌发育特征及潜在危险

高位崩塌具有运动速度快、运移距离远、冲击破坏力强等特征,对其下部工程设施及人民生命财产安全构成极大威胁。以藏东察达高位崩塌为研究对象,采用现场调查、遥感影像分析、无人机测绘及物探等工作手段,对其发育特征进行分析研究,探讨其潜在危害。研究结果表明,察达后山曾发生大型岩质崩塌,崩塌源区与前缘高差达1 340 m,最大水平距离超过2 600 m,估算其运动速度最大可达65.36 m/s,具有高速远程的运动特征。坡脚崩塌堆积体体积约160×10 ⁴ m ³,表面巨石密布,堆积形态具有“颗粒反序”典型特征。现阶段崩塌源区仍发育有一定规模的危岩体,单体方量4.7×10 ⁴ ~ 29×10 ⁴ m ³。受断裂对冲挤压、冻融循环、长期卸荷或强震等因素影响,危岩体可能出现局部或整体失稳。一旦失稳,可能对坡脚构筑物和村庄构成威胁。建议采用综合手段进行深入勘查,分析其稳定性、失稳启动条件及发生概率,预测灾害体失稳后的影响范围,依据评价结果采取合理的措施进行防治。     

滑坡崩塌涌浪计算方法研究

基于地质灾害涌浪计算公式和局部水头损失理论,建立了地质灾害涌浪公式计算体系。该算法充分考虑了不同滑坡崩塌造成的涌浪效应、不同区域涌浪衰减的差异性和自然河道的沿程水头损失与局部水头损失问题; 大量采用地形参数进行计算,客观性强。以龚家方崩滑体产生涌浪为例进行了计算,其计算结果与实际调查值相关性非常高。结果显示:龚家方崩滑体产生最大涌浪高度为33.45m,急剧衰减区内平均100m下降4m、平缓衰减区内平均100m下降0.11m和在峡谷区向宽谷区传播时有扩大衰减效应的规律。     

大比例尺成矿预测中高精度立方格预测模型快速构建算法

立方格模型是一种常用的大比例尺三维可视化预测模型。在计算机三维图形学中,立方格模型又被称为块段模型,该模型比较适合表示非均匀体数据的空间分布,在矿山大比例尺深边部成矿预测、三维反演、矿山储量估算等领域得到广泛应用。目前,构建高精度立方格预测模型的一般方法是将已有地质体、地表、构造等三维地学对象进行栅格化。针对栅格化过程中遇到的2个关键问题,即体形的空间形态复杂和需要计算的长方体数量大（≥10⁶）,应用三维网格分割与种子填充（flood-fill）思想实现快速构建三维复杂体的立方格模型算法,其时间复杂度为O(n)。该算法的主要优点是花费相对小的空间代价高效地解决大量三角面与长方体的相交和空间查询计算问题。同时,应用该算法得到的立方格预测模型的长方体被划分为边界、内部和外部,便于开展预测要素综合模拟、矿山储量计算以及三维空间分析等其他后续地质应用。特别是将种子填充思想应用于高精度立方格模型构模,具有一定的创新性。本算法不仅适用于矢量体的快速栅格化,也适用于空间非自相交曲面（例如数字高程模型）的快速栅格化。     

扬子西北缘碧口块体花岗质岩体锆石U-Pb年龄、Hf同位素特征及其地质意义

对扬子西北缘碧口块体中白雀寺和大安花岗质岩体进行了锆石U-Pb定年及Hf同位素研究。结果表明,白雀寺岩体的年龄分2组:(855±6) Ma（n=23）和(917±14) Ma（n=3）。前者ε_Hf(t)为3.8~10.4,一阶段Hf模式年龄为1.00~1.27 Ga;后者ε_Hf(t)为2.0~8.1,一阶段Hf模式年龄为1.14~1.40 Ga。而大安岩体给出了6组不同的年龄：(854±10) Ma（n=3）、(801±7) Ma（n=3）、(702±10) Ma（n=3）、(565±6) Ma（n=1）、(246±7) Ma（n=1）和(207±2) Ma（n=1）。其ε_Hf(t)为-12.6~11.4（t=854 Ma）,一阶段和二阶段Hf模式年龄分别为0.95~1.90 Ga和1.02~2.55 Ga。白雀寺和大安岩体的侵位年龄分别为(855±6) Ma和(854±10) Ma,代表了扬子西北缘碧口块体内的一次重要岩浆事件,前者主体来源于中元古代新生陆壳源区,而后者主要来源于中元古代新生陆壳与晚太古代地壳物质的混合源区。此外,白雀寺岩体中(917±14) Ma的年龄代表新元古代早期的岩浆活动,而大安岩体中年轻的年龄可能记录着岩体后期所经历的复杂热改造事件。     

洞庭湖介形类现生种的分布与生态特征

洞庭湖为我国第二大淡水湖,所在区域为研究我国全新世气候演化及全球变化的重要窗口,该区域全新世古气候研究薄弱,未见定量研究。对介形类现生种进行详细生态调查是利用其定量重建古气候的必要前提与基础。以洞庭湖介形类现生种为研究对象,分析其分布与生态特征。该湖介形类包括6属10种,比利时舍氏玻璃介(相似种) Schellencandona cf. belgica、克氏丽星介Cypria kraepelini、布氏土星介Ilyocypris bradyi、豆形豆形玻璃介Fabaeformiscandona fabaeformis、粗糙土星介Ilyocypris salebrosa、喙盲星介(相似种) Typhlocypris cf. rostrata、无偶斗星介Cypridopsis vidua及斗星介属(未定种) Cypridopsis sp.,其中C. sp.包含3个种。这些属种于洞庭湖系首次报道,于湖南省亦是首次。S. cf. belgica与T. cf. rostrata于我国报道均不多见,尤其是后者甚少。S. cf. belgica、I. bradyi及F. fabaeformis为优势种,分布广且丰度高; I. salebrosa分布样点较多,丰度偏低; C. kraepelini、T. cf.rostrata、C. vidua及C. sp.均出现频次不高或很低,只是前二者丰度较高,后二者丰度低。各属种生境参数差别不明显,总范围为水温20.33℃,p H值为7.34～8.60,溶氧量5.23～9.01 mg/L,电导率197～391μS/cm,水深1～8.4 m,主要分布于1～4 m。F. fabaeformis与C. kraepelini分布水深略大于前人认识,这可能与洞庭湖水体流动性较强有关,推测I. salebrosa为一浅水喜暖种。     

Comprehensive analyses of the initiation and landslide-generated wave processes of the 24 June 2015 Hongyanzi landslide at the Three Gorges Reservoir,China

Reservoir landslides pose a great threat to shipping safety, human lives and properties, and the operation of the hydropower station. In this paper, the 24 June 2015 Hongyanzi landslide at the Three Gorges Reservoir is considered as an example to study the initiation mechanism and landslide-generated wave process of a reservoir landslide. The finite difference method and limit equilibrium analysis are used to analyze the deformation and failure characteristics of the Hongyanzi slope. Simulation results show that a large deformation (about 358 mm) happens in the shallow deposits under intermittent rainfall condition, and the slope is in a limit state. At the same time, continuous rapid drawdown of the water level (about ?0.55 m/day during 8–24 June 2015) reduced the support and accelerated the drainage of the water for the bank slope. A coupling effect of intermittent rainfall and rapid drawdown of the water level was the triggering factor of the 24 June Hongyanzi landslide. Landslide-generated wave process was simulated using a fluid–solid coupling method by integrating the general moving object collision model. Simulation results show that the landslide-generated wave is dominated by the impulse wave, which is generated by sliding masses entering the river with high speed. The maximum wave height is about 5.90 m, and the wave would decay gradually as it spreads because of friction and energy dissipation. To prevent reservoir landslides, the speed for the rising or drawdown of the water level should be controlled, and most importantly, rapid drawdown should be avoided.     

Risk management study on impulse waves generated by Hongyanzi landslide in Three Gorges Reservoir of China on June 24, 2015

On June 24, 2015, Hongyanzi slope located in Wushan County of the Three Gorges Reservoir collapsed, generating 5–6-m-high impulse waves, which overturned 13 boats, killed 2 persons, and injured 4 persons. It is the second incident of landslide-generated impulse waves since the 175-m experimental impoundment in 2008. The emergency investigation shows that Hongyanzi landslide is a bedding soil landslide with a volume of 23?×?10⁴ m³ induced by a series of triggering factors such as rainfall, flooding upstream, and reservoir drawdown. The nonlinear Boussinesq water wave model is used to reproduce the impulse waves generated by the landslide of June 24th. The numerical simulation results suggest that the wave propagation process was influenced by the T-shaped geomorphic conditions of river valley, and the coastal areas in the county seat were the major wave-affected areas, which is opposite to the landslide. The numerical wave process accord well with the observed incident, and the investigation values were in good agreement with the calculated values. Moreover, the worst-case scenario of the 7?×?10⁴ m³ deformation mass beside Hongyanzi landslide is potential to generate impulse waves, which was predicted with the same numerical model. This adjacent deformation mass will probably generate impulse waves with maximum height and run-up of 2.2 and 2.0 m, respectively, and only a very few areas in the water course had waves rising to a height of 1 m or above. The research results provide a technical basis for emergency disposal to Hongyanzi landslide and navigation restriction in Wushan waterway. More importantly, it pushes the risk management of the navigation based on the impulse wave generated by landslide. It is advised that the Three Gorges Reservoir and other reservoirs around the world should put more efforts in performing special surveys and studies on the potential hazards associated with landslide-generated impulse waves.     

洪泽凹陷赵集次凹阜宁组四段盐岩深水再沉积成因探讨

为了查明洪泽凹陷赵集次凹阜四段盐岩成因,利用录井、测井、古生物和地球化学资料,对苏北盆地洪泽凹陷赵集次凹古新统阜宁组四段(E₁f₄)的盐岩沉积特征进行了分析,发现阜四段含盐系地层主要发育石盐岩,硫酸盐岩次之,还有少量碳酸盐岩。石盐岩单层厚度大,纯度高,横向分布稳定。对比研究认为赵集次凹E₁f₄盐岩应为淮安凸起上白垩统浦口组(K₂p)盐岩经溶解搬运至洪泽凹陷赵集次凹深水湖盆中,使盐度过饱和后再沉积成因。赵集次凹E₁f₄比淮安凸起K₂p石盐岩矿层纯度高;盐岩洁净、盐间夹灰-深灰色泥岩,未见浅水蒸发构造;生物化石以陆相介形类为主,淡水滨浅湖的腹足类和轮藻化石稀少,在E₁f₄地层中存在仅见于K₂p地层中的Cicat ricosisporites pseudoanrifer化石以及Welwitschiapitesningensis、Cicatricosisporites pseudoaurifer等;两地盐岩的卤水类型均为硫酸盐-氯化物型,而赵集次凹E₁f₄盐岩重金属元素含量较低。赵集次凹阜四段存在两个主要成盐期:上盐亚段与下盐亚段,对比研究发现二者的盐岩类型、特征及成盐序列有较大差异,尝试根据盐类物质供给的成分和速率的不同建立了相应的成盐模式:下盐亚段为深水近源快速补给"石盐岩-无水芒硝岩-石盐岩再沉积"成盐模式;上盐亚段为深水近源缓慢补给"钙芒硝岩-石盐岩再沉积"成盐模式。     

晋中南地区上石炭统-下二叠统太原组碳酸盐岩中遗迹组构及其沉积环境

晋中南地区上石炭统-下二叠统太原组是一套海陆交互相含煤地层,其中碳酸盐岩中发育丰富的遗迹化石。通过对山西太原西山和陵川附城一带露头剖面遗迹化石的详细观察、鉴定与分析,共识别出10个遗迹属、14个遗迹种,其生态类型包括进食迹10种、觅食迹和居住迹各2种。基于各灰岩层中遗迹化石的组成、产状、大小、潜穴充填物的成分及颜色、宿主岩的岩性等特征,建立了4种遗迹组构及其沉积环境分布模式:类型A:大型Zoophycos-Thalassinoides遗迹组构,出现于海湾(潟湖)及潮坪沉积环境;类型B:大型Zoophycos-Planolites遗迹组构,发育在海平面至正常天气浪基面附近区域的浅海上部沉积环境或水体浅且较平静的局限碳酸盐岩台地环境;类型C:中型Zoophycos-Teichichnus遗迹组构,主要产生在正常天气浪基面之下、风暴浪基面之上的浅海中部沉积环境;类型D:小型Zoophycos-Chondrites遗迹组构,形成于风暴浪基面之下、水体较深且贫氧的浅海下部沉积环境。这一成果可以为精细研究本区太原组的沉积环境变迁史提供重要的生物学信息,也可为煤与煤层气的生成环境提供生物学记录方面的科学依据。     

Waves off Puducherry, Bay of Bengal, during cyclone THANE

We studied the wave characteristics during the very severe cyclonic storm THANE which crossed the east coast of India between Puducherry and Cuddalore based on waves measured at a location in Bay of Bengal at 14 m water depth. Objective of the paper is to document the highest wave height measured in the nearshore waters of east coast of India. On 29 December 2011, cyclone passed within 77–315 km of the wave measurement location with maximum wind speed of 46.3 m/s (90 knots) and resulted in maximum wave height of 8.1 m. Maximum wave height recorded is 0.54 times the water depth, and the ratio of crest height to wave height of the highest wave recorded is 0.65. Maximum value of significant wave height estimated using the parametric wave model for deep-water conditions is 6.4 m, whereas the measured value is 6 m indicating that parametric wave model estimates the wave height reasonably well (within 8 % error) during the cyclone period.