复杂三维地形条件下滑坡–碎屑流运动与堆积特征物理模拟实验研究

为定量化揭示真实复杂三维地形条件对滑坡–碎屑流运动与堆积特征的影响,基于谢家店子滑坡真实三维地形空间分布形态,设计并建立滑坡–碎屑流三维物理模型实验装置,开展相关物理模拟实验研究,获取复杂三维地形条件下,滑坡–碎屑流运动与堆积特征的图像和定量化数据,并依此观察和分析其流态化运动与堆积特征。主要得出以下结论:(1)滑坡运动路径上沟谷转折段等复杂地形的展布,可引起碎屑流动能的快速耗散,运动速度陡降,从而减小碎屑流的运动距离;(2)碎屑流运动过程中,颗粒之间的动量传递作用,可明显促进碎屑流的远程运动;(3)运动路径上沟谷两侧缓坡平台的展布,可导致碎屑流的"分流–汇流"运动,并最终在碎屑流表面形成纵向沟状槽;(4)当碎屑流流动至运动路径的开阔地段时,碎屑流进入一种以碰撞为主的无侧限扩离运动状态,在粒间碰撞–推挤力、重力和地形的共同作用下,形成"X"型共轭堆积脊。     

复杂三维地形条件下滑坡–碎屑流运动与堆积特征物理模拟实验研究EI北大核心CSCD

为定量化揭示真实复杂三维地形条件对滑坡–碎屑流运动与堆积特征的影响,基于谢家店子滑坡真实三维地形空间分布形态,设计并建立滑坡–碎屑流三维物理模型实验装置,开展相关物理模拟实验研究,获取复杂三维地形条件下,滑坡–碎屑流运动与堆积特征的图像和定量化数据,并依此观察和分析其流态化运动与堆积特征。主要得出以下结论:(1)滑坡运动路径上沟谷转折段等复杂地形的展布,可引起碎屑流动能的快速耗散,运动速度陡降,从而减小碎屑流的运动距离;(2)碎屑流运动过程中,颗粒之间的动量传递作用,可明显促进碎屑流的远程运动;(3)运动路径上沟谷两侧缓坡平台的展布,可导致碎屑流的"分流–汇流"运动,并最终在碎屑流表面形成纵向沟状槽;(4)当碎屑流流动至运动路径的开阔地段时,碎屑流进入一种以碰撞为主的无侧限扩离运动状态,在粒间碰撞–推挤力、重力和地形的共同作用下,形成"X"型共轭堆积脊。     

滑体失稳后运动过程三维弹簧变形块分析模型

 滑坡灾害危害程度评估需要掌握滑坡运动特征,而目前的研究主要基于定性分析模型,很难进行定量预测。为克服这一困难,建立一种简化的三维弹簧变形块模型,定量预测滑坡失稳后滑体运动过程。假设滑坡的运动形式是连续的,且滑体是可变形的,将滑体分为侧面竖直的三维条柱。考虑滑体内在变形,对三维运动方向受力和变形进行分析。根据作用于条柱侧面的力–变形关系,获得条柱在滑动过程中的变形与受力状态。考虑到条柱中能量的积累和释放,同时考虑摩擦引起的能量耗散,建立任意时刻滑体的加速度、速度和位移计算公式,获得滑坡在三维滑动过程滑动的最大距离、运动的最大速度及滑动历经的时间等。为实现滑坡滑动过程的三维可视化,基于Visual Basic语言程序编制滑坡失稳后运动过程分析程序,分析武隆鸡尾山滑坡的滑动距离、滑动的最大速度以及滑动历经的时间,对比分析表明,该模型与现有的软件模拟结果比较吻合。     

泥石流沿程侵蚀动力过程模拟分析

在泥石流运动过程中,途经的松散表层材料可能会因泥石流的剪切作用而产生运动,从而形成对沿程地表的侵蚀.为模拟泥石流沿程侵蚀动力过程,并研究沿程侵蚀对泥石流动力过程的影响,结合泥石流动力模型理论和近似Riemann解的HLL有限体积数值离散方法,对一个典型的沿程侵蚀的历史泥石流进行反演计算分析.考虑泥石流动力过程中的沿程侵蚀作用,再现泥石流的动力过程,计算结果与实际泥石流的致灾范围吻合较好,从而验证动力模型理论和数值求解的有效性.同时,与未考虑沿程侵蚀作用的计算结果作比较,结果表明沿程侵蚀作用会增加泥石流的运动体积,从而显著影响泥石流的动力过程,使其具有更大的危害性和更强的破坏力.     

三维离散元模型的滑坡能量守恒模拟研究

岩土体的破坏涉及复杂的断裂、摩擦作用、弹性波和能量转换过程。本文给出了离散元模型中各类机械能,以及断裂热、阻尼热和摩擦热的计算理论。同时,考虑外力做功,建立了离散元能量转化和能量守恒计算法则。基于此理论改进Mat DEM软件,实现了31.2万单元三维滑坡的滑动过程和能量转化模拟。模拟中,各类机械能相互转化,并在阻尼、断裂和摩擦作用下转化为热量,但是总能量始终保持不变,有效地实现了离散元能量守恒模拟。模拟中发现滑坡滑带产生大量摩擦热,并提高滑带的温度。能量转化和热量生成曲线反映了滑坡在滑动各阶段的运动特征。此模型可广泛应用于岩土体破坏和多场耦合数值模拟研究。     

基于块体离散元的高速远程滑坡灾害动力学研究

高速远程滑坡的破裂及致灾机制一直是滑坡灾害难点之一。为了深入高速远程滑坡灾害动力学过程,本文提出一种基于块体离散元法的黏结断裂模型,并基于图形处理器(GPU)实现了高性能并行计算,进而开发了地质体从连续到破裂解体过程的耦合模拟平台–耦合离散元程序(CoDEM)。在此基础上以2000年西藏易贡滑坡为例,系统研究了滑坡体的"高位崩塌区崩解启动–老滑坡体复活–碎屑流高速流动–堰塞体形成"的全过程。通过对比数值计算结果和现场地质调查资料,表明计算得到的堆积范围、物质组成与滑坡实际状态较为吻合。根据滑坡不同阶段的运动特征,将滑坡灾害区分为4个部分:启动区、缓冲区、流通区和刹车区。     

《岩石力学与工程学报》2005年第10期被EI收录论文（28篇）

No.论文题目作者名页码1岩石力学离散单元计算方法中的若干问题探讨陈文胜王桂尧刘辉等1639–16442地震载荷作用下的节理岩体破裂模型张振南葛修润1645–16483基于直接法节理网络模拟的三维离散单元法计算王涛盛谦陈晓玲1649–16534地震和降雨诱发的两个流动性滑坡的流动化机制及运动模拟(英文)汪发武1654–16615工作应力状态下岩体变形模量的研究于震平李铁汉1662–16666含瓦斯岩破裂过程流固耦合数值模拟徐涛唐春安宋力等1667–16737含吸附煤层气煤的有效应力分析吴世跃赵文1674–16788多井条件下煤层气不定常渗流问题的数值研究刘曰武张…     

库岸滑坡体失稳三维动态模拟与分析研究

滑坡的滑动过程是一个复杂的动态过程,库岸滑坡由于涉及到和涌浪的相互作用,其失稳运动过程难以进行数字化描述。基于重建的库岸滑坡体三维地质模型,运用三维极限平衡法分析滑坡的失稳诱发机制,为失稳运动的可视化仿真提供环境模拟背景。在判断滑坡可能失稳的前提下,针对库岸滑坡地面运动和水下运动的特点,提出库岸滑坡运动过程的数值模拟计算和可视化动态模拟分析流程,最终实现滑坡运动全过程的统一和三维可视化动态表达。实例分析验证了上述方法的可行性和实用性,模拟结果形象表现了滑坡体可能发生失稳时的运动面貌和涌浪过程,为滑坡失稳运动的研究提供了一种直观、实用的分析手段。     

基于连续理论和离散理论的碎屑流动力过程模拟分析

为实现碎屑流灾害动力过程的模拟分析,采用连续理论方法和离散理论方法,对意大利ValPola碎屑流的动力过程进行数值模拟。在连续理论方法中,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计算求解。然后,将2种模拟方法的计算结果进行对比分析,分析结果表明:2种模拟方法的致灾范围、运动时间等计算结果均与实际灾害情况吻合良好,很好地再现了灾害发生的动力过程,验证了2种模拟方法的正确有效性;2种模拟方法的运动速度计算结果比较接近,可以为Val Pola碎屑流运动速度的研究提供有效参考;连续理论方法计算效率优于离散理论方法,而离散理论方法可以观察到局部地形对碎屑流运动过程的影响。     

复杂运动路径下滑坡转向变形机理研究

滑坡受地表地形地貌和滑面形态的影响,在运动过程中常表现出转向、分叉、聚合等复杂行为,研究复杂运动路径下滑坡转向变形机理对滑坡的防灾减灾工作有重要意义。以三维地质建模技术为基础,构建庞家湾滑坡的三维颗粒流模型。通过PFC模拟滑坡的运动过程,得到如下结论：庞家湾滑坡发生了转向和聚合行为,滑坡中后部土体的滑动方向发生偏转并在坡脚与东北区域滑体聚合;滑坡中部发生转向运动的颗粒以较快的速度首先开始滑动,且速度由滑坡中部向周围呈辐射状减小;滑坡前缘在整个运动过程中,始终保持较快的运动速度,而后缘运动速度较慢,此外滑体表面速度大于滑体内部和底面速度,而滑坡各部分运动速度不同则是造成滑坡转向变形的重要原因。揭示了复杂路径滑坡的运动规律和转向变形机理,为评估滑坡风险,采取更为合理的防治方案提供理论依据。     

滑坡型泥石流转化机制环剪试验研究

 以四川省达县青宁乡滑坡为研究对象,在查明青宁乡滑坡转化泥石流过程的基础上,利用环剪试验模拟青宁乡滑坡失稳以后滑体长距离滑动剪切的过程,分析在剪切过程中土体的物理力学性质变化。结果显示,滑坡型泥石流的转化,除了目前国际上普遍关注的超孔隙水压力的作用外,软弱基座效应也是重要的转化机制之一。滑体在滑动剪切过程中,滑体的剪缩效应以及颗粒的破碎和分层,使滑体土的体积减小,孔隙水压力上升,滑体土的剪切强度降低;同时,滑体的底部形成粉土液化层,且剪切距离越大,黏质粉土液化层的厚度越大,托着滑体快速向前滑动,大大降低了滑体的整体稳定性,该效应为软弱基座效应。     

四川茂县叠溪镇新磨村滑坡特征与成因机制初步研究

2017年6月24日6时许,四川省茂县叠溪镇新磨村新村组后山约450×104 m3的山体发生顺层高位滑动,导致10人死亡和73人失踪,引起国内外的广泛关注。在对灾害现场进行大量地质调查的基础上,综合运用卫星遥感、无人机航拍、地面合成孔径雷达监测等技术手段,初步揭示滑坡的运动过程和成因机制,并对滑坡周边直接受主滑坡动力作用而产生的欠稳定岩土体特征和危险性进行分析评价。初步结果认为,滑坡源区山体在1933年叠溪地震中被震裂产生拉张裂缝,之后在多次地震、长期重力以及降雨作用下,最终整体失稳破坏。滑坡从小规模垮塌到主滑体启动、失稳运动、到最终停积整个过程用时仅120 s,其中主滑坡仅60 s,运动距离约2.6 km,最大运动速度达74.6 m/s,属于典型高速远程滑坡–碎屑流。新磨村滑坡具有高位、高度隐蔽性等突出特点,仅靠传统的调查排查和群测群防手段,已很难对灾害隐患进行早期识别和提前发现,必须尽快推广应用现代高精度对地观测技术(如In SAR,Li DAR,高清无人机航拍等),对我国西南山区类似隐蔽性高位崩滑灾害隐患进行排查和主动防范。     

滑坡冲击铲刮效应物理模型试验及机制探讨

 滑坡–碎屑流在高速运动过程中对基底物质存在明显的冲击铲刮作用,从而造成滑坡体积不断增大,扩大其致灾影响范围。通过开展物理模型试验研究滑坡物质的颗粒粒径和体积以及基底物质的粒径和堆积厚度对铲刮效应的影响,同时采用MotionPro-Y3–S1高速摄像机观察冲击铲刮过程。试验结果表明：滑坡物质在运动过程中强烈地冲击铲刮基底物质,使其高速飞溅及剪切运动;铲刮距离随滑坡物质体积、粒径以及基底物质颗粒粒径的增大和可侵蚀基底厚度的减小而增大。结合试验现象以及前人的研究成果对滑坡冲击铲刮机制进行探讨：滑坡–碎屑流的冲击铲刮作用在前缘主要表现为冲切破坏,它以撞击力的形式使基底物质发生破坏而铲刮,而在中后部主要表现为运动剪切作用,以剪切力的形式使基底物质发生剪切破坏而被铲刮。     

西南某电站消力塘边坡雾化作用下的稳定性研究

 根据西南某在建水电站溢洪道泄洪消能雨雾的分布预测，消力塘开挖边坡将受强烈的雾化作用影响。通过消力塘边坡结构面组合和受力情况分析，认为该边坡在降雨条件下可能发生平推式滑动破坏。滑坡起动判据计算显示，边坡中以G222–2为底滑面、f556–1为后缘拉张裂缝的组合块体在拉裂缝中地下水位达772.1 m时，将首先发生平推式滑动破坏。由于该边坡地下水主要由降雨及雾化雨补给，因此建立了降雨补给下边坡潜水渗流模型，分析边坡内地下水位与降雨时间的关系。计算结果表明，暴雨对边坡持续作用260 h或者雾化叠加暴雨持续作用246 h后，边坡内地下水位达到起动判据的要求，平推式滑动破坏发生。建议实施坡面防护，阻断水与边坡岩体的相互作用，以保证该边坡的长期稳定。     

三峡库区奉节天池滑坡实时遥测技术应用实例

 对滑坡监测的特点及国内外滑坡监测技术的发展现状进行简要的介绍，对无线实时遥测技术在滑坡监测中的应用现状做必要的综述，对KLA–1型地表位移遥测系统的工作原理进行阐述，并详述阐述将遥测系统应用于三峡库区奉节天池滑坡应急监测的具体情况。KLA–1型地表位移遥测系统是测量地表相对位移的监测仪器，在宜昌茅坪、重庆北碚、重庆万州枇杷坪等地已实际应用。该系统由三部分组成，分别为位移传感装置、数据采集发射模块、数据接收处理终端。在实际监测过程中，当滑体滑动时，监测点相对于固定点有线位移，这一信息由角位移传感器记录并转化为相应的电学量，电学量由无线发射模块通过GSM网络发射至远程终端，PC机作为终端通过相应的监测软件进行数据的接收及分析。通过奉节天池滑坡实测数据的分析，给出天池滑坡滑体位移随时间的变化曲线，预测此滑坡未来的发展趋势，证明监测设备的准确性、实时性，并说明此种监测技术运用于滑坡监测具有很高的实用价值。     

川西松潘上窑沟古滑坡复活特征及危险性预测研究

随着近年来人类活动加剧和极端天气的频繁出现,古滑坡复活问题日益突出,严重威胁着工程设施和城镇安全。以青藏高原东缘松潘县上窑沟古滑坡为例,在剖析古滑坡复活特征的基础上,分析了不同重现期降雨条件下滑坡的破坏范围和失稳概率,并采用DAN~(3D)软件模拟研究了滑坡运动过程和堆积范围,开展了古滑坡复活的危险性预测评价。结果表明:(1)受坡脚浸润侵蚀和强降雨的影响,上窑沟古滑坡前缘局部H1已经复活,呈现出多级序、多期次活动的特点,目前地表宏观变形迹象清晰,存在进一步失稳可能;(2)H1在20 a一遇的10 d连阴雨条件下处于不稳定状态,失稳概率达99.12%,而后部的H2在100 a一遇10 d连阴雨条件下处于不稳定状态,失稳概率达96.36%,可能和前部H1发生连续失稳下滑;(3)仅前缘局部H1失稳时,滑体最远运移距离约350 m,堆积体前缘不会抵达居民区;(4)当后部H2和前部H1连续失稳时,滑体最远运移距离达550 m,沟口居民区的排导槽首端至国道G213间半径约150 m的扇形区遭受滑坡–碎屑流的危险性大。     

考虑流固耦合作用的库岸滑坡变形失稳机制

 当前，在库水位下降引起滑坡变形失稳机制的认识上，仍存在不足。基于渗流计算结果，采用有效应力法对边坡进行应力–变形分析和稳定性计算的传统方法，仅考虑由水体自重渗流产生孔隙水压力，而没有考虑水位下降引起滑带处的超孔压，从而产生不切实际的变形分析和稳定性计算结果，对滑坡的变形和失稳机制产生错误的认识。在流固耦合理论基础上，以黄土坡滑坡前缘临江崩滑堆积体作为工程实例，通过对泄水下滑坡流固耦合作用的数值模拟，得到应力场、变形场及孔压场的变化规律，探讨考虑应力场与渗流场耦合作用的滑坡变形失稳机制，并进行非耦合和耦合计算方案下滑坡稳定性变化趋势。研究结果表明，库水位下降引起滑带附近的超孔隙水压力是诱使滑坡变形和失稳的重要原因。     

地震引起的边坡灾害风险分析实用技术

 提出和讨论在由地震引起的边坡灾害风险分析中的一些实用技术和方法,给出频度分析和影响分析中的具体步骤。为使蒙特卡罗(Monte Carlo)模拟法更加容易和更加有效,首次提出“临界线”这一新的概念。在计算边坡破坏概率时,只要求计算模型的“临界线”,不用对每一个随机采样点进行安全分析。在评价边坡破坏后可能引起的经济损失影响分析中,关键在于如何正确估计从边坡流下的土石运动速度、到达范围及堆积形状等数据。提出用DDA模拟来解决这一问题,因为DDA模拟不仅可以计算复杂边坡模型的破坏概率,而且可以得到该边坡破坏后从边坡流下的土石运动特性。对一些已破坏边坡的DDA模拟结果表明,计算出的土石运动特性与实际结果基本吻合。因此,提出的方法可适用于地震引起的边坡灾害风险分析。     

基于离心振动台的堆积型滑坡加速度响应特征

 加速度响应规律是解释滑坡震害、合理确定地震影响系数的基础。为此,设计完成了50倍重力加速度条件下的堆积型滑坡离心振动台模型试验,用来研究堆积型滑坡的加速度响应特征及规律。模型滑坡放置于600 mm×400 mm×500 mm(L×W×H)的刚性模型箱内,采用汶川地震清溪台站反演的基岩波作为基底输入,调整其幅值,研究不同强度地震动作用下堆积型滑坡的加速度响应特征及规律。试验结果表明：坡面水平向和竖直向峰值加速度(PGA)放大系数随滑坡的高程增加而增大,趋于坡顶时,增速明显变大,具有明显的高程放大效应;地震动作用下坡面与坡体内部的加速度响应特征明显不同,具有坡面浅表放大效应;滑床岩体自下向上水平向加速度有放大趋势,但与滑坡浅表土体相比,放大倍数则明显减弱;坡顶附近存在显著的波型转换现象;随着输入地震波强度的增大,PGA放大系数总体上表现为递减趋势。所得到的成果初步揭示了堆积型滑坡的加速度响应特征,为解释滑坡震害、确定地震影响系数等提供较可靠的依据。     

降雨特性对土质边坡失稳的影响

 通过降雨诱发土质边坡失稳的模型试验及已有研究成果来探讨降雨特性对边坡失稳的影响,并以此来选取出合适的雨量预警参数。研究结果表明：高强度降雨较易使边坡产生流滑破坏且冲蚀现象较为明显;而低雨强长历时的降雨较易使边坡深层土体的孔隙水压力增加,因此较易产生滑动型破坏且滑坡体的规模也较大;此外,降雨型滑坡存在“门槛累积雨量”。该研究成果揭示了降雨入渗对边坡稳定性的作用机制,并以此建议采用降雨强度与累积雨量作为雨量预警基准所需的参数,其中降雨强度参数可用时雨量表示,时雨量可用以衡量流滑型滑坡和泥石流灾害,而累积雨量则有助于评估滑动型滑坡的灾害。