斜坡灾害自组织临界性与极值分析.pdfVIP

第26卷，第2期 中 国 铁 道 科 学 Vd．26No．2 2005年3月 CHINARAII肼AYSCIENCE 文章编号：1001—4632(2005)02—0015—05 斜坡灾害自组织临界性与极值分析 何越磊1…，姚令侃1，苏凤环1，王沁1 摘要：用3种非均匀沙堆作为斜坡灾害的概化模型，通过实验研究其演化行为规律，结果均呈现自组织 临界性。进一步分析滑坡、崩塌和泥石流等斜坡灾害实例，表明幂律特征和自组织临界性是许多斜坡灾害的共 性。证明幂律分布特征下，斜坡灾害暴发规模的极值分布的极限收敛于I型渐进分布。运用推导出的计算公式， 以云南蒋家沟泥石流为例，进行计算分析。 关键词：斜坡灾害；自组织临界性；幂律；极值统计 中图分类号：TU441：P642．1文献标识码：A 缘之外的数量总体上达到平衡，沙堆停止增长。此 自组织临界性(Self—OrganizedCriticality，简 称SOC)理论是非线性系统科学的一个分支。SOC时对新添加沙粒的响应是无法预测的，沙粒可能固 是为解释无序的、非线性复杂系统的行为特征提出 定在沙堆上，也可能引起小范围沙粒的滑动，还可 的新概念[1qJ。弱混沌状态就是SoC所致。这类能导致更大规模的崩塌，但崩塌规模与发生频率的 系统包含着众多的发生短程相互作用的组元，并自 关系与幂律相符[5]。我们认为沙堆模型反映了一种 发地向着一种临界状态进化且能维持在临界状态。 自组织作用下的斜坡物质能量耗散普适性过程。斜 在临界状态下小事件引起的连锁反应能对系统中大 坡灾害的共同特征是以斜坡物质失稳下滑来实现能 量数目的组元产生影响，从而导致大规模事件的发 量的耗散，因此在SOC的概念框架下，利用沙堆 模型，可以从整体理论上解释边坡灾害的普适性动 生。闪烁噪声(1If噪声)和分形结构分别是SO(2 时间和空间“指纹”。因此所有的时空关联函数都 力学特性及其基本特征值的统计概率分布，为防治 是幂次的，幂律可以作为自组织临界性的证据。 工程的可靠性设计提供新的思路。因此我们设计了 於崇文院士以完整和独立的命题提出了“固体 斜坡物质失稳的概化模型——2类3种沙堆模型的 地球系统的复杂性与自组织临界性”，认为广义地 物理实验。 质作用系统具有SOC，在混沌边缘分形生长Hj。1．1松散沙堆边坡坍塌实验 斜坡灾害是地质作用系统的子系统，很可能表现出 实验是以常见的单面坡失稳坍塌为原型设计 SOC。为此，我们进行了概化模型实验和灾害实例 的，分有水和无水2种。 的分析。 有水单面坡沙堆模型实验是模拟由于水的入渗 破坏坡体内的应力平衡，导致坡体在重力作用下坍 CITI 1沙堆模型的SOC 塌的现象。实验在宽高各为35em，长为210 的水箱中进行。实验时先在矩形底盘上用干燥沙石 沙堆模型是SOC的范例，国内外许多学者采 建造单面坡的沙石坡面堆体，如图1所示，当斜坡 用真实的或计算机模拟的沙堆模型进行实验研究 角度口达到干沙的临界坡度时，开始用固定的速率 SO(2。如由GlennA．Held等用均匀沙进行的试验，向水箱缓慢注水，直至完全淹没沙堆为止。在这个 在半径为4em圆盘上逐粒加沙构造沙堆。当沙堆 过程中会有沙粒坍滑至落沙收集台，待沙堆稳