高速远程滑坡裹气流态化悬浮减阻机理研究

The aim of the study is to research the flow behaviors of rock avalanche under the effect of entrapped gas. Based on the preliminary researches, a DEM model of the Xiejiadianzi rock avalanche is designed firstly for physical model tests to obtain the emplacement characteristics of the failure mass under the effect of gas. Then, relying on the fruits obtained in the physical model tests, a ring shear test will be conducted to observe the flow behavior of debris under the effect of entrapped gas with bed pressure, inter-grain effective force, inter-grain shear force recorded. Finally, a fine numerical simulation and in-depth theoretical analysis will be carried out to deduce the rheological model of rock avalanche under the effect of entrapped gas. This research will advance understanding of rock avalanche dynamics and mitigation strategies of geological disaster chains.

本项目研究高速远程滑坡的裹气流态化悬浮减阻机理。基于前期研究成果，首先，以谢家店子滑坡为依托，设计真实地形下的三维相似模型实验，实现碎屑流自源区呈整体性抛出后的“裹气→碎屑化→流态化”运动过程实验研究，获取高速滑坡沿真实复杂三维运动路径上的平面运动形态、速度分布情况及碎屑堆积结构等运动学特性参数；再基于真实地形下的三维相似模型实验成果，设计水平圆环式旋转剪切实验，实现对碎屑流裹气流态化旋转剪切过程中颗粒运动特征的观察，获取碎屑流内部气体压力、粒间有效应力、粒间剪应力等的动态变化特征；最后，对所得实验结果进行定量化分析，借助PFC3D，运用流体力学理论，建立高速远程滑坡裹气流态化减阻流变模型和相应动力学机理数值分析软件系统，揭示碎屑流远程运动的流动规律和动力学特征。其研究成果对于揭示高速远程滑坡运动规律及机理，防灾减灾，具有重要的科学理论价值及工程应用前景。

高速远程滑坡是具有极端破坏力的地质灾害现象之一，在欧洲的阿尔卑斯山脉、北美洲落基山脉、亚洲的喀喇昆仑山脉和喜马拉雅山脉以及我国的西南山区等地，尤为常见，给山区居民的生命和财产安全造成严重灾难和重大损失。为探索高速远程滑坡的超常运动特性和巨大破坏力，本项目以谢家店子高速远程滑坡和易贡高速远程滑坡为研究对象，开展了高速远程滑坡运动学和动力学特性的系列研究。通过基于谢家店子滑坡三维工程地质模型的系列室内物理模型试验，探讨了不同源区失稳条件下，碎屑流的运动特征（运动速度、运动距离和运动形态）与堆积特征（堆积形态和堆积厚度），首次实现了滑体内部颗粒间动量传递作用的定量化分析，发现：在理想弹性碰撞下，滑体前、后部颗粒间因动量传递作用所产生的能量传递可达颗粒初始机械能的13%；若粒间为非弹性碰撞，则该值将更高；该结果表明，在滑体的运动过程中，前、后部颗粒间的动量传递作用发挥着不可忽视的作用，可明显促进碎屑流前部颗粒的远程运动。通过易贡滑坡基底层试样在滑体真实应力状态下的高速旋转剪切实验，初步揭示了滑坡在真实应力状态下，得以实现低摩阻远程运动的内在动力学机理，发现：当剪切速率超过0.61 m/s后，试样剪切过程中，摩擦生热会引起试样内部温度的快速升高，并在短时间内超过100°C；伴随着试样内部温度超过100°C，试样内部液态水开始发生汽化，在剪切带内出现水蒸气累积，导致超孔隙气压力的产生。与试样剪切带内温度的陡升相对应，试样剪切面的颜色明显深于低剪切速率下试样剪切面颜色，表现出一种高温烘烤的特征；同时，在试样剪切带剖面中可观察到高孔隙率层的广泛分布。基于实验现象，本研究认为：高速剪切过程中，摩擦生热所引起的热孔压效应和热润滑效应，应该是引起高速远程滑坡基底层试样等效摩擦系数具有速度相依弱化特性的内在力学机理。上述研究成果对于山区高速远程滑坡危害性预测具有重要参考价值。