高速高压颗粒流“三部曲”——破解高速远程滑坡超强 | | | 流态化之谜

屹立千年的山体一旦发生高速远程滑坡灾害，就会形成湍急的“石河”超高速、超远距离“顺流而下”，顷刻间掩埋一座几公里外的村镇（图1）。固体的岩石为什么可以如流体一般一泻千里？为回答这一科学问题，近五年来，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动力学团队用脚步丈量了四川大光包滑坡、云南头寨滑坡、四川乱石包滑坡、西藏白格滑坡等我国几十个典型高速远程滑坡，开展了上万组的实验研究，在《Geophysical Research Letters》、《Earth and Planetary Science Letters》和《Journal of Geophysical Research: Earth Surface》这些地球领域权威期刊（自然指数期刊）上先后发表了一系列高质量学术论文，破解了高速远程滑坡超强流态化的科学难题。

图1.高速远程滑坡具有超强流动性

高速远程滑坡常表现出巨大的体积（最多可达几十亿方）、超高的运动速度（已知最高可达 278 m/s）、超远的运动距离（最长滑距可达上百公里）、超强的流动性（具有流体特性）、高度的隐蔽性和突发性、往往会酿成灾难性事故。近30 年，仅在我国高速远程滑坡就造成了上万人死亡，直接经济损失上千亿元。自百余年前瑞士著名地质学家阿尔伯特·海姆(Albert Heim)对瑞士埃尔姆（Elm）滑坡开展研究以来，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。欧洲地球科学协会（EGU）更是在2021年专门撰文指出 “太阳系中巨型滑坡的超强流动性成因是地球与行星科学领域中最具魅力且悬而未解的难题之一!”（图2）。然而人类目前还未准确的理解高速远程滑坡的运动学、动力学行为和特征，现有提出的大多数高速远程滑坡运动学、动力学机理尚未得到科学家普遍承认。关于高速远程滑坡灾害防灾减灾技术及防控机理的研究，才刚刚开始。

图2.巨型火星滑坡也表现出超强的流态化特征

成都理工大学滑坡动力学研究团队突破思维的“牢笼”，将物理学中的颗粒流理论引入到滑坡研究中。滑坡发生后，巨大的山体会破碎成大大小小的石块和碎屑，如汹涌的“石河”一般顺流而下，其物理本质是一种高速高压破碎颗粒流。但经典的颗粒物理学理论没有考虑山体巨大的重力和强烈的破碎作用，其理论很难直接用于地球科学领域。高速高压颗粒流与低压颗粒流相比有哪些不同特性？其背后的机理是什么？应该如何描述高速高压颗粒流的运动特性？研究团队为了回答这些问题，足迹遍布了我国几十个典型高速远程滑坡，利用现场滑坡材料进行了上千组高速旋剪实验，于国际地球科学领域权威期刊上先后发表三篇系列文章，初步破解了这些科学谜题。

“三部曲”第一部——发现高速高压颗粒流的超强弱化特性

图3. 研究团队发表于《Geophysical Research Letters》的代表性研究成果

研究团队通过高速高压旋转剪切实验模拟了巨型滑坡碎屑流的高速剪切力学状态，实验结果证明了在高速高压状态下，碎屑流强度骤降（图4），其摩擦系数会从0.6急剧锐减至仅0.1，进而提出高速高压颗粒流力学特性新模型（图4c）。研究成果发表在自然指数（Nature Index）期刊《Geophysical Research Letters》（2020）上（图3）。

图4.高速高压破碎颗粒流的超强弱化特性

“三部曲”第二部——揭示高速高压颗粒流波动减阻弱化机理

图5. 研究团队发表于《Earth and Planetary Science Letters》的代表性研究成果

什么物理机理导致了高速高压颗粒流具有超强弱化特性呢？研究团队借助微观观测手段，揭示了超强弱化的底层微观物理机理——波动减阻机理。通过实验发现以下三种奇特的物理现象：

特殊的颗粒组构：在高速高压的作用下，被剪切的颗粒会大量破碎。这些破碎的小颗粒会逐渐充填大颗粒之间的缝隙，并“嵌入”到大颗粒之间，使得大颗粒被小颗粒分隔，形成了小颗粒包围大颗粒的特殊颗粒组构（图6）。

图6.小颗粒包围大颗粒的特殊组构

奇特的震颤擦痕：在纳米级的微观尺度，发现了如急刹车车辙一般的特殊擦痕（图7），这是高压作用下小颗粒在大颗粒的表面剧烈刮擦所产生的粘滑痕迹。

图7.奇特的震颤擦痕

异变的声学信号：在高速剪切的过程中，颗粒流力学强度骤降之时，声学信号也出现了明显的异变（图8）。异变的声学信号必然对应着微观尺度发生的一些力学事件。

图8.异变的声学信号

高速远程滑坡在高速运动过程中，滑坡体内部大颗粒相互碰撞摩擦，产生很强的波动，使得颗粒流体内部的微小颗粒产生剧烈的震动，从而失去力学支撑强度，处于半悬浮状态（图9）。这就是高速高压颗粒流波动减阻机理。相关研究成果发表在自然指数（Nature Index）期刊《Earth and Planetary Science Letters》（2022）上（图5）。

图9.波动减阻微观模型

“三部曲”第三部——构建高速高压碎屑流流变本构

图10. 研究团队发表于《Journal of Geophysical Research: Earth Surface》的代表性研究成果

滑坡碎屑流像“河流”一样的“流动”，传统用于描述固体滑动的摩擦系数就无法很好的表述滑坡体的流动特性了。研究团队创新地采用“粘度”表征滑坡体的运动能力，从而更准确地描述了高速远程滑坡的动力学过程。滑坡碎屑流这种特殊的“流体”，其流变特性与经典流体是否相同？是否具有独特的流变特性？

图11.高速高压破碎颗粒流流变模型

研究团队通过实验发现：高速高压颗粒流体比理想流体更为复杂：随着剪切速率的增加，高速高压颗粒流体粘度会突然骤减（图11）。这说明滑坡碎屑流会越“流”越“稀”，从而造成远超预想的大范围灾害。

基于上述研究成果，研究团队构建了滑坡碎屑流的流变本构方程，该研究成果发表在地球科学领域权威期刊《Journal of Geophysical Research: Earth Surface》（2022）上（图10）。

高速远程滑坡的研究历程是艰苦的，同时也是浪漫的。研究团队踏遍祖国西部的高原山地，奉献着自己的青春与热血。野外的夜晚虽寒风凛冽，但却有城市罕见的繁星漫天，摇曳的电筒光与月光星光融合在了一起，仿佛银河落九天。老师和同学们一同“赏析”着一块块满是划痕的石头，像是在倾听一张张蕴藏着自然密码的黑胶唱片。为了祖国的防灾减灾事业，滑坡动力学团队的脚步还未停止，对高速高压颗粒流的相关研究还在继续，如同征服一座座高山一样突破一个个科学瓶颈，将成果写在广袤的祖国大地上。

相关研究工作被国家自然科学基金重大项目、四川青年科技创新团队项目、成都理工大学珠峰研究团队资助。