基于固液耦合的滑坡碎屑流侵蚀流化机理研究

干燥的滑坡碎屑流在动力传递过程中，往往会在坡面或者沟道内，与松散、高含水基底物质发生剧烈动力侵蚀作用，导致碎屑流流动规模急剧增加，对重要工程和人员生命产生巨大威胁。同时，随着间隙流体和固体颗粒被夹带汇入碎屑流底部，两者发生物质交换，使得流动从单相转变为固液两相状态，从而对碎屑流的流变力学行为产生重要影响。然而，目前对碎屑流流化机理研究甚少。基于光滑粒子流-离散单元-有限元耦合(SPH-DEM-FEM)理论，在大型物理模型试验基础上，针对不同含水率工况，围绕干燥碎屑流与基底物质的复杂动力学过程，开展耦合数值模拟研究。结果表明：碎屑流前缘与基底接触作用主要表现为冲切破坏和犁切作用，接触面以剪切磨蚀为主，随基底应力和孔隙水压力增加，碎屑流与含水物质裹挟混合，并逐渐表现出流态化特征。侵蚀区在碎屑流冲击加载作用下，基底应力出现了“超前波动”的现象，前缘应力因碎屑流冲切作用表现为急剧升高的趋势，而侵蚀区中部基底应力因颗粒的飞跃，呈现幅度小、持续久的抛物曲线，后缘基底应力表现为峰值较前缘降低的曲线。随着基底物质由干燥工况逐渐向非饱和状态转变，接触面剪应力和含水率呈正相关趋势，基底侵蚀率、碎屑流冲击距离和最终堆积厚度随含水率呈现抛物线状相关关系。研究结果为碎屑流流化机理进行了探讨，并为类似机理研究提供了有效科学思路。