喜马拉雅造山带高速远程滑坡动力学机理研究的思考

高速远程滑坡是地球岩石圈造山带多见的一类大规模、多相变、跨尺度的地表固体物质迁移过程,其动力学机理是国际地球科学领域长期关注的热点与亟待解决的重大前沿性课题。喜马拉雅造山带被誉为全球变化与环境灾害的天然实验室,其在复杂内外动力地质背景下孕育的高速远程滑坡,不仅是解决国际滑坡动力学科学难题的重点研究对象,同时滑坡灾害风险防控亦是影响南亚交通廊道等重大工程规划、建设和运营的关键工程地质难题。本文首先阐明了喜马拉雅造山带高速远程滑坡孕育的内外动力地质背景;然后根据喜马拉雅造山带高速远程滑坡发育的动力学特征,主要从摩擦热熔融动力学机理、破碎相依动力学机理、路径相依动力学机理三个方面,对国内外的高速远程滑坡的研究现状进行了概要述评;最后指出了喜马拉雅造山带高速远程滑坡动力学机理进一步研究应重点关注的三个关键科学问题,即:高速远程滑坡摩擦生热矿物相变机理研究、高速远程滑坡破碎相依能量转换机理研究、高速远程滑坡路径相依流态转化机理研究。相关认识对于推动造山带高速远程滑坡动力学机理研究和制定风险防控策略具有重要意义。

高速远程滑坡底部裹挟机理研究现状及展望

高速远程滑坡运动过程中沿途侵蚀、裹挟下伏层物质,影响其流态并控制滑体远程运动的原因,一直是国际滑坡动力学领域长期关注的热点与关键科学问题。聚焦高速远程滑坡底部裹挟减阻机理研究进展,本文对该领域研究成果进行了系统性梳理,首先阐明并高度概括了高速远程滑坡底部裹挟作用所产生的系列典型剖面沉积学特征,包括底辟构造、火焰状构造、剪切带等一系列滑体与下伏层相互作用的“滑坡-构造”形态;其次,从“滑坡-构造”形态的动力学指示研究、裹挟效应的物理力学过程研究及其流变学本构模型研究3个方面对高速远程滑坡底部裹挟效应研究进展进行了系统性的述评。在此基础上,从高速远程滑坡裹挟作用到底是减阻和增阻这一争议性问题出发,分析并讨论了高速远程滑坡底部裹挟效应研究的发展趋势,提出今后高速远程滑坡底部裹挟运动机理研究所面临的深层次科学挑战,并指出应进一步研究的核心科学问题在于:高速远程滑坡侵蚀与裹挟过程的物理力学机制研究、基于“滑坡-构造”形态的裹挟效应时空演化动力学机理研究和运动路径相依的高速远程滑坡流态转化机理研究。

高速远程滑坡流态化地貌研究综述

高速远程滑坡流态化运动特征及其动力学机理研究一直是国际地质灾害领域长期关注的前沿热点科学问题。高速远程滑坡所形成的流态化堆积地貌是其高流动性远程运动的直观表现,蕴含了对滑坡运动学和动力学的指示,是进一步开展高速远程滑坡停积就位机理研究的重要前提和坚实依据。聚焦高速远程滑坡流态化堆积地貌,本文从滑坡平面展布形态与表面地貌特征两方面梳理了相关的国内外研究现状与发展动态,详细论述了高速远程滑坡典型微地貌单元的展布特征,阐明了它们的形成机制及其对滑坡停积就位的运动学、动力学的指示意义。在此基础上,基于对青藏高原典型高速远程滑坡的研究提出两类不同的平面撒开型高速远程滑坡的停积模型,指明下伏层在高速远程滑坡的运动演化过程中发挥着重要作用。最后,凝练出高速远程滑坡流态化地貌研究亟待解决的关键科学问题以及今后研究的3大方向:建立地质证据相依的地貌演化堆积模型,查明流态化地貌影响因素的作用机制,构建路径相依的形态递变停积就位模型。

河谷宽度对高速远程滑坡碎屑化运动影响机制研究

基于物理模型实验与数值模拟对不同河谷宽度条件下滑坡的运动破碎特征、速度特征与堆积结构特征进行研究。该成果为致灾范围研究提供了一种新思路,有利于防灾减灾的开展。

尼续高速远程滑坡形成机制及运动过程模拟研究

以青藏高原东南部西藏自治区拉萨市尼木县续迈乡尼续村的尼续高速远程滑坡为研究对象,根据详细的地质调查初步判断其形成机制,并采用基于有限差分法的三维计算模型对尼续高速远程滑坡的运动过程进行了模拟研究。研究结果表明:尼续高速远程滑坡的主要形成机制为经地震触发启动,失稳块体在流通区撞击解体,并侵蚀裹挟坡前粗砂继续运动,到达河谷阶地后滑体对下覆饱和砂层的加载、剪切所引起的滑带土液化;尼续高速远程滑坡运动过程历时约215 s,最大平均速度可达34 m/s,其速度整体呈“急剧加速-持续减速”趋势;模拟所得的滑距、速度、堆积范围及厚度与现场调查结果吻合度较高,同时证实了高液化程度对滑坡有着明显的促滑作用。该结论可为类似地区高速远程滑坡运动的研究提供参考。

鸡尾山高速远程滑坡运动过程PFC^(3D)模拟

利用三维颗粒流软件PFC3D,对重庆武隆鸡尾山滑坡进行模拟,研究滑坡体在关键块体失稳后,在重力作用下,沿着滑动面在视倾向滑动力主导下的运动过程。结果显示:(1)对于大型远距离滑坡,在滑坡体运动路径上坡面形态确定的情况下,坡面摩擦因数和滑体强度主要影响堆积颗粒在滑坡堆积区的分布,滑坡发生区域微地形则更多地影响滑坡体所能达到的最大位移;(2)鸡尾山高速远程滑坡的发生过程是分阶段完成的;第一阶段主要是滑源区岩体的破裂化,第二阶段为破裂块体的运动及滑出;(3)通过监测速度、位移等发现滑体外围区域块体速度首先达到最大值,并具备二次加速的特征,综合速度及位移可以认为在滑体中处于上部边缘部分更有可能远距离运动;(4)对于鸡尾山滑坡,当墙面摩擦因数为0.05,黏结强度为中等(250～200 MPa)时,得到的结果与实际情形最为契合。通过模拟发现,PFC3D软件对于此类高速远程滑坡具有较好的适用性,尤其是其三维堆积形态及影响范围的初步确定可以对划定安全避让范围等防灾减灾工作提供有益参考。

青藏高原东缘理塘乱石包高速远程滑坡发育特征与形成机理

青藏高原复杂的地质构造背景，导致该区地震频发，加之该区异常的气候变化，大型乃至巨型地质灾害发育多，危害大。在遥感解译、野外地质调查、物探、槽探和地质测年资料分析的基础上，论述了乱石包滑坡的发育特征，并对其形成机理进行分析探讨。认为乱石包高速远程滑坡具有如下特征：①乱石包滑坡的滑动方向垂直于理塘－德巫断裂的北西段，乱石包滑坡顶部接近于现代雪线；②乱石包滑坡最大滑行距离达3.83km，滑坡后壁与前缘堆积区的高差约820m，滑体方量0.64×108~0.94×108m3，平均滑动速度约53.25m/s；③测年资料表明，乱石包滑坡形成1980±30aBP左右；④组成滑坡体的岩性主要为花岗岩，在长期构造活动和冷冻风化作用下，节理裂隙发育，呈碎裂岩体。分析表明，乱石包滑坡受断裂构造、地形地貌和古气候变化影响较大，形成机理复杂：①理塘－德巫断裂全新世以来活动强烈，具有强震地质背景，由该断裂活动形成的强震可能是乱石包滑坡形成的主要因素之一，在地震作用下，坡顶部地震波放大，垂直加速度大于水平加速度，岩体发生震胀和抛掷，从而形成高速远程滑动；②距今1800~2000aBP左右时，青藏高原地区的温度变化较大，该时期发生的大规模冰川活动可能是乱石包滑坡发生的主要因素之一；③地震、气候变化的组合也是引起乱石包滑坡发生的成因之一，并形成一个完整的地质灾害链：地震→雪崩→岩崩→高速碎屑流。

高速远程滑坡-碎屑流运动机理研究发展现状与展望

高速远程滑坡-碎屑流具有极高的运动速度和超远距离的位移,往往能够引发灾难性事故,造成严重的生命财产损失,因此,它的运动机理,即高速远程效应机理一直是国内外学者研究的热点。目前国外主要存在四种观点:空气润滑模型、颗粒流模型、能量传递模型和底部超孔隙水压力模型。但是,由于高速远程滑坡-碎屑流自身的复杂性,到目前为止,研究还没有取得公认的成果。中国是高速远程滑坡-碎屑流的频发区,因其研究才刚刚起步,研究成果还处于定性阶段。本文在查阅大量文献的基础上,从理论和技术两方面分别阐述了国内外高速远程滑坡-碎屑流运动机理研究的发展现状,对目前纵多的理论和模型进行了归纳与总结,点评了目前研究的难点,并在此基础上提出了今后的研究重点。本文是国内外首次对该领域的研究进行系统的归纳和总结,对今后类似的研究具较高的参考价值。

金鼓高速远程滑坡形成机制及动力稳定性

综合运用多学科理论和方法,对汶川地震触发的金鼓高速远程滑坡形成机制及动力稳定性进行研究。在工程地质定性研究方面,通过对滑坡区的地形地貌、地层岩性、构造与地震以及水文地质条件的综合研究,分析高速远程滑坡的形成机制,将其划分为紧密发生的2个演化阶段:第一阶段为上部滑体被抛掷分离,第二阶段为下部受铲刮发生二次滑坡。在岩土力学定量研究方面,进行以下3个方面的工作:(1)以FLAC3D作为动力分析的数值计算引擎,采用自行开发的基于多层次微粒群的非圆弧最危险滑动面搜索并行程序,获得滑坡的动力稳定系数时程及其对应的最危险滑动面的空间分布规律,研究动力稳定系数的频域特征;(2)通过2种潜在破坏模式的对比研究,指出金鼓高速远程滑坡2#滑动面簇发生主导破坏的可能性更大,并可触发二次滑坡;(3)依据空气动力学定量计算,论述上部滑体长距离抛掷是完全有可能的。综合研究表明,岩土力学定量分析结果与工程地质定性成果相吻合,进而将金鼓高速远程滑坡孕育的先决条件归纳为以下4条:力学性质差、高位剪出、下降空间开阔、初速度足够大。

高速远程滑坡动力学研究进展

高速远程滑坡动力学机理研究一直是国际地质灾害领域长期关注的热点与前沿性科学。通过对已有研究成果的系统性梳理,对高速远程滑坡动力学研究现状进行了概略性述评,厘定了本文所讨论的高速远程滑坡的定义,阐述了高速远程滑坡的典型沉积学特征,并对国内外学者提出的最有影响、最有地质证据支持的高速滑坡远程运动机理——摩擦生热减阻、滑带液化减阻、动力破碎减阻、底部裹挟减阻、剪切振动减阻、动量传递远程进行了论述。在此基础上,分析与讨论了高速远程滑坡动力学研究的发展趋势,提出今后研究所面临的深层次科学问题,并提出未来应进一步重点研究的关键科学问题在于速率相依摩阻弱化机理、破碎渐进相变耗能机理、过程相依波动减阻机理等。

高速远程滑坡超前冲击气浪三维动力学分析

为研究沟谷多级折射高速远程滑坡超前冲击气浪的特征,以牛圈沟滑坡三维地形形态为原型,采用CFD软件,引入Voellmy准则定义运动阻力,在反演碎屑流运动全过程的同时,对其冲击气浪的流场特征进行了数值模拟,分析其形成的动力学机制。结果表明:(1)牛圈沟滑坡从启动到停止历时为119 s,最大速度出现在滑体内部靠近前缘处,峰值分别为14 s的52 m/s、27 s的55 m/s和50 s的49 m/s。(2)气浪速度的最大值50 s时为38 m/s,其压强的最大值达657 Pa,相当于11级暴风。(3)当碎屑流前方出现高大的障壁时,来不及扩散的高压气流产生极为明显的压强梯度;当其前方遇跌坎或翻越山脊冲向山坡下方在其速度瞬间增大的同时,强烈压缩前方空气并导致其压强值局部出现陡增。

汶川地震高速远程滑坡机制实验研究

汶川大地震触发了多处高速远程滑坡,导致了大量的人员伤亡及财产损失。其中,东河口滑坡是这次地震触发的最为典型的高速远程滑坡之一,同时也是目前备受关注、争论颇多的滑坡之一。野外调研结果表明,该滑坡的成因和动力特征主要包括震裂溃屈、水平抛射、碎屑流化和振动液化等4个方面。为了对该滑坡滑动过程中的振动液化这一动力特征进行模拟再现,在东河口滑坡体上采集了具有代表性的滑带土作为试验样品,并以该地震时的实测地震波作为动力输入,利用目前国际上最先进的DPRI环剪试验机,对滑坡滑动过程中的振动液化现象进行了一系列环剪试验研究。结果表明,地震作用过程中,发生在滑坡潜在滑面上的振动液化现象是导致高速远程滑坡产生的一个重要因素;伴随着振动液化过程,滑体的剪切强度迅速降低并产生逐渐增大的剪切位移,为高速远程滑坡的形成提供了条件。

青藏高原古高速远程滑坡沉积学特征研究

高速远程滑坡运动学机理是国际工程地质领域亟待解决的重大前沿性关键科学问题。为探索高速远程滑坡的运动学机理,以青藏高原不同构造背景下的三大高速远程滑坡为研究对象,通过现场工程地质调查与分析,详细探讨了滑坡运动路径上所揭露出的各种表面与剖面沉积学特征,结果显示:(1)沿滑坡运动路径上依次可见大型堆积平台、纵向脊、横向脊、堆积丘等表面沉积学地貌的规律性分布,根据各类地貌的空间分布特征,可将滑坡区自后向前划分为源区、流通区和堆积区;(2)剖面上则可见反粒序堆积结构的展布,自上而下依次可划分为硬壳层、主体层和基底层,在硬壳层和主体层中可见层序保留、拼贴构造等低扰动性沉积学特征分布,在基底层中则可见其与下伏原沟谷堆积层强相互作用形成的底辟构造、小型褶皱等剖面沉积学特征分布。基于高速远程滑坡运动路径上各类表面和剖面沉积学地貌的空间展布特征,初步提出青藏高原关键地带高速远程滑坡的运动与停积就位机制,即滑体自源区失稳后主体表现为一种快速的低扰动性的整体性剪切运动过程,其流通区以快速拉张运动为主,堆积区则以快速推挤运动为主;当滑体下伏层中含水量较高时,伴随着滑体底部摩阻力的迅速降低,滑体表现出明显的侧限扩离运动。

高速远程滑坡的动力分析和运动模拟

本文以洒勒山滑坡作为典型实例,扼要地探讨了高速远程滑坡的形成条件和运动规律,提出了一种冲击性碰撞作用机理和连续可变的块体运动理论,初步建立了一套系统地阐述高速远程滑坡发生机理和运动机理的理论及数值模拟方法。

高速远程滑坡-碎屑流超前冲击气浪分析

为定量模拟文家沟高速远程滑坡-碎屑流运动过程中所产生的超前冲击气浪的分布和变化规律,采用计算流体力学软件FLUENT,通过用户自定义接口在滑坡运动的不同阶段分别引入Friction和Voellmy流变模型定义滑坡-碎屑流所受的运动阻力,反演了文家沟高速远程滑坡-碎屑流运动的全过程并与滑坡实际运动特征对比的同时,模拟了其超前冲击气浪的速度和相对压力分布,并对其产生机理进行了分析。结果表明:(1)文家沟滑坡-碎屑流共经历约210 s,碎屑流引起的超前冲击气浪主要分布于其前方、上方和两侧,最大速度约35 m/s,最大相对压强约2.2 k Pa;(2)气浪相对压力峰值出现于近地面处并随高度增加迅速减小,当离地面高度超过600 m时趋近于0;(3)地形起伏对于超前冲击气浪相对压力分布有明显影响;当滑体前方出现陡立壁面时,气浪压力陡升。

高速远程滑坡裹气流态化模型试验研究

为分析高速远程滑坡运动过程中碎屑流的裹气流态化特性，以汶川地震触发的谢家店子滑坡为原型，运用自行设计的流化床试验装置，开展了一系列高速远程滑坡碎屑流裹气流态化特性的试验研究。结果表明：（1）对于颗粒粒径变化范围广（0.1～7 mm者均有）、颗粒形状极不规则、且底部细颗粒含量高的类滑坡碎屑，其床层压降随着供风量的增加并非呈线性增长趋势，而是表现出明显的气泡控制性特征，随堆积体内部气泡和气垫层位置的不同，堆积体各部位床层压降相差较大；（2）当供风量较低时，碎屑堆积体整体稳定性较好，在堆积体表面仅可见有限气体逸散孔的分布；当供风量达到一定值后，堆积体内部流态化特性增强，可见砂质密云、气孔、纵向脊等一系列与高速远程滑坡实例中相类似现象的出现；（3）对于滑坡类不规则颗粒，其间容易形成架桥现象，增强碎屑流整体稳定性，使气流不易扩散，在堆积体下方形成高压气垫层，产生空气擎托现象。

汶川地震高速远程滑坡速度研究

汶川地震诱发了大量的高速远程滑坡。在超强的地震动作用下,坡体结构被撕裂并抛射后,受到坡体前缘地形及自身势能的影响,很容易转化为碎屑流作远程运动,这种高位滑坡以其很快的运动速度和超常的运动距离造成了巨大的灾害与损失。本文在对汶川地震大型典型高速远程滑坡大量现场调查的基础上,分析了坡体临空飞行运动初始速度、滑程运动最大速度以及碎屑流运动速度,并且以东河口滑坡为例,对比了不同计算方法下的运动速度和运动性,得到东河口滑坡的运动特征值μ=0.2292,最大运动速度Vm ax=63.40 m/s,平均运动速度超过25 m/s,属于超高速滑坡运动以及强碎屑流性质。

基于DAN-W模型的高速远程滑坡灾变过程分析

高速远程滑坡因其突发性、剧烈性、高速性、远程性等特点对人员和财产造成重大危害,是中国最严重的地质灾害类型之一,研究其灾变过程对中国防灾减灾具有重要的意义。DAN-W是基于拉格朗日有限差分法建立的动力模拟方法,反演模拟碎屑流运动过程,更适合高速远程滑坡的模拟分析。笔者以哀牢山地区芭蕉树滑坡为研究对象,研究芭蕉树滑坡的基本特征,利用DAN-W软件建立芭蕉树滑坡的计算模型,分析滑坡的灾变过程,依据滑坡特征考虑滑坡分区和铲刮效应,将滑动路径分为3段:滑源段、铲刮段、堆积段进行模拟计算;结果显示:滑坡前缘最大速度为26 m/s,后缘最大速度为30 m/s,后缘最大速度发生在剪出口位置,最大滑距为420 m,滑动14 s后滑体基本滑离剪出口,至运动30 s时停止滑动。所得结果与实际情况吻合度高。

汶川地震大型高速远程滑坡力学机理及控制因子分析

根据汶川地震典型高速远程滑坡坡体结构特点及坡体对地震动的响应,认为地震波是造成山体变形破坏的原动力,强烈的地震动是触发岩体高位剪出并被抛射的主要原因。滑坡体被抛射后,撞击铲刮坡面形成高速碎屑流作远程运动,其运动距离决定其造成危害的大小,在不考虑地震长持时的情况下,其后续运动距离决定于不同的内部控制因子,统计分析表明:发震断裂只有触发效应以及"上/下盘效应",与灾害规模无关,多半滑坡发生于平均坡度为30°～45°坡体结构,滑坡体运动距离L与其拔河高度H具有很好的相关性,坡体拔河高度越大,滑坡体滑过的区域面积及堆积体积就越大,滑坡运动距离就越远,运动性就越强,造成的灾害也就越大。

西藏瓦来高速远程滑坡的运动学过程与碎裂化特征

岩石的碎裂化作为高速远程滑坡中的一种重要现象,其不仅是颗粒流假说的基础,也涉及到滑坡能量的耗散与传递作用。以西藏八宿县瓦来滑坡为例,通过遥感影像解译、野外调查和粒度试验等方法,对山谷型高速远程滑坡的地貌特征、堆积结构、运动学过程及碎裂化特征进行分析和探讨。基于无人机航测数据构建的高精度数字高程模型,对瓦来滑坡的地貌结构进行定量化分析。依据等高线特征与基岩分布特征重建滑坡前地形,并对瓦来滑坡的体积进行估算。结果表明:瓦来滑坡是一个受层面和两组节理控制的碎屑流型高速远程滑坡,其水平运动距离为3480 m(H/L=0.32),堆积方量约为5.1×107 m3。瓦来滑坡的主要地貌结构为修剪线、巨型丘、纵向脊和压缩脊,这些地貌结构指示了滑坡启动后朝NE48°方向运动,遇到山体阻挡后偏转向北。瓦来滑坡的外壳相较薄,明显受到岩层节理控制;滑体相中的堆积结构以分层结构、拼图结构、块石定向排列、块石剪切破坏为主,这些结构指示瓦来滑坡具有层流运动特征,且其运动过程中,内部存在碰撞作用与剪切作用。滑体相中,粒度沿程的变化特征表明瓦来滑坡的内部破碎主要发生在从滑坡源区经过流通区到坡脚的撞击过程中,为强破碎阶段;细颗粒的粒度分布特征和发育不明显的细粒剪切带指示该滑坡在径向运动阶段的破碎作用相对前者较弱,为弱破碎阶段。