地震触发高速远程滑坡-碎屑流全程动力学机理研究

Rockslide-debris avalanches triggered by the Wenchuan earthquake are characterized by giant energy, high velocity and long-runout resulting in a great geological disaster. These landslides are thrown under strong vertical ground vibration in high slope, can fly a distance of 1-3 km due to air-cushion effect, collide with the valley bottom, transformed into debris avalanche and then move forward and finally came to rest at the valley mouth. The project will choose the Donghekou rockslide-debris avalanche triggered by the Wenchuan earthquake to achieve the geological structures and geometrical characteristics by field investigation and remote sensing explanation and then analyze the motion and deposition features. This project will also adopt the theories and experimental methods of geotechnical dynamics, aerodynamics and continuum mechanics to reveal the kinetics mechanism of the rapid slide at the set-out stage, flying under the air cushion effect at the short stage and debris flow at the long-runout stage and finally develop a comprehensive dynamics model to predict the velocity and runout and reproduce the whole course of the rockslide-debris avalanche triggered by the earthquake to provide a theoretical and technical support for the spatial prediction of rockslide-debris avalanche by a strong earthquake in the canyon area.

汶川地震触发的高速远程滑坡-碎屑流具有冲击能量巨猛难以阻挡、滑动速度极快难以逃逸、滑行距离远且滑动方向曲折难以预测等特点造成了重大的地质灾难。这些山体滑坡大多高位抛出，由于高速气垫效应，飞行行程可达1-3km，与下部沟谷发生强烈撞击后，转化为高速碎屑流，呈流体状继续沿沟谷向前运动。本申请项目拟以汶川地震触发的青川东河口高速远程滑坡-碎屑流为例,通过现场原型调查、遥感解译等手段，提取地震触发高速远程滑坡-碎屑流的地质结构特征与空间几何条件识别指标，分析滑坡不同阶段的运动特征和堆积特征，运用岩土动力学、空气动力学、连续介质力学等理论和试验方法，揭示地震滑坡启程高速抛滑、近程凌空飞行和远程碎屑流的动力学机理，建立预测高速远程滑坡运动速度和运动距离的动力学模型，通过数值仿真再现地震触发高速远程滑坡-碎屑流致灾全过程，为高山峡谷区强地震环境下高速远程滑坡的空间预测提供理论与技术支撑。

2008年5月12日，受汶川地震影响，四川省发生了上百起高速远程滑坡-碎屑流灾害。随着近年来计算机技术和数值计算方法的飞速发展，数值模拟方法在滑坡-碎屑流研究中的应用愈发广泛；同时，计算流体动力学方法也逐渐被引入高速远程滑坡-碎屑流引起的超前冲击气浪的研究中。本文以汶川地震触发的牛眠沟和文家沟高速远程滑坡-碎屑流为研究对象，通过DAN3D软件数值模拟方法研究了其运动过程和动力学特征，并通过计算流体动力学软件FLUENT对文家沟高速远程滑坡-碎屑流运动过程中引起的超前冲击气浪进行了深入研究，主要工作和成果有：(1) 以牛眠沟和文家沟高速远程滑坡-碎屑流为例，结合滑坡区域的工程地质条件，以滑坡区域实际地形为基础建立了DAN3D模型，讨论了不同的流变模型和流变参数对滑坡-碎屑流运动距离、运动速度等动力学特征的影响；(2) 基于文家沟DAN3D模型，建立了文家沟地区三维有限元模型，应用计算流体动力学软件FLUENT，通过用户自定义程序引入Frictional和Voellmy流变准则，对文家沟高速远程滑坡-碎屑流运动过程中激起的超前冲击气浪的速度、压强等进行了研究和分析。 为了研究地震抛射型高速远程滑体的运动规律，在低速风洞进行了滑体模型风洞试验。试验模拟了不同离地高度、运动速度、地形和气垫效应情况下，滑体凌空飞行的气动特性，测定了滑体飞行的空气动力学参数。试验结果表明：滑体运动速度的增大将导致升力系数减小，尤其是在飞行速度较小时；模型离地越近升力系数越大，地面效应越明显；沟谷地形的地面效应较平坦地形更为明显；在气垫效应和沟谷地形耦合作用下，升力系数显著增大且主要来自气垫效应。