高速遠程滑坡的熱-水-力動力學研究現狀與展望

羅　渝，何思明，宋鵬飛

(1.中國科學院山地災害與地表過程重點實驗室,四川 成都 610041；2.中國科學院·水利部成都山地災害與環境研究所,四川 成都 610041；3.中國公路工程咨詢集團有限公司，北京 100097)

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高速遠程滑坡的熱-水-力動力學研究現狀與展望

羅渝1,2，何思明1,2，宋鵬飛3

(1.中國科學院山地災害與地表過程重點實驗室,四川 成都 610041；2.中國科學院·水利部成都山地災害與環境研究所,四川 成都 610041；3.中國公路工程咨詢集團有限公司，北京 100097)

高速遠程滑坡往往以其超強的動力學特性、極高的運動速度和超遠的運動距離造成極為嚴重的生命財產損失。高速遠程滑坡超強動力學特性的內在機理研究，已成為國內外學者關注的熱點問題。目前越來越多的學者開始從滑面熱-水-力耦合響應的角度出發，闡釋高速遠程滑坡的動力學特性。這一研究思路也越來越受到國內外學者的關注和重視。我國面臨的滑坡災害防災減災形勢異常嚴峻，而在高速遠程滑坡的熱-水-力動力學研究方面,還處于剛剛起步的階段。因此，在查閱大量文獻的基礎上，闡述了國內外從滑面熱-水-力耦合響應角度，對高速遠程滑坡運動演化研究方面的研究現狀，對目前在這方面研究中所提出的理論和模型進行了歸納與總結，同時點評了目前研究存在的難點，并在此基礎上提出了今后的研究展望。

高速遠程滑坡；熱-水-力；動力學機理；研究現狀；展望

高速遠程滑坡較一般的滑坡而言，具有更快的運動速度和更遠的運動距離，往往造成更嚴重的危害，屬于災難性滑坡。例如2009年6月5日，發生在我國重慶武隆的雞尾山滑坡，滑坡運行了1.5 km，掩埋了下游的鐵礦, 造成74人死亡, 8人受傷[1]。2010年6月28日14：30，貴州省關嶺縣崗烏鎮大寨村山體滑坡，滑坡方量約170×104m3，形成沿溝谷長約1.5 km的滑坡松散堆積區，造成該村兩個村民組37戶被掩埋，42人死亡，57人失蹤[2]；2010年7月27日，四川漢源縣萬工鄉雙合村一組萬工集鎮后背山(小地名二蠻山)突發滑坡，方量約120×104m3，最終運動距離接近1.4 km，造成萬工集鎮、雙合一組部分村民房屋垮塌，20人失蹤，92戶村名房屋倒塌，1 500人轉移[3]； 2013年7月10日，都江堰市中心鎮三溪村突發大規模山體滑坡，滑體寬約300 m，縱長約150 m，體積超過150×104m3，滑動距離1.26 km，造成11戶農房被毀、43人遇難、100多人失蹤的嚴重危害[4]。

高速遠程滑坡災害對人民生命財產的危害極為嚴重，使得人們開始重點關注其高速遠程的動力學機理研究。到目前為止，越來越多的學者認為，在滑動過程的摩擦生熱，使滑面剪切帶溫度升高，從而導致孔隙水壓力增加，而使得滑面的法向應力減小以致滑面摩擦阻力降低，是驅使其具有遠程高速特性的關鍵。因此從滑面熱-水-力耦合響應的角度出發，闡釋高速遠程滑坡的動力學特性，是國內外學者最為關注和重視的研究方向。

因此，本文基于大量的文獻資料，展開了滑面熱-水-力耦合的高速遠程滑坡運動機理研究中所提出理論和模型的歸納、總結，同時點評了目前研究存在的問題和不足，并提出了相應的研究展望，希望能為今后該領域的研究提供一些參考價值。

1　高速遠程滑坡的熱-水-力動力學研究現狀

從滑面摩擦生熱的角度出發，展開高速遠程滑坡的動力學機理研究，主要有兩種假說：①認為滑動過程中釋放的熱量使滑面內的孔隙水汽化，形成水汽墊層，這個水汽墊層的存在是滑坡高速遠程運動的關鍵；②認為由于摩擦生熱，就算滑面的水沒有發生汽化作用，滑面剪切帶溫度升高，也會使孔隙水壓力增加，從而降低滑面摩擦阻力，導致滑坡具有更大的速度和更遠的距離。同時在這一假說的基礎上展開的熱-水-力動力學研究，按其運動物理模型又可分為基于功能原理的滑塊模型和基于流體力學深度平均理論變形體模型。

1.1基于“水汽墊層”說的滑坡熱-水-力動力學研究Habib最早從滑面摩擦生熱的角度出發展開相關研究，提出了“孔隙水壓力學說”，認為遠程高速滑坡沿滑動面高速滑動時，由于摩擦阻力做功，會在滑面上產生熱量，而如果剪切速率足夠大，滑面釋放的熱量甚至可將水變成水蒸氣，產生水汽墊層。這汽墊支撐著滑坡體并產生潤滑作用是其具有遠程高速的運動特性[5]。隨后其他學者也對遠程高速滑坡滑動面上水的汽化作用導致孔隙壓力的增加，進而降低滑動面摩擦阻力，展開了相關的研究[6-8]；邢愛國等對大型高速巖質滑坡在啟動活動階段由于摩擦產生高溫，使滑帶水突然汽化，產生水汽墊層，重點對高速遠程滑坡啟程活動階段的孔隙水壓力汽化壓力效應展開了研究。計算分析了高速滑坡滑動過程中滑面溫度的變化規律，并以頭寨溝滑坡為例計算其孔隙水汽化壓力。研究結果證實了孔隙水汽化的可能性，并進一步計算了孔隙水汽化壓力的大小[9]。

由上述可以看出，基于“水汽墊層說”的滑坡熱-水-力動力學研究成果較少，集中于初步的、基本的、階段性的理論研究階段, 研究方法與研究思想都不成熟，沒有形成完整的、規律性的成果。究其原因是在孔隙水壓力與汽化的水汽壓力耦合以及水汽壓力與剪應力耦合的問題方面沒有得到突破性的解決，使得基于“水汽墊層說”的滑坡熱-水-力動力學研究處于一個基本停滯的階段。

1.2基于熱-水-力耦合運動物理模的動力學研究1980年，Anderson最早從滑面的摩擦生熱導致滑面孔隙水壓力增加，使滑面摩擦阻力降低，建立地震滑坡的一維熱-水-力耦合運動物理模型，研究其動力學特性，其研究結果顯示由于摩擦生熱，就算滑面的水沒有發生汽化作用，滑面剪切帶溫度升高，也會使孔隙水壓力增加，從而降低滑面摩擦阻力，從而導致滑坡具有更大的速度和更遠的距離[10]；隨后這一結論又被Vioght等在高速滑坡一維滑塊模型動力學研究成果中得到證實[11]。之后這一學說受到了相關學者的廣泛關注，展開了一系列高速遠程滑坡熱-水-力動力學研究[12-16]。其中，Vardoulakis基于這一理論對災難性遠程高速滑坡的熱-水-力運動特性展開研究，分析了運動過程中滑面剪切帶的溫度、孔隙水壓力以及速度演變過程[17]。隨后，Vardoulakis又進一步對其提出的一維熱-水-力運動模型進行了探討，指出原熱-水-力運動模型的問題在于使用規則的粘滯類型和規范化的第二梯度[18]。Goren則在以上研究的基礎上，考慮滑坡體積的影響，研究了熱-水-力耦合的滑坡體積對滑動速度、滑動距離的影響，同時也指出大體積的滑坡其滑面剪切帶越厚，運動距離越遠[19-21]。Cecinato等在高速遠程滑坡的熱-水-力動力學研究方面，采用一個更普遍和更實際的土體本構模型，考慮滑動過程中的熱產生和擴散，孔隙壓力的產生和耗散，以及依賴于土體力學特性的溫度變化，提出一種新的研究高速遠程滑坡熱-水-力動力學特性的運動物理模型，模型具有同時容納應變-應變率-熱摩擦-軟化的特點。最后以Vajont滑坡為例，進行了模擬分析，揭示了該模型的摩擦軟化和增壓機制的敏感性[22]。劉威等在Goren提出的熱-水-力耦合運動物理模型的基礎上結合滑坡侵蝕率公式，提出了滑坡沿程侵蝕作用下的高速遠程滑坡一維熱-水-力耦合運動物理模型，研究了高速滑坡的熱-水-力動力學效應及侵蝕效應。其研究結果表明： 高速滑坡運動過程中的熱-水-力耦合作用效應提升了滑坡的流動性并顯著影響滑坡的沿程侵蝕作用[23]。

這些模型從滑面熱-水-力耦合的角度，建立高速遠程滑坡的運動物理模型，研究滑坡的運動特性，揭示其遠程高速運動特性的內在機理，在高速遠程滑坡的動力過程研究方面取得了較大的進展，很大程度上推進了從滑面熱-水-力耦合響應的高速遠程滑坡動力學機理研究。但是這些基于功能原理的滑塊模型也主要集中于展開一維尺度下的研究，同時也存在一定的缺陷，將滑坡體簡化為集中質量的剛性體，忽略滑坡的內部變形及能量耗散，與實際情況存在一定的差別。

1.3基于流體力學深度平均理論變形體模型的滑坡熱-水-力動力學研究一些研究者，關注到了高速遠程滑坡在運動過程中呈現出的流態化特征，針對這一特點，人們將遠程高速滑坡看成是一維淺水明渠流，并采用流體力學深度平均方法將其簡化，滑坡基底層采用不同的流變模型，如層流模型、塑性流模型、庫倫摩擦模型、賓漢姆模型、Voellmy模型等，進行滑坡的動力學機理研究，并取得了較為成熟的研究成果[24-31]。因此，在高速遠程滑坡的熱-水-力動力學機理研究中，有學者開始嘗試將基于流體力學深度平均理論的滑坡運動物理模型引入熱-水-力耦合的滑塊模型中，建立高速遠程滑坡的熱-水-力耦合變形體運動物理模型，以解決基于功能原理滑塊模型的不足。何思明、劉威等將基于淺水流模型的深度平均理論和熱-水-力耦合方法相結合提出一種新的高速遠程滑坡運動物理模型，采用有限體積法和Crank-Nicolson 相結合的方法進行求解，展開了高速遠程滑坡的動力學過程研究。其研究結果表明，滑坡滑動過程中的摩擦生熱作用可以使孔隙水壓力增大，從而降低滑面的摩擦阻力，提高滑坡體的動力學特性，促使其產生更遠的滑動距離[32]。

基于流體力學深度平均理論的變形體模型能夠考慮滑坡運動過程中的流態化特征，在一定程度上揭示了高速遠程滑坡的熱-水-力動力學機理，具有清晰的研究思路和研究方案。但是目前的研究也僅提出了一維尺度、特定條件下的變形體運動物理模型，還不具備其應用的普遍性。因此這方面的研究還有待進一步的摸索和總結。

2　高速遠程滑坡的熱-水-力動力學研究難點

綜上高速遠程滑坡熱-水-力動力學研究方面的研究現狀可以發現，目前在這方面的研究難點主要體現如下。

(1)高速遠程滑坡具有體積大、突發性強的特點，而現有的監測手段和儀器都無法獲取在其滑動過程中，滑面摩擦生熱導致剪切帶內的溫度、孔隙水壓力變化和擴散的數據資料。因此，缺乏有效的實際研究數據資料的支撐是高速遠程滑坡的熱-水-力耦動力學機理研究的一大難點。

(2)由于高速遠程滑坡的運動具有體積效應，常規的室內模型試驗無法模擬出滑面的熱-水-力耦合響應過程。因此，通過室內試驗展開高速遠程滑坡熱-水-力動力學研究機理是又一研究難點。

(3)高速遠程滑坡運動過程中滑面剪切帶內的熱-水-力耦合響應是一個復雜過程，貫穿滑坡運動的整個過程，受到滑坡體物質組成、力學性質以及運動速度、滑坡體積等諸多因素的影響，因此很難建立一個能夠全面考慮眾多影響因素的熱-水-力耦合運動物理模型，也是這方面研究需要突破的一大難點。

因此，由于以上原因使得高速遠程滑坡的熱-水-力動力學研究受到阻礙，到目前為止尚有許多問題沒有得到解決，其高速遠程的熱-水-力耦合響應動力學機理尚不明確，還需要科技工作者繼續努力。

3　展望

基于上述分析的高速遠程滑坡的熱-水-力動力學研究的研究現狀及研究難點，作者認為，未來在這方面的研究可以從以下幾個方面展開，以尋求突破性的進展。

(1)將高速遠程滑坡的熱-水-力耦合運動物理模型從一維尺度擴到二維尺度。實現在真實地形地貌條件下的高速遠程滑坡熱-水-力動力學研究，揭示其運動過程中滑面孔隙水壓力以及溫度場在二維空間上的演化規律。

(2)建立多種模型聯合的高速遠程滑坡的熱-水-力耦合運動物理模型。高速遠程滑坡的滑面熱-水-力耦合效應受巖土體性質、物質組成、運動速度、滑坡體體積、摩擦軟化等等多種因素的影響，而目前的研究，各種運動物理模型都僅考慮了其中一項或幾項因素的影響。因此，將這些模型耦合起來進行系統地研究，以得到更加貼近實際的運動物理模型，對揭示高速遠程滑坡的熱-水-力動力學機理非常必要。

(3)發展物理模型試驗技術。通過研發新型的可替代材料和試驗設備，發展可以模擬高速遠程滑坡滑面熱-水-力耦合效應的模型試驗技術，研究高速遠程滑坡的熱-水-力動力學機理。

(4)進一步發展數值模擬技術。數值模擬技術是研究高速遠程滑坡熱-水-力動力學機理的重要手段，未來熱-水-力運動物理模型的發展，勢必需要更為高性能的數值計算算法和模擬技術的支撐，以展開高速遠程滑坡的熱-水-力動力學機理研究。

[1]馮振，殷躍平，李濱，等.重慶武隆雞尾山滑坡視向滑動機制分析[J].巖土力學，2012，33(9)：2704-2712.

[2]張建江，楊勝元，王瑞. 貴州關嶺“6·28”特大地質災害的啟示[J]. 中國地質災害與防治學報，2010，21(3)：137-139.

[3]許強，董秀軍，鄧茂林，等. 2010年“7·27”四川漢源二蠻山滑坡-碎屑流特征與成因機理研究[J]. 工程地質學報，2010，18(5)：609-622.

[4]殷志強，徐永強，趙無忌.四川都江揠三溪村“7.10”高位山體滑坡研究[J].工程地質學報，2014，22(2)：309-318.

[5]Habib P. Production of gaseous pore pressure during rockslide [J]. Rock Mechnics, 1975, 7(4):193-197.

[6]Habibagahi K.Temperature effect and the concept of effective void ratio[J]. Indian Geotechnical Journal,1977(1): 14-34.

[7]Goguel J. Scale-dependent rockslide mechanisms, with emphasis on the role of pore fluid vaporization[J]. Developments in Geotechnical Engineering, 1978， 20(14a)： 693-705.

[8]Romero SU，Molina R. Kinematic aspects of the Vaiont slide[C]// Proc. 3rd Congress Int. Soc. Rock Mechanics, Denver, Vol. II, Part B, 1974:865-870.

[9]邢愛國，胡厚田，姚令侃.大型高速巖質滑坡啟動活動階段孔隙流體壓力效應[J].水土保持學報，2001，21(3)：17-19.

[10]Anderson D L. An earthquake induced heat mechanism to explain the loss of strength of large rock and earth slides[C]// Int. Conf. On Engineering for Protection from natural disasters, Bangkok, 1980.

[11]Voight B， Faust C. Frictional heat and strength loss in some rapid landslides[J]. Geotechnique, 1982,32: 43-54.

[12]Lee T C, and Delaney P T. Frictional heating and pore pressure rise due to fault slip[J], Geophys. J. R. Astron. Soc., 1987, 88(3):569-591.

[13]Andrews D J. A fault constitutive relation accounting for thermal pressurization of pore fluid[J]. J. Geophys. Res., 2002, 107(B12), 2363-2371.

[14]Bizzarri A, Cocco M. A thermal pressurization model forthe spontaneous dynamic rupture propagation on a three-dimensional fault: 1. Methodological Approach[J]. J. Geophys. Res., 2006,111(B05303):1-22.

[15]Bizzarri A, Cocco M. A thermal pressurization model for the spontaneous dynamic rupture propagation on a three-dimensional fault: 2. Traction evolution and dynamic parameters[J]. J. Geophys. Res., 2006, 111(B05304):1-18.

[16]Rice J R. Heating and weakening of faults during earthquake slip[J]. J. Geophys. Res., 2006,111(B05311):1-29.

[17]Vardoulakis I. Catastrophic landslides due to frictional heating of the failure plane[J]. Mech. Coh.Frict. Mat., 2000, 5: 443-467.

[18]Vardoulakis I. Thermo-poro-mechanical analysis of rapid fault deformation[C]// POWDERS & GRAINS 2001, Proceedings of the 4th International Conference on Micromechanics of Granular Media, Sendai Japan, May 21-25, 2001.

[19]Goren L, Aharonov E. Long runout landslides: The role of frictional heating and hydraulic diffusivity[J]. Geophysical research letters，2007, 34(L07301):1-7.

[20]Goren L, Aharonov E, Anders M H. The long runout of the mountain landslide: Heating, pressurization, and carbonate decomposition[J]. Journal of geophysical research, 2010,115(B10210):1-15.

[21]Goren L, Aharonov E, Anders M H. Thermo-poro-mechanical effects in landslides dynamics[C]// EGU General Assembly 2009, in Vienna, Austria. 2009: 8686

[22]Francesco Cecinato, Antonis Zervos, Emmanuil Veveakis. A thermo-mechanical model for the catastrophic collapse of large landslides[J]. International Journal for Numerical and Analytical Methods in Geomechanics, 2011,35:1507-1535.

[23]劉威，何思明，吳清.高速遠程滑坡熱-水-力耦合效應與沿程侵蝕研究[J].四川大學學報(工程科學版)，2015，47(5)：54-59.

[24]Sassa K. Geotechnical model for the motion of landslides[C]// Proceedings of the 5th International Symposium on Landslide. Rotterdam, 1988: 37-55.

[25]Hungr O. A model for the runout analysis of rapid flow slides，debris flows， and avalanches [J]. Canadian Geotechenical Journal, 1995, 32: 610-625.

[26]Dougall M，Hungr O. A model for the analysis of rapid landslide motion across three dimentional terrain [J]. Canadian Geotechenical Journal, 2004, 41(6):1084-1097.

[27]Savage S B, Hutter K. The motion of a finite mass of granular material down a rough incline[J]. Journal of Fluid Mechanics, 1989, 199: 177-215.

[28]Oldrich Hungr,Scott McDougal. Two numerical models for landslide dynamic analysis[J]. Computers & Geosciences, 2009, 35: 978-99.

[29]Iverson R M, Denlinger R P. Flow of variably fluidized granular masses across three-dimensional terrain, 1. Coulomb mixture theory[J]. Journal of Geophysical Research, 2001,106: 537-555.

[30]Denlinger R P, Iverson R M. Flow of variably fluidized granular masses across three-dimensional terrain, 2. Numerical predictions and experimental tests[J]. Journal of Geophysical Research, 2001, 106 (B1): 553-556.

[31]魯曉兵,張旭輝,崔鵬. 碎屑流沿坡面運動的數值模擬[J]. 巖土力學， 2009，30(S2) : 524-527.

[32]Siming He，Wei Liu，Juan Wang. Dynamic simulation of landslide based on thermo-poro-elastic approach[J]. Computers & Geosciences， 2015，75: 24-32.

Research Status and Prospects of Thermo-poro-mechanical Analysis of Long Runout Landslides Motions

LUO Yu1,2, HE Siming1,2and SONG Pengfei3

(1.KeyLaboratoryofMountainHazardsandSurfaceProcess,ChineseAcademyofScience,Chengdu610041,China; 2.InstituteofMountainHazardsandEnvironment(IMHE),ChineseAcademyofSciences,Chengdu610041,China; 3.ChinaHighwayEngineeringConsultantsCo.Ltd.,Beijing100097,China)

InChina,landslideiswidedistribution,highfrequencyandcancauseseriousharm.Especially,longrunoutlandslidecancausemoreseriouslylivesandfinanciallossesforitsstrongkinematicscharacteristicsofhighmotionspeedandlongrunout.Sostudyonthekinematicsmechanismforlongrunoutlandslidehasbecomeahotissueforresearchersaroundtheworld.Atpresent,moreandmoreresearchersbegintostudyonthekinematicsmechanismforlongrunoutlandslidebythethermo-poro-mechanicalcouplingeffectattheslidingsurface.Furthermore,moreandmorescholarsathomeandabroadhaveattachedimportanceandattentiontothisresearchidea.Thelandslidehazardpreventionandmitigationwearefacingbecomeextremelyserious.Theresearchonthermo-poro-mechanicalanalysisoflongrunoutlandslidesmotionsisjustatthebeginningstage.Therefore,thispaperexpoundsresearchstatusofthermo-poro-mechanicalanalysisoflongrunoutlandslidesmotionsbasedonareviewofaplentyofliteratures.Itsummarizestheexistingmodels,commentsontheresearchdifficultiesatpresent.Andthen,putsforwardtheresearchdirectionsinthefuture.Wehopetomakesomeusefultothefutureresearch,bysystematicallysumsuptherelevantresearchaboutthermo-poro-mechanicalanalysisoflongrunoutlandslidesmotions.

longrunoutlandslide;thermo-poro-mechanical;kinematicsmechanism;researchstatus;prospects

2016-04-13

2016-05-23

中國科學院西部之光人才培養計劃項目“大型降雨滑坡動力過程模擬及危害范圍預測”(Y5R2060060)；中國自然科學基金項目“考慮滑面熱-水-力耦合響應的大型降雨滑坡運動特性研究”(41401004)；交通運輸部科技項目“公路地質災害多維網絡化監測與預警關鍵技術及示范”(2014364J03090)；中國科學院山地災害與地表過程重點實驗室自主基金項目

羅渝(1981-)，女，重慶人，博士，助理研究員，主要從事滑坡災害形成演化機理及防治技術研究.

E-mail:ly@imde.ac.cn

X43; P642.2

A

1000-811X(2016)04-0162-04

10.3969/j.issn.1000-811X.2016.04.028

羅渝，何思明，宋鵬飛. 高速遠程滑坡的熱-水-力動力學研究現狀與展望[J]. 災害學，2016，31(4)：162-165. [LUO Yu，HE Siming and SONG Pengfei. Research Status and Prospects of Thermo-poro-mechanical Analysis of Long Runout Landslides Motions[J]. Journal of Catastrophology，2016，31(4)：162-165. doi: 10.3969/j.issn.1000-811X.2016.04.028.]