高速遠程滑坡裹氣流態化懸浮減阻機理研究

《高速遠程滑坡裹氣流態化懸浮減阻機理研究》是依託西南交通大學，由王玉峰擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：高速遠程滑坡裹氣流態化懸浮減阻機理研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：王玉峰
• 依託單位：西南交通大學

項目摘要

本項目研究高速遠程滑坡的裹氣流態化懸浮減阻機理。基於前期研究成果，首先，以謝家店子滑坡為依託，設計真實地形下的三維相似模型實驗，實現碎屑流自源區呈整體性拋出後的“裹氣→碎屑化→流態化”運動過程實驗研究，獲取高速滑坡沿真實複雜三維運動路徑上的平面運動形態、速度分布情況及碎屑堆積結構等運動學特性參數；再基於真實地形下的三維相似模型實驗成果，設計水平圓環式旋轉剪下實驗，實現對碎屑流裹氣流態化旋轉剪下過程中顆粒運動特徵的觀察，獲取碎屑流內部氣體壓力、粒間有效應力、粒間剪應力等的動態變化特徵；最後，對所得實驗結果進行定量化分析，藉助PFC3D，運用流體力學理論，建立高速遠程滑坡裹氣流態化減阻流變模型和相應動力學機理數值分析軟體系統，揭示碎屑流遠程運動的流動規律和動力學特徵。其研究成果對於揭示高速遠程滑坡運動規律及機理，防災減災，具有重要的科學理論價值及工程套用前景。

結題摘要

高速遠程滑坡是具有極端破壞力的地質災害現象之一，在歐洲的阿爾卑斯山脈、北美洲落基山脈、亞洲的喀喇崑崙山脈和喜馬拉雅山脈以及我國的西南山區等地，尤為常見，給山區居民的生命和財產安全造成嚴重災難和重大損失。為探索高速遠程滑坡的超常運動特性和巨大破壞力，本項目以謝家店子高速遠程滑坡和易貢高速遠程滑坡為研究對象，開展了高速遠程滑坡運動學和動力學特性的系列研究。通過基於謝家店子滑坡三維工程地質模型的系列室內物理模型試驗，探討了不同源區失穩條件下，碎屑流的運動特徵（運動速度、運動距離和運動形態）與堆積特徵（堆積形態和堆積厚度），首次實現了滑體內部顆粒間動量傳遞作用的定量化分析，發現：在理想彈性碰撞下，滑體前、後部顆粒間因動量傳遞作用所產生的能量傳遞可達顆粒初始機械能的13%；若粒間為非彈性碰撞，則該值將更高；該結果表明，在滑體的運動過程中，前、後部顆粒間的動量傳遞作用發揮著不可忽視的作用，可明顯促進碎屑流前部顆粒的遠程運動。通過易貢滑坡基底層試樣在滑體真實應力狀態下的高速旋轉剪下實驗，初步揭示了滑坡在真實應力狀態下，得以實現低摩阻遠程運動的內在動力學機理，發現：當剪下速率超過0.61 m/s後，試樣剪下過程中，摩擦生熱會引起試樣內部溫度的快速升高，並在短時間內超過100°C；伴隨著試樣內部溫度超過100°C，試樣內部液態水開始發生汽化，在剪下帶內出現水蒸氣累積，導致超孔隙氣壓力的產生。與試樣剪下帶內溫度的陡升相對應，試樣剪下面的顏色明顯深於低剪下速率下試樣剪下面顏色，表現出一種高溫烘烤的特徵；同時，在試樣剪下帶剖面中可觀察到高孔隙率層的廣泛分布。基於實驗現象，本研究認為：高速剪下過程中，摩擦生熱所引起的熱孔壓效應和熱潤滑效應，應該是引起高速遠程滑坡基底層試樣等效摩擦係數具有速度相依弱化特性的內在力學機理。上述研究成果對於山區高速遠程滑坡危害性預測具有重要參考價值。