基于物理模型實(shí)驗(yàn)的高速遠(yuǎn)程滑坡碎屑流堆積特征分析

任雨欣 喻志鵬

高速遠(yuǎn)程滑坡往往具有強(qiáng)烈的災(zāi)害性，對(duì)人類的生命財(cái)產(chǎn)安全產(chǎn)生極大的威脅，其成因機(jī)理和運(yùn)動(dòng)機(jī)理研究一直是國內(nèi)外滑坡地質(zhì)災(zāi)害學(xué)者研究的熱點(diǎn)問題。介紹斜槽物理模型實(shí)驗(yàn)，通過在運(yùn)動(dòng)區(qū)及停積區(qū)底面鋪設(shè)不同覆蓋材料以實(shí)現(xiàn)不同的停積條件，對(duì)不同停積條件下顆粒流堆積特征進(jìn)行分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：顆粒流堆積體表面可見橫向脊、側(cè)緣堤展布，堆積體內(nèi)部有推擠褶皺出現(xiàn)，停積條件對(duì)堆積體的表面特征和內(nèi)部特征均有影響，堆積體的形態(tài)特征與堆積體內(nèi)部顆粒的剪切作用有關(guān)。

高速遠(yuǎn)程滑坡； 物理模型實(shí)驗(yàn)； 顆粒流； 堆積特征； 停積條件

P642.22 A

［定稿日期］2022-02-04

［作者簡(jiǎn)介］任雨欣（1997—），女，碩士，研究方向?yàn)楦咚龠h(yuǎn)程滑坡運(yùn)動(dòng)機(jī)理；喻志鵬（1996—），男，碩士，研究方向?yàn)榄h(huán)境工程地質(zhì)、巖土施工技術(shù)。

高速遠(yuǎn)程滑坡具有巨大的體積、極快的運(yùn)動(dòng)速度、超長(zhǎng)的運(yùn)動(dòng)距離、多樣的運(yùn)動(dòng)形式、強(qiáng)大的能量和異常高的流動(dòng)性，是一種十分嚴(yán)重的地質(zhì)災(zāi)害，常造成巨大的社會(huì)危害［1-3］。高速遠(yuǎn)程滑坡的滑體在下滑過程中破碎分解為大小不同的碎屑顆粒，形成碎屑流并高速運(yùn)動(dòng)，主要運(yùn)動(dòng)形式為流態(tài)化運(yùn)動(dòng)［4］。流態(tài)化運(yùn)動(dòng)主要反映在堆積體表面和剖面上，表面上有堆積脊、堆積丘等特征；剖面上主要有推擠褶皺、斷層、層序保留、反粒序等特征［5-7］。

高速遠(yuǎn)程滑坡動(dòng)力學(xué)過程研究中，物理模型實(shí)驗(yàn)發(fā)揮重要作用，通過簡(jiǎn)化的工程地質(zhì)模型，實(shí)現(xiàn)可控的實(shí)驗(yàn)條件，從而用于研究不同因素對(duì)滑坡運(yùn)動(dòng)及堆積特征的影響規(guī)律。Manzella 等［8］設(shè)計(jì)斜板試驗(yàn)裝置，研究分析不同條件下的碎屑流的運(yùn)動(dòng)特征。王畯才等［9］利用室內(nèi)物理模型試驗(yàn)，模擬了滑坡碎屑流的滑動(dòng)和堆積過程，對(duì)滑坡碎屑流堆積物的分布規(guī)律進(jìn)行了分析。

顆粒材料會(huì)在一定條件下呈現(xiàn)出類似于流體的流動(dòng)行為。因此，已有研究中常用顆粒材料模擬碎屑流的運(yùn)動(dòng)過程［4］。本文通過設(shè)計(jì)物理模型試驗(yàn)，在運(yùn)動(dòng)區(qū)及停積區(qū)底面設(shè)置不同覆蓋材料以實(shí)現(xiàn)不同的停積條件，對(duì)各工況下的顆粒流堆積體特征進(jìn)行研究，研究結(jié)果對(duì)揭示高速遠(yuǎn)程滑坡遠(yuǎn)程運(yùn)動(dòng)機(jī)理和高速遠(yuǎn)程滑坡野外考察具有重要指導(dǎo)作用。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 模型試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)

本研究選擇施加側(cè)向約束的斜槽實(shí)驗(yàn)裝置，如圖1所示。其中，供料區(qū)模擬滑坡源區(qū)，斜槽模擬運(yùn)動(dòng)區(qū)，水平堆積槽模擬停積區(qū)。

模型槽尺寸如圖1所示。模型槽側(cè)板與底板均采用亞克力材料制作，斜槽與水平堆積槽通過活動(dòng)鉸鏈連接，斜槽傾角設(shè)置為40°。供料區(qū)采用豎直擋板，通過旋轉(zhuǎn)式開關(guān)釋放物料。

1.2 實(shí)驗(yàn)材料及工況設(shè)計(jì)

依據(jù)高速遠(yuǎn)程滑坡碎屑流的特征，碎屑流堆積體顆粒多為粒徑不一的棱角狀。在物理模型實(shí)驗(yàn)中，相似材料往往采用不規(guī)則形態(tài)的巖石礦物顆粒，使實(shí)驗(yàn)中的顆粒流的運(yùn)動(dòng)特征、物理力學(xué)性質(zhì)更貼近原型滑坡。實(shí)驗(yàn)采用0.5～1 mm粒徑的石英砂顆粒，其密度較為貼近自然界一般脆性巖石材料且物理化學(xué)性質(zhì)相對(duì)穩(wěn)定，并用丙烯顏料對(duì)石英砂進(jìn)行染色。實(shí)驗(yàn)中將源區(qū)顆粒按體積平均分成上、中、下3層，每層使用顏色不同的石英砂顆粒，每次實(shí)驗(yàn)顆?？偭繛? L，每層體積為1.67 L。填料時(shí)分層填入，待一層顆粒抹至水平后再填入上層顆粒。

本實(shí)驗(yàn)針對(duì)不同停積條件對(duì)顆粒流堆積特征的影響進(jìn)行研究。設(shè)置豎直擋板并添加旋轉(zhuǎn)式開關(guān)以模擬滑坡-碎屑流失穩(wěn)條件，通過在運(yùn)動(dòng)區(qū)及停積區(qū)底面鋪設(shè)不同覆蓋材料以實(shí)現(xiàn)不同的停積條件。共設(shè)計(jì)4個(gè)實(shí)驗(yàn)工況，如表1所示。

1.3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)方法如表2所示。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 堆積體表面特征分析

根據(jù)圖2所示，4種工況下顆粒流堆積體均呈舌形，表面有下層顆粒出露。A1、A2和A3工況顆粒流堆積體表面特征較為相似，中下層顆粒呈朝向堆積體前緣的弧形出露，隨著停積區(qū)粗糙度增大，堆積體表面中層顆?；⌒纬雎对龆啵翌w粒流堆積體表面顆粒混合程度增大。A4工況表面顆粒混合度較大，上層顆粒在斜槽與水平堆積槽鏈接處出現(xiàn)脫節(jié)。A1工況堆積體兩側(cè)有下層顆粒出露。

根據(jù)傾斜攝影測(cè)量法的計(jì)算結(jié)果，使用Matlab生成堆積體高程圖，堆積體的表面地貌形態(tài)特征如圖3所示。A1、A2和A3工況堆積體表面均發(fā)育較為明顯的橫向脊，主要展布在堆積體中后部，A4工況表面平滑無橫向脊發(fā)育。A1、A2和A3工況下隨著停積區(qū)粗糙度增大，堆積體高程增大，堆積體分布范圍減小，橫向脊展布增多且間距變小。在A1工況下堆積體前緣兩側(cè)有側(cè)緣堤展布，A3工況堆積體后緣有一條規(guī)模較大的溝谷發(fā)育。

2.2 堆積體剖面特征分析

使用Matlab生成堆積體縱剖面圖，可直觀地觀測(cè)到堆積體的長(zhǎng)度、厚度、堆積范圍等堆積特征，如圖4所示。

A1和A2工況剖面形狀較為相似，均為弓形，堆積體有一個(gè)厚度極值，A1工況堆積體長(zhǎng)而薄，A2工況堆積體短而厚；A3工況堆積體為雙峰型，雙峰之間與圖3中溝谷對(duì)應(yīng)；A4工況剖面形狀為楔形，大部分顆粒停積在斜槽上。A1工況下顆粒全部堆積在水平槽上，A2、A3、和A4工況在斜槽上均有顆粒堆積。停積區(qū)底面粗糙時(shí)，少量顆粒堆積于斜槽上；停積區(qū)底面為松散覆蓋層時(shí)，小部分顆粒堆積于斜槽上；運(yùn)動(dòng)區(qū)底面粗糙時(shí)，大部分顆粒堆積于斜槽上。A1、A2和A3工況中，隨著停積區(qū)粗糙程度增大，堆積體在水平槽上的堆積體長(zhǎng)度減小，水平槽上堆積體最大厚度值增大。

對(duì)堆積體采用淋濾切割法并通過全景拍攝獲取顆粒堆積體的內(nèi)部剖面特征，如圖5所示。4種工況下，堆積體內(nèi)部出現(xiàn)顆?；旌系颈３衷磪^(qū)顆粒的層序關(guān)系。A1、A2和A3工況內(nèi)部結(jié)構(gòu)相似，有褶皺展布，A4工況無褶皺出現(xiàn)，且顆?；旌隙容^高。A1、A2和A3工況隨著停積區(qū)粗糙度增大，堆積體內(nèi)部褶皺展布更集中，且波長(zhǎng)減小，波幅增大。

3 討論

顆粒流在進(jìn)入停積區(qū)后，坡度變緩，顆粒流底部所受摩阻力增大，開始減速并在水平槽上堆積。堆積過程中，前端顆粒流先到達(dá)停積區(qū)，下滑力降低和底部摩阻力增大，前端顆粒流運(yùn)動(dòng)速度開始減慢，后部顆粒開始推擠前部顆粒，在內(nèi)部產(chǎn)生推擠作用并形成褶皺。如圖2、圖3所示，堆積體內(nèi)部褶皺軸線所在位置為堆積體表面中下層顆粒出露位置，也是橫向脊所在位置，表明因滑體內(nèi)部推擠而形成橫向脊。A3工況下，顆粒流前緣推擠底面松散覆蓋層運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生“刮鏟效應(yīng)”，顆粒流前部顆粒速度急劇降低，前部顆粒停止運(yùn)動(dòng)后形成堆積體，后部顆粒在前方堆積體后緣上繼續(xù)堆疊，形成雙峰。

在A1工況中，顆粒流堆積體兩側(cè)有側(cè)緣堤出現(xiàn)，且根據(jù)圖2中A1工況可知，側(cè)緣堤主要為中下層顆粒出露。在顆粒減速堆積時(shí)，后部顆粒推擠前部顆粒，后部顆粒速度逐漸減小，而前部顆粒獲得后部顆粒的能量后繼續(xù)向前運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)過程中下部顆粒受底部摩阻力減速，上部顆粒繼續(xù)運(yùn)動(dòng)。在此過程中，底部顆粒被推擠到兩側(cè)，并在有側(cè)向約束的水平槽兩側(cè)堆積。但側(cè)緣堤僅在A1工況，即運(yùn)動(dòng)區(qū)底面光滑、停積區(qū)底面光滑的情況下發(fā)育，表明側(cè)緣堤多在滑體所受摩阻力較小的情況下出現(xiàn)。

4種工況的堆積體剖面上均能觀察到層序保留現(xiàn)象，說明運(yùn)動(dòng)過程中顆粒未出現(xiàn)大面積的混合。顆粒流堆積體的混合程度與堆積體內(nèi)部顆粒的剪切作用有關(guān)，在運(yùn)動(dòng)區(qū)粗糙時(shí)，顆粒流下滑過程中下部顆粒所受摩阻力較大，上、下層顆粒速度差逐漸增大，內(nèi)部剪切作用增大，導(dǎo)致顆粒流混合程度增大。

4 結(jié)論

（1）運(yùn)動(dòng)區(qū)光滑條件下，因后部顆粒推擠前部顆粒，堆積體表面形成橫向脊，甚至在停積區(qū)底面為松散覆蓋層時(shí)堆積體形成雙峰結(jié)構(gòu)。堆積體內(nèi)部仍存在層序保留現(xiàn)象，但有推擠褶皺出現(xiàn)。

（2）停積條件對(duì)堆積體的表面特征和內(nèi)部特征均有影響。在運(yùn)動(dòng)區(qū)光滑時(shí)，隨著停積區(qū)粗糙度增大，堆積體表面橫向脊展布增加，且間距變小，顆粒流堆積體表面顆粒混合程度增大；內(nèi)部褶皺展布更集中，且波長(zhǎng)減小，波幅增大。運(yùn)動(dòng)區(qū)粗糙時(shí)，堆積體內(nèi)部顆?；旌铣潭容^高，且無明顯褶皺。

（3）根據(jù)顆粒流堆積特征，可以得出堆積體的形態(tài)特征與堆積體內(nèi)部顆粒的剪切作用有關(guān)，剪切作用主要影響內(nèi)部顆粒的運(yùn)動(dòng)，從而改變堆積體的形態(tài)特征。

參考文獻(xiàn)

［1］ 程謙恭， 張倬元， 黃潤(rùn)秋. 高速遠(yuǎn)程崩滑動(dòng)力學(xué)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)［J］. 山地學(xué)報(bào)， 2007（1）：72-84.

［2］ 張明， 殷躍平， 吳樹仁， 等. 高速遠(yuǎn)程滑坡-碎屑流運(yùn)動(dòng)機(jī)理研究發(fā)展現(xiàn)狀與展望［J］. 工程地質(zhì)學(xué)報(bào)， 2010， 18（6）：805-817.

［3］ 齊超， 邢愛國， 殷躍平， 等. 東河口高速遠(yuǎn)程滑坡-碎屑流全程動(dòng)力特性模擬［J］. 工程地質(zhì)學(xué)報(bào)， 2012， 20（3）：334-339.

［4］ 龍艷梅， 宋章， 王玉峰， 等. 基于物理模型試驗(yàn)的碎屑流流態(tài)化運(yùn)動(dòng)特征分析［J］. 水文地質(zhì)工程地質(zhì)， 2022， 49（1）：126-136.

［5］ 詹威威， 黃潤(rùn)秋， 裴向軍， 等. 溝道型滑坡-碎屑流運(yùn)動(dòng)距離經(jīng)驗(yàn)預(yù)測(cè)模型研究［J］. 工程地質(zhì)學(xué)報(bào)， 2017， 25（1）：154-163.

［6］ Heim. Landslides and human lives［M］. Vancouver， B C：Bitech Publishers， 1932.

［7］ 林棋文， 程謙恭， 李坤， 等. 高速遠(yuǎn)程滑坡碎屑化運(yùn)動(dòng)機(jī)理研究綜述［J/OL］. 工程地質(zhì)學(xué)報(bào)：1-15［2021-10-24］. https：// kns.cnki.net/kcms2/article/abstract？v=3uoqlhG8C45S0n9fL2suRadTyEV12pW9UrhTDCdPD66k8PK2m9jjdJIRu3F2AZYnEhAIZD1gQdalB4EOfYXWzlp6Xskz40L2&uniplatform=NZKPT

［8］ MANZELLA I， LABIOUSE V. Qultative analysis of rock avalanches propagation by means of physical modelling of non-constrained gravel flows［J］. Rock Mechanics and Rock Engineering， 2008， 41（1）：133-151.

［9］ 王畯才， 盧坤林， 朱大勇. 基于室內(nèi)模型試驗(yàn)的滑坡碎屑流堆積分布規(guī)律研究［J］. 工程地質(zhì)學(xué)報(bào)， 2017， 25（6）：1509-1517.