高浩源高 杨殷跃平张田田万佳威
1.中国地质科学院地质力学研究所,北京 100081;
2.中国地质环境监测院,北京 100081;
3.自然资源部活动构造与地质安全重点实验室,北京 100081
高速远程滑坡具有运动速度快、冲击能量大、成灾范围广的灾害特征,一直是国际研究的前沿与热点问题,其中动力学理论是研究高位远程滑坡的难点与关键问题之一(胡广韬,1995;程谦恭 等,2007;Hungr,2007;殷跃平,2008;Iverson,2013; Xing et al.,2015;刘传正,2017;王玉峰等,2021)。自1881年Heim教授对Elm高速远程滑坡研究以来,学者们通过现场地质调查、物理模型理论与试验及物理力学分析、数值模拟等技术方法手段对高速远程滑坡进行了深入的分析和探讨,运用了沉积学、地貌学、数学、传统力学、流体力学、地球物理学等多学科交叉融合,取得了丰硕的成果,使高速远程滑坡的研究取得了重大的突破和进展(Heim,1932;Müller,1964;Müller-Salzburg,1987;Kilburn and Petley,2003;Pinyol and Alonso,2010;Bistacchi et al.,2013;Boon et al.,2014;林棋文等,2021;Gao et al., 2022a;李坤等,2022;Xu et al.,2022)。其中包括对高速远程滑坡在运动过程表现出的超高速(＞20 m/s)、超远距离(＞1 km)的超常动力学特征研究,许多学者提出了各种机理和假说,有高速剪切液化、侵蚀裹挟、摩擦生热、圈闭空气润滑、无黏性颗粒流、能量传递等理论(Heim,1932;Kent,1966; Shreve,1968;Bagnold,1968;Takahashi, 1978;Eisbacher,1979;Erismann,1979;Davies,1982);另有针对于高速远程滑坡计算动力学模型的研究,包括仍被广泛应用的库伦摩擦模型、Voellmy模型、雪橇模型等非数值模型(Voellmy, 1955;Kozik,1962;Scheidegger,1973),Savage-Hutter (SH)模 型、Denlinger 和 Iverson的基于深度平均的计算模型以及他们的改进模型等数值模型(Savage and Hutter,1989;Denlinger and Iverson,2004;Iverson,2012)。
但是在中国青藏高原,与普通高速远程滑坡不同的是,滑坡具有“高位”的特点,物源启动多在海拔5000 m以上,高差往往超过2500 m,具有极端的地势及地貌条件。这种“高位”的特点使滑坡具有极大的势动转化空间,造成滑坡的运动速度极快,往往在50 m/s以上,远远超过了1995年国际地科联公布的5 m/s的速度(International Union of Geological Sciences Working Group on Landslides,1995)。同时,巨大势能使滑坡的运动距离极大,往往超过几千米甚至十几千米,在如此长的运动过程中表现出超常且更为复杂的动力学特性,并且具有链式的成灾特点,极大地增强了滑坡的危险性,称为高位远程灾害链。殷跃平等(2017)首次提出“高位滑坡”(Highposition landslide),指从高陡斜坡位置剪出并形成凌空加速坠落,坠落高差往往超过350 m,并容易转化为高速远程滑动的碎屑流或泥石流。中国青藏高原复杂的地质环境使高位远程滑坡极为发育,高位和远程的特点更为突出,动力学作用更为复杂,往往造成重大伤亡事件(殷跃平,2000;黄润秋,2007;程谦恭等,2007;崔鹏等,2017;殷跃平等,2017;Gao et al.,2020;Zhang et al.,2022)。
目前针对青藏高原的高位远程滑坡研究较少,所提出的理论与观点具有一定的片面性和非普适性,无法涵盖高位远程滑坡表现出的所有特性,这也与高位远程滑坡的特征复杂性、突发性、时空特殊性有关,亟待进一步深入研究。文章基于国内外对高位远程滑坡动力学已有的研究成果,针对青藏高原高位远程滑坡所表现出的三种主要动力学的特殊效应——动力破碎效应、动力侵蚀效应以及流态化效应进行了综述,并在此基础上讨论了目前存在的问题,提出了下一步要重点研究的关键科学问题。
青藏高原是全球大陆板块活动最强烈、构造隆升与剥蚀速度最快、强震发生频繁、气候变化影响显著的地区,也是全球巨型超高位超远程地质灾害最发育的地区之一(殷跃平,2000;张建平等,2001;张永双等,2016;崔鹏等,2017;彭建兵等,2020)。喜马拉雅造山带是青藏高原极其复杂的构造急变带,发生过多起灾难性超高位超远程崩滑碎屑流(丁林等,1995;钟大赉和丁林,1996;许志琴等,2007;高杨等,2017;李滨等,2020;彭双麒等,2020)。2000年4月9日,雅鲁藏布江支流易贡藏布扎木弄沟发生超高位超远程巨型地质灾害,滑坡体积3.0×108m3,形成库容近
30×108m3的堰塞湖,溃决洪水流量达12.4×104m3/s,灾害链摧毁了下游318国道和通麦大桥,导致墨脱县城成为孤岛,交通中断数月,下游地区千人死亡,50000多人无家可归,灾难举世罕见,如图1a所示(殷跃平,2000;刘铮等,2020)。2018年10月17日和29日,雅鲁藏布江大峡谷色东普沟两次发生高位崩滑碎屑流灾害链(图1b),造成雅鲁藏布江两次堵江断流形成堰塞湖,上游回水后严重威胁村镇的公路交通、电力通讯设施和耕地等,堰塞坝溃决后导致下游形成洪水灾害,最终导致上下游33个村庄被淹,5000余人受灾(刘传正等,2019)。1950 年和1969 年,西藏米林则隆弄沟曾两次发生超大规模的超高位山崩碎屑流(图1c),运动距离达9000 m,坠落高差约3000 m,形成超远程运动成灾,导致近百人死亡(张文敬,1985)。
图1 青藏高原高位远程滑坡Fig.1 High-elevation and long-runout landslides in the Qinghai-Tibet Plateau
青藏高原的高位远程滑坡除具有高速远程滑坡体积巨大、运动速度极快、破坏范围极广的特点外,还具有如下的重要特征。①地质条件极其复杂:崩滑物源启动区多在海拔5000 m以上,坠落高差多在2500 m以上,具有极端的超高位启动的地形地貌前提;构造运动强烈,地震多发,高陡斜坡多为震裂山体,结构面发育,整体强度低,为高位远程滑坡的启动创造了有利条件;崩滑体组成岩性复杂多变,岩体为板岩、片麻岩、片岩等变质岩材料,同时,因崩滑源区发育海拔高,多发于多年冻融的冰川之上,崩滑体多为冰岩的混合体,地质演化过程中不断被风化、剥蚀、挤压和冻融,冰岩体强度低。②具有链式成灾特征,成灾规模巨大:超高位启动和超远距离运动会造成次生灾害效应,使地质灾害出现链式的成灾特征。链式成灾是指从上游灾害启动源区一直到运动和下游堆积过程中形成地质灾害的运动转化的完整链条,包括滑坡(崩塌、冰崩、雪崩)-碎屑流-泥石流等,也指灾害链基础上向下游延伸形成的次生灾害,包括滑坡(崩塌、冰崩、雪崩)-碎屑流-泥石流-堰塞坝-堰塞湖溃决山洪-侧蚀次生滑坡等。地质灾害链的形成使高位远程滑坡具有极端的成灾规模,滑体体积超过千万立方米,甚至上亿立方米,运动距离超过几千米,甚至十几千米,最终堆积在青藏高原的深切峡谷中,形成堵江洪水灾害链,导致灾害规模成倍放大,并且具有周期性反复发生特征。③动力作用复杂且强烈:高位远程滑坡高位启动后,具有岩、冰、碎屑混合材料的“固-粒-流”逐级流化特征。巨大的高差使冰岩完整块体在运动过程中碰撞破碎,使滑体碎屑化为类颗粒状态,出现强烈的动力破碎效应,同时侵蚀运动路径上的岩土体,体积不断增加,出现动力侵蚀效应。岩体破碎为颗粒后,在超高速运动过程中表现出类流体的运动特征,出现流态化效应。此外,在运动过程中有动力逐级加载、弯道超高、冲击气浪等动力学效应,多种动力学效应同时存在,使高位远程滑坡表现出复杂且强烈的动力学特征,最终发生超远程运动堆积,形成堵江、堰塞湖、洪水灾害链。
青藏高原复杂的地质特征使高位远程滑坡运动过程中具有复杂的动力学效应,其中动力破碎效应、动力侵蚀效应、以及流态化效应尤为突出,是各研究学者亟待解决的科学问题之一(图2)。动力破碎效应使滑坡碎屑化,出现超远距离运动特征(Davies and Mcsaveney,1999;De Blasio and Crosta,2015);冲击侵蚀效应使滑坡的体积放大,甚至几倍于滑坡体积(Takahashi,1981;Yin et al.,2009,2017;Yin and Xing,2012;高杨等,2020,2022a);流态化效应使滑坡类似于流体运动,底部摩擦阻力降低,出现超高速的运动特征(Hutchinson and Bhandari,1971;Iverson,1997;Sassa et al.,2004;Gao et al.,2017;高杨等,2019)。下文将从三种动力学效应进展进行综述。
图2 高位远程滑坡动力作用概化图Fig.2 Generalized diagram showing the dynamic action of a high-elevation and long-runout landslide
2.1 动力破碎效应
动力破碎效应是高位远程滑坡的重要动力效应之一,是指滑坡在失稳后在自重作用或外部作用力下自身结构发生改变,由完整块体逐渐碎屑化的动力过程。国际上已有大量对于动力破碎效应的研究(Davies and Mcsaveney,1999;Dufresne and Dunning,2017;林棋文等,2021;Gao et al., 2022b)。“破碎”一词描述了此效应的核心动力行为,国 际 上 描 述 的 词 汇 有“disintegration”“crushing”“fragmentation”等,都体现了滑体完整性逐渐降低的特性(Erismann and Abele,2001;Pollet and Schneider,2004;Bowman,2014)。许多研究表明,动力破碎普遍存在于高位远程滑坡的运动中,使完整岩体破碎跨越几个数量级,且随着尺寸的不断减小,滑坡体积不断膨胀,被认为是呈现超远距离运动的原因之一(Davies and Mcsaveney,1999;Locat et al.,2006;Crosta et al.,2007;Dufresne and Dunning,2017;高杨等,2022b)。
对于动力破碎效应的研究主要采用地质特征调查、模型试验及数值模拟三种方法。由于高位远程滑坡运动中的破碎现象很难被捕捉,主要采用沉积学特征的地质调查。通过现场调查,发现了“反粒序”“拼贴构造”以及“层序保留”三种揭示动力破碎的地质现象。在调查中发现,高位远程滑坡堆积物表面常以大块石为主,而在堆积物下部主要以碎石、角砾等细颗粒为主,被称为“反粒序”特征(Cruden and Hungr,1986;Zhang et al.,2016)。这种“反粒序”特征受到很多学者的关注,被认为是由于高位远程滑坡在运动过程中动力破碎效应导致内部结构出现差异性分选的结果(Cruden and Hungr,1986;Strom,1994,2006;McSaveney et al.,2006)。通过更多的调查研究,许多学者还运用沉积学理论,根据滑坡堆积体竖向的粒径分选和内部结构差异对其进行了分层分带,具体分为堆积体上部的壳层(carapace facies)、中部的主体层(body facies)以及下部的基底层(basal facies),以此来揭示动力破碎效应的内在机理(Pollet et al.,2004;Wassmer et al.,2004;Dunning,2006;王玉峰等,2012;Weidinger et al.,2014;Dufresne et al.,2016;Wang et al.,2019)。此外,在地质调查中还发现了拼贴构造和层序保留特征,也为动力破碎的研究提供了地质证据(Heim,1932;Takarada et al.,1999;Dunning,2004;Hewitt,2009;Dufresne,2009;Perinotto,2015;Dufresne et al.,2016)。
模型试验由于其试验条件可控性、操作易行性、试验可重复性,而成为研究动力破碎效应的有效方法之一。Imre et al.(2010)通过离心试验装置,对破碎现象进行了试验研究,结果表明动力破碎效应能够解释干碎屑流的远程运动现象。刘涌江(2002)通过岩体的高速碰撞模型试验研究了破碎后的加速运动效应。Bowman et al.(2012)以煤颗粒为试验材料,运用土工离心机试验装置模拟真实滑坡的动力破碎过程,对雪崩模型的破碎程度进行了量化,并对峰值冲击速度、运动距离等进行了详细分析,结果显示运动距离、冲击速度与颗粒破碎程度相关,认为动力破碎是高位远程滑坡高机动性的重要过程。Zhang and Mcsaveney(2017)通过环剪试验对不同加载条件下的剪切破碎特征进行了分析,认为破碎程度受到正应力及剪切应变、剪切速率的影响。
20世纪90年代以来,数值模拟技术在研究动力破碎细观结构、内在机制、动力过程方面涌现出大量的研究成果,为动力破碎的研究提供了技术支持。Davies and Mcsaveney(1999)建立了快速分析块体的动力学连续模型,对岩崩的破碎化运动过程进行了动力学模拟。Langlois et al.(2015)利用离散元方法来模拟二维岩石块体的垮塌破碎现象,模拟结果呈现明显的反粒序堆积结构,并且随破碎程度的改变,运动距离逐渐增加,并指出破碎流粒径减小促进了流动性。Rait et al.(2012)模拟岩石块体在不同应变率下的压缩破碎过程,发现动力破碎受加载速率影响,更大的速率导致有效应力降低,滑体减阻运动。Estep and Dufek(2013)同样运用离散元方法模拟了密集态颗粒流运动过程中的力链变化。Kafui and Thornton(2000)模拟了冲击作用下的破碎过程,表明冲击速度及结构强度对于破碎过程有显著影响。Lin et al.(2021)用PFC3D软件对不同结构形式的块体在撞击和滑动下进行了模拟,表明了DEM模型在裂缝扩展、速度分布、层序保留方面与模型试验结果一致。Zhao et al.(2017,2018)同样通过离散元方法,对简单块体及节理岩块进行了动态破碎过程及特征研究,并进行了细观分析,指出破碎强度与初始能量及运动坡角相关,Weibull 分布函数可以很好地拟合碎屑的尺寸分布。
2.2 动力侵蚀效应
高位远程滑坡在复杂地形的地面上以极高的速度运动过程中,与运动路径上的岩土体发生强烈的相互作用,导致基底物质被滑坡侵蚀、裹挟,引起滑坡的规模增大、破坏能力增强,同时,被裹挟的基底物质进入滑体,改变了原有物质组成,影响滑坡的流动性,改变滑坡的运动速度和堆积范围,这种作用为动力侵蚀效应(Iverson et al.,2011;Dufresne,2012)。碰 撞、推 动、裹 挟、冲刷等作用方式,都属于动力侵蚀的范畴(Stiny,1910;Takahashi,1978;Hungr and Evans,2004;Crosta et al.,2009)。在青藏高原发生的高位远程滑坡由于体积巨大,动力侵蚀效应尤为强烈,可以使滑坡体积成倍增大。
国内外动力侵蚀作用机理研究是目前热点之一,作为使滑坡体积放大的动力效应,可以使灾害的危害性呈指数增长,对于高位远程滑坡的风险评估有着重要意义。野外地质特征调查是发现、认识侵蚀特征以及提出新问题的基础。Stiny(1910)首次描述了碎屑流滑坡运动中的侵蚀作用。Takahashi(1981)对比研究了源区与堆积体积,发现动力侵蚀作用可以使滑坡体积增加几个量级。Abele(1997)对动力侵蚀基底层的材料性质进行了研究,发现无论基底材料处于何种状态(干燥或饱和),侵蚀总会存在,且会增大滑坡体积。Breien(2008)记录了挪威一次冰川湖溃决,提出了一种滑体与基底的正反馈效应,动力侵蚀会导致滑坡体积增大,同时滑坡体积增大会使动力侵蚀更加强烈。Dufresne et al. (2010)基于对新西兰滑坡的地质调查,同样讨论认为基底物质侵蚀对高位远程滑坡运动有着重要影响。Berger(2011)用传感器测量了三起滑坡的侵蚀作用时间和侵蚀深度,发现侵蚀最先发生于前缘,并且颗粒间的碰撞可以加剧前缘的侵蚀作用,然后在底部发生,同时侵蚀深度逐渐增加。Doyle et al.(2011)对东爪哇塞梅鲁火山滑坡进行了实地勘测,并对体积进行了估算,发现侵蚀只集中发生在某一个区域。
很多研究人员同样运用模型试验研究动力侵蚀效应,取得了大量的成果认识,进而推动了动力侵蚀效应的研究。Rickenmann(2003)在哈萨克斯坦进行了泥石流现场试验,发现侵蚀量随体积方量的增大而增大。Papa et al.(2004)通过水槽试验,研究了基底层含沙量对侵蚀速率的影响,发现侵蚀速率随泥石流含沙量的变化而变化,但侵蚀速率随泥沙粒径的增大而减小。ManGeney et al. (2010)进行了斜面颗粒流动试验,研究了厚度及滑面倾斜角度对侵蚀的影响,结果表明即使在极薄的基底层中,侵蚀也能增大流动性,且流动距离基底层与侵蚀厚度呈正相关。Iverson et al.(2011)进行了28组大型物理模型试验,研究了坡度、饱和度、材料性质、运动路径形状、流量等因素对侵蚀的影响,指出孔隙压力等增加可以增强侵蚀,减少基底摩擦力,导致流速、质量和动量增加。Dufresne(2012)采用1∶104比例尺的煤球进行了小尺寸模型试验,对比了厚度、有无侵蚀的运动堆积形态,发现厚度会增加堆积距离,侵蚀会改变流动形态。
动力侵蚀会增大滑坡体积,如何去计算侵蚀体积是研究动力侵蚀的关键问题,目前数值模拟成为主流的研究技术方法。最初在1978年,Takahashi引入了巴格诺德膨胀流体概念,利用剪应力与基底阻力,建立了计算局部静止的侵蚀层深度、速度和浓度的模型。随后数值模拟的研究方法一直在改进和更新中。Hungr(1995)对DAN软件进行了改进,基于拉格朗日方法实现了高位远程滑坡运动过程中的质量变化,模拟了加拿大两个实际案例,讨论了侵蚀机理,提出了侵蚀率的定义。随后,出现了大量数学和力学模型的研究。Iverson and Denlinger(2001)基于深度平均建立了假三维数学模型,考虑固液相力,对无量纲标度参数进行了评估。Pitman et al. (2003)将材料运动性质影响纳入建模中,建立了描述可侵蚀面上干质量流的偏微分方程数学系统。Denlinger and Iverson(2004)基于库仑摩擦的连续介质质量和动量守恒方程以及颗粒间应力的产生,研究了颗粒碎屑流在不规则三维地形中的运动。随着计算机科学的发展,许多研究学者开发了数值软件对侵蚀进行模拟求解。McDougall and Hungr(2005)利用开发了基于连续介质的DAN3D数值模拟软件,反演模拟了一系列滑坡,结果表明侵蚀可以使滑体体积、流动运动性增加。Chen et al.(2006)提出了新的屈服速率概念,并建立了滑体与侵蚀层之间的侵蚀关系的数学模型。Crosta et al.(2007)采用2D有限元方法模拟了瑞士Villeneuve滑坡,针对于侵蚀层的材料性质提出了三种不同模式:饱和、坚硬、平推。Armanini et al.(2009)开发了二维有限元软件TRENT-2D,研究了无黏性流侵蚀与沉积问题。Bouchut et al.(2008)提出了建立在能量传递和质量交换基础上的一维数学模型。何思明(2008)运用了Hertz理论分析了滚石冲击碰撞压力对撞击土体屈服特性。Iverson et al.(2011)建立了基于库仑摩擦的三维侵蚀模型,将滑坡分为滑体、侵蚀层、基底层,以流体力学角度求解侵蚀效应。李祥龙(2012)利用PFC2D软件模拟了基底侵蚀效应对碎屑流停积过程的影响。Chen and Zhang(2015)基于深度平均的方法开发了可以模拟侵蚀与堆积的数值软件EDDA。陆鹏源等(2016)采用离散元颗粒流方法(PFC3D)对滑坡-碎屑流运动过程中对松散基底物质的冲切铲刮效应进行数值模拟。殷跃平和王文沛(2020)基于滑块-弹簧模型和犁耕阻力模型,提出一种适用于滑坡动力侵蚀过程计算的犁切模型,可定量计算动力侵蚀过程中滑坡体积增量。高杨等(2022a)运用弹塑性力学方法推导了冲击铲刮变量的计算公式。
2.3 流态化效应
在不同的国际滑坡分类标准中,高位远程滑坡统一被归类为流态化滑坡(flow-like landslide)(Varnes,1978;Hutchinson,1988;Hungr et al.,2014)。高位远程滑坡在失稳后的高速运动阶段,其运动特征呈现出“流动”而非“滑动”,超高流动性代表滑坡运动速度极,往往超过20 m/s,甚至达到每秒数百米。这种类似于流体的流态化效应是高位远程滑坡动力学研究的重要问题之一,国内外学者针对流态化效应开展了大量的研究工作,提出了多种不同类型的机理假说以解释其超常的流动特性,包括颗粒流理论、机械流态化理论、声波流态化理论、振动流态化理论等等,但仍存在大量的问题与争论(Hsü,1975;Melosh,1979;Davies,1982;Campbell,1989;Preuth et al.,2010)。在青藏高原,由于高差巨大,运动速度极快,甚至达到每秒数百米,流态化效应更加明显。
其中现场地质现象作为流态化的重要依据,广大学者对于高位远程滑坡的地质特征开展了大量研究。最早Heim(1932)首次提出了滑坡运动中的流态化的特点,对高速远程滑坡流态化运动进行了描述,指出滑坡在运动过程中以流动形式运动,并非滑动。大量学者发现堆积体的形态可以反映出流态化特征,如堆积体形态呈舌形或扇形,堆积体边缘凸起的裙边、边缘堤、侧向脊、终端脊等(Evans et al.,2007;Wang et al.,2018)。另外一些学者则从运动路径、运动特征入手,寻找滑坡的流态化效应的地质证据。Plafker(1978)研究了1970年秘鲁Yugay城滑坡,高差超过4000 m,滑坡的流态化效应使整个滑坡覆盖了超过8 km2。中国云南1991年头寨滑坡,调查发现滑带存在明显擦痕,由于强烈的高速摩擦,滑面附近产生高温并使滑带水汽化,滑坡出现流态化运动(胡 厚 田 和 杨 明,2000)。Evans et al.(2009)对2002年俄罗斯科尔卡滑坡展开了研究,该滑坡以流动状态运动了19 km,最大速度达到65～80 m/s,导致冰川从其河床上分离。2010年中国贵州关岭大寨高速远程滑坡,沟谷中产生地表径流,形成饱水下垫面,导致了滑坡呈流动状态,流动距离和速度显著增加(殷跃平等,2010)。许多学者在现场发现了运动路径上的淤泥层或饱水冲积层,认为在快速剪切的作用下会产生超孔隙水压力,出现液化效应,使滑坡出现流态化运动特征(Seed,1968;Sassa, 1989)。这些地质特征是流态化运动的关键地质证据。
基于模型试验方法的流态化效应研究同样有大量的研究成果。Hsü(1975)对Elm 滑坡进行了斜槽试验,对其高流动性进行模拟,得出高流动性与运动速度呈正相关关系。Okura et al.(2002)等通过滑槽试验监测滑体压实度和孔隙水压力的变化来研究滑体的流化过程。Moriwaki et al.(2004)建立了23 m长、8 m高的滑槽,试验选用粒径较大的砂砾,发现并没有产生流态化现象。一些研究者认为高位远程滑坡具有明显的“规模尺寸效应”,即只有当滑坡体积大于 106m3时,滑坡的运动才具有明显的流态化特征。为了克服尺寸效应,Iverson et al. (2010)在长95 m、宽2 m的滑槽中做了28组大型模拟试,该试验已经能够模拟堆积物的形状或运动速度变化情况等基本特征,但是却无法模拟它的流态化效应机制。Pudasaini et al.(2005)在滑槽试验中引入并使用“PIV”测量技术来测量不透明颗粒的速度变化,研究流态化与速度的关系。Cagnoli and Romano(2010)用弯曲的滑槽试验来研究滑坡的流动机理,表明碎屑颗粒粒径越小,流态化效应越明显。王玉峰等(2016)利用自行设计旋转式剪切流变装置,对滑坡运动过程中底部气流的裹入减阻特性开展了试验研究。Gao et al.(2022b)利用滑槽试验对流态化效应中拖曳力进行了研究,发现液体体积分数对流态化有重要影响。
数值模拟技术也是研究流态化的有效手段。Voellmy(1955)将流态化的滑坡等效为流体运动,在库仑摩擦的基础上考虑了湍流的影响,提出了Voellmy流体模型。基于Voellmy模型,很多学者在此基础上做出了改进与修正(Salm,1966;Grigoryan and Ostroumov,1972;Hungr,1995)。Johnson and Rodine(1984)考虑到流态化效应中的塑性和黏性属性,采用Bingham模型来描述流态化滑坡的运动。Savage and Hutter(1989)同样滑坡视为具有库伦摩擦且不可压缩的连续流体,用深度平均方法来描述均质流体的运动,被称为SH模型,并被学者广泛地应用。Takahashi(1981)引入了Bagnold(1954)的扩散流体模型,建立了流态化的颗粒惯性流模型。对于流态化效应的研究,许多专家学者注意到流态化的过程中固体和液体的相互作用对于流态化过程数值模拟有着重要影响。Iverson and Denlinger(2001)基于流体力学的三维混合模型,考虑了固相和流相的体积分数和速度,用来分析固液两相流态化滑坡的运动过程。Pitman and Le(2005)建立了考虑固液两相的双流体模型,后来学者在此基础上考虑了流体力学中的拖曳力(Drag force)和升力(Lift force)的作用,对模型进行了改进。George and Iverson(2011)为研究流态化过程中的固液体积分数、孔隙流体压力、流动深度和速度的变化,建立了一个两相流数值模型。Zhao(2014)利用DEM-CFD耦合模拟研究了水下滑坡的运动过程,发现颗粒数量的增多也会使滑坡流态化增强。由于流态化效应内在的物理过程十分复杂,固体与流体间的性质差异作用,至今没有一种方法得到广泛认可。
高位远程滑坡一直是工程地质研究领域的前沿性科学,而动力学则是高位远程滑坡研究的关键与难点。在青藏高原,高位远程滑坡的动力作用由于复杂的地质条件变得尤为强烈,多种动力作用耦合发生,使高位远程滑坡的动力效应更为复杂多变。随着国内外学者研究逐渐深入、细致、全面,高位远程滑坡的许多未解之谜也逐渐得到解答,但对青藏高原的高位远程滑坡的研究仍处于起步阶段,对超高位超远程滑坡动力学行为、动力学特征以及动力学机理,现阶段的研究远远不足,还需要进一步完善。青藏高原高位远程滑坡的研究难点在于,此地区高位远程滑坡具有复杂极端的地质条件,构造强烈,岩性复杂,气候极端,人类无法涉足,高位远程滑坡体积巨大,时空上具有突发性和不可重复性,为动态监测、地质调查及物理模型试验带来了巨大困难;复杂的地质条件使高位远程滑坡具有复杂且多样的动力学效应,动力破碎效应、动力侵蚀效应、流态化效应、摩擦生热减阻效应、振动液化效应等等的耦合作用下,表现出复杂的动力学特征,同时,高位远程滑坡具有链式灾害特征,不仅滑坡本身带来的危险性极大,其次生的链式灾害,如溃坝、洪水灾害同样对地质安全造成重大危险。基于以上,提出以下亟待解决的关键科学问题。
(1)极端地质环境下高位远程滑坡机理研究
在青藏高原,极端的地质环境条件给研究带来了巨大困难。岩性复杂,存在岩体、冰川、冰碛物等多种混合材料,并且在运动过程中存在相态的转变,属于多相多态的物质。因此,青藏高原高位远程滑坡的动力学属性的定义需要明确,是开展高位远程滑坡动力机理的研究前提。
(2)基于尺寸效应的模型试验新方法研究
高位远程滑坡的体积巨大,能达到千万或上亿立方米,为研究带来了极大困难。尽管学者针对高位远程滑坡做了多组大型物理模型试验,但研究发现尺寸效应仍对高位远程滑坡的研究有着重要影响(Iverson et al., 2010)。尺寸效应可能导致某些关键物理过程的缺失,甚至试验结果与真实的滑坡可能存在明显偏差,对试验结果可信性有重要影响。如何对体积方量巨大、运动距离超远的滑坡开展足尺模型试验,或研究新的试验方法,减小甚至消除尺寸效应的影响,还原高位远程滑坡的运动过程,是开展模型试验研究的关键科学问题。
(3)高位远程滑坡流域性灾害链研究
青藏高原地区高位远程滑坡具有明显的链式反应,不仅是高位远程滑本身,其次生的堵溃、洪水灾害同样对重大工程建设有极大危害。因此,研究青藏高原高位远程滑坡的链式灾害效应,建立青藏高原超高位超远程滑坡极其灾害链的精细化定量计算模型,计算包括高位远程滑坡速度、能量、体积、运动距离、运动路径、堆积范围,以及灾害链的堰塞湖体积、溃决流量、洪水影响范围等等关键指标,评估高位远程滑坡潜在危险性,是研究高位远程滑坡的另一关键科学问题。
高位远程滑坡动力学一直是国内外研究的热点问题,专家学者对高位远程滑坡存在的“未解之谜”进行了详尽的调查与深入的研究,通过多样的技术手段,多角度的深入剖析,多学科的交叉融合,取得了丰硕的研究成果,超常动力学效应的“神秘面纱”也逐渐被揭开。但是,在青藏高原,地质条件极端,构造强烈,岩性复杂,气候极端,链式成灾,动力作用尤为复杂,对超高位超远程灾害链的研究仍处于起步阶段,需要进一步研究。文章对青藏高原高位远程滑坡三种突出的动力学效应,动力破碎效应、动力侵蚀效应、流态化效应,分别从地质特征调查、模型试验、及数值模拟三个方面进行了总结,对国内外专家学者从初始至今的主要研究成果进行了论述,在此基础上提出了下一步需要解决的关键科学问题:极端地质环境下高位远程滑坡机理研究;基于尺寸效应的模型试验新方法研究;高位远程滑坡流域性灾害链研究。希望为高位远程滑坡动力学机理的研究和青藏高原重大工程建设提供科学依据。
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