高速远程的碎屑流运动特性研究

Different from most of landslides which move like a rigid body, the granular mass flows in nature usually behave like liquids and have rheological properties. The granular mass is composed of loose solid particles with large diameters. The particles inside the mass have close contacts with each other and form contact structures, which play key roles on the flow dynamics (e.g., high speeds and long runout distances). In this project, the principles of granular flows are applied for the research of the dynamics of long runout granular mass flows in nature. Field investigation, flume model testing, and numerical study through Discrete Element Method (DEM) will be conducted. Rheological properties of granular mass flows, flowing resistance on the bed, and mechanisms of slope bed erosion and the influence on the flow mobility will be systematically investigated. Based on this research work, the widely applied Savage-Hutter model for granular flows will be modified and a new numerical model to simulate natural granular mass flows will be developed. It hopes that this study can improve the research on the mechanisms of granular mass flows and be helpful for the risk prediction and mitigation.

区别于一般性的滑坡所表现出的似刚体运动性质，常见的碎屑流整体运动呈流体状，具有明显的流变特性。碎屑流由大量松散颗粒物质所组成，颗粒粒径较大且相互间接触形成骨架，接触力对运动起主要作用。碎屑流整体性的流动往往具有高速远程的特点。本项目特别针对我国高速远程的碎屑流现象，从颗粒物质流动力学的角度出发，研究其运动特性。在野外原型调研的基础上，通过理论分析和水槽实验、数值模拟（离散元DEM）相结合的方法，研究碎屑流的流变特性，重点描述碎屑流剪切速率对床面（基底）摩阻力的影响，并初步揭示碎屑流运动对床面的侵蚀作用，完善对碎屑流运动中的物质交换和能量损耗的认识；进而改进现有的颗粒流运动模型（Savage-Hutter模型），构建碎屑流运动的数值计算模型。本研究成果可以提高人们对碎屑流乃至一般颗粒流运动规律的认识，对深入认识我国山区沟道中大量松散颗粒物质流动的演进规律和致灾机理具有重要的科学意义。

本项目以汶川地震、甘肃舟曲特大山洪泥石流的灾后重建为背景，以大型地质灾害——高速远程的碎屑流灾害的发展演化为主要的研究对象，依据现场调查研究的结果设计完成了碎屑流的物理模拟实验，并运用三维离散元（DEM）方法成功实现了对碎屑流颗粒物质失稳——流动——堆积全过程的数值模拟。本研究聚焦于碎屑流体内部的能量耗散机制，深入探索了碎屑流颗粒间相互作用方式（微观角度）和颗粒体宏观的流变特性之间的关系。研究结果发现碎屑流颗粒物质流动在沟道床面附近存在有一个剪切速率很大的边界层，而边界层上部颗粒层的剪切速率在龙头龙尾部位又分别有不同程度的增加，这种颗粒层间强烈的剪切作用是导致颗粒间接触碰撞频率剧增、紊动耗能加大的重要原因。为定量刻画碎屑流内部颗粒间碰撞引起的紊动耗能机制和变化规律，本研究借鉴分子动力学中颗粒温度的概念（单位质量颗粒的平均紊动动能），来描述不同阶段颗粒体内部沿深度方向的紊动（耗能）度，首次实现了碎屑流流态的科学区分、明确了现阶段广泛使用的深度平均方法用于山地灾害动力学模型构建中的重要适用条件，并且还提炼了碎屑流阻力的计算公式。据此新认识并基于严格的Navier-Stockes流体动力学方程，本研究考虑了碎屑流侵蚀沟床过程时边界层（界面）质量和动量的转换，修正了连续介质力学方程，构建了碎屑流数值计算新的理论模型；并结合野外实际沟道的地形，独立编程开发了碎屑流动力学计算程序。本研究成果能很好的帮助推断我国西部山区大量潜在的滑坡—碎屑流事件的演化过程，明确此类地质灾害体的影响范围和相应的风险评估指标，完善地质灾害风险评价体系，具有显著的社会经济效益。经过3年的研究，项目组圆满完成了预定目标。