流态化滑坡拖曳效应研究

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流态化滑坡是我国西部山区最为常见的地质灾害之一,具有运动速度快、冲击能量大、成灾范围广的运动特征,通常以“崩滑-碎屑流-泥石流”的形式链式成灾。在运动过程中,崩滑体经历了由固体块体运动解体转化为碎屑流运动,随后由于雨水、冰雪融水等流体的汇入进一步转化为多相流体的运动过程。在多相流体滑体运动时流体和固体间存在复杂的相互作用,将灾害的规模进一步放大,给人类的生命安全和工程建设带来极大的破坏。本文通过地质模型建立、动力学机理分析、数值模拟计算和实例验证等方法对两相流滑体的拖曳效应进行研究,并得出以下几点结论及成果:(1)通过前期资料分析和野外现场调查,总结了我国西部山区典型流态化滑坡基本特征,建立了“高位启动-碰撞解体-流化堆积”运动地质模型,揭示了高位远程流态化滑坡从岩质固体块体到碎屑颗粒流再到多相流体的运动堆积过程,同时认为液体与颗粒体之间的相间作用力起到关键作用。(2)采用颗粒力学、接触力学和计算流体力学等相关基础理论,推导了流态化滑坡中颗粒体动力学模型和流体平衡方程。并使用Wen&Yu模型和Ergun模型建立了颗粒和流体间的力学关系。(3)流态化滑坡的固液两相拖曳力对滑坡的运动成灾范围具有重要作用,固液速度差、液体性质和液体体积占比影响着固体颗粒的运动特性。通过对比分析发现,不同液体性质对固体颗粒拖曳效果有所差别;当液体较固体速度差值越大,液体体积占比越高时,固体运动运动距离越远、运动速度越快。(4)采用基于VOF-DEM的流态化滑坡动力学分析方法,重现了重庆云阳县咸池水库滑坡泥石流的动力成灾全过程。根据模拟结果可知,流态化滑坡的运动速度和堆积距离主要受三个因素影响:一是启动区域的地形地貌,二是运动区域的沟谷地形阻隔堵溃,三是沟谷中汇集的泥浆或水等液体的动力作用。液体对固体颗粒的动力作用体现为能量传递效应和减阻效应。(5)通过对比发现相同体积的碎屑流运动距离远小于泥石流的运动距离,但在灾害发生时碎屑流瞬间的动能要大于泥石流。因此泥石流的致灾范围更广且运动持续时间更长,这为我国西部山区泥石流致灾范围的预测和防治提供了一定的理论基础。
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