金土石科技

RAMMS features

RAMMS功能特点

Advanced 3D visualization interface for digital elevationmodels, aerial imagery, topographic maps, simulation results and additionalgeoreferenced datasets. Topographic map and aerial imagery © 2010 swisstopo(JD100007)

先进的3D可视化界面，可用于数字高程模型，航空影像，地形图，模拟结果和其他地理参考数据集。地形图和航空影像

   GIS tools such as slope angle, curvature, contour andfriction parameter calculation.GIS工具，例如坡度角，曲率，轮廓和摩擦参数计算。

     Manual release area and forest editing tools. Aerialimagery © 2010 swisstopo (JD100007)手动自由发布区域和森林编辑工具。航拍图像

     Calculation and animation of runout distance, flowheight, velocity and impact pressure. Aerial imagery © 2010 swisstopo(JD100007)跳动距离，流高，速度和冲击压力的计算和动画处理。

    Export the results to Google Earth, ArcGIS and othertools. 将结果导出到Google Earth，ArcGIS和其他工具。

导出结果的Google地球可视化

                                                             Applications   应用领域

Main RAMMS applicationsare:

·     Hazard mapping and zoning

·    Simulation of disastrous events   

·    Safety assessment for buildings and trafficroutes   

·    Planning and evaluating protection measures

·    Avalanche and debris flow dynamics research

RAMMS主要应用领域包括：

   危险区划分和分区

   模拟灾难事件   

   建筑物和交通路线的安全评估

   规划和评估保护措施

   雪崩和泥石流动力学研究

   落石运动模拟计算

BackgroundInformation

·        RAMMS中使用什么摩擦模型？

·        Voellmy模型何时以及为什么运行良好？

·        为什么使用水位图进行泥石流模拟？

·        RAMMS使用哪种数值求解技术？

·        执行仿真需要多长时间？

· RAMMS中使用什么摩擦模型？

RAMMS采用Voellmy流体摩擦模型。该模型将摩擦阻力分为两部分：与正应力成比例的干库仑型摩擦力（系数 μ）和速度平方阻力（系数 ξ）。摩擦阻力S（Pa）为

其中 ρ是流密度，g是重力加速度， φ是倾斜角，H是流高，U是流速。该模型已广泛应用于模拟群众运动，尤其是雪崩。Voellmy模型已用于瑞士 很长一段时间，并提供了一组校准参数。

Cohesion   凝聚

从1.6.20版开始，基本的Voellmy方程已修改为包括内聚力：

其中C是流动材料的内聚力。与标准的Mohr-Coulomb类型关系不同，此公式可确保当N → 0和U → 0 都为S →0。这会增加剪切应力，从而导致雪崩或碎屑流更早地停止，具体取决于C的值。
该公式是通过使用滑雪进行滑槽实验（Platzer等人，2007a和Platzer等人，2007b）以及使用艾尔格拉本（VS）中的泥石流进行的实际规模实验建立的。雪有不同粘结性取决于雪温。湿雪崩具有更高的内聚力值；干雪雪崩的凝聚力值较低。
内聚力可以帮助减少在跳动区中的虚假数值扩散，从而使沉积区的轮廓更加清晰。
内聚值（单位帕斯卡）可以在“运行模拟” 窗口的“ Mu / Xi”选项卡中输入。推荐值可在以下找到：

·        雪崩，干雪：0-100 Pa

·        雪崩，湿雪：100-300 Pa

·        泥石流：0-2000 Pa

请谨慎使用内聚值！

Curvature   曲率

从版本1.6.20开始，法向力N现在包括由地形曲率产生的离心力。我们使用Fischer等人提出的方法。（2012）这是专为RAMMS开发的。离心加速度ƒ是雪崩速度和地形曲率的函数。加速度是根据

其中μ是向量μ=（u，v），由x和y方向上的雪崩速度组成。矩阵K描述了在所有方向上的轨迹曲率，包括轨迹“扭曲”。然后离心力是

它被加到法向力N上。通常，这会增加摩擦力，从而导致雪崩在曲折扭曲的流路中减速。一旦水流离开沟渠，它就可以改变沉积的位置。曲率可以通过菜单“帮助→高级…   →曲率” 来激活/禁用   。

· Voellmy模型何时以及为什么运行良好？什么时候应该谨慎使用Voellmy模型？

Avalanches 雪崩：

Voellmy模型以及已校准的参数可用于（1）预测跳动距离和（2）预测极端大雪崩的最大流速。这是来自西蒙谷（Valléede la Sionne）测试场的重要研究成果之一。

我们建议的Voellmy参数描述干雪崩的前缘。因为前部定义了跳动距离和最大速度，所以Voellmy模型将起作用。

但是，Voellmy模型将无法描述雪崩前部，雪崩尾部后的雪崩流。在此，测量结果显示出摩擦力的增加（速度的迅速降低）。这种作用导致雪崩拉长，并最终沉积物质。因此，Voellmy模型将无法预测沉积行为。Voellmy模型很难预测小的雪崩的跳动，这些雪崩有时会立即开始沉积或“饿死”。当然，可以使用较高的 μ和 ξ值来模拟小雪崩，但这是一种非常特殊的方法。

Debris flow　泥石流:

泥石流的“最佳”本构模型在科学界仍然是一个非常开放的问题。我们建议使用Voellmy模型，直到找到更好的模型为止。Voellmy基本上只有两个参数，经过一些校准，通常可以找到一个有用的解决方案。使用Voellmy可以控制流速（参数xi）和跳动距离（μ）。

Voellmy有用的原因之一是它仅需要两个参数即可进行校准。当流体快速移动时，湍流项占主导地位，而当流体缓慢移动时，库仑项占主导地位，这使得该模型可以根据流速和流动前沿的停止位置进行近似校准。

与找到“正确的”雪崩模型相比，找到“正确的”泥石流模型更加困难，因为碎片流是两个组成系统（流体，固体）。泥石流的许多行为-包括停止过程-都涉及流固成分之间的相互作用。因此，如果没有两部分模型，我们就不可能对泥石流的各个方面进行建模。Voellmy模型将两种成分混合在一起，因此当成分体积恒定且混合均匀时，对泥石流进行建模。当然，这假定从事件的头到尾，固体和流体的相对部分保持相同。事实并非如此。

· 为什么使用水位图进行泥石流模拟？

有几个很好的理由。

首先，减轻危害的专家通常只对风扇附近的流动行为感兴趣。计算山洪中泥石流的运动是一项耗时且通常无用的工作。因此，使用水位图通常可以大大减少计算时间。

另一个原因是不可能将泥石流的初始条件描述为“块释放”。在某些情况下，障碍物的释放非常接近实际情况（例如，溃坝），但总的来说，它不能准确反映强烈降雨带来的水流的起始条件。

·    RAMMS使用哪种数值求解技术？

在1.5.01版之前的所有RAMMS版本中，都使用ENO（本质上非振荡）方案对控制微分方程进行数值求解（Christen等，2010）。但是，数值解决方案是在严格正交的网格上实现的。这样可以提高计算速度，但会引入数值不稳定性，尤其是在陡峭的地形中。新的1.6.20版使用相同的二阶ENO方案，但现在在通用的四边形网格上。此新方案提高了数值稳定性，但会稍微降低计算速度。这种稳定的ENO方案的引入使我们可以使用较低的H_cutoff值，从而将计算过程中的质量损失降至最低。H_cutoff的标准值为0.000001 m。

·   执行模拟仿真需要多长时间？

模拟雪崩或泥石流所需的时间是有限体积网格分辨率和计算域大小的函数。通常，我们使用5m的分辨率，而模拟则需要大约10分钟。我们通常以10 m的分辨率执行初始模拟，因此在1或2分钟内即可得到结果。当我们有自己喜欢的解决方案时，我们可以看一下2m分辨率下的问题。

Ramms_avalanche雪崩动态模拟软件

         AVALANCHE模型用来模拟复杂地形中流动的雪崩。AVALANCHE模块的开发始于2005年，该开发基于一维仿真工具AVAL-1D的经验。(使用已知流量宽度的二维地形剖面来模拟雪崩轨迹），尽管有帮助并且受到用户的喜爱，但一维模型要求主要流动方向和流动宽度必须由用户预先定义。这通常很难，特别是在开阔的地形或由多个可能的流动通道组成的地形中。此外，使用一维模拟代码无法精确地建模与捕获和偏转坝的水流相互作用。

RAMMS（快速质量运动模拟）是一个二维的，全新的数值模拟模型，用于计算从开始到跳动的地球物理质量运动（雪崩，落石，泥石流和浅层滑坡）的运动。AVALANCHE模型仍然依赖于瑞士雪地工程实践中广泛使用的双参数Voellmy模型。为了校准Voellmy模型，我们使用了位于瑞士VS的Valléede la Sionne的真实规模雪崩测试站点的数据。该模型引入了特殊的用户功能，以解决森林中不同的表面粗糙度，植被和流量。对于摩擦参数的瑞士指南建议（基于广泛的模型校准）也可供实际用户使用。

AVALANCHE模型结合了先进的数字解决方案和有帮助的输入特性以及友好的可视化工具，许多输入输出特征都是经过优化的，使用户能够轻松修改危险场景并控制模拟结果。该程序的核心是一种有效的二阶数值解，即深度平均雪崩动力学方程。在三维数字地形模型中，计算了雪崩流速和速度。使用GIS类型绘图功能可以轻松地指定单个或多个发布区域。用户可以获得模拟的有用的概览信息，包括发布区域（平均斜率、总容量）、流量行为（最大流量和高度）和停止行为（质量流量）的重要信息。地图和遥感图像可以叠加在地形模型上，以帮助确定输入条件，并根据已知事件校准模型。RAMMS­_AVALANCHE模型现在已经在全球70多个地方使用，该软件已经成功应用于高山地区，如阿尔卑斯山、喜马拉雅山、安第斯山脉、落基山脉、塔塔雷和其他地区。

在最近的理论和实验研究结果的推动下，瑞士的雪崩动力学研究正在经历巨大的改进。AVALANCHE模型现在正在更新，以包括许多这些结果，并为主要位于其他研究组织的专业用户提供高级模型功能。主要结果之一是包含了雪粒的波动能量，这极大地影响了流动摩擦，产生了流动状态转换（固体尾部和稀薄的流动前沿）。现在正在测试可变密度雪崩模型，该模型应该有助于更准确地再现雪崩冲击压力。由于波动能量的产生取决于质量，因此模型更新中将包含夹带过程。世界上许多国家存在湿雪崩问题，目前正在开发一种特殊的湿雪崩模型。该模型将考虑到较高的降雪温度，并预测流中的自由水含量，从而提供必要的状态变量来模拟滑行和堤防形成。用户还对建模频繁的小雪崩感兴趣。在这一领域中，我们正在研究初始条件（雪堆结构和塌陷）的规范，以及定义可用的数字地形模型。正在进行小雪崩事件的相当大的标定。最后，正在制定从颗粒核中吹出空气的物理边界条件。这将允许将RAMMS- AVALANCHE耦合到新的粉雪雪崩代码，该代码可用于在不久的将来对三维地形中的全混合流动/粉末雪崩进行建模。

有关更多信息，请查阅AVALANCHE用户手册(可下载）：

Case studies实例探究

1) 瑞士VS西蒙河谷（Valléede la Sionne）

在我们的实际规模测试站点中，我们提供了从1999年至今的不同干雪和湿雪崩事件的准确数据。这使我们有机会测试和校准模型。我们可以直接将测得的速度，偏心距离和压力与模型结果进行比较。提出的干雪雪崩发生在2006年3月。

2) Dorfberg, GR, Switzerland   瑞士GR，Dorfberg

Dorfberg受欢迎的自由滑坡位于达沃斯SLF大楼的旁边。2008年3月，靠近多尔夫贝格（2536m asl）顶部释放了一个大的湿雪崩，穿过狭窄的萨勒兹托贝尔（Salzer Tobel）沟壑，然后在达沃斯湖底部的缓坡上奔跑。

RAMMS_DEBRIS FLOW　泥石流动态模拟软件

        RAMMS_DEBRIS FLOW 模型被开发用来模拟复杂地形中泥石流的流动。该模型用于瑞士和世界各地的泥石流危险分析，并帮助设计缓解措施。

DEBRIS FLOW结合目前世界上先进的碎屑流动态分析技术，输入功能简单，可视化效果好，且输入和输出功能不断优化，使用户能够轻松修改泥石流场景模拟设置并控制模拟结果。该模型用于瑞士和世界各地的泥石流危险分析，并帮助设计缓解措施。它结合了先进的数字解决方案和有用的输入特性和用户友好的可视化工具。许多输入和输出特性已经得到了优化，使工程师和地球科学家能够定义事件场景，评估模拟结果，并预测拟议的结构缓解措施对泥石流的影响。该程序的核心是颗粒流的深度平均运动方程（浅水方程）的一个有效的二阶数值解。用户可以在DEM 模型上计算任意区域、任意时刻的泥石流沉积高度及流速流量变化情况。用户可以轻松使用 GIS绘图工具指定单个或多个块体释放区域，处理得出所有的重要信息，比如指定区域的平均山坡斜率、总容量、流量特征（最大流量和高度）和泥石流运动停止后的质量、流量的重要信息。地形模型上可以叠加地图或者遥感图像，从而更规范地输入条件和校准软件模型。

DEBRIS FLOW使用双参数Voellmy摩擦模型描述碎屑流动摩擦运动，研究表明，Voellmy理论能够准确的模拟泥石流滑坡问题。用户可以模拟泥石流的发生，确定可用于后续分析的最佳拟合参数集，从而校准RAMMS Voellmy模型。DEBRIS FLOW可以将结果导出到GIS，或者修改地面模型特征。

RAMMS 软件为碎屑流运动提供水力图输入和块体释放两种释放方式。在特定位置指定输入水力图通常适用于大型通道化的碎屑流，实现较大规模的碎屑流输入条件，给定位置的碎屑流流动可以使用历史数据或经验关系导出；模拟更高效，可以显著减少模拟时间。对于非通道化山坡碎屑流或浅层滑坡（或适当的小体积渠道化碎石流），通常采用定义单个或多个块体释放区，所有的碎屑材料以块体的形式一次性滑下，可以定义其相应的范围、厚度和流动的摩擦参数。块体释放区与水力图输入的不同在于整个流量在第一个时间步长进入计算域。

使用输入水位图执行模拟具有以下优点：

·可以实现较大规模的泥石流更现实的输入条件。

RAMMS_ROCKFALL　落石动态模拟软件

ROCKFALL模型是由苏黎世联邦理工学院力学中心和WSL雪地和雪崩研究所SLF的RAMMS程序团队开发的。该联合项目得到了瑞士国家科学基金会的资助。ROCKFALL模块用于研究下落的岩石的刚体运动。该模型可预测一般三维地形中的岩石轨迹。岩石的轨迹受岩石与地面之间的相互作用的支配。该模型包含六个主要状态变量：落石的三个平移速度和三个旋转速度。从中可以得出动能，跳动距离和跳跃高度。岩石定向和旋转速度包括在岩石/地面相互作用中。因此， ROCKFALL模块与AVALANCHE和DEBRISFLOW模块从根本上不同，因为它基于硬接触的刚体拉格朗日力学模型，而不是欧拉流体力学。它也与现有的落石模块不同，因为岩石/地面相互作用并非完全由简单的回弹力学来控制，而是由摩擦（耗散）的岩石/地面相互作用来控制。这些控制着跳岩的发生。ROCKFALL模块可预测所有刚体运动------岩石的滑动，滚动和跳跃。

ROCKFALL模块与AVALANCHE和DEBRISFLOW模块中使用相同的用户友好可视化工具耦合。可视化工具可轻松进行仿真的准备，执行，可视化和解释。

RAMMS_ROCKFALL模型考虑到真实的岩石形状，计算出它们在三维空间中的运行轨迹，包括跳跃高度、速度、旋转速度、总动能和接触冲击力。对广义岩石形状进行建模，将真正的岩石形状引入到ROCKFALL模型中，可以更好地包含由不同地质背景产生的岩石形状和大小的自然变化。利用这一点，可更接近于模拟岩石坠落的运行行为的真实性质，整合岩石形状和现场特定岩石坠落危险的释放运动学特征。

Rockfall模型采用刚体力学，可以明确描述任意三维多面体，包括自然岩石形状（请参见右图）。将真实的岩石形状引入落石模型可以更好地包含由不同地质环境产生的岩石形状和大小的自然变异性。借助此方法，我们可以更接近地模拟落石跳动行为的真实本质，将岩石形状和特定地点落石危险的释放运动学特征相结合。

Download RAMMS_ROCKFALL Factsheet (pdf)!

更多功能请查阅用户手册   Download RAMMS_ROCKFALL Manual (pdf)! 可下载