《Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering》：Experimental investigation and numerical modeling of substrate erosion and entrainment in rock avalanches
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本研究针对岩屑崩滑体运动过程中基质侵蚀与裹挟效应难以精确模拟的难题，通过自主研发大型实验装置开展物理模拟，揭示了侵蚀荷载下基质的变形与运移机制，并据此开发了创新性侵蚀模型。该模型首次纳入坡度平行压力梯度诱导的纵向推力，并区分供给无限与有限条件，进而嵌入多相质量流模拟框架，成功应用于白格与色东普等实际灾害案例的模拟，结果与实地观测高度吻合。该研究为岩屑崩滑灾害的动力过程模拟与风险评估提供了更精确的理论工具。
在高山峡谷地区，大规模的岩屑崩滑是一种破坏力极强的地质灾害。这些事件通常具有高速、远程和超大体积的特征，对人民生命财产和重大工程安全构成严重威胁。尤为关键的是，岩屑崩滑在其运动路径上会剧烈地侵蚀和裹挟地表的松散覆盖层（如崩积物、冰碛物、残积土等），这一过程能使其体积显著放大（甚至可增加一个数量级），并极大地扩展其淹没范围，从而急剧加剧灾害的规模。例如，2000年的易贡岩屑崩滑，初始失稳岩体约1亿立方米，但在运动中裹挟了约2亿立方米的物质；2018年的色东普沟事件，初始失稳体积约700万立方米，通过强烈侵蚀裹挟，最终体积超过1亿立方米，形成了堵江堰塞湖。因此，如何有效地模拟岩屑崩滑的运移过程，同时精确考量侵蚀和裹挟的关键作用，已成为灾害评估领域一个长期存在的核心挑战与难题。
尽管基于深度平均理论的二维模型被广泛用于模拟复杂地形上的颗粒质量流动，但在处理可侵蚀基质时，早期的模型多依赖于经验法则来估算侵蚀率，其可靠性严重依赖于参数的试错调整，缺乏真实的物理力学过程基础。近年来，越来越多的半物理或全物理侵蚀模型被提出并嵌入深度平均框架。然而，由于缺乏来自野外观测或大型物理实验的高时空分辨率数据来约束对真实物理过程的理解，对侵蚀引起的流动体积和流变学变化的建模研究仍有待深入。根本上，基质是否失稳取决于流动施加的侵蚀荷载与基质材料提供的侵蚀抗力之间的竞争。准确刻画这两种力至关重要，但它们密切受所涉及材料固有力学行为的控制。此外，岩屑崩滑通常被视为干颗粒流，而可侵蚀基质通常由固相和间隙粘性流体组成。常用的有效单相模型将固-流体混合物视为均质介质，无法解释由固体颗粒和间隙粘性流体的持续裹挟所驱动的流动成分、整体密度和体积沉积物浓度的动态演化。这种演化会显著改变流动内部和侵蚀界面处摩擦应力和粘性应力的时空分布。
为了攻克这些难题，论文发表在《Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering》上的这项研究，开展了一项结合大规模物理实验与创新数值模拟的综合研究。研究人员首先利用自主研发的大型实验装置，进行了一系列关于流动-基质侵蚀与裹挟的物理实验，重点观察了在强烈侵蚀荷载下基质的变形和运移行为。基于实验观察到的物理机制，他们开发了一个新的侵蚀模型。该模型不仅考虑了流动施加的基底剪切力，还首次明确纳入了由流动或相邻基质柱体施加的法向应力贡献，这部分贡献可解释为作用于基质单元的、由坡度平行压力梯度诱导的纵向推力。同时，模型通过识别侵蚀破坏是分布在基质体内还是局部化沿其基底发生，来区分供给无限和供给有限的条件。随后，该侵蚀模型被嵌入到一个多相质量流模拟框架中，形成了一种能够模拟真实世界岩屑崩滑运移过程的新方法，并明确考虑了侵蚀和裹挟的关键效应。最后，将该模型应用于中国白格和色东普岩屑崩滑的模拟，并将结果与另一种常用侵蚀模型的模拟结果进行了对比评估。
为开展研究，作者主要应用了以下几项关键技术方法：首先是利用自主研发的大型实验装置进行物理模拟，该装置包括料斗、可变坡度斜槽和水平沉积平台，使用高速摄像机和粒子图像测速技术（PIV）捕捉流动-基质相互作用动力学，并通过三维激光扫描获取侵蚀分布和净体积变化量；其次，在测量模块中集成三轴力传感器和孔隙压力传感器，采集基底应力和孔隙压力信号；最后，基于深度平均的双相质量流模型框架，将新开发的侵蚀模型以源项形式嵌入，进行数值模拟。用于验证的案例数据来源于实地勘察和无人机航测获取的高分辨率数字高程模型（DEM）。
2. 来自大规模实验的启示
2.1. 实验描述
实验装置主要包括一个料斗、两个可变坡度斜槽和一个水平沉积平台。料斗中填充1000公斤粒径为16-32毫米的棱角状石英颗粒。两个斜槽的坡度分别固定为50°和30°，以最大化槽间转折角，促进在坡度转折处产生显著的冲击效应。在第二个斜槽的上游6.5米处嵌入可侵蚀的松散填充基质。通过改变基底抗滑条的间距来控制基底粗糙度，并设置不同的基质厚度和含水条件（T1-T4实验组）。使用两台高速摄像机记录过程，并采用PIV技术分析流速场和基质变形场。在槽底安装测量模块，包含三轴力传感器和孔隙压力 transducer，采集基底应力和孔隙压力信号。实验前后使用三维激光扫描仪扫描可侵蚀区，获取精确的三维点云数据以确定侵蚀分布。
2.2. 观察与启示
2.2.1. 侵蚀-裹挟动力学
以T1组为例，在近端侵蚀区，坡度转折点附近促进了碰撞流态的发展，流动前沿穿透基质，迫使松散材料变形和向下坡方向平移，导致基质被快速完全裹挟，呈现供给有限条件。在中间侵蚀区，颗粒流以高剪切率平行于近地表基质流动，动量传递主要由基底剪切磨蚀主导，诱导形成具有深度依赖性剪切变形的活化基质层，呈现供给无限条件。对于不同的干基质实验组（T1, T2, T3），PIV分析表明，基底粗糙度的降低和基质厚度的减小都会显著加剧基质变形速度，并使速度剖面从无非基底滑移的准线性形式转变为具有显著基底滑移的准栓塞状运动。对于含水基质（T4），监测到的力学参数演化复杂，孔隙压力曲线可划分为四个阶段：冲击诱导的接触前超孔隙水压力激增（I阶段）、侵蚀收缩相关的超孔隙水压力上升（II阶段）、侵蚀破坏相关的超孔隙水压力下降（III阶段）和裹挟剪切收缩相关的超孔隙水压力上升（IV阶段）。
2.2.2. 对侵蚀模型的启示
实验观察对现有侵蚀模型提出了挑战。首先，常用模型采用莫尔-库仑有效强度作为基质可蚀性的关键指标，但无法量化具有相同力学性质但基底粗糙度和厚度不同的基质在侵蚀变形速度上的观测差异。基底粗糙度和厚度通过影响力链的形成、生存和失效，临界地控制着基质的力学响应。其次，实验表明侵蚀裹挟主要由流动前沿驱动，而现有模型通常将基底剪切作为侵蚀的主要驱动力，且缺乏明确的与坡度变化相关的项，使其难以刻画在坡度突然变缓处由犁削机制引起的快速大量裹挟，该机制根本上是由作用于垂直流动方向表面的法向应力驱动的。
3. 数值模拟
3.1. 侵蚀模型
基于实验启示，研究提出了一个新的侵蚀模型。模型对单位面积侵蚀单元，考虑了作用于其上边界的侵蚀荷载（τ1x）、下边界的抗力（τ2x），以及由流动或相邻基质柱体施加的法向压应力（σ1x）和抗滑应力（σ2x）。推导表明，潜在侵蚀基质单元不仅受到基底剪应力和抗力，还受到由总厚度H的空间变化诱导的坡度平行压力梯度产生的净贡献，该机制在陡坡到缓坡的突变处尤其显著。侵蚀剪应力（τ1x）考虑了流动混合物中固相和流体相体积分数控制的库仑型固相应力和湍流型流体相应力的组合贡献。模型设定了两种极限平衡条件准则：对于供给无限条件（侵蚀破坏分布于基质体内），屈服应力遵循有效莫尔-库仑准则，并考虑孔隙水导致的强度弱化；对于供给有限条件（侵蚀破坏沿基底边界发生），屈服应力由基底界面摩擦控制。基质单元的抗侵蚀能力取二者中的最小值。
3.2. 模拟框架
模拟框架建立在由Pudasaini (2012) 和 Mergili 等人 (2017) 提出的深度平均双相质量流模型之上。该模型由固相和流体相的质量和动量守恒定律控制，并结合了莫尔-库仑塑性准则和非牛顿流变律。新侵蚀模型在每个计算时间步作为力平衡条件引入，求解所需的侵蚀深度，进而量化相应的相态侵蚀速率，并将裹挟物质作为源项纳入守恒方程。
4. 模型验证
4.1. 白格滑坡
以2018年11月3日发生的第二次白格滑坡为例进行模拟。模拟域采用10米网格离散。将新侵蚀模型嵌入模拟框架，模拟了滑坡启动后与侵蚀区基质相互作用、裹挟物质、涌入金沙江并形成堰塞坝的过程。模拟结果显示了流动前沿主导的侵蚀特征，以及最终沉积范围与实地观测高度吻合。
4.2. 色东普沟
以2018年10月16日色东普岩屑崩滑为例进行模拟。模拟域采用15米网格离散。源区材料简化为单一均质材料，侵蚀区基质简化为固相和孔隙流体的两相混合物。模拟再现了高位岩冰体失稳后，在沟道内强烈侵蚀裹挟、转向、最终堵江的动态过程。模拟的总持续时间与地震信号记录的灾害持续时间（约300秒）接近，最终沉积范围与实际堰塞坝几何特征吻合良好。
5. 对比分析与讨论
研究还将常用的Mergili等人 (2017) 提出的侵蚀模型（基于流动动量的半经验模型）应用于色东普案例进行对比。对比发现，虽然两种模型都能通过参数校准合理再现总侵蚀体积和沉积范围，但在侵蚀裹挟的时空分布模式上存在显著差异。新模型由于考虑了坡度平行压力梯度诱导的纵向推力，产生了显著的流动前沿主导的裹挟机制，导致固相体积分数的降低主要集中在流动前沿。这种差异改变了流动几何形态和局部固-流体相组成，进而影响相同质量动量交换和耦合，最终导致不同的流动动力学行为。新模型更准确地捕捉了实验和野外观测到的基质裹挟主要发生在流动前沿附近的现象。
6. 结论
本研究通过物理实验和数值模拟，在岩屑崩滑侵蚀裹挟效应研究方面取得了重要进展。实验揭示了侵蚀-裹挟动力学的高度复杂性，其与空间位置和基质配置密切相关。基于实验启示开发的新侵蚀模型，创新性地引入了坡度平行压力梯度诱导的纵向推力，并区分了供给无限和有限条件。将该模型嵌入多相流模拟框架，形成了能更精确模拟真实灾害过程的新方法。应用和对比分析表明，侵蚀模型控制的裹挟空间模式和强度会改变流动几何形态和流变特性，从而深刻影响流动动力学。该模型为岩屑崩滑灾害的动力过程模拟和风险评估提供了更接近物理实际和观测事实的工具。
研究表明，对侵蚀物理机制的深入理解是改进数值模拟的关键。未来的研究可进一步考虑冰相融化等热-水-力耦合过程，以及应力传播等更复杂的微观力学行为，以不断提升模拟的逼真度和预测能力。
