Effects of fluid conditions and particle size on the post-failure mobility of fluid–solid coupled landslides

Lorsqu'une montagne cède, le désastre qui en résulte est rarement un simple amas de roches dévalant une pente. Dans beaucoup des glissements de terrain les plus dangereux, particulièrement dans les régions escarpées et pluvieuses du sud-ouest de la Chine, la masse en mouvement se transforme en un mélange chaotique de sol, de roche et d'eau. Cette transformation change un simple glissement en un écoulement fluidifié, où l'interaction entre les débris solides et l'eau liquide dicte la distance et la vitesse de déplacement du désastre. Les scientifiques ont compris depuis longtemps que l'eau joue un rôle critique, mais la mécanique précise de la manière dont les différentes quantités d'eau, les différents types de boue et la taille des roches au sein du mélange influencent le mouvement est restée difficile à définir. La question n'est pas simplement de savoir quelle quantité d'eau est présente, mais comment cette eau pousse, tire et ralentit les particules solides alors qu'elles dévalent la montagne. Comprendre ces forces cachées est essentiel pour prédire où un glissement de terrain s'arrêtera et quel dommage il pourrait causer, une question de vie ou de mort pour les communautés vivant dans les vallées vulnérables.

Pour démêler cette complexité, les chercheurs ont porté leur attention sur un événement catastrophique survenu le 23 juillet 2019, dans le comté de Shuicheng, province de Guizhou. Cette nuit-là, une section massive d'une falaise de basalte, affaiblie par des semaines de fortes pluies, s'est détachée et a déferlé le long du versant de la montagne. Le désastre a coûté la vie à 43 personnes et causé près de 200 millions de yuans de pertes économiques, laissant une trace de destruction s'étendant sur plus d'un kilomètre. La masse glissante, initialement un bloc de roche solide, s'est brisée et s'est mélangée à l'eau, devenant un écoulement biphasique à haute vitesse qui a décapé le paysage avant de s'immobiliser enfin. Pour étudier la physique derrière cet événement spécifique sans le danger d'attendre un autre désastre réel, une équipe de scientifiques a utilisé une plateforme informatique sophistiquée pour recréer le glissement de terrain dans un environnement virtuel. Ils ne se sont pas contentés de regarder les roches tomber ; ils ont simulé les forces invisibles en jeu, exécutant treize scénarios différents pour voir comment le changement de la teneur en eau, de l'épaisseur du fluide et de la taille des fragments de roche modifierait le résultat.

Les chercheurs ont commencé par tester comment le volume pur d'eau affectait le comportement du glissement de terrain. Ils ont simulé le glissement sans eau, avec de petites quantités, puis avec une teneur en eau très élevée. Les résultats ont révélé une vérité contre-intuitive sur la manière dont ces désastres se déplacent. Il ne s'agit pas simplement d'avoir le plus d'eau pour créer la plus grande éclaboussure ou la poussée initiale la plus forte. Au contraire, la clé pour qu'un glissement de terrain parcoure une longue distance réside dans la durée pendant laquelle l'eau peut continuer à pousser les roches vers l'avant. Dans les scénarios à faible teneur en eau, l'eau peut créer une poussée brève et intense, mais ce soutien disparaît rapidement, provoquant le ralentissement et l'accumulation des roches. Cependant, lorsque le volume d'eau est élevé, le fluide crée un système de support étendu et soutenu. Cette poussée continue permet aux roches de rester en suspension et de bouger pendant beaucoup plus longtemps, même si la poussée de vitesse initiale n'est pas la plus élevée. L'eau agit moins comme une poussée unique que comme un tapis roulant persistant, maintenant l'élan vivant tandis que la masse navigue sur le terrain.

L'étude a également exploré ce qui se passe lorsque le fluide lui-même change, comparant l'eau pure à une boue mince et à une boue épaisse et collante. L'eau pure a produit le résultat le plus spectaculaire : les roches ont accéléré jusqu'aux vitesses les plus élevées, atteignant un pic de 36,24 mètres par seconde, mais cette vitesse fut de courte durée. Une fois que l'eau et les roches ont commencé à se séparer, le mouvement a ralenti rapidement. En revanche, un fluide à faible viscosité, semblable à une boue mince, offrait un type de danger différent. Il n'a pas généré la vitesse de pointe la plus élevée, mais il a fourni une poussée constante et persistante qui a maintenu les roches en mouvement pendant une durée plus longue. Cela suggère qu'un glissement de terrain circulant à travers une boue mince pourrait parcourir une plus grande distance qu'un glissement en eau pure, même s'il ne se déplace jamais aussi vite. La boue la plus visqueuse et la plus épaisse se comportait différemment encore ; elle agissait comme un frein puissant. Bien qu'elle puisse mettre les roches en mouvement initialement, sa résistance interne drainait rapidement leur énergie, provoquant leur dépôt et leur accumulation dans une zone localisée plutôt que de les disperser sur une large distance.

Enfin, les chercheurs ont examiné la taille des roches au sein du mélange, testant comment de petits cailloux par rapport à de gros blocs de roche se comporteraient dans ces environnements fluides. La taille de la particule modifiait son interaction avec le fluide. Les particules plus petites, ayant une surface plus grande par rapport à leur poids, étaient plus facilement saisies et poussées par le fluide, subissant des forces de traînée plus fortes par unité de masse. Cependant, les particules plus grandes possédaient un avantage différent : l'inertie. Dans la boue épaisse et visqueuse, les gros blocs étaient mieux capables de frayer un chemin à travers la résistance, maintenant leur élan là où les petites particules auraient été ralenties. Cela signifiait que dans un écoulement de boue épaisse, les plus grosses roches pouvaient en fait voyager plus loin que les plus petites, défiant l'attente selon laquelle les débris plus petits se déplacent toujours plus vite. Les simulations ont montré que les plus grandes particules créaient un motif de dépôt plus large et plus dispersé, tandis que les plus petites avaient tendance à se concentrer dans des canaux plus étroits et à haute vitesse.

En assemblant ces simulations, l'étude offre une image plus claire du tir à la corde dynamique entre la traînée du fluide et l'inertie des solides qui définit ces désastres. Les conclusions suggèrent que la distance parcourue par un glissement de terrain n'est pas déterminée par un moment unique de vitesse maximale ou par une force de pointe unique. Au contraire, c'est le résultat d'une interaction continue et évolutive où le timing, la durée et la dispersion spatiale de la poussée du fluide sont plus critiques que l'intensité d'une poussée unique. Que le fluide soit de l'eau ou de la boue, et que les débris soient du sable fin ou de gros blocs, le résultat dépend de la capacité du fluide à maintenir son transfert de quantité de mouvement à la masse solide. Ces informations, dérivées de la reconstruction virtuelle du glissement de terrain de Shuicheng, fournissent une référence vitale pour comprendre la physique complexe des glissements de terrain fluidifiés, aidant les scientifiques et les ingénieurs à mieux évaluer les risques posés par des événements similaires à l'avenir.