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

Wanneer een berg bezwijkt, is de resulterende ramp zelden slechts een hoop stenen die een helling afrolt. In veel van de gevaarlijkste aardverschuivingen, met name die in de steile, regenachtige regio's van zuidwest-China, transformeert de bewegende massa in een chaotische mengeling van grond, gesteente en water. Deze transformatie verandert een eenvoudige verschuiving in een gefluidiseerde stroom, waarbij de interactie tussen het vaste puin en het vloeibare water bepaalt hoe ver en hoe snel de ramp zich voortbeweegt. Wetenschappers begrijpen al lang dat water een cruciale rol speelt, maar de precieze mechanica van hoe verschillende hoeveelheden water, verschillende soorten modder en de grootte van de rotsen binnen het mengsel de beweging beïnvloeden, bleven moeilijk vast te stellen. De vraag gaat niet enkel over hoeveel water aanwezig is, maar over hoe dat water de vaste deeltjes duwt, trekt en vertraagt terwijl ze de berg af racen. Het begrijpen van deze verborgen krachten is essentieel om te voorspellen waar een aardverschuiving tot stilstand komt en hoeveel schade het kan aanrichten, een kwestie van leven of dood voor gemeenschappen die in kwetsbare valleien leven.

Om deze complexiteit te ontrafelen, richtten onderzoekers hun aandacht op een catastrofale gebeurtenis die plaatsvond op 23 juli 2019 in Guizhou, in het district Shuicheng. Die nacht kwam een massief deel van een basaltklif, verzwakt door wekenlange hevige regenval, los en stortte de berghelling af. De ramp eiste 43 levens en veroorzaakte bijna 200 miljoen yuan aan economische verliezen, waarbij een spoor van verwoesting achterliet dat meer dan een kilometer lang was. De glijdende massa, aanvankelijk een solide blok gesteente, viel uiteen en mengde zich met water, waardoor het een snelle, twee-fasenstroom werd die het landschap schoonveegde voordat hij uiteindelijk tot rust kwam. Om de fysica achter deze specifieke gebeurtenis te bestuderen zonder het gevaar te lopen te moeten wachten op een nieuwe echte ramp, gebruikte een team wetenschappers een geavanceerd computerplatform om de aardverschuiving in een virtuele omgeving te reconstrueren. Ze keken niet simpelweg toe hoe de rotsen vielen; ze simuleerden de onzichtbare krachten die in het spel waren, waarbij ze dertien verschillende scenario's draaiden om te zien hoe het veranderen van het watergehalte, de dikte van de vloeistof en de grootte van de rotsfragmenten de uitkomst zou veranderen.

De onderzoekers begonnen met het testen van hoe het loutere volume water het gedrag van de aardverschuiving beïnvloedde. Ze simuleerden de verschuiving zonder water, met kleine hoeveelheden, en tot slot met een zeer hoog watergehalte. De resultaten onthulden een contra-intuïtieve waarheid over hoe deze rampen bewegen. Het is niet simpelweg een kwestie van het hebben van de meeste water om de grootste spat of de sterkste initiële duw te creëren. In plaats daarvan ligt de sleutel tot een aardverschuiving die een lange afstand aflegt in de vraag hoe lang het water de rotsen naar voren kan blijven duwen. In scenario's met een laag watergehalte kan het water een korte, intense krachtbron creëren, maar deze ondersteuning verdwijnt snel, waardoor de rotsen vertragen en opstapelen. Echter, wanneer het watervolume hoog is, creëert de vloeistof een aanhoudend, wijdverspreid ondersteuningssysteem. Deze continue duw zorgt ervoor dat de rotsen veel langer zwevend en bewegend kunnen blijven, zelfs als de initiële snelheid niet het hoogst is. Het water werkt minder als een enkele duw en meer als een persistente lopende band, die het momentum levend houdt terwijl de massa het terrein navigeert.

De studie onderzocht ook wat er gebeurt als de vloeistof zelf verandert, waarbij puur water werd vergeleken met dunne modder en dikke, plakkerige modder. Puur water produceerde het meest dramatische resultaat: de rotsen versnelden tot de hoogste snelheden, met een piek van 36,24 meter per seconde, maar deze snelheid was van korte duur. Zodra het water en de rotsen begonnen te scheiden, vertraagde de beweging snel. In contrast hiermee bood een vloeistof met een lage viscositeit, vergelijkbaar met dunne modder, een ander soort gevaar. Het genereerde niet de hoogste topsnelheid, maar bood een gestage, persistente aandrijving die de rotsen gedurende een langere tijd in beweging hield. Dit suggereert dat een aardverschuiving die door dunne modder stroomt verder kan reizen dan een verschuiving in puur water, zelfs als deze nooit zo snel beweegt. De meest viskeuze, dikke modder gedroeg zich weer heel anders; het fungeerde als een zware rem. Hoewel het de rotsen aanvankelijk in beweging kon krijgen, zoog de interne weerstand hun energie snel weg, waardoor ze tot stilstand kwamen en zich ophoopten in een gelokaliseerd gebied in plaats van zich over een groot gebied te verspreiden.

Ten slotte onderzochten de onderzoekers de grootte van de rotsen binnen het mengsel, waarbij ze testten hoe kleine kiezelstenen versus grote rotsblokken zich zouden gedragen in deze vloeibare omgevingen. De grootte van de deeltjes veranderde de manier waarop ze met de vloeistof interageerden. Kleinere deeltjes, die een groter oppervlak hebben in verhouding tot hun gewicht, werden gemakkelijker gegrepen en geduwd door de vloeistof, en ervoeren sterkere weerstandskrachten per eenheid massa. Grotere deeltjes hadden echter een ander voordeel: traagheid. In de dikke, viskeuze modder waren de grote rotsblokken beter in staat om door de weerstand heen te ploegen, waarbij ze hun momentum behielden waar de kleinere deeltjes vertraagd zouden zijn. Dit betekende dat in een dikke modderstroom de grootste rotsen daadwerkelijk verder konden reizen dan de kleinere, wat de verwachting tart dat kleiner puin altijd sneller beweegt. De simulaties toonden aan dat de grootste deeltjes een breder, meer verspreid afzetpatroon creëerden, terwijl de kleinere deeltjes de neiging hadden om zich te concentreren in smallere, hogesnelheidskanalen.

Door deze simulaties samen te voegen, biedt de studie een duidelijker beeld van de dynamische touwtrekkerij tussen vloeistofweerstand en vaste traagheid die deze rampen definieert. De bevindingen suggereren dat de afstand die een aardverschuiving aflegt niet wordt bepaald door een enkel moment van maximale snelheid of een enkele piekforce. In plaats daarvan is het het resultaat van een continue, evoluerende interactie waarbij de timing, duur en ruimtelijke spreiding van de duw van de vloeistof belangrijker zijn dan de intensiteit van een enkele duw. Of de vloeistof nu water of modder is, en of het puin nu fijn zand of grote rotsblokken zijn, de uitkomst hangt af van hoe goed de vloeistof zijn momentumoverdracht naar de vaste massa kan handhaven. Deze inzichten, afgeleid van de virtuele reconstructie van de Shuicheng-aardverschuiving, bieden een essentieel referentiekader voor het begrijpen van de complexe fysica van gefluidiseerde aardverschuivingen, wat wetenschappers en ingenieurs helpt om de risico's van soortgelijke gebeurtenissen in de toekomst beter in te schatten.