羅　渝，何思明，宋鵬飛

(1.中國科學(xué)院山地災(zāi)害與地表過程重點實驗室,四川 成都 610041；2.中國科學(xué)院·水利部成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所,四川 成都 610041；3.中國公路工程咨詢集團有限公司，北京 100097)

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高速遠程滑坡的熱-水-力動力學(xué)研究現(xiàn)狀與展望

羅渝1,2，何思明1,2，宋鵬飛3

(1.中國科學(xué)院山地災(zāi)害與地表過程重點實驗室,四川 成都 610041；2.中國科學(xué)院·水利部成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所,四川 成都 610041；3.中國公路工程咨詢集團有限公司，北京 100097)

高速遠程滑坡往往以其超強的動力學(xué)特性、極高的運動速度和超遠的運動距離造成極為嚴(yán)重的生命財產(chǎn)損失。高速遠程滑坡超強動力學(xué)特性的內(nèi)在機理研究，已成為國內(nèi)外學(xué)者關(guān)注的熱點問題。目前越來越多的學(xué)者開始從滑面熱-水-力耦合響應(yīng)的角度出發(fā)，闡釋高速遠程滑坡的動力學(xué)特性。這一研究思路也越來越受到國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注和重視。我國面臨的滑坡災(zāi)害防災(zāi)減災(zāi)形勢異常嚴(yán)峻，而在高速遠程滑坡的熱-水-力動力學(xué)研究方面,還處于剛剛起步的階段。因此，在查閱大量文獻的基礎(chǔ)上，闡述了國內(nèi)外從滑面熱-水-力耦合響應(yīng)角度，對高速遠程滑坡運動演化研究方面的研究現(xiàn)狀，對目前在這方面研究中所提出的理論和模型進行了歸納與總結(jié)，同時點評了目前研究存在的難點，并在此基礎(chǔ)上提出了今后的研究展望。

高速遠程滑坡；熱-水-力；動力學(xué)機理；研究現(xiàn)狀；展望

高速遠程滑坡較一般的滑坡而言，具有更快的運動速度和更遠的運動距離，往往造成更嚴(yán)重的危害，屬于災(zāi)難性滑坡。例如2009年6月5日，發(fā)生在我國重慶武隆的雞尾山滑坡，滑坡運行了1.5 km，掩埋了下游的鐵礦, 造成74人死亡, 8人受傷[1]。2010年6月28日14：30，貴州省關(guān)嶺縣崗烏鎮(zhèn)大寨村山體滑坡，滑坡方量約170×104m3，形成沿溝谷長約1.5 km的滑坡松散堆積區(qū)，造成該村兩個村民組37戶被掩埋，42人死亡，57人失蹤[2]；2010年7月27日，四川漢源縣萬工鄉(xiāng)雙合村一組萬工集鎮(zhèn)后背山(小地名二蠻山)突發(fā)滑坡，方量約120×104m3，最終運動距離接近1.4 km，造成萬工集鎮(zhèn)、雙合一組部分村民房屋垮塌，20人失蹤，92戶村名房屋倒塌，1 500人轉(zhuǎn)移[3]； 2013年7月10日，都江堰市中心鎮(zhèn)三溪村突發(fā)大規(guī)模山體滑坡，滑體寬約300 m，縱長約150 m，體積超過150×104m3，滑動距離1.26 km，造成11戶農(nóng)房被毀、43人遇難、100多人失蹤的嚴(yán)重危害[4]。

高速遠程滑坡災(zāi)害對人民生命財產(chǎn)的危害極為嚴(yán)重，使得人們開始重點關(guān)注其高速遠程的動力學(xué)機理研究。到目前為止，越來越多的學(xué)者認為，在滑動過程的摩擦生熱，使滑面剪切帶溫度升高，從而導(dǎo)致孔隙水壓力增加，而使得滑面的法向應(yīng)力減小以致滑面摩擦阻力降低，是驅(qū)使其具有遠程高速特性的關(guān)鍵。因此從滑面熱-水-力耦合響應(yīng)的角度出發(fā)，闡釋高速遠程滑坡的動力學(xué)特性，是國內(nèi)外學(xué)者最為關(guān)注和重視的研究方向。

因此，本文基于大量的文獻資料，展開了滑面熱-水-力耦合的高速遠程滑坡運動機理研究中所提出理論和模型的歸納、總結(jié)，同時點評了目前研究存在的問題和不足，并提出了相應(yīng)的研究展望，希望能為今后該領(lǐng)域的研究提供一些參考價值。

1　高速遠程滑坡的熱-水-力動力學(xué)研究現(xiàn)狀

從滑面摩擦生熱的角度出發(fā)，展開高速遠程滑坡的動力學(xué)機理研究，主要有兩種假說：①認為滑動過程中釋放的熱量使滑面內(nèi)的孔隙水汽化，形成水汽墊層，這個水汽墊層的存在是滑坡高速遠程運動的關(guān)鍵；②認為由于摩擦生熱，就算滑面的水沒有發(fā)生汽化作用，滑面剪切帶溫度升高，也會使孔隙水壓力增加，從而降低滑面摩擦阻力，導(dǎo)致滑坡具有更大的速度和更遠的距離。同時在這一假說的基礎(chǔ)上展開的熱-水-力動力學(xué)研究，按其運動物理模型又可分為基于功能原理的滑塊模型和基于流體力學(xué)深度平均理論變形體模型。

1.1基于“水汽墊層”說的滑坡熱-水-力動力學(xué)研究Habib最早從滑面摩擦生熱的角度出發(fā)展開相關(guān)研究，提出了“孔隙水壓力學(xué)說”，認為遠程高速滑坡沿滑動面高速滑動時，由于摩擦阻力做功，會在滑面上產(chǎn)生熱量，而如果剪切速率足夠大，滑面釋放的熱量甚至可將水變成水蒸氣，產(chǎn)生水汽墊層。這汽墊支撐著滑坡體并產(chǎn)生潤滑作用是其具有遠程高速的運動特性[5]。隨后其他學(xué)者也對遠程高速滑坡滑動面上水的汽化作用導(dǎo)致孔隙壓力的增加，進而降低滑動面摩擦阻力，展開了相關(guān)的研究[6-8]；邢愛國等對大型高速巖質(zhì)滑坡在啟動活動階段由于摩擦產(chǎn)生高溫，使滑帶水突然汽化，產(chǎn)生水汽墊層，重點對高速遠程滑坡啟程活動階段的孔隙水壓力汽化壓力效應(yīng)展開了研究。計算分析了高速滑坡滑動過程中滑面溫度的變化規(guī)律，并以頭寨溝滑坡為例計算其孔隙水汽化壓力。研究結(jié)果證實了孔隙水汽化的可能性，并進一步計算了孔隙水汽化壓力的大小[9]。

由上述可以看出，基于“水汽墊層說”的滑坡熱-水-力動力學(xué)研究成果較少，集中于初步的、基本的、階段性的理論研究階段, 研究方法與研究思想都不成熟，沒有形成完整的、規(guī)律性的成果。究其原因是在孔隙水壓力與汽化的水汽壓力耦合以及水汽壓力與剪應(yīng)力耦合的問題方面沒有得到突破性的解決，使得基于“水汽墊層說”的滑坡熱-水-力動力學(xué)研究處于一個基本停滯的階段。

1.2基于熱-水-力耦合運動物理模的動力學(xué)研究1980年，Anderson最早從滑面的摩擦生熱導(dǎo)致滑面孔隙水壓力增加，使滑面摩擦阻力降低，建立地震滑坡的一維熱-水-力耦合運動物理模型，研究其動力學(xué)特性，其研究結(jié)果顯示由于摩擦生熱，就算滑面的水沒有發(fā)生汽化作用，滑面剪切帶溫度升高，也會使孔隙水壓力增加，從而降低滑面摩擦阻力，從而導(dǎo)致滑坡具有更大的速度和更遠的距離[10]；隨后這一結(jié)論又被Vioght等在高速滑坡一維滑塊模型動力學(xué)研究成果中得到證實[11]。之后這一學(xué)說受到了相關(guān)學(xué)者的廣泛關(guān)注，展開了一系列高速遠程滑坡熱-水-力動力學(xué)研究[12-16]。其中，Vardoulakis基于這一理論對災(zāi)難性遠程高速滑坡的熱-水-力運動特性展開研究，分析了運動過程中滑面剪切帶的溫度、孔隙水壓力以及速度演變過程[17]。隨后，Vardoulakis又進一步對其提出的一維熱-水-力運動模型進行了探討，指出原熱-水-力運動模型的問題在于使用規(guī)則的粘滯類型和規(guī)范化的第二梯度[18]。Goren則在以上研究的基礎(chǔ)上，考慮滑坡體積的影響，研究了熱-水-力耦合的滑坡體積對滑動速度、滑動距離的影響，同時也指出大體積的滑坡其滑面剪切帶越厚，運動距離越遠[19-21]。Cecinato等在高速遠程滑坡的熱-水-力動力學(xué)研究方面，采用一個更普遍和更實際的土體本構(gòu)模型，考慮滑動過程中的熱產(chǎn)生和擴散，孔隙壓力的產(chǎn)生和耗散，以及依賴于土體力學(xué)特性的溫度變化，提出一種新的研究高速遠程滑坡熱-水-力動力學(xué)特性的運動物理模型，模型具有同時容納應(yīng)變-應(yīng)變率-熱摩擦-軟化的特點。最后以Vajont滑坡為例，進行了模擬分析，揭示了該模型的摩擦軟化和增壓機制的敏感性[22]。劉威等在Goren提出的熱-水-力耦合運動物理模型的基礎(chǔ)上結(jié)合滑坡侵蝕率公式，提出了滑坡沿程侵蝕作用下的高速遠程滑坡一維熱-水-力耦合運動物理模型，研究了高速滑坡的熱-水-力動力學(xué)效應(yīng)及侵蝕效應(yīng)。其研究結(jié)果表明： 高速滑坡運動過程中的熱-水-力耦合作用效應(yīng)提升了滑坡的流動性并顯著影響滑坡的沿程侵蝕作用[23]。

這些模型從滑面熱-水-力耦合的角度，建立高速遠程滑坡的運動物理模型，研究滑坡的運動特性，揭示其遠程高速運動特性的內(nèi)在機理，在高速遠程滑坡的動力過程研究方面取得了較大的進展，很大程度上推進了從滑面熱-水-力耦合響應(yīng)的高速遠程滑坡動力學(xué)機理研究。但是這些基于功能原理的滑塊模型也主要集中于展開一維尺度下的研究，同時也存在一定的缺陷，將滑坡體簡化為集中質(zhì)量的剛性體，忽略滑坡的內(nèi)部變形及能量耗散，與實際情況存在一定的差別。

1.3基于流體力學(xué)深度平均理論變形體模型的滑坡熱-水-力動力學(xué)研究一些研究者，關(guān)注到了高速遠程滑坡在運動過程中呈現(xiàn)出的流態(tài)化特征，針對這一特點，人們將遠程高速滑坡看成是一維淺水明渠流，并采用流體力學(xué)深度平均方法將其簡化，滑坡基底層采用不同的流變模型，如層流模型、塑性流模型、庫倫摩擦模型、賓漢姆模型、Voellmy模型等，進行滑坡的動力學(xué)機理研究，并取得了較為成熟的研究成果[24-31]。因此，在高速遠程滑坡的熱-水-力動力學(xué)機理研究中，有學(xué)者開始嘗試將基于流體力學(xué)深度平均理論的滑坡運動物理模型引入熱-水-力耦合的滑塊模型中，建立高速遠程滑坡的熱-水-力耦合變形體運動物理模型，以解決基于功能原理滑塊模型的不足。何思明、劉威等將基于淺水流模型的深度平均理論和熱-水-力耦合方法相結(jié)合提出一種新的高速遠程滑坡運動物理模型，采用有限體積法和Crank-Nicolson 相結(jié)合的方法進行求解，展開了高速遠程滑坡的動力學(xué)過程研究。其研究結(jié)果表明，滑坡滑動過程中的摩擦生熱作用可以使孔隙水壓力增大，從而降低滑面的摩擦阻力，提高滑坡體的動力學(xué)特性，促使其產(chǎn)生更遠的滑動距離[32]。

基于流體力學(xué)深度平均理論的變形體模型能夠考慮滑坡運動過程中的流態(tài)化特征，在一定程度上揭示了高速遠程滑坡的熱-水-力動力學(xué)機理，具有清晰的研究思路和研究方案。但是目前的研究也僅提出了一維尺度、特定條件下的變形體運動物理模型，還不具備其應(yīng)用的普遍性。因此這方面的研究還有待進一步的摸索和總結(jié)。

2　高速遠程滑坡的熱-水-力動力學(xué)研究難點

綜上高速遠程滑坡熱-水-力動力學(xué)研究方面的研究現(xiàn)狀可以發(fā)現(xiàn)，目前在這方面的研究難點主要體現(xiàn)如下。

(1)高速遠程滑坡具有體積大、突發(fā)性強的特點，而現(xiàn)有的監(jiān)測手段和儀器都無法獲取在其滑動過程中，滑面摩擦生熱導(dǎo)致剪切帶內(nèi)的溫度、孔隙水壓力變化和擴散的數(shù)據(jù)資料。因此，缺乏有效的實際研究數(shù)據(jù)資料的支撐是高速遠程滑坡的熱-水-力耦動力學(xué)機理研究的一大難點。

(2)由于高速遠程滑坡的運動具有體積效應(yīng)，常規(guī)的室內(nèi)模型試驗無法模擬出滑面的熱-水-力耦合響應(yīng)過程。因此，通過室內(nèi)試驗展開高速遠程滑坡熱-水-力動力學(xué)研究機理是又一研究難點。

(3)高速遠程滑坡運動過程中滑面剪切帶內(nèi)的熱-水-力耦合響應(yīng)是一個復(fù)雜過程，貫穿滑坡運動的整個過程，受到滑坡體物質(zhì)組成、力學(xué)性質(zhì)以及運動速度、滑坡體積等諸多因素的影響，因此很難建立一個能夠全面考慮眾多影響因素的熱-水-力耦合運動物理模型，也是這方面研究需要突破的一大難點。

因此，由于以上原因使得高速遠程滑坡的熱-水-力動力學(xué)研究受到阻礙，到目前為止尚有許多問題沒有得到解決，其高速遠程的熱-水-力耦合響應(yīng)動力學(xué)機理尚不明確，還需要科技工作者繼續(xù)努力。

3　展望

基于上述分析的高速遠程滑坡的熱-水-力動力學(xué)研究的研究現(xiàn)狀及研究難點，作者認為，未來在這方面的研究可以從以下幾個方面展開，以尋求突破性的進展。

(1)將高速遠程滑坡的熱-水-力耦合運動物理模型從一維尺度擴到二維尺度。實現(xiàn)在真實地形地貌條件下的高速遠程滑坡熱-水-力動力學(xué)研究，揭示其運動過程中滑面孔隙水壓力以及溫度場在二維空間上的演化規(guī)律。

(2)建立多種模型聯(lián)合的高速遠程滑坡的熱-水-力耦合運動物理模型。高速遠程滑坡的滑面熱-水-力耦合效應(yīng)受巖土體性質(zhì)、物質(zhì)組成、運動速度、滑坡體體積、摩擦軟化等等多種因素的影響，而目前的研究，各種運動物理模型都僅考慮了其中一項或幾項因素的影響。因此，將這些模型耦合起來進行系統(tǒng)地研究，以得到更加貼近實際的運動物理模型，對揭示高速遠程滑坡的熱-水-力動力學(xué)機理非常必要。

(3)發(fā)展物理模型試驗技術(shù)。通過研發(fā)新型的可替代材料和試驗設(shè)備，發(fā)展可以模擬高速遠程滑坡滑面熱-水-力耦合效應(yīng)的模型試驗技術(shù)，研究高速遠程滑坡的熱-水-力動力學(xué)機理。

(4)進一步發(fā)展數(shù)值模擬技術(shù)。數(shù)值模擬技術(shù)是研究高速遠程滑坡熱-水-力動力學(xué)機理的重要手段，未來熱-水-力運動物理模型的發(fā)展，勢必需要更為高性能的數(shù)值計算算法和模擬技術(shù)的支撐，以展開高速遠程滑坡的熱-水-力動力學(xué)機理研究。

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Research Status and Prospects of Thermo-poro-mechanical Analysis of Long Runout Landslides Motions

LUO Yu1,2, HE Siming1,2and SONG Pengfei3

(1.KeyLaboratoryofMountainHazardsandSurfaceProcess,ChineseAcademyofScience,Chengdu610041,China; 2.InstituteofMountainHazardsandEnvironment(IMHE),ChineseAcademyofSciences,Chengdu610041,China; 3.ChinaHighwayEngineeringConsultantsCo.Ltd.,Beijing100097,China)

InChina,landslideiswidedistribution,highfrequencyandcancauseseriousharm.Especially,longrunoutlandslidecancausemoreseriouslylivesandfinanciallossesforitsstrongkinematicscharacteristicsofhighmotionspeedandlongrunout.Sostudyonthekinematicsmechanismforlongrunoutlandslidehasbecomeahotissueforresearchersaroundtheworld.Atpresent,moreandmoreresearchersbegintostudyonthekinematicsmechanismforlongrunoutlandslidebythethermo-poro-mechanicalcouplingeffectattheslidingsurface.Furthermore,moreandmorescholarsathomeandabroadhaveattachedimportanceandattentiontothisresearchidea.Thelandslidehazardpreventionandmitigationwearefacingbecomeextremelyserious.Theresearchonthermo-poro-mechanicalanalysisoflongrunoutlandslidesmotionsisjustatthebeginningstage.Therefore,thispaperexpoundsresearchstatusofthermo-poro-mechanicalanalysisoflongrunoutlandslidesmotionsbasedonareviewofaplentyofliteratures.Itsummarizestheexistingmodels,commentsontheresearchdifficultiesatpresent.Andthen,putsforwardtheresearchdirectionsinthefuture.Wehopetomakesomeusefultothefutureresearch,bysystematicallysumsuptherelevantresearchaboutthermo-poro-mechanicalanalysisoflongrunoutlandslidesmotions.

longrunoutlandslide;thermo-poro-mechanical;kinematicsmechanism;researchstatus;prospects

2016-04-13

2016-05-23

中國科學(xué)院西部之光人才培養(yǎng)計劃項目“大型降雨滑坡動力過程模擬及危害范圍預(yù)測”(Y5R2060060)；中國自然科學(xué)基金項目“考慮滑面熱-水-力耦合響應(yīng)的大型降雨滑坡運動特性研究”(41401004)；交通運輸部科技項目“公路地質(zhì)災(zāi)害多維網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)測與預(yù)警關(guān)鍵技術(shù)及示范”(2014364J03090)；中國科學(xué)院山地災(zāi)害與地表過程重點實驗室自主基金項目

羅渝(1981-)，女，重慶人，博士，助理研究員，主要從事滑坡災(zāi)害形成演化機理及防治技術(shù)研究.

E-mail:ly@imde.ac.cn

X43; P642.2

A

1000-811X(2016)04-0162-04

10.3969/j.issn.1000-811X.2016.04.028

羅渝，何思明，宋鵬飛. 高速遠程滑坡的熱-水-力動力學(xué)研究現(xiàn)狀與展望[J]. 災(zāi)害學(xué)，2016，31(4)：162-165. [LUO Yu，HE Siming and SONG Pengfei. Research Status and Prospects of Thermo-poro-mechanical Analysis of Long Runout Landslides Motions[J]. Journal of Catastrophology，2016，31(4)：162-165. doi: 10.3969/j.issn.1000-811X.2016.04.028.]