降雨诱发滑坡型泥石流宏细观机理研究

Debris flow is one of the hotspots in current researches. Because of the complexity mechanism of debris flow, the research may encounter bottlenecks from the macro or continuous angle individually. Based on the previous research,present study plans to reveal the starting and controlling macro-micro mechanism of the landslide-induced debris flow from the micro level by means of the self-developed micro visualization system, as well as laboratory model tests, centrifuge modeling tests and unsaturated numerical simulation. The research mainly aims: (1) critical factor analysis of starting the landslide-induced debris flow and its macro-micro start mechanism feature of progressive failure; (2) to develop the macro and micro start mechanism of landslide-induced debris flow and to verify its micromechanics parameters under the simulated stress field; (3) to develop the analysis module reflecting the unsaturated characteristics and to develop a discrete-continuum hybrid numerical analysis method which are suitable for debris flow; (4) to research the macro mechanical behaviors of controlling the landslide-induced debris flow from the micro angle in order to reveal its controlling mechanism. present research is to strengthen the fundamental micro mechanical theory of the landslide-induced debris flow, and to improve the level of the disaster prevention and reduction of landslide-induced debris flow.

泥石流研究是当前热点课题之一，而泥石流机理比较复杂，单从宏观或连续角度研究泥石流机理可能会遇到瓶颈。本申请项目在前期研究的基础上，利用可视化细观测试分析系统，通过室内模型试验、离心机模型试验和非饱和数值模拟，从细观层面揭示滑坡型泥石流形成及局部护坡治理的宏细观机理：(1)研究滑坡型泥石流形成的关键因素，揭示缩尺条件下滑坡型泥石流的宏细观力学机理；(2)揭示接近实际应力场条件下滑坡型泥石流形成过程的颗粒细观组构演化规律和宏观力学特性，建立滑坡型泥石流细观和宏观力学参数之间的联系；(3)考虑泥石流的非饱和特性，建立能反映非饱和特性的分析模块，提出泥石流非饱和离散-连续耦合数值分析方法；(4)从细观角度研究滑坡型泥石流局部护坡治理的宏观力学特性，揭示滑坡型泥石流局部护坡治理的宏细观机制。本研究可为滑坡型泥石流形成机理和治理机制的深入研究提供细观力学基础，还可为泥石流减灾提供理论依据。

降雨诱发滑坡型泥石流的启动机理和力学过程比较复杂，单从宏观或连续角度研究可能会遇到瓶颈。在课题组前期研究的基础之上，利用可视化细观测试分析系统，进行室内模型试验和离心机模型试验，并结合离散元数值模拟，从宏细观结合和非连续的角度系统地研究了降雨诱发泥石流形成的演化规律，并揭示了泥石流的形成机理。.通过室内模型试验，发现降雨强度是形成滑坡型泥石流的关键因素。降雨强度较低时，坡体容易发生分层滑动，一般不会形成泥石流；当降雨强度较高时，坡体容易发生整体流滑后迅速流态化，形成泥石流。不同土体形成泥石流时，所需的临界降雨强度不同，粗砂和细砂坡体形成泥石流的临界降雨强度分别为50mm/h和36mm/h。当细粒含量为10%时，泥石流发生的临界降雨强度为36mm/h，当细粒含量达到20%时，坡体不再发生泥石流。.通过离心机模型试验揭示了接近实际应力场条件下滑坡型泥石流形成过程的颗粒细观组构演化规律和宏观力学特性，离心机模型试验的泥石流形成的宏观演化规律与室内模型试验基本一致，但孔隙水压力的变化幅度大，孔压峰值高，孔压变化规律更接近现场试验情况。.通过模型和离心机试验，建立了滑坡型泥石流细观和宏观力学参数之间的联系。通过考虑泥石流形成过程的非饱和特性和非连续特性，采用微小颗粒模拟水对离散元数值模拟软件PFC3D的模拟方法进行了改进。运用改进后的方法对降雨诱发泥石流的室内模型试验和离心机模型试验进行数值模拟，取得了和模型试验相似的结果。.室内模型试验发现，泥石流“锚杆-护坡”治理的效果比其它三种形式要好。室内模型试验和离心机模型试验发现，在“锚杆-护坡”的滤水固砂作用下，坡体形成“底部细颗粒积聚密实，上部粗颗粒骨架稳定”的相对稳定结构，坡体产生滑动并形成泥石流的机率减小。.本项目从宏细观角度揭示了泥石流的形成机理，不仅为泥石流的深入研究提供了细观力学解释，还为泥石流防灾减灾提供了理论依据。