（地质工程专业论文）高速远程滑坡飞行空气动力学的风洞试验研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 高速远程滑坡机理及其滑坡动力学的研究，无论是在基础研究还是应用基 础研究方面均属国内外滑坡研究的热点问题，国内外研究成果为开展本课题研 究创造了必要的研究基础，提供了深入研究的出发点。2 0 世纪8 0 年代以后特 别是近年来，随着人类探索地外行星技术的发展，以及海洋探测技术的进步， 应用比较滑坡学的方法，开拓滑坡的研究领域和视野，从另外一个侧面研究滑坡 的远程机理，正在成为一种新的发展趋势。尽管大部分研究成果大都能合理解 释某些特定条件下发生的高速滑坡的形成机理或滑坡远程运动形式，但由于 滑坡体形态的不规则性及复杂性，使得空气升力、阻力及力矩的计算变得十 分困难，因此，模型试验成为了解滑坡岩体凌空飞行过程空气动力学效应的 有效途径。 本文通过风洞模型试验，按照相似理论的要求设计、制作与滑坡原型几何 相似的模型，在风洞中测量作用在滑坡机翼模型上的空气动力和力矩，或观察 气流流经模型的流动状态，从而计算不同形状、不同飞行状态及不同离地高度 下滑体飞行过程中所受的空气升力、阻力及力距等空气动力学效应。 本课题将采用流体力学有限元法对高速远程滑坡近程凌空飞行阶段进行 数值模拟，将风洞模型试验和数值模拟结果进行对比，相互验证，从而得出准 确的滑坡体动力学效应。 关键词：高速远程滑坡；风洞试验；空气动力学效应；近程飞行阶段；数值模 拟 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t r e s e a r c h e so nh i g h - s p e e dl o n g - r u n o u tl a n d s l i d e sm e c h a n i s ma n dt h er e l e v a n t l a n d s l i d e sd y n a m i c s ，w h e t h e rt h e ya r eb a s i co n e so ra p p l i e do n e s ，h a v er e m a i n e d h e a t e di nt h es t u d yo fl a n d s l i d e sa th o m ea n da b r o a d t h ea c h i e v e m e n t so ft h e s e r e s e a r c h e sh e l pp r o v i d et h en e c e s s a r yb a s i sf o r t h ec u r r e n ts t u d ya n dm a k ea s t a r t i n gp o i n tf o rf b r t h e rr e s e a r c h s i n c et h e 19 8 0 s ，e s p e c i a l l yi nr e c e n t y e a r s ，w i t ht h ed e v e l o p m e n to f a l i e n - p l a n e t - e x p l o r i n gt e c h n o l o g ya n do c e a n - e x p l o r i n gt e c h n o l o g y , i ti sb e c o m i n g a n e wt r e n dt oe m p l o yt h ea p p r o a c ho fc o n t r a s t i v es t u d yo fl a n d s l i d e st oe x p a n dt h e r e s e a r c ha r e aa n dh o r i z o no fl a n d s l i d e sr e s e a r c ha n ds t u d yt h e l o n g - r t m o u t m e c h a n i s mf r o mad i f f e r e n t p e r s p e c t i v e a l t h o u g hm o s t r e s e a r c hf i n d i n g sc a l l r e a s o n a b l ya c c o u n tf o rt h ef o r m a t i o nm e c h a n i s mo fh i g h - s p e e dl a n d s l i d e so rt h e l o n g - r u n o u tm o v e m e n ts t y l eo fl a n d s l i d e s b u to w i n gt o t h ei r r e g u l a r i t ya n d c o m p l e x i t yo ft h es h a p eo fs l i d i n gb o d y , i ti sv e r yd i f f i c u l tt oc a l c u l a t et h er a i s i n g f o r c eo ft h ea i r , t h eb l o c k i n gf o r c eo ft h ea i ra n dm o m e n to ff o r c e t h e r e f o r e ，m o d e l e x p e r i m e n tt u r n st ob et h ee f f e c t i v ew a yt ou n d e r s t a n da e r o d y n a m i cd u r i n gt h e i n - a i rf l y i n gp e r i o do ft h es l i d i n gb o d y w i n dt u n n e lm o d e le x p e r i m e n ti sam o d e ls i m i l a rt ot h er e a ll a n d s l i d e sw h i c hi s d e s i g n e da n dm a d ea c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n t so fr e l a t i v et h e o r i e s i nt h ew i n d t u n n e l ，a e r o d y n a m i co nt h el a n d s l i d ew i n gm o d e la n di t sm o m e n to ff o r c ea r e m e a s u r e d ，o rt h ef l o w i n gs t a t eo ft h ea i rw h e ni tp a s s e st h em o d e li so b s e r v e ds oa s t ow o r ko u ta e r o d y n a m i ce f f e c ti n c l u d i n gr a i s i n gf o r c eo ft h ea i ra n db l o c k i n gf o r c e o ft h ea i ra n dt h ec o r r e s p o n d i n gm o m e n to ff o r c eo nt h ep a r to ft h es l i d i n gb o d y d u r i n gi t sf l i g h tb a s e do nd i f f e r e n ts h a p e s ，d i f f e r e n tf l i g h ts t a t e sa n dd i f f e r e n t h e i g h t s t h ep a p e rw i l l n 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 l lt h e h y d r o d y n a m i c s f i n i t ee l e m e n t w i t ht h ec o n t r a s to ft h ew i n dt u n n e lm o d e l e x p e r i m e n ta n dn u m e r i c a l l ys i m u l a t e sr e s u l t s i d e n t i f ym u t u a l l y , t h e ng e t t h e 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i i 页 a c c u r a t e da e r o d y n a m i cr e s u l to fl a n d s l i d e s k e yw o r d s ：h i g h s p e e dl o n g r u n o u tl a n d s l i d e s ；w i n d t u n n e l e x p e r i m e n t ； a e r o d y n a m i ce f f e c t ；i nt h ep h a s eo fs e t - o u t ；n u m e r i c a l l ys i m u l a t e s 西南交通大学四南父遗大字 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密a ，使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名： 闰臻矽 指导老师签名：t 玺呼 日期：- 矽印形 日期： ，彩 西南交通大学四南父逋大罕 学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所 得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体 己经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均己在 文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： 1 、国内现阶段还没有对高速远程滑坡模型的风洞试验研究，因此本论文 的试验数据及研究结论在国内具有一定的创新性。 2 、本文采用了变角度不变风速和变风速不变角度两种试验方式，比较全面 的了解滑坡体的气动力特性。 3 、本文通过对滑坡体近程凌空飞行和碎屑流两种不同阶段微缩模型的风洞 试验研究，全面准确的了解了滑坡体的运动规律。 学位论文作者签名：习灞矽 日期：眵似“ 西南交通大学硕士研究生学位论文第l 页 第1 章绪论 1 1 选题依据及研究意义 2 0 世纪8 0 年代以后特别是近年来，随着人类探索地外行星技术的发展， 以及海洋探测技术的进步，应用比较滑坡学的方法，开拓滑坡的研究领域和视 野，从另外一个侧面研究滑坡的远程机理，正在成为一种新的发展趋势。 高速滑坡，国内外目前并没有明确严格的定义。根据“国际地科联滑坡工 作组 1 9 9 5 年公布的“建议用于描述滑坡位移速度的一种方法【l 】”，滑坡位移速 度分为“极缓慢、很缓慢、缓慢、中速、迅速、很迅速、极迅速 7 个等级， 其中“极迅速 级别的滑坡位移速度，下限速度为5 m s ，上限速度为7 0 m s 。 目前，大多数学者认为高速滑坡的平均运动速度都在2 0 m s 以上，相当于“极 迅速”级别的滑坡。 2 0 世纪6 0 年代以后，我国先后发生了十几起著名的灾难性高速滑坡与崩 塌。1 9 6 1 年，湖南柘溪水库开始蓄水初期，近坝库区右岸塘岩光发生滑坡， 造成巨大损失1 2 j 。1 9 6 5 年云南禄劝普渡河谷大型高速滑坡一碎屑流，掩埋5 个村庄，致死4 4 4 3 】人。1 9 8 0 年湖北宜昌盐池河磷矿灾难性高速滑坡体，掩埋 整个矿区，死亡2 8 4 人。1 9 8 3 年甘肃东乡洒勒山高速滑坡，掩埋4 个村庄， 伤亡2 7 8 人。1 9 8 5 年长江三峡新滩高速滑坡，堵塞航道，造成重大损失。1 9 8 9 年重庆华蓥溪口镇高速滑坡一碎屑流，掩埋2 2 1 人【4 】。1 9 9 1 年云南昭通头寨沟 特大规模山体高速滑坡一碎屑流，造成2 1 6 人死亡。1 9 9 9 年9 月2 1 日，台湾 中部南投县发生7 3 级强烈地震，诱发大面积滑坡和碎屑流灾害。云林县古坑 乡草岭村之春秋断崖，向南滑向清水溪及对岸嘉义县梅山乡之倒交山，体积约 1 2 1 0 8 m 3 ，沿倾角1 4 0 的顺向坡层面滑动。其中，约2 5 1 0 7 i i l 3 之土石散落在长 达5 k m 的清水溪中，大部分土石( 约1 亿m 3 ) ，连同原住草岭春秋断崖上方的。1 4 户3 6 人，飞越清水溪河谷而降落于倒交山上，2 9 人遇难【5 】。这些实例为以后 高速滑坡的研究提供了宝贵的现实依据和第一手的实验数据 2 0 世纪9 0 年代以后，国内外对高速滑坡远程运行机理的研究主要体现在， 根据流体力学的理论和方法，广泛应用物理模拟和数值模拟手段，再现滑坡 的运动过程，分析滑坡的运动机理。例如，t r a n k ( 1 9 8 6 ) 应用模型实验研究美 国蒙大拿州麦迪逊河峡谷2 1 4 0 万m 3 的滑坡，利用连续介质力学和水动力学的 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 哈维一斯托克斯方程建立了数学模型，估计了滑坡运动速度；s o u s a 与 v o i g h t ( 1 9 9 2 ) 建立了连续动力流模型，应用非压缩二相粘流的瞬变流模型，估 价灾难性滑坡的灾害；c h u ，h i l l 与m e c l u n g 等( 1 9 9 5 ) 根据颗粒流物理实验预 测岩屑崩落的仰冲；h u n g r ( 1 9 9 5 ) 基于运动方程的拉格朗日解和材料流变特性， 建立了一个连续运动模型模拟滑坡岩屑流、大规模液化失稳等块体运行过程。 o k u r a ，k i t a h a r a 与s a m m o r i ( 2 0 0 0 ) 先后用试验方法研究了干滑坡的流态化机 理，分析了岩崩体积对于远程距离的影响。d a v i e s 与m c s a v e n e y ( 2 0 0 2 ) 用一个 快速块体动力学分析的连续模型，进行了碎屑化岩崩运动的动力学模拟。邢爱 国、高广运、吴世明( 2 0 0 2 ) 开展了高速滑坡飞行气动特性的风洞试验研究。刘 涌江、胡厚田、赵晓彦( 2 0 0 4 ) 进行了高速滑坡岩体碰撞效应的试验研究。 因此，高速远程滑坡机理及其滑坡动力学的研究无论是在基础研究还是应 用基础研究方面均属国内外滑坡研究的热点问题。上述国内外研究成果为开展 本课题研究创造了必要的研究基础，提供了深入研究的出发点。 尽管以上研究成果大都能合理解释某些特定条件下发生的高速滑坡的形 成机理或滑坡远程运动形式，对高速远程滑坡的研究起到了积极地推动作用， 但是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、试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。 本课题将采用流体力学有限元法对高速远程滑坡近程凌空飞行阶段进行 数值分析，其主要目的就是计算不同形状、不同飞行状态及不同离地高度下滑 体飞行过程中所受的空气升力、阻力及力距等空气动力学效应。 本课题将采用流体力学有限元法对高速远程滑坡近程凌空飞行阶段进行 数值模拟，将风洞模型试验和数值模拟结果进行对比，相互验证，从而得出准 确的滑坡体动力学效应。因此本课题具有重要的现实意义。 1 2 国内外研究现状分析 1 2 1 国外研究现状 1 典型滑坡实例研究 2 0 世纪8 0 年代以前，国外最著名的高速滑坡研究成果有3 项。首先是1 9 3 2 年著名地质学家h e i m 对1 8 8 1 年瑞士埃尔姆( e 1 1 1 1 ) 滑坡的研究闻，在其著作 b e r g s t u r zm a dm e n s c h e n l e b e n ) ) 中，详细地描述了埃尔姆岩崩一碎屑流的运 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 动学现象，并把岩崩碎屑流称作“s t u r z s t r o m ”。h e i m 著作原文为德文，而美籍 华人许靖华2 0 世纪7 0 年代在“岩崩碎屑流的特征 一文中，曾作过详细地介绍 n 并推荐用海姆用过的德文“s t u r z s t r o m ”这个词专门用来描述由于高速滑坡 和岩崩形成的碎屑流，以示与描述泥石流的“d e b r i sf l o w 相区别。这本书的 问世虽然已经过去了大半个世纪，然而时至今日，它仍然是关于“高山地区滑 坡原型观察描述最迷人的独特的重要文献记录 。其次是s c h i e d e g g e r 于1 9 7 3 年首次发表了关于灾难性滑坡的滑程与滑速的预测的重要论文，开创了高 速滑坡滑动速度计算的先河【8 】。第三项成果是1 9 7 8 年，由v o i g h t 等人编辑的 滑坡和岩崩论文集的出版，这本书对当时及以前发生在西半球欧美国家中， 最主要的1 6 个灾难性高速滑坡实例，进行了详细地描述和分析【9 】。例如，发 生在秘鲁安第斯山脉最高峰来瓦多斯一瓦斯卡兰山的3 次( 1 9 7 0 年、1 9 6 2 年 和前哥伦布时期) 灾难性岩崩，举世闻名。1 9 7 0 年的岩崩，由7 7 级地震触 发，埋没了y u n g a y 城和几个小村庄，被岩屑破坏的面积约2 2 5 k m 2 ，死亡 人数超过1 8 0 0 0 人；估计体积5 0 1 0 0 1 0 6 m 3 的碎屑以2 8 0 k m h r 的速度，沿 着垂直落差近4 k m 的路径，从海拔6 6 5 4 m 的峰顶下落到海拔2 4 0 0 m 的河谷， 水平运动1 6 k m ；一些碎屑物，被加速到1 0 0 0 k m h r ( 约2 7 8 m s ) 速度的量级；重 达数吨的块石抛向空中远达4 k m ；运动过程具有明显的源区岩崩和冰崩( ar o c k a n di c ef a n ) 、上部空中飞行( a i r - l a u n c hp h a s e ) 、中部岩石冲击和泥浆飞溅( r o c k i m p a c t sa n dm u ds p a t t e r ) 和下部堆积舌阶段( t h ed e p o s i t i o n a ll o b e s ) 。 2 0 世纪8 0 年代以后，许多学者先后对欧洲阿尔卑斯山区、北美洲加拿大 的落基山脉地区、美国加利福尼亚的山区等地区出现的各种类型的高速远程滑 坡灾害事件，进行了深入地调查和分析。 b o c k ( 1 9 7 7 ) 研究了美国加利福尼亚m a r t i n e z 山岩崩( 约3 8 1 0 8 m 3 的花岗 片麻岩从海拔1 9 2 6 m 破裂后流到海拔4 9 m ，滑动碎屑的长度7 6 k i n ) u j 。m o o r e 和m a t h e w s ( 1 9 7 8 ) 研究了加拿大不列颠哥伦比亚西南“碎石谷”滑坡( 体积2 5 1 0 6 m 3 ，远程达4 6 k m ，最大落差1 0 6 0 m ，运行平均坡度8 5 0 ，速度超过2 0 m s ) 。 e i s b a c h e r ( 1 9 7 9 ) 研究了加拿大西北马更些山区悬崖崩落和碎屑流( s t u r z s t r o m ) ， 认为干碎屑流( d r ys t u r z s t r o m ) 可分为失稳和流态化( s t r e a m i n g ) 两个阶段，流态 化是由崩落岩石后部向前部解体部分的动量转换所导致【1 2 j 。p o r t e r 和 o r o m b e l l i ( 1 9 8 0 ) 研究了1 7 1 7 年9 月1 2 日发生在意大利蒙特布莱克块状山， 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 埋没两个村庄的灾难性岩崩( 体积1 5 2 0 1 0 b m 3 ，落差1 0 6 0 m ，平面远程 7 2 k i n ，仰冲6 0 m ，速度1 2 5 k m h r ) t u j 。加拿大地质调查局c l a g u e 和s o u t h e r ( 1 9 8 2 ) 研究了加拿大不列颠哥伦比亚卡里山“灰尘谷”滑坡( 体积5 1 0 6 m 3 ，碎屑运 移l k m ，覆盖河谷长达l k m ，厚度6 5 m ) t 1 4 1 。美国地质调查局s c h u l t z ( 1 9 8 6 ) 研 究了弗吉尼亚州阿巴拉契亚南部辛肯一克里克山巨大的岩体古滑坡( 岩滑条带 长2 5 k m 宽l k m ，体积至少1 0 亿m 3 ，滑动距离o 5 l k m ) t 1 5 】。s o u t h w o r t h ( 1 9 8 8 ) 研究了弗吉尼亚州西部阿巴拉契亚盆岭省中部的两个第四纪大滑坡( 小滑坡体 积7 1 0 6 m 3 ，运移3 l q n l ；大滑坡长1 2 k m ，宽0 6 k m ，厚度6 0 m ，体积4 3 1 0 6 m 3 ) 【l 酬。加拿大冰川学家h e w i t t ( 1 9 8 8 ) 在美国 s c i e n c e 杂志上撰文，详细 地研究了1 9 8 6 年7 月在喀喇昆仑一喜马拉雅地区b u a l t a r 冰川发生的总体积达 2 0 1 0 6 m 3 的3 个灾难性滑坡，详细地描述了滑坡的运动学、动力学和沉积学 特征。其中规模最大的一个滑坡，垂直下滑1 4 9 0 m ，水平运行4 8 k m ，覆盖冰川 面积4 1 k m z ；向冰川下落时平均速度6 2 m s ，同冰川撞击时最大速度可能达 1 2 4 m s ，在冰川上滑行时最小速度4 4 m s ；并且，在运动过程中，岩石保留了 它们相对的地层顺序，其碎屑物质保持相当完全地干燥【1 7 】。k i n g ，l o v d a y 和 s c h u t e r ( 1 9 8 9 ) 研究了1 9 8 5 年巴布亚新几内亚拜若曼滑坡坝和所导致的泥石流的 活动特点( 滑坡体积1 8 0 1 0 6 m 3 ，充填3 k m 长的河谷厚度达2 0 0 m ) ，分析表明 滑坡具有明显的岩滑( r o e k s l i d e ) 、岩崩c ka v a l a n c h e ) 、滑坡坝( 1 a n d s l i d ed a m ) 和溃坝泥石流( d e b r i sf l o w ) 等四个先后不同的运动阶段【1 8 1 。e v a n s ，c l a g u e 与 w o o d s w o r t h 等( 1 9 8 9 ) 研究了加拿大不列颠哥伦比亚南部海岸山脉“魔窟”峡谷 岩崩( 大约5 1 0 6 m 3 块状的片麻状石英闪长岩碎屑，沿着一个极不规则的路径， 从垂直高度2 k m 的高处落下，水平远程9 k m ，最高时速达81 10 0 m s ) ，分析 表明岩崩在运动方向上具有多次弯道超高、两级仰冲和两次右旋冲撞折射的高 速流动性；同时，还具有明显的“初始启动一仰冲前阶段 非常快的运动和“能 量突然损失后阶段 极低速的运动【1 9 】。1 9 8 9 年，e v a n s 在英国( ( n a t u r e ) ) 杂志 上撰文“岩崩的仰冲记录”指出，根据岩崩仰冲高度计算，加拿大“岩崩湖 岩崩最大速度( 不考虑摩擦损失) 为1 1 2 m s ，极限速度( 考虑摩擦损失) 可达到 2 1 3 m s ，这是迄今为止，关于滑坡( 岩崩) 碎屑流最高速度的其中一个实例 2 0 】。 k a i s e r 和s i m m o n s ( 1 9 9 0 ) 在研究加拿大育空和西北地区马更些山脉的一些岩 崩时，提出了岩崩碎屑在冰川上滑动的观点，解释岩崩所具有的异常运行距离 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 和非常显著流动性【2 1 1 ；而e v a n s ，h u n g r 与e n e g r e n ( 1 9 9 4 ) i 1 过研究马更些山 脉“岩崩湖 岩崩( 2 0 0 x1 0 6 m 3 巨大泥盆系碳酸盐岩体，沿着倾角3 0 0 的滑面 滑动，最大垂直落距1 2 2 0 m ，最大仰冲6 4 0 m ，最大速度8 0 r e s ) 的运动过程及其 成因，否定了上述观点，认为岩崩的远程距离与岩崩本身的运动状态有关【2 2 1 。 s h a l l e r ( 1 9 9 1 ) 详细地分析了美国爱达荷州卡尔森滑坡失稳、启程、运行、停止 以及沉积就位后经受剥蚀的全过程，比较了干滑坡( d r yl a n d s l i d e s ：d r yr o c k a v a l a n c h e s ) 与湿滑坡( m o i s ta n dw a t e r - s a t u r a t e dl a n d s l i d e s ) - 者之间的地貌学、 沉积学以及运动学特型2 3 】。p e a r t ( 1 9 9 1 ) 对巴布亚新几内亚的凯尔皮特滑坡 ( 1 9 8 8 年9 月6 日发生，碎屑体积2 k m 3 ，覆盖了1 1 4 k m 2 的面积；5 分钟之内， 碎屑流冲出6 k m ，速度1 8 0 k m h ) 的形成过程和机理进行了分析1 2 4 】。 c o s t a ( 1 9 9 1 ) 2 5 1 ，a z z o n i ，c h i e s a 与f r a s s o n i 等( 1 9 9 2 ) 2 6 】分别讨论了意大利瓦尔 波尔滑坡的形成过程( 1 9 8 7 年7 月2 日发生，体积3 4 亿m 3 ，从8 0 0 m 高处落 下，毁灭了4 k m 外的谷地，造成2 7 人死亡) 。m e l e l l a n 和k a i s e r ( 1 9 9 2 ) 研究了 加拿大马更些山脉“岩滑山口 岩崩( 3 7 0 1 0 6 m 3 的棱柱形块体沿着倾角1 4 0 的滑面，水平运行距离达6 5 k m ，速度4 0 , - 一7 0 m s ) 2 7 j 。c r u d e n 和l u ( 1 9 9 2 ) 对 1 9 8 4 年7 月发生在不列颠哥伦比亚省卡利山的滑坡坝( 约3 2 1 0 3 火山岩以 3 5 m s 的速度向下运移2 k m 形成) 和溃坝泥石流( 速度3 4 n 1 s ) 进行了分析【2 引。 s t r o m ( 1 9 9 4 ) 研究了帕米尔和天山地区1 亿1 0 亿m 3 的巨大岩质滑坡堆积物， 对滑坡体滑动顺序“多层化”的内部结构特征进行了深入地分析【2 9 1 。w i e c z o r e k ， s n y d e r 与w a i t t 等( 2 0 0 0 ) 研究了美国加利福尼亚约斯曼特国家公园1 9 9 6 年7 月 发生的一次不寻常的岩崩( r o c k f a l l ) ，研究表明，岩崩从高处落下后，产生了极 为明显的一股冲击气浪( a na i r b l a s t ) 和一阵磨蚀性砂质密云( 强a b r a s i v ed e n s e s a n d yc l o u d ) ，毁灭了坡下冲击场地的大片地区。冲击时岩崩具有的相对高速 度为1 1 0 - - 一1 2 0 m s ，冲击气浪速度超过1 l o m s ，推翻或折断了约1 0 0 0 棵树； 砂质密云尾随其后，磨蚀了落下的树干和残留的直立树木。它是世界范围内所 知产生了冲击气浪和磨蚀性砂质密云的为数不多的岩崩之一【3 。e v a n s ，h u n g r 与c l a g u e ( 2 0 0 1 ) 研究了加拿大不列颠哥伦比亚西南卡利火山西侧斜坡的滑落 ( 1 9 8 4 年发生，估计源区体积为0 7 4 1 0 6 m 3 的第四纪火山岩块体滑落，解体 的岩体进一步裹挟了0 2 0 1 0 6 m 3 的碎屑，形成大的岩崩，水平运动距离3 4 6 k m ，垂直落差1 1 8k m ，等价坡度1 9 。从运动路径中部碎屑边界的超高， 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 可估计速度至少达到4 2m s ；在运动路径上部，速度可能接近7 0m s 。岩崩部 分转化成远端泥石流，沿着狭窄的沟谷进一步运动2 6 k m ，到达下游，形成暂 时堵塞) 【3 1 1 。 在日本的高山地区，也有大量的高速滑坡一碎屑流出现；同时，相应的研 究成果层出不穷。1 9 8 4 年9 月1 4 日，日本n a g a n o k e n - s c i b u 地区发生了6 9 级 地震，诱发了数以千计的大规模高速滑坡、岩崩、碎屑流。特别是长野县御岳 山滑坡，以规模巨大( 体积3 6 1 0 6 m 3 ，堆积物形成长3 k m 、宽2 0 0 4 0 0 m 、厚 度3 0 4 0 m 的沉积平原) 、远程( 碎屑流沿峡谷流动8 k r n ) 、速度高( 最大起飞 速度7 0 7 5 m s ，平均流动速度3 0 4 0 m s ) 、强烈的磨蚀性( 碎屑流像翻动的犁 一样，将沿途树木、植被和土层一铲而光，裹挟而下；距河床4 0 m 高程范围 内的峡谷低处均被冲蚀、刷深成“u ”形) 、多级冲程( 3 级大的仰冲，5 次碰撞 转折) 、多序次运动阶段( 块体滑动、腾空飞越、碎屑飞行、碎屑流滑) 等运动特 点而闻名于世【3 2 心j 。 最近二十年来，国外最著名的高速滑坡坡研究成果有三项。一个是在1 9 8 4 年，加拿大地质调查局的e i s b a c h e r 和c l a g u e 编写了专著高山地区破坏性的 块体运动：灾害和管理，分5 个专题( 表面堆积物中的泥石流，基岩失稳中的 泥石流，火山区的块体运动，与冰川有关的块体运动以及崩塌与岩崩( r o c k f a l l s a n dr o c ka v a l a n c h e s ) ) 论述了山区的地质灾害和防范措施；特别是论著的第二部 分，收集了欧洲阿尔卑斯地区1 3 7 个破坏性块体运动的实例，具有重要的参考 价值【3 4 1 。其次是2 0 0 1 年e f i s m a n 与g e r h a r d 在专著岩滑和崩塌动力学中， 研究了滑坡失稳、解体、运动的实例与机理【3 5 1 。第三是2 0 0 2 年e v a n s 与d e g r a f f 编辑的灾难性滑坡：效应、发生与机理论文集的出版，书中论述了当前世 界范围( 包括中国洒勒山滑坡在内) 最有影响的1 6 个灾难性高速滑坡( 碎屑流) 事件的运动过程和形成机理，是关于高速滑坡( 碎屑流) 研究的重要阶段性总结 【3 6 】 o 2 滑坡机理研究 高速滑坡远程运动机理，国外先后有许多学者作过研究和探讨，最早可追 溯到1 9 3 2 年著名地质学家海姆对一1 8 8 1 年瑞士埃尔姆( e 1 1 1 1 了滑坡的研究；但真 正引起世界范围内的重视，则是在1 9 6 3 年意大利瓦依昂特( v a i o n t ) 发生特大型 灾难性滑坡后才开始的。瓦依昂滑坡发生后，在世界范围内陆续出现许多有关 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 大型高速滑坡机理的专门性研究成果。 对于瓦依昂特滑坡高速启动机理，s k e i ：n p t o n 认为是岩体的残余强度太低造 成；m u l l e r 提出触变液化的观点；而l o k y 和r o m e r o 等人认为滑动面上的孔 隙水压力起着重要作用。关于其它高速远程滑坡碎屑流态化运动机理，拜格 诺德和美籍华人许靖华先后提出高速滑坡运动的“无粘性颗粒流说，；k e n t 提出“圈闭空气导致流体化说 ；s h r e v e 提出“气垫层说”；h a b i b 等人提出“孔 隙气压力说”；e r i s m a n 提出，岩石自我润滑说 ；m e l o s h 提出“声波流态化 观点；d a v i e s 提出“机械流态化说 。这些观点是2 0 世纪8 0 年代以前提出的 关于高速滑坡启程与远程运动的主要机理【3 7 l 3 s 1 。 ，2 0 世纪8 0 年代以后，随着高山地区众多高速远程滑坡灾害现象的不断发 现，人们对这种独特的地质灾害现象的认识和理解也在不断地加深。在一些学 者进一步丰富和完善已有的滑坡动力学机理的同时，还有一些学者提出了滑坡 动力学机理的新观点。 对于灾难性滑坡启动后在滑面的快速运动，v a r d o u l a k i s ( 2 0 0 2 ) 基于滑体底 部快速变形的剪切带与加速运动的刚性块体之间的耦合，通过提出土的摩擦速 率软化与热一孔隙一力学软化的概念，以及通过修正泰勒提出的摩擦环方法， 进行了热一孔隙一力学的动力学分析。在建立描述快速变形的剪切带内热产生 的孔隙水压力现象的方程后，详细讨论了控制方程中各个材料参数的估计值， 并根据试验数据和1 9 6 3 年1 0 月瓦依昂滑坡滑带土的性质，对这些参数进行了 调整。两种力学耦合控制方程的数值分析表明，滑坡的加速运动由滑带土材料 应变软化引起，而加速运动又进一步促使剪切带内部材料应变速率软化作用。 由于初期阶段的速度，热被圈闭在剪切带内，并由于粘土泥的热塑性崩溃，从 而快速导致其内部孔隙水压力的爆发，造成总强度的迅速损失和无摩擦滑床上 不受禁止的滑动运动【3 9 1 。 s a s s a ( 1 9 8 8 ，2 0 0 0 ) 提出沟谷中饱水的滑坡物质由于受到来自于斜坡上方失 稳的块体的快速荷载，在快速不排水条件下发生液化的启动机理。并且广泛应 用高速环形剪切仪，对采自日本御岳山、中国洒勒山等许多滑坡的滑带土和滑 体土样品，进行了排水和不排水条件下视摩擦角的变化实验，。研究了孔隙水压 力对高速远程滑坡一碎屑流运动的影响【加】【4 1 1 。 f o d a ( 1 9 9 4 ) t 4 2 1 ，k o b a y a s h i ( 1 9 9 7 ) f 4 3 1 等先后提出“底部压力波机理” 4 4 1 解释 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 大滑坡远程运动的原因，其主要观点是：野外观察和实验记录表明，许多大滑 坡的最初运动是滑动。在滑动时剪切作用集中在滑体的底部，远离底部几乎没 有或完全没有剪切作用出现。一旦滑坡的滑动速度达到一个临界值，可以在上 覆的准静态变形的颗粒团块与下伏的颗粒惯性支配的快速颗粒流之间的界面 上，产生强大的压力波，诱发了开尔文一赫姆霍兹类型的失稳，迫使在上覆压 力与滑动速度之间出现有利的相移，从而导致摩擦消耗的总能量的净减少。可 以用一个漂浮在底部颗粒剪切流层上面的有限深度的整体弹性滑块模型，代表 这些大量的整体颗粒物质的滑动运动。分析结果表明，由于大滑坡比小滑坡易 于达到速度的临界值，所以运动过程中摩擦阻力小，更易于远程运动。 1 2 2 国内研究现状 1 典型重大滑坡实例的研究 2 0 世纪6 0 年代以后，我国先后发生了十几起著名的灾难性高速滑坡与崩 塌。1 9 6 1 年，湖南柘溪水库开始蓄水初期，近坝库区右岸塘岩光发生滑坡， 造成巨大损失f 4 5 1 。1 9 6 5 年云南禄劝普渡河谷大型高速滑坡一碎屑流，掩埋5 个村庄，致死4 4 4 人【4 6 1 。1 9 8 0 年湖北宜昌盐池河磷矿灾难性高速滑坡体，掩 埋整个矿区，死亡2 8 4 人【4 7 1 。1 9 8 3 年甘肃东乡洒勒山高速滑坡，掩埋4 个村 庄，伤亡2 7 8 人【4 8 1 。1 9 8 5 年长江三峡新滩高速滑坡，堵塞航道，造成重大损 失【捌。1 9 8 9 年重庆华蓥溪口镇高速滑坡碎屑流，掩埋2 2 1 人【5 0 】。1 9 9 1 年云 南昭通头寨沟特大规模山体高速滑坡一碎屑流，造成2 1 6 人死亡【5 1 1 。1 9 9 9 年 9 月2 1 日，台湾中部南投县发生7 3 级强烈地震，诱发大面积滑坡和碎屑流灾 害。云林县古坑乡草岭村之春秋断崖，向南滑向清水溪及对岸嘉义县梅山乡之 倒交山，体积约1 2 1 0 8 m 3 ，沿倾角1 4 0 的顺向坡层面滑动。其中，约2 5 x1 07 0 之土石散落在长达5 k m 的清水溪中，大部分土石( 约1 亿m 3 ) ，连同原住草岭春 秋断崖上方的1 4 户3 6 人，飞越清水溪河谷而降落于倒交山上，2 9 人遇难【5 2 1 。 2 0 0 0 年4 月9 日，西藏林芝地区波密县易贡藏布河扎木弄沟发生巨大规模高 速远程崩塌，强大的冲击力激发了沟内的块石碎屑物质，瞬间形成高速块石碎屑 流，以锐不可挡之势，扫荡谷口两侧山体，倾泻于易贡湖出口处，形成长达 4 6 k i n ，前沿最宽达3 k m ，高达6 0 1 0 0 m 的天然坝体，完全堵塞易贡藏布江【5 3 】。 2 0 0 1 年1 1 月1 4 日青海昆仑山地区发生7 9 级地震，由于强烈的地面运动，冰 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 盖区的斜坡失稳激发了几个巨大的冰崩，以3 5 n 1 s 的运动速度向下运动超出冰 川前舌2 3k m t “】。2 0 0 3 年7 月1 3 日，长江三峡一级支流青干河左岸的湖北 秭归县沙镇溪镇千将坪村，发生大型高速顺层强风化残坡积层滑坡，滑坡体积 约2 4 0 0 3 0 0 0 万m 3 ，快速冲入河道，形成堵河大坝，先后造成1 4 人死亡，1 0 人失踪【5 5 1 。2 0 0 4 年9 月5 日，四川宣汉县天台乡因连降暴雨发生特大山体缓 倾顺层高速滑坡，约6 5 0 0 万m 3 山石整体下滑阻河，上游形成回水2 0 k m 、最 高库容近亿m 3 的天然水库，上游五宝镇及天台乡一万多名群众被水围困。 2 滑坡机理的研究 在众多高速滑坡发生的同时，我国先后出现了滑坡机理的研究成果。潘家 铮1 9 8 0 年在建筑物的抗滑稳定和滑坡分析中，提出了滑坡速度的计算公 式【56 。张缙( 1 9 8 0 ) 进一步提出了高速滑坡的启动机理，指出峰值强度与残余强 度越大，滑体势能越大，并可转化为动能，同时指出运动路程线对运动速度与 距离的影响【5 7 1 。郭崇元( 1 9 8 2 ) 提出了超大型滑坡速度的计算公式【5 8 1 。方玉树 ( 1 9 8 4 ) 对超大型滑坡动力学问题进行了详细地论述与分析【5 9 】。张倬元、刘汉超 ( 1 9 8 9 ) 通过对黄河上游龙羊峡水电站近坝库岸大型高速滑坡一碎屑流的研究， 首次提出碎屑流化滑坡高速远程运动的原因是碎屑间相互碰撞引起的动量传 递，发现非地震导致的饱水砂土液化使滑坡高速滑动的地质证据，并认为高速 滑坡获得并保持高速和达到远程滑动的原因有滑体高位能、中部剪断带粘土峰 残强度差值相当大以及饱水砂土液化、气垫效应和碎屑流动掣删。王兰生( 1 9 8 8 ) 提出高速滑坡启动的“平卧支撑拱 机理【4 9 1 ，并在工程地质分析原理一书 中，对高速滑坡一碎屑流进行了深入地阐述和分析【6 1 1 。晏同珍( 1 9 9 4 ) 在水文 工程地质与环境保护等著作中，对滑坡的形成机理、高势能滑坡的滑程进行 了深入地分析和研究【6 2 】。胡广韬( 1 9 8 8 ，1 9 9 5 ) 系统论述了多冲程与多序次“石 家坡型剧动式高速滑坡”的动力学机理，特别对多冲程高速滑坡的“超前溅 泥气浪与“边缘旋流”进行了深入地分析；并在滑坡动力学文献中， 系统地提出、阐述、论证了有关“滑坡动力学”的二十余项关键性理论、观点 和问题，具有重要的理论意义【3 7 】【6 2 1 。王思敬、王效宁( 1 9 8 9 ) 在“大型高速滑坡 的能量分析及其灾害预测”一文中，专门分析了高速滑坡运动全过程的能量变 化1 6 引。黄润秋( 1 9 8 9 ) 提出斜坡岩体高速滑动的“滚动摩擦”机制。张佳川、周 瑞光( 1 9 8 9 ) 从几种滑坡运动主要因素讨论分析出发，用能量法和物理方程分析 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 导出地下水作为主要触发与运动动力的滑坡其滑速公式【6 5 】。卢万年( 1 9 9 1 ) 应用 空气动力学中的机翼理论分析了高速滑坡体在空气中滑行的规律，在理论上定 量地分析了“空气动力擎托”的机理，提出了滑坡远程运动中滑坡速度及滑程的 预测公式【删。徐俊龄( 1 9 9 4 ，1 9 9 7 ) 提出高速滑坡形成的“闸门效应”，并讨论了 高速滑坡的基本类型旧【储】。陈自生( 1 9 9 3 ) 对沟谷型滑坡的流态化问题进行了分 析【6 9 】。王效宁( 1 9 9 3 ) 研究了滑坡体中滑带温度场的变化规律，讨论了温度与滑 动速度的关系【_ 7 0 】。程谦恭、彭建兵、胡广韬等( 1 9 9 7 ，1 9 9 9 ，2 0 0 0 ) 详细研究了 剧冲式高速滑坡变形、破坏、失稳剧动、高速飞行、碰撞解体及冲击成坝的动 力学机理【3 8 】 7 1 - 7 8 】。钟立勋( 1 9 9 8 ) 基于洒勒山滑坡、溪口滑坡、头寨沟滑坡的调 查研究，提出“滑坡灾害形成的相似性”【7 9 1 。王家鼎与张倬元( 1 9 9 9 ) 对典型高 速黄土滑坡群进行了系统的工程地质研究，提出了地震诱发高速黄土滑坡的机 理一黄土体解体、斜抛和粉尘化效应【8 0 1 8 1 】；并与白铭学( 2 0 0 1 ) 分析了强震作用 下低角度黄土斜坡滑移的机理【8 2 1 。王士天、许强、柴贺军( 2 0 0 0 ) p 3 1 ，殷跃平 ( 2 0 0 0 ) 8 3 1 ，朱平一、王成华、唐邦兴( 2 0 0 0 ) 【8 4 1 ，任金卫、单新建、沈军( 2 0 0 1 ) 【8 5 】 分别对易贡高速崩塌碎屑流的机理进行了研究。 苗天德、刘忠玉、马崇武等( 2 0 0 0 ) 基于对高速滑坡发生机理的认识及对其 运动特征和堆积特征的分析，假定滑体的运动形式是连续可变的，建立了预测 高速滑坡远程的块体运动模型【8 6 1