地灾国重室再在EPSL发文揭示滑坡流体状远程运动机理

2019年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滑坡防治研究团队曾在《Earth and Planetary Science Letters》（简称EPSL）发文，首次准确测定了高速远程滑坡滑带的温度，并找到滑坡滑面因摩擦生热产生高温并使岩体汽化的微观证据，相关成果被《Nature》专题报道，并将其列为全球研究热点。

近日，该研究团队在EPSL上再发最新研究成果《The intrinsic mobility of very dense grain flows》，将颗粒物理学引入滑坡研究中，通过学科交叉对高速远程滑坡超强流体状运动机理提出了新的认识。

图1 滑坡防治研究团队在陕西山阳滑坡和青川东河口滑坡作现场考察

大量的实例表明，一些滑坡可以巨大的速度运动很长的距离，其被称之为高速远程滑坡。高速远程滑的运动速度最高可达278 m/s，相当于飞机巡航速度；滑坡发生后可以像流体一样长距离运动数十上百公里（图2）。超高的滑（运）动速度、超远的运动距离以及超强的流动性，致使滑坡具有极大的破坏性，往往会酿成灾难性事故（图3），为此而成为国际滑坡界的研究热点。地灾国家重点实验室滑坡防治研究团队一直在探索滑坡高速远程运动机理，企图揭开相关成因之谜。基于室内高速高压颗粒流实验，将颗粒物理学理论引入工程地质学，揭示了高速远程滑坡碎屑流“波动减阻”机理——弹性波颗粒振动减阻机理。高速远程滑坡机理研究一直是国际地球科学暨工程地质领域研究的热点和前沿科学问题。

图2 2000年西藏易贡滑坡，水平运动距离长达8km

图3 2015年深圳光明新区渣土受纳场滑坡，造成33栋建筑物掩埋或受损

为什么属固体物质的滑坡能像流体一样远距离运动？固体究竟是如何转化为流体的？

围绕这一科学问题，研究团队通过室内高速旋剪实验发现：高速破碎颗粒具有超强弱化特性，并且发现其超强弱化的物理机理是弹性波颗粒振动减阻造成的。实验过程还发现了一些奇特的物理现象，如异变的声学信号、特殊的颗粒组构和奇特的震颤擦痕。

异变的声学信号：在力学弱化点，高速颗粒流所产生的声发射信号会突然衰减。声学异变为弹性波颗粒振动弱化提供了直接证据（图4）。

特殊的颗粒组构：通过高倍扫描电镜SEM 观测发现颗粒流体存在特殊的颗粒组构：在剪切过程中产生大量纳米颗粒，大颗粒由纳米颗粒包裹。特殊的颗粒组构为颗粒流弱化提供了颗粒体组构条件（图5）。

奇特的震颤擦痕：对实验后颗粒表面微观结构进行SEM 观测发现奇特的震颤擦痕。这些擦痕的产生是小颗粒在相对较大的颗粒上划动产生的粘滑擦痕，这是颗粒体内部弹性波动的物理机理（图6）。

图4 异变的声学信号

图5 特殊的颗粒组构

通过对上述三种物理现象进行解析得到高速远程滑坡超强流动性的内在机理：高速剪切过程中，颗粒之间相互滑动，在颗粒表面形成震颤擦痕和弹性波，弹性波在颗粒体内部传播，使高速高压颗粒流体处于高频弹性波场，大大减少了颗粒间接触应力，导致摩擦系数锐减和颗粒流态化，将这种现象称之为“弹性波颗粒振动减阻”效应（图7）。

图6 奇特的震颤擦痕

图7“波动减阻”效应发表于《EPSL》

高速远程滑坡还有很多奇特现象未得到科学合理解释，成都理工大学滑坡防治研究团队将依托地灾国家重点实验室良好的试验仪器设备，守正创新，不断探索和揭开高速远程滑坡成因之谜，为我国重大滑坡灾害防治提供科学理论支撑。