高速滑坡碎裂化過(guò)程及運(yùn)動(dòng)放大效應(yīng)的試驗(yàn)和模型研究

滑坡災(zāi)害給人民的生命財(cái)產(chǎn)安全構(gòu)成了巨大威脅，尤其是高速遠(yuǎn)程滑坡-碎屑流，其規(guī)模大、運(yùn)動(dòng)距離遠(yuǎn)、致災(zāi)影響嚴(yán)重，如何更好的了解高速遠(yuǎn)程滑坡-碎屑流相關(guān)動(dòng)力機(jī)制具有重要的科學(xué)意義和實(shí)用價(jià)值。高速遠(yuǎn)程滑坡-碎屑流運(yùn)動(dòng)過(guò)程有兩個(gè)科學(xué)問(wèn)題極為關(guān)鍵，即運(yùn)動(dòng)碎屑化和運(yùn)動(dòng)沿程侵蝕放大。 項(xiàng)目采用現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研、統(tǒng)計(jì)分析、常規(guī)力學(xué)試驗(yàn)、物理模型試驗(yàn)、理論分析和數(shù)值模擬等手段，通過(guò)多年持續(xù)系統(tǒng)性的研究，在滑坡運(yùn)動(dòng)破碎、沿程侵蝕放大、致災(zāi)響應(yīng)、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估等方面取得了一定的進(jìn)展。主要有： （1）基于重錘破碎、霍普金森壓桿試驗(yàn)以及滑坡塊體運(yùn)動(dòng)破碎物理模型試驗(yàn)，并結(jié)合圖像識(shí)別、高速影像分析、數(shù)據(jù)處理等技術(shù)手段，揭示了高速滑坡碎裂化的動(dòng)力學(xué)過(guò)程，并建立用于描述滑坡碎裂化過(guò)程的理論模型，尤其是滑坡塊體沖擊破碎塊體粒徑分布的估算方法。 （2）在對(duì)典型災(zāi)難性滑坡現(xiàn)場(chǎng)痕跡勘測(cè)以及歷史滑坡數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)上，針對(duì)性的設(shè)計(jì)了多套滑坡物理模型實(shí)驗(yàn)槽，結(jié)合力學(xué)試驗(yàn)、理論分析及數(shù)值模擬等手段，提出了滑坡運(yùn)動(dòng)沿程沖切鏟刮作用機(jī)制，并建立了相應(yīng)的理論模型。 （3）基于典型災(zāi)難性滑坡現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研、室內(nèi)物理模型試驗(yàn)以及數(shù)值模擬，提出了滑坡運(yùn)動(dòng)放大效應(yīng)的力學(xué)機(jī)制，并結(jié)合能量守恒原理及顆粒材料破壞力學(xué)等理論，建立了用于描述滑坡運(yùn)動(dòng)放大效應(yīng)的力學(xué)模型。 （4）基于數(shù)值模擬和理論分析，提出了用于估算滑坡運(yùn)動(dòng)距離、滑坡沖擊力、運(yùn)動(dòng)速度演化以及滑坡規(guī)模放大等災(zāi)害參數(shù)的經(jīng)驗(yàn)性公式。 相關(guān)成果在國(guó)際滑坡領(lǐng)域權(quán)威期刊Landslides等上共發(fā)表論文21篇；申請(qǐng)發(fā)明專(zhuān)利2件，獲授權(quán)實(shí)用新型專(zhuān)利1件、軟件著作權(quán)2件；參加國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)會(huì)議18次，作特邀報(bào)告8次；培養(yǎng)畢業(yè)碩士3人、與國(guó)內(nèi)外同行交流合作緊密；獲2018年度教育部科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)等科研獎(jiǎng)勵(lì)多項(xiàng)，在西藏易貢滑坡、汶川地震文家溝滑坡、2017年茂縣疊溪滑坡、2018年金沙江白格滑坡-堰塞湖、云南魯?shù)榧t石巖滑坡-堰塞湖等災(zāi)害的相關(guān)工作中獲得了應(yīng)用。 2100433B

本課題以高速遠(yuǎn)程滑坡碎屑流為研究對(duì)象，重點(diǎn)研究高速滑坡運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的兩個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題：滑坡碎裂化并轉(zhuǎn)化為碎屑流的動(dòng)力過(guò)程及由沖擊鏟刮作用導(dǎo)致的滑坡運(yùn)動(dòng)放大效應(yīng)。采用現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、物理模型試驗(yàn)、理論分析和數(shù)值試驗(yàn)等手段，對(duì)高速滑坡碎屑流的動(dòng)力過(guò)程、力學(xué)機(jī)制及模型進(jìn)行研究?；趲r石沖擊破碎試驗(yàn)和滑坡塊體運(yùn)動(dòng)碎裂化試驗(yàn)，提出用于描述滑坡體碎裂化情況的定量化參數(shù)；建立用于描述高速滑坡碎裂化過(guò)程的力學(xué)模型。在大量室內(nèi)物理模型試驗(yàn)和數(shù)值試驗(yàn)基礎(chǔ)上，提出滑坡沖擊鏟刮效應(yīng)的作用機(jī)制及其對(duì)運(yùn)動(dòng)放大效應(yīng)的影響；重點(diǎn)研究水存在條件下對(duì)沖擊鏟刮效應(yīng)及滑坡動(dòng)力學(xué)過(guò)程的影響。綜合滑坡實(shí)例統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，提出用于估算滑坡運(yùn)動(dòng)距離、速度演化及滑坡體積規(guī)模放大等災(zāi)害參數(shù)的經(jīng)驗(yàn)性公式。研究得到的滑坡災(zāi)害參數(shù)估算模型可為高速遠(yuǎn)程滑坡的防災(zāi)減災(zāi)提供理論依據(jù)，具有較高的研究意義和社會(huì)價(jià)值。

棲地碎裂化棲地碎裂化是一動(dòng)態(tài)過(guò)程

棲息地的破碎化可定義為對(duì)連續(xù)性棲息地的擾動(dòng)過(guò)程，而這種擾動(dòng)又可產(chǎn)生一系列的空間格局，無(wú)論是過(guò)程還是格局都處于動(dòng)態(tài)之中。在理解棲地碎裂化時(shí)首先要界定什么樣的棲息地是破碎的和什么樣的棲息地不是破碎的，右圖描述了棲地碎裂化過(guò)程及其不同階段的空間格局，可以從圖中看出哪些棲息地是未破碎的、哪些棲息地是破碎的以及哪些棲息地是嚴(yán)重破碎的，即棲地碎裂化程度的梯度變異。以往的研究經(jīng)驗(yàn)告訴人們破碎化程度可以通過(guò)測(cè)量斑塊面積和隔離度而獲得，這種研究方式隨著景觀生態(tài)學(xué)的滲透理論的應(yīng)用而得到補(bǔ)充和加強(qiáng)。在具體問(wèn)題研究過(guò)程中，往往將未破碎的棲息地稱(chēng)為同質(zhì)的棲息地，并于尺度關(guān)系密切，棲地碎裂化格局隨著研究尺度的改變而變化。圖中所描述的梯度是連續(xù)的，而不是單獨(dú)的以隔離度為基礎(chǔ)任意地分為“已破碎的”和“未破碎的”，因?yàn)闂厮榱鸦且贿B續(xù)的動(dòng)態(tài)過(guò)程。

動(dòng)物種群對(duì)棲地碎裂化過(guò)程的不同階段有著不同的反應(yīng)，即動(dòng)物種群對(duì)棲地碎裂化的反應(yīng)受時(shí)間動(dòng)態(tài)的影響。在棲地碎裂化初期，由于對(duì)某一地段的習(xí)慣，有些個(gè)體對(duì)棲息地的變化不會(huì)立即做出反應(yīng)，這一現(xiàn)象容易隱藏和掩蓋破碎化效應(yīng)，從而對(duì)某些動(dòng)物種群形成“生態(tài)陷阱”。另外，在棲地碎裂化過(guò)程中，個(gè)體間的替代作用和種群中的漂泊者會(huì)產(chǎn)生類(lèi)似的效果。有些物種對(duì)棲地碎裂化的反應(yīng)是快速地進(jìn)入殘余的棲息地斑塊中，所以殘余的棲息地斑塊中暫時(shí)增加了物種豐富度和個(gè)體密度。在破碎化棲息地中，群體的社會(huì)吸引力也能改變個(gè)體的分布模式從而在對(duì)棲息地變化的反應(yīng)上產(chǎn)生時(shí)滯。然而，隨著棲地碎裂化過(guò)程的持續(xù)和時(shí)間序列的變化，破碎化效應(yīng)對(duì)動(dòng)物種群的各種不良后果會(huì)相繼出現(xiàn)。

棲地碎裂化尺度的重要性

空間和時(shí)間尺度包含于任何生態(tài)系統(tǒng)的過(guò)程中，對(duì)于自然現(xiàn)象的描述與選擇的尺度有很大關(guān)系，在不同尺度上，生態(tài)系統(tǒng)模式的表現(xiàn)過(guò)程往往不一致。例如，在地中海區(qū)域，有些鳥(niǎo)類(lèi)的空間分布格局在細(xì)小尺度上可以表現(xiàn)為均勻型而在較大尺度上又表現(xiàn)為聚集型。尺度越大，生態(tài)系統(tǒng)的成分就越復(fù)雜，但其變異性往往隨著尺度的增大而縮小，可預(yù)測(cè)性增強(qiáng)。相反，小尺度下的生態(tài)系統(tǒng)盡管成分相對(duì)簡(jiǎn)單，但由于隨機(jī)現(xiàn)象的增加，使生態(tài)系統(tǒng)變得不可預(yù)測(cè)。VanTurnhout等在不同空間尺度上對(duì)荷蘭的繁殖鳥(niǎo)類(lèi)多樣性進(jìn)行了25a的監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)在不同尺度下，鳥(niǎo)類(lèi)物種多樣性的表現(xiàn)模式并不一樣，他們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了在較大尺度上鳥(niǎo)類(lèi)多樣性的分布模式具有更強(qiáng)的可預(yù)測(cè)性。

尺度的變化可能會(huì)影響人們對(duì)棲地碎裂化的理解，不應(yīng)該試圖決定哪一種尺度是最合理的，而應(yīng)該把工作重點(diǎn)放在理解和認(rèn)識(shí)研究對(duì)象在不同尺度上的發(fā)生規(guī)律。最佳生態(tài)尺度的選擇隨著研究對(duì)象和研究問(wèn)題的不同而發(fā)生變化。例如，一片面積為100hm²森林破碎成10個(gè)森林斑塊，對(duì)領(lǐng)域面積相對(duì)較小的白喉林鶯來(lái)說(shuō)，必須面臨著一種選擇，即正確的判斷哪些斑塊是適合生存的，哪些不是，如果判斷有誤，可能帶來(lái)滅頂之災(zāi)。而這種破碎化對(duì)領(lǐng)域面積較大蒼鷹似乎不產(chǎn)生影響，這10個(gè)斑塊只是蒼鷹棲息地中細(xì)密的紋理。生態(tài)尺度的選擇還與研究的焦點(diǎn)是動(dòng)物個(gè)體還是動(dòng)物種群密切相關(guān)。對(duì)于同一種鳥(niǎo)類(lèi)而言，研究種群的尺度往往大于研究個(gè)體的尺度。例如，一只雄性松雞在繁殖季節(jié)需要20～50hm²的森林作為領(lǐng)域，一個(gè)松雞繁殖種群往往需要10000hm²的林地作為繁殖場(chǎng)所。另外，同一物種在不同的區(qū)域領(lǐng)域面積差異較大，在選擇研究尺度時(shí)應(yīng)該加以區(qū)別，例如，斑點(diǎn)林鸮個(gè)體的年領(lǐng)域范圍在不同的區(qū)域從500hm²到5000hm²不等。

有關(guān)棲地碎裂化研究的理論基礎(chǔ)主要有島嶼生物地理學(xué)理論、景觀生態(tài)學(xué)中的結(jié)構(gòu)與功能原理和集合種群理論。在利用島嶼生物地理學(xué)理論對(duì)生境破碎化進(jìn)行研究時(shí)，有兩點(diǎn)假設(shè)：一是將斑塊比喻成海洋中的島嶼；二是假設(shè)斑塊周?chē)漠愘|(zhì)環(huán)境對(duì)斑塊中的有機(jī)體來(lái)說(shuō)是難易逾越的“海洋”。然而，事實(shí)并非如此。棲息地斑塊之間的通透性遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于真正的島嶼。斑塊動(dòng)物種群受周?chē)h(huán)境的影響較大，這些影響有時(shí)甚至大于斑塊內(nèi)部的結(jié)構(gòu)效應(yīng)。所以，島嶼生物地里理論在研究棲地碎裂化時(shí)受到了一定的局限。景觀生態(tài)學(xué)的結(jié)構(gòu)與功能原理從復(fù)雜的空間格局出發(fā)，將空間格局定義為基質(zhì)、斑塊和廊道等元素來(lái)研究破碎生境中的種群動(dòng)態(tài)，充分考慮了生境的空間異質(zhì)性。結(jié)構(gòu)與功能原理強(qiáng)調(diào)環(huán)境的復(fù)雜物理結(jié)構(gòu)，探求不同空間尺度上異質(zhì)物理環(huán)境所產(chǎn)生的種群、群落與生態(tài)系統(tǒng)水平上的生態(tài)后果，由于這種復(fù)雜性，所以數(shù)學(xué)建模和量化分析困難重重。集合種群理論充分考慮了斑塊空間格局對(duì)種群的影響，對(duì)空間環(huán)境的簡(jiǎn)化使其理論內(nèi)涵與實(shí)際應(yīng)用能有效地結(jié)合在一起。經(jīng)典的集合種群理論由Levins于1969年提出，在隨后的幾十年里McCullough、Schwartz、Hanski等學(xué)者對(duì)該理論進(jìn)行了完善和補(bǔ)充，提出了狀態(tài)轉(zhuǎn)換模型、多種群模擬模型和關(guān)聯(lián)函數(shù)模型等。Pulliam及Pulliam和Danielson提出了源種群、匯種群以及相應(yīng)的源生境、匯生境的概念，為集合種群理論增添了新的活力，并使集合種群理論得以廣泛地應(yīng)用到棲地碎裂化對(duì)動(dòng)物種群影響的研究中。 2100433B

國(guó)內(nèi)外幾乎所有的高速遠(yuǎn)程滑坡皆呈現(xiàn)流體化的運(yùn)動(dòng)特征。這些滑坡的滑體都毫不例外的從有一定結(jié)構(gòu)的巖體轉(zhuǎn)化為流體化的濕碎屑流或干碎屑流。本項(xiàng)目將以1991年發(fā)生的云南頭寨溝滑坡為原型，研究高速滑體碰撞沖擊碎屑化和碎屑體之間相互碰撞進(jìn)一步破碎的動(dòng)力學(xué)機(jī)理；研究干碎屑流運(yùn)動(dòng)過(guò)程中不同粒徑碎屑顆粒的起動(dòng)速度，計(jì)算碎屑體運(yùn)動(dòng)過(guò)程中受到的空氣動(dòng)力；應(yīng)用二相流理論研究高速遠(yuǎn)程滑坡碎屑流運(yùn)動(dòng)特征和運(yùn)動(dòng)機(jī)理，建立適合高速遠(yuǎn)程滑坡干碎屑流的流動(dòng)模型；采用顆粒流程序(PFC2D)研究高速遠(yuǎn)程滑坡碎屑流的運(yùn)動(dòng)過(guò)程和不同時(shí)刻碎屑物的堆積特征，分析滑坡遠(yuǎn)程碎屑流運(yùn)動(dòng)速度和動(dòng)能隨時(shí)間的變化規(guī)律。本項(xiàng)目成果豐富了高速遠(yuǎn)程滑坡流體動(dòng)力學(xué)理論的內(nèi)涵，具有重要的學(xué)術(shù)價(jià)值，對(duì)防災(zāi)減災(zāi)有重要意義。