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

山が崩れるとき、その結果として起こる災害は、単に岩石が斜面を転げ落ちるだけであることは滅多にありません。最も危険な土砂崩れ、特に中国南西部の急峻で雨の多い地域におけるものの多くでは、移動する塊は土、岩、そして水が混ざり合った混沌とした混合物へと変貌します。この変容によって、単純な滑落は流動化現象へと変わり、そこでは固体デブリと液体の水の相互作用が、災害がどれほどの距離を、どれほどの速さで移動するかを決定づけます。科学者たちは、水が決定的な役割を果たしていることを古くから理解してきましたが、異なる量の水、異なる種類の泥、そして混合物に含まれる岩石のサイズが、どのように動きに影響を与えるかという正確なメカニズムを特定することは困難なままでした。問題は単に、どれだけの水が存在するかということではなく、その水が山を下る際に、いかにして固体の粒子を押し、引き、そして減速させるのかということなのです。これらの隠れた力を理解することは、土砂崩れがどこで止まるのか、そしてどれほどの被害をもたらすのかを予測する上で不可欠であり、それは脆弱な谷に住むコミュニティにとって生死に関わる問題です。

この複雑さを解明するために、研究者たちは、2019年7月23日に貴州省水城県で発生した壊滅的な出来事に注目しました。その夜、数週間にわたる豪雨によって弱まった玄武岩の崖の大部分が剥離し、山肌を駆け下りました。この災害は43人の命を奪い、2億元近い経済的損失をもたらし、1キロメートル以上にわたって破壊の跡を残しました。滑落した塊は、当初は岩の固形ブロックでしたが、崩れて水と混ざり合い、地形を削りながら最終的に静止するまでの高速な二相流へと変化しました。この特定の事象の背後にある物理学を、次の実災害を待つという危険を冒すことなく研究するため、研究チームは高度なコンピュータ・プラットフォームを使用して、仮想環境の中でこの土砂崩れを再現しました。彼らは単に岩が落ちる様子を観察したのではなく、水分の量、流体の粘性、そして岩片のサイズを変化させることで結果がどのように変わるかを見るために、13通りの異なるシナリオを実行し、作用している目に見えない力をシミュレーションしたのです。

研究者たちはまず、水の総量が土砂崩れの挙動にどのように影響するかをテストすることから始めました。彼らは、水がない状態、少量の水がある状態、そして非常に高い含水率の状態での滑落をシミュレートしました。その結果、これらの災害の動きに関する直感に反する事実が明らかになりました。それは、単に最も多くの水が、最大の飛沫や最も強い初期の押しを生み出すという問題ではありません。むしろ、土砂崩れが長い距離を移動するための鍵は、水がいかに長く岩を前方に押し続けられるかにあるのです。低含水率のシナリオでは、水は短時間かつ強烈な力を生み出すかもしれませんが、この支持力はすぐに消失し、岩は減速して積み重なります。しかし、水量が多量である場合、流体は持続的で広範囲な支持システムを作り出します。この継続的な押しによって、岩はたとえ初期の速度が最高ではなくても、より長い時間、浮遊した状態で動き続けることができるのです。水は単なる一度の突き押しとしてではなく、むしろ持続的なコンベアベルトのように機能し、質量が地形を進む間、勢いを維持させます。

研究ではまた、流体自体が変化した場合に何が起こるかも調査し、純粋な水と、さらさらした泥、そして粘り気のある厚い泥を比較しました。純粋な水は最も劇的な結果をもたらしました。岩は最高速度である毎秒36.24メートルに達するほど加速しましたが、この速度は短命でした。一度水と岩が分離し始めると、運動は急速に鈍化しました。対照的に、薄い泥に似た低粘性の流体は、異なる種類の危険をもたらしました。それは最高速度を生み出すことはありませんでしたが、岩をより長い時間動かし続けるための、安定的で持続的な推進力を提供しました。これは、土砂崩れが純粋な水の中を通るよりも、たとえ速度は出なくても、薄い泥の中を通る方が、より遠くまで移動する可能性があることを示唆しています。最も粘性が高く厚い泥は、さらに異なる挙動を示しました。それは重いブレーキとして機能しました。最初は岩を動かすことができても、その内部抵抗がすぐにエネルギーを奪ってしまうため、広範囲に広がるのではなく、局所的な領域に沈殿して積み重なってしまうのです。

最後に、研究者たちは混合物の中の岩のサイズを検証し、小さな小石と大きな巨岩がこれらの流体環境でどのように振る舞うかをテストしました。粒子のサイズは、流体との相互作用を変えました。小さな粒子は、重量に対する表面積が大きいため、流体に掴まれやすく、押しやすく、単位質量あたりの抗力を強く受けました。しかし、大きな粒子には別の利点がありました。それは慣性です。厚く粘性の高い泥の中では、大きな巨岩は抵抗を突き進む能力が高く、小さな粒子が減速してしまう場面でも、勢いを維持することができました。これは、厚い泥の中では、最大の岩が小さな岩よりも実際に遠くまで移動できる可能性があることを意味しており、「小さな破片の方が常に速く動く」という予想を覆すものでした。シミュレーションによれば、最大の粒子はより広く分散した堆積パターンを作り出し、一方で小さな粒子はより狭い高速のチャネルに集中する傾向がありました。

これらのシミュレーションを繋ぎ合わせることで、本研究は、これらの災害を定義づける「流体抵抗」と「固体慣性」の間のダイナミックな綱引きの明確な姿を提示しています。研究結果は、土砂崩れが移動する距離は、最大速度の瞬間や単一のピーク力によって決まるのではないことを示唆しています。むしろ、それは流体の押しが、タイミング、持続時間、および空間的な広がりにおいて、単なる衝撃の強さよりも重要となる、連続的で進化し続ける相互作用の結果なのです。流体が水であれ泥であれ、またデブリが細かい砂であれ大きな巨岩であれ、その結果は、流体がどれだけ効果的にその運動量を固体質量へと伝え続けられるかにかかっています。水城の土砂崩れを仮想的に再構成することから得られたこれらの知見は、流動化した土砂崩れの複雑な物理学を理解するための重要な参照資料となり、科学者や技術者が将来、同様の事象によるリスクをより適切に評価する助けとなります。