海底滑坡中滑水效應(yīng)的危害*

單治鋼 廖哲賢 董友扣 王 棟 崔 嵐

(①中國(guó)電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司， 杭州 311122， 中國(guó)) (②海洋巖土工程勘察技術(shù)與裝備浙江省工程研究中心， 杭州 311122， 中國(guó)) (③中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)， 武漢 430074， 中國(guó)) (④中國(guó)海洋大學(xué)， 青島 266100， 中國(guó)) (⑤中國(guó)科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所， 武漢 430071， 中國(guó))

0 引 言

海底滑坡作為陸相沉積物向海相運(yùn)移的主要方式之一，可以搬運(yùn)大量由砂、黏土和碎石組成的沉積物(Hampton et al.，1996； 朱超祁等， 2016； 霍沿東等， 2019)。目前已知的最大規(guī)模海底滑坡Storegga滑坡體積超過5600 km3(Kvalstad et al.，2005)。與陸地滑坡相比，海底滑坡的滑動(dòng)速度更快，可以高達(dá)35 m · s-1?；麦w材料呈非牛頓流體特性，高速運(yùn)動(dòng)的滑坡體可以對(duì)下游構(gòu)筑物(管線、纜線、防沉板和立柱等)造成嚴(yán)重破壞，并可能引發(fā)海嘯等次生災(zāi)害(Coyne et al.，2005； Nodine et al.，2006)。解秋紅等(2016)、修宗祥等(2016)和Dong et al.(2017a)采用數(shù)值方法反分析了海底滑坡的滑動(dòng)過程。部分學(xué)者研究了海底滑坡對(duì)海底構(gòu)筑物的沖擊(王立忠等， 2008；Zakeri， 2009； Liu et al.，2015； Dong et al.，2017b， 2020a； 馮斌等， 2019； 王忠濤， 2019； Fan et al.，2021)，并基于此對(duì)構(gòu)筑物的外形進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)(范寧等， 2018)。

海底滑坡的滑動(dòng)距離遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于陸上滑坡：比如 Storegga滑坡最遠(yuǎn)滑動(dòng)距離達(dá)到810 km(Kvalstad et al.，2005)，而陸上滑坡的最大滑動(dòng)距離僅為數(shù)十公里(朱超祁等， 2016)。滑水被認(rèn)為是海底滑坡高速和長(zhǎng)距離滑動(dòng)的主要原因。滑水是指環(huán)境水侵入滑坡體下方形成水墊層，使滑坡體下的基床阻力遠(yuǎn)低于滑坡體的抗剪強(qiáng)度，滑坡體得以更大的速度向前滑動(dòng)。Ilstad et al. (2004a)對(duì)大量的挪威海底滑坡案例進(jìn)行反分析發(fā)現(xiàn)：滑水產(chǎn)生的水墊層阻力比滑坡體抗剪強(qiáng)度低一個(gè)數(shù)量級(jí)?；畷?huì)引起滑坡體前端脫離主體，形成一系列獨(dú)立的滑塊。此類滑塊整體性好、底部阻力小，因而滑動(dòng)距離最遠(yuǎn)可達(dá)到數(shù)百公里。挪威FinneidFjord滑坡區(qū)域內(nèi)發(fā)現(xiàn)了大量的獨(dú)立滑塊，證明了真實(shí)海底滑坡中滑水的存在(Ilstad et al.，2004a)。De Blasio et al. (2004)通過室內(nèi)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)滑水發(fā)生后滑坡體的最大滑動(dòng)速度可達(dá)到35 m · s-1，并推算出滑動(dòng)距離可達(dá)到125 km。Elverh?i et al. (2005)采用數(shù)值模擬方法對(duì)Bear Land和Grand Banks兩處滑坡分別進(jìn)行反分析，發(fā)現(xiàn)滑水導(dǎo)致滑坡體的滑動(dòng)距離增加約30%。

目前對(duì)海底滑坡有效的研究手段還比較有限。由于海底環(huán)境復(fù)雜，且海底滑坡具有不可預(yù)測(cè)性和瞬時(shí)性，尚無法實(shí)時(shí)追蹤海底滑坡和滑水現(xiàn)象的全過程。現(xiàn)有研究主要通過物探技術(shù)獲得海底地層剖面后對(duì)海底滑坡案例進(jìn)行事件后分析(來向華等， 2000； 王磊等， 2016)，有相當(dāng)?shù)牟淮_定性。室內(nèi)試驗(yàn)可以借助高清攝像頭和粒子圖像測(cè)速(PIV)技術(shù)捕捉滑水的觸發(fā)過程(De Blasio et al.，2004； Ilstad et al.，2004a)，但是嚴(yán)重的尺度效應(yīng)問題限制了其應(yīng)用范圍。相比之下，數(shù)值分析為研究海底滑坡的滑水提供了更好的選擇，已在現(xiàn)有研究中得到了一定的應(yīng)用(Mohrig et al.，1998； 王立忠等， 2008)。

現(xiàn)有考慮滑水的海底滑坡模擬主要采用深度平均法(Imran et al.，2001)，將滑坡體簡(jiǎn)化為插塞層(Plug layer)和剪切層(Shear layer)，對(duì)插塞層內(nèi)滑坡體的滑動(dòng)速度沿深度進(jìn)行平均，可將三維或二維滑坡問題簡(jiǎn)化為二維或一維問題。因而該方法計(jì)算效率較高，特別適用于大規(guī)模海底滑坡問題。然而，該方法僅能考慮滑坡體的連續(xù)塑性變形，不能模擬滑水造成的滑坡體前端脫離主體并形成獨(dú)立滑塊的過程(Dong et al.，2020b)，因而不適用于模擬滑水作用下海底滑坡的滑動(dòng)全過程。

本文采用一種新型數(shù)值方法物質(zhì)點(diǎn)法(MPM)模擬海底滑坡的滑動(dòng)過程，考慮滑水對(duì)基床阻力的影響，分別對(duì)室內(nèi)試驗(yàn)和真實(shí)的海底滑坡案例進(jìn)行反分析，評(píng)估滑水對(duì)海底滑坡的危害范圍和滑動(dòng)形態(tài)的影響。

1 滑水的作用機(jī)制及其數(shù)值實(shí)現(xiàn)

1.1 滑水的作用機(jī)制

滑水的作用機(jī)制是一個(gè)復(fù)雜的多學(xué)科交叉問題，其困難性導(dǎo)致目前對(duì)于滑水的針對(duì)性研究還比較少(Huang et al.，1997)，國(guó)內(nèi)更是未見報(bào)道(余斌， 2007； Liu et al.，2020)。國(guó)際上De Blasio et al.(2004)和Harbitz et al.(2003)采用改進(jìn)的潤(rùn)滑理論分析了滑水觸發(fā)的力學(xué)機(jī)制，為后續(xù)研究奠定了理論基礎(chǔ)。

對(duì)海底滑坡的滑動(dòng)過程進(jìn)行簡(jiǎn)化分析，將滑坡體考慮為連續(xù)的黏彈性材料，假設(shè)一個(gè)平面滑坡體沿剛性海床滑動(dòng)，滑坡體主要受到自身浮重和水體拖曳力的影響，其中自身浮重垂直于海床方向的分量控制滑坡體的沉積過程，自身浮重沿順坡方向的分量控制滑坡體向前滑動(dòng)的動(dòng)力過程?；麦w所受阻力主要包括基床阻力τB、環(huán)境水施加的拖曳阻力τD和前端動(dòng)水壓力fp。其中基床阻力τB主要由基床土體抗剪強(qiáng)度提供，如圖1所示?；麦w頂部所受到拖曳力計(jì)算為：

(1)

式中：ρw是環(huán)境水的密度(ρw=1000 kg · m-3)；CF是一個(gè)常數(shù)，文獻(xiàn)(De Blasio et al.，2004)建議取值為0.003～0.005；u是滑坡體的滑動(dòng)速度。前端動(dòng)水壓力為：

(2)

式中：CP是一個(gè)常數(shù)，其取值可由文獻(xiàn)(Newman， 1977)查得。前端動(dòng)水壓力部分主要影響滑坡體的形態(tài)，對(duì)滑坡體的動(dòng)力特性影響較小，因此本文中不予考慮。

運(yùn)動(dòng)過程中，滑坡體前端趾部滯點(diǎn)處受到環(huán)境水的動(dòng)水壓力最大，可計(jì)算為：

(3)

當(dāng)該動(dòng)水壓力大于滑坡體前端的浮重時(shí)，滑坡體前端上翹，部分環(huán)境水侵入滑坡體底部，逐漸形成水墊層：

(4)

式中：ρ是滑坡體的密度；D是滑坡體厚度；g是重力加速度；θ是坡度。式(4)可變形為：

(5)

式中：Fc是一個(gè)表示滑水觸發(fā)時(shí)機(jī)的常數(shù)，文獻(xiàn)(De Blasio et al.，2004)根據(jù)一系列小尺度室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)得該常數(shù)通常為0.3，而對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)真實(shí)滑坡案例可取值為1。式(4)表明，滑水發(fā)生時(shí)滑坡體的滑動(dòng)速度必須大于某一個(gè)臨界速度。當(dāng)滑水發(fā)生后滑坡體底部的阻力由水墊層提供，因而其數(shù)值為：

(6)

式中：μw是水墊層的黏性，文獻(xiàn)(De Blasio et al.，2004)中取值為0.01；Dw是水墊層的厚度；fw是水墊層的消散量，用于表征水墊層維持的時(shí)間，本文中不予考慮。

圖 1 滑坡體受力示意圖Fig. 1 Schematic for sliding mass

1.2 滑水的物質(zhì)點(diǎn)法實(shí)現(xiàn)

物質(zhì)點(diǎn)法是任意拉格朗日-歐拉法的一種，采用拉格朗日物質(zhì)點(diǎn)描述材料的歷史信息(質(zhì)量、體積、密度、速度、變形梯度和應(yīng)力等)，并在歐拉網(wǎng)格上求解控制方程(de Vaucorbeil et al.，2020； Nguyen et al.，2020；Sun et al.，2020；Yuan et al.，2021)。物質(zhì)點(diǎn)法的主要計(jì)算步驟包括： (1)物質(zhì)點(diǎn)向網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)投影； (2)計(jì)算網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)速度和加速度； (3)更新物質(zhì)點(diǎn)的應(yīng)力和其他狀態(tài)信息； (4)更新物質(zhì)點(diǎn)位置。計(jì)算前，將滑坡體材料離散為一系列物質(zhì)點(diǎn)，將計(jì)算區(qū)域劃分成網(wǎng)格單元。計(jì)算時(shí)，首先將物質(zhì)點(diǎn)上的速度、質(zhì)量、體積和應(yīng)力等信息投影到網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)上，在節(jié)點(diǎn)上建立平衡方程求解出下一時(shí)步的速度場(chǎng)，之后將新的速度和加速度投影給物質(zhì)點(diǎn)，用于更新其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和變形、應(yīng)力等信息。計(jì)算過程中，網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)上的信息都為臨時(shí)信息，不保存任何歷史信息。網(wǎng)格在空間中的位置固定，不會(huì)像傳統(tǒng)有限元法單元那樣隨著材料的運(yùn)動(dòng)而發(fā)生變形，避免了網(wǎng)格畸變的問題，因此非常適合處理海底滑坡在滑動(dòng)過程中的大變形問題(Soga et al.，2016；Yerro et al.，2016； 厲成陽等， 2018)。

本文中的分析基于自主開發(fā)的物質(zhì)點(diǎn)法程序MPM-GeoFluidFlow，基于顯式積分采用二次形函數(shù)進(jìn)行插值求解，采用柯西應(yīng)力描述應(yīng)力狀態(tài)，應(yīng)力增量采用Jaumann率表述以遵從有限應(yīng)變?cè)?。該程序的特色功能?項(xiàng)： (1)對(duì)程序進(jìn)行大規(guī)模GPU并行(Dong et al.，2015， 2018)，計(jì)算效率較CPU單核模擬最大提高約900倍； (2)采用先進(jìn)的接觸算法Geo-contact(Ma et al.，2014)，在土體-結(jié)構(gòu)物接觸的模擬中可以得到平滑的接觸反力； (3)對(duì)變形過大出現(xiàn)空隙或團(tuán)塊的物質(zhì)點(diǎn)重新生成(Dong， 2020)。

與傳統(tǒng)的CPU相比，GPU擁有更多的計(jì)算核心和更強(qiáng)的批處理能力，因此具有更好的并行加速潛力。然而，GPU并行的架構(gòu)與CPU并行差異較大，已有CPU并行的程序并不能直接移植到GPU平臺(tái)，因此，需要對(duì)程序架構(gòu)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，以最大程度發(fā)揮GPU計(jì)算核心的效力。并行過程中，需要特別注意保持各個(gè)計(jì)算線程之間的相互獨(dú)立性，防止出現(xiàn)顯存訪問競(jìng)爭(zhēng)問題。GPU顯存到主機(jī)內(nèi)存之間數(shù)據(jù)傳輸速度較慢，因此，并行計(jì)算時(shí)，首先將所有變量傳輸?shù)紾PU的顯存中，以避免頻繁的變量傳輸。對(duì)于計(jì)算步(2)和(3)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)的信息更新均采用一個(gè)核心進(jìn)行計(jì)算，所有核心的計(jì)算同時(shí)進(jìn)行，由于相互之間有較好的獨(dú)立性，因此具有良好的可并行性。類似的，對(duì)于計(jì)算步(4)，每個(gè)物質(zhì)點(diǎn)的信息更新采用一個(gè)核心進(jìn)行計(jì)算，并將所有核心同時(shí)進(jìn)行并行計(jì)算。但對(duì)于計(jì)算步(1)，傳統(tǒng)的線行計(jì)算中一般將不同的物質(zhì)點(diǎn)信息依次投影給周圍的節(jié)點(diǎn)，直接用到并行計(jì)算中時(shí)會(huì)產(chǎn)生線程間的相互干擾。本文程序采用的解決方案是首先建立每個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的物質(zhì)點(diǎn)列表，在并行計(jì)算中將每個(gè)節(jié)點(diǎn)的投影計(jì)算進(jìn)行線行計(jì)算，對(duì)不同的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行并行計(jì)算(Dong et al.，2015， 2018)。

(7)

式中：Ai和mi分別是節(jié)點(diǎn)i所表征的面積和質(zhì)量； Δt是時(shí)間步長(zhǎng):

(8)

式中：G和λ分別是剪切模量和拉梅常數(shù)；d為網(wǎng)格尺寸；α為系數(shù)。

2 室內(nèi)水槽試驗(yàn)

小尺度的室內(nèi)水槽試驗(yàn)可簡(jiǎn)化海底滑坡滑動(dòng)過程中復(fù)雜的海底環(huán)境，對(duì)主要控制因素進(jìn)行精細(xì)化還原，因而可用于復(fù)現(xiàn)海底滑坡滑水效應(yīng)的發(fā)生過程。本文中模擬的室內(nèi)水槽試驗(yàn)包含陸上滑坡(無水環(huán)境)和海底滑坡(有水環(huán)境)兩組對(duì)照試驗(yàn)(De Blasio et al.，2004)。水槽在長(zhǎng)度5.7 m內(nèi)坡度為5°； 在此距離(坡折點(diǎn))以外坡度減小至1°。滑坡體材料的初始形狀為高0.11 m，長(zhǎng)2 m，截面積0.15 m2的橢圓形?；麦w材料表觀密度為1600 kg · m-3，抗剪強(qiáng)度與剪切應(yīng)變率關(guān)聯(lián)并考慮強(qiáng)度軟化的影響(范寧等， 2018):

(9)

陸上滑坡在滑坡體的自重(ρgcosD)驅(qū)動(dòng)下向前滑動(dòng)，并受到基底的摩擦阻力，最終滑動(dòng)距離約為5 m，在坡折點(diǎn)(5.7 m)前停止，最終滑動(dòng)形態(tài)如圖 2 所示。5 s時(shí)滑坡體的速度云圖如圖 3 所示。

圖 2 小尺度水槽試驗(yàn)滑動(dòng)距離Fig. 2 Small-scale flume test results

圖 3 陸上滑坡體速度云圖(時(shí)刻5 s)Fig. 3 Velocity contour for subaerial sliding mass(time 5 s)

對(duì)于水下滑坡，滑坡體在環(huán)境水的浮力作用下所受的自重驅(qū)動(dòng)力((ρ-ρw)gcosD)較小。若不考慮滑水的作用，其滑動(dòng)距離僅為約0.7 m (圖 2)。而在試驗(yàn)中水下滑坡的滑動(dòng)距離長(zhǎng)達(dá)7.5 m，其主要原因是發(fā)生了滑水現(xiàn)象?？紤]不同的基底阻力τB，進(jìn)行參數(shù)分析，得到了不同的最終滑動(dòng)距離S：τB=36 Pa，S=1.2 m;τB=20 Pa，S=6.4 m;τB=18 Pa，S=7 m。其中：當(dāng)τB=18 Pa時(shí)，滑坡體最終滑動(dòng)距離與試驗(yàn)中最為接近。由此可見，試驗(yàn)中滑坡體所受到的基底阻力平均值約為18 Pa，該值遠(yuǎn)小于滑坡體的抗剪強(qiáng)度初始值。采用式(5)考慮滑水的觸發(fā)時(shí)機(jī)，其中，F(xiàn)c取值為0.3。當(dāng)滑坡體發(fā)生滑水時(shí)滑坡體底部的阻力由式(6)計(jì)算得到，最終預(yù)測(cè)的滑動(dòng)距離與試驗(yàn)較接近，為8.4 m。

通過上述對(duì)比可發(fā)現(xiàn)，物質(zhì)點(diǎn)法可較好地模擬海底滑坡的大變形滑動(dòng)過程，能夠有效地復(fù)現(xiàn)滑水的觸發(fā)和發(fā)展過程，在預(yù)測(cè)滑坡體的滑動(dòng)距離方面有較高的精度。相比之下，DAM方法由于對(duì)速度進(jìn)行深度平均的先天不足，無法準(zhǔn)確預(yù)測(cè)滑動(dòng)過程中滑坡體的速度分布，在對(duì)具體案例進(jìn)行分析時(shí)限制性較大?？紤]海底滑坡過程中的滑水時(shí)，滑坡體前端滑動(dòng)速度遠(yuǎn)大于滑坡體尾部，因而物質(zhì)點(diǎn)法模擬結(jié)果中滑坡體前后出現(xiàn)分離現(xiàn)象。該現(xiàn)象在試驗(yàn)中也被觀測(cè)到(圖 2)，在真實(shí)滑坡中分離的滑坡體前端部分將會(huì)形成若干離散的塊體分布在滑坡的運(yùn)動(dòng)軌跡上。文獻(xiàn)(De Blasio et al.，2004)的DAM分析中僅考慮滑坡體為連續(xù)體，因而未能反映滑坡體的分離現(xiàn)象，由此可見，在海底滑坡的滑動(dòng)模擬中，物質(zhì)點(diǎn)法比DAM方法更具優(yōu)勢(shì)，而DAM方法主要用于海底管線路由設(shè)計(jì)中粗略估計(jì)潛在海底滑坡影響范圍，且不能對(duì)海底滑坡和管線的相互作用進(jìn)行分析(王立忠等， 2008； Zakeri， 2009； Liu et al.，2015； Dong et al.，2017b， 2020a； 馮斌等， 2019； 王忠濤， 2019)?；瑒?dòng)過程中(5 s)滑坡體的速度分布如圖 4 所示，滑動(dòng)全過程中滑坡體的速度與位移時(shí)程變化趨勢(shì)如圖 5 所示。

圖 4 水下滑坡體速度云圖(時(shí)刻5 s)Fig. 4 Velocity contour for submarine sliding mass(time 5 s)

圖 5 滑坡體速度位移時(shí)程曲線Fig. 5 History of velocity and displacement of sliding mass

3 真實(shí)滑坡案例分析

一處真實(shí)的岸坡垮塌造成的海底滑坡發(fā)生在北挪威的Finneidfjord灣區(qū)，超過百萬立方米的土體發(fā)生了位移。關(guān)于事件后的沉積物性狀和滑動(dòng)區(qū)環(huán)境特征等詳見文獻(xiàn)(Ilstad et al.，2004b)，調(diào)查結(jié)果顯示該滑坡主要由淺層氣體造成。整個(gè)滑坡區(qū)域可以劃分成4小塊，如圖 6 所示。其中沉積物主體分布在A區(qū)域，該區(qū)域在滑坡體原始位置的1 km范圍內(nèi)，坡度約2.86°； 在A區(qū)域以外，散布著不同尺寸的滑出塊體，其中最大的塊體尺寸110 m×60 m×2 m，體積約1.2萬立方米，最終在D區(qū)停止。區(qū)域B和C的坡度分別為0.94°和0.46°。對(duì)現(xiàn)場(chǎng)海床土體進(jìn)行鉆孔取樣并分析得出，土體的軟化系數(shù)為5～35，原狀土不排水抗剪強(qiáng)度為10～15 kPa。根據(jù)地質(zhì)條件綜合分析表明，滑水是造成滑坡體超遠(yuǎn)滑動(dòng)并分離成離散滑塊的主要原因。

圖 6 Finneidfjord滑坡地形圖和沉積物抗剪強(qiáng)度(Ilstad et al., 2004a)Fig. 6 Morphology and sediment strength in Finneidfjord slide(Ilstad et al., 2004a)a. 滑坡區(qū)分為4個(gè)區(qū)域; b. 滑出塊體不排水抗剪強(qiáng)度

物質(zhì)點(diǎn)法分析中，原始滑坡體簡(jiǎn)化為高度25 m，上底30 m，下底110 m的梯形平面體，單元尺寸0.25 m。原狀土強(qiáng)度15 kPa，軟化系數(shù)為10?；麦w材料浮密度為500 kg · m-3。模型底邊界模擬海床表面，初始為無滑動(dòng)邊界，發(fā)生滑水時(shí)為部分滑動(dòng)邊界。模型兩側(cè)和上邊界皆為自由邊界?；麦w的楊氏模量為500su0，泊松比為0.49，重力加速度g=9.81 m · s-2。由于本構(gòu)模型存在分叉不連續(xù)問題，因此對(duì)于具有強(qiáng)烈應(yīng)變軟化特性的土的計(jì)算往往會(huì)受到網(wǎng)格依賴性的困擾(圖 7)。本文的計(jì)算中發(fā)現(xiàn)，采用網(wǎng)格尺寸0.25 m和0.125 m時(shí)滑坡體前端滑出塊體的運(yùn)動(dòng)機(jī)制一致，對(duì)計(jì)算結(jié)果不會(huì)產(chǎn)生過大影響，如圖 7 所示。當(dāng)不考慮滑水效應(yīng)時(shí)，滑出塊體長(zhǎng)約70 m，高約9 m?；鰤K體在A區(qū)(0～1 km)內(nèi)驅(qū)動(dòng)力約為2.2 kPa，高于基底阻力(1.5 kPa)，因此滑塊始終保持加速，但速度較小，僅為0.2 m · s-1左右(圖 8a)； 當(dāng)滑塊進(jìn)入B區(qū)后(1～1.2 km)，其內(nèi)驅(qū)動(dòng)力約為0.7 kPa，低于基底阻力(1.5 kPa)，因此滑塊始終保持減速，很快在B區(qū)停止?？紤]滑水效應(yīng)后，滑出塊體所受基底阻力主要由水墊層提供，其數(shù)值約為350 Pa，低于滑塊在A、B、C區(qū)中的驅(qū)動(dòng)力，因此滑塊始終保持加速，最終在D區(qū)由于地形變化而停止。考慮滑水效應(yīng)后，滑坡體最大滑動(dòng)速度可達(dá)17 m · s-1(圖 8b)，并最終在C區(qū)中部停止(圖 9)。在滑出塊體滑動(dòng)沿程，可見滑坡體變形產(chǎn)生的明顯滑動(dòng)痕跡。

圖 7 不同網(wǎng)格尺寸對(duì)滑動(dòng)距離和滑動(dòng)形態(tài)的影響Fig. 7 Influence of mesh size on runout distance and morphologya. 網(wǎng)格尺寸0.25 m(1000 s); b. 網(wǎng)格尺寸0.125 m(1000 s)

圖 8 滑水對(duì)滑坡體滑動(dòng)距離和滑動(dòng)形態(tài)的影響Fig. 8 Influence of hydroplaning on runout distance and morphologya. 無滑水； b. 有滑水

圖 9 考慮滑水效應(yīng)時(shí)滑坡體的最終形態(tài)Fig. 9 Final morphology of sliding mass with hydroplaning

對(duì)比物質(zhì)點(diǎn)法計(jì)算結(jié)果和真實(shí)滑坡遺跡可發(fā)現(xiàn)，物質(zhì)點(diǎn)法模擬中考慮滑水效應(yīng)時(shí)滑坡體的最遠(yuǎn)滑動(dòng)距離與真實(shí)距離較接近，進(jìn)一步表明物質(zhì)點(diǎn)法具有較高的準(zhǔn)確性和可靠性。盡管應(yīng)變軟化本構(gòu)模型具有網(wǎng)格依賴性的不足(其他數(shù)值方法中也同樣存在此問題)，不能準(zhǔn)確捕捉滑坡體的最終形態(tài)，但是前端滑塊的滑動(dòng)特性較接近，最終預(yù)測(cè)的滑塊最遠(yuǎn)距離有較高的可信度。對(duì)比分別考慮和不考慮滑水效應(yīng)的模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)，滑水效應(yīng)是Finneidfjord滑坡中滑坡體具有高動(dòng)力性能的主要原因，進(jìn)一步驗(yàn)證了前人研究中關(guān)于滑水效應(yīng)的重要性和危害性的分析。

4 結(jié) 論

物質(zhì)點(diǎn)法是一種新型數(shù)值方法，通過追蹤物質(zhì)點(diǎn)的移動(dòng)描述材料的變形過程，可以有效地模擬海底滑坡等大變形問題。本文采用自主研發(fā)的物質(zhì)點(diǎn)法程序MPM-GeoFluidFlow模擬海底滑坡的滑動(dòng)過程，考慮滑水對(duì)基床阻力的影響，分別對(duì)室內(nèi)試驗(yàn)和真實(shí)的海底滑坡案例進(jìn)行了反分析。主要結(jié)論如下：

(1)通過對(duì)比有滑水和無滑水條件的計(jì)算結(jié)果，驗(yàn)證了滑水是海底滑坡超遠(yuǎn)距離和超快速度滑動(dòng)的主要原因，并據(jù)此評(píng)估了滑水對(duì)海底滑坡危害范圍和滑動(dòng)形態(tài)的影響，為實(shí)際工程中的應(yīng)用提供了便利。

(2)計(jì)算結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證了物質(zhì)點(diǎn)法在模擬海底滑坡的滑動(dòng)過程時(shí)的可靠性和精確度，為相關(guān)類似研究提供了參考。