高速远程滑坡解体破碎与动力演化机制研究

Rock falls, rock slides or rock avalanches are common geological process. The mechanics of such phenomena are generally well understood in terms of the competition between gravity, inertia and inter-granular friction. However, a rare category of vast rock avalanches (with a volume > 1000000 cubic meter), turn into Sturzstroms (rock slides of very large volume and extreme run out) during run out and the displaced material changes from a frictional behavior to a fluid-like behavior. A motion mechanism that is different with the simple friction mode must exist in Sturzstroms, and this riddle has occupied several generations of engineers, geologists, and geophysicists. One of the universal characteristics in these phenomena is pervasive, intense fragmentation of the rock, and dynamic fragmentation is appealed by some researchers as a key mechanism of long run out. Disintegration and rock fragmentation is a real phenomena that was observed in fields, and the dynamic fragmentation in the shear band is thought to have some effects on the stress and/or pore pressure, and then on the mobility of the landslides. Even though fragmentation likely affects the whole dynamics of the rock avalanche, as yet the basic mechanics of the process is poorly known. In this project, the dynamic interaction mechanisms between the disintegration and long runout of large-scale rock slides are studied. Methods such as field geology survey, physical model tests and numerical simulation are used to solve the problems. The dynamic fragmentation will be coupled with dry granular models such as that proposed by Savage-Hutter to simulate the long run-out behavior of Sturzstroms. The outcomes of this project are expected to used in the hazard mitigation and risk assessment.

崩塌或岩质滑坡是常见的地质现象，其运动距离通常可由重力势能和基底摩擦确定，但少部分大型岩质滑坡（一般体积大于百万立方米量级）可能发展为高速远程滑坡。高速远程滑坡呈现出具有流体的运动特征，不能采用简单的摩擦模型进行描述，其运动机制成为困扰研究者的问题。剧烈的解体破碎是此类滑坡具有的共性之一，因此动力解体破碎被一些学者认为是其远程运动的主要机制。高速滑坡在运动过程中发生解体破碎是客观存在的，剪切带上剧烈的颗粒破碎过程可能影响剪切带内应力、孔压状态，进而对滑坡的运动性产生影响，但滑坡解体破碎和远程运动之间的动力相互作用机制尚不明确。项目采用大型高速远程滑坡地质调查、室内物理试验和数值模拟的方法，揭示大型滑坡解体破碎和远程运动之间的动力互馈作用机制，建立考虑解体破碎过程的大型高速远程滑坡动力学模型，改进数值模拟技术，为大型滑坡灾害防治风险评价提供动力学参数支持。

大型高速远程滑坡是地球上存在的最大规模的物质运移过程之一，很多滑坡在运动过程中通过冲击破坏、掩埋等方式造成损害。高速远程滑坡呈现出具有流体的运动特征，不能采用简单的摩擦模型进行描述，其运动机制成为困扰研究者的问题。剧烈的解体破碎是此类滑坡具有的共性之一，因此动力解体破碎被一些学者认为是其远程运动的主要机制。高速滑坡在运动过程中发生解体破碎是客观存在的，剧烈的颗粒破碎使滑坡体物质发生相变，进而对滑坡的运动性产生影响，但滑坡解体破碎和远程运动之间的动力相互作用机制尚不明确。. 项目研究主要内容包括高速远程滑坡解体破碎与颗粒粒径演化规律；高速远程滑坡剪切带颗粒破碎的动力作用机制；高速远程滑坡解体破碎动力学模型与模拟；高速远程滑坡动力特征参数定量评估等。. 研究发现虽然不同滑坡由于组成的岩性特征差别很大，堆积体的粒径（D50）以及颗粒分布特征有一定的差异，但颗粒破碎是所有高速远程滑坡的共有特征之一。通过试验和数值模拟研究，发现粗细混合颗粒和均匀颗粒的碎屑流运动动力特征存在明显不同。在滑坡的动力过程模拟方面：提出了基于CFD（Savage-Hutter模型）和速度弱化摩擦模型的滑坡运动模型；发展了拉格朗日-欧拉耦合物质点法，并用于高速远程滑坡动力过程模拟，以汶川地震王家岩滑坡为例，分析了结构对滑坡运动特征的影响；在物质点法框架平台基础上，提出了一种软-硬接触模型，用于模拟颗粒流体与刚性结构之间的冲击计算模拟；用物质点法对2107年发生的四川茂县新磨村滑坡进行模拟分析，得出了一些有意义的结论；基于滑坡启动-运动过程中岩土体材料发生固体-流体相变的问题，提出一种描述这一力学机制的本构模型，并在物质点法框架下进行计算模拟，解决滑坡解体破碎过程模拟问题。. 本研究探索高速远程滑坡的颗粒破碎-远程运动机制，并在此基础上发展了滑坡运动过程模拟的数值计算技术和方法，相关成果可为滑坡定量风险分析和减灾工程提供重要支持。