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。     

基底侵蚀对高速流动性滑坡运动性影响的模拟分析

高速流动性滑坡运动距离远,破坏性强。这类滑坡在运动过程中常裹挟大量的松散物质,导致滑坡的体积和致灾范围增大,该现象被称为基底侵蚀效应。以往的研究指出基底侵蚀效应对这类滑坡的运动性有显著的影响,但却很少有研究考虑其对滑体性质的影响,以及如何对其进行量化。因此,本文基于动量守恒原理建立了考虑基底侵蚀效应的滑坡运动模型,利用有限差分法求解,并依据滑坡的侵蚀深度来计算侵蚀导致的滑坡性质变化。利用改进的模型对陕西泾河南岸的西庙店滑坡进行模拟分析。结果表明,滑坡运动可分为启动加速阶段（0~5 s）和运动减速阶段（5~14 s）。在启动加速阶段,基底侵蚀程度低,对滑体运动的影响较弱。而在运动减速阶段,基底侵蚀效应降低了滑带土强度,对该滑坡的运动产生了明显的促进作用,致使其发生远程运动。此外,对比考虑和不考虑基底侵蚀两种工况的模拟结果还发现,考虑这种影响时,模拟所得的运动范围及地形与实测吻合良好,而未考虑时模拟所得运动范围明显偏小。因此,本文的模型可对这类滑坡的运动过程进行更为有效的模拟。     

高速远程滑坡-碎屑流超前冲击气浪分析

为定量模拟文家沟高速远程滑坡-碎屑流运动过程中所产生的超前冲击气浪的分布和变化规律,采用计算流体力学软件FLUENT,通过用户自定义接口在滑坡运动的不同阶段分别引入Friction和Voellmy流变模型定义滑坡-碎屑流所受的运动阻力,反演了文家沟高速远程滑坡-碎屑流运动的全过程并与滑坡实际运动特征对比的同时,模拟了其超前冲击气浪的速度和相对压力分布,并对其产生机理进行了分析。结果表明:(1)文家沟滑坡-碎屑流共经历约210 s,碎屑流引起的超前冲击气浪主要分布于其前方、上方和两侧,最大速度约35 m/s,最大相对压强约2.2 k Pa;(2)气浪相对压力峰值出现于近地面处并随高度增加迅速减小,当离地面高度超过600 m时趋近于0;(3)地形起伏对于超前冲击气浪相对压力分布有明显影响;当滑体前方出现陡立壁面时,气浪压力陡升。     

顺层岩质滑坡运动过程数值模拟研究

顺层岩质滑坡相对难以治理,分析其运动过程对此类滑坡的风险评价和减缓至关重要。为了研究滑坡过程的运动参数,引入滑坡运动及涌浪过程模拟的新方法——Tsunami Squares法,该方法具有计算量小,可仿真复杂地形及适用多种灾害的特点。在滑坡物理模型实验的基础上,通过该数值模拟方法对顺层岩质滑坡运动过程的实验结果进行反演,讨论了不同地质参数(滑坡坡度、地面粗糙度和滑体岩性)组合下,滑坡过程厚度、速度和动量等运动参数的基本规律。结果表明:(1)顺层岩质滑坡在地形变化部位,整体滑动结束,开始发生扩容和解体;(2)在整体滑动阶段,其运动参数主要受基底摩擦系数控制,对其他地质参数不敏感;(3)滑坡解体后,运动参数因地质参数不同而改变,其对地形最敏感,但对滑体材料强度不敏感;(4)滑动速度和距离主要受地形和滑面粗糙度的影响,考虑侧向扩容的影响范围和堆积厚度则主要受地形和滑体材料影响。     

PFC滑坡模拟二、三维建模方法研究

滑坡运动过程模拟避免了试验尺度与监测手段的限制,可以详细观察破坏过程,是定量评估滑坡灾变风险的重要研究手段。开展滑坡运动过程模拟的首要工作是建立滑坡模型。颗粒流程序（PFC) 虽然是滑坡运动过程模拟应用最广泛的程序之一,但在建立滑坡模型的前处理方面较弱,使得其在滑坡运动过程模拟中的推广应用受到限制。对此,本文指出了Ball-Ball和Ball-Wall两种建模方法的适用性、优缺点及滑体滑床边界确定方法,并以2014年地震触发的红石岩滑坡为例,以Brick填充法为基础,从获取地形数据、确定滑体和滑床区域、建立滑体和滑床几何模型、生成颗粒模型4个步骤出发,提出了基于数字等高线地形图建立PFC二、三维复杂滑坡模型的前处理方法,弥补了PFC软件前处理的不足,从而为今后基于PFC的滑坡运动过程模拟提供有益的帮助。     

基于DEM模拟的破碎对黄土滑坡动力学特征影响研究

为研究滑体破碎对黄土滑坡动力学过程的影响,基于PFC^2D建立了一种考虑到黄土特殊结构的可破碎离散元滑坡模型,通过改变细观强度参数生成不同强度滑体,模拟不同破碎率下的滑坡发生过程,分析了破碎对滑坡速度、流动性和堆积特征等方面的影响,再现了党川8^#滑坡从启动到停止全过程。结果表明：(1)滑体峰值速度与破碎率呈负相关,具体表现为：滑体最大运动速度随破碎率的增大呈幂函数减小。(2)破碎对滑坡流动性的促进作用可能存在某阈值点,使得当破碎率小于该值时,有效摩擦系数随破碎率的增大不显著降低,反之则迅速减小。(3)随着破碎程度的增加,滑坡堆积厚度减小,水平分布范围越广,分选降低,孔隙的分布趋于均一化,且最大堆积厚度的位置多位于地形低洼处。(4)党川8^#滑坡从失稳到停止运动总历时28 s,局部最大速度约17 m·s^-1,最远滑动距离约195 m,破碎率达到19%。揭示了破碎对黄土滑坡动力学过程的影响,对黄土滑坡动力学研究具有一定参考价值。     

文家沟抛射型高速滑坡全程运动机理研究

5·12汶川大地震期间,绵竹市清平乡文家沟发生了大型高速滑坡。本文在系统分析文家沟滑坡区的地质条件和滑体运动特征的基础上,提出了文家沟滑坡是受地震力和滑坡地面震动力共同作用的失稳启动模式,并将滑坡全程运动划分为启程震动抛射、飞行铲刮、撞击转向堆积和停积4个阶段。分析和计算表明:文家沟滑坡体在失稳启程阶段所受的地震力和滑坡地面震动力的合力方向大致为285°,这与滑体启程抛射的运动方向基本一致;同时,计算得出滑坡体在4个阶段的运动速度分别为115.64 m·s-1、69.38 m·s-1、41.6 m·s-1和20.8 m·s-1,对应的运动时间为11.8 s、8.6 s、24.0 s、48.1 s。据此得出,文家沟滑坡全程运动的持续时间约为92.5 s,这与当地幸存者估计的1分多钟的运动时间比较接近。研究表明,文家沟滑坡的启程抛射和高速飞行的运动特征,可以将滑体的高位势能充分转化成动能,是促使滑体高速运动的关键。     

高速远程滑坡飞行数值分析

许多大型高速远程滑坡在近程活动阶段呈现凌空飞行运动,其飞行过程必须考虑空气动力学效应和地面效应,但是直接求解高速滑体凌空飞行运动的偏微分方程是困难的。因此,以往的研究只给出了定性分析或粗略的计算结果。本文将以头寨沟滑坡为例,使用数值模拟方法研究高速滑体凌空飞行的运动规律。结果表明,高速滑体凌空飞行时空气动力效应更多地表现为对滑体的抬升作用;高速滑体因空气动力效应的影响而产生不断增大的水平推力和竖向抬升力,使得水平加速度不断增大,竖向加速度不断减小,导致滑体的水平速度不断增大,而竖向速度则趋于稳定值,当水平速度远超过竖向速度时,滑体的飞行姿态将接近于平行于地面。因此,与不考虑空气动力学效应的情况相比,高速滑体凌空飞行时间更长,飞行距离更远,更加符合滑坡的实际情况。     

老鹰岩滑坡成因机制与运动特征研究

老鹰岩滑坡是汶川地震触发的大型岩质滑坡,滑坡纵长450 m,最大展宽430 m,体积约1 500×104m3。滑坡掩埋了一座中型水电站,造成20余人死亡,巨大的滑体堆积厚达100余米的滑坡坝,形成了汶川震区库容量仅次于唐家山的第二大堰塞湖。强震触发形成老鹰岩滑坡分为三个阶段,即:①后缘震动拉裂阶段。老鹰岩滑坡后缘为一突兀山脊,地形对地震动力放大效应明显,震动拉裂沿长大结构面形成了一个陡峭、粗糙,与重力作用下呈光滑、有一定弧形的后缘拉裂面迥异的边界。②摩擦阻力降低、滑体溃滑阶段。地震动力的持续作用,地震波不断在滑面处发生反射和折射,使得滑面处摩擦阻力迅速降低,进而岩体内"锁固段"剪断,滑体顺层面高速下滑。③滑体高速流动堆积阶段。规模巨大的滑体,冲入姜巴沟,并对沟两侧的山体产生强烈的铲刮,高速碎屑流受到黄洞子沟左侧山体强力阻挡后折返,并震动堆积形成堰塞湖。     

汶川地震引发高速远程滑坡运动机理数值模拟研究——以谢家店子滑坡为例

针对汶川地震引发的谢家店子滑坡,在现场调查分析的基础上,建立了二维离散元数值模拟模型,采用2D-Block软件对其进行了全过程的数值模拟研究,并通过对跟踪块体的深入分析,研究了相应地质体在不同阶段下的运动特征。模拟结果表明,谢家店子滑坡经历了剧动启程抛掷阶段、快速撞击飞行阶段、铲刮减速碎屑流阶段及堆积掩埋阶段。为了揭示地震引发高速滑坡的发生规律,分别研究了地震震级、斜坡地形和斜坡上岩块的尺寸对高速滑坡启动和运动过程的影响规律。地震震级对边坡的启动、变形、破坏和运动有很大的影响,地震震级越大,滑体启动的加速度和速度也就越大,从而易形成高速远程滑坡。斜坡体本身的地形地貌对滑体运动也有较大影响。在震级和岩石力学参数一定的条件下,斜坡上岩块的大小对其启动、变形和运动过程有一定影响,随着岩块的增大,滑体运动的每个阶段历时都在减小,但当岩体十分破碎时,滑体虽然能够运动,但是很难发生抛掷。将地震滑坡的启动机理概括为积累变形效应、振荡启程效应和振荡加速效应。     

新疆伊宁县克孜勒赛滑坡成灾机理和动力学特征

在对克孜勒赛滑坡野外地质调查的基础上,查明了该滑坡的诱发因素主要为冰雪融水和短时强降雨入渗。利用滑坡运动全过程演化方法,概化其孕灾模式:冻胀作用致使黄土节理裂隙扩大→山脊两面临空,后缘拉应力集中,加剧了节理裂隙受拉扩张程度→气温回升,融水入渗,滑体增重→短时强降雨触发滑坡失稳。在此基础上,通过滑坡动力学模型DNAW模拟,选取FVF模型对该滑坡的运动全过程进行模拟分析,得到滑坡的前后缘运动速度、滑体形态变化等运动特征要素。这些为西北地区类似的黄土滑坡的成灾机理及运动特征分析提供参考,进一步为防灾减灾工作提供理论支撑。     

散粒体滑坡涌浪运动特征与能量转化规律研究

滑坡涌浪灾害造成的伤亡和损失一般远超滑坡灾害本身,已引起广泛关注。针对该类灾害的预测评价一直是研究的难点,精细刻画滑坡涌浪运动特征和能量转化规律是解决问题的关键和前提。因此,以天然碎石模拟散粒体滑坡,建立缩尺的矩形水槽滑坡涌浪三维物理试验模型,研究滑坡体积、速度和水深对堆积体形态和涌浪特征的影响以及滑体与水体能量转化规律。研究结论包括：（1）滑体通过冲击、挤压和抬升水体形成涌浪的特征受滑体规模和形态影响显著;厚度大且速度快的滑体趋向产生非线性过渡波,厚度小且速度低的滑体一般产生非线性震荡波;（2）基于试验提出的体积效应和速度效应揭示了一定水深的涌浪规模与滑坡体积和速度呈正相关规律,水深效应则解释了一定波能的涌浪在波形和速度上的分布差异,结果表明浅水比深水工况涌浪高度平均高出67%、波速平均高出51.17%;(3)基于试验的数值反演总结了滑体势能与波能转化率为1.00%～3.07%,由于三维试验中滑体与水体在水平和环向的扩散造成更多能量耗散,相较二维试验转化率较低。通过探讨散粒体滑坡运动过程和首浪产生、传播及爬高特征,揭示滑体-水体能量转化基本规律,研究成果对滑坡涌浪防灾减灾工作具有一定...     

考虑滑床摩擦弱化的大光包滑坡运动机制DDA数值模拟研究

2008年汶川发生M_S8.0级地震,此次地震触发了大约20万处滑坡,其中大光包滑坡是汶川地震触发的最大规模的滑坡,其复杂的高速远程运动机理引起了国内外学者的广泛关注。本文结合热分解及动态结晶将地震中断层间摩擦弱化机制(闪速加热导致热分解及粉末润滑)运用于大光包滑坡高速远程运动的模拟。本文通过修改非连续变形分析(DDA)程序中强度参数的输入方式,以基于速度变化的强度参数取代原DDA程序中的常数强度参数,进而实现了摩擦系数随接触两侧相对速度变化的动态调整。运用修改后的DDA对大光包滑坡的运动过程进行模拟。模拟结果表明滑床摩擦弱化是导致大光包滑坡高速远程运动特征的重要原因,修改后的DDA由于考虑了滑床摩擦弱化能够更加合理地模拟滑坡的高速远程运动特征,本文模拟的大光包滑坡在地震作用下失稳后,由于滑床摩擦弱化,更多的能量转化为动能,高速滑体掠过黄洞子沟后,爬上对面的平梁子,最终由于平梁子的“急刹车”作用,滑体停止运动。与修改前DDA相比,修改后的DDA对大光包滑坡运动过程和最终堆积形态的模拟结果与已有文献记载和野外调查结果相吻合。这也间接证明了大光包滑坡滑动过程中由于白云岩间摩擦闪速加热导致热分解及粉末润滑造成的摩擦系数降低,可能是造成大光包滑坡高速远程运动的重要原因。     

深圳“12.20”渣土场远程流化滑坡动力过程分析

文章采用DAN3D数值方法对深圳人工堆填体滑坡运动过程进行了模拟研究,探讨了深圳“12.20”滑坡远程动力成灾过程。通过研究得到以下几点结论:（1）滑坡后破坏运动主要分为两个阶段:前一阶段为滑源区内运动,体现了高孔隙水压力下滑剪切;后一阶段为在流通区和堆积区内运动,体现了高饱和度滑体流动（涌动）剪切。（2）饱水渣土滑坡远程流化运动分析中,摩擦模型适合模拟孔隙水压力作用下的滑源区渣土体的失稳下滑运动过程;宾汉姆模型适合模拟非牛顿流体饱和渣土体的流化剪切过程;摩擦-宾汉姆组合模型更适用于该类型滑坡全过程的反演运动分析。（3）深圳滑坡后破坏运动速度变化主要经历了“启动-加速-持速-减速”的运动过程,高含水渣土的固-流转化致使滑坡远程运动,并造成巨大伤亡损失。（4）模拟结果显示:堆积区平均堆积厚度为11 m,堆积范围为0.4 km 2,最大运动速度为30 m/s,最大速度发生于距滑坡后缘620 m处,堆积范围、堆积厚度和运动速度同滑坡实际值基本一致。上述研究思路和方法对城市地质中渣土滑坡灾害的危险区划和渣土场科学选址评估具有一定借鉴意义。     

基于风洞试验的高速远程滑坡气垫效应再研究

为了研究抛射型高速远程滑体的运动规律,在低速风洞进行了滑体模型风洞试验。试验模拟了不同离地高度、运动速度、地形和气垫效应情况下,滑体凌空飞行的气动特性,测定了滑体飞行的空气动力学参数。试验结果表明:滑体运动速度的增大将导致升力系数减小,尤其是在飞行速度较小时;模型离地越近升力系数越大,地面效应越明显;沟谷地形的地面效应较平坦地形更为明显;在气垫效应和沟谷地形耦合作用下,升力系数显著增大且主要来自气垫效应。     

汶川地震诱发文家沟巨型滑坡-碎屑流基本特征及成因机制初步分析

2008年5月12日,汶川M8.0地震在四川省绵竹市清平乡文家沟内诱发一巨型滑坡。通过现场调查得知,滑坡前后缘高差455m,厚度20~30m,滑面为基岩层面,初始方量2.750×107m3。滑体在运动中转化为碎屑流。滑坡-碎屑流总的水平运动距离为4022m,垂直运动距离为1443m,遗留的堆积物体积达5×107m3。滑坡距映秀—北川断裂仅3.6km,位于其下盘,地震烈度达X I度。滑坡导致文家沟中48人遇害,并形成一条完整的地震次生地质灾害链。初步分析表明滑坡启动速度快,滑坡向碎屑流转化过程明显、地点明确。碎屑流运动过程复杂,伴有强烈的"气垫效应"和"前缘气浪冲击效应"。作者认为,文家沟滑坡的高启动速度是长持时强烈地震动作用的结果,与山体的猛烈碰撞是导致滑体解体并转化为碎屑流的原因。     

二维滑坡滑距预测

本文基于Kyoji Sassa滑坡运动模型的假设,即运动的滑坡满足牛顿流体运动方程,滑体内只存在侧压力,滑坡体积保持不变,能量损失只产生于滑面处的滑动摩擦,推导了二维滑坡运动模拟微分公式。将微分公式转化为差分公式,用Visual Basic语言编写出二维滑坡运动模拟程序。以陕西省延安市延炼原油山黄土滑坡为例,根据滑前地形,通过现场钻探揭示滑面,选择滑带土残剪试验测得的残余摩擦角作为视摩擦角,进行滑动模拟,结果与实际滑坡接近。最后以此滑动模型预测该滑坡南侧不稳定斜坡滑动的距离,对边坡滑动破坏后的危害范围做出预测。本文为滑坡滑距预测提供了一种简单、适用的方法。     

贵州都匀马达岭滑坡运动特征研究

在暴雨触发作用下,2006年5月18日贵州都匀马达岭发生滑坡,滑体随即形成的碎屑流,充填了坡下长达1km的沟谷。滑坡堆积物在空间上有明显的分区特征,由上至下可分为滑源区、滑体堆积区、碎屑流流通区、碎屑流堆积区四个区域进行研究。在对马达岭滑坡进行详细野外调查的基础上,从滑坡的地形条件、堆积情况及运动特征等方面探讨滑坡的发生机理及运动过程,结果表明:马达岭滑坡为一高速远程滑坡,滑坡迅速启动并在特殊的破坏模式和地形条件下,形成了"一快一慢"两种不同的运动方式,即大块岩体"坐着"下伏流体的缓慢运移以及碰撞、铲刮形成的碎屑物质的高速抛飞。     

硬土软岩滑坡近水平滑移的离心机模型试验研究

中国西北地区存在大量的新近纪硬土软岩滑坡灾害,为研究该类滑坡的变形特征,开展两组离心机模型试验模拟滑带劣化引起滑坡变形破坏的全过程,获取模型坡体土压及位移的实时变化曲线。研究表明,当软弱带强度降低时,硬土软岩滑坡的上部滑体呈块体状滑动,在快速运动滑动过程中,滑体呈现块状平移,不会彻底解体、液化;硬土软岩滑坡中前部出现水平应力集中,导致下伏滑带塑性流动变形,诱发其中前部上覆滑体的水平运动,并向滑坡后缘扩展,最终形成多级水平滑动。     

陕西泾河南岸大堡子高速远程黄土滑坡运动过程模拟

高速远程滑坡具有速度快、运程远的特点,一旦发生,人员逃离十分困难,往往造成严重灾难,因此对这类滑坡展开研究具有重要意义。对已发生滑坡运动过程进行参数反演和模拟可为潜在高速远程滑坡的预测提供借鉴。因此本文以陕西泾河南岸大堡子高速远程黄土滑坡为例,在野外调查测绘和室内试验的基础上,利用Sassa的滑坡运动模型对该滑坡运动过程进行模拟分析。结果表明,滑坡体最大平均速度为9.56m·s-1,具有高速运动特点,运动持时为24.5s,滑坡运动过程可分为启动加速阶段（0~5.7s）和运动减速阶段（5.7~24.5s）,加速阶段平均加速度为1.68m·s-2,减速阶段加速度为-0.51m·s-2,加速过程比减速快3倍左右。滑坡区高陡地形和黄土高结构强度为滑坡高速运动提供条件,开阔阶地地形以及阶地砂砾石层近饱和含水条件决定滑坡远程运动特点。