地质灾害物理仿真实验发展现状及趋势分析

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物理仿真实验是模拟地质体变形破坏过程和揭示地质灾害致灾机理的重要手段之一。实验基于相似性原则开展，利用力学性质相似的仿真材料建立地质体的简易模型，并利用模型箱、水槽等设备实现对地质体失稳与灾害演进过程的模拟仿真。地质灾害物理仿真技术从物理学角度实现了地质灾害的情景再现，降低了地质灾害数据采集和机制分析的难度，为地质灾害机理研究提供了一个既安全又高效的研究方法。本文收集了近 350 篇与地质灾害物理仿真实验高度相关的文章，从每年发文趋势可以发现，1990 年之前全球每年地质灾害物理仿真实验相关发文数量较少，且平稳增长。1990 年之后每年发文数量快速增长，尤其是 2010 年之后（图 1）。

因此综合考虑文献发表数量以及文章主要研究内容，可以将地质灾害物理仿真技术的发展可以划分为 3 个阶段。第一阶段为早期发展阶段（1980s 及之前），这一阶段的地质灾害物理仿真实验多以简单的原位实验、简易的水槽实验与底摩擦实验为主，这些简易实验给地质灾害物理仿真实验的发展提供了重要的理论和技术基础。第二阶段为快速发展阶段（1990s-2000s），随着全球范围内关于自然灾害风险防范意识的逐渐提高，大量关于地质灾害机理研究的实验室及实验设备开始建设，例如美国 NEES 系统、美国 USGS 大型仿真水槽、日本 E-Defense 振动台、美国 LHPOST 户外振动台等大型物理仿真设备均在这一阶段建成并投入使用。基于此，地质灾害物理仿真实验进入快速发展的阶段。同时，得益于这一阶段材料科学与自动化工程的高速发展，地质灾害物理仿真实验相关技术开始快速迭代更新。第三阶段为综合发展阶段（2010s 至今），21 世纪 10 年代以来，全球自然灾害在频度、强度和复杂度等方面呈现出新的态势，这对地质灾害物理仿真实验的设计提出了更高要求，大规模地质灾害野外实验基地、大型物理仿真设备、高精度监测设备纷纷被应用到物理仿真实验中，带来了地质灾害物理仿真实验的全面与综合性发展。

图 1 全球地质灾害物理仿真实验相关文章年发表数量统计图

在过去的 20 年中，越来越多的新技术被应用到地质灾害的物理仿真实验中，使得地质灾害物理仿真实验已经成为一个学科交叉、应用广泛、更新迅速的研究热点。2008 年“5.12”汶川地震触发了广泛的地质灾害，造成大量人员伤亡和经济损失，引发了我国学者对于地质灾害形成机理、演化过程、风险防控等方面的高度重视。各个科研院所加快地质灾害相关实验室的组建并建设了大量地质灾害物理仿真设备，有关地质灾害机理分析的物理仿真实验呈现出快速增长趋势。经过十几年的发展，我国已经成为地质灾害物理仿真实验领域的主力军。

本论文基于大量的文献调研而形成，为地质灾害物理仿真实验研究领域的相关从业人员提供系统性认识的同时，还预测了地质灾害物理仿真实验未来的发展方向，以期为我国地质灾害物理仿真实验设计、相关设备的研发、关键技术更新提供有价值的参考。整篇论文包括三个部分，第一部分论述地质灾害物理仿真实验的 5 个意义。第二部分分别论述地质灾害物理仿真实验中 6 项关键技术的发展现状。第三部分从 4 个方面预测了地质灾害物理仿真实验未来的发展趋势。最后根据本论文的调研成果对地质灾害物理仿真实验的进一步发展提出了一些建议。

地质灾害物理仿真实验的意义
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1.1 灾害场景重现

以实际地质灾害事件为基础，突出最显著地质特征的同时，尽可能地简化模型并以相似定律为准则，实现对真实地质灾害事件建模。然后依据灾害事件的驱动条件给物理模型施加相似的边界条件，对灾害场景进行复现。这是地质灾害物理仿真实验的一个重要意义。

1.2 启动机理分析

地质灾害物理仿真实验可以通过控制内外两方面的因素，揭示地质体变形破坏特征及其失稳机理。一方面是控制地质灾害外部驱动因素。主要利用仿真设备控制振动、库岸水位、降雨、构造应力、河水流量等外部因素，研究分析地质体对不同外部因素的响应特征。另一方面是控制地质灾害内部地质因素。通过地质体物理建模手段，建立不同地质特征的地质体。

1.3 理论推导验证

地质灾害物理仿真实验的理论推导验证意义主要体现两个方面。第一方面是通过物理仿真实验实现对地质灾害理论模型进行验证。第二个方面是通过物理仿真以及数值仿真的结果对照分析，实现对地质灾害数值模拟方法的验证。

1.4 关键参数标定

物理仿真实验对于地质灾害研究中的关键参数标定意义可以体现在两个方面。第一个方面是，标定驱动地质灾害的关键参数，为地质灾害的早期预警提供阈值选择的依据。第二个方面是，为数值仿真中的关键环节提供参数的设定依据，协助构建普适性的地质灾害数值仿真方法。

1.5 演化模式构建

利用物理仿真技术开展地质灾害的演进模式构建的意义主要体现在三方面。第一方面是重点模拟地质体启动过程，分析地质体变形演化特征，构建地质灾害失稳过程的演化模式，以期为地质灾害的前兆识别和灾前预防提供理论依据。第二方面重点模拟地质体失稳之后的运动过程，划分灾害演化阶段，从而构建地质灾害运动与演化模式。第三方面是对链生灾害演化模式构建的研究意义，通过物理仿真手段弥补地质灾害链关键结点演化过程的研究不足，建立了地质灾害灾害链式演进模式，例如地震滑坡-堰塞坝灾害链演进模式构建、地震-泥石流-堰塞坝灾害链演进模式构建、地震-堰塞坝溃决灾害链演进模式构建。

2. 地质灾害物理仿真实验关键技术发展现状

2.1 模型箱仿真技术

模型箱物理仿真技术是地质灾害物理仿真实验中采用最广泛的一种技术。它通过构建缩小尺度的地质模型，观察和研究地质模型的失稳过程，揭示实际地质体的灾变机制。大部分的模型箱采用钢架材料为框架，钢化玻璃、透明树脂板、亚克力等透明材料为填充的设计方式。本论文将基于模型箱仿真技术的地质灾害物理实验划分为6种类型，各类型的示意图如图2所示（图2）。

模型箱仿真技术也存在自身的缺点，其中以箱体边界与模型接触造成的边界效应、模型箱自重造成的输入效应、模型缩尺造成的地震动频率不匹配效应最为常见的。大部分情况下，可以通过优化模型尺寸、在箱体边界涂抹润滑材料、降低箱体重量等措施有效缓解。总体而言，模型箱模拟技术是一个较为成熟的地质灾害物理模拟方法，作为最基础的地质灾害物理仿真技术受到了许多高校和科研院所的青睐。

图 2 不同类型地质灾害物理仿真模型箱实验示意图 a 为水位驱动式，b 为降雨驱动式，c 为顶部压力驱动式，d 为后缘推力驱动式，e 为坡度驱动式，f 为地振动驱动式，g 为断层驱动式，h 为混合驱动式。

2.2 水槽仿真技术

水槽仿真技术指通过设置一个或多个槽状设备，实现对灾害体启动、运动以及堆积过程的模拟（图3）。水槽仿真技术多应用在高位远程滑坡、泥石流、洪水、堰塞坝溃决等演进过程相对较长的地质灾害物理仿真实验中。与模型箱仿真技术类似，水槽仿真技术同样具备尺寸多样、安装简易的特点。小尺度水槽实验的实验成本低，实验可重复性强，可以开展多次对照实验，获得较为系统的实验数据。

可以看出水槽仿真技术被广泛的应用在运动特征明显的地质灾害物理仿真中。但是这一类地质灾害，实际的灾害特征是，在地质体快速运动过程中碎屑流体与下伏滑床之间会产生强大的振动力和空气压力，使得碎屑流体产生气垫效应。而在物理仿真中，多采用有机玻璃、塑料板、金属板等材料作为模型边界，难以重现碎屑流体与周围边界的摩擦、碰撞和激振作用。这是水槽仿真实验难以避免的一大误差，即便增大模型尺寸，甚至开展全尺寸的物理仿真，依然难以得到和现实情况完全一致的物理仿真结果。但是对于灾害的演化模式构建以及堆积特征分析等方面，水槽仿真技术依然具有较大优势。

图 3 不同类型地质灾害物理仿真水槽示意图 a 为直斜式水槽，b 为变坡度式水槽，c 为变方向式水槽，d 为交叉式水槽，e 为水平式水槽，f 为环绕式水槽。

2.3 振动台仿真技术

振动台作为模拟地震和其他振动现象的重要设备，在实际操作中，振动台通过精确控制频率、振幅和持续时间等振动参数，为地质灾害物理仿真实验提供所需的振动环境，从而开展地质体动力响应方面的研究。

振动台仿真为一个高度集成化、系统化的仿真技术，不可避免的存在一些缺陷。首先，不同于结构体的抗震实验，基于地质灾害的物理仿真实验往往需要借助模型箱、水槽等设备。实验过程中边界效应在振动实验中会进一步放大，并且如果模型箱重量过大，还会降低强震复现精度。此外，重力失真、地震波输入压缩时间比等因素也会对仿真实验的结果造成一定影响。最后，振动台仿真技术成本高昂，包括设备投入、运行维护经济成本以及实验准备和执行的时间成本。尤其是大尺寸物理仿真实验，虽然降低了物理仿真实验的尺寸效应，提高了实验结果的可信度，但是实验成本却是研究人员设计实验时不得不考虑的因素。我国振动台仿真技术起步较晚，但发展迅猛。据不完全统计，目前我国建成的振动台超过 50 个，近半数开展过地质灾害物理仿真实验（表 1），这表明虽然振动台仿真技术具有一定的缺陷与不足，但是其在地质灾害物理仿真实验中依然发挥着不可替代的作用。

表 1 我国开展过基于振动台的地质灾害物理仿真实验的机构及实验类型

2.4 底摩擦仿真技术

底摩擦仿真技术是利用模型与传送带之间的摩擦力代替重力，模拟地质体变形失稳的物理仿真技术。上世纪 30 年代，著名工程地质学家 Hans Cloos 教授利用底部抽拉装置模拟了地堑形成过程。这一实验方式启发了 Bray 和 Goodman 两位学者，他们基于此开发了底摩擦实验装置。图 4 为底摩擦实验的原理示意图，模型被平铺在两个传动轮支撑的传动皮带上，传动皮带在匀速运行时与模型的底部产生摩擦力，基于圣维南原理，可以用摩擦力代替重力，实现了仿真模型与重力场的耦合。

图 4 底摩擦仿真实验原理示意图 a 为底摩擦实验装置侧视图，b 为底摩擦实验装置俯视图

2.5 离心机仿真技术

20 世纪 30 年代，地质力学离心机建模之父P.B.Bucky 首次利用离心机开展了矿山顶板结构的完整性研究。经过了近一百年的发展，离心机模拟技术已经成为岩土工程领域一个重要的物理仿真技术（表 2）。离心机模拟技术的原理是利用离心加速度场补偿模型缩尺引起的自重应力损失，还原模型与原型之间应力-应变状态。其优点在于，通过离心机的高速运转实现了模型应力水平与原型完全一致的相似性要求，原型土体和结构的受力变形特性包括破坏性状在理论上都可以在模型中得到逼真再现。目前，离心机模拟技术已在地质灾害物理仿真实验中得到了广泛应用。尤其在地下水雍高、降雨入渗、灌溉入渗、库区水位变化导致边坡变形破坏的研究中，离心机模拟技术更可以发挥其长处。

表 2 开展过基于离心机的地质灾害物理仿真实验的主要机构及实验类型

2.6 原位仿真技术

地质灾害原位仿真技术是指在真实的地质环境中进行的仿真实验，旨在模拟地质灾害的发生过程以及对环境和人类造成的影响。这种实验通常通过搭建模拟场景或者使用数据采集装置对地质灾害的关键因素进行模拟和监测，以便更好地理解和预测地质灾害的发生和演化。地质灾害的室内物理仿真实验容易受到尺寸效应、边界效应、仿真材料等因素的影响，对复杂受力和复杂边界等情况很难真实呈现。与室内物理仿真不同的，原位实验可以保持地质灾害的尺度和复杂性，还可以避免取样过程中对岩土体原状结构的破坏以及水分损失，因此原位仿真实验所取得的结果也更加符合真实情况。

相比模型箱仿真、水槽仿真等缩尺实验，地质灾害原位仿真技术存在实验周期长、模型制作较难、人员投入较多、自动化程度较低、可重复性较差的问题。

3. 地质灾害物理实验的发展趋势

3.1 场景构建复杂化

近几年地震前降雨、地震后降雨、地震降雨复合、级联式堰塞坝溃决、溃坝洪水演进、滑坡涌浪、地震冻融等复合灾害和链生灾害的物理仿真实验逐渐增多。这也对地质灾害物理仿真实验的设备更新以及实验设计提出了更高要求。比如在离心机模拟箱中安装加热灯泡的方法，实现了在原始重力场下边坡干湿循环实验；通过在离心机中增加振动模块，实现了重力场与振动场的叠加耦合；通过离心机中增加湿干冻融模块，实现了渗流场、重力场、振动场、温度场的多场叠加；通过把滑槽安装在振动台上，实现了振动环境中的高速远程滑坡运动过程分析；在离心机上加装边坡开挖装置，模拟边坡开挖过程的变形破坏过程。此外，由应急管理部国家自然灾害防治研究院建设的“灾害链物理仿真实验平台”预计将于 2027 年建成，该平台为复合链生地质灾害物理仿真实验平台，以“地震-滑坡-堵江-溃坝洪水”与“地震与降雨综合-崩塌、滑坡、洪涝、泥石流”等灾害链为研究对象，将有力推动我国在复合链生灾害物理仿真实验领域的研究水平。

3.2 实验规模大型化

虽然大规模物理仿真实验的成本很高，但是大尺寸的物理仿真模型可以显著降低模型缩尺带来的尺寸效应。此外，在大型地质灾害物理仿真实验中仿真材料更容易选择、模型边界条件更容易设置、监测设备更容易安装。因此大型物理仿真实验对于研究岩土体损伤机制以及灾害启动机理具有较大优势。近些年，我国科研机构成为大型地质灾害仿真设备研发的主力军，除了前文提到的成都理工大学、四川大学、天津大学、香港科技大学等机构建立的大型水槽设备以外，天津大学研发建设的国家大型地震工程模拟设施（NFEES）于 2022 年建成，台面尺寸达到了 20m×16m，超越日本 E-Defense 成为世界上最大的地震工程模拟研究设施；中科院、香港科技大学、中国电建集团联合研发的“山地灾害大尺度动力学模拟实验平台（LEADS 平台）”于 2023 年底投入使用，该装置高差 71.1m，泄槽长约 150m、宽 6m、深 4-5m，能够模拟的单次方量 500m3的泥石流灾害，成为全球最大的山地灾害物理模拟实验平台。当前，越来越多的大型物理仿真设备的建成并投用，随着可完成大规模地质灾害仿真实验的机构与平台增多，未来地质灾害物理仿真实验的大型化将成为一大趋势。

3.3 材料选择科学化

物理模拟实验的基础是相似理论，要求模型能够反映原型的主要特征和实际情况，确保模型中的物理力学过程与原型中物理力学过程的相似性，其中相似材料的选择及其配比对模拟实验的成功与否起着关键性作用。传统的仿真材料多以河沙、石英砂、重晶石粉、石膏粉等廉价、天然存在的模拟材料为主，近年来，随着研究人员对物理实验精细度的不断追求以及材料科学的不断进步，铁粉、玻璃砂、硅粉等对于岩石力学性质（粘聚力、内摩擦角、密度等）更加敏感的材料逐渐被使用。在相似材料的设计方面，研究人员不仅仅考虑材料的力学属性，水稳性、水敏性等性质也成为了相似材料配置中被考虑到的物理属性。

3.4 数据采集智能化

在地质灾害物理仿真实验中，渗压计、土压力计、裂缝计、加速度传感器等接触式数据采集仪器是必不可少的设备。除此之外，电阻率层析成像（ERT）、自然电位法、光纤、探地雷达等数据采集技术实现了对仿真对象地质结构与位移的精细化探测。近些年随着高速摄像、数字图像相关技术（DIC）、粒子图像测速技术、三维激光扫描、热红外等技术的逐渐成熟，非接触式监测技术被越来越多的应用到地质灾害的物理仿真实验中。这些技术的应用不仅减少了监测设备对实验过程的干扰，同时还提高了应力、应变、速度、加速度等参数的采集精度。尤其是在大尺度的地质灾害物理仿真实验中，非接触的数据采集设备可以避免设备损耗并且降低实验人员的安全风险。随着地质灾害物理仿真实验设计越来越复杂、规模越来越大，地质灾害物理仿真实验中的数据采集将更加智能化，先进的传感器、三维激光扫描技术和自动化控制系统的应用将会更加频繁，实现实验数据的远程、实时、快速、高精度收集与分析。

编辑 | 李想；审核 | 略论地质灾害

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发布于 2024-12-26 07:43:27

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