级配与拦挡位置对滑坡碎屑流运动影响研究

为了研究不同级配的高位滑坡碎屑流经多级偏转后冲击不同拦挡结构的运动特性以及致灾效应,结合自然地形构建固定坡度和偏转角度均为45°的离散元模型,并利用DEM软件进行数值模拟分析不同拦挡工况和不同级配对碎屑流颗粒运动过程中能量耗散、最终堆积形态,以及碎屑流冲击挡板的作用高度的影响,进而建立相关冲击力学模型。研究结果显示:(1)上下均设置挡板的工况能有效减缓碎屑流颗粒的平均动能和势能,且能有效降低颗粒流翻越挡板的数量,并降低颗粒流的最大运动距离从而减小致灾范围;随着颗粒组级配的增大,势能时程曲线分散点出现的时间越晚,颗粒流最终堆积面积中细颗粒组最大,粗颗粒组最小。(2)当滑槽底部反作用力位置取2/3静止堆积体长度时,计算所得碎屑流最大冲击作用高度与模拟试验结果相接近,力学模型计算的冲击作用高度在0.017~0.138 m。在实际工程中,可按研究相似比对此范围进行加强抗冲击防护。(3)由于侧板的切向力和“颗粒分选效应”,大颗粒会主要冲击挡板的中上部,小颗粒主要冲击挡板的下部,并受偏转角影响集中在一侧,因此工程设计可根据实际情况避免在沟道偏转方向的反向建设工程。研究结果可为高位滑坡碎屑流灾害的治理防护提供参考。

基于离心试验与离散元模拟的滑坡碎屑流冲击效应研究

滑坡碎屑流物质组成的复杂性造成其对工程结构的冲击效应尚未被完全理解,特别是粒径大小与级配特征如何影响冲击力及其组成,以及拦挡结构设计中如何考虑粒径特征的影响,当前仍缺乏深入的研究。针对这些问题,开展了一系列离心试验与离散元模拟分析,研究结果表明滑坡碎屑流的颗粒粒径控制着冲击力的波动行为,即随着粒径的增大,总冲击力的峰值越来越明显,且伴随着显著的离散冲击力值。小粒径颗粒对大粒径颗粒存在明显缓冲效应,且小颗粒在冲击过程中更容易进入大颗粒的孔隙,进而贡献作用力,因此粒径和级配特征同时控制着冲击力的绝对值。不同粒径特征控制着颗粒尺度上动量传递机制,进而改变了滑坡碎屑流的冲击效应,由此造成冲击动压力系数α随着Savage数的增大基本上呈现出递增的关系,因此建议采用Froude数与Savage数作为双控指标,辅助确定冲击动压力系数α。此外,通过分析冲击力合力作用位置,发现工程设计中可按总冲击力峰值及矩形分布荷载进行考虑。

离心-科氏复合条件下体积对滑坡碎屑流流动性的影响研究

科氏效应已逐渐成为限制土工离心机处理高速滑坡碎屑流灾害的关键难题之一,特别是在基于离心试验研究体积如何影响滑坡碎屑流流动性方面所涉及的科氏效应问题上,当前仍缺乏深入研究。围绕这一问题,基于土工离心试验与离散元模拟试验展开研究,分析了不同科氏条件下不同初始体积对滑坡碎屑流运动过程与堆积范围的影响。结果表明,科氏力改变了滑坡碎屑流势能向动能的转化效率以及最终搬运距离随体积增大而被强化的幅度,惯性流运动机制与粒子脉动抑制机制及其转变是控制离心-科氏复合条件下不同体积滑坡碎屑流流动性的关键原因。考虑到实操性,物理离心试验中建议尽量保证流向与离心机旋转方向相同的配置,同时可用线性模型对模拟结果进行校准。

滑坡碎屑流消能桩结构动力计算与设计方法

滑坡碎屑流由于体积大、速度快和运动距离远的特性,常常在下游造成较大破坏形成严重的自然灾害。基于消能桩与滑坡碎屑流结构的动力相互作用过程,采用功能原理和结构力学方法,推导了消能桩对滑坡碎屑流能量耗散的理论计算模型。首先,通过冲击力计算模型获得滑坡碎屑流冲击力的垂向分布;其次,由悬臂梁挠曲变形的关系确定其抗弯反力;然后,根据滑坡碎屑流在坡面上流动的面积、厚度估算消能桩的反力,以及在反力方向上碎屑流通过的距离;最后,计算单根桩的动能耗散量。采用推导的公式进行消能桩的优化设计:综合考虑下游防护对象的位置和滑坡体的堆积位置,计算消能桩的“消能效益”,确定消能桩的数量;根据最大块石的冲击力作用,计算需要消能桩的排数,从而确定消能桩的排布设计。选取一个滑坡碎屑流实例,采用上述理论计算模型设计消能桩,计算出消能桩的数量和排数,并根据计算结果进行优化布设。结果表明,该模型适用于消能桩的优化设计与应用。

基于物质点法的远程滑坡碎屑流运动过程模拟及特征分析

目的 研究远程滑坡碎屑流运动过程以及运动过程中速度、滑动距离、动能变化,为滑坡碎屑流灾害的预防和治理提供参考。方法 基于物质点法,以塔合曼和乱石包两个远程滑坡碎屑流工程实例为背景,对两个滑坡碎屑流的运动过程进行数值模拟;并对塔合曼滑坡碎屑流运动过程中水平、垂直方向运动速度分布,内摩擦角对运动过程的影响,以及乱石包滑坡碎屑流铲刮效应对堆积形态、动能变化的影响进行分析。结果 两个滑坡碎屑流最终堆积形态模拟结果与实测结果吻合良好,验证了数值模拟结果的有效性;塔合曼滑坡碎屑流随着内摩擦角从18°增加到33°,动能峰值降低71.4%,最终势能增加54.4%,滑坡碎屑流的能量耗散减小47.8%;在乱石包滑坡碎屑流实例的模拟中,速度云图呈现了滑体速度场的层状分布特征。结论 内摩擦角对滑坡碎屑流的动力过程影响十分显著;乱石包滑坡碎屑流的滑体在高速滑移阶段存在强烈的内部剪切作用,并且铲刮效应对滑坡碎屑流的运动起到了一定的阻碍作用。

贵州都匀马达岭滑坡碎屑流动力演化过程分析

下伏采空层及节理发育对滑坡崩塌致灾过程具有重要影响。为进一步探究节理对岩体的切割破碎作用与特征,基于无人机航摄及对马达岭滑坡碎屑流的野外调查,采用颗粒离散元方法模拟了下伏采空区含节理的滑坡碎屑流动力破碎过程,对产生破碎体的数量变化和粒径分布进行了分析。结果表明:(1)马达岭滑坡碎屑流发育过程可归纳为后缘拉裂-阶梯状蠕滑拉裂-剪切变形-滑面贯通-滑体整体破坏,节理与下伏采空区的冒落作用促进了滑体破坏破碎过程;(2)破碎在滑体破坏和运动堆积过程中均有发生,且运动堆积中的破碎占主导地位;(3)采用Weibull双参数模型拟合的结果表明,滑体内的细粒径破碎体持续增加,最终堆积体以中小粒径破碎体为主,论证了滑体运动堆积过程中的破碎解体现象。研究为此类下伏采空区含节理的滑坡碎屑流的破碎机理分析提供了新的思路,证明了下伏采空区冒落作用及节理切割作用对岩体破碎的影响,对类似地质条件区域的滑坡碎屑流灾害防治具有一定指导意义。

偏转地形约束条件下滑坡-碎屑流运动速度与颗粒分布的试验研究

滑坡-碎屑流在行进中受到侧向地形约束与挤压,运动方向发生偏转,侧蚀、侧向冲击或掩埋原低风险分区内的建筑结构。偏转地形约束条件下滑坡-碎屑流致灾参数分布演化特征及过程,包括运动速度、堆积分布、颗粒分选等的分析与反演是有效防控此类地质灾害的前提与基础。前期滑坡-碎屑流模型试验较少考虑其在受地形偏转作用影响下的运动特征,结果与实际观测不符。本文以典型滑坡碎屑流为原型,改进模型试验装置,采用物理模型试验,探究偏转点前后碎屑流运动速度和颗粒分布变化。研究结果表明:(1)碎屑流的运动速度在偏转点显著下降,并在偏转点后急剧增加并达到峰值,呈现出急加速、波动加速、地形偏转作用导致的速度剧烈下降、运动堆积区的逐渐下降、堆积停滞区的快速下降五个变化阶段。(2)滑坡碎屑流最大堆积厚度位于偏转点之后。(3)碎屑流大、小颗粒在堆积体表层、下层的质量占比分别为50.7%、65.1%,呈现明显的颗粒分选特征。在沿碎屑流运动的纵向和横向方向上,不同粒径的质量占比在偏转点附近与初始状态一致。沿纵向方向上,大颗粒质量占比呈现短距离减小分布,而后随运动距离的增加,质量占比增大,由初始状态的28.3%增大到49.6%;而小颗粒的质量占比则呈现先增加后减小的分布特征,由初始状态的44.0%减小到23.5%;在横向方向上,两侧大颗粒的质量占比大于中部,而小颗粒则相反。研究结果可以为受偏转地形作用的滑坡-碎屑流致灾参数演化和灾害防御提供参考。

滑坡-碎屑流运动堆积特征与能量耗散规律

为深入探究滑坡-碎屑流运动堆积特征与能量耗散规律,通过简化地形特征,考虑体积效应和启滑高度关键因素,建立室内滑坡碎屑流试验模型,监控并获取模型运动与堆积过程特征参数,揭示滑坡碎屑流运动学特征。此外,应用TS方法模拟滑坡碎屑流缩尺模型的运动全过程,反演获得碎屑流模型关键动力学参数,结合试验和数值方法定量研究碎屑流的运动过程(距离、厚度、速度等)、堆积特征以及能量转化规律。结果表明:滑坡体积与启滑高度对碎屑流最大运动距离的影响程度较为相近,启滑高度对堆积体宽度几乎没有影响;碎屑流平均速度先增大至峰值后逐渐减小,速度峰值受到启滑高度影响明显,碎屑流前缘速度显著大于中部及后缘速度;碎屑流重力势能转化为动能的效率在10%~25%,且转化效率随着启滑高度的增加而增大,而体积对转化效率影响较小。综合研究了滑坡碎屑流运动堆积特征和能量耗散规律,成果对滑坡碎屑流动力学机制研究提供支撑,对防灾减灾具有一定的价值。

汶川八级地震触发何家沟碎屑流滑坡基本特征及形成机理

汶川地震造成大量次生斜坡地质灾害,包含崩塌、滑坡及泥石流等灾种,其中以滑坡分布最为广泛、破坏力最强,且多以高速碎屑流为表现形式,何家沟滑坡即是其中典型例证。滑坡距发震断裂——映秀-北川南枝断裂不足5 km,震前斜坡为双向临空的单薄山脊,其走向与断裂走向小角度相交,岩层走向与坡面斜交,中风化基岩结合紧密,结构面延伸性较好,强风化基岩较破碎,浅表部残坡积物较为松散。调查分析表明:残坡积物与强风化基岩是碎屑流滑坡的物质基础;中风化基岩面构成碎屑流滑坡滑床;斜坡临空面是滑坡产生的地形条件;高强度、长历时强震是导致滑坡产生的根本因素。滑坡的形成经历以下4个阶段:强震导致坡体表层残坡积物与强风化基岩松弛和解体;在强震作用下滑体从高位整体下错;松散物质沿中风化基岩面溃滑形成碎屑流和碎屑流堆积阶段。碎屑流产生后,受地形限制,停积于沟床内,在随后的"9.24"特大暴雨过程中进一步转化为泥石流次生灾害。

滑坡碎屑流冲击挡桩的模型试验研究

【目的】研究滑坡-碎屑流在真实三维地形上的运动冲击过程及其堆积形态。【方法】使用PFC3D数值模拟重现模型试验,分析碎屑流冲击力的影响因素。【结果】较高的挡桩能更有效地减缓冲击力,并减少碎屑流的运移距离和堆积长度;颗粒粒径或体积增加时,碎屑流造成的冲击力会增大;挡桩所在截面颗粒冲击力大致呈正态分布,中部挡桩所受冲击力最大,往两侧冲击力逐渐减小。【结论】通过数值模拟研究碎屑流冲击力,可为后续防治提供参考。

滑坡-碎屑流物理模型试验及运动机制探讨

滑坡-碎屑流由于高速、远程的特点常常引发灾难性事故,其复杂的运动机制导致预测致灾范围非常困难。通过开展室内模型试验,研究了碎屑粒径、滑床糙率和挑坎对运动特性的影响。试验结果发现,滑坡碎屑运动距离受控于前端碎屑,且随着碎屑的粒径增大而增加,增加滑床糙率、挑坎均可使碎屑的运动距离减小。在前人研究成果的基础上结合碎屑材料的力学特性探讨了滑坡-碎屑流出现流态化的原因和高速远程机制,即高速运动中颗粒间的作用力远小于完整岩体,因此颗粒间的"黏聚力"不能维持滑坡体的整体性,同时致使滑坡体与滑床接触的过程中传递至滑坡体内部的摩阻力减少,从而导致碎屑滑坡的远程结果。

重庆万盛煤矸石山自燃爆炸型滑坡碎屑流成因探讨

2 0 0 4 - 0 5 - 0 5重庆万盛胡家沟煤矸石山发生滑坡碎屑流灾害。灾害发生时,伴随巨大的响声和刺鼻气味,约2 0×10 4m3 煤矸石碎屑以极高初始速度崩滑而下,滑体横扫运动途中一切障碍,垂直坡降32 0m ,水平运动距离6 0 0m。造成重大人员和财产损失。通过实地考察和实验研究,作者认为煤矸石山中硫铁矿和碳氧化物升温,煤矸石山自燃、内部热量大量积聚所导致的煤矸石山的爆炸。

高速远程滑坡-碎屑流运动机理研究发展现状与展望

高速远程滑坡-碎屑流具有极高的运动速度和超远距离的位移,往往能够引发灾难性事故,造成严重的生命财产损失,因此,它的运动机理,即高速远程效应机理一直是国内外学者研究的热点。目前国外主要存在四种观点:空气润滑模型、颗粒流模型、能量传递模型和底部超孔隙水压力模型。但是,由于高速远程滑坡-碎屑流自身的复杂性,到目前为止,研究还没有取得公认的成果。中国是高速远程滑坡-碎屑流的频发区,因其研究才刚刚起步,研究成果还处于定性阶段。本文在查阅大量文献的基础上,从理论和技术两方面分别阐述了国内外高速远程滑坡-碎屑流运动机理研究的发展现状,对目前纵多的理论和模型进行了归纳与总结,点评了目前研究的难点,并在此基础上提出了今后的研究重点。本文是国内外首次对该领域的研究进行系统的归纳和总结,对今后类似的研究具较高的参考价值。

强震条件下谢家店滑坡碎屑流发生机制试验研究

谢家店滑坡是5.12汶川大地震触发的较为典型的高速远程滑坡之一。通过滑坡岩体碎屑动荷载力学试验以及微结构特征分析,初步探讨了强震条件下滑坡碎屑流发生的动力学机制。结果表明:红色正长花岗岩的空隙和裂隙的发育程度均高于黑褐色砂岩;随着应变速率的增加,两种岩石的抗剪强度都有相应增加的趋势,且黑褐色砂岩的强度高于红色正长花岗岩;在加载速率持续增长的情况下,两种试样抗剪断强度拟合直线斜率相同,故强度增长速率相等;汶川地震使两种岩石均达到了其抗剪强度,所以岩体的剪切破坏是导致该滑坡发生的主要原因之一。

都江堰市五里坡高位滑坡-碎屑流成因机制分析

2013年7月10日发生的四川省都江堰市中兴镇三溪村五里坡滑坡-碎屑流,属于典型的降雨型高位斜向层状岩质滑坡-碎屑流灾害。在前人研究成果梳理和进一步野外调查的基础上,分析总结了五里坡滑坡-碎屑流的成因及演化模式,并对五里坡高位滑坡在降雨作用下的后缘裂隙扩展判据和滑坡启动判据进行了定量计算。研究表明,五里坡滑坡的演化模式为后缘拉张裂隙形成→降雨作用下裂缝开始扩展→动、静水压力联合作用下斜坡沿泥质软弱层滑动→后缘拉裂槽形成→"7·10"强降雨诱发滑坡复活→滑体前缘临空崩落、加速→崩滑体沿沟谷铲刮、运移→堆积停止。从力学角度推导了前期降雨作用下滑体后缘裂缝自动扩展的最小深度、滑坡失稳的临界水头高度和临界降雨强度的计算公式,得出充满水的后缘裂缝在静水压力作用下开始自行扩展的临界深度为11.3 m;后缘裂隙贯通至滑带后,当五里坡斜坡体在后缘裂缝水头高度达到9.8 m时滑坡处于启动的临界状态。

汶川地震触发文家沟高速远程滑坡-碎屑流成因机理分析

文家沟高速远程滑坡-碎屑流位于映秀—北川断裂带与灌县—安县断裂带夹持的文家沟向斜断块中,地震断裂的强烈活动引起的振动效应是形成滑坡的先决条件。滑坡源区顶端与文家沟沟口高差约1360m,突兀山体下临深切峡谷的地形使地震动荷载在山脊部位的放大效应显著,并直接导致坡体破坏;滑坡源区的地震动加速度3分量峰值分别为aEW=2.4g,aNS=2.3g,aUP=1.2g。D2gn观雾山组石灰岩斜坡具有强度渐进式分层结构,坡体表层以下约50m内的结构相对松散的残坡积层～新鲜岩体上部无法抵抗地震纵横波的周期性拉压与剪切耦合作用,被切割成为初始滑体;滑体在第八级台地边缘高位剪出后,在文家沟上游地区最高滑移速度约介于93m.s-1～122m.s-1之间。滑体上部的干碎屑流在两处路径转折端瞬间压缩沟谷内的圈闭气体,形成明显的"气垫效应",滑体下部泥石流底层液化和颗粒有效动摩擦系数随剪切速度增大而减小的效应都是导致碎屑流体高速远程滑移的关键;同时,碎屑物流通过程中还伴有明显的岸坡铲刮与翻越效应、以及树木摧削效应。汶川地震后截至2009年9月,降雨诱发碎屑堆积物形成多次泥石流,反映了地震地质灾害的链生性和长期性。

2010年7·27四川汉源二蛮山滑坡-碎屑流特征与成因机理研究

2010年7月27日凌晨4时许,四川省汉源县万工乡二蛮山发生大规模滑坡,约48×104m3的强风化玄武岩体,在前期降雨的影响下高位高速滑出,随即解体转化为碎屑流,沿沟谷高速运动,沿途不断携卷和铲刮堆积于沟床及两侧斜坡的表层松散物质,使滑体的体积和含水量不断增大。当运动到沟谷中段时,因沟道在此向右偏转,在强大的惯性力作用下,部分碎屑流体冲向左岸斜坡,将居住于此的双合村一组5户村民房屋掩埋,造成20人失踪;另一部分碎屑流体继续沿沟谷高速运动近1.4km才最终停止。约30m in后,堆积于沟谷中段深切沟道内的滑坡堆积物,在重力作用下再次启动,形成二次滑坡。二次滑坡缓慢蠕滑流动数小时,最终到达万工新集镇,将部分房屋推倒掩埋,造成92户房屋受损、1500人被迫紧急转移。本文在对灾害现场进行详细地质调查的基础上,结合现场测绘、颗分试验、航拍等手段,对二蛮山滑坡体的基本特征进行了较深入的调查研究,对滑坡发生及成灾原因进行了初步分析。结果表明,滑源区相对突出的地形条件、风化破碎的玄武岩体和有利的结构面组合是滑坡发生的基本条件;前期降雨期间爆发的泥石流对滑源区坡脚的掏蚀、强降雨的饱水加载作用以及雨水沿陡倾张裂结构面的下渗软化作用,是诱发滑坡发生的直接原因。二蛮山沟谷原为一高频泥石流沟,滑坡发生前并无明显的滑坡迹象,滑坡的发生表现出极强的隐蔽性和突发性以及高位高速远程运动和危害巨大的特点,同时,主滑坡发生后在短时间内滑坡区再次启动发生二次滑坡,这些现象和特点具有特殊性,也具有典型性,值得深入研究。

东河口滑坡-碎屑流高速远程运移机制探讨

青川东河口滑坡-碎屑流是"5.12"汶川大地震触发的典型高速远程滑坡,滑坡自高程1300m处开始滑动,总滑程约2400m,致使780余人遇难。野外调研结果表明,该滑坡自启动到最终静止,分别经历了滑坡启动阶段、重力加速阶段、圈闭气垫效应飞行阶段、撞击折返阶段及长距离滑动堆积阶段5个重要动力过程,最终抵达下寺河左岸的红花地村并形成堰塞湖。文中通过对该高速远程滑坡-碎屑流的地质背景及形态特征进行剖析认为,东河口滑坡启动区的断层破碎带、局部凸起地形以及力学性质较差的千枚岩、板岩的存在,对该滑坡的启动均有着显著影响;滑坡体在运行一段距离后是否可以继续保持高速远程滑动,除了有利的地形外,滑体滑动路径上高含水量的溪流堆积物的存在,是促使该滑坡成为高速远程滑坡-碎屑流的重要原因之一。

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。

2019年7月23日贵州水城县鸡场镇滑坡-碎屑流特征与成因机理研究

2019年7月23日20时40分许,贵州省水城县鸡场镇坪地村岔沟组发生高位滑坡,高速运动的碎屑物质沿途铲刮坡面原有松散崩滑堆积物,最终形成体积约为191.2×10~4m^3的堆积体,摧毁坡脚的居民区,造成43人遇难,9人失踪。通过对灾害发生现场进行详细的地质调查,本文综合运用无人机航拍、现场测试等技术手段,对鸡场滑坡特征进行了详细描述,初步阐述了滑坡发生的动力学过程和成因机理,并对残余滑坡堆积体的潜在危险性进行了分析。初步研究结果认为,滑坡源区特殊的地形条件、风化碎裂的玄武岩体和不利的岩体结构面是滑坡形成的内因,强降雨的饱水加载和下渗软化作用,以及公路切坡扰动是导致滑坡发生的外因。鸡场滑坡发生前斜坡无明显的变形迹象,表现出极强的隐蔽性和突发性。滑坡发生后碎屑流远程运动了约1.3 km,造成了巨大的危害。深入研究鸡场滑坡的形成过程和成灾机理,对我国西南山区存在类似条件的地质灾害隐患点的减灾防灾工作,具有重要的指导意义。