（岩土工程专业论文）大型高速岩质滑坡流体化理论研究.pdf

西南交通大学博士研究生学位论文第1 页 摘要 近年来，国内外相继发生了许多大型高速岩质滑坡，所有这些大型高速 滑坡在其运动过程中都不同程度地表现出流体化的特点，这种流体化现象使 得滑坡岩体的运动速度、运动距离成倍增加，大大地扩大了致灾范围。基于 这一点，本文对大型高速岩质滑坡的流体化现象进行了全面而系统的研究： 通过风洞模型实验，研究了大型高速滑坡凌空飞行阶段的空气动力学效应， 研究了飞行中滑坡岩体在与途中不动山体发生碰撞时的解体破碎效应，通过 滑坡岩体高速碰撞模型实验研究了滑坡岩体解体破碎后部分岩体的加速运动 效应，并应用离散单元法再现了云南头寨沟大型滑坡启动高速、近程碰撞、 远程碎屑流运动的全过程，研究了岩体解体破碎后形成不同类型碎屑流的运 动规律及运动方程，并对头寨滑坡流体化运动机理进行了实例分帆取得了 以下主要结论和成果： ( 1 ) 对于大型高速滑坡，大多在启程活动阶段已获得了高速，这使得这类 滑坡在其离开剪出口之后以凌空飞行的形式向前运动，在其飞行过程中，滑 坡岩体与空气强烈作用，并产生空气动力学效应，滑坡岩体在因碰撞而产生 的解体破碎效应及部分岩体的加速运动效应的作刷下，在远程活动阶段，以 高速碲屑流的形式向前运动。因此，其整个运动过程具有明显的流体化运动 特点。 ( 2 ) 首次在风洞实验室进行了针对大型高速滑坡凌空飞行阶段空气动力 学效应的模型实验，研究了影响飞行滑坡岩体空气动力学效应的不同因素； 应用流体力学有限单元法对飞行滑坡岩体的空气动力学效应进行了数值模 拟。并在此基础上，求得了大型高速滑坡岩体凌空飞行运动的微分方程式。 ( 3 ) 首次应用碰撞过程应变能“分配”原理及岩体破坏的能量条件导出 了滑坡岩体在碰撞时发生破坏的临界速度公式及碰撞后滑坡岩体的平均速度 和运动方向的确定公式，导出了碰撞过程用于岩体破碎的能量计算公式，并 在此基础上，利用功耗原理，提出了滑坡岩体破碲后平均块度的计算关系式， 从而较完整地分析了滑坡岩体碰撞的解体破碎效应。 ( 4 ) 首次进行了滑坡岩体的高速碰撞模型实验，研究了碰撞解体后不同速 度段岩体体积的分布规律，并应用峰值e x t r e m e 函数对实验结果进行了数据 拟合，确定出了各形状参数的取值范围，从而得到了滑坡岩体高速碰撞后不 同块体的分布函数，并在此基础上研究了滑坡岩体碰撞后部分岩体的加速运 西南交通大学博士研究生学位论文 第2 页 动效应，得出了获得加速的岩体比例与滑坡总体积及碰撞速度的关系。 ( 5 ) 通过离散元数值模拟，形象地揭示和仿真再现了头寨大型高速滑坡岩 体失稳破坏后大变形阶段的运动过程、与小山头碰撞后的解体破碎效应及破 碎后部分岩体的加速运动效应。 ( 6 ) 分别应用二相流理论研究了固液型碎屑流流速分布，得出了流速分布 及浓度分布的方程式，并进一步研究了固液型碎屑流流动过程的弛豫现象， 得出了固液型碎屑流的运动方程；同时，分析了固气型碎屑流( 即于碎屑流) 的运动特点，给出了固气型碎屑流的b o l t z m a n n 方程，得出了干碎屑流的临 界坡角条件t g a t g p ，并给出了满足此条件下干碎屑流的运动方程。 ( 7 ) 应用上述研窥成果对头寨滑坡流体化运动机理进行了实例分析，结果 与实际符合较好。弘 i 本论文的创新之处在于，首次在风洞实验室进行了针对大型高速滑坡凌 空飞行阶段空气动力学效应的实验研究，首次进行了滑坡岩体高速碰撞模型 实验，在此基础上研究了滑坡岩体碰撞作用下部分岩体的加速运动效应：应 用二相流理论研究了大型高速岩质滑坡远程阶段干、湿碎屑流的运动特点， 并分别得出了各自的运动方程。在上述研究内容的基础上，首次提出了大型 高速岩质滑坡的流体化运动理论，进一步完善了大型高速岩质滑坡的研究体 系，为大型高速远程滑坡预测及大型水电工程、铁路、公路工程勘察设计提 供理论依据，达到防灾减灾的目的 关键词：高速岩质滑坡；流体化：空气动力学效应：碰撞；加速运动效 应；二相流 西南交通大学博士研究生学位论文第3 页 a b s t r a c t r e c e n ty e a r s ，m a n yl a r g eh i g h - s p e e dr o c k s l i d e sb u r s tf o r t hi ns u c c e s s i o na l l o v e rt h ew o r l d t h e s el a n d s l i d e sg ow i t hf l u i d i z a t i o np e c u l i a r i t yd i f f e r e n td e g r e ei n c o u r s eo ft h e i rm o t i o n ，a n dt h e i rs p e e da n dd i s t a n c ei n c r e a s es e v e r a lt i m e sb e c a u s eo f t h ef l u i d i z a t i o n ，t h e r e b yt h ed i s a s t e ra r e ag r e a t l yb r o a d e n o nt h eb a s eo fa b o v e ，t h e p a p e rs t u d i e ss y s t e m a t i c a l l yt h ef l u i d i z a t i o no fl a r g eh i g h s p e e dr o c k s l i d e si na l li t s a s p e c t s ：a n a l y z e dt h ea e r o d y n a m i ce f f e c ti nt h es h o r t - r a n g eo nt h eb a s eo f t h ew i n d t u n n e le x p e r i m e n t ，s t u d i e dt h ee f f e c to f f a l l i n gi n t op i e c e sw h e nl a n d s l i d e sc o l l i d e s m o u n t a i n ；s t u d i e dt h ea c c e l e r a t i n ge f f e c tt h r o u g hh i g h s p e e dc o l l i d ee x p e r i m e n to f l a n d s l i d e sm o d e l ；a n dt h e p a p e rr e a p p e a r t h eo v e r a l l p r o c e s si n c l u d i n gs e t o u t ， c o l l i d ei nt h es h o r tr a n g e ，d e b r i sf l o wi nt h el o n g r a n g eo ft o u z h a il a r g el a n d s l i d ev i a d i s t i n c te l e m e n tm e t h o d ( d e m ) ，s t u d i e dt h ef l o wl a wa n de q u a t i o no fd i f f e r e n tt y p e o fd e b r i sf l o wr e s u l t e df r o m l a r g el a n d s l i d e a sas a m p l et oa p p l y , t h ep a p e ra n a l y z e d f l u i d i z a t i o nm e c h a n i s mo ft o u z h a il a n d s l i d e t h er e s e a r c hw o r ki n v o l v e ss e v e r a l a s p e c ta sf o l l o w s ： 1 m o s to fl a r g el a n d s l i d e sa c q u i r eh i g h s p e e di nt h ep h a s eo fs e t - o u t ，s ot h e l a n d s l i d e sf l yi nt h ea i ra f t e rg oa w a yt h es l i pp l a n e i nt h ec o u r s eo ff l y i n g ，t h e a e r o d y n a m i ce f f e c to c c u ro nt h el a n d s l i d e d u r i n gl o n g r a n g e ，d e b r i sf l o wi sm a i n m o v e m e n tf o r mo ft h el a n d s l i d eb e c a u s eo ft h ec o l l i d i n gt h a tr e s u l ti nt h ee f f e c to f f a i l i n gi n t op i e c e sa n da c c e l e r a t i n g c o n s e q u e n t l y ，f l u i d i z a t i o ni st h ee v i d e n tm o t i o n f e a t u r eo f t h el a r g e h i g h s p e e dl a n d s l i d e s 2 t h em o d e le x p e r i m e n ta i m e da tt h ea e r o d y n a m i ce f f e c to f l a r g eh i g h s p e e d l a n d s l i d e sh a sb e e n a c c o m p l i s h e di nw i n d t u n n e ll a b o r a t o r yf o rt h ef i r s tt i m e o nt h e b a s eo ft e s t i n g r e s e a r c h ，t h ep a p e rs t u d i e sd i f f e r e n tf a c t o rw h i c hi n f l u e n c et h e a e r o d y n a m i ce f f e c to ff l y i n gl a n d s l i d e ，a n dn u m e r i c a l l ys i m u l a t e st h ea e r o d y n a m i c e f f e c tw i t ht h eh e l po ft h eh y d r o d y n a m i c sf i n i t e e l e m e n t f i n a l l y ，t h ep a p e rp u t s f o r w a r d st h ed i f f e r e n t i a le q u a t i o ni nt h ec o u r s eo f f y i n g o f l a r g el a n d s l i d e 3 a p p l y i n gs t r a i n e n e r g yd i s t r i b u t i n gt h e o r yd u r i n gc o l l i d i n ga n de n e r g yr u l e r d u r i n gc o l l i d i n g ，t h ep a p e rp u tf o r w a r d s t h ec r i t i c a l v e l o c i t ye q u a t i o n w h i c h r o c k - m a s sd e s t r o yw h e n c o l l i d i n go c c u r , a n do t h e rs e v e r a le q u a t i o n st om a k ec e r t a i n a v e r a g ev e l o c i t ya n dm o t i o nd i r e c t i o na f t e rc o l l i d e a tt h es a m et i m e ，t h ee q u a t i o nt o m a k ec e r t a i nt h ev a l u eo f e n e r g yt om a k er o c k m a s sd e s t r o yh a sb e e nd e d u c t e d ，a n d o nt h eb a s eo ft h i s ，t h e p a p e rb r i n g sf o r w a r dt h ee q u a t i o nt o c a l c u l a t ea v e r a g e d i a m e t e ra f t e rr o c k - m a s sf a l l si n t o p i e c e sb y t h e w a yo f w o r d c o s t t h e o r y a c c o r d i n g l y , t h ep a p e rp e r f e c t l ys t u d i e st h ee f f e c to ff a l l i n gi n t op i e c e si nt h ec o u r s e 亘塑奎塑盔堂递主塑窒生兰笪迨塞笙! 夏 o fl a n d s l i d ec o l l i d i n g 4 a c h i e v e dt h eh i g h - s p e e dc o l l i d i n ge x p e r i m e n to f l a n d s l i d ef o rt h ef i r s tt i m e ， t h ep a p e rs t u d i e st h ev o l u m ed i s t r i b u t i n gr u l e ro fd i f f e r e n tv e l o c i t ys e g m e n ta f t e r c o l l i d e ，f i t st h ee x p e r i m e n td a t av i ae x t r e m ef u n c t i o n ，o b t a i n st h ev a l u er a n g eo f t h es h a p ep a r a m e t e r , t h e r e b yg e t st h ed i s t r i b u t i n gf u n c t i o no fa l lp a r to fl a n d s l i d e a f t e rc o l l i d e o nt h eb a s eo fa b o v e ，t h ep a p e rs t u d i e st h ea c c e l e r a t i n ge f f e c to fp a r t i a l r o c k m a s sb e c a u s eo fc o l l i d i n g ，a n d a c q u i r e s t h er e l a t i o nb e t w e e na c c e l e r a t i n g v o l u m ea n do v e r a l lv o l u m e ，a n dc o l l i d i n gv e l o c i t y 5 t h r o u g hd e m n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，t h ep a p e rv i s u a l l yr e v e a l sa n dr e a p p e a r s t h em o v e m e n to ft o u z h a il a r g eh i g h s p e e dl a n d s l i d ea f t e rd e s t r o y ，a n dt h ee f f e c to f f a l l i n gi n t op i e c e sa n da c c e l e r a t i n go fp a r t i a lr o c k - m a s sa f t e rc o l l i d et h em o u n t a i n 6 o nt h eb a s eo ft h et w o - p h a s ef l o wt h e o r y ，t h ep a p e rs t u d i e st h ev e l o c i t y d i s t r i b u t i n g o fs o l i d - l i q u i d t w o p h a s ef l o w , a c q u i r e st h ed i s t r i b u t i n g f u n c t i o no f v e l o c i t ya n dc o n s i s t e n c e ，o n t h eo t h e rh a n d ，s t u d i e st h el o o s i n gd u d n gf l o w , a n dg e t s t h em o v e m e n te q u a t i o no fs o l i d - l i q u i dt w o p h a s ef l o w f i n a l l y , t h ep a p e ra n a l y z e s t h ef l o wc h a r a c t e r so f s o l i d - g a st w o - p h a s ef o w , p u tf o r w a r d s t h eb o l t z m a n n e q u a t i o n ，g e t st h ec r i t i c a lc o n d i t i o n o f s l o p ea n g l et ga t gc p ，a n db r i n g sf o r w a r d s t h er e l e v a n tm o v e m e n t e q u a t i o no fs o l i d g a st w o - p h a s ef l o w 7 a p p l y i n gt h ea b o v eo u t c o m e ，t h ep a p e ra n a l y z e sf i u i d i z a t i o nm e c h a n i s mo f t o u z h a il a n d s l i d e ，a n dt h er e s u l ta c c o r d sw i t ht h ef a c tf a i r l y t h e p a p e ri n v o l v e ss e v e r a li n n o v a t i o n s a sf o l l o w ：t h em o d e le x p e r i m e n ta i m e d a tt h e a e r o d y n a m i c e f f e c to f l a r g eh i g h s p e e df l y i n g l a n d s l i d e sh a sb e e n a c c o m p l i s h e di nw i n dt u n n e ll a b o r a t o r y , a n dt h eh i g h s p e e dc o l l i d i n ge x p e r i m e n t o f l a n d s l i d ef o rt h ef i r s tt i m e o nt h eb a s eo ft h et w oe x p e r i m e n t s ，t h ep a p e rs t u d i e st h e a c c e l e r a t i n ge f f e c to f p a r t i a lr o c k - m a s s w h i l e c o l l i d i n g s t u d i e st h ef l o w c h a r a c t e r so f s o l i d - g a s ( a n ds o l i d l i q u i d ) t w o - p h a s e f l o wi nt h e p h a s e o fl o n g r a n g eo fl a r g e h i g h s p e e dr o c k s l i d e s ，a n dp u t sf o r w a r d t h ed i s t i n c tm o v e m e n t e q u a t i o n b a s e d o na l l a b o v e ，b r i n g sf o r w a r dt h ef l u i d i z a t i o nt h e o r yo fl a r g eh i g h s p e e dr o c k s l i d e s ，a n dt h e s t u d ys y s t e mg e t sm o r ep e r f e c t ，o f f e r st h et h e o r e t i c a lp r o o f f o rt h ep r e d i c t i o no f l a r g e h i g h s p e e dl o n g r a n g el a n d s l i d e ，t h er e c o n n a i s s a n c ea n dd e s i g no fl a r g eh y d r a u l i c p o w e rp r o j e c t ，r a i l w a ya n dh i g h w a y ，g a i n st h ee n d so fp r e v e n t i n ga n dd e c r e a s i n gt h e d j s a s t e r k e yw o r d ：h i g h - s p e e dr o c k s l i d e ；f l u i d i z a t i o n ；a e r o d y n a m i c e f f e c t ；c o l l i d e ； a c c e l e r a t i n ge f f e c t ；t w o - p h a s ef l o w 西南交通大学博士研究生学位论文塑! 亟 第1 章绪论 1 1 问题的提出及研究的目的和意义 二十世纪六十年代以后，在世界范围内陆续发生过许多大型高速滑坡， 给人类造成很大灾难。这类滑坡大多具有极高的滑速和极远的滑程，在平缓 的地面上，滑速有的超过1 0 0 k m h ，滑程可达几公星，甚至十几公里，并通 过远程和高速及其引起的气浪和碎屑流化将不安全区扩展到滑坡形成区以外 极远处，致使造成很大的灾害。例如，1 9 6 3 年1 0 月9 日意大利威尼斯省瓦 依昂河下游的托克山斜坡，在瓦依昂特水库开始蓄水时坡体整体性高速下滑， 激起了巨大的涌浪，致使坝内所有设施遭受破坏；对岸朗格尼亚镇、下游皮 拉哥城和维拉诺尼镇、上游拉瓦佐镇均遭涌浪袭击而摧毁，死亡2 4 0 0 余人， 整个水库完全破坏，造成震惊世界的灾难性事故。在我国，特别是在西北 和西南地区，这类大型高速滑坡也多次发生，如1 9 8 3 年3 月7 日发生的甘肃 东乡洒勒山大型高速滑坡，在不到一分钟的时i b j 取滑出1 6 0 0 埘，摧毁4 个村 庄，伤亡2 7 8 人，最高滑动速度达3 0 s | 2j ；1 9 9 1 年9 月2 3 日发生的云南 昭通头寨沟大型高速岩质滑坡，总体积大约18 0 0 1 0 4 的滑体高速下滑， 仅在2 3 分钟时间内冲入盘河，滑体的最大移动距离达3 6 5k m ，这场罕见 的巨型滑坡一碎屑流灾害，造成了极为惨重的人员伤亡和损失，共有2 1 6 人 死亡，2 0 2 间房屋被摧毁，9 4 户村民半数以上无家可归，3 0 0 头牲畜被埋， 覆盖农田3 0 0 亩，经济损失达2 0 0 余万元1 3 ；2 0 0 0 年4 月9 日发生在西藏易 贡藏布下游的扎木弄巴特大规模滑坡，波及长度2 6 0 0 m ，堵塞长度1 5 0 0 m ， 形成高1 3 0 m 的天然坝，堵断易贡错( 湖) 的出口，使正常流量1 0 0 m 3 s 左右的 易贡藏布断流，而中、上游的地表径流和冰雪融水又不断地注入，使得库容 7 5 4 1 0 8 m 3 的易贡错水位由海拔2 2 2 0 m ，每天以5 0c m 的涨幅上升，直接威 胁着湖区周围藏、汉等多民族居民和享誉中外的易贡茶基地【4j 。另外还有1 9 6 5 年云南禄劝普渡河谷大型高速滑坡：1 9 8 0 年湖北宜昌盐池河磷矿灾难性高速 崩滑体；1 9 8 1 年8 月2 3 日发生在石家坡的高速滑坡，最终发展为多冲程碎 屑流；1 9 7 4 四川南江的白梅垭滑坡及瑞士e l m 岩崩一碎屑流。所有这些大型 高速滑坡，在其运动过程中( 特别是在远程活动阶段) 无一例外地表现出流 体化的特点。 根据大型高速滑坡活动的时间和空间，可将其划分为启程、近程、远程 西南交通大学博士研究生学位论文第2 页 三个相互连续的活动阶段。在启程阶段，这类滑坡一般都能获得较大的速度， 加之多数滑坡剪出口附近滑床水平或略向上翘，从而导致滑坡体在近程活动 阶段呈现飞行运动：在此飞行阶段，由于沟谷形态的限制，滑坡体可能会受 到沟谷两侧山体的阻挡而发生一次甚至多次碰撞，从而使滑坡主体的运动轨 迹呈现为“之”字形，其结果，一是使裂隙化岩体破碎，为之后的碎屑流提 供物质基础，二是使滑坡体的运动方向发生改变，表现出多冲程现象，三是 在碰撞作用下，部分岩体获得高速，呈现出加速运动效应，碰撞次数越多， 加速效应越显著，滑坡体运动的距离也就越远，如四川南江白梅垭滑坡，坡 体与沟壁相撞达数次，致使层状岩体充分解体1 5 】；在远程运动阶段，由于岩 体已破碎成碎屑颗粒及末状粉尘，这些粉尘加上高速滑坡体所捕获的压缩空 气菇同形成隙间流体，该隙间流体能对带动它一起向前运动的粒径较大的碎 屑颗粒产生一定的浮力，从而使碎屑颗粒能呈流动状态向前高速流动，即碎 屑流。正是由于碎屑流的产生，使得滑坡体能够运动很远的距离，即远程效 应，结果使造成的灾害区扩展至极大的范围。因此，研究滑坡型碎屑流的形 成机理及其运动特征及运动方程，计算其流动速度及运动距离，从而确定其 可能的停止区域，对于预计灾害范围，达到减灾防灾的目的具有非常现实的 意义，同时对于大型高速滑坡的理论研究也有重要的意义。 1 2 国内外研究现状 正是由于上述这些造成巨大灾害的大型高速滑坡的发生，以及它们最终 以流体化的形式对人t t 的生命和财产造成的巨大危害，因而，近年来在世界 范围内掀起了对大型高速滑坡最终导致碎屑流( 流体化) 的研究热潮，并取 得了一定的进展。但到目前为止，对该问题的研究尚属于结果分析、理论假 设或现象推理等，而实验研究和深入的理论研究甚少，为大家公认的理论和 成果不多，特别是对大型高速滑坡从启程高速、近程飞行、直到远程碎屑流 运动全过程的系统研究，几乎还是空白。 1 2 1国外研究现状 p - e k e n t 于1 9 6 6 年提出“圈闭空气导致流体化论”，该理论认为，破碎 后的滑坡碎屑体在运动过程中排出的空气快速向上运动，使碎屑体的各块体 保持扩张状态，这种扩张状态导致块体阳j 的摩擦系数降低，使碎屑体流态化， 碎屑因之而能够越过平坦的地面作高速度、远距离的运动。 m e l o s h 分别于1 9 7 9 年和1 9 8 6 年提出“声波场诱导感声流体化论”，该 西南交通大学博士研究生学位论文第3 页 理论用声波流体化机制来解释地震断层、冲击坑塌落和远距离滑坡等地质作 用。该理论认为，这些现象中明显存在的低强度归因于瞬时的强大声波场诱 导的“感声流体化”状态，并认为，感声流体化碎屑表现为一种牛顿流体。 这种机制描述高频振动，它有可能在一瞬问解除岩体的压力，使运动卸荷区 得以发生。 d a v i s 等人也提出了“底部高剪切速度导致流体化论”，该理论的本质是 基于这种概念：输入到颗粒状材料物体中的高能引起各颗粒间很高的冲击接 触压，冲击压在统计学上是分离性的，物体发生扩胀，内部的抗剪阻力因此 而降低，此时物体在重力作用下便能够发生流动。该理论认为，高速的砰屑 体底部和静止的下伏物质之间的高相对速度即是能量来源。d a v i s 还曾用装 入塑料盘内机干砂的单向振动实验和拜格诺德实验成果来论证其设想。 上述这些理论大都建立在滑坡体作高速运动的基础之上的。对于滑坡产 生的高速机理，相应也出现了许多理论。主要有： ( 1 ) 美籍华人许靖华【6 】( k j h s u ，1 9 7 5 ) 根据岩崩碎屑流堆积物的几何 形态类似于泥石流、熔岩流和冰川i 堆积，以及它们可以沿着平坦的路程运动 异常远的距离，并借助于其冲力涌向高处等，从而提出“无粘性颗粒流说”。 实际上将岩崩碎屑流比作大量聚集的尤粘性颗粒在流体介质中流动。许氏认 为，速度极高的隙问粉尘即粗石块之j t 白j 存在的岩粉和细粒在高速滑坡运动过 程中充当了隙间流体，起着同液体和气体一样的作用。他曾进行了大量的实 验试图证明这种假说，很遗憾只有一次获得了预期的结果，且实验材料采用 的是不同稠度的膨润土悬浮物，这种材料能否模拟高速滑坡尚且值得怀疑。 ( 2 ) r l s h r e v e ( 1 9 6 6 、1 9 6 8 ) 提出”，当大型滑坡体快速滑出时，若 遇到适当的地形，滑坡体会捕获和压缩原斜坡前方来不及排出的空气而形成 气垫层，使滑体能象气垫车一样漂浮。气垫层不仅能对滑坡体起一定的支撑 作用，而且还会使滑坡体象飞机一样“飞”起来。他推测，异常小的摩擦系 数是捕获空气体积的一种度量，更大的滑坡体可以捕获更多的空气。ph a b i b 等人于1 9 7 5 年提出，大规模岩体在滑道上滑动时，重力所做的功消耗在滑道 上将产生热量。如果剪切速度足够大，释放的热量可以将岩石中的水转变为 蒸汽，构成一气垫层。这种气垫层支撑着滑体，并且起着对运动的润滑作用。 如果滑道很深且为一个平面，则滑体可被视为个刚性体，完全由蒸汽压力 支撑。摩擦阻力随法向压力的降低而降低。如果阻力为零，则滑体可获得一 个很大的速度，这是它可以爬上河谷对岸或者翻过一个山丘的原因。 ( 3 ) m e n c l 等人在研究中强调空隙水压力对滑体的承托作用，认为在滑速 西南交通大学博士研究生学位论文第4 页 很高时，滑面通过的含水岩层中空隙水压力会急剧增高，使有效正应力大幅 度降低，甚至趋于零。m u l l e r 等强调饱水粘性土的触变作用。后来m u l l e r j 又以瓦依昂大型滑坡为例做过水的作用使摩擦力突然丧失的实验。 ( 4 ) v o i g h t 和f a u s t 认为，在流体饱和的滑坡滑带内所发生的摩擦热能够 使空隙流体压力增高。摩擦系数值大，原始孔隙度高和滑动位移大，以及滑 带厚度小和可压缩性低都会促进流体压力升高。在滑动速度快以及壁部岩石 渗透性剪胀作用低的条件下，流体压力的升高能够迅速降低滑动过程中的摩 擦强度，因此适度的滑动在某些条件下可转化成灾难性下滑。还有人甚至认 为摩擦热引起的空隙水的体积变化就足够作为一种减小摩擦的机制。 ( 5 ) t h e r i s m a n n 于1 9 7 8 年提出，由于摩擦生热及高压力，岩石自身会 熔化而形成润滑剂，或岩石分解产生大量二氧化碳气体，可以起到气垫层那 样的作用。 ( 6 ) k e r n e r 等人提出了相对比较简单的岩石自我润滑学说，他们认为， 速度增大时，摩擦系数反而减小，是大型滑坡速度异乎寻常的原因。该理论 在我们2 0 0 0 年用玄武岩所作的摩擦实验中已得到一定程度的证实。 以上所有这些理论大都能合理地解释某些特定条件下发生的高速滑坡的 高速机理或滑坡远程运动形式，它们在一定程度上对大型高速滑坡的研究起 到了罩程碑式的推动作用。但它们都是在不同假设的基础上得出由于摩擦系 数的降低而使大型滑坡获得高速都是将滑坡岩体作为整体来研究的，而并 没有考虑某些大型滑坡在运动过程中与途中山体、或在落地时与地面因碰撞 而解体破碎后的运动，对滑坡体的碰撞解体过程更是没有涉及，因而还没有 大型高速滑坡碎屑流形成过程及运动机理的研究文献出现。 1 2 2 国内研究现状 我国很多著名的工程地质专家和学者也都对大型高速滑坡进行过十分有 价值的研究。 胡广韬教授【1 0 1 1 9 8 8 年在其专著动力滑坡学一书中，提出并论述了有 关“滑坡动力学”的二十余项关键性理论、观点和问题，即滑坡营力因素的 历史转化性、滑坡动态阶段的差异性、滑坡形成位置的选择性、坡基型剧动 式滑坡的功能均衡与滑体的超稳功能、坡基型剧动滑坡的超稳性与其“复活” 的条件特殊性、大型高速滑坡的多级冲程与多序次、高速滑坡的启程剧动与 行程高速的机理、多冲程滑坡功能转化与滑体稳定性向量问题、多冲程滑坡 的超前溅泥气浪与边缘旋流、滑坡危岩体弹性应变能的聚集、高速滑坡启程 西南交通大学博士研究生学位论文 第5 页 弹冲速度、地质环境中斜坡破坏的变异等。最主要的研究成果表现在：提 出并系统地论述了高速滑坡的启程剧动与行程高速的机理，从根本上区分了 高速滑坡滑动全过程不同阶段所具有的不同的动力学效应。提出启程剧动 的“临床弹性冲动加速效应”，并阐述了斜坡岩体锁固段弹性冲动的力学模型， 提出了峰残强降加速效应。对于滑坡体行程过程中的持速机理，他对前人 的研究成果进行了总结，指出：大型高速滑坡在启动后之所以能保持高速运 动，甚至“飞行”，不外乎以下几种效应，即滑坡体势动转化加速效应、滑床 气挚擎托持速效应、滑床触变液化持速效应和滑程碎屑流持速效应。胡广韬 f 1 9 9 5 ) 在滑坡动力学一书中，补充了9 0 年代他本人及其研究生关于滑坡 动力学的研究成果，在理论上进一步概括地提出、阐述、论证了有关“滑坡 动力学”的二十余项理论、观点和问题j ，从而使滑坡动力学进一步发展和 完善。 殷跃平于 1 2 1 2 0 0 0 年在西减波密易贡高速巨型滑坡特征及减灾研究一 文中对2 0 0 0 年4 月9 日晚，西藏林芝地区波密县易贡藏布河发生的巨型高速 滑坡进行了分析描述，认为该滑坡经历了高位滑动一碎屑流一土石水气浪一 泥石流一次级滑坡等过程，具复合性。并将该滑坡的运动全过程分为四个不 同的阶段，即：崩滑阶段、碎屑流阶段、土石水气混合流阶段及抛撒堆积阶 段，具有飞行特征，在碎屑流阶段和土石水气混合流阶段气挚层作用及气浪 作用明显，因而具有显著的流体化特征。 贺可强、安振远【1 4j 于1 9 9 6 年在崩滑碎屑流的形成条件及形成类型 一文中认为碎屑流是一种高速松散固体流，是与崩滑相伴生的一种独立的地 质灾害，其形成条件既不同于滑坡，又不同于泥石流，是具有自己形成条件， 运移规律及运动特征的散体流。指出碎屑流的运动形式以流动为主，具有流 速快，成灾范围大，遇阻时可改变其流向和多冲程等运动特点。同时认为， 崩滑碎屑流不存在滑移面，且受三个基本条件的控制，即固体物质条件，边 界条件及潜在聚能条件。并描述这种固体流是在滑坡或崩塌等形成过程中， 坡体在高速差异滑移速度和相互碰撞作用下形成的平移剪切移动、跳跃或滚 动等综合运动形式，这种综合流动形式形成机理主要受以下几个方面条件的 控制，即碎屑流形成的临界坡度条件、碎眉流形成的滑移速度条件、堆积层 结构强度、坡体物理力学性质条件、滑面边界限制条件及坡体堆积层的粒度 条件等。并对碎屑流的野外地质特征进行了描述，并根据碎屑流的物质类型、 解体形式等对碎屑流进行了较为详细地分类。 陈自生和张晓刚【l5 1 于1 9 9 4 年在1 9 9 4 0 4 3 0 四川省武隆山鸡冠岭滑坡 西南交通大学博士研究生学位论文第6 页 一崩塌一碎屑流一堵江灾害链一文中认为该灾害链由滑坡激化崩塌，崩塌 体加积于滑坡体之上，两者结合之后再解体、破碎而成碎屑流，从而对碎屑 流的形成条件、形成过程、成灾特点进行了简单描述，并对最终可能造成的 灾害作出了预测。 陈自生和杨文【1 6 1 于1 9 9 4 年在1 9 9 4 0 3 2 0 四川省高县白崖崩塌性滑坡 一文中对1 9 9 4 年3 月2 0 日发生于四川省高县自庙乡芙蓉村的崩塌性滑坡进 行了描述，认为“崩塌方量约为1 1 0 万m3 的崩落岩土物质沿斜下段陡坡运动， 随即解体、破碎，转化为碎屑流，又随石炭湾沟向西继续流动，约6 5 0 m ， 从而造成了极大的人员伤亡和财产损失。他们认为，滑体物质的主体顺坡向 西运动而成碎屑流，除滑床遭铲刮外，沿坡地表物质也被捕获，致使碎屑物 质方量大增。碎屑物质在流动过程中受地形影响，沿沟发生了3 次大的转向。 另外，由于在沟的内部存在较多的粘土物质，它对碎屑流的前缘具有明显的 铺垫作用，从而更有利于后续碎屑流的运动。 姜云和尹金平于1 9 9 2 年在华蓥山溪口滑坡一碎屑流一文中将滑 坡一碎屑流按其运动特征分为三个区，即滑坡源区、碎屑流流通区、碎屑流 堆积区，并较为详细地描述了各区的特点。另外，他们还对碎屑流的形成条 件了进行了分析，认为形成碎屑流除需具备一定的动力条件( 速度条件) 外， 外部条件也起着决定性的作用，表现在：滑体与山包的正面碰撞使物质进 一步解体和碎屑化；山包与平面之i 训的深沟形成封闭气体，为碎屑流的运 动提供气垫效应，并使碎屑流体与空气充分混合；较为平直的“v ”型沟 谷，为其运动提供了良好的通道，使之能够持续高速运动。 钟立勋【埽】于1 9 9 2 年在我国一次罕见的滑坡一碎屑流一文对云南昭 通头寨沟大型高速滑坡的碎屑流运动进行了研究，认为该滑坡岩体在运动过 程中撞击山头后，变成十分破碎的岩石碎块，并以强大的动能沿着头寨沟沟 谷向下游方向流动达2 8 砌( 呈干燥状) ，直至盘河岸边碎屑物质才停止下来。 他根据现场考察发现了许多碎屑物质快速流动的现象：滑体撞击并削掉了 1 0 余个山嘴，酷似冰川的刨蚀作用；碎屑物结构紊乱、无层序，碎屑一般 直径5 1 0 c m ，呈干燥状态，既无滑动迹象，又无泥石流液体流动特征； 沟谷中呈现不同组分的纵向物质序列，f 缘堆积物高于四周，象一座土坝。 无喷射和散布的碎屑，亦无液体流动痕迹。沟谷中碎屑物多处出现向前凸起 的纵向波状地形，显示了流动的碎屑波的作用；规模巨大的的碎屑物之所 以能够在( 纵向) 平缓的沟谷出乎意料地远距离( 超过2 5 k m ) 运动，完全 来源于巨大的动能。因粉尘和细小碎羼的存在，大大地降低了摩擦阻力。因 西南交通大学博士研究生学位论文第7 页 此，他认为，这不是一般的滑坡，而是由滑坡转化为碎屑流，不同于滑坡一 泥石流。他将形成滑坡一碎屑流的过程概括为三个阶段：即整体滑动阶段； 滑体碰撞山脊、碎裂解体阶段：碎屑流动、直至停止阶段。 除此之外，刘汉超教授、张倬元教授( 1 9 8 1 ) 、孙玉科教授( 1 9 8 3 ) 、胡 海涛院士( 1 9 8 4 ) 、徐邦栋教授( 1 9 8 4 ) 、方玉树( 1 9 8 4 ) 、王思敬院士( 1 9 8 9 ) 、 晏同珍教授( 1 9 9 4 ) 、胡广韬教授( 1 9 9 5 ) 以及潘家铮院士、郭崇元、徐峻岭 等都对大型高速滑坡形成机理及滑坡动力学等进行过深入研究，对大型高速 滑坡的理论有重要发展。上述有关大型高速滑坡形成机理及其动力学的研究 成果无论是在基础研究方面，还是在应用基础研究方面均属国外滑坡研究的 前沿课题。 尽管国内外研究大型高速滑坡机理的成果很多，但多数成果仍属结果分 析，理论假设或现象描述及其推理等，深入地理论分析、实验研究及定量研 究成果较少，至今为大家公认的理论和成果不多。因此，对于大型高速滑坡 导致碎屑流的研究理论目前尚存在许多不足，主要表现在以下几个方面： ( 1 ) 对于绝大多数最终导致碎屑流的大型高速岩质滑坡，在启程阶段就已 获得了较高的速度，并在随后的近程活动阶段表现出持速效应。如前所述， 虽然胡广韬等对大型岩质滑坡的启程高速机理及r l s h r e v e 、m e n c l 、v o i g h t 、 f a u s t 和t h e r i s m a n n 等对近程活动阶段的持速效应进行了一定的分析，但 大多属于理论假设，实验验证及深入的理论研究却几乎没有。 ( 2 ) 作为大型高速岩质滑坡碎屑流形成过程的一个重要环节，滑坡岩体的 碰撞破碎为碎屑流的形成提供了必要的物质条件。而对于岩体破碎虽然在爆 破及采矿领域的研究成果较多，如杨军 1 9 1 、张继春【2 0 j 、张奇2 1 1 等人【2 2 】1 2 6 1 对岩体在爆破作用下的破碎情况分别进行了研究，并应用分形理论对岩体破 碎后的块度分布进行了预测，徐小荷【2 7 1 、屠厚泽1 2 8 1 等人也分别研究了岩体在 破碎机械作用下的破碎机理，同时也应用能耗理论预测了岩体破碎后的平均 块度。但是，这些理论并不能很好地适用于滑坡岩体在碰撞作用下的破碎情 况，而对岩体在碰撞作用下的破碎机理及破碎后块体的运动情况却很少有人 进行过深入的理论分析及实验研究。 ( 3