应对大规模突发事件的应急物流救援系统研究.docx

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应对大规模突发事件的应急物流救援系统研究

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学术动态季刊

2012年第1期

目次

高速远程滑坡-碎屑流“裹气流态化”减阻机理研究程谦恭

（1）

生物炭对矿区污染土壤中重金属锁定机制研究龚正君（8）

不同结构尺度红层岩土水稳定性机理研究郭永春（12）

强震作用下大型古滑坡体变形破坏机理研究胡卸文（14）

胶体污染物对多孔介质吸附能力影响机制的微尺度研究黄涛（19）

水幕在隧道空间做防火分隔的隔热阻烟作用研究刘静（22）

快速提取铁路沿线山区DTM的LiDAR数据等高线滤波法任自珍（24）

金沙江河谷深厚覆盖层成因及工程环境效应研究覃礼貌（26）

二氧化铈控制饮用水臭氧氧化过程中溴酸盐生成机理研究王群（29）

地震作用下高位斜坡动力响应及滑坡启动机理研究王鹰（32）

黑色岩层黏土化过程的硫化矿物氧化动力学机理研究巫锡勇（36）

联合移动GNSS和参考站网络数据获取实时水汽分布与预报研究熊永良（39）

基于复杂网络理论的道路网自组织结构和协同生长机理研究张红（43）

基于多尺度信息转换模型的交通线路损毁度快速评估体系研究曹云刚（46）

高速远程滑坡-碎屑流“裹气流态化”减阻机理研究

程谦恭*（地学学院）

高速远程滑坡—碎屑流，是具有极端破坏力的地质灾害现象之一，常表现出巨大的体积（一般在数百万方以上，可达几千万方、几亿方、十几亿方甚至几十亿方）、超常的高速度（迄今为止，已知两个高速远程滑坡的最大速度分别达213m/s和278m/s）、难以预料的超常滑距（最大水平滑距Lmax是最大垂直落差Hmax的30倍，甚至更大；滑程可达几公里、几十公里甚至上百公里）、巨大的能量（例如，在运动过程中往往能仰冲爬上并翻越相当高的山坡；最大爬越高度可达640m）、异常高的流动性（例如，碎屑流可以绕过障碍物运动，具流动特点）等许多“令人惊异”和“迷惑不解”的现象。

在欧洲的阿尔卑斯山脉、北美洲落基山脉、亚洲的喀喇昆仑山脉和喜马拉雅山脉以及我国的西南山区等地，尤为常见。

例如，2001年1月发生在萨尔瓦多拉斯科利纳斯的一场灾难性滑坡-碎屑流掩埋了其下方的五百余户人家；又如，2005年10月8日，克什米尔地震过程中所触发的一系列崩滑事件，造成的人员伤亡达25500人之多，其中最典型的高速远程崩滑事件—HattianBala岩崩碎屑流，以68×106m3的失稳滑体沿坡面滑下，掩埋了其下方的一个村庄，导致1000余人伤亡；再如，2006年2月发生在菲律宾中部莱特岛热带山区的一场灾难性岩滑-碎屑流事件，15×106m3（包含运动路径上所裹挟的堆积物）的崩滑体直接掩埋其运动途中的村庄导致1100多人丧生。

在国内，最触目惊心的是2008年5月12日，汶川大地震过程中所触发的一系列高速远程崩滑灾害，给灾区人民造成了严重的生命财产损失。

诸如此类的崩滑事件，在国内外的高山地区屡见不鲜，给社会造成了严重的灾难。

因此，掌握高速远程滑坡-碎屑流的运动机理，预测其运动速度、运动距离、覆盖面积，是减轻和预防该类灾害的必要手段，也是山区建设不断发展的迫切需求，对于推进山区建设的合理发展具有重要指导意义。

高速远程滑坡转化为巨大干碎屑流（drydebrisflow）发生远程运动的一个重要作用是“裹气流态化（particlefluidizationcausedbytrappedair）”。

在崩滑体高速运动碎屑化过程中，由于有适合的地形条件（如沟谷圈闭地形），高速运动的干碎屑流内部易形成圈闭气流，在流体内部产生浮力作用，而形成空气润滑减阻效应；加之高速运动的碎屑流体中有强烈的振动作用的存在（由滑坡的势能或动能转化而来），因此滑坡在运动过程中被“流态化（fluidization）”或转化为“流体”状态，形成由固体碎屑与空气相互混合的二相干碎屑流（sturzstroms），如埃尔姆滑坡、洒勒山滑坡、头寨沟滑坡、弗兰克滑坡、牛圈沟滑坡、东河口滑坡等。

这是一种具有很高的动能和势能、具有极大冲击破坏力的碎屑流。

该类碎屑流在物质组成、运动方式及运动机理上均不同于一般所讲的泥石流，例如泥石流运动的最大速度比滑坡-碎屑流的最大速度小一个数量级（加利福尼亚Wrightwood泥石流的最大速度为20km/hr；我国云南蒋家沟泥石流的最大速度为15m/s），而且泥石流主要是由固—液两相组成，基本没有或很少有气相；滑坡—碎屑流之所以有很高的速度就在于碎屑流在运动过程中有强烈的气体掺入。

流体力学的多相流理论认为，固、液、气三相组成中各相含量的不同对流体的流变特性有着显著的影响。

随着掺气量的增加，流体粘度减小，导致雷诺数增大，阻力系数减小，流动加快，破坏性加剧。

火山碎屑流之所以有比滑坡-碎屑流更大的速度，也是因为火山碎屑流中有大量的（由火山喷发提供）、比滑坡—碎屑流更多的气体，并且是温度很高的气体（碎屑流的温度越高，粘度就越小），而且往往还有水的掺入。

海底水下滑坡之所以有更大的速度，是因为有巨大的水体掺入，形成了低粘度、高流动性的浊流。

虽然在火星和月球上没有气体或很少有水体，但火星和月球上的碎屑流往往由巨大的陨石撞击（其撞击能相当于小型原子弹爆炸的能量）而触发，因此，碎屑流能像火箭一样被“喷射”或“溅射”很远；此外，由于这些星球上没有空气阻力作用，反而使碎屑流“飞行”的更远。

高速远程滑坡最终堆积区的地貌形态，也是流态化运动特征的反映。

在滑坡远程运动的最后阶段，滑坡体具有的动能和势能逐渐消耗殆尽，加之地形开阔，碎屑体中裹挟的空气不断逃逸，最后，在适当的地形条件下形成碎屑流的超稳定性堆积。

碎屑流最后堆积区的地貌形态，也表现出非常明显的流动特征。

如，平面形态往往呈现舌形或扇形（lobateformorfanform）；边缘有突起的“裙边”（raisedrims）或称“边缘堤（levees）”或“翻边埂”；扇面上具有非常清楚的“纵向脊、沟状槽（longitudinalridgesandgroove-liketroughs）”及伴生的“雁列形裂隙状洼地（enecheloncrevasse-likeridges）”或者出现“波状横向脊（transversewave-likeridges）”，有的碎屑流体甚至在其前缘形成指状分支流动的现象。

一般来说，一种碎屑流的堆积区不可能同时出现“纵向脊”和“波状横向脊”。

当碎屑流运动停积时，粘度小的碎屑流往往出现“纵向脊”，如塞尔曼碎屑流、头寨沟滑坡以及月球、火星表面的碎屑流；而粘度大的碎屑流往往出现“横向脊”，如埃尔姆滑坡、二蛮山滑坡（与此不相关的一个典型例子是粘度最大的基性火山熔岩流，流动时其表面呈现出不断翻滚的“横向脊”—称为“绳状”熔岩）。

碎屑流堆积区流态化地貌特征，以黄土高速滑坡最为典型。

例如，1920年宁夏海原大地震中形成的众多黄土滑坡，“从滑坡后壁开始，顺着滑移方向为一系列波浪状的黄土滑移体。

滑移区的后段和中段，波峰波谷相间排列，节律性很强。

到滑移区前缘，滑移体变为波状黄土土丘。

整个滑移区表现为波状起伏、峰谷相间的流滑状态。

波峰带在平行走向方向的延展表现为蛇曲形和斜列形，构成奇特的阵列地貌景观”。

滑坡的流态化地貌宛如“黄土流”、“黄土瀑布”、“滑坡漩涡像瀑布似的”、“宛如急泄的土流或瀑布”、“黄土气浪，掩天蔽日”。

上述碎屑流最后堆积区的地貌形态，是高速运动的碎屑物质与周围的空气之间复杂而又强烈的流体动力学作用的反映。

如侧翼涡旋气流（边缘区出现类似流体中的涡流）、尾部横向环状流（尾涡流）、气携底浪（底部振动波或边界剪切层）、超前气浪或超前溅泥气浪、粉尘状磨蚀性砂质密云等现象，都是非常明显的流动性反映。

1国外关于高速远程滑坡-碎屑流的研究现状

灾难性高速远程滑坡-碎屑流运动机理的研究，在上个世纪国外先后有许多学者进行过探讨，提出了多种假说。

Heim首先提出了“粒间撞击高能导致流态化”假说；Bagnold和美籍华人许靖华先后提出了“无粘性颗粒流说”；Kent提出了“圈闭空气导致流体化说”；Shreve提出“气垫层说”；Habib和Goguel先后提出了“孔隙气压力说”；Erismann提出了“岩石自我润滑说”；Korner提出了“底部颗粒滚动摩擦减阻”假说；Melosh提出“声波流态化”观点；Davies提出“底部高剪切速率导致流态化说”；Foda和Kobayashi提出“基底压力波机理”；Davies提出了“碎屑化远程运动机理”。

21世纪以来的十年，国外对高速远程滑坡-碎屑流运动机理的研究成果主要体现在：

实例调查分析、物理模型试验、数值模拟分析、统计分析等四个方面。

Egashira等通过室内模型试验，模拟分析了碎屑流物质不同于滑床物质的情况下，碎屑流铲刮滑面、裹挟堆积体的运动过程，首次实现了物理模型试验中对滑体质量变化问题的分析；McClung基于调查统计的地形参数，运用基于运动剖面角度分布的最小二乘法和基于无量纲地形参数Gumbel分布的超距预测法，分析了滑坡运动路径上斜坡坡度对滑体运距的影响；Okura等对干滑坡的流化作用进行了试验分析；Evans等调查研究了1984年6月28日发生在哥伦比亚西南部凯利山的第四系火山碎屑岩滑事件，滑体以碎屑流形式沿水平方向运移3.46km，垂直落差1.18km，等价摩擦角为19°；Fannin和Wise根据大量滑坡—碎屑流事件的现场调查数据，建立了分析碎屑流运动的经验模型，对不同地形下碎屑运动特性进行了分析；Gray通过工业生产中常用的转鼓，对干碎屑流的运动做了物理模型试验，分析了鼓内填充度不同的各种情况下，碎屑流的运动混合特征；Legros研究了高速远程滑坡的活动性，认为：

用于描述滑坡活动性的视摩擦系数（垂直落距/水平滑距）在物理学上是无意义的，运距基本取决于滑体体积，而垂直落差仅会增加运距的离散性；Davices等对岩崩运动过程中的“碎屑化作用（fragmentation）”进行了数值模拟，定性分析了碎屑化在岩滑运动过程中的作用；Crosta等运用2D和3D有限元法对滑体运距进行了模拟分析；Hunter和Fell基于对350个高速滑坡数据的统计分析，基于失稳机制、边坡类型、滑体体积、滑源区及下部边坡的几何尺寸和运动路径的受阻情况等，提出了预测滑坡运距角的方法；Friele等研究了全新世时期发生在Cascade火山带米格山地块区的大规模滑坡，滑移总体积约为6×108m3，运动过程包含早期较高源区的岩崩和后期碎屑流两个阶段；McDougall和Hungr由于一种改进的DNA模型，实现了三维简单地形下滑体运距的数值模拟，模拟分析中实现了对基底阻力变化、滑体质量变化、运动大变形等特征的分析；Crosta等基于Voellmy流变特性和由GIS获取的高精度基础地形资料，运用拉格朗日描述下的准三维有限元方法对ValPola滑坡的整个运动过程进行了模拟，并通过模拟结果与现场数据的对比，分析了该方法在处理复杂性大规模滑坡中的适用性；Luzio等描述了位于意大利亚平宁山脉中部Maiella地块西部边缘的第四系CampodiGiove岩滑事件，分析了地形对堆积物分布的控制作用；Félix等为研究密集火山碎屑流的动力学特征，进行了干碎屑流沿粗糙倾斜滑面运动的物理模型试验，试验模型中通过设置滑面宽度大于碎屑流运动宽度，实现了碎屑流无侧限流动的模拟；Agnesi等介绍了一种综合分析法用于滑体运距的预测；Ferrara等对发生在意大利西西里岛南部Castelmola村附近的崩滑体的运动学特征进行了研究；Geertsema等对2002年7月初发生在哥伦比亚东南部的PinkMountain背斜西翼的大型岩滑—碎屑流进行了详细的描述，由DEM模型估计滑体体积约为1.04×106m3，垂直落差达450m，水平运距达2km，等价摩擦角为11.6°，覆盖面积达43公顷，滑体在运动过程中存在裹挟沿途堆积物的现象；McDou