高速远程滑坡-碎屑流“裹气流态化”减阻机理研究

本项目研究高速远程滑坡-碎屑流的"裹气流态化"减阻机理。首先，通过流化床试验和流变试验，测定碎屑流在不同气-固比下的流变特性参数；然后，据所得流变参数，通过所选取的三个典型实例的三维相似模型试验，研究高速滑坡-碎屑流沿不同斜坡运动路径上的平面运动形态、速度分布情况、滑床铲刮特征及碎屑堆积结构等运动学特性参数；再基于颗粒流技术PFC-3D方法的基本理论和物理模型试验数据，建立碎屑流运动过程的数值模拟方法，最大程度的实现对碎屑流运动机理的精细模拟，并将所得结果与试验结果进行对比，揭示碎屑流远程运动的流动规律和动力学特征，建立高速远程滑坡-碎屑流流态化不同运动阶段的运动速度、运动距离、覆盖面积的计算公式。其研究成果对于揭示高速远程滑坡-碎屑流运动规律及机理，防灾减灾，具有重要的科学理论价值及工程应用前景。

高速远程滑坡运动过程中常表现出超常的高速度和异常高的流动性，是自然界中具有极端破坏力的地质灾害现象之一。在其运动过程中，由于有适宜的地形条件（如沟谷圈闭地形），或特殊运动过程的存在（如高剪切热能产生水蒸气），高速运动的滑体内部极易形成圈闭气流，产生浮力作用，形成气、固二相流。为探索滑体运动过程中强烈的气体掺入对其高速运动特征的影响，本项目以研究高速远程滑坡“裹气流态化”减阻机理为目标，选取汶川地震过程中所发生的若干典型高速滑坡实例为研究对象，开展研究。首先，自行设计流化床实验装置、圆环式旋转剪切实验装置和三维物理模型实验装置，开展一系列实验研究，探讨了裹入气流对滑体运动特性的影响；其次，借助FLUENT软件，对滑体高速运动过程中所产生的超前冲击气浪进行了模拟分析，并基于数值模拟结果，借助LS-DYNA软件，对超前冲击气浪作用下，建筑物的破坏特征进行了全过程模拟。通过上述研究，主要得到以下几点结论：（1）滑体内部气流的裹入，可明显降低滑体的动态抗剪强度，起到减阻作用；由于滑坡碎屑颗粒的高度不规则性，其间易形成“架桥”现象，气流不易扩散，当滑体内裹入气流足够多时，将会在其下方形成高压气垫层，产生空气擎托现象；沿三维复杂地形条件下，随着滑体内部气体裹入量的增加，可见滑体运动距离增加的现象。由此可见：高速远程滑坡运动过程中气流的裹入可在一定程度上促进滑坡的高速远程运动。（2）三维物理模型实验研究亦发现：滑体在运动过程中具有明显的流体运动特性。滑体在高速运动过程中，沟谷岸坡地形约束条件下所引起的碎屑流“分流-汇流”运动过程，可导致滑体表面纵向“沟-脊”相间流态化堆积地貌的形成；而碎屑颗粒的无侧限跳跃式扩离运动，则可在运动路径上形成共轭“X”型堆积形态。（3）在滑体的高速运动过程中，其前方可产生破坏性超前冲击气浪。研究发现：在牛圈沟滑坡和王家岩滑坡的高速运动过程中，其前方超前冲击气浪压强峰值分别高达657 Pa和600 Pa，相当于11级暴风的强度；在谢家店子滑坡的高速运动过程中，其前方超前气浪的峰值压强则高达385 Pa，相当于10级暴风的强度，均可对沿途障碍物造成毁灭性的破坏。此外，在滑体的高速运动的过程中，当其前方一定范围内出现较为高大的障壁时，碎屑流前方来不及扩散的高压气流将产生极为明显的压强梯度变化，增强气浪的破坏能力。该研究成果对于揭示高速远程滑坡运动规律及机理具有