综述:滑坡灾害链中地球物理颗粒流体的经典、现代及基于物理学的流变学定律

【字体: 时间:2025年06月24日 来源:Earth-Science Reviews 10.8

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  这篇综述系统梳理了滑坡灾害链中地球物理颗粒-流体混合物流变学定律的三大类:经典(固定流变指数n)、现代(基于流变参数μ(I))和基于物理学的多相混合模型(结合固-液相作用力)。文章创新性地提出按固体浓度CV划分流态,强调流变行为随流态演变的动态特性,为灾害模拟(如FLO-2D、r.avaflow工具)和风险评估提供理论框架。

  

滑坡灾害链中的流变学演进

Abstract
地球物理颗粒与含颗粒流体在滑坡灾害链中呈现复杂流变行为。传统单相流变模型(如牛顿流体n=1)难以描述其动态演变,现代μ(I)流变学通过惯性数I关联剪切应力τ与压力p,而基于物理学的多相模型进一步整合固-液相互作用力(如拖曳力、浮力),揭示相分离(如干颗粒前锋-富水尾迹)等关键现象。

Landslide hazard chains
滑坡灾害链包含岩土体失稳、破碎(fragmentation)到流体化流动的全过程。气候变暖加剧的降雨(Jemec Aufli? et al., 2023)与地震(Zhang et al., 2016)等触发因素,导致流动混合物性质在运移中剧烈演变(如侵蚀、颗粒分选)。

Flowing mixture classification
按固体体积浓度CV划分:稀相(CV<0.2)、中等浓度(0.2<>V<0.5)和稠密相(CV>0.5)。黏土颗粒的胶体作用(Brader, 2010)与粗颗粒的碰撞摩擦(Bagnold, 1954)共同主导流变响应。

Continuum conceptualization
连续介质框架下,单相模型(如Savage-Hutter方程)、两相模型(Pitman-Le, 2005)与多相模型(Pudasaini-Mergili, 2019)分别对应不同计算复杂度。多相模型通过质量-动量守恒方程耦合相间作用力Fi,更精准描述堤坝形成(levee formation)等现象。

Flow index classification
经典流变指数n界定流变特性:n=0(固体塑性)、n=1(牛顿流体)、0<><>

Flow regime classification
现代流变学通过无量纲数(如惯性数I=γ?d/√(p/ρs))划分流态:准静态(I<10-3)、中间态(10-3<>-1)和惯性态(I>10-1)。μ(I)关系式(Midi, 2004)成功预测不同CV下τ的非线性变化。

Physics-based mixture rheological laws
应力张量σi= -pδ + τi中,τi包含固相摩擦应力(μ(I)p)与液相黏性应力(ηfγ?)。Pudasaini模型(2012)引入相间动量交换项,定量描述侵蚀(erosion)导致的质量增加效应。

Summary and outlook
未来需开发统一流变框架,整合温度效应(如冰岩崩解Pudasaini, 2024)、细颗粒流失(Zhang et al., 2016)等变量,推动FLO-2D等工具的灾害预测精度。

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