通过模拟实际三维地形条件对岩崩运动与堆积行为的实验与数值研究

为何高速岩体滑动至关重要

当山体突然坍塌时，下落的岩石表现得更像奔涌的流体而非静止的巨石堆。这类罕见但破坏性极大的事件称为岩崩，能以数公里的速度掠过地面，在几秒钟内掩埋村庄，且难以预测。本研究聚焦中国西南一处致命岩崩，提出一个务实的问题：真实的三维地形如何决定这些破碎岩石最终堆积的位置？

在实验台上重现致命滑体

研究者把注意力放在2017年贵州省纳雍县附近的一起灾难上：一大块灰岩从陡峭山体脱落并越过半公里的距离，造成数十人死亡。与早期许多使用直槽的实验不同，他们构建了一个按比例缩放的实体模型，尽可能复制真实山谷的起伏。研究人员利用事件前后的详尽高程数据，用木板切割并拼装出三维地形，填以砂浆并抹平，再用激光扫描器检测形状，确保高度误差极小。

滚动的石块与多彩砾石

为模拟流动的碎屑，团队使用了四种不同粒径的天然灰岩砾石，并分别染成不同颜色。这样可以观察小块和大块在流动过程中如何自行分选。研究人员从模型的源区释放精确计量的砾石体积，拍摄颗粒下坡、绕过小丘并最终在山谷中停下的过程。通过重复不同单一粒径、粒径混合、总体积以及一次性大量释放与多次小释放的试验，他们得以分离出各因素对传播距离以及沉积体最终形状和厚度的影响。

地形与粒径对滑体的影响

实验表明，地表形态强烈控制着碎屑的最终去向。无论起始时物料如何布置，砾石都倾向于在谷地沉积，且所有沉积体最后呈现出围绕小丘的类似轮廓。较大颗粒更易流动，产生更远的传播距离，但也形成更薄的堆积。当不同粒径混合时，行为则更为复杂。早期直槽试验曾表明混合料总比单一粒径更易移动，但在真实地形中，混合并不总是增加流动性。细颗粒在遇到障碍时易向下筛分并迅速堆积，从而锁住较大颗粒，限制整体物质的传播距离。

落下多少岩石以及落下的频率

释放的物质量主要影响最终堆积体的大小和高度，而不是其前缘达到的距离。更大体积的释放会形成更厚、更宽的堆积体，但流前缘仅略为延伸。相比之下，如果将相同总体积分成几次分批释放——模拟在主要塌方前的一系列较小崩塌——则明显缩短了传播距离。坡脚的早期沉积体会像障壁一样，使后续物料在更靠近原点处堆高并更早停止。这一发现对真实山谷尤为重要，因为较小的滑动常常先于灾难性失稳发生。

为危险过程量化数字

由于小尺度实验无法捕捉自然灾害的所有细节，团队还使用专门软件建立了纳雍事件的计算机模型，将岩体视为许多相互作用的颗粒。他们校准了数值颗粒，使其在虚拟强度试验中表现与现场灰岩相似。数字地形与测绘的山谷相匹配，初始岩块的体积和粒径分布亦与估计值一致。在模拟中，滑体加速至近50米/秒，随后在越过小丘并向山谷扩散时减速。模拟得到的时间、最大速度和最终堆积形态与事后实地调查结果高度一致，这增强了将实验与数值相结合来再现此类事件的信心。

这对生活在陡坡下的人意味着什么

通俗地说，这项工作表明岩崩的路径和停留位置不仅取决于岩体总体积，还高度依赖地形的细节与粒径混合。山谷像陷阱一样聚集物料，小的地形障碍能分流并改变流向，而先前的小型滑动既能为后续滑体提供物料也能部分阻挡它们。通过使用真实地形模型来调整计算机模拟，科学家可以更好地估算未来岩崩的速度与传播距离，从而帮助规划者更准确地划定危险区并为山地道路、住宅与基础设施设计更安全的位置。

引用: 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

关键词: 岩崩, 滑坡灾害, 山地地形, 颗粒流, 数值模拟