省级优秀博士论文 | 滑坡-泥石流灾害链形成及转化机制研究

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摘要

高山峡谷区由于地质构造活跃，地形变化大，岩体损伤严重，水热条件复杂，滑坡已经逐渐发展为最常见的地质灾害之一。越来越多的案例表明，滑坡会在一定条件下发生灾种转化形成泥石流（如：四川都江堰五里坡滑坡-泥石流，印度Chamoli冰岩崩-泥石流等）。灾种转化使灾害的动力特性发生显著改变，危害范围和破坏能力显著增加，严重威胁山区公路、铁路、电站等重大基础设施以及山区人民的生命财产安全。开展滑坡 -泥石流灾害链的演化过程和形成机理研究，是山地区域安全发展的重要保障，也是开展复杂沟谷灾害链机理及防灾减灾研究的重要前提。

本文以滑坡-泥石流灾害链为研究对象，首先基于57个典型灾害案例建立了滑坡- 泥石流灾害链数据库，分析了滑坡-泥石流灾害链的典型孕灾条件，概括了七种典型滑坡-泥石流灾害链的演进模式，总结了滑坡-泥石流灾害链形成必备的两个关键物理过程，进一步设计室内模型试验和数值实验，探究其内在物理机制。最后，基于上述研究成果，提出了考虑灾害体流态相变的滑坡-泥石流灾害链演进过程数值模型。在上述工作的基础上，初步取得的以下成果：

（1）建立了包含57个典型案例的滑坡-泥石流灾害链数据库，探讨了滑坡-泥石流灾害链的空间分布、诱发原因、地形条件、固体物源、侵蚀情况、水源类型、滑坡体积、海拔高度、运动距离和视摩擦系数等统计规律。从孕灾背景、运动特征等方面对滑坡-泥石流灾害链规律进行了分析，发现滑坡-泥石流灾害链的形成需同时满足固体物源、水源和地形条件，灾种转化条件应同时考虑初始状态和诱发条件。

（2）根据演进过程可将滑坡-泥石流灾害链分为直接转化和间接转化两种模式。直接转化模式根据物理机制差异又可细分为运动转化模式、水源补给模式、冲击液化模式、剪切液化模式；间接转化模式也可进一步划分为滑坡表层侵蚀模式、滑坡坝溃决模式、滑坡体侧蚀模式。七种演进模式的共同点在于同时包含滑坡解体和水土掺混两个关键物理过程。

（3）为探究解体过程对灾害链形成的影响，开展了水槽实验，结果表明：粒径减小和坡度增大均会增强滑坡的流动性。内部剪切导致的粒径变化会改变阻力的空间分布，使滑坡由滑动向流动转变。通过数值环剪试验进一步揭示了该过程的物理机制，结果表明：高速持续剪切条件下粒径出现垂向分层，细颗粒在滑带处富集，增强了滑坡的流动性。滑坡的稳态摩擦系数随颗粒破碎程度和剪切速度的增加而降低。进一步提出了与惯性数呈对数相关的稳态摩擦系数表达式，用来描述滑坡-碎屑流转化过程中滑坡解体导致的阻力弱化效应。

（4）为了探究水源条件对转化过程的影响，开展了固液两相坍塌实验，结果表明：滑坡的运动状态随含水率的增加可分为散粒状、团聚状、塑性状、流塑状和流态状五种状态。在样品饱和之前增加水分可显著提高土体的强度；继续增加水分将显著提升土体流动性。为探究其物理机制，开展了流固耦合数值实验，结果表明：粘性和固体浓度显著影响灾害体运动状态，使用斯托克斯数St和密度比r能较好的捕捉滑坡-泥石流的转化过程。在起动阶段，斯托克斯数较低，表明处于粘性力主导的滑坡阶段；在运动阶段，斯托克斯数较大，表明处于惯性力主导的泥石流运动阶段。

（5）基于Voellmy阻力模型提出了考虑流态相变的Voellmy-D模型，并将其应用于基于深度积分的浅水方程中。以拉岗和旺苍滑坡-泥石流灾害链为例，标定了模型的关键参数并讨论了模型的物理含义、精度和适用性。结果表明：Voellmy-D模型对滑坡起动阶段的模拟更切合实际，μ(K)模型能反映滑坡解体和水土耦合两个物理过程的阻力弱化及流态相变过程，关键参数λ能较好的描述滑坡解体过程及对运动的影响。

本研究从孕灾背景、演进过程、物理机制等多方面对滑坡-泥石流灾害链进行了初步探索，所得认识完善了现有滑坡-泥石流灾害链的形成及转化理论，文章提出的 Voellmy-D阻力演化模型可进一步为沟谷灾害链的风险评估提供了理论依据。

关键词：滑坡-泥石流灾害链、演进模式、阻力模型、颗粒破碎、流固耦合