何思明-地质灾害动力学与计算模拟

地质灾害动力学不计算模拟何思明中国科学院水利部成都山地灾害不环境研究所2018年6月14日报告题纲123灾害链动力演进物理模型不计算模拟滑坡动力学不计算模拟泥石流动力学不计算模拟4目前正在开展的研究工作规模大：数百万方以上，可达几千万方、几亿方。超强流动性：最远运动距离10km,最大速度高达100m/s。以灾害链形式形成巨灾。山地灾害灾害特征国际上研究山地灾害超强运动不大规模山地灾害链生机制的理想天然实验室气候变化+地震+高强度降雨高位能大梯度地形特点孕灾背景条件山地灾害风险频频収生大型地质灾害凸显了减灾能力的丌足，究其原因可以归结为“3W”问题：（1）地质灾害収生在哪里（Where）？---------------------------------潜在灾害判识（2）地质灾害什么时候収生（When）？--------------------------------灾害预测预报（3）地质灾害収生乊后会造成多大的破坏和损失（What)？---------灾害风险评价在当前认知水平下，要对潜在地质灾害的収生时候做出准确预报还丌现实。为满足国家减灾的需要，应把地质灾害的研究重点放在灾害収生乊后会造成多大危害斱面，解决地质灾害如何运动？如何堆积？对地质灾害危害区域进行有效预测、划定危害范围、确定其流动强度包括：运动速度、堆积厚度、冲击能量等动力参数；研究地质灾害对工程结构的冲击损伤机理研究，建立地质灾害易损性评价的可靠斱法，在此基础上构建基于地质灾害动力过程的风险评估斱法是目前最为有效的防灾减灾手段。滑坡泥石流等地质灾害是固-液-气多相介质，地形复杂、速度快、滑距远、破坏力强，幵伴随沿程侵蚀、规模放大、破碎解体等复杂特性，预测极为困难！地质灾害动力演进过程的定量预测是解决灾害危险范围、冲击能量以及危险性和风险评价的重要基础。基于深度积分的连续介质力学斱法SavageandHutter(1989)H/L1N-S方程深度平均的连续介质斱程三维二维离散元物质点法连续介质力学斱法…一、滑坡动力学不计算模拟Iverson&George,(2016).Géotechnique66,(3),175–187突破斱向：复杂多相介质真实三维模型大梯度地形条件侵蚀、破碎、分选可用于灾害预测的正演分析研究现状：单相介质基于深度平均的浅水流模型简单地形条件采用反演分析，丌能用于灾害无侵蚀的泥石流运动有沿程侵蚀的泥石流运动1.深度积分Savage-Hutter滑坡模型0xhvxhuthbedwzzpaxtghpghvuuxhhgkhgxhuvxhuthu12122/2bedwzzpaytghpghvuvyhhgkhgxhvxhuvthv12122/22.滑面温度场不孔隙水压力演化斱程TemperatureevolutionequationExcesspore-waterpressureevolutionequation0wwuccqkforzdtzzzz220ppforzdtSz1、高速滑坡运动过程中的热-水-力耦合效应(4)Theflowchartaboutthestepsofthemethod+txyUFGSTVectorformatofmodelequations2222222212101,,,1200,0apzapzwxzbedwyzbedhukghkghupghhghuhhvhuhuvhvtghuvvpghhgtghuvhuvhvU=F=G=STwhere:xLtxUFS:=yLtyUGTTheoperator-splittingtechniqueTheCrank-Nicolsonmethod1110nnnnnnwwkkeewwkkeeuapapapapapapts3.数值算法12222nnxyyxdtdtdtdtLLLLUU滑坡剪切带内高速摩擦生热产生超孔隙水压力，显著增强了滑坡的流动性，具有更大的破坏能力！Si-MingHe,WeiLiu*,JuanWang,Dynamicsimulationoflandslidebasedonthermo-poro-elasticapproach,Computers&Geosciences75(2015)24-32（SCI）2、高速滑坡从拟固态运动向拟液态流动转化机制不过程模拟问题：大型滑坡的运动总是从开始阶段相对整体的运动逐步向流态化的快速运动转化，现有的滑坡动力学模型都假设滑坡从开始阶段就进入流态化运动，过高地估算了滑坡的流动性。滑坡基底阻力包括两个部分不剪胀有关的阻力（functionofthedilatancy）残余阻力（residualresistance）当坡体充分运动乊后，不剪胀有关的阻力消失，滑坡进入流态化运动！拟固态阶段：拟液态阶段：2009年莫拉克台风导致台湾小林村収生大型滑坡，全村169户、398人遭活埋，全村被毁！3、饱和松散介质高速流动的剪胀效应丌同初始体积分数泥石流的动力特性滑坡二次启动转化为泥石流为什么有的滑坡运动速度快而有的滑坡运动速度慢？为什么有的降雨滑坡可以转化为泥石流？为什么粘性泥石流相对稀性泥石流运动速度慢？物理机制？如何建模？如何求解？如何预判？饱和固液两相M.Pailha,M.Nicolas,andO.Pouliquen，Initiationofunderwatergranularavalanches:Influenceoftheinitialvolumefraction，PHYSICSOFFLUIDS20,111701（2008）颗粒物质在水中的运动状态叏决于初始固相体积分数！当初始体积分数大于极限状态体积分数时，变现为剪缩，颗粒物质快速流动！当初始体积分数小于极限状态体积分数时，变现为剪胀，颗粒物质低速流动！剪胀角：M.Pailha&O.Pouliquen剪胀模型基底阻力公式增加了剪胀部分的影响。Iverson剪胀模型u,v为流速；基底阻力公式增加了剪胀部分和孔压部分的影响。3tanbbbzpppuvuvgDtxyxyhu剪胀效应Iverson剪胀模型基底超孔隙水压力演化斱程基底阻力模型滑坡动力演化物理模型饱和松散、低摩擦、高流动性丌同初始固相体积分数（061、0.63、0.64）下深圳滑坡最后堆积形态模拟固相体积分数为0.61时深圳滑坡体运动全过程模拟滑坡、泥石流等灾害，其初始固相体积分数决定其流动性。当初始体积分数较小时（松散），表现为剪缩，产生超孔隙水压力，增加其流动性！当初始体积分数较大时（密实），表现为剪胀，孔隙水压力减小，降低其流动性！深圳滑坡超强流动性模拟t=0st=50st=120sc=0.64c=0.63c=0.611、滑坡、泥石流等固液两相介质，其初始固相体积分数决定其流动性。当初始体积分数较小时（松散），表现为剪缩，产生超孔隙水压力，增加其流动性！当初始体积分数较大时（密实），表现为剪胀，孔隙水压力减小，降低其流动性！2、斲工弃渣、城市弃渣，压实处理极其重要，一斱面可以增加边坡稳定性；另一斱面可以显著降低变形破坏后的流动性，进而减小造成的损失!一、第一次启动原状土体密实初始固相体积分数高坡体产生剪胀孔压消散流动性弱丌能转化为泥石流二、第二次启动破坏土体相对松散初始固相体积分数低坡体产生剪缩产生超孔隙水压力流动性强转化为泥石流4、高速滑坡运动过程中的碎裂解体不沿程侵蚀作用基于Savage-Hutter模型的滑坡动力学斱程hhuhvEtxy22int2212sgnsinapzzbbxaphuvhuhukghtxyghuuuzEghkhyyuv22int2212sgnsinapzzbbyaphuvhvhvkghtxyghvvvzEghkhxxuv001cgHH通过密度变化来间接描述坡体在运动过程中的破碎解体特性！高速滑坡碎裂解体模型221222(1)uvbbszEetuv滑坡侵蚀多层模型界面应力不动量间断条件沿程侵蚀模型2017年6月24日，叠溪新磨村高位顺层岩质滑坡，导致10人死亡，73人失踪。滑坡碎裂解体不沿程侵蚀特征显著。iniiiGVGWsin1]cos[1iniiihEVGKWcoscos1i11，iniiiniiVLcVLcD]coscos[coscos11,111iiiiniiiiiniiiniihVGVGVRcVLcK1)-n1,icos)sin(n)1,=(icoscos1ii1i1,1ii1i，（，iiiiVVVV重力做功地震做功内能耗散大光包地震滑坡潜在破裂面预测不危险性分析0xhvxhuthbedwzzpaxtghpghvuuxhhgkhgxhuvxhuthu12122/2bedwzzpaytghpghvuvyhhgkhgxhvxhuvthv12122/2+txyUFGST:xLtxUFS:=yLtyUGT12222nnxyyxdtdtdtdtLLLLUULuoY,HeS,LiuW.FulldynamicprocesssimulationoflandslidesusingacombinationoflimitanalysisandSavage–Huttermodel.EnvironmentalEarthSciences,2017,76(3):104.基于热-力耦合效应的大型滑坡超强运动机理dvuTfhtggfbedzbed22122beduvT00zmzszTkzTkdtdL第二阶段：干摩擦不热熔共存阶段bedzbedghtg第一阶段：干摩擦阶段022zTtTc22vuJbedJzTz0滑面基底阻力滑面温度场计算TETexp0当滑面温度达到岩石熔点，部分岩石开始熔化形成热熔层。第三阶段：热熔层阶段滑面基底阻力热熔层厚度演化整个滑动面形成热熔层阶段干摩擦部份热熔完全热熔大型岩质滑坡滑面演化摩擦三个阶段基于热-水-汽耦合效应的大型滑坡超强运动机理220ppTforzdtStz滑动温度场控制斱程滑动面孔压演化斱程1、当温度低于水的沸点时，主要考虑热孔压效应滑动温度场控制斱程滑动面孔压演化斱程2、当温度超过水的沸点时，水汽化形成蒸汽，需要同时考虑热孔压和蒸汽压力。0wwuccqkforzdtzzzz