基于两相双质点MPM的滑坡堵江灾害链生全过程分析

滑坡-堵江-堰塞湖灾害链是高山峡谷地区的典型地质灾害,其中滑坡堵江环节作为该灾害链的衔接过程,往往决定了后续灾害在时间、空间上的延拓规模,合理再现这一复杂流-固耦合过程对于灾害链风险评估至关重要。基于物质点法（MPM）模拟岩土材料非线性的优势,采用Drucker-Prager模型表征失稳运动的岩土体,引入人工状态方程表征水体流动过程,发展了岩土体（固相）与水体（液相）相互作用的两相双质点物质点法（TPDP-MPM）;通过模型试验尺度下滑坡体-水体相互作用过程的仿真分析,验证了TPDP-MPM处理岩土体、水体两相耦合的有效性。以此为基础,针对2011年湖北十堰市二荒村滑坡堵江（平渡河）灾害链,再现了灾害演化全过程,通过演化过程中的速度场与动能分析,认为二荒村滑坡堵江全过程可分为失稳启动、高速滑动、入江制动和堆积成坝4个阶段,揭示了滑坡体在失稳启动和高速滑动阶段的运移模式以及入水制动阶段水体对于滑坡堆积过程的影响规律。研究成果为滑坡堵江灾害链的全过程推演与风险评估提供了理论与方法。     

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。     

猴子岩水库色玉滑坡涌浪灾害链CFD-DEM耦合数值模拟

滑坡涌浪是一种常见的地质灾害现象,由于滑坡体与水体之间存在复杂的流固耦合作用,使得传统的单一介质模型无法进行准确求解。为此,介绍一种基于计算流体力学方法（CFD）与离散单元法（DEM）的流固耦合模型CFD–DEM,采用计算流体力学方法（CFD）求解水体流动,采用离散单元法（DEM）模拟散粒体滑坡运动,充分利用不同计算模型的优势,对滑坡及涌浪演进过程进行数值模拟分析。首先,利用该耦合模型对Robbe–Saule开展的颗粒堆积体坍塌–涌浪试验进行了相同工况下的数值计算,从颗粒坍塌运动过程、涌浪高度演化过程等方面进行对比,结果表明模拟结果与试验结果吻合很好,验证了CFD–DEM流固耦合模型的有效性。然后,将该方法应用于四川省猴子岩水库色玉滑坡–涌浪灾害的演进过程分析,重现了该事件滑坡失稳运动、涌浪产生及传播、涌浪爬升、涌浪回流的全过程,计算结果显示：计算得到的电站进水口处涌浪高度与实测数据较为接近;色玉滑坡从失稳运动至静止堆积的持续时间约为20 s,颗粒平均速度最大达到16.12 m/s;滑坡引起的涌浪约在滑坡失稳10 s后传播到对岸,之后开始沿坡面向上爬升,最大爬升高度达到27.32 m。研究表明CFD–DEM流固耦合模型能够很好地应用于模拟山区河谷大规模滑坡涌浪灾害,可为库区防灾减灾提供高效的技术支持。     

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（特约稿）

青藏高原区域滑坡-泥石流-堰塞湖灾害频繁发生,灾害损失巨大,与之相关的科学研究一直是国内外研究的热点和难点。我国在堰塞湖减灾领域已经积累了丰富的实践经验,但是冰碛土滑坡-泥石流-堰塞湖灾害演化过程非常复杂,涉及众多的物理力学机制和学科理论,复杂气象条件下冰碛土滑坡-泥石流-堰塞湖的动力形成机制、溃决冲刷及洪水演进灾害链的全过程演化分析与数值模拟方面尚需进一步研究。揭示冰碛土滑坡-泥石流-堰塞坝的链生放大机制和冰碛土堰塞湖溃决演进的动力灾变机理是实现冰碛土滑坡-泥石流-堰塞湖灾害有效防控的关键,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,提出了冰碛土滑坡-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。并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,构建了能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及为非工程避险与应急处置决策提供技术支撑。     

金沙江白格滑坡裂缝区失稳概率分析

金沙江上游白格滑坡于2018年10月10日和11月3日连续发生两次滑坡堵江-溃坝事件,给沿岸居民带来巨大灾害。滑坡发生之后,在滑坡体后缘形成3个裂缝区,存在再次滑坡堵江的可能。鉴于白格滑坡岩土体试验数量有限,试验成果不能反映坡体抗剪强度参数的统计特征,本文针对白格11.03滑坡,采用基于极大似然估计的优化算法,对滑坡岩土体的抗剪强度参数进行了反演,并利用反演参数,采用蒙特卡洛方法对滑坡后缘裂缝区进行了可靠度计算和稳定性评价。研究表明：（1）将响应面法与基于极大似然的概率反分析方法结合起来对滑坡体参数进行反演,计算过程简便,计算方法适应性强。（2）根据白格11.03滑坡反演得到的滑坡岩土体抗剪强度后验分布为c~N(13.05kPa, 32),tanφ~N(0.64, 0.042),计算结果表明通过反演可以降低先验参数的不确定性。（3）采用自动搜索最危险滑动面的方法得到了各裂缝区的局部破坏模式。计算得到的最危险滑动区范围与现场调查及监测得到的失稳区范围基本一致,且局部破坏模式下的破坏概率均明显大于整体破坏模式,表明裂缝区破坏以渐进牵引破坏为主,与实际的裂缝发展规律及破坏模式一致。（4）白格滑坡后缘3个裂缝区的潜在失稳区域C1-1、C2-1和C3-1的体积分别为7×105 m3、3.2×106 m3和1.3×106 m3,对应的失稳概率分别为21.70%、33.90%和27.30%,均为极高危险性。因此,有必要对滑坡堵江-溃坝洪水灾害链进行风险评价,并提出合理的处置措施和应急预案。     

大型地震滑坡高速滑动堵江机制的离散元数值模拟

汶川大地震触发了大量的大型滑坡,这些滑坡体在峡谷河流地带堵塞河道形成了堰塞湖.本文以唐家山滑坡形成的堰塞湖为例,通过离散元数值方法对地震作用下唐家山滑坡的滑动堵江机制进行了模拟,结论如下:唐家山滑坡确实为一高速滑坡,滑坡从启动到停止,其速度变化曲线具有显著的非线性特征,滑坡的最大滑速达27 m/s;直观地再现了唐家山滑坡的滑动以及形成堰塞体的全过程运动特征和滑坡堵江机制,并把其划分为5个阶段,即滑动启动阶段、加速滑动阶段、减速滑动阶段、遇阻堆积阶段和自稳成坝阶段.     

青藏高原三江并流区重大堵江滑坡孕育规律及其防灾挑战

青藏高原三江并流区剧烈的构造活动和强烈的河流侵蚀导致其高山峡谷中大型堵江滑坡频频发生,并且链生灾害剧烈,严重影响川藏铁路、滇藏铁路等国家重大工程的建设。青藏高原重大滑坡堵江具有独特的天然形成条件以及鲜明的内外动力特征,通过对典型堵江滑坡的考察,建立青藏高原三江并流区堵江滑坡数据库,对认识堵江滑坡地质孕育特征在区域上的普遍性规律及孕灾条件意义重大。本文基于2019年实施的三江并流区堵江滑坡野外地质调查和滑坡地质成因分析,阶段性揭示了堵江滑坡的一般孕育规律：（1）三江并流区的缝合带和活动断裂不仅易使斜坡岩体发生蚀变,从而降低坡体结构的完整性、提高对风化作用的敏感性,还会产生剧烈的地震内动力作用诱发堵江滑坡的启动;（2）堵江滑坡具有发生在倾倒变形的逆倾斜坡上以及岸坡凹岸处的空间分异特性,在河流下切作用下高势能、大方量的滑体往河谷运动形成堵江;（3）河谷中的背斜构造在河流侵蚀过程中为两岸的逆倾或近直立岩层创造了倾倒变形的临空条件,加上背斜核部邻近斜坡岩体的挤压破碎性质,使斜坡结构更易发生深层变形破坏,造成堵江滑坡事件;（4）软弱炭质岩层化学风化在内的外动力地质作用对坡体结构的变形、破坏亦有不可忽视的促进作用。基岩滑坡一旦发生堵江,其潜在的灾害链问题将十分严重,未来需要进一步优化、整合资源,借助高科技手段克服青藏高原滑坡灾害考察的诸多困难。本文通过揭示堵江滑坡孕育的一般规律,为堵江滑坡数据库的完善奠定了基础,有助于应对更严峻的青藏高原防灾减灾挑战。     

水库滑坡灾害致灾机理及防控技术研究与展望

随着中国高坝大库水利水电工程的相继运行,水库滑坡灾害已成为影响工程运行稳定和威胁沿岸人民生命财产安全的重大隐患,提升其综合防控能力是国家重大需求。水库滑坡是一个复杂的地质综合体,其变形破坏过程不仅与滑坡所在区域的地质条件特性相关,更取决于诱发因素如降雨、库水位变动等动态作用的影响,从开始孕育变形到最终失稳破坏一般需经历较长的历时,是一个不断累积发展的过程,不仅涉及降雨入渗与库水影响的时空叠加作用,更涉及多因素耦合下的渐进破坏机制,其致灾机理与防控难度极高。本文结合大量现场调查、室内外试验和数值模拟,总结了库区地质、水文等条件对于滑坡易感性及空间分布的影响规律,揭示了强降雨、库水位变动及多因素叠加作用下水库滑坡的累积灾变失稳机理;建立了离散元模型与流体力学模型（DEM-SPH）耦合的滑坡-涌浪模拟技术,能够较好地揭示高速滑坡体入河与水流的强碰撞及涌浪的非线性传播过程,可为滑坡致灾影响范围及应急避险方案制定提供科学依据;构建了无人机-3维激光扫描空地数据融合的大范围水库滑坡3维变形演化监测技术,并归纳总结了水库滑坡的综合治理技术。此外,针对多因素驱动下水库滑坡复杂致灾机理及防控技术方面的研究不足和局限性,展望了水库滑坡在灾变累积失稳与稳定评价、多源融合监测与智能预警、滑坡-涌浪流固耦合模拟与致灾影响评估、生态措施-支护结构联合治理技术方面的未来发展方向,期望为水库滑坡灾害防控减灾研究提供借鉴。     

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。     

某工程厂址古滑坡变形演化机制及稳定性研究

习酒厂址所在的古滑坡堆积体具有局部陡坎的微地形,其稳定性对今后古滑坡体上密集建筑群建造施工至关重要。在阐述古滑坡基本特征的基础上,结合地质勘察以及数值模拟的方法,对习酒厂址古滑坡的变形演化机制及稳定性进行研究。古滑坡坡体失稳破坏主要分为3个阶段,随着土体抗剪强度折减会在局部不利地形处产生裂缝,然后会出现两阶段的滑动破坏,并且降雨条件会加速坡体的失稳破坏。研究结果表明,古滑坡堆积体不会发生整体性的滑坡灾害,但极易发生局部的滑塌,主要为局部的变形破坏,其出现的破坏模式可能为坡体中上部分的滑移-拉裂破坏以及中下部堆积体的蠕动-拉裂破坏。研究结果可为该古滑坡堆积体上密集建筑群建造活动的开展提供重要依据。     

金沙江白格堰塞湖溃决过程数值模拟

2018年10月10日和11月3日，在我国四川省与西藏自治区交界处的白格村同一位置连续发生两次滑坡，完全堵塞了金沙江形成堰塞湖。由于“10?10”滑坡形成的堰塞湖水位抬升迅速，堰塞湖于10月12日自然漫顶溃决。“11?03”滑坡堵塞了“10?10”堰塞体溃决形成的流道，形成了更大的堰塞湖，鉴于客观条件允许，采取了开挖泄流槽降低堰塞湖溃决水位的措施，至11月12日，堰塞湖发生漫顶溃决，溃口洪水峰值流量为31000m3/s。由于“11?03”白格堰塞湖溃决案例拥有较为完整的实测资料，为堰塞湖溃决过程的研究提供了宝贵的基础数据。基于堰塞体的溃决机理，建立了可考虑堰塞湖的水动力条件、堰塞体的形态和材料特征的堰塞湖溃决过程数学模型。模型采用宽顶堰公式模拟溃口洪水流量，并根据堰塞湖入湖和溃口流量以及堰塞湖的水位-湖面面积关系曲线确定堰塞湖水位的变化；采用基于水流剪应力和堰塞体材料临界剪应力，并可考虑宽级配堰塞体材料特性的冲蚀公式模拟材料的冲蚀过程；假设溃口在纵向下切和横向展宽过程中坡角保持不变，采用极限平衡法分析溃口在发展过程中发生的边坡失稳；采用按时间步长迭代的数值计算方法模拟堰塞湖溃决时的水土耦合过程。采用建立的模型对“11?03”白格堰塞湖溃决案例进行反演分析后发现，模型计算获得的溃口流量过程、堰塞湖水位变化过程、溃口发展过程与实测值基本吻合。参数敏感性分析表明，冲蚀系数对溃决过程具有重要的影响，残留坝高通过影响下泄库容也对溃决过程产生作用；另外，开挖泄流槽可降低堰塞湖溃决时的库容，从而对溃口流量过程产生影响，是降低灾害损失的有效手段。     

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。     

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。     

金沙江白格滑坡堰塞坝溃决洪水灾害调查与致灾浅析

2018年10月10日和11月3日,西藏自治区江达县波罗乡白格村金沙江右岸同一位置先后两次发生滑坡堵江事件并形成了巨大的堰塞湖,其堰塞坝在自然泄流和人工开挖泄流槽两种处置方式后溃决。其中,第二次滑坡堰塞坝的溃决洪水给下游西藏、四川和云南3省（自治区）受灾范围内的道路、桥梁、耕地和房屋造成了巨大破坏。为了应对类似的极端、超常规、特大堰塞坝溃决洪水威胁以及相关的基础性研究需要,课题组于2018年12月21日至29日对这次金沙江白格堰塞湖溃坝洪水对下游的受灾情况进行了考察调研。考察以受灾最为严重的巴塘县巴楚河（又称巴曲河）与金沙江的交汇口为起点,直至洪水威胁基本消除的梨园水库库区为终点沿江共计488.6km的受灾河段为主。考察重点为沿岸房屋、道路、桥梁和水利基础设施等受损情况,并对溃坝洪水的最大淹没水位（洪痕）、考察时的河道水位,河道两岸堆积的泥沙及其颗粒级配,桥梁致灾水位等进行了分析,得到了一些有价值的灾情数据与成果,这些成果可为进一步的基础性研究提供一定的数据支撑。