研究报告

这篇名为《Field and laboratory analysis of the runout characteristics of hillslope debris flows in Switzerland》的文章发表于期刊《Geomorphology》上，具体为第232期(2015年)，第20-32页，文章 DOI 为：http://dx.doi.org/10.1016/j.geomorph.2014.11.030。文章的主要作者包括 Marcel Hürlimann（Department of Geotechnical Engineering and Geo-Sciences, BarcelonaTech, 08034, Barcelona, Spain）、Brian W. McArdell 和 Christian Rickli（Swiss Federal Institute for Forest, Snow and Landscape Research WSL, 8903 Birmensdorf, Switzerland）。

研究背景与目的

这项研究聚焦于山坡碎屑流（hillslope debris flows）的运动特征，特别是其“流动距离”（runout distance）和影响区域。这类山坡碎屑流是一种未被拘束的快速至极快速的地质运动，主要是在未固结的浅层物质中发生滑塌所引发。这种自然现象对山区的人员和基础设施构成了极大威胁。然而，与其他类型的滑坡（如沟槽式碎屑流）相比，此类滑坡的研究相对稀少。

针对这一问题，研究提出了两个主要目标：

1. 通过对瑞士七个地区所收集的548个山坡滑塌或碎屑流事件构成的滑坡数据库进行分析，研究它们的形态因素及其流动距离特性。
2. 在实验室中设计缩尺物理模型，研究土壤水分含量、粒径分布和体积对山坡碎屑流运动特性的影响。

研究方法与工作流程

1. 野外数据分析

文章首先分析了瑞士七个地区的大规模滑坡数据库（1997至2012年间的不同气候事件导致的滑坡）。每次滑坡事件发生后，研究人员快速进入现场记录地貌信息，包括滑塌的宽度、长度、体积、坡度、影响区面积以及土壤样本。

• 样本与现场分析：

  • 总计548个滑坡样本，其中250个提供了滑塌运动距离，63个记录了其影响区域面积。
  • 滑坡区的坡度范围在25°至45°之间，体积主要集中在几十至几百立方米范围，滑塌厚度中值为0.8米。
  • 地貌信息的测量方法包括卷尺、激光测量仪等；滑坡体积计算使用滑坡宽度、长度及厚度的近似法。

• 土壤采样与理化性质：

  • 从7个样区域采集了41个样本，对其粒径分布（clay含量约3%至25%不等）和平均水分含量（约15%至25%）进行分析。土壤样本中有黏性土、砂壤土等多种类型。

2. 实验室实验

为更深入探讨影响因素，研究团队设计了一种縮尺实验模型（比例尺为1:20），模型中包括30°和10°坡度的两段坡面。这种实验室山坡流的流程为：

• 实验装置：

  • 高仿真凹凸表面（模拟自然坡面的粗糙度），用于设置滑塌路径。
  • 配置光学激光及视频设备，记录碎屑流的运动过程，辅助后期数据处理。

• 实验变量：

  • 使用五种粒径分布样本 (黏土含量范围5.2%至15.7%) 进行实验，研究对水含量（18%至38%）及体积（4至20 dm³）的敏感性。
  • 测试的实验样品均由平均粒径和均匀分布的砂、砂砾等样本人工混合而成。

• 操作流程：

  • 按指定配比混合土壤和水后置于实验槽，手动开启滑塌阀门。
  • 使用摄像设备记录滑塌物前行及最终堆积区域形态，各种条件下进行了共75次实验，包括不同体积及含水量的变动实验。

3. 数据处理

实验和野外结果均按回归拟合模型分析，文中采用多种数学模型与公式进行统计分析，如幂律分布公式。实验中具体测试了体积对流动距离（如Runout Distance）、坡度变化对运动扩展的交互效应。

研究结果

1. 野外结果

来自七个瑞士滑坡数据库的模式化结果体现了显著的规律性： - 山坡碎屑流的运动距离受体积显著性增加的驱动，滑塌距离最远可超过300米。 - 粘土含量和水含量控制着流体性与运动范围，但高水含量显著提升“流体运动性”。 - 影响区域面积与体积间呈正相关关系，数学拟合方程呈现多线性趋势。

2. 实验室结果

实验研究揭示，水含量是控制山坡碎屑流运动距离的最主要因素。黏土的增加明显抑制了碎屑流的运动范围。 - 不同体积的滑塌物对运动特性的影响次于水含量，符合幂次分布系数约为0.63～0.77。 - 水含量峡谷值越高，小幅增加三个百分点的水含量即可导致指数级增长的流出。

3. 附加推论

实验验证了更高的坡面角度可激发远距离滑坡，但野外往往因地形复杂度会抑制整个“高能流动激增”效应。

研究结论

1. 研究意义
   这项研究填补了关于山坡碎屑流运动特性以及物理实验模型领域的空白，强调了水含量是控制这种地质灾害远距离传播的主要参数，体积与地形的影响次之。

2. 应用价值
   其提供了山坡滑塌流预测的统计学支撑，并为灾害风险分区研究提供了协调新的概念及数据依据，特别是在山区周边的基础设施防御设计中具有突出的实践意义。

3. 方法创新性
   所设计的缩尺实验模型表现出高稳定的趋势契合，与野外形式高度吻合，是该研究的亮点之一。