Инженеры из Университета Дьюка разработали комплексную новую модель глубинных оползней и продемонстрировали, что она может точно воссоздать динамику исторических и текущих оползней, которые происходят в различных условиях.
Не обращая внимания на стандартные измерения скорости и уровня воды, модель указывает на то, что температура относительно тонкого слоя глины в основании оползня имеет решающее значение для его вероятности внезапного катаклизма. Этот подход в настоящее время используется для мониторинга развивающегося оползня в Андорре и предлагает методы снижения риска его эскалации, а также любых других будущих глубоких оползней.
Результаты появятся онлайн 15 июня в Журнале геофизических исследований - Поверхность Земли.
«Более десяти лет назад я опубликовал статью, в которой объяснял, что произошло на плотине Ваджонт, одной из крупнейших техногенных катастроф всех времен», - сказал Манолис Вевеакис, доцент кафедры гражданского и экологического строительства Университета Герцога. «Но эта модель была чрезвычайно ограничена и привязана к этому конкретному событию. Эта модель более полная. Ее можно применять к другим оползням, обеспечивая критерии стабильности и рекомендации о том, когда и как их можно предотвратить».
Катастрофа, о которой говорит Вевеакис, произошла на плотине Ваджонт, одной из самых высоких в мире на высоте 860 футов, в северной Италии в 1963 году. днем на прилегающем склоне горы, понизив уровень воды в озере за плотиной, оползень внезапно ускорился без предупреждения. Почти 10 миллиардов кубических футов горной породы рухнуло вниз по ущелью и в озеро со скоростью почти 70 миль в час. Это вызвало цунами высотой более 800 футов, которое обрушилось на плотину, полностью уничтожив несколько небольших городов внизу и убив почти 2000 человек.
До того, как произошла катастрофа, ученые не верили, что какой-либо потенциальный оползень может привести к цунами высотой более 75 футов. Они по-прежнему недоумевают, как этот оползень сдвинулся так резко и так внезапно.
В 2007 году Вевеакис собрал все воедино и разработал модель, которая соответствовала научным наблюдениям за катастрофой. Он показал, как вода, просачивающаяся в горную породу над неустойчивым слоем глины, вызвала ползучий оползень, который, в свою очередь, нагрел и еще больше дестабилизировал глину в петле обратной связи, пока она быстро не разрушилась..
«Глина - очень термически чувствительный материал, и она может создавать полосу сдвига, которая очень чувствительна к трению», - сказала Каролина Сеги, кандидат наук в лаборатории Вевеакиса и первый автор новой статьи.«Это худший материал для такого критического места, и это кошмар для инженеров-строителей, строящих что-либо где угодно».
Эта ранняя модель, однако, использовала данные с плотины Вайонт только за последний месяц, когда уровень воды был почти постоянным. Он игнорировал любые изменения грунтовых вод, по существу предполагая, что внешняя нагрузка остается постоянной. В то время как эта модель работала, чтобы объяснить неожиданный обвал оползня Ваджонт, предположения модели сделали невозможным предлагать оценки в реальном времени или использовать в других сценариях.
В новом исследовании Вевеакис, Сегуи и Хадриен Раттез, исследователь с докторской степенью в лаборатории Вевеакиса, затыкают дыры старой модели и обеспечивают возможность включения комбинации зависящей от времени внешней нагрузки и внутренней деградации. Полученная модель способна воссоздать и предсказать наблюдения, сделанные на очень разных глубинных оползнях.
«Традиционные модели оползней имеют статическую внутреннюю прочность материала, и если вы превысите ее, оползень рухнет», - сказал Вевеакис.«Но в подобных примерах оползень уже движется, потому что его сила уже превышена, поэтому эти модели не работают. Другие пытались использовать машинное обучение, чтобы подогнать данные, что иногда срабатывало, но это не работает. Это объясняет лежащую в основе физику. Наша модель включает в себя свойства мягких материалов, что позволяет применять ее к большему количеству оползней с различными характеристиками нагрузки и обеспечивает критерий эксплуатационной стабильности путем мониторинга его базальной температуры."
Помимо использования модели для воссоздания движений оползня Ваджонт и объяснения механизмов, лежащих в основе его движения в течение более двух лет, Вевеакис и Сегуи показывают, что их модель может точно воссоздать и предсказать движения оползня Шупин, еще одного медленно движущийся оползень на плотине «Три ущелья» в Китае, самой большой плотине в мире. Но хотя этот оползень также является результатом искусственного озера рядом с плотиной, на этом сходство заканчивается.
До разрушения плотины Ваджонт существовала довольно линейная зависимость между уровнем озера и скоростью ползучего оползня. Чем ниже уровень озера, тем медленнее оползень. Оползень Шупин, однако, ведет себя наоборот - чем ниже уровень озера, тем быстрее происходит оползень. И в то время как зависимость между уровнем озера и скоростью была примерно линейной на плотине Ваджонт, скорость оползня Шупин нелинейна, реагируя на дополнительные источники воды и нагрузки, такие как сезонные муссоны. Он также состоит из различных материалов.
Несмотря на эти различия, новая модель исследователей способна точно воспроизвести движение оползня Шупин за последнее десятилетие.
В этом случае у исследователей нет прямого доступа к измерениям, проведенным в полосе сдвига, которая представляет собой менее одного метра бурой брекчии и илистой глины. Им приходится делать предположения об уровнях трения и внутренних температурах, чтобы их модель работала.
В горах Андорры, однако, медленно движущийся оползень Эль-Форн угрожает безопасности близлежащей деревни под названием Канильо и находится под пристальным наблюдением правительства. В отличие от Китая или Италии, здесь нет ни плотины, ни озера - этот оползень ускоряется за счет таяния снега, подпитывающего уровень грунтовых вод в горах над городом.
Несмотря на то, что условия полностью отличаются от условий двух предыдущих оползней, исследователи уверены, что их модель соответствует поставленной задаче.
Благодаря многочисленным скважинам, которые были сделаны, чтобы лучше понять оползень Эль-Форн, Вевеакис и Сегуи смогли вставить термометры непосредственно в полосу сдвига небольшой доли, которая скользит быстрее остальных. Имея такой уровень доступных данных, исследователи рассчитывают еще больше проверить и уточнить свою модель и даже дать совет о том, как избежать потенциальной катастрофы, если кто-то начнет разработку.
«Можно представить себе откачку воды из-под земли или циркуляцию другой холодной жидкости через сдвиговый слой, чтобы охладить ее и замедлить оползень», - сказал Сеги. «Или, по крайней мере, если мы не смогли остановить это, чтобы предупредить об эвакуации. Именно поэтому мы здесь».