冰碛土滑坡—泥石流—堰塞湖灾害链发展过程机理与模拟技术研究构想

中国青藏高原地区分布有丰富的冰碛土物源,其历史成因复杂、物质结构多变、力学性能差异大,在降雨和冰雪消融作用下常有滑坡失稳发生,冰碛土滑坡碎屑物进入沟道与水流掺混极易发生滑坡—泥石流—堰塞湖灾害链,是高原地区防灾减灾的重点和难点。近年来,川藏铁路工程及重大水电开发等面临冰碛土滑坡—泥石流—堰塞湖灾害链的巨大威胁,因此,提升防灾减灾救灾能力是国家重大需求。冰碛土滑坡—泥石流—堰塞湖是一个级联放大的链式灾害过程,涉及滑坡起动、运动性态转变、沿程侵蚀放大、多期堵江叠加、溃坝水沙耦合等复杂动力演化机制,尤其在复杂气象条件下,冰碛土滑坡—泥石流—堰塞湖的动力形成、溃决冲刷及洪水演进等方面存在机理不清、模型不准、模拟技术缺乏等问题,亟需开展冰碛土滑坡—泥石流—堰塞湖灾害链过程的复杂动力学机制、控制性理论模型及全过程数值模拟等研究工作。结合国内外冰碛土滑坡—泥石流—堰塞湖形成与溃决的相关研究现状,提出冰碛土滑坡—泥石流—堰塞湖灾害需要关注的几个重要研究方面：1）复杂气象条件下冰碛土力学性能演化;2）冰碛土滑坡—泥石流动力灾变过程与运移模型;3）冰碛土滑坡—泥石流—堰塞湖形成机理与仿真模拟;4）冰碛土堰塞坝冲刷溃决机理与流道拓展过程;5）下游河道水沙互馈作用机制与洪水演进模拟。同时,开展了大量前期探索和研究工作,初步揭示了冰碛土滑坡—泥石流运移与多期堵江机制,构建了考虑水流侵蚀与溃口边坡间歇性崩塌的堰塞坝溃决演化模型,并探讨了冰碛土—滑坡—泥石流—堰塞坝灾害链演化过程模拟方法。研究结果为进一步弄清冰碛土滑坡—泥石流—堰塞湖灾害链过程的复杂动力学机制,构建灾害链过程的控制性理论模型,开发全过程数值模拟系统奠定了基础,以期为冰碛土滑坡—泥石流—堰塞湖灾害链的成灾机理分析提供理论依据,并为非工程避险与应急处置决策提供技术支撑。     

金沙江沃达潜在滑坡诱发灾害链成灾过程数值模拟

在青藏高原及其周边山区,滑坡通常具有规模大、流动性强、危害严重等特点,并以灾害链的形式形成巨灾,灾害链通过时间和空间上的大幅延拓极大地增加灾害的危害性。针对滑坡-堰塞湖-溃决洪水灾害链成灾特点,根据其运动演进物理过程划分为三个阶段：滑坡运动阶段、滑坡堵江阶段、堰塞湖溃决阶段,分别研究各演进阶段物理机理、动力学模型与高效算法,各阶段之间通过数据链进行传递,进而实现滑坡-堰塞湖-溃决洪水运动演进全程计算模拟和预测。最后以金沙江沃达滑坡潜在灾害链为案例,实现了灾害链成灾全过程模拟与预测评价,研究成果对灾害链防灾减灾具有重要支撑作用。     

沟谷灾害链演化模式与风险防控对策（特约稿）

沟谷灾害链是近期才引起学界关注的灾害类型,也是川藏铁路交通廊道建设和运营中面临的巨大挑战。本研究提出了沟谷灾害链的定义及组成要素,通过分析大量已发生沟谷灾害链事件,总结了沟谷灾害链的特性与类型、归纳出常见沟谷灾害链的演化模式、探讨了影响沟谷灾害链的关键物理过程,提出了沟谷灾害链的风险评估及防控对策新思路,取得了以下结论：1）沟谷灾害链由潜在孕灾体、原生灾害、次生灾害（系列）和承灾体构成,具有时间相接、空间相连、因果关联、链式演进的典型特性;根据原生灾害类型可将沟谷灾害链分为滑坡灾害链、泥石流灾害链和冰湖灾害链3个大类和11个小类,这些演化模式可以通过三个关键过程（崩塌/滑坡-碎屑流/泥石流、滑坡/泥石流堵江-堰塞湖、堰塞湖/冰湖溃决）组合得到;2）沟谷灾害链的形成包含两种模式,一是原生灾害体的物理力学性质在运动中发生改变而形成次生灾害,二是原生灾害改变次生灾害体的形成条件进而诱发次生灾害;3) 沟谷灾害链的风险评估要同时关注原生灾害的起动机制和次生灾害的链生机制,要强化潜在灾害链物源的准确识别,加强对灾种转化过程的科学认识,量化灾种转化机制和临界条件,构建灾害链全过程数值模拟评估方法,开展未来情景下沟谷灾害链的演进过程和风险评估;4）沟谷灾害链的防控研究在目前仍处于起步阶段,应在提高对沟谷灾害链科学认识的基础上,建立完善的沟谷灾害链早期识别、监测预警、模拟评估、应急处置、工程治理、应急避险和风险管理综合治理体系。     

滑坡涌浪诱发冰湖溃决灾害链过程分析与模拟

近年来滑坡诱发冰湖溃决灾害链发生频率日趋增加,对下游居民及工程设施安全造成严重威胁。为定量描述滑坡诱发冰湖溃决灾害链危害,通过系统分析该灾害链的演化过程及阶段特征,将其划分为四个子阶段：滑坡运动、涌浪传播、冰湖溃决、洪水传播;分别研究各子阶段演化的物理机理及关键因子,建立了相应的数学模型与计算方法,如滑坡运动采用Savage-Hutter模型、涌浪及洪水传播采用浅水波方程等;通过确定各子阶段之间的衔接因子,如滑坡运动特征、涌浪传播特征、坝体溃决特征等,实现了各子阶段的过程耦合与数据传递,建立了滑坡-涌浪-冰湖溃决-洪水灾害链的全过程物理模型,最终完成了该灾害链的过程模拟与危险分析。为验证所建立模型与计算方法的可行性,以四川省甘孜藏族自治州雅拉乡木格措冰湖潜在灾害链为案例,结合现场勘查与卫星影像数据,开展不同情境如暴雨或上下游级联溃决等条件下灾害链的过程模拟与危险分析,且将模拟结果与经验公式计算数据进行对比。结果表明,本文所提方法可较好的完成滑坡诱发冰湖溃决灾害链过程模拟,模型模拟数据与经验公式计算数据较为吻合,且考虑暴雨或上下游级联溃决条件时下游洪水流量呈显著增加趋势。本文研究成果提供了一种新的滑坡诱发冰湖溃决灾害链研究思路,对该灾害链的防灾减灾技术具有重要支撑作用。     

堰塞体状态相关剪胀理论与坝体溃决演化规律研究构想（特约稿）

堰塞体一般在自然力作用下瞬间形成,堆积体具有空间结构复杂、坝料级配宽泛、稳定性差、易在水流冲刷下发生溃决等特点。堰塞体作为一种重大的水旱自然灾害,其安全评价和灾害预测是国内外学者关注的焦点,目前尚有很多问题需要解决,包括：（1）堆积体由天然宽级配土石料构成,表现出显著的状态相关性,缺乏正确描述这种宽级配堆石料的状态相关剪胀理论与本构模型;（2）堰塞体形成后,会受上游堰塞湖水位抬升、持续非稳定渗流、湖区滑坡涌浪、后期地震等外荷载作用的影响,缺乏稳定性评判的标准和方法;（3）堰塞体缺乏必要的洪水溢流设施,容易发生溃决,且溃决水流冲蚀过程呈明显的非线性特点,溃口水力要素指标呈强非恒定流特征,缺乏反映宽级配堰塞体材料冲蚀机理的溃决过程数学模型。为此,有必要采取现场勘查、多尺度物理模型试验、数值仿真等综合手段开展研究,揭示堰塞体外观形态、内部结构和材料宏观力学特性及其时空变异规律,提出状态相关（级配、孔隙比、应力水平）的宽级配堰塞体材料剪胀方程,建立能适应复杂应力路径的广义弹塑性本构模型与坝体极限平衡分析方法;开展大型水工模型试验和溃坝离心模型试验研究,揭示非恒定流作用下堰塞体材料的动态冲蚀特性与堰塞体溃口演化规律,建立非恒定流作用时溃口动边界条件下的挟砂水流冲蚀方程,提出考虑流固耦合的堰塞体溃决过程数学模型,实现堰塞体漫顶或渗透破坏溃坝全过程水流运动特征、坝料输移规律、溃口演化过程及结构失稳的数值模拟。综合可靠度理论与溃坝过程数值模拟方法,提出能考虑流固耦合的堰塞体渗流、变形、稳定和溃决过程的一体化数值仿真平台,构建堰塞体全生命周期安全评价与灾变模拟理论体系与方法,为提升我国堰塞体防灾减灾决策水平提供科学的理论与技术支撑。     

基于经验公式建立的滑坡泥石流坝溃口形式预测模型

为了预测滑坡泥石流坝溃决产生的洪峰流量和最大水深,本文的目标是建立滑坡泥石流坝在自然条件下首次溃决形式的经验公式模型,包括平均宽度bc和残留高Hd两个溃口形式的特征参数,从而为制订防灾减灾方案或应急预案提供科学依据。通过野外考察采集的数据以及溃决特征分析,选取影响滑坡泥石流坝溃口形式的主要因子,分别建立了坝高H、有效坝长B、堰塞湖库容W、坝体鞍部单宽体积V、内摩擦系数tan 以及上限粒径d90共6个因子与溃口形式（即溃口的平均宽度bc和残留高Hd）之间的经验关系公式。最后,将经验预测公式运用到实例进行检验,误差较小。     

湖水位壅高条件下堰塞体土料变形特性DEM–PFV耦合模拟研究

中国西南地区多为高山峡谷地貌,易发生滑坡堵江事件,形成堰塞湖。堰塞湖水位壅高过程中,堰塞体为常剪应力路径,即剪应力保持不变,孔隙水压力不断增大。但已有的研究主要集中于固结排水剪和固结不排水剪,与堰塞湖水位壅高过程中的实际应力路径有别,因此开展常剪应力路径下堰塞体材料的变形特性研究,是深入分析湖水位壅高过程中堰塞体动态响应的有效途径。鉴于此,本文以2018年10月11日白格堰塞湖为例,以堰塞体的实际高度、漫顶前的最高堰塞湖水位及湖水位壅高过程中的实际应力路径为基础,基于细观尺度的离散元（DEM）–孔隙有限体积法（PFV）流固耦合方法,从敏感性分析的角度出发,开展了不同围压、不同初始应力条件下堰塞体土料的常剪应力剪数值模拟试验,并从材料的应力应变关系（宏观）及内部接触力（微观）的分布规律等角度出发,揭示了湖水位壅高过程中堰塞体不同位置的变形响应及其微观力学机理。研究表明,湖水位壅高条件下堰塞体土料变形特性受到土料位置、强度和湖水位壅高程度的联合影响。处于堰塞体不同位置的土料,围压与初始应力比条件不同,并且在堰塞体漫顶之前所遭遇的最大孔隙水压力也不同,从而导致在堰塞湖水位壅高过程中,不同位置的堰塞体土料呈现出不同的变形特性,一般呈现由里及外变形逐渐增大的规律。在相同围压条件下,靠近堰塞体上游外缘的土料,初始应力比相对较高,且遭遇的最大孔隙水压力也相对较高,从而在堰塞湖水位壅高过程中其应力路径会穿越失稳线,导致颗粒之间的接触力减弱,从而产生较大的变形,且大变形区的厚度与范围受到初始应力比及最高湖水位的限制。堰塞体内部初始应力比相对外缘较少,在湖水位壅高过程中应力状态穿过失稳线的可能性降低,从而变形也相对较小。     

湖水位壅高条件下堰塞体土料变形特性DEM-PFV耦合模拟研究

我国西南地区多为高山峡谷地貌,易发生滑坡堵江事件,形成堰塞湖。堰塞湖水位壅高过程中,堰塞体为常剪应力路径,即剪应力保持不变,孔隙水压力不断增大。但已有的研究主要集中于固结排水剪和固结不排水剪,与堰塞湖水位壅高过程中的实际应力路径有别,因此开展常剪应力路径下堰塞体材料的变形特性研究,是深入分析湖水位壅高过程中堰塞体动态响应的有效途径。鉴于此,本文以2018年10月11日白格堰塞湖为例,以堰塞体的实际高度、漫顶前的最高堰塞湖水位及湖水位壅高过程中的实际应力路径为基础,基于细观尺度的离散元（DEM）—孔隙有限体积法（PFV）流固耦合方法,从敏感性分析的角度出发,开展了不同围压、不同初始应力条件下堰塞体土料的常剪应力剪数值模拟试验,并从材料的应力应变关系（宏观）及内部接触力（微观）的分布规律等角度出发,揭示了湖水位壅高过程中堰塞体不同位置的变形响应及其微观力学机理。研究表明,湖水位壅高条件下堰塞体土料变形特性受到土料位置、强度和湖水位壅高程度的联合影响。处于堰塞体不同位置的土料,围压与初始应力比条件不同,并且在堰塞体漫顶之前所遭遇的最大孔隙水压力也不同,从而导致在堰塞湖水位壅高过程中,不同位置的堰塞体土料呈现出不同的变形特性,一般呈现由里及外变形逐渐增大的规律。在相同围压条件下,靠近堰塞体上游外缘的土料,初始应力比相对较高,且遭遇的最大孔隙水压力也相对较高,从而在堰塞湖水位壅高过程中其应力路径会穿越失稳线,导致颗粒之间的接触力减弱,从而产生较大的变形,且大变形区的厚度与范围受到初始应力比及最高湖水位的限制。堰塞体内部初始应力比相对外缘较少,在湖水位壅高过程中应力状态穿过失稳线的可能性降低,从而变形也相对较小。     

Draining Tangjiashan Barrier Lake after Wenchuan Earthquake and the flood propagation after the dam break

Tangjiashan Barrier Lake is one of the largest barrier lakes caused by the Wenchuan Earthquake. Its risk analysis, emergency plan and effect of the emergency plan are introduced in this paper. The dam height of Tangjiashan Barrier Dam is about 105 m, and the reservoir storage capacity is 3.2×108 m3. When the dam broke the flood peak were estimated to be larger than 48000 m3/s, which might cause a enormous disaster to the downstream cities and residents. A discharge channel with 13 m deep and 8 m wide was dr...     

考虑库区淤沙影响的溃坝洪水数值模拟

采用有限体积和有限差分相结合的数值方法,建立了一维溃坝水沙数学模型,基于新集水库库区泥沙淤积演算成果,分别对其在蓄水初期进行纯水溃坝计算和淤积一定年限以后进行水沙溃坝计算,合理地模拟了溃坝后断面流量和水位变化过程、河床冲淤变形等结果,并分析了泥沙因素对溃坝洪水波传播的影响.     

堰塞金沙江上游的白格滑坡形成机制与过程分析

2018年10月10日和11月3日,西藏自治区江达县白格村金沙江右岸先后2次发生滑坡堵江事件,堰塞湖与溃坝洪水给金沙江上游沿岸居民及其生产和生活设施带来巨大灾害。滑坡发生后,作者先后2次赶赴现场,参与灾害调查与救灾工作。基于现场调查,结合相关资料,对滑坡的形成机制与过程进行系统分析。结果表明：1）白格“10·10”滑坡是一个高位、高剪出口、高速非完全楔形体基岩滑坡,方量约10⁷m³。2）滑坡地处金沙江缝合带,岩性为元古界熊松群片麻岩组,具有多期、多次变形与变质特点,糜棱岩化和蚀变很严重。3）滑坡按高程划分为3区,即前缘的阻滑区、中部的主滑区和后缘的牵引区,分割高程大致为3500和3000m。主滑区为楔形体,系2组发育良好的结构面切割形成;阻滑区为四面体,由2组发育较差的结构面切割形成;牵引区为完全风化的岩土体夹团块状碎裂岩体。4）滑坡存在2个滑动方向,即主滑区的S80°E方向和阻滑区的N70°E方向,剪出口高程约2950m。5）主滑区楔形体重力是滑坡的主要动力来源,滑坡的孕育过程是相对完整的阻滑区岩体在主滑区重力驱动下的渐进破坏过程。6）滑坡过程如下：首先,主滑区和阻滑区启动;其次,失去支撑的牵引区再启动;随后,先启动的滑体高速撞击四川岸,逆坡爬高约95m,并在两侧形成碎屑冲刷区;然后,先启动的滑体折返,并与后启动的滑体在河面上方相撞,冲击河水形成高速水砂射流,在两岸形成水砂射流冲刷区;而后,堰塞坝下游坡滑动,形成次级滑移区;最后,冲击产生的雨雾降落,完成滑坡坝表面冲刷。7）白格“11·3”滑坡是牵引区的部分岩土体在起阻滑作用的碎裂岩体渐进解体后下滑的结果,方量约3×10⁶m³。8）牵引区目前严重变形的方量约5.50×10⁶m³,存在再次滑坡与堵江的风险,需要采取合理的工程措施消除隐患。     

干旱灾害成灾过程数值模拟研究

以有限区域大气运动模式和土壤水热传导模式为基础,采用地表水分蒸发、地表水渗透、植被的蒸腾作用与根系吸水作用、地面风场4种过程作为模型的耦合方案,建立了用于干旱灾害成灾过程数值模拟的数学耦合模型.利用该数学模型模拟计算了1995年7月1～30日发生在长江中下游地区的干旱灾害,其干旱过程可分为土壤可供水量满足农作物需水量阶段、根系层土壤供水量小于农作物需水量阶段、农作物干旱阶段3个阶段,实践证明该模型对干旱灾害的发生发展过程具有很好的模拟能力.     

重庆某居民小区2号滑坡稳定性分析与评价

以重庆某在建居民小区2号滑坡为例,在对滑坡地质特征研究的基础上,分析判断滑坡的变形破坏机制.通过试验和反演分析综合确定岩土的力学参数取值,采用基于极限平衡理论的传递系数法对滑坡的稳定性进行定量计算,并通过数值模拟进一步验证,为防治工程提供依据.