Экспериментальное и численное исследование поведения движения и аккумуляции обрушений скальных пород при моделировании реальных 3D-условий рельефа

Почему быстрые скальные сели важны

Когда бок горы внезапно обрушивается, падающие валуны могут вести себя скорее как стремительная жидкость, чем как груда камней. Эти редкие, но разрушительные события, называемые скальными лавинами, могут мчаться на километры, за секунды засыпая деревни и остаются труднопредсказуемыми. В этом исследовании подробно рассматривается одно смертоносное скальное обрушение на юго‑западе Китая и поставлен практический вопрос: как реальные трехмерные формы рельефа определяют, где в итоге оседает весь разрушенный материал?

Воссоздание смертельного обвала в лаборатории

Исследователи сосредоточились на катастрофе 2017 года вблизи деревни в уезде Найонг, провинция Гуйчжоу, где огромная плита известняка оторвалась от крутого склона и прошла более полукилометра, унеся жизни десятков людей. Вместо простой прямой лотковой установки, как в ранних опытах, они построили масштабную физическую модель, точно воспроизводящую реальные впадины и возвышения долины. Используя детальные данные высот до и после события, они выкроили и собрали трехмерный рельеф из досок, заполнили и загладили его раствором, а затем проверили форму лазерным сканером, чтобы погрешности по высоте были крайне малы.

Кати́вшиеся камни и яркая гравийная смесь

Чтобы имитировать подвижный обломочный материал, команда использовала натуральную известняковую гравийную фракцию четырех размеров, каждый размер окрашен в свой цвет. Это позволило проследить, как мелкие и крупные зерна рассортировываются во время потока. Они выпускали строго отмеренные объёмы гравия из моделируемого источника и снимали на видео, как зерна мчались по склону, огибали небольшой холм и в конце концов останавливались в долине. Повторяя испытания с разными отдельными размерами зерен, смесями фракций, общими объёмами и с одним большим выпуском против нескольких меньших, исследователи выявляли вклад каждого фактора в дальность пробега и окончательную форму и толщину аккумулята.

Что делают рельеф и размер зерна с соскальзыванием

Эксперименты показали, что форма основания сильно контролирует, где оседают отложения. Независимо от начальной укладки материала гравий стремился скапливаться в низинах, и все залежи приобретали похожие контуры, оборачиваясь вокруг небольшого холма. Крупные зерна текли легче и давали более длинные выносы, но при этом образовывали более тонкие насыпи. При смешении фракций поведение становилось сложнее. Ранние опыты в прямом лотке показывали, что смеси всегда движутся более податливо, чем однородные фракции. В реалистичном рельефе это не всегда так: более мелкие зерна склонны просеиваться вниз и быстро накапливаться при встрече потока с препятствием, блокируя крупные зерна и ограничивая дальность продвижения всей массы.

Сколько камня и как часто он падает

Оказалось, что объём высвобождённого материала влияет главным образом на размер и высоту итогового аккумулята, а не на дальность фронта. Большие выбросы создавали более толстые и широкие насыпи, но передний край потока продвигался лишь немного дальше. Зато дробление того же общего объёма на несколько отдельных порций — имитируя серию меньших обвалов перед крупным — заметно укорачивало вынос. Ранние отложения у подножия склона действовали как барьер, заставляя поздний материал укладываться выше и остановливаться раньше. Этот вывод особенно важен для реальных горных долин, где мелкие сели часто предшествуют катастрофическому обрушению.

Числовая оценка опасного процесса

Поскольку мелкомасштабные опыты не способны воспроизвести все детали природного бедствия, команда также создала компьютерную модель события в Найонге, используя специализированное ПО, которое рассматривает масс-у пород как множество взаимодействующих частиц. Они откалибровали виртуальные мелкие зерна так, чтобы в численных испытаниях они вели себя как настоящий известняк с места происшествия. Цифровой рельеф соответствовал картированной долине, а начальный блок породы — оценённому объёму и распределению размеров фракций. В симуляции скользящая масса разогналась почти до 50 метров в секунду, затем замедлилась при пересечении малого холма и растеклась по долине. Время, максимальные скорости и итоговая форма отложений хорошо согласовались с полевыми обследованиями после реального обвала, что даёт уверенность в том, что сочетание лабораторных и численных подходов может воспроизводить такие события.

Что это значит для людей внизу крутых склонов

Проще говоря, работа показывает, что траектория и место остановки скальной лавины зависят не меньше от тонких деталей ландшафта и смеси размеров зерен, чем от общего объёма камня. Долины действуют как ловушки, мелкие препятствия могут разрезать и перенаправлять потоки, а ранние мелкие обвалы могут одновременно снабжать материал и частично блокировать последующие. Используя реалистичные модели рельефа для настройки компьютерных симуляций, учёные могут точнее оценивать скорость и дальность будущих скальных лавин. Это, в свою очередь, помогает планировщикам точнее картировать зоны риска и выбирать более безопасные места для дорог, домов и инфраструктуры в горных регионах.

Цитирование: Shi, F., Wang, Z., Zhang, X. et al. Experimental and numerical study on movement and accumulation behaviour of rock avalanche by simulating actual 3D terrain conditions. Sci Rep 16, 14346 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-43592-8

Ключевые слова: скальное обрушение, опасности оползней, горный рельеф, поток зернистого материала, численное моделирование