关于中国黄土地区一次显著裹挟性流滑的研究学术报告

本研究由兰州大学土木工程与力学学院、西部灾害与环境力学教育部重点实验室的张凡玉，阿尔伯塔大学土木与环境工程系的Chao Kang（通讯作者）和Dave Chan，成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室的张晓超和裴向军，以及长安大学地质工程系的彭建兵（通讯作者）共同完成。研究成果以题为“A study of a flowslide with significant entrainment in loess areas in China”的论文形式，于2017年6月1日被接受，最终发表在期刊 *Earth Surface Processes and Landforms*（第42卷，第2295-2305页）上。

一、 研究背景与目的 本研究属于工程地质与地质灾害防治领域，具体聚焦于黄土流滑（flowslide）的动力学过程模拟。黄土高原是中国地质灾害频发区，由降雨、地震、灌溉等触发的黄土流滑具有高速、远程、破坏性强的特点，常造成重大人员伤亡和财产损失。尽管前人已对黄土流滑的触发机制（如液化）进行了大量研究，但对于流滑运动过程中的一个关键现象——裹挟（entrainment），即在运动路径上侵蚀并携带床面物质的过程——在黄土地区的具体表现和影响，研究尚不充分。特别是，裹挟会显著增加滑体体积，改变其运动学特征，对风险评估和预测至关重要。

2013年7月，中国甘肃省天水市大沟地区因强降雨触发了一次典型的黄土流滑（以下简称“大沟流滑”）。该流滑在运动过程中裹挟了大量路径物质，导致最终体积远超源区体积，为研究黄土流滑的裹挟过程提供了绝佳的案例。本研究旨在：1）通过现场调查和室内试验，获取大沟流滑的地质材料特性参数；2）开发或选用合适的数值模型，模拟包含裹挟过程的流滑运动；3）验证模型对大沟流滑运动学特征（如运动距离、速度、堆积厚度等）的预测能力，从而为类似黄土地区流滑的灾害预测提供可行工具。

二、 详细研究流程 本研究是一个典型的“案例调查-试验分析-模型构建-数值模拟-结果验证”的综合研究流程。

第一流程：案例现场调查与地质特征分析。 研究团队对大沟流滑进行了详细的野外调查。工作内容包括：利用航拍图像（Google Earth）和实地勘测，确定了流滑的源区、上部流动轨迹带、主流动轨迹带和堆积区等主要地貌单元（图2，图3）。测量并获取了关键地形参数，如斜坡高程（1090-1330米）、平均坡角（约29.2°）、坡长（约1300米）、源区体积（约1.6×10⁵立方米）以及最终堆积体积（约2.26×10⁵立方米）。同时，调查了触发因素（2013年7月的极端降雨事件，小时雨强最高达22毫米/小时，过程总雨量超过240毫米），并描述了滑道物质组成（主要为具有松散结构和发育节理的更新世Q3黄土，以及出露在坡脚的Q4黄土）。这些现场数据为后续的数值模拟提供了真实的地形边界条件和初始条件（如滑源区位置和体积）。

第二流程：土样采集与室内试验。 为了获取模拟所需的岩土力学参数，研究团队在流滑主后壁底部采集了扰动的崩积土样品（图3d）。考虑到这些沉积物来自源区或滑道床面，被认为能代表滑源区物质的性质。对样品进行了一系列室内试验： 1. 物理化学性质测试：包括颗粒级配分析（筛分法）、比重、天然容重、含水率、液塑限以及化学成分分析（X射线荧光光谱法）。结果显示，样品为粉质土，比重2.73，天然容重1.69 g/cm³，含水率20.25%，液限38.02%，塑限24.25%（表I，图4）。 2. 力学性质试验——固结不排水三轴压缩试验：这是本研究获取土体强度和水力特性的核心试验。将过2毫米筛的扰动土样重新制样（直径5厘米，高10厘米），在饱和后（B值>0.95确保高饱和度），分别施加50、100、150、200、300 kPa的围压进行固结，随后在应变控制（0.2毫米/分钟）条件下进行不排水剪切，直至轴向应变达到20%。试验全程监测偏应力、孔隙水压力和轴向应变的变化（图5）。

第三流程：数值模型构建与耦合。 本研究未开发全新的软件，而是创造性地将两种现有模型进行耦合，以专门模拟黄土流滑。 1. 运动模型选择与描述：考虑到饱和黄土在运动过程中易发生大变形，研究采用了基于能量守恒定律的运动（runout）模型（Wang et al., 2010）。该模型将滑体离散为一系列垂直切片，对每个切片应用能量守恒方程（公式1）。其优势在于考虑了滑体内部变形导致的能量耗散，这对于大变形流滑更为合理。模型计算了重力势能转化、基底摩擦耗能、侧向压力做功以及内部变形能耗散。 2. 本构模型选择：为描述流动物质的流变特性，采用了Voellmy流体模型（公式2）。该模型假设基底剪切阻力由库伦摩擦项和湍流项组成，适用于含有大量液化材料的流滑模拟。其中，摩擦角φ和湍流系数ξ是关键参数。 3. 裹挟模型选择与耦合：针对黄土地区的裹挟机制，研究选用了Medina等人（2008）提出的动态裹挟模型（公式3）。该模型基于剪切破坏机制，认为当滑体施加在床面上的剪应力（τb）超过床面材料的抗剪强度（τres）时，发生侵蚀。侵蚀速率与净剪应力（τb - τres）成正比，与滑体密度和平均流速成反比。研究将此裹挟模型的计算程序整合到上述能量守恒运动模型中，实现了运动与裹挟过程的同步模拟。

第四流程：参数确定与数值模拟设置。 基于室内试验和现场情况，确定了模拟所需的参数（表II）： - 强度参数：三轴试验得出有效粘聚力13.8 kPa，有效内摩擦角18°。但考虑到流滑发生后土体结构破坏，以及强降雨产生的径流润滑作用，在模型校准中实际采用的内摩擦角（用于计算床面抗剪强度）为7°，基底摩擦角（用于计算滑体基底阻力）为9°，粘聚力调整为6 kPa。 - 其他参数：滑体容重取19 kN/m³；由于黄土滑道相对光滑，湍流系数ξ取较大值2000 m/s²；考虑到侵蚀床物质与滑体密度的差异，引入了扩容因子（bulking factor） 1.2。 模拟采用二维纵向剖面（图7），将滑道划分为源区、轨迹区和堆积区。滑体被离散为30个切片（经敏感性分析确认此数量在计算效率与精度间达到平衡），从源区启动，沿滑道运动，同时计算侵蚀和堆积过程。

三、 主要研究结果 1. 室内试验结果： 三轴试验结果表明（图5），所有饱和扰动黄土试样在剪切初期均生成了较高的孔隙水压力，导致有效应力显著下降，表现出软化趋势；但随着剪切继续，偏应力持续增加，又表现出剪胀和强化行为。有效应力路径显示试样经历了有限的液化伴随相态转换。这些结果表明，尽管土体总体呈剪胀性，但在特定条件下（如持续剪切变形导致的颗粒破碎和孔隙结构调整）仍具有液化潜能，这解释了大沟流滑从滑坡转化为高速流态运动的内部物质机制。试验得出的强度参数为数值模拟提供了基础参考值。

2. 数值模拟结果与验证： 耦合模型成功模拟了大沟流滑从启动到停止的全过程。 - 运动形态与距离：模拟显示了滑体在运动过程中形态的演变（图8），最终在相对平坦的堆积区停止，运动形态与现场观察相符。模拟的运动距离与现场观测一致。 - 速度特征：模拟计算了滑体前缘和后缘的速度（图9）。前缘速度在46秒时降为零，平均速度约为19.9 m/s。虽然模拟速度整体略高于根据现场超高（super-elevation） 特征（图16）估算的速度（采用Henderson, 1966和Scheidl et al., 2014的方法），但在关键位置（如x=400米和x=1000米处）的估算值与模拟值较为接近。作者分析，模拟速度偏高的原因可能是将弯曲的滑道简化为直线，以及使用了均一的摩擦参数，导致能量耗散估计不足。 - 裹挟过程：模拟揭示了裹挟主要发生在滑体前部，且最大裹挟速率随前缘移动而移动（图10）。最大裹挟速率出现在t=11秒时。最大侵蚀深度约为2米（图12），与现场估算的滑道侵蚀深度（1-3.5米，平均约2米）非常吻合。 - 体积变化：模拟计算的最终总堆积体积为2.13×10⁵立方米（图13），与现场调查估算的2.26×10⁵立方米极为接近。模拟还显示，最大裹挟体积增量出现在前缘运动至x=422米处。 - 堆积特征：模拟得出的堆积区平均堆积厚度约为8米，轨迹带平均厚度约为5米（图14），与现场观测到的堆积高度范围相符。 - 裹挟效应分析：通过对比考虑与不考虑裹挟的模拟结果（图15），发现裹挟过程增加了滑体的势能，导致其运动速度更快、距离更远，尽管这种差异在本案例中并非极其巨大，但仍明确影响了滑体的动能。

四、 研究结论与价值 本研究得出以下主要结论： 1. 大沟黄土流滑是一次由极端降雨事件触发、因黄土液化而转化为高速远程运动的典型案例，其运动过程中的显著裹挟是体积增大的主要原因。 2. 基于能量守恒并考虑内部变形耗散的运动模型，耦合基于剪切破坏机制的动态裹挟模型，能够有效地模拟黄土流滑的运动学特征。模型对运动距离、堆积体积、侵蚀深度、堆积高度和速度等关键参数的预测结果与现场观测数据吻合良好。 3. 该耦合模型为预测类似黄土地区流滑的运动范围和灾害影响提供了可行的数值工具，具有重要的应用价值。

五、 研究亮点 1. 研究对象的典型性与针对性：聚焦于黄土流滑中研究相对较少的“裹挟”过程，并以一个具有详细现场数据的真实案例（大沟流滑）为载体，研究目标明确且具有现实意义。 2. 研究方法的创新性耦合：并非简单套用现有模型，而是创造性地将基于能量守恒的运动模型与基于力学机制的动态裹挟模型进行耦合，专门用于模拟黄土这类特殊土体的流滑-裹挟联合过程。这种耦合策略是方法上的一个重要亮点。 3. 参数确定的综合性：模型参数并非随意假定，而是建立在系统的现场调查、详细的室内土工试验（特别是固结不排水三轴试验）基础上，再结合地质判断进行合理校准，保证了模型的物理基础和可靠性。 4. 验证的全面性：研究利用多方面现场观测数据对模拟结果进行了多角度验证，包括地形形态、运动距离、体积、侵蚀深度、堆积高度以及通过超高估算的速度，验证工作较为充分，增强了结论的说服力。

六、 其他有价值的讨论 论文在讨论部分还深入分析了几个重要问题： 1. 模型选择与参数取值的依据：详细解释了为何选择Voellmy模型（适用于液化材料）、为何湍流系数取值较高（黄土滑道光滑）、为何强度参数需在试验值基础上折减（考虑结构破坏和润滑效应），体现了参数研究的深度。 2. 二维模拟的合理性：针对大多数滑坡在堆积扇区域宽度剧增的情况，作者指出大沟流滑的滑道宽度沿程变化不大，因此采用二维剖面模拟是合理的，并对模型局限性保持了认识。 3. 与其它研究方法的对比：简要对比了基于动量守恒和基于能量守恒的流滑运动模型，突出了本研究所用能量模型的优势（考虑内部变形能耗）。同时，讨论了不同裹挟机制（剪切破坏、扩散、渐进冲刷），阐明了选择剪切破坏模型的原因。

这项研究通过严谨的案例调查、试验分析和数值模拟，成功复现并深入阐释了一次典型黄土流滑的运动与裹挟过程，所建立的模型框架对黄土高原乃至类似地区的地质灾害风险评估和预测具有重要的参考价值。