碎屑流堆积物粒度分布与运动特性的关系——以贵州纳雍普洒村崩塌为例

对碎屑流堆积物的研究能反应碎屑流动能的变化。文章在普洒村崩塌现场调查的基础上结合崩塌堆积体高分辨率数字地表模型（DSM）,对崩塌碎屑流部分粒径进行统计分析,再结合谢德格尔公式估算崩塌碎屑流运动速度,对碎屑流运动过程进行初步分析,得到如下结论:（1）统计堆积体沿主滑方向的13个连续矩形区（A1~A13区）表面块石粒径,总结其规律为:越远离崩塌源区,小粒径含量越多,大粒径含量越少。（2）堆积物粒径和碎屑流运动动能有关,速度越大,其携带块石的能力越大,反之,块石含量越少。（3）根据块石堆积的不同特点,将堆积区域划分为初始堆积区、集中堆积区、平稳堆积区以及堆积减弱区。     

滑源区粒序分布及颗粒粒径对碎屑流冲击作用的影响研究

滑体的运动速度、堆积形态、冲击力等因素决定了碎屑流的致灾程度。滑源区不同岩性特征和结构分布的差异导致了滑体粒序分布和颗粒粒径的差异。在运动过程中产生的碰撞、摩擦、跳跃,影响着滑坡碎屑流的致灾程度。在物理模型试验的基础上,运用三维离散元软件PFC3D,探究滑源区粒序分布及颗粒粒径对滑体运动速度、堆积形态、冲击力的影响。研究结果表明:碎屑流中各粒径颗粒的平均速度受颗粒粒径及滑源区初始粒序的共同影响,且初始粒序对各颗粒平均速度影响更大;在堆积形态方面,粒径大小对厚度方向上的粒序排布影响较大,而滑源区粒序分布对单种颗粒的堆积形态影响较大;在颗粒分选作用下,颗粒粒径成为控制峰值冲击力的主要因素,而滑源区粒序分布则通过决定滑体堆积形态控制了准静态堆积阶段碎屑流的冲击力。     

挡墙限制型散粒体斜坡堆积特征模型试验

散粒体斜坡是川藏铁路交通廊道常见的不良地质现象,对其堆积特征开展研究对散粒体斜坡表层溜滑防灾减灾具有重要的现实意义.针对挡墙限制型散粒体斜坡,通过室内物理模型试验,利用分形维度控制试验碎屑配比,模拟斜坡源区岩石风化碎屑产物持续补给,研究散粒体颗粒堆积发育成坡过程中自然坡角的变化、斜坡表面与内部的颗粒分布特征,以及颗粒在斜坡上的运移堆积特征.试验结果表明：挡墙限制型散粒体堆积成坡过程可分为挡墙后堆积阶段、斜板堆积阶段、斜坡增长阶段和成坡阶段;斜坡最大堆积坡角随着分形维度增大而减小;随着分形维度增加,斜坡表面粗糙程度降低;粗颗粒易堆积在斜坡下部,细颗粒更易堆积于斜坡上部;同一粒组颗粒,在分形维度越大的斜坡表面上运移距离越长;相同分形维度的散粒体斜坡上,粗颗粒相较细颗粒在斜坡上的运移距离更长;颗粒在斜坡上的运移方式有腾跃和滚动两种,大粒径颗粒在分形维度越小的斜坡表面的腾跃高度越高;反之,小粒径颗粒在分形维度越大的斜坡表面的腾跃高度越低.     

岩质滑坡−碎屑流的运动距离计算公式研究

滑坡?碎屑流的远程运动距离是碎屑流体所能够达到的最大堆积距离,是灾害预警和评估的重要指标。通过总结已有碎屑流运动距离研究成果,从岩体势能入手开展研究,并结合量纲分析,首先建立了运动距离与势能之间的基本方程。其后,采用4种颗粒材料开展岩质碎屑流滑槽试验,研究碎屑体体积V、滑移区坡度?、碎屑粒径d以及最大垂直运动距离H等对碎屑流运动距离L的影响,通过逐步拟合回归,建立了基于势能的岩质滑坡?碎屑流最大水平运动距离的计算公式。最后,采用汶川地震触发的38个岩质碎屑流以及17个其他典型岩质滑坡碎屑流数据对计算公式进行了验证,结果表明,考虑该运动距离计算公式具有较好的可靠性,能够为山区滑坡?碎屑流灾害预警工作提供理论指导。     

颗粒粒径对滑坡碎屑流动力特征及能量转化的影响——以四川省三溪村滑坡为例

滑坡碎屑流的能量演化机制涉及复杂的碰撞、摩擦和能量转化,对滑坡灾害的防治具有重要意义。以四川省三溪村滑坡为例,采用离散元法建模,研究了不同土颗粒粒径下滑坡的运动堆积特征、能量演化过程及其对建筑物的影响。结果表明,在不同粒径条件下,滑坡的堆积特征变化不大,但它们对能量转换和建筑物的冲击力有显著的影响。粒径越大,滑坡启动速度越快,峰值动能速度越高,碰撞耗散能量越大,摩擦耗散能量越少。粗粒土中颗粒间距越大,颗粒间的碰撞效应越明显,有利于能量传递,因此,对房屋的冲击力越大。因此,在模拟过程中不能忽视颗粒粒径对滑坡碎屑流动力学特征的影响。这些研究结果揭示了不同粒径土粒在滑坡运动过程中的能量演化机制,为能量演化对建筑冲击的影响提供了初步的认识,可为滑坡碎屑流的防治提供指导依据。     

滑坡-碎屑流的堆积特征及机理分析

滑坡-碎屑流是一种沿着斜坡表面作远程运动的岩石碎屑流动体。碎屑流体在远程运动过程中会出现粒径分选,并在堆积体中呈现出一定的层序特征。本文通过开展碎屑流滑槽试验,观测了碎屑流运动过程中的粒径分选过程,并重点研究了碎屑流堆积体的垂向和滑移方向层序,采用分层和分段筛分法,对不同粒径的颗粒含量进行了分析,揭示出碎屑流堆积体内部不仅在垂向上具有反粒序结构,还在滑移方向上具有双峰分布形态。这两种堆积特征在6.24茂县新磨村滑坡和8.28纳雍普洒村崩塌堆积体的块石分布规律中得到验证,它们是滑坡-碎屑流体运动过程中块石之间相互作用的宏观反映,是分析碎屑流远程运动机制的重要现场证据。通过室内滑槽试验和实例分析,得到以下结论:碎屑流运动过程中产生的弥散压力和振动筛分是导致碎屑流堆积体中形成垂向反粒序以及滑移方向双峰堆积形态的重要原因。其中振筛作用的动力来源为碎屑流滑移区的不规则起伏引起的碎屑体振荡,以及由粒径差异造成的动量不均衡碰撞。     

岩石碎屑流运移堆积过程数值模拟

岩石高速远程崩滑是一种特殊的、危害性很大的地质灾害,崩滑后期形成的高速岩石碎屑流具有很高的运移能力,破坏力极强。以岩石碎屑流为研究对象,重点模拟岩石碎屑流形成后,碎屑流的运移堆积过程和最大运移堆积距离。利用二维颗粒离散元数值模拟方法,建立碎屑流二维运动堆积模型,分析了岩石碎屑流初始高度、体积、加速斜面坡度、堆积底面摩擦系数以及堆积底面地表起伏程度对于岩石碎屑流最大运移堆积距离的影响。实验结果显示:岩石碎屑流运移堆积过程体现出了碎屑流物质的离散性和流动性; 碎屑流最大堆积距离随高度、体积、斜面坡度增大而增大; 随堆积底面摩擦系数、堆积底面地表起伏程度增大而减小。     

贵州省六盘水水城高位远程滑坡流态化运动过程分析

高位远程滑坡是中国西南山区常见的一类灾难性地质灾害,其发生往往伴随有碰撞解体效应,导致滑体碎裂化,转化为碎屑流或泥石流,具有流化运动堆积的特征。2019年7月23日发生于中国贵州省六盘水市水城县的鸡场镇滑坡是典型的高位远程流态化滑坡,滑坡前后缘高差430 m,水平运动距离1340 m,堆积体体积200×104 m3,导致21幢房屋被掩埋,51人遇难。基于野外详细调查和滑前滑后地形对比,采用DAN-W软件对水城滑坡的整个运动堆积过程进行了模拟,结果显示:水城滑坡在滑源区残留堆积体厚度最大为27 m,堆积区最大堆积厚度为15 m,滑坡碎屑流前缘最大运动速度为27 m/s,最大动能为6.57×106 J;滑坡高位剪出,由于势能转化为动能,滑坡快速达到速度峰值,并铲刮地表松散土层;由于强降雨,滑体高速运动使基底孔隙水来不及排出,导致基底摩擦力下降,降低能量损耗,滑体解体促进颗粒流化运动,减少了摩擦,也是滑坡远程运动的重要原因。      

考虑滑道坡度和宽度的滑坡模型试验研究

通过开展小尺寸的室内模型试验,研究了在不同滑道坡度和滑道宽度下,滑坡-碎屑流的运动和堆积特性。试验结果发现:斜坡坡度增大时,对于细颗粒堆积体,其冲程和平面覆盖面积均变大;对于粗颗粒堆积体,其冲程和平面覆盖面积均先变大后变小;两者的堆积宽度均减小、堆积厚度均增加。滑道宽度对滑坡运动影响显著,滑道宽度增加时,其冲程出现小幅度的增加,而平面覆盖面积和堆积宽度均出现较大幅度的增加,堆积厚度则变小;滑道出口宽度对滑体最终堆积范围影响显著,而滑道入口宽度的影响则相对较小。试验研究成果为滑坡-碎屑流堆积范围及堆积形态影响因素的探究提供了一定的理论参考价值。     

甘肃黑方台“10·5”黄土滑坡启动及运动特征分析

数十年的塬上大面积灌溉导致甘肃黑方台地下水位不断提升,迄今为止已有约200余起黄土滑坡发生,造成了大量伤亡,给当地居民生活和财产安全带来了巨大的影响。针对黑方台黄土滑坡启动迅速、运动速度快、影响范围广的特征,文中以2019年10月5日发生在黑方台党川村附近的一起黄土滑坡为研究对象,通过野外调研和无人机手段,获取该滑坡的发育特征和地形数据。基于Massflow软件再现了该滑坡运动全过程,最终得到堆积厚度及运动速度2个方面特征,得出以下结论:（1）“10·5”黄土滑坡体积约2.7×104 m3,最大滑距355 m,属于小型黄土滑坡;（2）模拟结果显示,滑坡运动持续时间约45 s,最大运动速度为26 m/s,反演结果与实际情况较吻合。运动过程可分为启动加速阶段、稳定加速阶段、减速堆积阶段三个阶段;（3）对滑坡堆积厚度进行分析发现,该滑坡在主滑方向上平均厚度约0.59 m,最大堆积厚度为1.35 m,沿滑坡运动方向,堆积厚度呈现先增大后减小的趋势,堆积区最大堆积厚度为0.82 m。该研究成果可为黑方台黄土滑坡风险防控提供一定的技术支持。     

Numerical modeling of debris avalanche propagation from collapse of volcanic edifices

Debris avalanches produced from the collapse of volcanic edifices are destructive events that involve volumes up to two orders of magnitude larger (cubic kilometer) than most non-volcanic rock and debris avalanches. We replicate the motion and spreading of several volcanic collapses by means of a depth-averaged quasi-3D numerical code. The model assumes a frictional internal rheology and a variable basal rheology (i.e frictional, Voellmy and plastic). We back analyzed seven case-studies against observations reported in the literature to provide a set of calibrated cases. The ASTER and SRTM satellite-derived digital elevation models were used as topographic data. The numerical model captures the main features of the propagation process, including travel distance, lateral spreading and run up. At varying triggering factors and material characteristics the best fitting parameters span in a narrow interval and differ from those typical of non-volcanic rock and debris avalanches. The bulk basal friction angles (the sole parameter required in the frictional rheology) range within 3° and 7.5° whereas typical values for non-volcanic debris avalanches vary from 11° to 31°. The consistency of the back analyzed parameters is encouraging for a possible use of the model in the perspective of hazard mapping. The reconstruction of the pre-event topography is critical, and it is associated to large uncertainty. The quality of the terrain data, more than the resolution of the DEMs used, is relevant for the modeling. Resampling the original square grid to larger cell sizes determines a low increase in the back analyzed rheological parameters, as a result of the lower roughness of the terrain.     

基于物理模型试验的碎屑流流态化运动特征分析

流态化运动是高速远程滑坡的主要运动形式,是揭示高速远程滑坡运动机理的重要基础。基于粒子图像测速（PIV）分析方法,采用物理模型试验对不同粒径组成条件下的颗粒流内部的速度分布、剪切变形及流态特征进行了研究,并对高速远程滑坡流态化运动特征进行了讨论分析。结果表明:碎屑流流态化运动特征与颗粒粒径呈显著的相关性,随着粒径的减小或细颗粒含量的增加,颗粒流底部相对于边界的滑动速度以及整体的运动速度均呈逐渐减小的趋势,颗粒流内部剪切变形程度增加,颗粒的运动形式由“滑动”向“流动”转变;当颗粒粒径较小或细颗粒含量较高时,颗粒流内部剪切速率增大的趋势在颗粒流底部更加显著,反映了粒径减小有助于促进颗粒流内部剪切向底部的集中;在同一颗粒流的不同运动阶段及不同纵向深度,其流态特征具有显著差别,颗粒流前缘及尾部主要呈惯性态,颗粒间以碰撞作用为主,而主体部分则主要呈密集态,颗粒间以摩擦接触作用为主;在颗粒流表面及底部,颗粒间相互作用方式主要是碰撞作用,中间部分则以摩擦作用为主;对于不同粒径的颗粒流,随着粒径的增大或粗颗粒含量的增加,颗粒流内部颗粒的碰撞作用加强,颗粒流整体趋于向惯性态转变。     

Inception of debris avalanches: remarks on geomechanical modelling

Debris avalanches are complex phenomena due to the variety of mechanisms that control the failure stage and the avalanche formation. Regarding these issues, in the literature, either field evidence or qualitative interpretations can be found while few experimental laboratory tests and rare examples of geomechanical modelling are available for technical and/or scientific purposes. As a contribution to the topic, the paper firstly highlights as the problem can be analysed referring to a unique mathematical framework from which different modelling approaches can be derived based on limit equilibrium method (LEM), finite element method (FEM), or smooth particle hydrodynamics (SPH). Potentialities and limitations of these approaches are then tested for a large study area where huge debris avalanches affected shallow deposits of pyroclastic soils (Sarno-Quindici, Southern Italy). The numerical results show that LEM as well as uncoupled and coupled stress–strain FEM analyses are able to individuate the major triggering mechanisms. On the other hand, coupled SPH analyses outline the relevance of erosion phenomena, which can modify the kinematic features of debris avalanches in their source areas, i.e. velocity, propagation patterns and later spreading of the unstable mass. As a whole, the obtained results encourage the application of the introduced approaches to further analyse real cases in order to enhance the current capability to forecast the inception of these dangerous phenomena.     

基于室内模型试验的滑坡碎屑流堆积分布规律研究

本文利用室内物理模型试验,模拟了特定条件下滑坡碎屑流的滑动和堆积过程。获取了滑坡碎屑流堆积物的位置分布,并对其规律进行了分析,且在此基础之上对滑坡碎屑流运动机制进行了简单的分析。结果表明:碎屑流颗粒在滑坡发生后的最终位置分布兼具随机性和规律性;关于坡面中轴对称分布的碎屑流颗粒在滑坡后依然对称分布;堆积体中沿滑坡方向连续分布的颗粒在滑坡结束后最终位置分布在一定程度上并不连续;颗粒滑后位置分布受其滑前在颗粒整体中所处的位置影响较大;在沿坡面下滑过程中,碎屑流颗粒堆积体会发生内部的整体滚动。研究结果为滑坡-碎屑流运动机制的理论研究和复原滑坡初始状态提供了可靠的数据参考。     

Qualitative Analysis of Rock Avalanches Propagation by Means of Physical Modelling of Non-Constrained Gravel Flows

Summary This paper presents an experimental study of rock avalanches run-out and propagation carried out with a small-scale physical model at the EPFL Rock Mechanics Laboratory. Fall height, volume, releasing geometry and materials used for testing have been varied and their influence on deposit characteristics (such as length, width, height and morphology) and run-out has been studied. The experiments have shown that deposit morphology is dependent on the type of material used: sand or gravel. Sand deposit shape, regular and compact, is in accordance with many tests described in the literature, while Aquarium gravel deposit is closer to real cases such as the Six des Eaux Froides event (Switzerland). There is also a considerable difference in deposit morphology and dimensions when the event is the consequence of one large volume released at once or when the same volume is released at different times. In this latter case the final deposit characteristics do not depend on the entire failed volume but on the individual smaller ones. This behaviour is in agreement with the Randa event (Swiss Alps) which occurred over several hours. For all-in-once releases, run-out distance depends primarily on the volume. Fall height and releasing geometry have a small influence on run-out, but on the other hand a higher fall height leads to a different lateral spreading and to the development of two different propagation mechanisms of the sliding mass. Author’s address: Irene Manzella, Rock Mechanics Laboratory, Swiss Federal Institute of Technology, Lausanne, Switzerland     

冰屑对冰-岩碎屑流运动特性影响作用的初步分析

冰-岩碎屑流是一种发育在高寒山区、含固态水的特殊碎屑流,具有超强的运动性。冰屑对提高冰-岩碎屑流运动性至关重要,但对其认识仍较为不足。通过对2000年易贡滑坡的灾史资料分析和野外调查,指出易贡滑坡启动时携带冰川冰体、运动时铲刮含冰碎屑物,而且具有规模大、冲出距离远的运动特性,是典型的冰-岩碎屑流。进而引入斜槽实验模拟岩土体上覆冰川冰体失稳下滑的过程,验证调查发现的堆积体前端坑洞群问题,探讨冰-岩碎屑材料冲出距离与含冰量、冰屑岩屑粒径比的关系。研究发现,冰屑可能包裹在碎屑流前端并全程参与碎屑流运动,在停积后由于融化而在堆积体上形成坑洞。被包裹的冰屑能够提高冰-岩碎屑材料的冲出距离,但含冰量较大时冰屑可能由于黏结成团、不易进入碎屑流内部而导致冲出距离变小。由此归结得到,冰屑提高碎屑流冲出距离的一个重要前提为冰屑进入碎屑流内部,当冰屑与岩屑的粒径比越小时冰屑越容易进入。这项研究工作为认识冰屑影响提供了坑洞调查法和斜槽实验法,研究成果有助于更为深入地认识冰-岩碎屑流运动特性的冰屑影响机理,为预防冰-岩碎屑流的远程致灾提供科学依据。     

Rock slope response to strong earthquake shaking

The 2010–2011 Canterbury earthquakes triggered many mass movements in the Port Hills including rockfalls, debris avalanches, slides and slumps, and associated cliff-top cracking. The most abundant mass movements with the highest risk to people and buildings were rockfalls and debris avalanches sourced from up to 100 m high cliffs inclined at angles >65°. Cliffs lower than 10 m in height generally remained stable during the strong shaking, with only isolated release of a few individual boulders. We used site-specific data to investigate the factors that controlled the response of the cliffs to the main earthquakes of the Canterbury sequence, adopting two-dimensional finite element seismic site response and stability modeling that was calibrated using the field observations and measurements. Observations from the assessed cliffs in response to the earthquakes show the taller cliffs experienced larger amounts of permanent cliff-top displacement and produced larger volumes of debris than the smaller cliffs. Results indicated a mean K_MAX amplification ratio for all sites under study of 1.6 (range of 1.1–3.8). Field data and numerical modeling results, however, show that amplification of shaking does not necessarily increase linearly with increasing cliff height. Instead, our results show that accelerations are amplified mainly due to the impedance contrasts between the geological materials, corresponding to where strong differences in rock mass shear wave velocity exist. The resulting acceleration contrasts and rock mass strength control cliff stability. However, the amount of permanent slope displacement and volume of debris leaving the cliffs varied between the sites, due to site-specific geometry and rock mass strength.     

高速远程滑坡运动堆积过程中的能量传递机制

高速远程滑坡往往引发灾难性事故,开展运动堆积过程定量研究,对于探究滑坡发生机理及预测致灾范围具有重要意义.基于室内物理模型试验,通过PIV技术分析高速摄像机在试验过程中拍摄的照片,获取了运动过程中滑体颗粒的水平速度、竖直速度与位移等运动参数.从滑体颗粒群和不同位置处单体颗粒角度,分析高速远程滑坡的运动演化规律.结果显示:（1）滑体颗粒前端出现高速区,该高速区随着滑坡停止具有一定的保持性.颗粒间存在明显的碰撞现象;（2）从不同位置单体颗粒来看,前部颗粒位移量最大,速度波动频繁,碰撞频次最高,能量多次补充;中部颗粒位移量其次,速度有波动过程,但不及前部频繁;后部颗粒位移量最小,速度基本呈递降趋势,能量逐渐减小.结合重庆鸡尾山滑坡以及Black Rapids Glacier滑坡实例分析,揭示了高速远程滑坡运动堆积过程中滑体颗粒间存在碰撞及能量传递现象,从而进一步探究高速远程滑坡形成机制,在监测预防、灾害治理等方面具有现实指导意义.