碎屑流动力过程的数值模拟

碎屑流是一种常见的地质灾害,往往对流通路径上的各种设施造成严重灾难,同时碎屑流还给泥石流提供物质来源,从而形成不良堆积坝堵塞河道或形成堰塞湖。本文建立了碎屑流动力过程的力学模型及其高分辨率数值算法,预测和评估碎屑流的铺展和堆积过程。应用该数值模型,首先计算了一维经典溃坝问题,计算结果和理论解符合较好。其次,初步分析了碎屑流和障碍物相互作用后的分流和堆积规律,并讨论了碎屑流灾害防治的可能方案。     

碎屑流沿坡面运动的数值模拟

根据Savage提出的碎屑流运动方程,分析了碎屑流沿坡面下滑过程中的运动特性,包括速度分布和高度分布的变化。重点考察了床面摩擦系数、土体内摩擦角、初始运动速度和坡角等因素对碎屑流运动形态的影响。研究表明,在不同的因素组合情况下,碎屑体的运动形态有明显的区别。土体内摩擦角和坡角对碎屑流的运动形态和最大运动距离影响明显。相对来说,床面摩擦角对碎屑流的最大运动距离影响不明显,这可能是因为床面摩擦只影响靠近床面的部分物质的运动     

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。     

贵州关岭县大寨崩滑碎屑流运动特征及成因机理探讨

本文在国内学者对大寨崩滑碎屑流成因机理和运动特征研究的基础上,通过大寨崩滑碎屑流的地质环境背景、堆积体分布特征分析,对其运动特征和成因机理进行了探讨。研究认为:地下水水头对崩滑体失稳破坏起着主要作用,变形破坏过程为岩体松弛—软化—动水压力—崩滑,碎屑流表现为能量转化和冲击液化,运动过程可划为"启动加速—惯性力作用减速—加速—减速停滞"四个阶段。     

滑坡-碎屑流物理模型试验及运动机制探讨

滑坡-碎屑流由于高速、远程的特点常常引发灾难性事故,其复杂的运动机制导致预测致灾范围非常困难。通过开展室内模型试验,研究了碎屑粒径、滑床糙率和挑坎对运动特性的影响。试验结果发现,滑坡碎屑运动距离受控于前端碎屑,且随着碎屑的粒径增大而增加,增加滑床糙率、挑坎均可使碎屑的运动距离减小。在前人研究成果的基础上结合碎屑材料的力学特性探讨了滑坡-碎屑流出现流态化的原因和高速远程机制,即高速运动中颗粒间的作用力远小于完整岩体,因此颗粒间的“黏聚力”不能维持滑坡体的整体性,同时致使滑坡体与滑床接触的过程中传递至滑坡体内部的摩阻力减少,从而导致碎屑滑坡的远程结果。     

碎屑流冲击下桩梁组合结构拦挡效果及受力特征研究

以高位泥石流、碎屑流区桩梁组合新型拦挡结构为研究对象, 在总结已有桩梁组合结构的基础上, 运用颗粒流分析仿真程序、通用显示动力分析程序分别对碎屑流冲击下单排、多排桩林及桩梁组合结构拦挡效果、不同位置桩梁组合结构拦挡效果对比模拟以及桩梁组合结构受力特征模拟研究, 探讨了拦挡结构阻挡后碎屑流堆积特征和结构应力传递特征。计算结果表明: 碎屑流中较大粒径颗粒与拦挡结构、两侧沟道边界接触形成的桩-巨石力链拦挡效应可有效阻挡、迟滞后续碎屑流运动, 桩梁组合结构桩-巨石力链拦挡效应最佳; 第一排桩和第二排桩之间改流区进一步抑制了碎屑流速度; 桩梁组合结构在设计布置位置时, 一方面要考虑在碎屑流启动、势动转换过程中尽早抑制碎屑流速度, 另一方面仍需重视库容的设计, 谨防跃顶造成部分碎屑流逃逸, 在上述二者之间选择最优解进行位置布置; 碎屑流巨石冲击桩梁组合结构时, 冲击应力将通过连梁分散传递到后排桩, 连系梁两端连接部分的应力几乎达到屈服强度, 需加强配筋。     

滑坡碎屑流冲击拦挡结构的离散元模拟

拦挡结构可以有效减小滑坡致灾范围、减弱致灾强度。文章以滑坡碎屑流为研究对象,通过对比模型试验和数值模拟结果,校正三维离散元模拟参数,进而研究不同坡脚角度和挡板高度对冲击力、最大水平运动距离的影响。研究结果表明:三个坡脚角度碎屑流冲击力的变化过程存在明显区别,坡脚角度为35°和45°时,冲击力时程曲线经历了两个显著的变化阶段:线性增大、线性减小。而坡脚角度为55°时,碎屑流冲击力时程曲线出现三个变化阶段:线性增加、恒力阶段、线性减小。挡板高度越高,恒力阶段的持续时间越短,冲击力线性减小阶段时间越长。小颗粒（2.5~10 mm）对挡板的冲击效应显著;中等颗粒（10~25 mm）随着挡板高度的增加,对挡板的冲击效应逐渐增大;而大颗粒（25~60 mm）作用在挡板上的冲击效应出现突变,与其他两种颗粒对比,整个运动过程冲击效应不显著。碎屑流的运程随着挡板高度的增加逐渐减小。对比三个坡脚角度下挡板的拦挡效果,坡脚角度α≤45°时,拦挡效果显著。     

滑坡-碎屑流冲击导引结构的离散元模拟

滑坡碎屑流对拦挡结构的直接冲击常产生较高的峰值冲击力和冲击能量,导致结构发生破坏而失效;而导引结构通过改变碎屑流的运动路径,可减缓其冲击效应,提高结构抗冲击能力。文章运用三维离散元模拟软件,结合室内休止角试验的结果,校准数值模拟参数,以三种不同导引结构(凹型圆弧、直线型、凸型圆弧)为变量进行数值模拟分析。研究结果表明:凹型圆弧结构B1可以有效地将碎屑流颗粒的冲击力进行转化,结构所受的法向力最小,切向力最大,对颗粒的导引作用最大。经过三种不同导引结构后,颗粒与滑槽之间的碰撞和摩擦是导致颗粒动能减小的主要原因;而三种不同导引结构对颗粒动能的耗散效果无显著差异。导引结构的作用对于颗粒堆积体积分布有显著的影响,主要影响区是靠近坡脚处,对导引结构之后的堆积区域的颗粒体积分布影响不显著。通过对冲击效应和堆积特性的研究,得到凹型圆弧结构形式最优,可以为碎屑流的防护工程抗冲击设计提供参考。     

沟道型滑坡-碎屑流运动距离经验预测模型研究

沟道型滑坡-碎屑流具有隐蔽性强、危险性高、力学机理复杂的特点,研究其运动距离预测模型具有重要的理论意义和实践意义。本文基于遥感GIS技术,结合野外调查,获取了汶川地震触发的38个沟道型滑坡-碎屑流的基础数据。通过相关性分析确定沟道型滑坡-碎屑流最大水平运动距离L的影响因素从大到小依次是滑坡体积V、最大垂直运动距离H、滑源区高差Hs、沟道段坡度β。采用逐步回归方法建立了滑坡-碎屑流最大水平运动距离L的最优多元回归模型,检验结果表明模型具有较高精度。将最优多元回归模型与国际上应用较多的滑坡运动距离和泥石流运动距离预测模型进行对比,表明考虑滑坡体积、地形落差和沟道段坡度的运动距离预测指标体系,具有最高的拟合优度和较好的物理含义,可为沟谷山区滑坡-碎屑流危险性评价提供参考依据。     

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。     

碎屑流沿坡面运动的初步分析

本文分析了碎屑流沿坡面下滑过程中的运动特性,重点考察了床面摩擦系数、土体内摩擦角和坡角对碎屑流堆积形态的影响.     

西藏易贡滑坡物质运动全过程数值模拟研究

2000年4月9日20时05分，西藏波密县易贡乡发生的大型山体崩滑，造成极大危害。在野外调查基础上，运用离散单元法模拟该崩滑体破坏、运动的全过程，此次灾害为扎木弄沟源头的山体崩塌，振动引起沟内崩坡积物发生沙土液化而随崩塌体一起运动，形成高速碎屑流的破坏运动机制，与实际情况较为吻合。     

基于不同侵蚀模型的高速崩滑碎屑流动力过程模拟分析

为实现高速崩滑碎屑流沿程侵蚀动力过程的模拟分析,采用连续理论方法对NomashRiver碎屑流动力过程进行了数值模拟。其中,在连续理论模型中采用3种不同侵蚀速率模型,并采用HLLC近似Riemann解对有限体积数值离散控制体单元的界面通量进行了计算求解。致灾范围及运动时间的计算结果均与实际灾害情况吻合良好,验证了计算模拟的正确有效性,并对最终堆积深度、运动速度和侵蚀区域侵蚀深度进行了分析讨论。结果显示:采用McDougall侵蚀模型得到的最终堆积平均深度和最大深度与实测情况较为接近;每个时刻采用Medina侵蚀模型得到的最大速度值最大,其次是采用McDougall侵蚀模型的结果,最后是采用Pitman侵蚀模型的结果;采用McDougall侵蚀模型得到的侵蚀深度分布较为连续,其最大值8.1m与估测值8m比较接近,采用Medina侵蚀模型和Pitman侵蚀模型得到的侵蚀深度结果则较为分散,其最大值分别为10.9m和8.6m。     

盐水楔运动规律的研究述评

对国外通过室内试验、野外观测、理论分析和数值试验等手段,在盐水楔的产生、运动、宏观特征及内在机制等方面在近半个世纪以来所取得的主要研究成果进行归纳,形成一个比较完整的体系,并对其发展历史、当前水平及今后研究方向提出了笔者的见解。     

鸡尾山高速远程滑坡—碎屑流动力学特征分析

以武隆鸡尾山滑坡为例,通过灾害形成地质环境条件的调查,概述了鸡尾山滑坡失稳诱发因素,包括:上硬下软的地层结构、岩溶发育、高陡地形地貌条件和采矿活动等;介绍了鸡尾山斜倾厚层滑坡视向滑动的基本模式,为"后部块体驱动-前缘关键块体瞬时失稳"。在此基础上,根据鸡尾山滑坡的运动和堆积特征,将滑坡分为滑源区和堆积区,通过二维DAN-W模拟,选取Frctional、Voellmy等流变模型,模拟了滑坡运动的整个过程,得到滑坡堆积体的体积、厚度和滑坡运动速度的变化规律,与实际情况基本一致。并且为西南山区高速远程滑坡成灾范围及滑动堆积特征的模拟分析提供了相应的依据。     

黏性碎屑流坡面运动过程数值模拟与检验

由无黏粗颗粒与黏性泥浆组成的黏性碎屑流,其运动过程会产生不连续变形,基于连续介质假定的流体理论无法描述。根据散体材料理论,在考虑黏性泥浆影响情况下,以PFC3D为平台,编写黏性碎屑坡面运动数值模型试验程序,根据泥浆（成都黏土,密度1.413 g/cm3）室内拉伸试验和旋转剪切试验结果,设置数值模型参数,开展黏性碎屑流坡面运动数值模型试验,再现黏性碎屑坡面运动过程及运动过程中不连续变形现象,并通过同尺寸黏性碎屑坡面运动物理模型试验进行验证。结果表明：基于散体材料理论的PFC3D离散单元法能很好地再现黏性碎屑坡面运动过程及运动过程中不连续变形现象,为深入分析黏性泥浆介质影响下黏性碎屑坡面运动过程提供新的途径。     

东河口高速远程滑坡-碎屑流全程动力特性模拟

高速远程滑坡-碎屑流具有速度快、滑程远、冲击破坏力强等特点,是一种危害性极大的地质灾害,往往会造成严重的生命财产损失。汶川地震后,国内学者对高速远程滑坡-碎屑流的研究取得了大量前瞻性成果,但由于此类滑坡自身的复杂性,目前为止尚未取得公认的研究成果。为了进一步揭示高速远程-碎屑流效应机理,本文以汶川地震触发的青川东河口滑坡-碎屑流为例,通过滑坡动力分析软件DAN-W分别建立了摩擦模型、Voellmy模型和F-V等3种不同的滑坡数值模型,对东河口滑坡-碎屑流的运动距离、不同时刻运动速度特性、堆积物分布规律及滑坡堆积体积进行了模拟,同时对滑坡运动时间进行了估算。模拟结果表明:根据高速远程滑坡-碎屑流不同运动阶段选择不同的流变模型分析的结果更加合理。摩擦流变模型对运动距离的模拟结果小于滑坡的实际滑程,适于模拟滑体整体性好的启程和近程运动阶段; Voellmy 流变模型对滑体的运动距离模拟效果很好,但对速度的分析结果偏大,适合模拟滑坡远程碎屑流运动阶段; F-V双流变模型对滑坡运动特性模拟效果最佳,并给出了选取东河口滑坡-碎屑流数值模型的最佳流变参数,摩擦角φ=18°,摩擦系数μ=0.1,湍流系数ξ=400m·s-2。     

茶隆隆巴曲山地灾害特征及冰崩碎屑流致灾风险研究

藏东南地区频发的山地灾害是川藏铁路规划建设需面临的重难点问题,川藏铁路以桥梁工程在沟口附近跨越了该地区的茶隆隆巴曲.为评价茶隆隆巴曲沟谷山地灾害对桥梁工程的影响,本文首先通过现场调查、高精度遥感解译、多光谱遥感地表位移监测、堆积物地质年代学分析、工程类比等综合技术方法,研究了茶隆隆巴曲沟谷内泥石流、冰崩、滑坡、崩塌等山...     

离散元在地震引发的滑坡—碎屑流运动规律上的应用

2008年5月12日14时28分,四川省汶川县发生8级特大地震。此次地震触发的高速远程滑坡—碎屑流主要沿龙门山主中央断裂地震破裂带展布。本文在现场调查分析的基础上,使用2D-block离散元软件对地震引发的谢家店子滑坡—碎屑流运动规律进行了全程数值模拟分析。通过现场调查和模拟结果对比分析,将该滑坡的运动规律概括为4个过程：剧动启程抛掷;快速撞击—气垫飞行;铲刮减速碎屑流;堆积掩埋。