CN109344451B - 岩质滑坡碎屑流最大水平运动距离计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种岩质滑坡碎屑流最大水平运动距离计算方法，涉及地质灾害防治与预警研究技术领域。该岩质滑坡碎屑流最大水平运动距离计算方法应用于岩质滑坡碎屑流。包括获取参数步骤和计算步骤，通过对潜在岩质滑坡体的参数进行勘测，获得滑坡‑碎屑流的体积V、碎屑体下落高度H、预判其失稳后岩体的解体程度，并预测最大的块石直径d，预判其失稳后的运动轨迹，并预测滑移段宽度B和坡度α，将所获参数代入最大水平运动距离计算公式进行计算，从而测算出滑坡碎屑流的最大运动距离。建立较精确的坡‑碎屑流的最大运动距离计算方法，能够对滑坡碎屑流的危险范围进行预警，极大的提高了防灾适用性。

Description

岩质滑坡碎屑流最大水平运动距离计算方法

技术领域

本发明涉及地质灾害防治与预警研究技术领域，具体而言，涉及一种岩质滑坡碎屑流最大水平运动距离计算方法。

背景技术

目前，全球气候变化导致了天气系统紊乱和局部地区强降雨现象，加之愈来愈剧烈的人类工程活动，致使地质灾害频繁发生。高速远程滑坡不仅自身失稳后影响范围广，其在脱离母岩后形成的远程“崩→滑→流”复合灾害地质体，可以运动异常远的距离，并带来毁灭性破坏和重大人员伤亡。

高速远程滑坡形成的碎屑流，其原有的斜坡岩土体结构已经完全破坏，重新形成了新的流动结构，在各种荷载的共同作用(包括岩土体失稳时自身造成的振动作用)下远程运动，造成严重损失。因此，碎屑流所能够达到的最大堆积距离是其重要的参量之一，也是对碎屑流灾害预警和评估最重要的参量，针对潜在岩质滑坡体开展的运动距离研究，对滑坡碎屑流最大水平运动距离的计算，有助于对其致灾范围进行预测，对地质灾害防灾减灾工作具有非常现实的意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种岩质滑坡碎屑流最大水平运动距离计算方法，应用于岩质滑坡碎屑流，能够较准确的计算其最大水平运动距离，从而划分最大危险范围，可以为减少滑坡碎屑流灾害的损失提供有力的依据。

本发明的实施例是这样实现的：

基于上述目的，本发明的实施例提供了一种岩质滑坡碎屑流最大水平运动距离计算方法，应用于岩质滑坡碎屑流，包括以下步骤：

获取参数步骤：

a、对潜在岩质滑坡体进行调查测绘，确定滑坡-碎屑流的体积V 和碎屑体下落高度H；

b、预判潜在岩质滑坡体失稳后岩体的解体程度，并预估所形成碎屑流中最大的块石直径d；

c、预判定潜在岩质滑坡体失稳后的运动轨迹，并确定滑坡碎屑流滑移段的宽度B和坡度α；

计算步骤：将获取的参数代入滑坡碎屑流最大水平运动距离的计算公式，进行计算，其中，计算公式为：

另外，根据本发明的实施例提供的滑坡碎屑流最大水平运动距离计算方法，还可以具有如下附加的技术特征：

在本发明的可选实施例中，所述获取参数步骤中，通过现场调查测绘，根据已有斜坡变形迹象，确定潜在岩质滑坡体的左右边界尺寸、宽度尺寸以及厚度尺寸，从而计算出潜在岩质滑坡体的体积V。

在本发明的可选实施例中，通过现场调查测绘，获得潜在岩质滑坡体的下落高度H，所述滑坡体的下落高度从滑源区后缘的最高点为起始点，预测碎屑体的停积场区前缘为终点，确定下落高度H。

在本发明的可选实施例中，根据潜在岩质滑坡体的岩体节理发育程度、节理间距，以及节理裂隙对岩体的空间切割特征，现场预判断潜在岩质滑坡体失稳后的岩体解体程度，最终预测出碎屑流中最大的块石直径d。

在本发明的可选实施例中，从潜在岩质滑坡体的剪出口位置为起始端，预判岩体的运动轨迹：

当剪出口为有沟谷的情形时，岩体就沿沟谷的中心线运动；

当剪出口为无沟谷的开阔斜坡情形时，岩体就沿下落方向作直线运动；

根据潜在岩质滑坡体失稳后的运动方向，测量滑坡碎屑流的滑移段宽度B和坡度α。

在本发明的可选实施例中，所述潜在岩质滑坡体失稳后具有斜坡段；

根据斜坡段的倾斜角度，和斜距公式：L_斜距＝L/cosα

可获得斜坡段的倾斜距离L_斜距，从而预测滑坡碎屑流的威胁区范围。

本发明实施例的有益效果是：通过考虑滑坡碎屑流的运动特征，建立了较精确的坡-碎屑流的最大运动距离计算方法，也是判断坡-碎屑流最大危险范围的计算方法。无需滑坡-碎屑流发生的大量历史观测数据，就能够对滑坡-碎屑流的危险范围进行判断，极大的提高了防灾适用性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为无量纲量(d/B，tanα和a)取对数后的图像；

图2为汶川地震诱发碎屑流运动距离的计算模型值L与真实运动距离 Lmax的比较图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

实施例1

1932年瑞士地质学家海姆(Heim)对1881年瑞士阿尔卑斯山Elm滑坡开展研究，提出了碎屑流等效摩擦系数(

即f_e＝H/L)的概念，最早在研究中引入碎屑流的远程运动距离。Scheidegger(Scheidegger, A.E,On the prediction of the reachand velocity of catastrophic landslides,Rock Mechanics,1973,5(4),231-236)通过统计分析又发生滑坡数据，提出等价摩擦系数与滑坡体积之间存在如下的函数关系： lgf_e＝algV+b。许靖华(Hsu,K.J,Catastrophic Debris Streams (Sturzstroms)Generated byRockfalls,GSA Bulletin,1975,86(1), 129-140)绘制了反映碎屑流运动性的强度包络线图，并提出了一个超运动距离(excessive travel distance，L_e)的概念，并定义为L_e＝L-H/tan32°。

T.R.H.Davies(Davies,T.R.H,Spreading of rock avalanche debris bymechanical fluidization,Rock Mechanics,1982,15(1),9-24.)、 Francois Legros(Legros F,The mobility of long-runout landslides, Engineering Geology,2002,63(3),301-331.)、Adushkin(Adushkin,V.V, Mobility of rock avalanches triggered byunderground nuclear explosions,in:S.G.Evans,G.S.Mugnozza,A.Strom,et al,Landslides from Massive Rock Slope Failure,Springer Netherlands, 2006,267-284.)和乔建平等(乔建平,等,大地震诱发滑坡分布规律及危险性评价方法研究,北京：科学出版社,2014)利用对已发生滑坡数据进行统计归纳后，认为碎屑流最大运动距离(L_max)或等效摩擦系数(f_e＝/L) 与体积V之间存在统计上的幂函数关系:

即L＝CV^b，或H/L＝C^*V^d (1)

这些成果说明，研究者们认为碎屑流的最大运动距离或等效摩擦系数与其体积之间是存在一个经验性的幂函数关系的，只是幂函数关系的系数和指数尚未完全确定。

但是从物理学角度，这种统计的幂函数关系只反映了岩土体失稳后碎屑体材料自身休止角的大小，却忽略了失稳时岩土体势能的作用。

Rickenmann(Rickenmann D,Empirical Relationships for Debris Flows,Natural Hazards,1999,19(1),47-77.)和Lorente(Lorente A, Beguerua S,Garcia-RuizJ M,Debris flow characteristics and relationships in the central SpanishPyrenees,Natural Hazards and Earth System Sciences,2003,3(6),683～692.)在分别研究阿尔卑斯山区和西班牙山区泥石流远程运动距离的基础上，引入了势能的概念，认为泥石流能够远程运动，其能量来源为岩土体的势能VH(V为泥石流体积，H 为泥石流前后缘高差)，以此统计拟合出了的经验公式：L＝A(VH)^b。他们得到的系数b的值分为0.25和0.271。

这些研究都是在大量统计已发生滑坡-碎屑流数据的基础上，基于统计关系建立的经验性的关系式，并没有对滑坡-碎屑流最大水平运动距离做出基于其物理特性的详细研究，而滑坡-碎屑流的最大水平运动距离，是判断碎屑流最大危险范围的依据。

正确地计算其最大水平运动距离和划分最大危险范围，可以为减小滑坡-碎屑流灾害提供有力的依据。

本发明为了克服上述现有技术的缺陷，特提供一种滑坡碎屑流最大水平运动距离计算方法。通过考虑滑坡碎屑流的运动特征，建立了更精确的坡-碎屑流的最大水平运动距离计算方法，也是判断坡-碎屑流最大危险范围计算方法。无需坡-碎屑流发生的大量历史观测数据，就能够对坡-碎屑流的危险范围进行判断，极大的提高了防灾适用性。

下面对该滑坡碎屑流最大水平运动距离计算方法详细介绍如下：

获取参数步骤:

a、通过现场调查，确定潜在岩质滑坡体的左右边界、宽度尺寸以及厚度尺寸，从而确定滑坡-碎屑流的体积V，碎屑体的下落高度H；

其中，碎屑体的下落高度H是从滑源区后缘最高点开始算起，至碎屑体可能的停积场区前缘为止。

b、预判断潜在岩质滑坡体失稳后岩体的解体程度，并预估所形成碎屑流中最大的块石直径d。

其中，根据岩体节理的发育程度和节理的间距，以及节理裂隙对岩体的空间切割形状，现场判断失稳后岩体解体程度。

c、预判定潜在岩质滑坡体失稳后的运动轨迹，并测量滑坡碎屑流的滑移段宽度B和坡度α。

其中，从潜在滑坡体的剪出口位置开始，预判断岩体的运动轨迹，当剪出口为有沟谷的情形时，岩体就沿着沟谷的中心线运动；沟谷宽度即为碎屑流滑移段宽度，沟谷坡度即为滑移段坡度。

当剪出口为无沟谷的开阔斜坡情形时，岩体就沿着岩体下落方向作直线运动，根据潜在岩质滑坡体失稳后的运动方向，测量滑坡-碎屑流的滑移段宽度B和滑移段的坡度α。

计算步骤：

滑坡碎屑流的最大水平运动距离的计算公式为：

将获取参数步骤中获取的参数值代入上述公式，即可计算获得滑坡碎屑流的最大水平运动距离。

其中，d为碎屑体中最大的块石直径(m)，B为碎屑流的滑移段宽度(m)，α为滑移段的坡度(°)，V为滑坡-碎屑流的体积(m3)，H为碎屑体的下落高度(m)。

本发明提供的滑坡碎屑流最大水平运动距离的计算公式适用于岩质滑坡-碎屑流(rock avalanche)的最大水平运动距离的计算，而不适用于土质滑坡碎屑流和冰川碎屑流。

本发明提供的滑坡碎屑流的最大水平运动距离的计算公式基本原理如下：

对滑坡碎屑流来说，当不考虑岩体碎裂和体积扩张耗能时，按照能量守恒原理，满足下式：

其中，m＝ρV，碎屑流停积后，即当v＝0时，有：

ρgVH＝fL (3b)

由此可知，决定碎屑流最大远程运动距离的是其势能，即L∝VH。

由于式(3a)是基于刚体滑动提出的，且对于碎屑物质来说，当其作类液态流动时，其本构造方程为(孙其诚，厚美瑛，金峰，颗粒物质物理与力学，北京：科学出版社，2011)：

其中，a_ij是与颗粒物质的颗粒体积分数C、摩擦系数μ和恢复系数e相关的物理量，ρ_p为颗粒密度，D为颗粒直径，

为剪切速率。

也就是说，碎屑流在运动过程中的体摩擦力将是一个非常复杂的物理量，可以用下式表示：

可以理解的是，公式(4b)的复杂性使其难以被细致考虑。

由于自然界中碎屑的颗粒密度和体积分数是接近的，为了能够建立尽可能简单的表达形式，可以将碎屑流体的密度近似地看作一个常量。

基于上述原因，不将密度和摩擦力显式体现，式(3b)可以变换为：

L＝a(VH)^bg^c (5a)

根据白金汉定理，系数a是由密度、摩擦力、颗粒直径、剪切速率等物理量所构成无量纲Π项的乘积组合，是无量纲的；

由此可知，Π_i＝(VH)^bg^cL^-1也是一个无量纲Π项，物理方程中各项的量纲应当相同(量纲的齐次性原理)，由式(5a)，可得(采用M-L-T基本量纲体系)：

方程左边：dimL＝L¹

方程右边：dim(a(VH)^b)＝(L³L¹)^b＝L^4b；

dim(g)＝(L^-2)^c

由量纲齐次性原理，可知：

1＝4b；c＝0；即b＝0.25

因此，式(5a)就可以变换为：

L＝a(VH)^0.25 (5b)

通过开展碎屑流物理模拟试验，确定幂函数系数a数值的变化体现了碎屑颗粒粒径d和滑移区倾角α的变化规律，即a∝d；a∝α。

用d除以碎屑流滑移段宽度B，对滑移区倾角α取正切值，分别取无量纲量d/B和tanα。

对这三个无量纲(d/B，tanα和a)取对数后，形成图1图像： lg(d/B)～lg(tanα)～lg(a)的图像如图1所示。

由图像1可知，图像近似于三维平面，可用多元线性回归得到函数系数的最优回归模型：

lg(a)＝0.321lg(d/B)+0.663lg(tanα)+1.5 (6)

式(6)的检验统计量为：曲线拟合相关性系数(adj.R-Square)为 0.95767，差异残差(Reduced Chi-Sqr)为0.00107，显然该方程的回归拟合度较好，回归模型显著。

对式(6)进行变换，得到幂函数系数a的函数关系式为：

将式(7a)代入式(5b)即得到：滑坡碎屑流的最大水平运动距离的计算方程，有：

本发明实施例1提供的滑坡碎屑流最大水平运动距离计算方法的有益效果是：

通过全面考虑滑坡碎屑流的运动特征及滑移区宽度和碎屑流体中块石大小的影响因素，以定量的方式精确计算滑坡碎屑流的最大水平运动距离，准确判别出滑坡碎屑流的危险范围，极大的提高了防灾适用性。

实施例2

研究人员经过研究，在上述实施例1的基础上，还可作出下述可选的其他方案，该实施例2提供的滑坡碎屑流最大水平运动距离计算方法和实施例1提供的滑坡碎屑流最大水平运动距离计算方法基本相同，区别具体说明如下：

潜在岩质滑坡体失稳后具有斜坡段，根据斜坡段的倾斜角度，和斜距公式：

L_斜距＝L/cosα

可获得斜坡段的倾斜距离L_斜距，从而预测滑坡碎屑流的威胁区范围。

实践例

下面采用本发明提供的滑坡碎屑流最大水平运动距离计算方法，来计算2008年汶川地震中诱发的38个滑坡的最大水平运动距离，将计算数据和实际的最大水平运动距离作对比。

其中，表1为汶川地震触发滑坡-碎屑流的参数表；

表2为汶川地震触发滑坡-碎屑流的计算数据表。

表1汶川地震触发滑坡-碎屑流参数表

表2汶川地震触发滑坡-碎屑流数据计算表

表1和表2中所列38个滑坡均为汶川地震诱发，由表2可知：滑坡体积和远程运动距离变化范围大，且这些数据经过较多研究人员引用，可信度高。

需要说明的是，表1中碎屑流滑移段宽度B(m)和停积区最大块径d(m) 为利用Google Earth多期卫星图像数据进行测量所得。由表2中计算结果可见，由式(2)计算所得的滑坡碎屑流最大水平运动距离的计算值L与实际值L_max吻合度较好，其中误差小于15％的计算值占比84.2％，误差小于10％的计算值占比68.4％，误差小于5％的计算值占比39.5％。

将表2中计算所得的滑坡-碎屑流最大水平运动距离L和实际值L_max对比，有图2，图2为汶川地震诱发碎屑流运动距离的计算模型值L与真实运动距离L_max的比较。

由图2可以看到：

a、当L在2000m范围内时，计算模型的计算值均接近实际值，预测精度较高；

b、当L超过2000m后，计算模型获得的计算值开始小于实际值，误差较大的四个碎屑流分别为文家沟滑坡、红石沟滑坡、东河口滑坡和牛眠沟滑坡，它们的实际运动距离都超过了2500m。

经过现场调查访问，上述四个滑坡碎屑体虽然发生时是干碎屑体，但是受震后强降雨的作用，碎屑体又形成了泥石流，使其运动特性远大于其它岩质碎屑体，导致所测量的水平运动距离远超出公式计算预测。

本发明提供的滑坡碎屑流最大水平运动距离计算方法的有益效果为：通过现场调查、测绘，确定潜在滑坡碎屑流体的参数数据，并根据参数数据计算出滑坡碎屑流的最大水平运动距离L值；通过确定滑坡碎屑流的运动轨迹，能够基本确定出碎屑流的最大水平运动距离，由此圈定出碎屑流的最大威胁范围；通过全面考虑滑坡碎屑流的运动轨迹、滑移区宽度和坡度，以及碎屑体中最大块石的直径，以定量的方式精确计算出碎屑流的最大水平运动距离，极大地提高了防灾减灾的准确性，形成一套完整的技术方案，较好的适用于岩质滑坡碎屑流水平运动距离的确定和危险区范围的划定。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例中的特征可以相互结合。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种岩质滑坡碎屑流最大水平运动距离计算方法，应用于岩质滑坡碎屑流，其特征在于，包括以下步骤：

获取参数步骤：

a、对潜在岩质滑坡体进行调查测绘，确定滑坡-碎屑流的体积V和碎屑体下落高度H；通过现场调查测绘，根据已有斜坡变形迹象，确定潜在岩质滑坡体的左右边界尺寸、宽度尺寸以及厚度尺寸，从而计算出潜在岩质滑坡体的体积V；通过现场调查测绘，获得潜在岩质滑坡体的下落高度H，所述滑坡体的下落高度从滑源区后缘的最高点为起始点，预测碎屑体的停积场区前缘为终点，确定下落高度H；

b、预判潜在岩质滑坡体失稳后岩体的解体程度，并预估所形成碎屑流中最大的块石直径d；根据潜在岩质滑坡体的岩体节理发育程度、节理间距，以及节理裂隙对岩体的空间切割特征，现场预判断潜在岩质滑坡体失稳后的岩体解体程度，最终预测出碎屑流中最大的块石直径d；

c、预判定潜在岩质滑坡体失稳后的运动轨迹，并确定滑坡碎屑流滑移段的宽度B和坡度α；从潜在岩质滑坡体的剪出口位置为起始端，预判岩体的运动轨迹：当剪出口为有沟谷的情形时，岩体就沿沟谷的中心线运动；当剪出口为无沟谷的开阔斜坡情形时，岩体就沿下落方向作直线运动；根据潜在岩质滑坡体失稳后的运动方向，测量滑坡碎屑流的滑移段宽度B和坡度α；

计算步骤：将获取的参数代入滑坡碎屑流最大水平运动距离的计算公式，进行计算，其中，计算公式为：

2.根据权利要求1所述的岩质滑坡碎屑流最大水平运动距离计算方法，其特征在于，所述潜在岩质滑坡体失稳后具有斜坡段；

根据斜坡段的倾斜角度，和斜距公式：L_斜距＝L/cosα

可获得斜坡段的倾斜距离L_斜距，从而预测滑坡碎屑流的威胁区范围。

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