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国际同行顶级成果:地学学院程谦恭团队李坤王玉峰等揭秘高速远程滑坡的颗粒流运动本质

来源:地球科学与环境工程学院    日期:2021/1/14 16:47:12    点击数:11940

       在自然界,颗粒物质是一种非常特殊的物质形态,也是地球岩石圈地质过程包括地震、滑坡、泥石流等的实际载体。因此常被人们称为物质的第四种形态。颗粒物质及颗粒流由于具有多物理机制和多尺度结构层次特点,其物理力学机制的研究已经成为国际科学前沿热点之一。2005年,Science杂志在庆祝其创刊125周年之际,将“能否发展关于湍流动力学和颗粒材料运动学的综合理论(Can we develop a general theory of the dynamics of turbulent flows and the motion of granular materials?)”,列为125个最具挑战性的科学问题之一。在其后1/4个世纪的时间里,人们将致力于研究解决这些问题。迄今为止,正如Science杂志描述的那样:由于统计力学在湍流和颗粒物质这个非平衡体系的失败是物理学中的一个鸿沟,因此尽管科学家对湍流和颗粒流的认识取得了飞速发展,但描述湍流和颗粒物质运动的理论体系至今还未完备,颗粒物质的非平衡态动力学理论仍然是亟待解决的重大科学问题。

       高速远程滑坡形成的颗粒流(碎屑流)的一个重要特征在于,由于源区岩体结构物质的初始组成不同以及失稳后岩体在运动过程中的动力破碎过程,它们的颗粒尺寸范围通常跨越几个数量级。其运动过程包括启动、扩展和堆积三个阶段,通常涉及不同的物理过程。颗粒之间的摩擦和碰撞以及与运动路径的相互作用,是控制高速远程滑坡颗粒流传播与能量耗散的主要因素之一。与高速远程滑坡颗粒流运动过程有关的物理力学机理,主要涉及到以下地球物理学和物理学的关键科学问题:(1)高速远程滑坡高流动性的起源可能是什么物理过程?如何量化和模拟多分散性和破碎过程?(2)如何从理论上量化和描述颗粒尺寸分布在空间和时间的演变及其与流动的耦合?(3)如何从其沉积特征中探究流动的传播机制和特征(质量、起始过程、颗粒-颗粒相互作用的程度等)?这些问题的研究,将有助于最终构建确定其最大运动速度、最远运动距离、最大堆积范围以及对结构的冲击力大小等运动学与动力学参数的本构模型,实现高速远程滑坡灾害的预测预报。因此,高速远程滑坡颗粒流的运动机制,已成为国际滑坡动力学研究领域亟待破解的重大科学问题。

       我院程谦恭科研团队致力于高速远程滑坡及其动力学机理的研究,取得了一系列标志性成果,极大地丰富和发展了高速远程滑坡动力学的理论。近期,针对上述科学问题,博士生李坤、副研究员王玉峰等科研团队成员通过自行设计的碎屑流物理模型实验系统(图1),以石英砂颗粒为相似材料,进行了不同粒径、不同体积及不同运动倾角条件下多达178组的颗粒流运动实验,采用高速相机、高清摄像机从多个方位对颗粒流的运动及堆积过程进行了精细观测,并通过粒子图像测速(PIV)及倾斜摄影测量等方法(图2),获取了颗粒流态化运动过程中的速度场、剪切速率及Savage数等关键流变参数,以及堆积体的前缘运动距离、质心运动距离及等效摩擦系数等运动参数,建立了颗粒流剪切速率与等效摩擦系数、颗粒流流态与堆积特征的定性及定量关系,在此基础上揭示了高速远程滑坡颗粒流流变转化的远程效应。研究表明:

       (1)颗粒流的粒径组成和体积是影响其流变学特性的关键因素,随着颗粒流粒径的减小和体积的增大,颗粒流速度剖面由线性分布向非线性分布形式转变,剪切速率随颗粒流深度的增加显著增大,即颗粒流内部剪切逐渐趋向于向颗粒流底部集中(图3)。

       (2)颗粒流的平均剪切速率受控于颗粒流内部的剪切特征,由于颗粒粒径减小和体积增大所导致的剪切局部化具有减小颗粒流平均剪切速率的效应(图4a)。

       (3)颗粒流平均剪切速率与堆积体等效摩擦系数呈正线性相关关系(图4b),随着平均剪切速率的减小,等效摩擦系数降低,颗粒流运动距离增加;从细观角度分析,碎屑流运动过程中较低的平均剪切速率及剪切局部化(即剪切带)的发育有助于降低颗粒间相互作用而产生的能量损耗,从而促进滑坡碎屑流的远程运动。

       (4)颗粒流的粒径和体积是决定颗粒流流态的关键因素,随着粒径的减小和体积的增大,颗粒流由惯性态(inertia flow regime)向密集态(dense flow regime)过渡,颗粒间相互作用由碰撞主导转变为持续的摩擦接触,颗粒流连续性加强、内部扰动减小;颗粒流由惯性态向密集态的转变促进了颗粒流堆积体中源区层序保留、表面流态化地貌特征等的发育(图5)。

       (5)统计分析结果表明,对于真实尺度下的高速远程滑坡,其Savage数大多低于0.1,流态总体表现为密集态,即密集颗粒流(dense granular flow)(图6),因此,这种密集颗粒流的运动状态是高速远程滑坡堆积体中层序保留、表面流态化地貌形态等典型堆积特征发育的重要前提。

 

图1  颗粒流物理模型实验系统

 

 

图2  倾斜摄影测量及生成的数字表面模型

 

图3  粒径和体积对颗粒流变行为的影响规律

 

 

图4  (a) 不同粒径及体积条件下的颗粒流平均速度剖面;(b) 平均剪切速率与等效摩擦系数关系

 

 

图5  不同粒径颗粒流堆积体表面地貌形态及内部变形特征

 

 

图6  实验颗粒流及原型滑坡碎屑流Savage数分布范围


       这一长达21页的研究论文,近期发表在国际工程地质和地质灾害领域著名期刊《Landslides》。由于该项成果中研究手段的先进性及研究问题的前瞻性,获得了审稿人及主编的高度评价(图7):“本论文总体非常出色,对许多实验设计及监测方法进行了详细地说明,并得出了非常相关和重要的结论;这篇论文很有趣,写得很好,图件非常出色,其严谨性和原创性足以在Landslides期刊上发表;论文的研究主题在一些可比性较高的研究中其贡献是最为突出的(the topic comes to the top of several comparable contributions);论文非常值得发表,它将为科学的辩论做出有价值的贡献……”

 

图7 论文审稿意见(部分)

 

       该项研究成果得到了国家自然科学基金川藏铁路重大基础科学问题专项(41941017)、重点项目(41530639)、国际(地区)合作与交流项目(41761144080)及面上项目(41877226、41877237)等项目的资助。

 

论文详细信息:

Li, K., Wang, YF., Lin, QW. et al. Experiments on granular flow behavior and deposit characteristics: implications for rock avalanche kinematics. Landslides (2021). https://doi.org/10.1007/s10346-020-01607-z

论文链接:https://link.springer.com/article/10.1007/s10346-020-01607-z

 

信息员:傅尤刚     作者:翟琦     责任编辑:侯倩

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