青藏高原高位遠(yuǎn)程滑坡動(dòng)力學(xué)研究的新問題

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1.中國地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)力學(xué)研究所,北京 100081;

2.中國地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院,北京 100081;

3.自然資源部活動(dòng)構(gòu)造與地質(zhì)安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100081

0 引言

高速遠(yuǎn)程滑坡具有運(yùn)動(dòng)速度快、沖擊能量大、成災(zāi)范圍廣的災(zāi)害特征,一直是國際研究的前沿與熱點(diǎn)問題,其中動(dòng)力學(xué)理論是研究高位遠(yuǎn)程滑坡的難點(diǎn)與關(guān)鍵問題之一(胡廣韜,1995;程謙恭 等,2007;Hungr,2007;殷躍平,2008;Iverson,2013; Xing et al.,2015;劉傳正,2017;王玉峰等,2021)。自1881年Heim教授對(duì)Elm高速遠(yuǎn)程滑坡研究以來,學(xué)者們通過現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查、物理模型理論與試驗(yàn)及物理力學(xué)分析、數(shù)值模擬等技術(shù)方法手段對(duì)高速遠(yuǎn)程滑坡進(jìn)行了深入的分析和探討,運(yùn)用了沉積學(xué)、地貌學(xué)、數(shù)學(xué)、傳統(tǒng)力學(xué)、流體力學(xué)、地球物理學(xué)等多學(xué)科交叉融合,取得了豐碩的成果,使高速遠(yuǎn)程滑坡的研究取得了重大的突破和進(jìn)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)。其中包括對(duì)高速遠(yuǎn)程滑坡在運(yùn)動(dòng)過程表現(xiàn)出的超高速(＞20 m/s)、超遠(yuǎn)距離(＞1 km)的超常動(dòng)力學(xué)特征研究,許多學(xué)者提出了各種機(jī)理和假說,有高速剪切液化、侵蝕裹挾、摩擦生熱、圈閉空氣潤滑、無黏性顆粒流、能量傳遞等理論(Heim,1932;Kent,1966; Shreve,1968;Bagnold,1968;Takahashi, 1978;Eisbacher,1979;Erismann,1979;Davies,1982);另有針對(duì)于高速遠(yuǎn)程滑坡計(jì)算動(dòng)力學(xué)模型的研究,包括仍被廣泛應(yīng)用的庫倫摩擦模型、Voellmy模型、雪橇模型等非數(shù)值模型(Voellmy, 1955;Kozik,1962;Scheidegger,1973),Savage-Hutter (SH)模 型、Denlinger 和 Iverson的基于深度平均的計(jì)算模型以及他們的改進(jìn)模型等數(shù)值模型(Savage and Hutter,1989;Denlinger and Iverson,2004;Iverson,2012)。

但是在中國青藏高原,與普通高速遠(yuǎn)程滑坡不同的是,滑坡具有“高位”的特點(diǎn),物源啟動(dòng)多在海拔5000 m以上,高差往往超過2500 m,具有極端的地勢及地貌條件。這種“高位”的特點(diǎn)使滑坡具有極大的勢動(dòng)轉(zhuǎn)化空間,造成滑坡的運(yùn)動(dòng)速度極快,往往在50 m/s以上,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了1995年國際地科聯(lián)公布的5 m/s的速度(International Union of Geological Sciences Working Group on Landslides,1995)。同時(shí),巨大勢能使滑坡的運(yùn)動(dòng)距離極大,往往超過幾千米甚至十幾千米,在如此長的運(yùn)動(dòng)過程中表現(xiàn)出超常且更為復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)特性,并且具有鏈?zhǔn)降某蔀?zāi)特點(diǎn),極大地增強(qiáng)了滑坡的危險(xiǎn)性,稱為高位遠(yuǎn)程災(zāi)害鏈。殷躍平等(2017)首次提出“高位滑坡”(Highposition landslide),指從高陡斜坡位置剪出并形成凌空加速墜落,墜落高差往往超過350 m,并容易轉(zhuǎn)化為高速遠(yuǎn)程滑動(dòng)的碎屑流或泥石流。中國青藏高原復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境使高位遠(yuǎn)程滑坡極為發(fā)育,高位和遠(yuǎn)程的特點(diǎn)更為突出,動(dòng)力學(xué)作用更為復(fù)雜,往往造成重大傷亡事件(殷躍平,2000;黃潤秋,2007;程謙恭等,2007;崔鵬等,2017;殷躍平等,2017;Gao et al.,2020;Zhang et al.,2022)。

目前針對(duì)青藏高原的高位遠(yuǎn)程滑坡研究較少,所提出的理論與觀點(diǎn)具有一定的片面性和非普適性,無法涵蓋高位遠(yuǎn)程滑坡表現(xiàn)出的所有特性,這也與高位遠(yuǎn)程滑坡的特征復(fù)雜性、突發(fā)性、時(shí)空特殊性有關(guān),亟待進(jìn)一步深入研究。文章基于國內(nèi)外對(duì)高位遠(yuǎn)程滑坡動(dòng)力學(xué)已有的研究成果,針對(duì)青藏高原高位遠(yuǎn)程滑坡所表現(xiàn)出的三種主要?jiǎng)恿W(xué)的特殊效應(yīng)——?jiǎng)恿ζ扑樾?yīng)、動(dòng)力侵蝕效應(yīng)以及流態(tài)化效應(yīng)進(jìn)行了綜述,并在此基礎(chǔ)上討論了目前存在的問題,提出了下一步要重點(diǎn)研究的關(guān)鍵科學(xué)問題。

1 青藏高原高位遠(yuǎn)程滑坡地質(zhì)特征

青藏高原是全球大陸板塊活動(dòng)最強(qiáng)烈、構(gòu)造隆升與剝蝕速度最快、強(qiáng)震發(fā)生頻繁、氣候變化影響顯著的地區(qū),也是全球巨型超高位超遠(yuǎn)程地質(zhì)災(zāi)害最發(fā)育的地區(qū)之一(殷躍平,2000;張建平等,2001;張永雙等,2016;崔鵬等,2017;彭建兵等,2020)。喜馬拉雅造山帶是青藏高原極其復(fù)雜的構(gòu)造急變帶,發(fā)生過多起災(zāi)難性超高位超遠(yuǎn)程崩滑碎屑流(丁林等,1995;鐘大賚和丁林,1996;許志琴等,2007;高楊等,2017;李濱等,2020;彭雙麒等,2020)。2000年4月9日,雅魯藏布江支流易貢藏布扎木弄溝發(fā)生超高位超遠(yuǎn)程巨型地質(zhì)災(zāi)害,滑坡體積3.0×108m3,形成庫容近

30×108m3的堰塞湖,潰決洪水流量達(dá)12.4×104m3/s,災(zāi)害鏈摧毀了下游318國道和通麥大橋,導(dǎo)致墨脫縣城成為孤島,交通中斷數(shù)月,下游地區(qū)千人死亡,50000多人無家可歸,災(zāi)難舉世罕見,如圖1a所示(殷躍平,2000;劉錚等,2020)。2018年10月17日和29日,雅魯藏布江大峽谷色東普溝兩次發(fā)生高位崩滑碎屑流災(zāi)害鏈(圖1b),造成雅魯藏布江兩次堵江斷流形成堰塞湖,上游回水后嚴(yán)重威脅村鎮(zhèn)的公路交通、電力通訊設(shè)施和耕地等,堰塞壩潰決后導(dǎo)致下游形成洪水災(zāi)害,最終導(dǎo)致上下游33個(gè)村莊被淹,5000余人受災(zāi)(劉傳正等,2019)。1950 年和1969 年,西藏米林則隆弄溝曾兩次發(fā)生超大規(guī)模的超高位山崩碎屑流(圖1c),運(yùn)動(dòng)距離達(dá)9000 m,墜落高差約3000 m,形成超遠(yuǎn)程運(yùn)動(dòng)成災(zāi),導(dǎo)致近百人死亡(張文敬,1985)。

圖1 青藏高原高位遠(yuǎn)程滑坡Fig.1 High-elevation and long-runout landslides in the Qinghai-Tibet Plateau

青藏高原的高位遠(yuǎn)程滑坡除具有高速遠(yuǎn)程滑坡體積巨大、運(yùn)動(dòng)速度極快、破壞范圍極廣的特點(diǎn)外,還具有如下的重要特征。①地質(zhì)條件極其復(fù)雜:崩滑物源啟動(dòng)區(qū)多在海拔5000 m以上,墜落高差多在2500 m以上,具有極端的超高位啟動(dòng)的地形地貌前提;構(gòu)造運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈,地震多發(fā),高陡斜坡多為震裂山體,結(jié)構(gòu)面發(fā)育,整體強(qiáng)度低,為高位遠(yuǎn)程滑坡的啟動(dòng)創(chuàng)造了有利條件;崩滑體組成巖性復(fù)雜多變,巖體為板巖、片麻巖、片巖等變質(zhì)巖材料,同時(shí),因崩滑源區(qū)發(fā)育海拔高,多發(fā)于多年凍融的冰川之上,崩滑體多為冰巖的混合體,地質(zhì)演化過程中不斷被風(fēng)化、剝蝕、擠壓和凍融,冰巖體強(qiáng)度低。②具有鏈?zhǔn)匠蔀?zāi)特征,成災(zāi)規(guī)模巨大:超高位啟動(dòng)和超遠(yuǎn)距離運(yùn)動(dòng)會(huì)造成次生災(zāi)害效應(yīng),使地質(zhì)災(zāi)害出現(xiàn)鏈?zhǔn)降某蔀?zāi)特征。鏈?zhǔn)匠蔀?zāi)是指從上游災(zāi)害啟動(dòng)源區(qū)一直到運(yùn)動(dòng)和下游堆積過程中形成地質(zhì)災(zāi)害的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化的完整鏈條,包括滑坡(崩塌、冰崩、雪崩)-碎屑流-泥石流等,也指災(zāi)害鏈基礎(chǔ)上向下游延伸形成的次生災(zāi)害,包括滑坡(崩塌、冰崩、雪崩)-碎屑流-泥石流-堰塞壩-堰塞湖潰決山洪-側(cè)蝕次生滑坡等。地質(zhì)災(zāi)害鏈的形成使高位遠(yuǎn)程滑坡具有極端的成災(zāi)規(guī)模,滑體體積超過千萬立方米,甚至上億立方米,運(yùn)動(dòng)距離超過幾千米,甚至十幾千米,最終堆積在青藏高原的深切峽谷中,形成堵江洪水災(zāi)害鏈,導(dǎo)致災(zāi)害規(guī)模成倍放大,并且具有周期性反復(fù)發(fā)生特征。③動(dòng)力作用復(fù)雜且強(qiáng)烈:高位遠(yuǎn)程滑坡高位啟動(dòng)后,具有巖、冰、碎屑混合材料的“固-粒-流”逐級(jí)流化特征。巨大的高差使冰巖完整塊體在運(yùn)動(dòng)過程中碰撞破碎,使滑體碎屑化為類顆粒狀態(tài),出現(xiàn)強(qiáng)烈的動(dòng)力破碎效應(yīng),同時(shí)侵蝕運(yùn)動(dòng)路徑上的巖土體,體積不斷增加,出現(xiàn)動(dòng)力侵蝕效應(yīng)。巖體破碎為顆粒后,在超高速運(yùn)動(dòng)過程中表現(xiàn)出類流體的運(yùn)動(dòng)特征,出現(xiàn)流態(tài)化效應(yīng)。此外,在運(yùn)動(dòng)過程中有動(dòng)力逐級(jí)加載、彎道超高、沖擊氣浪等動(dòng)力學(xué)效應(yīng),多種動(dòng)力學(xué)效應(yīng)同時(shí)存在,使高位遠(yuǎn)程滑坡表現(xiàn)出復(fù)雜且強(qiáng)烈的動(dòng)力學(xué)特征,最終發(fā)生超遠(yuǎn)程運(yùn)動(dòng)堆積,形成堵江、堰塞湖、洪水災(zāi)害鏈。

2 動(dòng)力學(xué)效應(yīng)及研究進(jìn)展

青藏高原復(fù)雜的地質(zhì)特征使高位遠(yuǎn)程滑坡運(yùn)動(dòng)過程中具有復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)效應(yīng),其中動(dòng)力破碎效應(yīng)、動(dòng)力侵蝕效應(yīng)、以及流態(tài)化效應(yīng)尤為突出,是各研究學(xué)者亟待解決的科學(xué)問題之一(圖2)。動(dòng)力破碎效應(yīng)使滑坡碎屑化,出現(xiàn)超遠(yuǎn)距離運(yùn)動(dòng)特征(Davies and Mcsaveney,1999;De Blasio and Crosta,2015);沖擊侵蝕效應(yīng)使滑坡的體積放大,甚至幾倍于滑坡體積(Takahashi,1981;Yin et al.,2009,2017;Yin and Xing,2012;高楊等,2020,2022a);流態(tài)化效應(yīng)使滑坡類似于流體運(yùn)動(dòng),底部摩擦阻力降低,出現(xiàn)超高速的運(yùn)動(dòng)特征(Hutchinson and Bhandari,1971;Iverson,1997;Sassa et al.,2004;Gao et al.,2017;高楊等,2019)。下文將從三種動(dòng)力學(xué)效應(yīng)進(jìn)展進(jìn)行綜述。

圖2 高位遠(yuǎn)程滑坡動(dòng)力作用概化圖Fig.2 Generalized diagram showing the dynamic action of a high-elevation and long-runout landslide

2.1 動(dòng)力破碎效應(yīng)

動(dòng)力破碎效應(yīng)是高位遠(yuǎn)程滑坡的重要?jiǎng)恿π?yīng)之一,是指滑坡在失穩(wěn)后在自重作用或外部作用力下自身結(jié)構(gòu)發(fā)生改變,由完整塊體逐漸碎屑化的動(dòng)力過程。國際上已有大量對(duì)于動(dòng)力破碎效應(yīng)的研究(Davies and Mcsaveney,1999;Dufresne and Dunning,2017;林棋文等,2021;Gao et al., 2022b)?！捌扑椤币辉~描述了此效應(yīng)的核心動(dòng)力行為,國 際 上 描 述 的 詞 匯 有“disintegration”“crushing”“fragmentation”等,都體現(xiàn)了滑體完整性逐漸降低的特性(Erismann and Abele,2001;Pollet and Schneider,2004;Bowman,2014)。許多研究表明,動(dòng)力破碎普遍存在于高位遠(yuǎn)程滑坡的運(yùn)動(dòng)中,使完整巖體破碎跨越幾個(gè)數(shù)量級(jí),且隨著尺寸的不斷減小,滑坡體積不斷膨脹,被認(rèn)為是呈現(xiàn)超遠(yuǎn)距離運(yùn)動(dòng)的原因之一(Davies and Mcsaveney,1999;Locat et al.,2006;Crosta et al.,2007;Dufresne and Dunning,2017;高楊等,2022b)。

對(duì)于動(dòng)力破碎效應(yīng)的研究主要采用地質(zhì)特征調(diào)查、模型試驗(yàn)及數(shù)值模擬三種方法。由于高位遠(yuǎn)程滑坡運(yùn)動(dòng)中的破碎現(xiàn)象很難被捕捉,主要采用沉積學(xué)特征的地質(zhì)調(diào)查。通過現(xiàn)場調(diào)查,發(fā)現(xiàn)了“反粒序”“拼貼構(gòu)造”以及“層序保留”三種揭示動(dòng)力破碎的地質(zhì)現(xiàn)象。在調(diào)查中發(fā)現(xiàn),高位遠(yuǎn)程滑坡堆積物表面常以大塊石為主,而在堆積物下部主要以碎石、角礫等細(xì)顆粒為主,被稱為“反粒序”特征(Cruden and Hungr,1986;Zhang et al.,2016)。這種“反粒序”特征受到很多學(xué)者的關(guān)注,被認(rèn)為是由于高位遠(yuǎn)程滑坡在運(yùn)動(dòng)過程中動(dòng)力破碎效應(yīng)導(dǎo)致內(nèi)部結(jié)構(gòu)出現(xiàn)差異性分選的結(jié)果(Cruden and Hungr,1986;Strom,1994,2006;McSaveney et al.,2006)。通過更多的調(diào)查研究,許多學(xué)者還運(yùn)用沉積學(xué)理論,根據(jù)滑坡堆積體豎向的粒徑分選和內(nèi)部結(jié)構(gòu)差異對(duì)其進(jìn)行了分層分帶,具體分為堆積體上部的殼層(carapace facies)、中部的主體層(body facies)以及下部的基底層(basal facies),以此來揭示動(dòng)力破碎效應(yīng)的內(nèi)在機(jī)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,在地質(zhì)調(diào)查中還發(fā)現(xiàn)了拼貼構(gòu)造和層序保留特征,也為動(dòng)力破碎的研究提供了地質(zhì)證據(jù)(Heim,1932;Takarada et al.,1999;Dunning,2004;Hewitt,2009;Dufresne,2009;Perinotto,2015;Dufresne et al.,2016)。

模型試驗(yàn)由于其試驗(yàn)條件可控性、操作易行性、試驗(yàn)可重復(fù)性,而成為研究動(dòng)力破碎效應(yīng)的有效方法之一。Imre et al.(2010)通過離心試驗(yàn)裝置,對(duì)破碎現(xiàn)象進(jìn)行了試驗(yàn)研究,結(jié)果表明動(dòng)力破碎效應(yīng)能夠解釋干碎屑流的遠(yuǎn)程運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象。劉涌江(2002)通過巖體的高速碰撞模型試驗(yàn)研究了破碎后的加速運(yùn)動(dòng)效應(yīng)。Bowman et al.(2012)以煤顆粒為試驗(yàn)材料,運(yùn)用土工離心機(jī)試驗(yàn)裝置模擬真實(shí)滑坡的動(dòng)力破碎過程,對(duì)雪崩模型的破碎程度進(jìn)行了量化,并對(duì)峰值沖擊速度、運(yùn)動(dòng)距離等進(jìn)行了詳細(xì)分析,結(jié)果顯示運(yùn)動(dòng)距離、沖擊速度與顆粒破碎程度相關(guān),認(rèn)為動(dòng)力破碎是高位遠(yuǎn)程滑坡高機(jī)動(dòng)性的重要過程。Zhang and Mcsaveney(2017)通過環(huán)剪試驗(yàn)對(duì)不同加載條件下的剪切破碎特征進(jìn)行了分析,認(rèn)為破碎程度受到正應(yīng)力及剪切應(yīng)變、剪切速率的影響。

20世紀(jì)90年代以來,數(shù)值模擬技術(shù)在研究動(dòng)力破碎細(xì)觀結(jié)構(gòu)、內(nèi)在機(jī)制、動(dòng)力過程方面涌現(xiàn)出大量的研究成果,為動(dòng)力破碎的研究提供了技術(shù)支持。Davies and Mcsaveney(1999)建立了快速分析塊體的動(dòng)力學(xué)連續(xù)模型,對(duì)巖崩的破碎化運(yùn)動(dòng)過程進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)模擬。Langlois et al.(2015)利用離散元方法來模擬二維巖石塊體的垮塌破碎現(xiàn)象,模擬結(jié)果呈現(xiàn)明顯的反粒序堆積結(jié)構(gòu),并且隨破碎程度的改變,運(yùn)動(dòng)距離逐漸增加,并指出破碎流粒徑減小促進(jìn)了流動(dòng)性。Rait et al.(2012)模擬巖石塊體在不同應(yīng)變率下的壓縮破碎過程,發(fā)現(xiàn)動(dòng)力破碎受加載速率影響,更大的速率導(dǎo)致有效應(yīng)力降低,滑體減阻運(yùn)動(dòng)。Estep and Dufek(2013)同樣運(yùn)用離散元方法模擬了密集態(tài)顆粒流運(yùn)動(dòng)過程中的力鏈變化。Kafui and Thornton(2000)模擬了沖擊作用下的破碎過程,表明沖擊速度及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度對(duì)于破碎過程有顯著影響。Lin et al.(2021)用PFC3D軟件對(duì)不同結(jié)構(gòu)形式的塊體在撞擊和滑動(dòng)下進(jìn)行了模擬,表明了DEM模型在裂縫擴(kuò)展、速度分布、層序保留方面與模型試驗(yàn)結(jié)果一致。Zhao et al.(2017,2018)同樣通過離散元方法,對(duì)簡單塊體及節(jié)理巖塊進(jìn)行了動(dòng)態(tài)破碎過程及特征研究,并進(jìn)行了細(xì)觀分析,指出破碎強(qiáng)度與初始能量及運(yùn)動(dòng)坡角相關(guān),Weibull 分布函數(shù)可以很好地?cái)M合碎屑的尺寸分布。

2.2 動(dòng)力侵蝕效應(yīng)

高位遠(yuǎn)程滑坡在復(fù)雜地形的地面上以極高的速度運(yùn)動(dòng)過程中,與運(yùn)動(dòng)路徑上的巖土體發(fā)生強(qiáng)烈的相互作用,導(dǎo)致基底物質(zhì)被滑坡侵蝕、裹挾,引起滑坡的規(guī)模增大、破壞能力增強(qiáng),同時(shí),被裹挾的基底物質(zhì)進(jìn)入滑體,改變了原有物質(zhì)組成,影響滑坡的流動(dòng)性,改變滑坡的運(yùn)動(dòng)速度和堆積范圍,這種作用為動(dòng)力侵蝕效應(yīng)(Iverson et al.,2011;Dufresne,2012)。碰 撞、推 動(dòng)、裹 挾、沖刷等作用方式,都屬于動(dòng)力侵蝕的范疇(Stiny,1910;Takahashi,1978;Hungr and Evans,2004;Crosta et al.,2009)。在青藏高原發(fā)生的高位遠(yuǎn)程滑坡由于體積巨大,動(dòng)力侵蝕效應(yīng)尤為強(qiáng)烈,可以使滑坡體積成倍增大。

國內(nèi)外動(dòng)力侵蝕作用機(jī)理研究是目前熱點(diǎn)之一,作為使滑坡體積放大的動(dòng)力效應(yīng),可以使災(zāi)害的危害性呈指數(shù)增長,對(duì)于高位遠(yuǎn)程滑坡的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估有著重要意義。野外地質(zhì)特征調(diào)查是發(fā)現(xiàn)、認(rèn)識(shí)侵蝕特征以及提出新問題的基礎(chǔ)。Stiny(1910)首次描述了碎屑流滑坡運(yùn)動(dòng)中的侵蝕作用。Takahashi(1981)對(duì)比研究了源區(qū)與堆積體積,發(fā)現(xiàn)動(dòng)力侵蝕作用可以使滑坡體積增加幾個(gè)量級(jí)。Abele(1997)對(duì)動(dòng)力侵蝕基底層的材料性質(zhì)進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)無論基底材料處于何種狀態(tài)(干燥或飽和),侵蝕總會(huì)存在,且會(huì)增大滑坡體積。Breien(2008)記錄了挪威一次冰川湖潰決,提出了一種滑體與基底的正反饋效應(yīng),動(dòng)力侵蝕會(huì)導(dǎo)致滑坡體積增大,同時(shí)滑坡體積增大會(huì)使動(dòng)力侵蝕更加強(qiáng)烈。Dufresne et al. (2010)基于對(duì)新西蘭滑坡的地質(zhì)調(diào)查,同樣討論認(rèn)為基底物質(zhì)侵蝕對(duì)高位遠(yuǎn)程滑坡運(yùn)動(dòng)有著重要影響。Berger(2011)用傳感器測量了三起滑坡的侵蝕作用時(shí)間和侵蝕深度,發(fā)現(xiàn)侵蝕最先發(fā)生于前緣,并且顆粒間的碰撞可以加劇前緣的侵蝕作用,然后在底部發(fā)生,同時(shí)侵蝕深度逐漸增加。Doyle et al.(2011)對(duì)東爪哇塞梅魯火山滑坡進(jìn)行了實(shí)地勘測,并對(duì)體積進(jìn)行了估算,發(fā)現(xiàn)侵蝕只集中發(fā)生在某一個(gè)區(qū)域。

很多研究人員同樣運(yùn)用模型試驗(yàn)研究動(dòng)力侵蝕效應(yīng),取得了大量的成果認(rèn)識(shí),進(jìn)而推動(dòng)了動(dòng)力侵蝕效應(yīng)的研究。Rickenmann(2003)在哈薩克斯坦進(jìn)行了泥石流現(xiàn)場試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)侵蝕量隨體積方量的增大而增大。Papa et al.(2004)通過水槽試驗(yàn),研究了基底層含沙量對(duì)侵蝕速率的影響,發(fā)現(xiàn)侵蝕速率隨泥石流含沙量的變化而變化,但侵蝕速率隨泥沙粒徑的增大而減小。ManGeney et al. (2010)進(jìn)行了斜面顆粒流動(dòng)試驗(yàn),研究了厚度及滑面傾斜角度對(duì)侵蝕的影響,結(jié)果表明即使在極薄的基底層中,侵蝕也能增大流動(dòng)性,且流動(dòng)距離基底層與侵蝕厚度呈正相關(guān)。Iverson et al.(2011)進(jìn)行了28組大型物理模型試驗(yàn),研究了坡度、飽和度、材料性質(zhì)、運(yùn)動(dòng)路徑形狀、流量等因素對(duì)侵蝕的影響,指出孔隙壓力等增加可以增強(qiáng)侵蝕,減少基底摩擦力,導(dǎo)致流速、質(zhì)量和動(dòng)量增加。Dufresne(2012)采用1∶104比例尺的煤球進(jìn)行了小尺寸模型試驗(yàn),對(duì)比了厚度、有無侵蝕的運(yùn)動(dòng)堆積形態(tài),發(fā)現(xiàn)厚度會(huì)增加堆積距離,侵蝕會(huì)改變流動(dòng)形態(tài)。

動(dòng)力侵蝕會(huì)增大滑坡體積,如何去計(jì)算侵蝕體積是研究動(dòng)力侵蝕的關(guān)鍵問題,目前數(shù)值模擬成為主流的研究技術(shù)方法。最初在1978年,Takahashi引入了巴格諾德膨脹流體概念,利用剪應(yīng)力與基底阻力,建立了計(jì)算局部靜止的侵蝕層深度、速度和濃度的模型。隨后數(shù)值模擬的研究方法一直在改進(jìn)和更新中。Hungr(1995)對(duì)DAN軟件進(jìn)行了改進(jìn),基于拉格朗日方法實(shí)現(xiàn)了高位遠(yuǎn)程滑坡運(yùn)動(dòng)過程中的質(zhì)量變化,模擬了加拿大兩個(gè)實(shí)際案例,討論了侵蝕機(jī)理,提出了侵蝕率的定義。隨后,出現(xiàn)了大量數(shù)學(xué)和力學(xué)模型的研究。Iverson and Denlinger(2001)基于深度平均建立了假三維數(shù)學(xué)模型,考慮固液相力,對(duì)無量綱標(biāo)度參數(shù)進(jìn)行了評(píng)估。Pitman et al. (2003)將材料運(yùn)動(dòng)性質(zhì)影響納入建模中,建立了描述可侵蝕面上干質(zhì)量流的偏微分方程數(shù)學(xué)系統(tǒng)。Denlinger and Iverson(2004)基于庫侖摩擦的連續(xù)介質(zhì)質(zhì)量和動(dòng)量守恒方程以及顆粒間應(yīng)力的產(chǎn)生,研究了顆粒碎屑流在不規(guī)則三維地形中的運(yùn)動(dòng)。隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)的發(fā)展,許多研究學(xué)者開發(fā)了數(shù)值軟件對(duì)侵蝕進(jìn)行模擬求解。McDougall and Hungr(2005)利用開發(fā)了基于連續(xù)介質(zhì)的DAN3D數(shù)值模擬軟件,反演模擬了一系列滑坡,結(jié)果表明侵蝕可以使滑體體積、流動(dòng)運(yùn)動(dòng)性增加。Chen et al.(2006)提出了新的屈服速率概念,并建立了滑體與侵蝕層之間的侵蝕關(guān)系的數(shù)學(xué)模型。Crosta et al.(2007)采用2D有限元方法模擬了瑞士Villeneuve滑坡,針對(duì)于侵蝕層的材料性質(zhì)提出了三種不同模式:飽和、堅(jiān)硬、平推。Armanini et al.(2009)開發(fā)了二維有限元軟件TRENT-2D,研究了無黏性流侵蝕與沉積問題。Bouchut et al.(2008)提出了建立在能量傳遞和質(zhì)量交換基礎(chǔ)上的一維數(shù)學(xué)模型。何思明(2008)運(yùn)用了Hertz理論分析了滾石沖擊碰撞壓力對(duì)撞擊土體屈服特性。Iverson et al.(2011)建立了基于庫侖摩擦的三維侵蝕模型,將滑坡分為滑體、侵蝕層、基底層,以流體力學(xué)角度求解侵蝕效應(yīng)。李祥龍(2012)利用PFC2D軟件模擬了基底侵蝕效應(yīng)對(duì)碎屑流停積過程的影響。Chen and Zhang(2015)基于深度平均的方法開發(fā)了可以模擬侵蝕與堆積的數(shù)值軟件EDDA。陸鵬源等(2016)采用離散元顆粒流方法(PFC3D)對(duì)滑坡-碎屑流運(yùn)動(dòng)過程中對(duì)松散基底物質(zhì)的沖切鏟刮效應(yīng)進(jìn)行數(shù)值模擬。殷躍平和王文沛(2020)基于滑塊-彈簧模型和犁耕阻力模型,提出一種適用于滑坡動(dòng)力侵蝕過程計(jì)算的犁切模型,可定量計(jì)算動(dòng)力侵蝕過程中滑坡體積增量。高楊等(2022a)運(yùn)用彈塑性力學(xué)方法推導(dǎo)了沖擊鏟刮變量的計(jì)算公式。

2.3 流態(tài)化效應(yīng)

在不同的國際滑坡分類標(biāo)準(zhǔn)中,高位遠(yuǎn)程滑坡統(tǒng)一被歸類為流態(tài)化滑坡(flow-like landslide)(Varnes,1978;Hutchinson,1988;Hungr et al.,2014)。高位遠(yuǎn)程滑坡在失穩(wěn)后的高速運(yùn)動(dòng)階段,其運(yùn)動(dòng)特征呈現(xiàn)出“流動(dòng)”而非“滑動(dòng)”,超高流動(dòng)性代表滑坡運(yùn)動(dòng)速度極,往往超過20 m/s,甚至達(dá)到每秒數(shù)百米。這種類似于流體的流態(tài)化效應(yīng)是高位遠(yuǎn)程滑坡動(dòng)力學(xué)研究的重要問題之一,國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)流態(tài)化效應(yīng)開展了大量的研究工作,提出了多種不同類型的機(jī)理假說以解釋其超常的流動(dòng)特性,包括顆粒流理論、機(jī)械流態(tài)化理論、聲波流態(tài)化理論、振動(dòng)流態(tài)化理論等等,但仍存在大量的問題與爭論(Hsü,1975;Melosh,1979;Davies,1982;Campbell,1989;Preuth et al.,2010)。在青藏高原,由于高差巨大,運(yùn)動(dòng)速度極快,甚至達(dá)到每秒數(shù)百米,流態(tài)化效應(yīng)更加明顯。

其中現(xiàn)場地質(zhì)現(xiàn)象作為流態(tài)化的重要依據(jù),廣大學(xué)者對(duì)于高位遠(yuǎn)程滑坡的地質(zhì)特征開展了大量研究。最早Heim(1932)首次提出了滑坡運(yùn)動(dòng)中的流態(tài)化的特點(diǎn),對(duì)高速遠(yuǎn)程滑坡流態(tài)化運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了描述,指出滑坡在運(yùn)動(dòng)過程中以流動(dòng)形式運(yùn)動(dòng),并非滑動(dòng)。大量學(xué)者發(fā)現(xiàn)堆積體的形態(tài)可以反映出流態(tài)化特征,如堆積體形態(tài)呈舌形或扇形,堆積體邊緣凸起的裙邊、邊緣堤、側(cè)向脊、終端脊等(Evans et al.,2007;Wang et al.,2018)。另外一些學(xué)者則從運(yùn)動(dòng)路徑、運(yùn)動(dòng)特征入手,尋找滑坡的流態(tài)化效應(yīng)的地質(zhì)證據(jù)。Plafker(1978)研究了1970年秘魯Yugay城滑坡,高差超過4000 m,滑坡的流態(tài)化效應(yīng)使整個(gè)滑坡覆蓋了超過8 km2。中國云南1991年頭寨滑坡,調(diào)查發(fā)現(xiàn)滑帶存在明顯擦痕,由于強(qiáng)烈的高速摩擦,滑面附近產(chǎn)生高溫并使滑帶水汽化,滑坡出現(xiàn)流態(tài)化運(yùn)動(dòng)(胡 厚 田 和 楊 明,2000)。Evans et al.(2009)對(duì)2002年俄羅斯科爾卡滑坡展開了研究,該滑坡以流動(dòng)狀態(tài)運(yùn)動(dòng)了19 km,最大速度達(dá)到65～80 m/s,導(dǎo)致冰川從其河床上分離。2010年中國貴州關(guān)嶺大寨高速遠(yuǎn)程滑坡,溝谷中產(chǎn)生地表徑流,形成飽水下墊面,導(dǎo)致了滑坡呈流動(dòng)狀態(tài),流動(dòng)距離和速度顯著增加(殷躍平等,2010)。許多學(xué)者在現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)了運(yùn)動(dòng)路徑上的淤泥層或飽水沖積層,認(rèn)為在快速剪切的作用下會(huì)產(chǎn)生超孔隙水壓力,出現(xiàn)液化效應(yīng),使滑坡出現(xiàn)流態(tài)化運(yùn)動(dòng)特征(Seed,1968;Sassa, 1989)。這些地質(zhì)特征是流態(tài)化運(yùn)動(dòng)的關(guān)鍵地質(zhì)證據(jù)。

基于模型試驗(yàn)方法的流態(tài)化效應(yīng)研究同樣有大量的研究成果。Hsü(1975)對(duì)Elm 滑坡進(jìn)行了斜槽試驗(yàn),對(duì)其高流動(dòng)性進(jìn)行模擬,得出高流動(dòng)性與運(yùn)動(dòng)速度呈正相關(guān)關(guān)系。Okura et al.(2002)等通過滑槽試驗(yàn)監(jiān)測滑體壓實(shí)度和孔隙水壓力的變化來研究滑體的流化過程。Moriwaki et al.(2004)建立了23 m長、8 m高的滑槽,試驗(yàn)選用粒徑較大的砂礫,發(fā)現(xiàn)并沒有產(chǎn)生流態(tài)化現(xiàn)象。一些研究者認(rèn)為高位遠(yuǎn)程滑坡具有明顯的“規(guī)模尺寸效應(yīng)”,即只有當(dāng)滑坡體積大于 106m3時(shí),滑坡的運(yùn)動(dòng)才具有明顯的流態(tài)化特征。為了克服尺寸效應(yīng),Iverson et al. (2010)在長95 m、寬2 m的滑槽中做了28組大型模擬試,該試驗(yàn)已經(jīng)能夠模擬堆積物的形狀或運(yùn)動(dòng)速度變化情況等基本特征,但是卻無法模擬它的流態(tài)化效應(yīng)機(jī)制。Pudasaini et al.(2005)在滑槽試驗(yàn)中引入并使用“PIV”測量技術(shù)來測量不透明顆粒的速度變化,研究流態(tài)化與速度的關(guān)系。Cagnoli and Romano(2010)用彎曲的滑槽試驗(yàn)來研究滑坡的流動(dòng)機(jī)理,表明碎屑顆粒粒徑越小,流態(tài)化效應(yīng)越明顯。王玉峰等(2016)利用自行設(shè)計(jì)旋轉(zhuǎn)式剪切流變裝置,對(duì)滑坡運(yùn)動(dòng)過程中底部氣流的裹入減阻特性開展了試驗(yàn)研究。Gao et al.(2022b)利用滑槽試驗(yàn)對(duì)流態(tài)化效應(yīng)中拖曳力進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)液體體積分?jǐn)?shù)對(duì)流態(tài)化有重要影響。

數(shù)值模擬技術(shù)也是研究流態(tài)化的有效手段。Voellmy(1955)將流態(tài)化的滑坡等效為流體運(yùn)動(dòng),在庫侖摩擦的基礎(chǔ)上考慮了湍流的影響,提出了Voellmy流體模型?；赩oellmy模型,很多學(xué)者在此基礎(chǔ)上做出了改進(jìn)與修正(Salm,1966;Grigoryan and Ostroumov,1972;Hungr,1995)。Johnson and Rodine(1984)考慮到流態(tài)化效應(yīng)中的塑性和黏性屬性,采用Bingham模型來描述流態(tài)化滑坡的運(yùn)動(dòng)。Savage and Hutter(1989)同樣滑坡視為具有庫倫摩擦且不可壓縮的連續(xù)流體,用深度平均方法來描述均質(zhì)流體的運(yùn)動(dòng),被稱為SH模型,并被學(xué)者廣泛地應(yīng)用。Takahashi(1981)引入了Bagnold(1954)的擴(kuò)散流體模型,建立了流態(tài)化的顆粒慣性流模型。對(duì)于流態(tài)化效應(yīng)的研究,許多專家學(xué)者注意到流態(tài)化的過程中固體和液體的相互作用對(duì)于流態(tài)化過程數(shù)值模擬有著重要影響。Iverson and Denlinger(2001)基于流體力學(xué)的三維混合模型,考慮了固相和流相的體積分?jǐn)?shù)和速度,用來分析固液兩相流態(tài)化滑坡的運(yùn)動(dòng)過程。Pitman and Le(2005)建立了考慮固液兩相的雙流體模型,后來學(xué)者在此基礎(chǔ)上考慮了流體力學(xué)中的拖曳力(Drag force)和升力(Lift force)的作用,對(duì)模型進(jìn)行了改進(jìn)。George and Iverson(2011)為研究流態(tài)化過程中的固液體積分?jǐn)?shù)、孔隙流體壓力、流動(dòng)深度和速度的變化,建立了一個(gè)兩相流數(shù)值模型。Zhao(2014)利用DEM-CFD耦合模擬研究了水下滑坡的運(yùn)動(dòng)過程,發(fā)現(xiàn)顆粒數(shù)量的增多也會(huì)使滑坡流態(tài)化增強(qiáng)。由于流態(tài)化效應(yīng)內(nèi)在的物理過程十分復(fù)雜,固體與流體間的性質(zhì)差異作用,至今沒有一種方法得到廣泛認(rèn)可。

3 青藏高原高位遠(yuǎn)程滑坡動(dòng)力學(xué)面臨的新問題

高位遠(yuǎn)程滑坡一直是工程地質(zhì)研究領(lǐng)域的前沿性科學(xué),而動(dòng)力學(xué)則是高位遠(yuǎn)程滑坡研究的關(guān)鍵與難點(diǎn)。在青藏高原,高位遠(yuǎn)程滑坡的動(dòng)力作用由于復(fù)雜的地質(zhì)條件變得尤為強(qiáng)烈,多種動(dòng)力作用耦合發(fā)生,使高位遠(yuǎn)程滑坡的動(dòng)力效應(yīng)更為復(fù)雜多變。隨著國內(nèi)外學(xué)者研究逐漸深入、細(xì)致、全面,高位遠(yuǎn)程滑坡的許多未解之謎也逐漸得到解答,但對(duì)青藏高原的高位遠(yuǎn)程滑坡的研究仍處于起步階段,對(duì)超高位超遠(yuǎn)程滑坡動(dòng)力學(xué)行為、動(dòng)力學(xué)特征以及動(dòng)力學(xué)機(jī)理,現(xiàn)階段的研究遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足,還需要進(jìn)一步完善。青藏高原高位遠(yuǎn)程滑坡的研究難點(diǎn)在于,此地區(qū)高位遠(yuǎn)程滑坡具有復(fù)雜極端的地質(zhì)條件,構(gòu)造強(qiáng)烈,巖性復(fù)雜,氣候極端,人類無法涉足,高位遠(yuǎn)程滑坡體積巨大,時(shí)空上具有突發(fā)性和不可重復(fù)性,為動(dòng)態(tài)監(jiān)測、地質(zhì)調(diào)查及物理模型試驗(yàn)帶來了巨大困難;復(fù)雜的地質(zhì)條件使高位遠(yuǎn)程滑坡具有復(fù)雜且多樣的動(dòng)力學(xué)效應(yīng),動(dòng)力破碎效應(yīng)、動(dòng)力侵蝕效應(yīng)、流態(tài)化效應(yīng)、摩擦生熱減阻效應(yīng)、振動(dòng)液化效應(yīng)等等的耦合作用下,表現(xiàn)出復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)特征,同時(shí),高位遠(yuǎn)程滑坡具有鏈?zhǔn)綖?zāi)害特征,不僅滑坡本身帶來的危險(xiǎn)性極大,其次生的鏈?zhǔn)綖?zāi)害,如潰壩、洪水災(zāi)害同樣對(duì)地質(zhì)安全造成重大危險(xiǎn)?；谝陨?提出以下亟待解決的關(guān)鍵科學(xué)問題。

(1)極端地質(zhì)環(huán)境下高位遠(yuǎn)程滑坡機(jī)理研究

在青藏高原,極端的地質(zhì)環(huán)境條件給研究帶來了巨大困難。巖性復(fù)雜,存在巖體、冰川、冰磧物等多種混合材料,并且在運(yùn)動(dòng)過程中存在相態(tài)的轉(zhuǎn)變,屬于多相多態(tài)的物質(zhì)。因此,青藏高原高位遠(yuǎn)程滑坡的動(dòng)力學(xué)屬性的定義需要明確,是開展高位遠(yuǎn)程滑坡動(dòng)力機(jī)理的研究前提。

(2)基于尺寸效應(yīng)的模型試驗(yàn)新方法研究

高位遠(yuǎn)程滑坡的體積巨大,能達(dá)到千萬或上億立方米,為研究帶來了極大困難。盡管學(xué)者針對(duì)高位遠(yuǎn)程滑坡做了多組大型物理模型試驗(yàn),但研究發(fā)現(xiàn)尺寸效應(yīng)仍對(duì)高位遠(yuǎn)程滑坡的研究有著重要影響(Iverson et al., 2010)。尺寸效應(yīng)可能導(dǎo)致某些關(guān)鍵物理過程的缺失,甚至試驗(yàn)結(jié)果與真實(shí)的滑坡可能存在明顯偏差,對(duì)試驗(yàn)結(jié)果可信性有重要影響。如何對(duì)體積方量巨大、運(yùn)動(dòng)距離超遠(yuǎn)的滑坡開展足尺模型試驗(yàn),或研究新的試驗(yàn)方法,減小甚至消除尺寸效應(yīng)的影響,還原高位遠(yuǎn)程滑坡的運(yùn)動(dòng)過程,是開展模型試驗(yàn)研究的關(guān)鍵科學(xué)問題。

(3)高位遠(yuǎn)程滑坡流域性災(zāi)害鏈研究

青藏高原地區(qū)高位遠(yuǎn)程滑坡具有明顯的鏈?zhǔn)椒磻?yīng),不僅是高位遠(yuǎn)程滑本身,其次生的堵潰、洪水災(zāi)害同樣對(duì)重大工程建設(shè)有極大危害。因此,研究青藏高原高位遠(yuǎn)程滑坡的鏈?zhǔn)綖?zāi)害效應(yīng),建立青藏高原超高位超遠(yuǎn)程滑坡極其災(zāi)害鏈的精細(xì)化定量計(jì)算模型,計(jì)算包括高位遠(yuǎn)程滑坡速度、能量、體積、運(yùn)動(dòng)距離、運(yùn)動(dòng)路徑、堆積范圍,以及災(zāi)害鏈的堰塞湖體積、潰決流量、洪水影響范圍等等關(guān)鍵指標(biāo),評(píng)估高位遠(yuǎn)程滑坡潛在危險(xiǎn)性,是研究高位遠(yuǎn)程滑坡的另一關(guān)鍵科學(xué)問題。

4 結(jié)論

高位遠(yuǎn)程滑坡動(dòng)力學(xué)一直是國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)問題,專家學(xué)者對(duì)高位遠(yuǎn)程滑坡存在的“未解之謎”進(jìn)行了詳盡的調(diào)查與深入的研究,通過多樣的技術(shù)手段,多角度的深入剖析,多學(xué)科的交叉融合,取得了豐碩的研究成果,超常動(dòng)力學(xué)效應(yīng)的“神秘面紗”也逐漸被揭開。但是,在青藏高原,地質(zhì)條件極端,構(gòu)造強(qiáng)烈,巖性復(fù)雜,氣候極端,鏈?zhǔn)匠蔀?zāi),動(dòng)力作用尤為復(fù)雜,對(duì)超高位超遠(yuǎn)程災(zāi)害鏈的研究仍處于起步階段,需要進(jìn)一步研究。文章對(duì)青藏高原高位遠(yuǎn)程滑坡三種突出的動(dòng)力學(xué)效應(yīng),動(dòng)力破碎效應(yīng)、動(dòng)力侵蝕效應(yīng)、流態(tài)化效應(yīng),分別從地質(zhì)特征調(diào)查、模型試驗(yàn)、及數(shù)值模擬三個(gè)方面進(jìn)行了總結(jié),對(duì)國內(nèi)外專家學(xué)者從初始至今的主要研究成果進(jìn)行了論述,在此基礎(chǔ)上提出了下一步需要解決的關(guān)鍵科學(xué)問題:極端地質(zhì)環(huán)境下高位遠(yuǎn)程滑坡機(jī)理研究;基于尺寸效應(yīng)的模型試驗(yàn)新方法研究;高位遠(yuǎn)程滑坡流域性災(zāi)害鏈研究。希望為高位遠(yuǎn)程滑坡動(dòng)力學(xué)機(jī)理的研究和青藏高原重大工程建設(shè)提供科學(xué)依據(jù)。