工程地质学报  2017, Vol. 25 Issue (6): 1509-1517   (7357 KB)    
基于室内模型试验的滑坡碎屑流堆积分布规律研究
王畯才①②, 卢坤林①②, 朱大勇①②    
① 合肥工业大学土木与水利工程学院 合肥 230009;
② 土木工程结构与材料安徽省重点实验室 合肥 230009
摘要:本文利用室内物理模型试验,模拟了特定条件下滑坡碎屑流的滑动和堆积过程。获取了滑坡碎屑流堆积物的位置分布,并对其规律进行了分析,且在此基础之上对滑坡碎屑流运动机制进行了简单的分析。结果表明:碎屑流颗粒在滑坡发生后的最终位置分布兼具随机性和规律性;关于坡面中轴对称分布的碎屑流颗粒在滑坡后依然对称分布;堆积体中沿滑坡方向连续分布的颗粒在滑坡结束后最终位置分布在一定程度上并不连续;颗粒滑后位置分布受其滑前在颗粒整体中所处的位置影响较大;在沿坡面下滑过程中,碎屑流颗粒堆积体会发生内部的整体滚动。研究结果为滑坡-碎屑流运动机制的理论研究和复原滑坡初始状态提供了可靠的数据参考。
关键词滑坡    碎屑流    堆积位置    运动机制    模型试验    
INDOOR MODELING TEST FOR REGULARITY OF DEPOSIT POSITION OF LANDSLIDE-DEBRIS AVALANCHES
WANG Juncai①②, LU Kunlin①②, ZHU Dayong①②    
① School of Civil and Hydraulic Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009;
② Anhui Key Labratory of Civil Engineering and Materials, Hefei 230009
Abstract: This paper uses an indoor modeling test and simulates the sliding and accumulation process of landslide debris avalanches. Then, the paper acquires and further analyzes the deposit position of each granule of landslide-debris avalanches. In addition, this paper briefly analyzes the motion mechanism of landslide-debris avalanches. The result shows the follows. The deposit position of the slide-debris is of both randomness and regularity. These particles that are symmetrical on the central axis of slope board are still symmetrical after the slide. The deposit position of these granules in consecutive region previously is not continuous after the slide. The deposit position of the particles is affected by its initial positon conspicuously. The inside holistic rolling of slide-debris is founded in the process of slide. The result of the experiment provides reliable reference for the research of motion mechanism of landslide-debris and for backtracking the initial state of slopes.
Key words: Landslide    Debris    Deposit position    Motion mechanism    Modeling test    

0 引言

斜坡上的松散堆积体,受外界影响而沿斜坡快速向下运动,形成的具有高破碎度、高离散性和流动特性的集合,被称为滑坡碎屑流,其对于人类生产生活危害重大(Hsü,1975)。国内外在理论研究上,提出了各种学说,来解释这种现象的高速、远程等特征及其运动机制(Cundall et al., 1979; Hutchinson et al., 1986; Pouliquen et al., 2002; 胡厚田,2003)。

同时,国内外在试验研究上也进行了大量的探究。Jop et al.(2006)开展了准三维滑体的运动过程研究。Manzella et al.(2013)以砂子和碎石子为研究对象,研究了颗粒粒径、坡高、滑体体积等因素对堆积形态的影响。王忠福等(2015)利用模型试验对颗粒尺寸对岩崩碎屑冲程和堆积形态的影响进行了研究。郝明辉等(2014, 2015)通过开展室内模型试验,研究了碎屑粒径、滑床糙率和挑坎对运动特性的影响,探讨了发生的颗粒反序现象。雷先顺等(2016)采用室内模型试验,研究了无黏性土堆积体在无侧限条件下沿斜面的滑动和堆积运动过程,探索了堆积体体积、粒径、形状,坡高,启动区坡度、坡脚约束角、滑面摩擦系数等指标对滑坡运动最终堆积参数(冲程、宽度、厚度、面积)的影响。李祥龙等(2011, 2012)采用二维颗粒离散元模拟方法模拟岩石碎屑流水平基底上刮铲,证明了基底刮铲效应可以增强岩石碎屑流在水平面上的运移停积能力,减小基底物质的强度会增强刮铲效应。孙祚浩等(2016)利用室内物理模型进行了大量的碎屑流滑坡试验,得到滑坡碎屑流堆积物在滑塌覆盖区域的等值线图,模拟了滑塌影响区域的概率分布,划分出了边坡滑塌时的危险安全区域。

滑坡碎屑流颗粒的滑后位置分布规律有助于研究碎屑流颗粒运动机制,且对复原边坡初始状态有重要作用,但是关于该问题的现有资料偏少,需要做进一步研究。本文利用室内物理模型试验,模拟了高度风化的岩石碎散堆积体失稳后,沿坡面形成碎屑流并最终堆积于坡脚的过程。探究了碎屑流颗粒在滑坡运动结束后于坡脚的位置分布规律,并在其基础上简单分析了碎屑流颗粒的运动机制。

1 模型试验
1.1 试验装置

图 1所示,试验装置由:坡面、脚手架、过渡段、装料箱、地坪等部分组成。其中坡面是在脚手架上铺装光滑木板制成,过渡段是用铝板弯成曲面光滑连接木板与地坪,宽度均为1.8m;装料箱是由透明亚克力板制成的矩形槽,矩形槽的尺寸为60cm×40cm×50cm(长×宽×高),槽后无门,槽前门上有门栓控制门的开关;地坪是平整的水泥地板,为了方便试验数据的采集和处理,在地坪上绘制有边长为10cm×10cm的网格,以网格边线为坐标轴建立平面坐标系(即地坪上的平面坐标系单位长度为10cm),并对网格边线编号,以确定试验颗粒最终堆积分布的位置。同时在试验装置前地坪尾端架设了摄像机,拍摄整个滑动过程。

图 1 试验装置 Fig. 1 Experimental set-up a.试验装置示意图(侧视图);b.试验装置正视图

在坡角和装料箱斜度均为30°,坡高1.8m的条件下进行了40组重复试验,得到所有颗粒沿坡面滑落后在地坪上的堆积坐标。

1.2 试验颗粒及其摆放方式与区域划分

试验颗粒:为了模拟碎屑流滑坡,研究其最终堆积位置分布规律,并保证重复性试验的初始条件相同,试验采用500颗边长为2cm的正六面体预制水泥颗粒(保证每个正六面体颗粒在每次试验前摆放位置相同),分别编号1~500。

颗粒摆放方式:试验时将正六面体水泥颗粒(以下简称颗粒)按一定规律摆放于装料箱中,然后打开装料箱前门,令颗粒沿坡面自由滑下。

图 2所示,颗粒摆放方法:将500个颗粒由下向上分为1~5层进行摆放,每层100个颗粒,颗粒编号由下向上随层高递增。各层中颗粒摆放规律为:100个颗粒分10排摆放,各排中颗粒从左向右按序号由小到大排列。

图 2 颗粒摆放方法示意图 Fig. 2 Sketch pictures of the way to set granules a.第1层颗粒;b.颗粒实际摆放

区域划分方式:将放好的颗粒划分为3层:下层(第1、2层),过渡层(第3层)及上层(第4、5层)。如图 3所示,各层再划分为4个区域(区域Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ),一共划分为12个区域(下-Ⅰ、下-Ⅱ、下-Ⅲ、下-Ⅳ、过渡-Ⅰ、过渡-Ⅱ、过渡-Ⅲ、过渡-Ⅳ、上-Ⅰ、上-Ⅱ、上-Ⅲ、上-Ⅳ)。

图 3 各层区域划分示意图 Fig. 3 Sketch picture of zone dividing in each layers

1.3 试验数据采集及后处理

图 4所示,每次模拟滑坡试验结束之后,试验颗粒会在地坪上堆积分布,可以通过预制的坐标网格获取每一个颗粒在地坪上的坐标,并进行记录、整理。将现场记录的单组试验后各颗粒的坐标整理好导入MATLAB,可以绘制出每组试验后各区域中各颗粒在地坪上的最终分布情况。

图 4 滑后颗粒堆积分布 Fig. 4 Physical picture of particles accumulation

2 试验结果分析
2.1 各区域颗粒分布及其分析

将40组试验的结果进行叠加,发现区域颗粒整体分布范围呈扇形,同时大部分颗粒在扇形内又集中分布于某一带状区域。

图 5所示,下-Ⅰ区域的颗粒沿坡面滑落后整体分布于以坐标点(19,4)为顶点,半径为r=240cm(半径长为24倍小格边长,小格边长10cm),圆心角为α=arctan3,其一半径于x=19重合。同时,颗粒集中分布于某一带状区域内,为了简单描述带状区域的位置,采用矩形对角顶点坐标作为控制参数,两个对角点A、B坐标分别为(18,8),(27,12)。

图 5 下-Ⅰ区域颗粒滑后位置分布 Fig. 5 Sketch picture of the deposit of particles in down-Ⅰ zone

用相同的方法对全部12个区域的颗粒滑后分布位置进行分析,可以得到如表 1所示结果。

表 1 各区域颗粒堆积位置分布参数 Table 1 Accumulation parameters of particles in each zone

表 1可知,试验初始装料箱中关于中轴线对称的区域中的颗粒在沿坡面下滑后,其位置分布依然关于中轴线对称。故仅选取中轴线左侧区域(下-Ⅰ,下-Ⅲ,过渡-Ⅰ,过渡-Ⅲ,上-Ⅰ,上-Ⅲ共6个区域)颗粒试验结果进行分析,得到如下结果:

(1) 各层Ⅰ区域的扇形顶点y坐标均为5,而Ⅲ区域的扇形顶点y坐标均为4,即Ⅰ区域的颗粒相比于Ⅲ区域的颗粒,其最终停留的位置与坡脚的距离更远。

(2) 如图 6所示,区域Ⅰ和区域Ⅲ中颗粒堆积扇形半径r随层高变化而发生变化,且呈V字型。即下-Ⅰ区域和上-Ⅰ区域颗粒滑后分布范围较过渡-Ⅰ区域的颗粒更广,同时上-Ⅰ区域颗粒滑后分布范围又大于下-Ⅰ区域颗粒的分布范围(各层中区域Ⅲ具有类似的规律)。且上层中Ⅲ区域颗粒分布范围大于下层Ⅰ、Ⅲ两区域颗粒分布范围。

图 6 各区域颗粒堆积扇形半径规律 Fig. 6 Regularity of the deposit sector radius of particles in each zone 扇形半径随层高变化

碎屑流颗粒在坡面上的运动存在多种形式,包括:滑动、滚动和跳动。当突然打开装料箱前门时,装料箱内的颗粒受到重力作用沿坡面向下运动,而上层颗粒与坡面之间存在相对于颗粒尺寸较大的高差,当上层颗粒与坡面碰撞时发生跳动,且上层颗粒与过渡层颗粒相比具有更大的重力势能,最后冲程更大;而下层颗粒主要沿坡面滑动和滚动,重力势能相对更小,所以与上层颗粒相比冲程更短;过渡层颗粒运动过程中会处于上层和下层颗粒中间,会受到上层颗粒向后的作用,且3种形式的运动同时存在,碰撞剧烈,消耗更多的能量,故而过渡层颗粒的冲程要小于下层颗粒。

同时,各层区域Ⅰ颗粒冲程均大于区域Ⅲ颗粒冲程。由于滑前区域Ⅰ的颗粒更靠前,各层区域Ⅰ颗粒先运动,直至停止在地坪上,而区域Ⅲ的颗粒紧跟其后,受到区域Ⅰ颗粒的阻挡而停止运动,故而区域Ⅲ颗粒冲程更短。

(3) 如图 7所示,对于各区域颗粒最终集中分布的带状区域范围均随层高变化。上、下层区域颗粒分布的矩形对角线比过渡层的更长,即上、下层颗粒分布范围面积要大于过渡层颗粒分布范围面积,且过渡层颗粒分布的范围更靠近地坪中轴线和坡脚。同时,各层Ⅲ区域颗粒分布范围均大于Ⅰ区域颗粒分布范围。区域Ⅲ颗粒在运动过程中相互碰撞更多,在沿坡面运动过程中以跳动居多,散落范围更大。

图 7 各区域颗粒堆积矩形对角线规律 Fig. 7 Regularity of the deposit rectangle diagonal of particles in each zone a.区域Ⅰ颗粒堆积矩形对角线随层高变化;b.区域Ⅲ颗粒堆积矩形对角线随层高变化c.下层颗粒堆积矩形对角线随区域变化;d.过渡层颗粒堆积矩形对角线随区域变化e.上层颗粒堆积矩形对角线随区域变化

2.2 特殊颗粒的堆积位置分布及其分析

为研究碎屑流颗粒运动过程与其最终位置分布的关系,取特殊颗粒进行分析。结果表明,滑前摆放关于坡面中轴线对称的颗粒,其滑后分布亦对称。

故以下仅选取位于中轴线同一侧的,编号分别为1、45、91、201、245、291、401、445、491的9个特殊颗粒进行分析。(其中,1、201、401分别位于下层、过渡层和上层的Ⅰ区域最前端,45、245、445分别位于下层、过渡层和上层的Ⅰ、Ⅲ两区域交界处,而91、291、491分别位于下层、过渡层和上层的Ⅲ区域最后端)。通过对40组试验中特殊颗粒在滑坡后的分布进行分析得到如下结果:

(1) 通过对特殊颗粒在40组试验后最终位置分布进行分析发现,颗粒在每组试验后的位置存在随机性,并不是每次试验后都会停留在同一个方格内,其位置分布在一定的范围之内,且该范围存在一定的规律。

(2) 如图 8所示,位于下层前端的1号颗粒和位于上层前端的401号颗粒均为各自所在层的3个特殊颗粒中最终分布距离坡脚最远的;而位于Ⅰ、Ⅲ两区域交界处的45号、445号两个颗粒均是所在层的3个特殊颗粒中最终分布距离坡脚最近的;初始位置分别位于上、下层最后端的91、491号两个颗粒的最终分布却位于前端颗粒和交界处颗粒之间。且可以发现,上、下两层的3个颗粒分布范围连成一片,呈一条倾斜于水平线的带状区域。

图 8 同层特殊颗粒分布 Fig. 8 Distribution of specific particles in same layers a.下层3个颗粒;b.过渡层3个颗粒;c.上层3个颗粒

但是,位于过渡层的45号、245号、445号3个颗粒最终的位置分布却大致重合。

(3) 如图 9所示,由前端的3个颗粒最终分布比较可以发现,上层颗粒最终分布距离坡脚最远,而过渡层的颗粒最近,下层颗粒分布位于上层颗粒和过渡层颗粒中间,且3个颗粒同样呈倾斜的带状分布。同时不难发现后端的3个颗粒也具有相同的分布规律。

图 9 同区域特殊颗粒分布 Fig. 9 Distribution of specific particles in same zone a.前端3个颗粒;b. Ⅰ、Ⅲ区域交界处3个颗粒;c.后端3个颗粒

但是各层中位于Ⅰ、Ⅲ两区域交界处的3个颗粒,其最终分布范围大致重合。

3 颗粒运动机制分析及试验结果适用条件
3.1 颗粒运动机制分析

对比区域颗粒整体与个别特殊颗粒的堆积位置分布发现,单个颗粒滑后位置分布与某区域的颗粒滑后位置分布在一定程度上是相符合的,但同时也有不同之处。

Ⅰ区域前端、Ⅲ区域后端的颗粒随层高增加,最终分布位置距离坡脚更远。但Ⅰ、Ⅲ两区域交界处的颗粒不论层高,最终分布的位置却大致重合。在初始堆积体中,各层Ⅰ区域的颗粒最终分布位置与坡脚的距离比Ⅲ区域颗粒的远。同时位于Ⅰ、Ⅲ两区域交界处的颗粒的最终分布却距离坡脚最近。初始堆积体中位于中间部分(包括:水平和竖直两个方向)的颗粒随堆积体沿坡面下滑后最终在坡脚的分布始终位于堆积体最后。

在模型试验结果的基础上,结合试验现场的录像及现场调查,提出了一种简单的碎屑流颗粒运动机制:即碎屑流颗粒在沿坡面下滑过程中除了有颗粒自身的滑动、滚动和跳动外,还有碎屑流颗粒堆积体内部的整体滚动。

图 10所示,在打开装料箱前门的瞬间,预先按特定顺序摆放好的颗粒整体开始运动,首先前端颗粒开始沿坡面向前滑动,且位于整体上部的颗粒开始向滑动方向倾覆,整体下部后端颗粒也随之向前滑动,而位于整体中间的颗粒受到上部和下部颗粒的反作用力,在沿坡面向前滑动的同时相对于碎屑流整体往后运动。最先到达坡脚的颗粒停止运动后阻挡了后续到达坡脚的颗粒运动,由此颗粒整体开始堆积,停止运动。在堆积过程中存在某些后到达坡脚的颗粒与前边已经停止的颗粒发生碰撞,并出现跳跃向前的现象。

图 10 颗粒整体滚动示意图 Fig. 10 Sketch picture of particles' holistic rolling

3.2 试验结果适用条件

为了保证试验结果的科学性,必须严格保证重复试验的初始条件一致,故本试验采用了固定大小和形状的正方体水泥颗粒作为试验研究对象。同时受试验场地和装置大小的限制,为了保证更好的达到模拟滑坡的效果,经过初步试验后决定固定坡角为30°。基于此,该试验的结果适用于分析岩体异常破碎且级配较差的强风化状的无黏性堆积物以散体滑移方式失稳破坏的边坡。另外为了方便试验数据的采集,试验模型采用了水平平整的地坪作为碎屑流堆积区,故该试验结果适用分析地形条件为坡外地势平坦开阔的边坡。

4 结论

(1) 碎屑流颗粒在滑坡发生后的最终停留位置存在一定的随机性,但其位置分布在一定范围之内,具有规律可循。

(2) 初始关于滑坡方向中轴对称分布的颗粒在滑坡后依然对称分布;初始连续分布的颗粒在滑坡后位置分布在一定程度上并不连续;初始堆积体中同一分布层的后端颗粒与前端颗粒相比,滑后位置分布更靠近坡脚,但位于中部的颗粒最终分布最靠近坡脚;初始相同区域的颗粒滑后位置分布随其在整体中层高的增加呈Ⅴ型变化;上、下层颗粒分布范围要大于过渡层颗粒分布的范围,且过渡层颗粒分布范围更靠近坡脚;后部区域颗粒滑后整体分布范围大于前部区域颗粒整体分布范围。

(3) 堆积体颗粒在下滑过程中除了有颗粒自身的滑动、滚动和跳动外,还发生了较为复杂的碎屑颗粒堆积体内部的整体滚动。

该试验是对滑坡碎屑流堆积位置分布规律的一次探索性的试验,其结果为后续试验做了铺垫,但是相对于工程实际而言,室内模型试验存在着一定的局限性,其试验条件相对理想化,试验结果暂时还不能用于指导工程实践。本文虽然在试验基础上对滑坡碎屑流颗粒的运动机制进行了讨论,但是碎屑流颗粒运动具有很高的复杂性,还需要进行进一步的研究。

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