岩土体颗粒级配对滑坡碎屑流冲击作用的影响研究

滑体的运动、堆积及冲击力等因素决定了滑坡碎屑流的致灾程度,不同粒径大小及组成的颗粒在运动过程中,产生碰撞、摩擦、跳跃等作用,影响着滑坡碎屑流的致灾程度。运用三维离散元素法,对比模型试验,以控制粒径为参数,探讨岩土体不同级配对滑体的堆积形态、运动速度及冲击力等动力学特征的影响。研究结果表明:各滑体模型运移堆积过程中均呈现出显著的反序分离特性;对于控制粒径相同,而颗粒级配不同的初始滑体,虽然堆积形态基本一致,但细小碎屑颗粒增大了滑体的运动速度,大粒径块石增加了滑体冲击力;在不同的控制粒径下,控制粒径越大,滑体流动性越强,滑体平均速度峰值和冲击力峰值越大;细小碎屑物质的反序现象会增大滑体动能,其显著的摩擦耗能作用会缩减滑体冲击能,粗大块石促进了滑体内部的能量传递,增大滑体冲击力。     

岩土体颗粒级配对滑坡碎屑流冲击力力链特征的影响

冲击力力链特征反映了碎屑流颗粒间的接触关系,为滑坡碎屑流冲击力特性的研究提供了一个新的理论方法。以物理模型实验数据为依据,借助离散元模拟软件PFC~(2D),探究不同岩土体颗粒级配条件下,力链配位数、超强力链、强力链、弱力链占比和强弱力链分布位置的相关特性。结果表明,碎屑流在运动过程中,力链配位数和强、超强力链占比会经历一个先波动减小再增加最后保持稳定的过程,并且力链配位数与颗粒的平均速度呈负相关关系;岩土体颗粒级配中的不均匀系数C_u是影响力链配位数、超强力链、强力链、弱力链占比的主要因素;在碎屑流冲击挡墙过程中,强、超强力链主要集中于底部区域,并且随着粗大颗粒含量的增加,超强力链配位数峰值的作用位置逐渐升高。     

芦山地震汤家沟滑坡-碎屑流过程模拟

2013年4月20日四川省芦山县发生Ms7.0级强烈地震,诱发芦山县、天全县、宝兴县等多个县区2500多处崩塌、落石、滑坡、泥石流等次生灾害,但规模较小。天全县老杨乡汤家沟滑坡-碎屑流是此次地震诱发的最大一处滑坡,在地震作用下约有53万m~3的岩体自滑源区高速滑出。因剪出口下方山脊的阻挡作用滑体沿左右两侧发生分叉,此后分别沿春尖窝沟和干沟头沟高速运动,滑行约340 m和440 m后与各自沟谷侧壁发生撞击、爬坡解体为碎屑流,碰撞转向后继续向下滑行,总滑行距离约1.6 km,高程差约480 m。尽管关于芦山地震滑坡的研究很多,但对滑坡全过程动态模拟的研究较少。本文通过滑坡现场调查,解析了汤家沟滑坡的基本运动特征和滑体运动过程中发生的碰撞、铲刮、堆积等现象,并基于DAN3D动力分析软件,采用Friction-Voellmy复合模型反演了汤家沟滑坡运动全过程,得到了滑体的堆积、速度分布以及铲刮等特征。     

基于物质点法的新磨村滑坡动力特性分析

2017年6月24日,四川省茂县叠溪镇新磨村突发特大滑坡碎屑流灾害,造成大量人员伤亡及房屋损坏,针对该滑坡特征及成因机制,相关学者已经取得一定研究成果,然对其动力学过程与特征的认知还相对缺乏。为解决这一问题,本文引入兼具欧拉算法和拉格朗日算法优势,适用于大变形及长距运动模拟计算的物质点法进行模拟分析。通过分析滑坡全程位移时程曲线、速度时程曲线和等效塑性应变变化特征,揭示其动力演化过程。现场调查与模拟结果表明,崩滑体启动后呈整体运移,与下方坡体碰撞解体,转化为碎屑流,不同时刻同一位置的坡体形态、质点等效塑性应变发展趋势以及能量时程变化曲线均进一步反映碎屑流碰撞破碎和刮铲侵蚀的过程。数值模拟计算与Scheidegger提出的理论计算方法获得的碎屑流速度特征吻合,可以在一定程度上反映滑坡的致灾能力。模拟结果综合反映了滑坡启动及动力演化过程。     

滑坡碎屑流运动参数与影响因素敏感度研究

现场调查的数据分析表明:同等规模体积的中、小型滑坡碎屑流的运动参数存在较大的差异,这些参数的差异源于滑坡体积、岩土体特性和地形条件耦合作用的结果,理论分析和数值计算常常不能完全解释其机理。因此,在模型试验的基础上,运用极差、方差分析等方法,探讨了滑坡碎屑流的体积、颗粒级配和斜坡坡度对坡脚下的水平运动距离、等效摩擦系数的影响。研究表明:滑坡碎屑流体积在同等规模等级和相同的落差条件下,3种因素对坡脚下水平运动距离的影响大小依次为颗粒级配、斜坡坡度和体积。颗粒级配对碎屑流坡脚下的水平运动距离的影响非常显著,而同等规模内变化的体积的影响不显著。因素对等效摩擦系数的影响大小顺序为斜坡坡度、颗粒级配和体积。坡度对碎屑流等效摩擦系数的影响非常显著,而同等规模内变化的体积的影响不显著。     

偏转角度对滑坡-碎屑流运动影响的模型试验

本文基于模型试验,对不同偏转角度(θ)作用下的碎屑流运动堆积特征进行初步研究。试验结果表明,在偏转作用下,碎屑流的运动经历了加速、持速和减速三个阶段。碎屑流的前缘速度在持速阶段表现出明显的波动性,偏转角度越大,碎屑流前缘速度波的动性越显著;但偏转角度对碎屑流的运动时间的影响并不显著。对碎屑流受偏转作用后的水平运动距离进行分析表明较小的偏转角度更有利于碎屑流的运动。偏转作用下碎屑流的堆积过程表现出"多次叠加堆积"特征,偏转角度越大"多次叠加堆积"的现象越明显。同时,碎屑流的堆积厚度分布也明显受控于偏转角度的影响。横断面上,堆积厚度沿受冲击碰撞一侧向对侧减小,两侧堆积厚度的差异随偏转角度的增大呈抛物线变化,θ=20°时最大。纵断面上,碎屑流在坡脚附近的堆积厚度随偏转角度的增大而增大。     

沟道偏转地形对滑坡碎屑流运动的影响研究

在沟谷地形中,滑坡碎屑流的运动常受到地形的影响,导致其运动方向发生改变,进而影响到滑坡运动速度和堆积特征。本文利用三维离散元素法,对四川都江堰三溪村高速远程滑坡进行模拟,研究滑坡体不同部位的块体失稳后,在沟道偏转地形主导下的滑坡碎屑流前缘的运动速度、各部位滑体的速度变化过程和堆积特征,并提出沟道偏转地形耗能模型分析了地形偏转造成的动能消耗。研究结果显示:滑坡前缘在地形偏转位置运动方向发生变化,导致运动速度突降;由于滑坡不同部位的滑块相对于地形偏转点具有不同的撞击角度,导致其撞击后产生不同的偏转角度,滑块的偏转角度越大,速度变化越大;由沟道偏转地形导致的滑坡运动速度减小反映了偏转地形对滑坡的动能产生的耗散,动能耗散率与cos~2θ(θ为偏转地形在水平面上的偏转角度)成反比;不同部位滑块的堆积长度随偏转角度的增大而减小。本研究分析了沟谷地形偏转对滑坡碎屑流运动速度作用机制及不同部位岩土体堆积范围的影响,可为该类地形条件下滑坡的运动机制研究和防灾减灾工作提供参考。     

基于离散元方法的高速远程滑坡碎屑流新型防护结构

高速远程滑坡碎屑流以其极高的动能和超远的位移而著称,往往对其危害范围内的构筑物和人类活动等造成严重的破坏。其高速远程效应机理一直是国内外学者研究的热点,但其防灾减灾工程在目前仍没有形成一套完善的体系。基于此,采用2D离散元模型对四川绵竹清平文家沟地震滑坡引发的碎屑流及其运动过程进行了详尽研究。数值模型对现实模型进行了一定的简化。通过数值模拟实验,验证了实际工况下的文家沟碎屑流运动情况,并在此基础上研究了不同摩擦系数条件下的碎屑流堆积情况以及三种形状的防护结构体(重力式挡墙、倾斜式结构体、月牙形结构体)对碎屑流的耗能能力。通过研究发现:人工防护结构体可以很好地耗散碎屑流的动能;多层防护结构可以提高对碎屑流动能的耗散能力:月牙形结构体对于控制碎屑流滑程有明显的优势。所得结论对今后类似的研究具有一定的参考价值。     

滑坡碰撞作用及其岸坡环境效应

研究发现,高速滑坡运动到谷底时,多数会与对岩岩坡发生碰撞,使滑体前部及对岸受撞岩体表部碎裂,形成滑坡碰撞构造。由于强烈的碰撞作用,滑体内部块体之间嵌合紧密。河流下切后,破碎但嵌合紧密的碰撞体卸荷松动,岸坡稳定性随之降低。由此提出滑坡碰撞模式、碰撞构造成分,并对其岸坡环境效应进行了探讨。     

云南鲁甸地震甘家寨滑坡基本特征及失稳机制

甘家寨滑坡是云南鲁甸6.5级地震诱发的特大型滑坡,规模达到1×10~7m~3。滑坡堵塞沙坝河,形成堰塞湖,中断交通,造成32户民房掩埋、55人死亡与失踪,是鲁甸地震区规模最大、灾损最严重的滑坡之一。该滑坡是地震诱发陡峻山体上的石灰岩强风化堆积体滑动而形成的特大型岩土质滑坡,表层为10~20 m固结良好的白云质灰岩结构体,中下层为50~60 m具空隙结构的深厚灰岩风化堆积物。滑坡主要的触发因素有:断层滑动方向性效应、地形放大效应、近断层地震动作用、背坡面效应。滑动过程分为坡体震裂松动、后缘拉裂、整体下滑、减速堆积4个阶段,受滑坡体原有地形影响及滑坡动力过程控制,滑坡堆积体形成4级台坎,其中第二级台坎形成高差约2 m的反向堆积。结合野外实际调查数据与滑坡运动力学模型,估算滑体水平滑动至350 m左右处,速度达到最大4.4 m/s,滑动至砂坝河时滑坡前缘速度减至3.6 m/min,堆积于河道,形成堰塞湖。甘家寨滑坡堆积体地形陡峻、堆积物裂缝密集分布,强降雨条件下,容易再次滑动并成灾,建议进行滑坡体的综合治理,控制后缘地表径流、减轻坡体下渗、强化滑坡前缘工程治理,保障交通顺畅,减轻灾害损失。     

高速远程滑坡超前冲击气浪动力学机理

超前冲击气浪是高速滑体运动过程中强烈推挤压缩周围的空气所产生。它具有强大的破坏能力,在运动路径上,对滑体前方的建筑物及人民生命财产常造成毁灭性灾难。以典型高速滑坡为原型,运用空气动力学理论,采用计算流体力学软件,建立了二维粘性、不可压缩、定常流模型,再现仿真了高速滑坡超前冲击气浪产生流场的特征,分析了其形成的动力学机理。结果表明:滑坡高速下滑中产生的超前冲击气浪压力与滑体的形态密切相关。滑体前部、尾部壁面倾角越大,滑坡外流场冲击气压越大。直立壁面滑坡体在前方500 m以内产生的冲击气浪压力相当于11～12级风力的破坏能力;翼型滑坡体产生的气浪压力最小,前方100 m以外对建筑物的破坏能力已较小,相当于6级风力。从而得出超前冲击气浪潜在威胁的范围和破坏作用的强度,为超前气浪灾害的防治提供了科学依据。     

则木河断裂中段山体溃滑事件的临界动力强度

在现代地震较为平静的则木河断裂带中段,集中分布有一系列大型古滑坡,并具有高速、远程碎屑流等强动力特征,这些现象给人类进一步探索"大规模滑坡事件"提供了诸多思索和启发。以底古村附近﹑规模达3.7×10~8m~3的巨型古滑坡为研究对象,根据地质调查数据建立山体的岩体力学概念模型。运用具有模拟动力环境条件的离散元数值分析程序(UDEC),探明山体失稳的临界动力条件为a=0.6 g,之后陆续增大地震加速度(a分别为0.8 g、1.0 g、1.2 g、1.4 g、1.6 g),观察程序计算出不同加速度条件下的滑坡堆积状态可知,当a=1.6 g时滑坡堆积状态与当前地貌相符,进一步得出诱发山体发生高速远程碎屑流运动的初始加速度为a≥1.6 g(相当于Ⅺ度地震的动力强度)的基本结果。由此推论:该巨型滑坡事件是由强度超过Ⅺ度的地震所触发,近代地震活动极为平静的断裂带中段,历史上曾发生过Ⅺ度以上强烈地震。     

砖砌体建筑在泥石流冲击力作用下动态响应实验

我国山地泥石流活动频繁,建筑物防护是山区城镇建设及泥石流堆积扇开发利用中必须解决的问题,有效模拟泥石流冲击力,研究建筑物在泥石流冲击力作用下的动态响应有助于防灾工程设计。以云南东川蒋家沟为研究区域,利用实际观测数据和对泥石流破坏现场调查分析的结果,对粘性泥石流冲击力进行理论模拟,研究砖砌体建筑在受到泥石流冲击力作用下的受力形式及破坏形态;在此基础上,进行了砖砌体结构墙体模型试件的破坏性实验,现场观测试件在冲击力作用下的破坏形态和历程,采集其动态位移及主振频率数据,得出结构开裂冲量。     

基于数值模拟的突发型黄土滑坡运动过程研究——以黑方台陈家8#滑坡为例

甘肃省黑方台地区农业灌溉诱发大量的静态液化型滑坡,此类滑坡失稳前变形迹象小、启动速度快、运移距离远,具有显著的突发特征并严重威胁到当地居民的生命财产安全。目前对突发型滑坡的运动过程,主要集中在定性和半定量研究方面,缺乏合理的定量研究。本文选取黑方台地区典型的陈家8#突发型滑坡,采用Massflow数值模拟软件对该滑坡进行反演,依据滑距及堆积范围吻合率定量判断反演结果的准确度,利用最优的吻合结果来分析滑坡启动后不同时刻的堆积厚度和运动速度,得出如下结论:(1)对于陈家8#滑坡,当内聚力为1000 Pa、内摩擦角为31°、基底液化系数为0. 63时,滑距与堆积范围吻合率分别为0. 94和0. 89,反演获得的滑坡堆积范围与真实堆积非常接近。(2)数值模拟结果显示,滑坡主滑方向的平均厚度约1. 20 m,最大堆积厚度约4. 10 m,反演结果与真实堆积厚度较为吻合,后缘高差与滑距之比为0. 05,体现此类滑坡较强的流态特征。(3)滑坡的运动过程可分为启动加速、稳定加速、减速堆积三个阶段,陈家8#滑坡从启动到最终静止整个过程仅用42 s,最大运动速度介于15 m/s至20. 30 m/s之间,启动加速阶段时间仅占滑坡运动总时间的12. 85%,而减速堆积阶段占滑坡运动总时间的77. 38%,进一步表明其流态特性,体现该类滑坡较强的破坏性。     

泥石流颗粒级配倒置浅释

泥石流固体颗粒级配倒置,影响流速垂线分布、流态与冲击力,是一个十分重要的问题。本文根据力学及流变学对泥石流固体颗粒级配倒置进行了解释,对于泥石流运动机理的认识是有裨益的。     

汶川地震触发的绵远河流域崩塌滑坡的特征

利用地震后ALOS影像自动提取了汶川地震重灾区绵远河流域内的崩塌滑坡,结合野外调查共确定地震触发崩塌滑坡1 073处,面积48.5 km2.其中分布最广、数量最多的是浅层崩滑体;同时由于地震力作用强烈,触发了许多深层、高速、远程滑坡,并形成了大量的滑坡堰塞湖.汶川地震诱发的第二大滑坡文家沟滑坡就位于流域内,该滑坡是本次地震中滑动距离最远的滑坡.地震导致大量的碎屑物质堆积在沟道内或悬挂在斜坡上,为泥石流的发生提供了有利条件.基于GIS的统计分析表明,地震滑坡的空间分布主要受发震断层的控制,流域内的崩塌滑坡受到了映秀-北川断裂和江油-都江堰断裂的双重影响,主要分布于两断裂上盘的一定范围内;地层岩性影响着地震滑坡的类型,岩浆岩、白云岩等硬岩主要发育浅层崩滑体,而上硬下软的地层多发生大型滑坡;大部分崩塌滑坡都发生在海拔1 000～2 000 m的高程内;坡度是崩塌滑坡发生的主要控制因素之一,大部分崩塌滑坡发生在25°～55°的范围内;坡向对滑坡的分布也有一定的影响,背靠震源(发震断层)方向的斜坡比面向震源(发震断层)方向更容易发生滑坡.     

大渡河双家坪古平推式滑坡堆积特征及形成机制

大渡河沿岸分布的大量古滑坡堆积体,是流域内水电能源开发及山区城镇建设的重大隐患,双家坪古滑坡堆积体就是其中的典型案例。2010年8月以来,随着瀑布沟电站库区水位升高淹没堆积体前缘,堆积体西侧区域地面及房屋出现了较大规模的变形迹象。调查表明,出现变形的区域仅是一个古老滑坡堆积体的一部分。根据现场调查和钻探手段,从地貌、物质结构特征查明了该古滑坡堆积体的边界条件、各分区的堆积特征,认为该滑坡堆积体可分为4个区,其中A、C区为主要崩落堆积区,以大块石堆积为主,块石直径1~3 m,甚至更大;B区为残留岩体堆积区,岩层保留原岩层序;D区为细颗粒物质堆积区。初步认为古滑坡堆积体为平推式滑动→推出悬空→重力折断→散落堆积→表生改造等过程的形成机制。     

金沙江下游的滑坡和泥石流

金沙江下游位于青藏高原、云贵高原向四川盆地过渡的横断山区,地形起伏大,构造变动强烈。遥感调查确定有体积大于１００×１０６ｍ３的滑坡４００个,这些滑坡大多分布在金沙江下游的中段及支流沿岸４００ｍ～３２００ｍ地带。滑波活动方式复杂多样,以高速、剧冲式和碎屑流滑坡对工程和环境影响最大。目前,约有７０％的滑坡处于局部活动状态。调查区内,有流域面积大于０．２ｋｍ２、堆积扇面积大于０．０１ｋｍ２的一级支流沟谷型泥石流４３８条,主要分布在调查区中段。其中粘性泥石流２９９条,占总数的６８％,稀性泥石流仅占总数的１１％。本区泥石流处于活跃期,新泥石流还在大量发展。本区滑坡、泥石流灾害严重,对环境有巨大影响。     

四川汉源二蛮山高速滑坡-碎屑流基本特征及地质演化

2010-07-27凌晨,四川省汉源县万工集镇后山因持续暴雨而突发高位高速远程滑坡-碎屑流,最大滑程约1.4 km,启动时滑坡体约48×104m3,沿线裹挟和铲刮沟谷及其两侧边坡松散体,到达坡脚部位滑坡碎屑流体积增大至100×104m3,最终导致沿沟的双合村一组5户20名村民失踪及下游万工集镇部分房屋被掩埋而倾倒破坏。滑坡启动区发育于万工集镇后侧二蛮山大沟内,沟左侧为二叠系灰岩(P1y),顺坡倾向沟内;右侧为强风化的二叠系峨眉山玄武岩(P2β),节理极发育;沟内早期堆积物丰富,特别是沟上游还存在一大型古滑坡体;这些不稳定物源在有利地形条件及降雨诱发下极易形成滑坡。原始沟谷上游高位陡峭地形导致山体具备高位潜在势能,具备形成高位高速远程滑坡-碎屑流的地形条件。2010-07-24—26的降雨是触发此起特大灾害的主要原因,累计降雨量达163 mm,在水的作用下启程剧动并高速下滑。采用将今论古的地质方法,从地质构造、地层序列、岩体坡体结构及坡体变形等角度研究了二蛮山滑坡孕育的地质演化史,再现了滑坡区域历史时期中重要的地质活动过程。     

滚石颗粒随机碰撞模型的理论分析

准确预测滑坡滚石随机碰撞后的力学特性对滚石灾害预测与防治工作具有重要的意义。为了探究影响滚石—壁面碰撞过程的随机因素,本文选取了碰撞过程中4个主要影响因素(入射速度、初始旋转角速度、入射角度以及碰撞角度),建立滚石随机碰撞理论模型,基于接触理论得到滚石碰撞过程中的基本方程,进而推导出滚石碰撞后速度公式,并且结合工程算例分析了入射速度、入射角以及初始旋转角速度对滚石的反弹速度、运动轨迹以及总动能的影响。结果显示:(1)滚石颗粒入射速度、角度以及旋转角速度对碰撞过程影响显著;(2)当滚石入射速度增加时,滚石碰后水平运动距离呈线性增大,垂向最大弹跳高度和碰后总动能成幂函数型增大;(3)当滚石入射角增大时,滚石碰后水平运动距离、垂向弹跳高度均呈减小趋势,前者幅度远大于后者,碰后总动能随着入射角的增大不断减小;(4)当滚石的初始旋转由顺时针变为逆时针增大时,滚石发生回弹现象,水平运动距离不断增大,垂向最大弹跳高度逐渐减小,碰后的总动能随着初始旋转的改变先减小后增大。该随机碰撞模型可为滚石的运动轨迹以及冲击能量的预测以及滚石灾害防治提供一定的理论依据。