地质力学学报  2020, Vol. 26 Issue (4): 510-519
引用本文
高杨, 李滨, 高浩源, 贺凯, 刘朋飞. 高位远程滑坡冲击铲刮效应研究进展及问题[J]. 地质力学学报, 2020, 26(4): 510-519.
GAO Yang, LI Bin, GAO Haoyuan, HE Kai, LIU Pengfei. Progress and issues in the research of impact and scraping effect of high-elevation and long-runout landslide[J]. Journal of Geomechanics, 2020, 26(4): 510-519.
高位远程滑坡冲击铲刮效应研究进展及问题
高杨1,2, 李滨1,2, 高浩源3, 贺凯1,2, 刘朋飞4    
1. 中国地质科学院地质力学研究所, 北京 100081;
2. 新构造运动与地质灾害重点实验室, 北京 100081;
3. 长安大学, 陕西 西安 710054;
4. 重庆市地质环境监测总站, 重庆 401122
摘要:冲击铲刮效应一直是中国西南山区高位岩质滑坡动力学研究的热点问题。文章在开展大量的野外调查基础上,结合目前国内外的研究现状,对目前的基础理论和研究方法进行了归纳总结;从国内外高位远程铲刮型滑坡的典型案例入手,总结了高位远程滑坡的冲击铲刮模式主要有嵌入铲起模式、裹挟刮带模式、冲击滑移模式和冲击飞溅模式;提出了在高位滑坡冲击铲刮研究中的难点和重点问题;并在理论解析、数值计算、人工智能和风险预测方面对今后的冲击铲刮研究思路进行了展望。目的是为冲击铲刮效应响应下的高位滑坡成灾模式和动力学特征分析提供重要的研究基础,为高位远程滑坡动力研究、科学防灾减灾和科学救援工作提供技术支撑。
关键词高位远程    冲击铲刮模式    动力特征    
DOI10.12090/j.issn.1006-6616.2020.26.04.044     文章编号:1006-6616(2020)04-0510-10
Progress and issues in the research of impact and scraping effect of high-elevation and long-runout landslide
GAO Yang1,2, LI Bin1,2, GAO Haoyuan3, HE Kai1,2, LIU Pengfei4    
1. Institute of Geomechanics, Chinese Academy of Geological Sciences, Beijing 100081, China;
2. Key Laboratory of Neotectonic Movement and Geohazard, Beijing 100081, China;
3. Chang'an University, Xi'an 710054, Shaanxi, China;
4. Chongqing Institute of Geological Environment Monitoring, Chongqing 401122, China
Abstract: The impact and scraping effect has always been a hot issue in the dynamics study of high-elevation rock landslide in the southwestern mountainous area of China. On the basis of a large number of field investigations and the current research status at home and abroad, the current basic theory and research methods are summarized. Starting with the typical cases at home and abroad, it is concluded that the impact and scraping modes of high-elevation and long-runout landslides mainly include the embedded shovel-up mode, entrainment mode, impact-slipping mode and impact-splash mode. The difficulties and key issues in the research are put forward. In the aspects of theoretical analysis, numerical calculation, artificial intelligence and risk prediction, future research ideas are prospected. It is aimed to provide an important research basis for the analysis of the disaster pattern and dynamic characteristics of high-elevation landslide under the impact and scraping effect, and to provide technical support for the dynamic research of high-elevation and long-runout landslide, scientific disaster prevention and reduction and scientific rescue work.
Key words: high-elevation and long-runout    impact and scraping pattern    dynamic characteristics    
0 引言

高位远程滑坡是指从高陡斜坡位置剪出并凌空加速坠落的滑坡,前缘和剪出口高差通常大于50 m,最大运动速度达到20 m/s以上,等效摩擦系数小于0.33,在运动过程中存在有较大的势动能转换空间,具有明显冲击铲刮和动力粉碎效应(张明等,2010Yin et al., 2017高杨等,2020)。“冲击铲刮效应”是指滑坡运动过程中,滑体同周围山体发生动力接触,导致次级滑坡发生或其他岩土体汇入的过程,形成灾害连锁反应,使滑坡体积增加至初始滑体体积的1~4倍,灾害规模放大明显。例如:瑞士Fidaz滑坡(1939年),滑坡体积放大至初始滑体体积的4倍(Niederer, 1941);云南镇雄赵家沟滑坡(2013年1月11日),滑坡体积放大至初始滑体体积的1.5倍(许强等, 2009; 殷跃平, 2010; Zhang et al., 2018);贵州水城鸡场滑坡(2019年7月23日),滑坡体积放大至初始滑体体积的2倍(Gao et al., 2020)。在铲刮过程中,滑体不断解体形成碎屑块体,进而转化为远程滑坡-碎屑流或泥石流灾害,增加了滑坡的危害程度和救援难度,易导致群死群伤事件发生。

文章在开展大量的野外调查基础上,首先,结合目前国内外的研究现状,对目前的基础理论和研究方法进行了归纳总结;然后,从国内外高位远程铲刮型滑坡的典型案例入手,总结了高位远程滑坡的四种典型冲击铲刮模式,并提出了在高位滑坡冲击铲刮研究中的难点和重点问题;最后针对冲击铲刮研究中的重点问题和发展方向,提出了研究思路和展望。目的为冲击铲刮效应响应下的高位滑坡成灾模式和动力学特征分析提供重要的研究基础,为高位远程滑坡动力研究、科学防灾减灾和科学救援工作提供技术支撑。

1 国内外研究现状

最早在20世纪初期,Stiny和Heim就提出滑坡运动中对基底层存在一定的动力侵蚀作用,在滑坡运动堆积过程中扮演着重要角色(Stiny, 1910Heim, 1932)。冲击铲刮作用通常发生在滑坡的前缘和侧缘,像“耕犁”铲动下垫层和周围不动体,并经常能观察到铲刮发生后形成的“飞溅带”和“擦痕”(Hungr and Evans, 2004; McDougall and Hungr, 2005),导致滑坡体积成倍增加,灾害规模放大。目前,国际上描述滑坡“铲刮”主要用词有“Erode”、“Entrainment”、“Scour”、“Impact”、“Plow”、“Push”等(Takahashi, 1978; Hungr and Evans, 2004; Sovilla et al., 2006; Crosta et al., 2009Iverson, 2012Zhou et al., 2016),但其在地质灾害研究领域中用意的侧重点有所不同:“Erode”为动力侵蚀的统称;大多采用“Entrainment”和“Scour”表达了泥石流底部的裹挟夹带作用,以面接触形式的冲刷侵蚀为主(Kolderup, 1955; Endo et al., 1989; Evans et al., 2007);而对于滑坡、崩塌、碎屑流等固相体前部的冲击铲动作用,以(广义上)点接触的撞击铲刮为主,“Impact”、“Plow”、“Push”较为常用。国内学者对于高速远程滑坡的铲刮研究起步相对较晚,胡广韬等(1995)的《滑坡动力学》以及程谦恭等(1999)的《高速岩质滑坡动力学》中考虑到滑坡凌空飞行后撞击弹落,在理论方面有了重大突破。2008年汶川地震的发生加速了对高速远程滑坡的研究,关于滑坡铲刮效应的研究记录也越来越多。殷跃平(2009)在《汶川八级地震高速远程滑坡研究》一文中运用“铲刮效应”一词阐明了该作用对滑坡运动状态改变的重要性。随着研究的进一步深入,大量的专家学者从基础理论和研究方法方面开展研究(何思明等,2007;陆鹏源等,2018许强等,2018郑光等,2018李博等,2018)。

1.1 铲刮分析模型

为了更好地体现滑坡运动过程中上部滑体对下部可铲刮层的互馈作用,多数研究人员建立了滑坡铲刮分析模型。研究初期,大量研究人员建立上下两层式的铲刮二维模型,并将滑坡体等效为流体,上层为流动层,下层为静止的可铲刮层,采用一维的深度平均数学模型对滑坡运动及铲刮过程进行讨论(Takahashi, 1978; Bouchut et al., 2008);随后Iverson建立了经典三层式的铲刮二维模型,三层材料自上而下分为滑体层、铲刮层、基底层(图 1),从动量和质量交换的角度求解铲刮变量(滑体速度、铲刮体积及铲刮深度等变量),描述铲刮作用对滑体体积增加的影响(Iverson et al., 2011Iverson,2012)。但是,分析模型仅是考虑滑坡底部同可铲刮层的相互作用,滑坡前缘的冲击特性并没有体现出来。为了进一步对冲击铲刮过程进行力学机理解析,需要建立更为细致的铲刮分析模型,揭示冲击铲刮模式。

图 1 三层式铲刮分析模型(Iverson,2012) Fig. 1 Analysis model of the three-layer scraping (Iverson, 2012)
1.2 铲刮率计算方法

铲刮率概念的提出很好地解决了滑坡运动过程中体积增加的定量化计算问题,可以方便、高效计算出铲刮体积、铲刮深度和铲刮范围等变量。该方法基于运动速度和铲刮率之间的关系,在人为划定的铲刮范围内,计算滑坡冲击铲刮导致的体积增量。再通过体积增量和铲刮面积的比值对铲刮深度进行反推,属于纯数学的计算方法。为方便计算,该过程可利用数值方法进行。因为铲刮率(ER)和铲刮范围的确定大多依靠地质工作者的野外实地调查经验进行判断,虽然具有比较好的实用价值,但也存在着力学分析较弱和评估精度较差的弊端。

$ {E_{\rm R}} = \frac{{{V_{\rm E}}}}{{{V_{\rm R}}(1 + {\rm{ }}{F_{\rm F}})}} $ (1)

公式中VE是指被铲刮材料的体积;VR是指初始滑体体积;FF是指滑体下滑后解体后的体积膨胀系数(通常取值为0.25);铲刮率(ER)为被铲刮体(VE)占滑体解体后体积(VR(1+FF))的比例(Hungr and Evans, 2004)。

1.3 撞击屈服计算方法

基于力学机理的冲击铲刮效应研究大多集中于撞击力和屈服破坏准则之间的临界作用关系(程谦恭,1999;刘涌江,2002)。撞击力的计算多以Hertz接触理论为基础,采用准静态接触理论,根据滑体速度、接触深度、接触面积和材料的屈服强度来判定可铲刮层是否达到临界破坏状态(图 2)。该研究方向目前大多数是针对于滚石灾害研究(何思明等,2008),多是以正向碰撞屈服为主,滑坡铲刮全过程的主动冲击力、剪切力和被动屈服塑性区范围的计算仍需要进一步开展研究。

a为接触区半径;ap为塑性区半径 图 2 理想弹塑性体接触压应力分布(何思明等,2008) Fig. 2 Distribution of the contact compressive stress of the ideal elastoplastic body (a is the radius of the contact zone; ap is the radius of the plastic zone) (He et al. , 2008)
1.4 铲刮效应的研究方法

在滑坡发生过程中冲击铲刮现象是难以被记录和捕捉到的,为了更好地还原和观察铲刮效应下的滑坡碎屑流运动堆积特征,滑槽模型试验和数值模拟方法成为了最为有效的研究手段。

(1) 滑槽模型试验方法

最早一些专家学者采用缩尺模型相似还原滑坡的运动堆积和动力铲刮过程,对基底的摩擦阻力、孔隙水压力和运动距离等数据进行定量化的测量分析,并建立相关力学关系模型(Hutter et al., 1989; Savage and Hutter, 1991; Iverson et al., 2011; Dufresne, 2012)。之后一些专家学者对滑体冲击铲刮方式进行规律性的探讨,认为下滑角度和铲刮层材料性质影响着滑坡的运动堆积形态(Zhou et al., 2016Mangeney et al., 2010陆鹏源等,2016)。滑槽试验可以直观地分析总结滑坡的冲击铲刮规律,测得滑体同铲刮层相互作用的力学数据,但是尺寸效应和试验准备过程较为复杂也是一直需要解决的难点问题。

(2) 数值模拟计算方法

为了探寻高位滑坡冲击铲刮规律,基于机理的数值模拟分析方法成为了滑坡动力学研究中可反复使用的高效方法。目前考虑冲击铲刮效应的滑坡运动数值方法有多种,主要分为了单流体连续算法和颗粒流离散元算法。单流体连续算法,是基于滑坡运动等效流体理论的CFD、LBM、SPH和MPM等计算方法(McDougall and Hungr, 2005王沁和姚令侃,2007Crosta et al., 2009阎超等,2011;Pirulli and Pastor, 2012; Huang and Zhu, 2014Xing et al., 2015),具有可视化、计算效率高等优势,重点考虑了滑坡运动的动力模型,对于考虑铲刮率的流化滑坡分析应用较广。单流体离散元算法,是基于非连续力学方法的PFC、EDEM和MatDEM等计算方法(李祥龙等,2012张龙等,2012刘春等,2017王洋海等,2017李天话等,2018陆鹏源,2018),该方法基于不同的接触类型和摩擦系数,能够较好模拟大变形大位移,适用于崩塌、碎屑流冲击效应的数值反演分析。数值模拟方法改善了滑槽试验操作复杂和尺寸效应的弊端,具有很好的重复性操作优势,但是需要结合实际材料参数和不同的算法类型进行反复的试错分析提高计算精度。

2 滑坡典型案例及冲击铲刮模式 2.1 滑坡典型案例 2.1.1 西藏易贡高位远程滑坡

2000年4月9日晚,西藏林芝地区波密县易贡藏布扎木弄沟发生大规模高位远程滑坡,滑程约8 km,前后缘高差约3330 m,堵塞易贡藏布,形成长约2500 m、宽约2500 m的滑坡堆积体,影响面积约5 km2(殷跃平,2000)。滑坡下滑过程经历了失稳、铲刮和堆积三个阶段,并伴随强烈的冲击铲刮效应。

(1) 崩滑失稳阶段:滑体从海拔5500 m左右高陡山峰下滑,沿陡倾岩层呈楔型高速下滑。滑体物质以层状大理岩、板岩和体积巨大的花岗岩体为主,表层为冰雪堆积体,体积约2×108 m3

(2) 冲击铲刮阶段:崩滑体猛烈冲击下部由冰水作用和崩滑形成的老堆积体,并铲刮两侧山体,将巨大的动能传递到老堆积体上,触发了老堆积体复活运动汇入新堆积体,最大铲刮深度达60多米,铲刮体积约1×108 m3

(3) 碎屑流堆积阶段:高速下滑入江,并撞击右岸老滑坡堆积体,形成高约200多米的“土-石-水”混合堆积体,并堵塞易贡藏布,形成堰塞坝(图 3图 4)。

图 3 西藏易贡高位远程滑坡(镜向45°,2000年) Fig. 3 High-elevation and long-runout landslide in Yigong, Tibet (view towards 45°, 2000)

图 4 西藏易贡高位远程滑坡剖面 Fig. 4 Profile of the high-elevation and long-runout landslide in Yigong, Tibet
2.1.2 四川都江堰三溪村高位远程滑坡

2013年7月10日,四川省都江堰市发生严重的滑坡灾害,导致166人死亡,11间房屋被摧毁。三溪村高位远程滑坡属于暴雨引发滑坡并转化为泥石流的典型成灾模式(Gao et al., 2017胡晓波等,2019)。

三溪村滑坡位于四川省都江堰市中兴镇,地理位置为东经103°33′48″,北纬30°54′55″。滑坡区地形陡峻,坡度约30°,由砂岩、泥岩构成,表层覆盖有厚度约为2 m的第四系残坡积松散层,为粘性土夹碎块石。滑坡失稳启动后,约30×104 m3的滑体高位剪出,沿N57°E主沟方向下滑运动,铲动表层第四纪残坡积物体和大量植被,与周围山体撞击粉碎化,被铲动岩土体材料体积达12×104 m3,导致滑体体积增加,铲刮区是岩质滑坡向泥石流转换的过渡区域,冲击铲刮作用是形成滑坡-泥石流远程滑动灾害链的主要原因(图 5图 6)。

图 5 四川都江堰三溪村高位远程滑坡(2013年) Fig. 5 High-elevation and long-runout landslide in Sanxi Village, Dujiangyan, Sichuan (2013)

图 6 三溪村高位远程滑坡剖面 Fig. 6 Profile of high-elevation and long-runout landslide in Sanxi Village, Dujiangyan, Sichuan
2.2 高位远程滑坡冲击铲刮模式

高位远程滑坡冲击铲刮过程中,相互作用对象为硬质滑体的主动撞击体和软弱不动岩土体的被动可铲刮层,当撞击体冲击荷载强于可铲刮层屈服强度时候,例如三溪村滑坡的砂泥岩滑体冲击铲刮较为软弱的第四纪残坡积土,铲刮现象随即发生,使滑坡体积明显增加,致灾规模成倍放大,对周围建筑物具有毁灭性的损害,同时增加了滑前危险区划和灾后救援的难度。因此,主动撞击体和被动可铲刮层的物理力学性质及作用方式对铲刮特征有着至关重要的影响。综合野外调查和相关文献查阅,经总结高位远程滑坡的冲击铲刮成灾特征模式主要有以下四种:

(1) 嵌入铲起模式

当滑体为硬岩碎屑块体,可铲刮层为厚层的软弱第四纪残坡积土,且滑体以竖向撞击接触为主,两者初始接触状态为滑体前缘嵌入进下垫层中,塑性区以竖向发展为主,滑体大多数在撞击点位置处堆积,可铲刮层被铲起后继续向前运动(图 7)。例如:2013年1月11日,云南省镇雄赵家沟滑坡,滑体以砂岩和灰岩硬岩为主,下滑后冲击铲动了表层饱水较厚的第四纪残坡积物,使体积明显增加(Yin et al., 2017)。根据相关文献记载(Hungr and Evans, 2004),加拿大Frank滑坡同属于该类型等。

图 7 嵌入铲起铲刮模式概化图 Fig. 7 Schematic diagram of the embedded and plowing pattern

(2) 裹挟夹带模式

当滑体为硬岩碎屑块体,可铲刮层为薄层的软弱第四纪残坡积土,且滑体以水平向剪切运动为主,该模式在滑坡过程中最为常见,滑体具有较大切向剪切力,塑性区以切向发展为主,滑体易对可铲刮层材料进行剪切—卷起—裹挟汇入滑体中,使滑体体积增加和运动距离放大(图 8)。例如:2019年7月23日,贵州水城滑坡(Gao et al., 2020王立朝,2019),滑体沿途冲击铲刮残坡积层,通过滑前和滑后的遥感影像对比,滑体带走了大量的表层第四纪堆积物,且铲刮区具有明显沿滑动方向的刮擦痕迹,滑体体积由70×104 m3增加到116×104 m3,铲刮体积为46×104 m3

图 8 裹挟夹带铲刮模式概化图 Fig. 8 Schematic diagram of the scraping and entrainment pattern

(3) 冲击滑移模式

当滑体为硬岩碎屑块体,可铲刮层为薄层层状基岩岩体,且滑体以水平向推压运动为主,该种类型下垫层岩土材料一般为泥页岩等性质相对较差的薄层状岩土体,且前部临空或阻挡较差,滑体下滑冲击后先是在撞击点导致可铲刮层应力集中破坏,随后冲击可铲刮层岩体整体向前运动(图 9),例如:2009年6月5日,重庆武隆鸡尾山滑坡(高杨等,2016),500×104 m3的滑体高位剪出后,撞击前缘层状山体,通过能量传递使被铲刮体继续向前运动,铲刮体积达80×104 m3

图 9 冲击滑移铲刮模式概化图 Fig. 9 Schematic diagram of the pushing and slip pattern

(4) 冲击飞溅模式

当滑体为硬岩岩块,可铲刮层同为较坚硬的岩体或者碎屑堆积体,且滑体几乎为弹性撞击接触,力学作用方式以能量传递为主。滑体高位启动具有较大动能,下滑接触后经过能量传递,产生巨大的冲击能量,导致被撞击体松散解体后飞溅形成远距离运动(图 10),例如:1994年4月30日,重庆武隆鸡冠岭滑坡(王国章等,2014; 贺凯等,2018),400×104 m3的灰岩岩块滑体高位剪出后,冲击下方的硬岩地层,巨大的能量传递作用下,导致60×104 m3的下方可铲刮层被撞击带走;2017年6月24日,四川茂县新磨村滑坡(Yin et al., 2017许强等,2017),滑源区近400×104 m3体积的滑体冲击铲刮,导致下方总体积达800×104 m3的堆积体复活启动,形成碎屑流运动。

图 10 冲击飞溅铲刮模式概化图 Fig. 10 Schematic diagram of the impact and splash pattern
3 研究重点及难点

目前,随着高位远程滑坡动力学相关领域研究的深入开展,单纯滑体下滑运动堆积过程的分析已经取得丰富的理论经验和成果,对于高位滑坡连锁反应导致的次级灾害发生和规模放大方面的研究略显不足,尤其是针对冲击铲刮效应的深入认识、理论研究和评估技术研发方面需要引起科研工作者的广泛关注,同时一些重点和难点问题需要进一步探索和研究。

3.1 高位远程滑坡冲击铲刮模式

高位远程滑坡冲击铲刮效应的野外资料较少,同时精度相对较低,因此对于滑坡发生过程的还原大多是停滞于人为经验的判断阶段。高位滑坡冲击铲刮过程和作用模式尚不清楚,文章针对已发生的滑坡提出的四种冲击铲刮模式是结合滑坡现场调查,基于经验建立的初步概化模型,仍需要结合滑坡地质模型、滑体材料物理力学性质和可铲刮层材料物理力学性质进行深入分析和反复验证。针对滑体与可铲刮层接触后的冲击类型、接触类型以及铲刮层屈服后的几何形态类型的探索是冲击铲刮效应研究需要解决的首要任务,可以为后期动力学机理研究提供准确可靠的分析模型。

3.2 高位远程滑坡动力学接触机制

高位岩质滑坡的冲击铲刮模式决定了滑体同可铲刮层的接触机制,冲击加载和铲刮屈服的力学互馈模型的建立是亟待解决的难点问题。通常情况下滑坡的冲击铲刮作用方式有两种:一是滑坡前缘的冲击“铲”的作用方式;二是滑坡底部和侧缘的剪切“刮”的作用方式。前者的破坏力极大,但是作用时间相对较短;后者较前者破坏力小,但是几乎作用于滑坡运动的整个过程。滑体的冲击角度可能决定了可铲刮层的破坏特征为撞击屈服还是以剪切屈服为主;滑体材料和可铲刮层材料的强度性质差异可能决定接触后的运动堆积状态;可铲刮层在滑坡运动路径中的位置决定了次级滑坡启动后是否也具有较大的势动能转换空间,可能影响着次级灾害的冲击规模。以上几点是下一步研究工作中亟待解决的重点问题。

3.3 高位滑坡冲击铲刮理论解析方法

铲刮深度、铲刮范围和铲刮体积的定量计算是铲刮效应研究的重要目的,也是亟待解决的难点问题之一。在整个计算过程中,冲击力、屈服强度和接触应力三者的理论解析解是理论分析中需要解决的关键问题,同时需要考虑它们之间的互馈关系。冲击力的计算方法理论有哪些?可铲刮材料的屈服强度准则如何选择?在附加荷载影响下,铲刮层的极限应力状态的分布位置如何计算?以上问题亟待开展理论解析分析,进而定量化地对铲刮变量进行求解。

3.4 滑体和可铲刮层材料滑后分布规律

铲刮材料是否可以在滑坡运动过程中作为识别滑体分布特征的标记物?滑坡运动结束后,滑体和可铲刮层材料的分布情况是否具有一定规律性?不同的材料性质和铲刮模式是否影响着分布规律?根据运动堆积分布规律是否能快速、准确地判定被撞击和被掩埋房屋的具体位置?这几个问题的解答对灾后的快速搜索和救援工作也具有重要的实际意义,需要进一步开展研究。

4 研究思路展望

根据目前的研究现状,在未来的高位远程滑坡冲击铲刮效应研究中,针对以上几点关键科学问题的研究思路主要采用地质学、数学、力学和数值技术等多方面学科交叉的方法,采用分项逐个分析到互馈耦合分析的方法,采用从规律总结到定量计算的方法共同完成。

4.1 理论解析方面

冲击力、屈服条件和接触机制的理论解析解可采用从分项计算到互馈求解的方法进行。①冲击力分项计算:滑体冲击力的正向撞击采用Hertz弹性接触,切向撞击采用Mindlin接触,共同提供附加荷载。②可铲刮材料屈服分项计算:可铲刮材料通常属于低围压屈服破坏,因此,强度准则可选取为莫尔库仑准则和广义米塞斯准则进行屈服判定。③冲击和屈服互馈计算:冲击力提供附加荷载,求得可铲刮材料中某一定点的附加和自身应力状态,再根据屈服准则的极限应力平衡状态求得可铲刮材料的塑性分界位置。从而得出相应冲击铲刮变量。

4.2 数值计算方面

充分利用计算机模拟计算的优势,采用具有针对性的算法及模型定量化进行铲刮效应对滑坡运动堆积的数值仿真计算。在滑坡运动分析中,可选用离散元和连续介质算法分别模拟滑坡碎屑流和泥石流等流化滑坡;可铲刮材料根据材料厚度分层设置,选择不同的本构模型和损伤失效准则,土颗粒材料可选用弹塑性模型进行分析,即由松散颗粒体组成的描述土体变形破坏的完全弹塑性本构模型和Drucker-Prager屈服准则;岩体材料可选用引入损伤因子的断裂损伤模型进行分析,即由连续体组成的描述坚硬物质变形破坏的Johnson-Cook本构模型和含损伤因子的破坏准则。

4.3 人工智能方面

采用地质模型、力学模型和数学模型的多学科交叉研究,将包括工程地质学、岩土力学、材料力学和接触力学等学科转化为数值变量输入到数值计算中。同时在数值计算中考虑人工智能和机器学习的引入,学习地层岩性、地形地貌、降水特征和铲刮模式,进而根据已发生滑坡,去预测评估地质环境条件相类似的滑坡冲击铲刮,实现冲击铲刮型滑坡的快速、高效和可视化的定量计算。

4.4 冲击铲刮效应风险预测

该方面的研究思路重点在于加强高位滑坡冲击铲刮效应动力过程的预测及预警,建立考虑冲击铲刮效应下的滑坡运动特征识别和次级灾害防控理论,形成可铲刮体规模识别和易损性评价标准。滑坡失稳—滑坡运动—铲刮判识的预警难度一级比一级明显增加,在强调滑坡早期识别的基础,也应当对周边地质体的可铲刮风险进行早期评估,同时必须充分发挥数值模拟技术,对冲击铲刮效应进行反复试验和预测评估,进而提高早期预警精准度。预测及预警技术方法对解决滑坡周围地带地下工程埋深深度设计、铲刮体积增加定量评估、灾害早期危险区划、冲刷防护设计和灾后救援挖掘位置判别等问题具有至关重要的研究价值。

5 结论

本文对高位远程滑坡冲击铲刮效应的研究现状和未来研究方向进行了分析论述:

(1) 总结归纳了高位远程滑坡冲击铲刮效应的国内外研究现状,认为铲刮率和冲击屈服是目前铲刮效应定量分析中最为常用的计算方法,模型试验和数值模拟是最有效的反演分析手段;

(2) 结合典型案例,提出了高位远程滑坡四种典型的冲击铲刮模式:嵌入铲起模式、裹挟刮带模式、冲击滑移模式和冲击飞溅模式;

(3) 基于目前的研究进展,从地质模型、接触机制、理论解析方法和堆积分布规律方面,提出了高位滑坡冲击铲刮研究中亟待解决的重点问题;并从冲击铲刮的理论解析、数值计算、机器学习和风险预测方面进行研究展望。

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