南水北调西线一期工程区山地表层灾变过程与机理研究

以南水北调西线一期工程区内可能对调水工程构成直接和间接危害的危险性斜坡为研究对象，通过对典型斜坡（甘孜达曲、色达色曲、阿坝阿柯河）的变形观测、现场人工实验、室内模拟实验及理论分析，探明降雨入渗过程、季节性冻土热融过程、孔压及土压变化过程、应力-应变过程、液化流动过程，揭示在降雨条件（夏秋雨季）和热融条件（春夏气温上升季节）的作用下斜坡土体产生崩塌滑坡和崩滑土体转化为泥石流的一系列物理力学过程及其动力学机理，初步建立高寒高海拔山区崩塌滑坡发生预测模型和崩滑型泥石流本构关系模型，以期探明雨水动力(降雨渗流、季节性冻土热融)作用下山地表层系统突发性环境灾变现象的基本特征和规律，为南水北调西线一期工程区山地灾害发生预测、预警和规模预测等减灾防灾系统提供基本参数和理论依据，保障国家大型调水工程施工和运行期间的工程安全，同时促进崩塌、滑坡、泥石流等山地灾害学科取得重要进展。

南水北调西线一期工程区和汶川地震灾区地处青藏高原东缘，特殊的孕灾环境和驱动力导致崩塌、滑坡、泥石流等山地灾害相当严重。通过原位观测、理论分析、模型实验和数值仿真等手段，重点探讨了山地灾变过程与机理，获得了若干新的认识和成果。.①提出崩滑土体运动的两种模式：崩滑—堆积、崩滑—流动—堆积；根据驱动力、运动特征和距离等，将崩滑—流动—堆积模式分为三个阶段：失稳阶段、转化阶段和流动堆积阶段。.②探讨了岩质边坡失稳过程与机理，以Fujimoto模型为基础，结合已提出的塑性强化接触变形理论，在构建塑性强化接触状态下颗粒微观位移模型的基础上，系统研究了切向荷载作用下塑性强化材料颗粒的接触摩擦机理，阐明了不同接触状态下塑性强化材料颗粒的切向微观位移特征。.③重点针对崩滑土体直接演化为泥石流/碎屑流的转化问题，基于散粒体理论和PFC3D平台，构建了重力和流体力共同作用下粘性崩滑土体运动模型；模型参数（粘性填隙介质切向、法向粘连强度、刚度等）通过旋转剪切实验和拉伸实验确定，建立了不同稠度粘性填隙介质力学性能与容重、距离、速度的关系；编制粘性崩滑土体运动数值仿真程序并进行不同工况的数值仿真实验，揭示了运动过程（形态、速度、冲击力等）随粘性填隙介质容重的变化特征及其力学机制；并通过物理模型实验，对理论分析和数值仿真结果进行了验证。.④针对泥石流运动过程和机理问题，开展了非均质泥石流运动特征与规模研究，提出非均质泥石流泥位特征值计算方法；开展泥石流坝后动床侵蚀实验，发现侵蚀坑，并就其纵剖面形态及最大侵蚀深度进行了探讨，为青年基金和坝后侵蚀坑能量理论奠定了基础；开展了沟道约束条件下泥石流扇状堆积试验研究，就堆积宽度、厚度、纵断面平均坡度和最大堆积长度进行有、无约束条件对比分析；分析了非均质泥石流堆积纵、横剖面粒序分布特征。.⑤在崩滑土体运动过程、机理与模型研究的基础上，结合研究区第四纪堆积物的分层特点和减灾需求，研究了粘性崩滑运动对挡墙的冲击过程、特征和最大冲击力；分析了层状土层条件下构筑物/建筑物设计中抗拔桩极限承载力和破裂面的计算方法。 .⑥观测并分析了季节性冻土区斜坡土体温度、土壤含水量、孔隙水压力等随季节和深度变化过程及其特征，计算了最大冻融深度；开展了极震区表生灾变过程及降雨观测研究，探讨了震后孕灾环境的变异和灾害危险性。.崩滑土体运动各阶段的临界判定、颗粒破碎等问题需进一步探讨。

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