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。     

基于有限体积法的滑坡–碎屑流三维运动过程模拟分析

滑坡–碎屑流因其超常的流动性、超高的滑速以及巨大的能量成为一种具有极端破坏力的地质灾害现象。为实现滑坡–碎屑流三维地形条件下运动全过程的数值模拟,在局部拉格朗日坐标系基础上,考虑滑坡–碎屑流运动过程中滑体下表面的侵蚀作用及摩擦阻力的变化,建立基于有限体积法的计算模型。应用模型对萨尔瓦多的El Picacho滑坡进行反演分析,模拟过程采用距离侵蚀速率参数及Voellmy阻力模型,模拟结果的运动路径及滑动距离与滑坡发生的实际情况吻合较好,表明结合模型方程的数值模拟方法对于滑坡–碎屑流运动过程研究的有效性。此外,计算未考虑滑体下表面侵蚀作用的滑坡运动过程,结果显示滑坡运动物质的总体积减少,滑动距离明显变短。因此,侵蚀作用是滑坡–碎屑流运动过程研究所必须考虑的重要因素之一。滑坡–碎屑流三维运动过程的数值模拟研究可以为该类灾害的危险性评估及风险预测等提供科学的参考依据。     

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。     

滑坡碎屑流高速远程机制环剪试验研究

在我国西部山区,由高速远程滑坡碎屑流导致的群死群伤事件时有发生,对滑坡碎屑流的高速远程机制研究迫在眉睫。以汶川地震触发的文家沟高速远程滑坡碎屑流为研究对象,利用其堆积物中出露的冲沟对碎屑流堆积物的堆积结构进行研究,结果表明,碎屑流堆积物具有明显的反序结构;进一步利用环剪试验对碎屑流流动过程中不同深度处碎屑颗粒的长距离剪切过程进行模拟,结果显示,颗粒破碎是滑坡碎屑流堆积物反序结构形成的主要原因之一,碎屑流流动过程中由于底部颗粒所受正应力最大,因此破碎越彻底,而向上碎屑颗粒所受正应力逐渐减小,破碎程度也逐渐减小,因此形成反序结构;而底部碎屑颗粒破碎导致碎屑流剪切强度降低,进一步导致碎屑流底部与地面之间摩擦阻力降低,是滑坡碎屑流能够高速远程的主要原因之一。研究成果能够为西部山区高速远程滑坡碎屑流的致灾范围预测提供科学依据,具有一定的理论和实际意义。     

汶川地震触发高速远程滑坡–碎屑流堆积反粒序特征及机制分析

 中国四川汶川地震触发了众多的典型高速远程滑坡–碎屑流。为论证这些高速远程滑坡–碎屑流堆积的层序特征和形成机制,以谢家店子滑坡、牛圈沟滑坡和文家沟滑坡为研究对象,首先对高速远程滑坡运动路径上的竖向分带性进行详细的描述,并根据各带特征,将其划分与命名为气浪影响区、碎屑流跳跃抛洒区、碎屑流流动堆积区、滑动剪切带以及下伏的原沟谷堆积层。在对各竖向分带进行描述的基础上,以碎屑流流动堆积区为重点研究对象,运用面积取样–面积频率法和室内筛分法,对碎屑流流动堆积区不同粒径范围内的颗粒进行详细的粒组分析,并通过质量–频率法的转换,最终获取碎屑流流动堆积区竖向剖面中不同高度层位上碎屑颗粒的累计频率分布曲线,揭示碎屑流堆积体内部所特有的堆积规律--反粒序结构,该结构是高速远程滑坡–碎屑流运动过程及其运动状态的重要反映,是高速滑坡远程运动机制分析所基于的重要地质证据。根据大量的现场调查和室内试验结果,得到以下结论：碎屑流运动路径上因滑面不规则起伏所激励的振动筛分作用和碎屑颗粒之间碰撞所产生的动力破碎作用以及二者的耦合过程应为反粒序形成的主要原因;并基于滑坡运动学与动力学的过程,对上述作用的能量来源和转化过程进行描述。     

高速远程滑坡裹气流态化动力学特性实验研究

 为定量化揭示高速远程滑坡在裹入气流作用下的动力学特性,以高速远程滑坡裹气流态化运动特性实验成果为基础,运用自行设计的水平圆环式旋转剪切流变装置,开展一系列环剪实验,获取碎屑流在不同裹入气流作用下的动态抗剪强度参数。结果表明：(1) 碎屑流运动过程中,气体的裹入,可起到明显的减阻作用;(2) 在碎屑流的整个运动过程中,随着时间的推移,碎屑流与环盖间剪切力并非一恒定值,而是呈现出忽高忽低的波动性演化特征;(3) 随着碎屑流受剪时间的增长,碎屑流与环盖间剪切力值整体呈略微增长的趋势,且剪切速率越大,该趋势越明显。     

碎屑流的研究现状与发展趋势

近年来,由于降雨、融雪以及人为扰动导致碎屑流时有爆发,严重威胁着当地居民的生命财产安全、公路和铁路的安全营运以及矿山的安全生产等,国内外学者已进行过大量的调查研究。本文将对碎屑流形成原因、运动机理、堆积物特征和防治措施等研究现状进行归纳和评述,并进一步提出研究现状与展望。     

牛圈沟高速远程滑坡超前冲击气浪机制分析

 为定量分析滑坡–碎屑流运动过程中所产生超前冲击气浪的强度及其演化规律,以牛圈沟高速远程滑坡为原型,采用计算流体力学软件,引入Voellmy准则定义运动阻力,在反演碎屑流运动全过程动力学行为特征的同时,对其前缘所产生超前冲击气浪的流场特征进行重点模拟,并论述和分析其形成的动力学机制。结果表明：(1) 牛圈沟高速远程滑坡的运动从启动到停止历时112 s,每一时刻其运动最大速度的空间位置出现在滑体内部靠近前缘的地方,其最大速度有2个峰值,分别是9 s时的52 m/s和49 s时的44 m/s;(2) 牛圈沟高速远程滑坡超前冲击气浪速度的最大值出现在9 s时,其值为45 m/s。压强最大值出现在滑体启动瞬间,为625 Pa,相当于11级暴风。滑体整体呈刚体运动时与前方空气接触面积最大,对其前方空气的挤压作用最为明显;(3) 随着滑体演化为碎屑流,前缘龙头高度逐渐降低(碎屑流厚度的变薄),其前方产生的超前气浪压强也随之降低,且其前方距碎屑流前缘越远,气浪压强越低;(4) 运动路径上的地形凸起、陡坎对超前冲击气浪的压强大小及其分布范围有较大影响,碎屑流前缘到达地形凸起点的坡脚时,会在凸起的迎风面产生梯度变化强烈的正压,而在凸起的背风面产生负压。当碎屑流由高向低飞下陡坎时,会强烈挤压前方空气,造成前方正压局部陡然增大。     

汶川地震触发窝前滑坡特征及失稳机制探讨

 为弄清汶川地震触发窝前滑坡特征,探讨该滑坡的失稳机制,笔者先后多次赴滑坡区开展调研。调研结果表明：(1) 窝前滑坡为上陡下缓、上硬下软型地形地质结构,属于拉裂–走向滑移型的斜坡失稳破坏模式;(2) 由于石坎断层活动,在近断层上盘效应、强地震动集中性、地震波长持时累积效应、地形放大效应和地震动水平加速度效应作用下,直接触发的一起剧动式高速远程滑坡;(3) 表现出一系列与一般重力环境下滑坡迥异的运动和堆积特征,如高陡粗糙的滑坡壁、弯道超高和侧向抛撒、颗粒分异堆积等特征,运动中形成滑源区、陡坡加速区、碎屑流通区(流槽区和爬高区)、堆积区和抛撒区;(4) 主要经历山体震动拉裂、高速溃滑、碎屑流和堆积4个阶段。滑坡运动至800 m左右时,峰值速度达56.1 m/s,全程运动时间约57.1 s,平均速度35.6 m/s;高位势能和滑体碎屑化是窝前滑坡产生高速远程运动的主要原因。     

碎屑流冲击刚性挡墙的力学模型研究

山体滑坡或山体崩塌所产生的碎屑流常对拦挡结构造成严重的危害,通过室内模型试验研究刚性挡墙抗碎屑流冲击的力学模型。根据64组试验的碎屑流冲击过程,建立冲击力力学模型,计算出法向冲击力、切向冲击力及冲击力的作用高度。并将试验结果中的最大冲击力及残余力,与Ashwood模型、Adel模型及所提模型进行比较。结果表明,所提模型计算出的冲击力与试验结果更加吻合,Ashwood模型计算出的冲击力相比试验结果偏小,Adel模型的结果相比试验结果也较接近。在假设基底反作用力的位置为堆积区长度的2/3的条件下,冲击力作用高度与试验结果最接近。最大的法向力与切向力都随着基底摩擦角的增大而不同程度的增大,挡墙摩擦角只对切向力有明显影响。研究结果可为滑坡或崩塌碎屑流的防灾减灾设计提供参考依据。