滑源區(qū)粒序分布及顆粒粒徑對(duì)碎屑流沖擊作用的影響研究

張志東，樊曉一,2，姜元俊

（1.西南科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，四川 綿陽 621010；2.工程材料與結(jié)構(gòu)沖擊振動(dòng)四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 綿陽 621010；3.中國科學(xué)院成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所，四川 成都 610041）

滑坡碎屑流是我國山區(qū)常見的地質(zhì)災(zāi)害，具有突發(fā)性高、破壞性強(qiáng)的特點(diǎn)，嚴(yán)重威脅著山區(qū)的交通工程、建筑安全，其致災(zāi)機(jī)制和防治措施是山區(qū)工程建及設(shè)防災(zāi)減災(zāi)需要解決的關(guān)鍵問題。滑坡碎屑流的顆粒粒序分布和粒徑是影響其致災(zāi)速度、攔擋堆積和沖擊力分布的重要因素。滑源區(qū)巖體性質(zhì)的差異及結(jié)構(gòu)分布控制了滑坡碎屑流運(yùn)動(dòng)過程中的粒徑大小和運(yùn)動(dòng)分布。一般而言，強(qiáng)度高的堅(jiān)硬巖體在運(yùn)動(dòng)過程中，破碎程度較低，易形成大粒徑塊體；強(qiáng)度低的軟巖體在運(yùn)動(dòng)過程中顆粒破碎程度高，易形成小粒徑塊體；而介于之間的較硬巖體易形成中等粒徑的塊體。此外，處于不同地層的巖體，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的差異同樣會(huì)造成破碎程度的差異。因此，明確滑源區(qū)粒序分布及顆粒粒徑對(duì)滑坡碎屑流沖擊作用的影響，對(duì)滑坡碎屑流的預(yù)防與治理及建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與規(guī)劃具有重要的科學(xué)意義。

由于碎屑流內(nèi)部不同粒徑大小的顆粒其物理力學(xué)性質(zhì)存在差異，粗大顆粒的碰撞分離有利于塊體之間的能量傳遞[1-3]，對(duì)滑體沖擊作用影響顯著；而高速流動(dòng)的細(xì)粒組分，在上部滑體物質(zhì)的壓力下有利于滑動(dòng)面顆粒液化效應(yīng)，并使得碎屑流速度進(jìn)一步提升[4]。此外，大、小粒徑顆粒的含量、粒徑差還會(huì)影響顆粒的分選程度及堆積形態(tài)[5-7]；碎屑流的粒序排布可分為正粒序、反粒序和混雜粒序3種，部分研究結(jié)果表明，不同的初始粒序排布會(huì)通過不同顆粒分選模式造成不同的沖擊效應(yīng)，并塑造出不同的反粒序堆積形態(tài)[8]。因此滑坡碎屑流巖土體粒徑大小及粒序分布制約著滑體的運(yùn)動(dòng)特征，影響了滑體的沖擊作用，決定了碎屑流的致災(zāi)程度。不同粒徑大小及粒序分布的巖土體，其運(yùn)動(dòng)過程中的速度-時(shí)程分布與演化、堆積形態(tài)及長度、深度分布特征和沖擊力等因素關(guān)系到碎屑流致災(zāi)機(jī)制的研究。

雖然運(yùn)用能量傳遞理論[1-3]、振動(dòng)篩分假說[9-10]、顆粒分選效應(yīng)[11-13]的理論模型能較為合理地解釋碎屑流運(yùn)動(dòng)特征及沖擊作用，物理模型試驗(yàn)研究[14-16]及數(shù)值模擬研究[17-20]也基本還原、驗(yàn)證了實(shí)際碎屑流的運(yùn)動(dòng)及沖擊參數(shù)，但現(xiàn)有研究對(duì)不同巖性結(jié)構(gòu)和組合控制的顆粒粒徑及滑源區(qū)初始粒序分布對(duì)滑體運(yùn)動(dòng)和沖擊作用影響的探討較少。本文在物理模型試驗(yàn)[14]的基礎(chǔ)上。運(yùn)用離散元軟件PFC3D建立顆粒、滑槽與擋墻的數(shù)值模型，在取得物理模型驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，探究滑源區(qū)粒序分布及顆粒粒徑對(duì)碎屑流沖擊作用的影響，為滑坡碎屑流預(yù)防與治理、建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與規(guī)劃提供理論參考。

1 三維離散元模型

1.1 模型建立

如圖1所示，碎屑流底板長2.7 m，滑槽寬0.3 m，高0.35 m，擋墻與滑槽等高，滑源區(qū)設(shè)置料槽，長0.44 m，高0.2 m，寬0.3 m，料槽前設(shè)置激發(fā)門，距擋墻2.19 m，滑槽傾角30°。

圖1 滑槽模型示意圖（單位：mm）Fig.1 Sketch of the flume model (mm)

本文選用整體質(zhì)量相等的Large顆粒、Mid顆粒與Small顆粒，分別模擬粒徑為40 mm、20 mm 與10 mm的大、中、小碎屑流顆粒。結(jié)合實(shí)際滑坡中滑源區(qū)不同位置的不同巖性[21-23]（圖2）及同一巖性地層的不同內(nèi)部構(gòu)造（如整體狀結(jié)構(gòu)、塊狀結(jié)構(gòu)、碎裂狀結(jié)構(gòu)、散體狀結(jié)構(gòu)等），考慮不同地層巖土體破碎時(shí)塊體顆粒粒徑大?。ㄓ矌r破碎時(shí)易形成大粒徑顆粒、軟巖易形成小粒徑顆粒），設(shè)置7組碎屑流初始堆積體的粒序分布（表1），設(shè)置不同粒序分布的初始堆積體（圖3）。

圖2 滑源區(qū)不同位置處的巖性Fig.2 Different lithologies in the slip source area

表1 數(shù)值模擬中巖土樣粒徑分布Table1 Gradation composition of the samples in the numerical simulation

圖3 各工況初始堆積體粒序分布圖Fig.3 Grain order distribution of the primary deposits under different working conditions

1.2 參數(shù)標(biāo)定

本文采用PFC3D軟件中的Hertz-Mindlin模型對(duì)滑槽實(shí)驗(yàn)進(jìn)行數(shù)值模擬，在Hertz-Mindlin模型中材料的基本本征參數(shù)主要包括：剪切模量、泊松比、摩擦系數(shù)、密度和法向、切向黏性阻尼比。

離散元模擬中，泊松比、剪切模量和密度（真實(shí)密度）為材料的本征參數(shù)，表示各種材料的自身屬性，與外界條件無關(guān)，改變滑體粒序和粒徑不會(huì)影響材料屬性，可直接用于數(shù)值模擬，故基于模型試驗(yàn)及計(jì)算結(jié)果，確定其參數(shù)（表2）。摩擦系數(shù)是指兩表面間的摩擦力和作用在其一表面上的垂直力之比值，和表面粗糙度有關(guān)，由于實(shí)驗(yàn)中真實(shí)顆粒的不規(guī)則形狀與數(shù)值模擬中球形外形存在差異，使得通過實(shí)驗(yàn)測(cè)得的摩擦系數(shù)不能直接用于數(shù)值模擬中，故需通過多次調(diào)試數(shù)值模擬中的摩擦系數(shù)，以使模擬結(jié)果與模型試驗(yàn)結(jié)果吻合，黏性阻尼相當(dāng)于在顆粒法向上添加的彈簧，切向上添加阻尼器，其值主要反映顆粒碰撞、摩擦?xí)r引起的能量耗散。根據(jù)試驗(yàn)計(jì)算得到的法向黏性阻尼為0.16，切向黏性阻尼為0.07。由于模擬顆粒為規(guī)則球形，導(dǎo)致與實(shí)際顆粒相比碰撞較少，能量損耗不足，故通過適當(dāng)增大黏性阻尼的方式增大顆粒流內(nèi)部的耗能，為此通過多次調(diào)試并對(duì)比模型試驗(yàn)結(jié)果確定法向阻尼為0.60，切向阻尼為0.07。

表2 模擬參數(shù)Table2 Parameters used in the model

2 模型驗(yàn)證

鑒于模型試驗(yàn)中的顆粒級(jí)配較為連續(xù)，運(yùn)用篩分的方式無法單獨(dú)分離出粒徑單一的Large、Mid、Small顆粒，故在模型試驗(yàn)中以不同粒徑范圍內(nèi)的顆粒分別表示Large、Mid、Small顆粒（以1～10 mm的顆粒為Small顆粒，10～20 mm的顆粒為Mid顆粒、20～40 mm顆粒為Large顆粒）。表3及圖4記錄了模型試驗(yàn)中滑體的3組級(jí)配分布。在相同顆粒級(jí)配、滑槽坡度條件下，通過還原模型試驗(yàn)全過程，對(duì)模型試驗(yàn)與數(shù)值模擬的運(yùn)動(dòng)過程、沖擊力變化規(guī)律進(jìn)行比對(duì)分析，驗(yàn)證數(shù)值模擬所取參數(shù)的可靠性，為下一步運(yùn)用數(shù)值模擬探究滑源區(qū)粒序分布對(duì)碎屑流不同粒徑顆粒沖擊作用機(jī)理研究提供依據(jù)。

表3 模型試驗(yàn)巖土樣級(jí)配組成Table3 Gradation compositions of the samples in the model test

圖4 滑體模型試驗(yàn)級(jí)配曲線Fig.4 Curve of gradaton of the samples

以滑體模型M2（顆粒見圖5）為例，圖6為坡度為30°、35°、45°時(shí)數(shù)值模擬與模型試驗(yàn)的顆粒堆積形態(tài)的對(duì)比，可見模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好。數(shù)值模擬與模型試驗(yàn)的沖擊力曲線（圖7）同樣較為接近（最大誤差不超過8%）進(jìn)一步證實(shí)了參數(shù)的可靠性。

3 顆粒粒徑及滑源區(qū)粒序分布對(duì)碎屑流運(yùn)動(dòng)特征的影響

3.1 對(duì)碎屑流運(yùn)動(dòng)速度的影響

3.1.1 顆粒粒徑對(duì)碎屑流平均速度的影響

圖5 M2級(jí)配顆粒材料Fig.5 Grain material of the M2 grade

圖6 不同坡度模型試驗(yàn)與數(shù)值模擬的顆粒堆積形態(tài)對(duì)比Fig.6 Comparison of the deposition forms between the numerical simulation and model test under different slopes

圖7 不同坡度下數(shù)值模擬與模型試驗(yàn)沖擊力對(duì)比Fig.7 Comparison of impact force between the numerical simulation and model test under different slopes

圖8 MIX工況下不同粒徑顆粒的平均速度時(shí)程曲線Fig.8 Time-history curve of the average speed of particles with different particle sizes under the MIX conditions

在初始時(shí)刻，MIX工況條件下3種顆粒在空間位置上的分布均服從高斯函數(shù)，這導(dǎo)致3種顆粒整體的重心位置相同，從而使得顆粒的不同初始粒序分布對(duì)速度造成的影響可以忽略不計(jì)，故可得到顆粒粒徑這一單一因素對(duì)平均速度的影響。如圖8所示，3種顆粒平均速度的變化規(guī)律是一致的，均為先增大后減小，這反映出3種顆粒相似的運(yùn)動(dòng)過程，即顆粒先在重力的作用下做加速運(yùn)動(dòng)，隨著顆粒在滑槽上充分展開（圖9a），平均速度逐漸達(dá)到最大，而當(dāng)顆粒在受到擋墻攔擋作用后速度逐漸減小并趨向0。然而，在碎屑流前緣與擋板接觸的時(shí)刻，顆粒的平均速度并未達(dá)到最大值（平均速度最大時(shí)碎屑流的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)見圖9b），這是因?yàn)殡m然碎屑流前緣已經(jīng)受到擋墻的攔擋作用，但碎屑流的中后緣仍然在做加速運(yùn)動(dòng)，所以碎屑流的整體速度仍在增大，即平均速度的峰值時(shí)刻要略微滯后于顆粒與擋墻發(fā)生接觸的時(shí)刻。圖8中，MIX工況下3種顆粒的平均速度峰值及達(dá)到峰值的時(shí)刻對(duì)比表明：大粒徑顆粒的平均速度和峰值速度最大，到達(dá)峰值時(shí)刻的歷時(shí)最短，且隨著峰值速度的增大，達(dá)到峰值所需的時(shí)間減少。

圖9 MIX工況下不同時(shí)刻運(yùn)動(dòng)對(duì)比Fig.9 Movement comparison at different moments under the MIX conditions

3.1.2 初始粒序?qū)λ樾剂髌骄俣鹊挠绊?/p>

表4、表5記錄了3種不同顆粒在7種工況條件下顆粒平均速度峰值及達(dá)到峰值所需的時(shí)間。結(jié)合圖10，對(duì)顆粒平均速度作對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)：顆粒初始空間分布會(huì)顯著影響不同顆粒的平均速度峰值及其對(duì)應(yīng)時(shí)間，即某種顆粒初始分布位置越靠近堆積體的表層，其平均速度的峰值越大，達(dá)到峰值所需的時(shí)間越短。反之，某種顆粒的初始分布位置越靠近底層，平均速度的峰值越小，達(dá)到峰值所需的時(shí)間越長。其原因在于：（1）不同分布方式造成的重心位置不同（越靠近初始堆積體表層，重心位置越高，反之越低）；（2）位于表層的顆粒與內(nèi)部顆粒接觸面積較小，使得其受到的摩擦力較小，而位于底層的顆粒同時(shí)要與上部顆粒和下部滑道接觸，導(dǎo)致其受到的阻力較大。

表4 不同工況下的平均速度峰值Table4 Average maximum speed under different working conditions /（m·s-1）

表5 不同工況下平均速度峰值時(shí)刻Table5 Time of the average maximum speed under different working conditions /s

圖10 3種顆粒在不同工況下的平均速度時(shí)程曲線Fig.10 Curve of the average speed vs time of three kinds of particles under different working conditions

3.1.3 初始粒序及顆粒粒徑對(duì)碎屑流平均速度耦合影響

茄子幼苗度過緩苗期后會(huì)逐漸步入到快速生長期，這個(gè)時(shí)期溫室大棚白天溫度控制在30℃以下，溫度太高會(huì)造成花器發(fā)育不良，影響茄子結(jié)實(shí)。夜間溫度控制在15℃以內(nèi)。當(dāng)茄子進(jìn)入開花坐果期后，可以選擇晴朗天氣，在早晨使用30 ppm的2，4-D或者防落素對(duì)番茄花和植株進(jìn)行處理，增強(qiáng)植株開花坐果能力，促進(jìn)果實(shí)快速膨大，提高茄子產(chǎn)量。

由前述可知，3種不同顆粒的平均速度受到顆粒粒徑和滑源區(qū)粒序分布的共同作用。但兩種因素的強(qiáng)弱關(guān)系仍需進(jìn)一步討論。如表4所示，在非混合情況的6組工況條件下，LMS、LSM、MLS工況中3種顆粒平均速度峰值與其相應(yīng)的初始空間分布位置存在一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。以MLS工況為例，其初始粒序?yàn)椋篗id顆粒在最上層，Small顆粒位于最下層，Large顆粒處在二者中間，恰好與速度峰值的大小存在對(duì)應(yīng)關(guān)系（VMid＞VLarge＞VSmall）；而MSL、SLM、SML則不完全對(duì)應(yīng)，但仍然部分對(duì)應(yīng)（MSL工況下Mid顆粒的平均速度峰值最大、SML工況下Small顆粒的平均速度峰值最大，SLM工況下Small顆粒的速度峰值仍然比Mid顆粒大）。而顆粒大小與最大平均速度的對(duì)應(yīng)關(guān)系則較不明顯（除去工況MIX）。

速度峰值的出現(xiàn)時(shí)刻如表5所示，LMS、LSM、MLS 3組工況中3種顆粒平均速度峰值的出現(xiàn)時(shí)刻與其相應(yīng)的初始空間分布位置也存在一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，以LSM工況為例，其初始粒序?yàn)椋篖arge顆粒在最上層，Mid顆粒位于最下層，Small顆粒處在二者中間，恰好與速度峰值出現(xiàn)時(shí)刻存在對(duì)應(yīng)關(guān)系（TMid＞TSmall＞TLarge）。而MSL、SLM、SML 則不完全對(duì)應(yīng)但仍部分對(duì)應(yīng)。

綜上，碎屑流在運(yùn)動(dòng)過程中，其速度峰值及峰值出現(xiàn)時(shí)間既受到顆粒粒徑的控制，又受滑源區(qū)粒徑空間分布的影響，且粒序分布起主要作用，顆粒粒徑起次要作用。故在碎屑流速度分析及相關(guān)研究方面，應(yīng)重點(diǎn)考慮粒序分布造成的影響。

3.2 對(duì)碎屑流堆積形態(tài)的影響

碎屑流的最終堆積形態(tài)可以從側(cè)面反映出碎屑流在沖擊擋墻過程中沖擊作用的相關(guān)特性以及擋墻在承受沖擊作用時(shí)的動(dòng)力響應(yīng)機(jī)制。表6 記錄了碎屑流沖擊擋墻后的側(cè)面堆積形態(tài)。為避免二維視圖造成的顆粒重疊，對(duì)顆粒做半透明化處理（透明度70%），并分別對(duì)3種顆粒進(jìn)行單獨(dú)監(jiān)測(cè)，從而更直觀地顯示3種顆粒在堆積體中的空間分布。從碎屑流的整體堆積形態(tài)看，LMS、LSM工況下碎屑流堆積體的堆積長度較長，堆積高度較低，堆積體表面較平坦。相反，SLM、SML工況條件下，堆積體的堆積長度較短，堆積高度較高，堆積表面呈圓弧狀。而MLS、MSL工況下堆積長度和高度與SLM、SML工況相似，但其堆積表面輪廓呈不規(guī)則狀，即存在一個(gè)“偏轉(zhuǎn)點(diǎn)”（圖11），使得堆積體表面輪廓發(fā)生較大變化。而對(duì)某種單一顆粒在不同工況條件下的堆積形態(tài)進(jìn)行對(duì)比觀察發(fā)現(xiàn)：碎屑流啟動(dòng)前，若某種顆粒越靠近初始堆積體表面，則沖擊作用結(jié)束后其堆積形態(tài)越接近三角形（圖12a），平均堆積長度越短（表7）。相反，若某種顆粒越靠近初始堆積體底面，沖擊完成后，其堆積形態(tài)越接近長條形（圖12b），表面輪廓越接近拱形，且平均堆積長度越長。這表明，初始時(shí)刻不同粒徑顆粒的分布位置和排布方式會(huì)造成不同的沿長度、高度方向的堆積粒序排布，且區(qū)別于長度方向上堆積體粒序分布特征，任何工況條件下，不同顆粒在高度方向的分布皆嚴(yán)格遵循“上大下小”的反粒序分布規(guī)律（表8）。這表明沿高度（厚度）方向上的分選效應(yīng)主要受粒徑大小的影響，而初始時(shí)刻堆積體的粒序分布對(duì)其影響較小。

表6 碎屑流沖擊擋墻后的側(cè)面堆積形態(tài)（側(cè)視圖）Table6 Side deposit shape after the impact on the parapet by the fluidized landslide-debris flow (side view)

3.3 對(duì)擋墻所受沖擊力的影響

滑體沖擊擋墻的過程可劃分為動(dòng)態(tài)沖擊階段和準(zhǔn)靜態(tài)堆積階段[8]（圖13、圖14）。

動(dòng)態(tài)沖擊過程中，前緣滑體與擋墻直接碰撞接觸并堆積于擋墻底部，后續(xù)滑體越過前緣堆積物繼續(xù)沖擊擋墻，堆積體高度不斷增加。準(zhǔn)靜態(tài)堆積階段，堆積體高度基本保持穩(wěn)定，擋墻所受沖擊力主要為后續(xù)滑體顆粒重力分量的累積以及后續(xù)顆粒沖擊能量的碰撞傳遞。兩種階段沖擊力的作用方式、擋墻的動(dòng)力響應(yīng)均有較大差異，故應(yīng)分開討論。此外，需要注意的是，圖13中數(shù)值模擬的沖擊力曲線與圖7中傾角30°的物理模型試驗(yàn)沖擊力曲線有較大差異，數(shù)值模擬的沖擊力明顯偏小，這是因?yàn)閿?shù)值模擬中的顆粒為3種單一粒徑顆粒的有序排列。其相同粒徑顆粒較多導(dǎo)致顆粒間的空隙較大，滑體松散程度較高。相反，模型試驗(yàn)采用連續(xù)的粒徑級(jí)配曲線，顆粒間的空隙較少，滑體較密實(shí)。故而在同等體積下，模型試驗(yàn)中較密實(shí)的滑體對(duì)擋墻造成了較大的沖擊力。

圖11 工況MLS（a）和MSL（b）下滑體堆積形態(tài)Fig.11 Deposit shape of the sample under the (a) MLS and(b) MSL working conditions

圖12 單顆?？拷跏级逊e體表面時(shí)（a）和底面時(shí)（b）不同工況下3組不同顆粒單粒的堆積形態(tài)Fig.12 Deposit shape of the three groups of different particles under different working conditions when the single particles close to (a) the surface and (b) the bottom of the initial accumulation body

表7 3種顆粒的平均堆積長度Table7 Average deposit length of three kinds of particles/m

表8 3種顆粒的平均堆積高度Table8 Average deposit height of three kind of particles /m

圖13 沖擊擋墻階段各工況沖擊力時(shí)程曲線Fig.13 Time-history curves of the impact force under various working conditions during the impact retaining wall

3.3.1 動(dòng)態(tài)沖擊階段

在動(dòng)態(tài)沖擊階段，衡量沖擊力最重要的指標(biāo)是沖擊力峰值，不同工況條件下各種顆粒的沖擊力峰值及峰值對(duì)應(yīng)的時(shí)刻如表9、表10所示（圖15為3種顆粒在不同工況條件下對(duì)擋墻的沖擊力作用）。對(duì)比每組工況內(nèi)3種顆粒整體沖擊力峰值可知，在顆粒質(zhì)量相同的條件下（表1），粒徑較大的Large顆粒整體對(duì)擋墻的沖擊力峰值明顯高于其他兩種顆粒。而對(duì)于Mid顆粒和Small顆粒，二者整體沖擊力峰值的大小關(guān)系則決于二者初始空間位置的相對(duì)分布（初始位置更靠近堆積體表面的顆粒，其整體沖擊力峰值更大）。這反映了顆粒粒徑和初始堆積體粒序?qū)λ樾剂鳑_擊力的共同作用，且顆粒粒徑的影響更大，因?yàn)橥ㄟ^對(duì)Large顆粒和所有顆粒的整體峰值沖擊力及峰值沖擊力的出現(xiàn)時(shí)刻作對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，Large顆粒與全部顆粒的整體峰值沖擊力非常接近，且出現(xiàn)時(shí)刻基本一致，這體現(xiàn)了Large顆粒的整體峰值沖擊力對(duì)碎屑流整體峰值沖擊力的重要貢獻(xiàn)。此外，在不同工況條件之間，Large顆粒和Mid顆粒的整體沖擊力峰值未顯示出明顯的規(guī)律（表9），表明粒徑較大的顆粒在不同初始粒序分布條件下，其整體沖擊力峰值具有一定隨機(jī)性。而Small顆粒則仍然具備一定規(guī)律，即初始分布位置越接近堆積體表面，其整體沖擊力峰值越大。

表9 各顆粒的整體峰值沖擊力Table9 The maximum impact force of each kind of particles /N

表10 各顆粒整體峰值沖擊力作用時(shí)刻Table10 Time of the maximum impact force of each kind of particles /s

為進(jìn)一步量化分析顆粒粒徑對(duì)碎屑流峰值沖擊力的影響。對(duì)碎屑流峰值沖擊力的貢獻(xiàn)率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)（即碎屑流最大沖擊力時(shí)刻，各顆粒整體沖擊力占總沖擊力的百分比）。表11 記錄了各工況條件下不同粒徑的粒組對(duì)碎屑流整體峰值沖擊力的貢獻(xiàn)率。Large顆粒對(duì)碎屑流整體沖擊力峰值的貢獻(xiàn)率占據(jù)明顯優(yōu)勢(shì)（均在50%以上，且有3組超過90%），這表明粗大顆粒的瞬時(shí)撞擊是造成峰值沖擊力的主要原因，而初始粒序?qū)λ樾剂鞣逯禌_擊力的影響較小，且只能在中小顆粒中起作用（Mid和Small顆粒中越靠近初始堆積體表面者，其對(duì)峰值沖擊力的貢獻(xiàn)率越高）。

圖15 3種顆粒在不同工況下的整體沖擊力時(shí)程曲線Fig.15 Time-history curves of the impact force of three kinds of particles under different working conditions

表11 3種顆粒峰值沖擊力在滑體峰值沖擊力中的占比Table11 The maximum impact force of three kinds of particles as a percentage of the maximum impact force of the sliding body /%

3.3.2 準(zhǔn)靜態(tài)堆積階段

在準(zhǔn)靜態(tài)堆積階段，碎屑流顆粒對(duì)擋墻的沖擊力遠(yuǎn)小于峰值沖擊力，并基本保持穩(wěn)定，只在一定范圍內(nèi)作微小的上下波動(dòng)。表12 記錄了碎屑流完全停積后（2.5 s）擋墻的受力情況，能較好反映準(zhǔn)靜態(tài)堆積階段擋墻的受力情況。

表12 3種顆粒準(zhǔn)靜態(tài)沖擊力Table12 Quasi-static impact force of three kinds of particles /N

如表12和圖15所示，不同工況之間同種顆粒的準(zhǔn)靜態(tài)沖擊力呈現(xiàn)明顯的規(guī)律性，即某種顆粒越靠近初始堆積體表面，其整體準(zhǔn)靜態(tài)沖擊力越大。而在單一工況條件下，3種顆粒間的準(zhǔn)靜態(tài)沖擊力規(guī)律性不夠明顯，但總體呈現(xiàn)Small顆粒的整體靜態(tài)沖擊力較大，Large顆粒的整體靜態(tài)沖擊力較小的規(guī)律，并且從MIX工況下靜態(tài)沖擊力的統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，顆粒粒徑越小，其整體的準(zhǔn)靜態(tài)沖擊力越大。

綜上，在動(dòng)態(tài)沖擊階段，控制峰值沖擊力的主要因素為顆粒粒徑，次要因素為初始堆積體粒序。相反，在準(zhǔn)靜態(tài)沖擊階段，控制某種粒徑顆粒沖擊力的主要因素為初始堆積體粒序，次要因素為顆粒的粒徑。

4 討論

通過對(duì)7種工況條件下的滑體模型進(jìn)行數(shù)值模擬試驗(yàn)，探討滑源區(qū)粒序分布及顆粒粒徑對(duì)滑坡碎屑流運(yùn)動(dòng)堆積特征及沖擊作用的影響機(jī)制。

對(duì)于滑源區(qū)粒序分布為混合粒序（MIX工況）的初始滑體，碎屑流在運(yùn)動(dòng)過程中，大粒徑顆粒整體在消散壓力的作用下向滑體表層運(yùn)動(dòng)，細(xì)小碎屑顆粒在運(yùn)動(dòng)篩分過程中向底板運(yùn)移，即顆粒分選效應(yīng)。顆粒的分選效應(yīng)使得頂部的大顆?；静慌c滑槽底面接觸，而只在其底部與下部顆粒部分接觸，導(dǎo)致大顆粒受到的摩擦阻力較小，運(yùn)動(dòng)速度較大，而較大的運(yùn)動(dòng)速度又結(jié)合較大的單位質(zhì)量使得單個(gè)大顆粒獲得極大的動(dòng)能，進(jìn)而在與擋墻碰撞時(shí)轉(zhuǎn)化為碎屑流的峰值沖擊力。相反，由于底部的細(xì)小顆粒既要與上部的較大顆粒接觸，又與底面的滑槽接觸，導(dǎo)致其受到的摩擦阻力較大，動(dòng)能損耗較大，使得其對(duì)峰值沖擊力的貢獻(xiàn)較小。

對(duì)于滑源區(qū)粒序分布為規(guī)則粒序的初始滑體（內(nèi)部顆粒存在明顯分層現(xiàn)象的滑體）。不同的初始粒序起到了與顆粒分選相似的作用機(jī)制，即在顆粒運(yùn)動(dòng)初期，位于表層的顆粒由于受到的阻力較小，導(dǎo)致其達(dá)到的平均速度峰值較大；而位于底層的顆粒由于受到的阻力較大，導(dǎo)致其達(dá)到的平均速度峰值較小，這表明滑源區(qū)上部的細(xì)小顆粒的平均速度峰值可能大于下部粗大顆粒（SML工況、SLM工況），但由于顆粒分選效應(yīng)仍然存在，使大顆粒仍然有向碎屑流表層運(yùn)動(dòng)、小顆粒仍然有向碎屑流底層運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)，即顆粒分選效應(yīng)仍然會(huì)作用于滑體，并減弱滑源區(qū)粒序分布造成的“表層加速、底層減速”的效果，從而減小了大小顆粒之間的峰值速度差。因而導(dǎo)致了在不同滑源區(qū)粒序分布條件下，峰值沖擊力仍由大粒徑顆?？刂频默F(xiàn)象，即在大小顆粒速度相差不大的情況下，顆粒粒徑成為了峰值沖擊力的主要控制條件。

由于滑源區(qū)初始粒序造成的速度差異，使得各種顆粒的堆積形態(tài)存在明顯區(qū)別，即，處于滑源區(qū)上層的顆粒整體上由于平均速度較大，導(dǎo)致其在運(yùn)動(dòng)過程中處于碎屑流前端，并在沖擊擋墻過程中受到后部其他顆粒的推擠、抬升，最終形成較為形狀規(guī)則且長度較短的三角形。相反，處于滑源區(qū)下層的顆粒，由于平均速度較小，使得其在沖擊擋墻過程中不斷受到前緣顆粒的阻礙，使其速度進(jìn)一步降低，動(dòng)能減小，停積長度增加，最終形成表面存在一定弧度的拱形。而不同的堆積形態(tài)，又造成了不同的傳力機(jī)制：三角形形狀規(guī)則，長度較短，有利于沖擊力的傳遞，導(dǎo)致位于滑源區(qū)表層的顆粒在準(zhǔn)靜態(tài)沖擊階段具有較大的沖擊力。相反，拱形作為典型的承壓結(jié)構(gòu)，有利于沖擊力的耗散，導(dǎo)致位于滑源區(qū)底層的顆粒在準(zhǔn)靜態(tài)沖擊階段具有較小的沖擊力。

5 結(jié)論與建議

（1）碎屑流中各粒徑顆粒的平均速度受顆粒粒徑及滑源區(qū)初始粒序的共同影響，且初始粒序?qū)Ω黝w粒平均速度影響更大。在初始粒序?yàn)榛旌戏植紬l件下，受顆粒分選效應(yīng)影響，粒徑越大的顆粒其峰值平均速度越大，而在非混合粒序條件下，由于初始粒序?qū)︻w粒分選效應(yīng)的影響，導(dǎo)致顆粒越靠近初始堆積體表面，其峰值速度越大。

（2）碎屑流的最終堆積形態(tài)受初始堆積體粒序分布和粒徑的共同影響。由于顆粒分選現(xiàn)象的存在，導(dǎo)致在厚度方向，粒徑對(duì)堆積體堆積形狀影響較大。而在長度方向，滑源區(qū)粒序分布通過控制碎屑流的速度大小，決定了堆積體的形狀。

（3）碎屑流對(duì)擋墻的沖擊可分為動(dòng)態(tài)沖擊和準(zhǔn)靜態(tài)堆積兩部分，在動(dòng)態(tài)沖擊階段，受顆粒分選效應(yīng)的影響，顆粒粒徑是峰值沖擊力的主要控制因素，即粒徑越大，峰值沖擊力越大。在準(zhǔn)靜態(tài)堆積階段，初始粒序起到了與顆粒分選相似的作用機(jī)制：促進(jìn)了表層顆粒速度的增加而抑制了底層顆粒速度的增加，同時(shí)通過塑造堆積體形狀，控制了準(zhǔn)靜態(tài)沖擊力的大小。

（4）對(duì)于混合粒序的初始滑體，顆粒分選效應(yīng)使得大粒徑顆粒升至滑體表面，獲得較大的速度和動(dòng)能，最終轉(zhuǎn)化為峰值沖擊力；較小粒徑顆粒沉至滑體底部，在內(nèi)部劇烈摩擦作用下，獲得較小速度和動(dòng)能，使其對(duì)峰值沖擊力的貢獻(xiàn)較小。

（5）受限于試驗(yàn)材料和檢測(cè)手段等客觀因素，在模型驗(yàn)證方面未能通過模型試驗(yàn)完全還原數(shù)值模擬的相關(guān)內(nèi)容，且未能將數(shù)值模擬所得的相關(guān)結(jié)論與同等模型試驗(yàn)的結(jié)論相印證。此外本次研究未能充分考慮滑動(dòng)距離、更大顆粒粒徑范圍、實(shí)際地形條件等客觀因素對(duì)顆粒分選機(jī)制的影響。

（6）進(jìn)一步的工作已漸次開展，包括設(shè)計(jì)與數(shù)值模擬一致的模型試驗(yàn)、擴(kuò)大滑體材料的粒徑范圍、在滑槽試驗(yàn)的基礎(chǔ)上模擬實(shí)際地形條件下滑源區(qū)粒序分布及顆粒粒徑對(duì)碎屑流沖擊特性的影響等。