冰-岩碎屑流运动特性的冰屑影响机理研究

Rock-ice avalanches in high-mountain regions can have an extremely high mobility and an enormous destructive potential. A series of flume tests will be conducted to simulate the propagation of rock-ice avalanches, based on field investigations and existing data of historical events. The mobility (e.g., velocity, travel distance and morphology of motion and deposition) of granular materials with/without ice will be compared, and the effects of ice content, grain size, and material configuration on their mobility will be analyzed. The contribution of ice as a part of the moving mass and as the source of meltwater during the flow propagation will be assessed according to parameters (e.g., friction coefficient, pore pressure, and shear strength) measured by the flume tests and geotechnical tests. Thus, the influence of ice on the mobility of such events will be revealed. This research will contribute to further understand the propagation mechanisms of rock-ice avalanches, better determine velocity, run-out, and the covering area of deposition, and also provide scientific basis for risk prediction and mitigation.

冰-岩碎屑流是一种发育在高寒山区的具有超强运动性和危害性的特殊碎屑流。项目在详细调查和分析冰-岩碎屑流典型实例特征的基础上，采用斜槽实验模拟冰-岩碎屑流的运动过程，对比冰-岩碎屑材料与不含冰碎屑材料的运动特性（运动速度、运动距离、运动和堆积形态等），分析冰屑含量、冰-岩颗粒级配、冰-岩结构形式等冰屑因素对冰-岩碎屑材料运动特性的影响程度；进而结合斜槽实验、直剪试验、底摩擦试验中获取的摩擦系数、抗剪强度、孔隙水压等参数，以及斜槽实验中显现的冰-岩碎屑材料的形态和组构演变等现象，深入研究冰屑作为材料组分和融水来源影响冰-岩碎屑流运动特性的规律，揭示冰-岩碎屑流运动特性的冰屑影响机理。研究成果将有助于更深入地理解冰-岩碎屑流的运动学机理，更合理地评估冰-岩碎屑流的运动速度、运动距离和覆盖面积，更充分地提供冰-岩碎屑流灾害风险评估、防灾减灾决策的科学依据，具有重要的科学意义和重大的减灾应用价值。

本项目致力于分析冰屑作为材料组分和融水来源对冰-岩碎屑流运动特性的影响。项目在野外调查的基础上提出了坑洞调查法，研究冰屑的可能存在形式及其对冰-岩碎屑流运动特性的影响；设计了冰屑含量、冰-岩结构形式、冰屑融化等冰屑影响方式的模拟方法和实验装置，开展了无冰工况碎屑流斜槽试验，有冰（碎冰）工况碎屑流斜槽试验，有冰（厘米级方形冰）工况碎屑流斜槽试验；通过自行研制的散体材料底摩擦仪研究不同级配条件下碎屑流的底面动摩擦特性，探讨底面动摩擦系数对碎屑流运动特性的影响。. 现场调查结果表明，西藏林芝易贡滑坡堰塞体的斜坡上分布着大量坑洞，坑壁陡立，可能冰屑融化造成的，这说明在易贡滑坡运动过程中冰屑可能存在与碎屑流前端并在停积后未完全融化，冰屑的这种存在方式和融化程度与本项目冰岩碎屑流的模拟结果较为接近；无冰工况的碎屑流斜槽实验结果表明，采用细、中、粗砂的散体混合料的冲出距离与颗粒粒径比和含量均有明显关系。细颗粒被分选至底部，含量较小时起滚珠作用，提高了混合材料的运动性；细颗粒含量较大时则起嵌锁作用，降低了运动性。当碎屑材料混入冰屑材料（碎冰）时，冲出距离与冰屑含量呈现先正相关后负相关的趋势，而且冰屑粒径越大冲出距离有递减趋势，这些情况与冰屑是否落入碎屑流底部关系较为密切；采用厘米级方形冰块时，冰屑含量的影响与碎屑工况较为类似，含冰量为30%时，冲出距离均达到最小值；而在含冰量在70%时，冲出距离均达到最大值。同批次冰屑碎屑材料完成一次冲出后，重新收集并进行第二次冲出，冲出距离往往相对于第一次更远，应该是由于冰屑融化所致;冰屑岩屑分层的冲出距离均低于冰屑岩屑混合时的冲出距离。底摩擦试验结果表明，底面动摩擦系数存在速度弱化特性，速度越大系数越小；不同颗粒级配的散体材料动摩擦系数也有所不同，但变化规律不明显。. 上述研究工作表明，坑洞调查法有助于揭示冰屑的分布和大小，提供了一种较为便捷有效的冰屑影响现场调查法；项目提出的冰屑影响模拟方法能够较好的模拟冰屑含量、冰岩结构、冰屑融化等因素，不过由于冰屑易碎易融化，试验结果的分散度较大，模拟结果的重现度有待进一步提升。项目成果有助于理解冰-岩碎屑流的冰屑影响机理，为更合理地评估冰-岩碎屑流的运动速度、运动距离和覆盖面积提供科学依据。