碎屑集合體撞擊與停積過程的運動學特征研究

劉世濤，程謙恭,2，林棋文，姚志勇，孫先鋒，鄧凱豐，劉道勝，王進華

（1.西南交通大學地質工程系，四川 成都 611756；2.西南交通大學高速鐵路運營安全空間信息技術國家地方聯合工程實驗室，四川 成都 611756；3.中鐵第一勘察設計院集團有限公司，陜西 西安 710043）

川藏鐵路途徑地區地質條件特殊，高山峽谷地貌縱橫遍布，這一地質背景導致川藏鐵路沿線崩塌、滑坡等地質災害極其發育[1?3]。崩滑災害解體后加速運動引發具有高破碎度、高離散性和流動特性的碎屑集合體，稱為碎屑流[4?7]。這種高位崩塌或者滑坡引發的碎屑流具有難以預測性、高隱蔽性、強烈的破壞性、運移距離遠、運動速度快等特征，危害性巨大[8?10]，如2000年發生的西藏易貢滑坡,其運動過程先是高陡山體處巨大體積的巖體崩滑隨后崩滑體激發流動區內大量堆積的塊石碎屑物，形成塊石碎屑流，碎屑流運移8～10 km 并完全堵塞雅魯藏布江，從而引發了極具危害的一系列次生災害[11?13]。

一些學者通過對高陡邊坡區的碎屑流實例調查來分析其運動與堆積特征。如許強等[14]針對四川漢源二蠻山高位碎屑流開展現場調查，根據其發生過程和動力特性將其主滑區域分為滑源區、斜卷滑塌區、主堆積區。鄭光等[15]、彭雙麒等[16]在對貴州普灑村高位崩塌碎屑流的現場調查基礎之上，研究分析認為普灑村崩塌碎屑流總體可分為崩塌源區和崩塌影響區，并對主崩落體的動力特性進行初步分析。實例調查研究將這種高陡斜坡崩滑碎屑流分成不同區域，表明這種碎屑流的運動過程存在明顯變化的階段，但是現場調查研究很難直接觀察到高位崩塌碎屑流的具體運動過程，對于探究不同初始條件對碎屑流的運動以及堆積特征的控制影響也存在著一定的局限性。

室內物理模型試驗可以彌補這一缺點，故在碎屑流的相關研究中受到大量國內外學者的重視，如Manzella 等[17]設計斜板試驗裝置，研究分析體積、下落高度、斜坡坡度、顆粒形狀等對碎屑流運動特征的影響。郝明輝等[18]通過開展室內斜槽模型試驗，研究了碎屑體的粒徑、滑床糙率等對碎屑流運動特性的影響。王忠福等[19]設計了一種斜板試驗裝置來研究粒徑大小對巖石碎屑流的運移距離以及堆積特性的影響。王玉峰等[20]通過滑坡-碎屑流的三維物理模型試驗裝置來觀察和分析碎屑流的流態化運動與堆積特征。當前對于碎屑流的室內模型試驗研究主要是將其視為顆粒流，通過斜槽試驗來進行其運動、堆積的全過程模擬研究。

川藏鐵路沿線的高陡邊坡常發育高能崩滑-碎屑流，這種崩滑碎屑流具有高角度、部分自由落體式運動、高能、崩滑體撞擊坡腳等顯著特征[21]，撞擊坡腳交通干線，易造成人員傷亡、交通中斷、線路設施損毀等。但是目前的室內模型試驗研究沒有突出撞擊的影響。因此本文設計了自由下落的碎屑集合體室內模型試驗裝置，考慮撞擊過程對碎屑流運動和堆積的影響，以期了解這種特殊碎屑流的運動規律和堆積特征，從而為川藏鐵路沿線的工程結構設計以及碎屑流的防治工作提供理論基礎。

1 試驗方案

1.1 試驗裝置設計

為了模擬再現高能/高陡邊坡碎屑流撞擊坡腳并停積全過程的特征，將其考慮為“碎屑集合材料自由落體加速運動-高速撞擊底板-擴散堆積”這一簡化工程地質模型，進行試驗裝置設計。模型試驗裝置主要由物料盒、抽滑釋放裝置、剛性固定框架、堆積底板以及監測系統組成，如圖1所示。剛性固定框架主要是由鋼管和卡扣組成，用來固定和支撐整個試驗裝置。抽滑釋放裝置主要是由4 個亞克力板和1 個亞克力圓柱棒粘接而成，具體包括：頂板、2 個側板、抽滑板（可以通過阻尼導軌沿著側板滑動）、圓柱棒（通過卡扣沿著固定裝置上下移動從而可以改變碎屑集合體的下落高度）、前擋板。物料盒通過螺絲釘固定在前擋板上，方便拆卸。物料盒的尺寸有6 種，全部由亞克力板粘接，在物料盒的底部分別安裝有2 片扇葉，當抽滑板滑過物料盒時，扇葉自動展開，碎屑集合體從物料盒中開始自由下落。底板是由2 塊尺寸為2 m×1 m 的亞克力板組成。在底板下面設置鋼肋以用來減小亞克力板的受力變形，并確保鋼肋設置在碎屑集合體的落點重心處。監測系統主要是1 臺850 幀率的高速攝影機和一臺高清相機，用來記錄碎屑體的運動過程和整體試驗過程。此外在Y軸負方向一側懸掛1 塊亞克力板，走向平行于X軸方向，用來輔助觀察側向高速攝影所記錄的碎屑集合體的自由下落、撞擊、運動等過程。

圖1 試驗裝置圖Fig.1 Diagram of the experimental setup

1.2 試驗方案

本次試驗主要考慮碎屑集合體的顆粒粒徑大小、體積、下落高度對碎屑集合體撞擊和停積過程運動學特征的影響。碎屑集合體為石英砂，本次試驗共采用5 種粒徑大小的石英砂，分別是0.1～0.25 mm、0.25～0.5 mm、0.5～1 mm、1～2 mm、2～5 mm（圖2）。物料盒為立方體，具有6 種尺寸，用以控制不同體積的碎屑集合體，體積分別是8，27，64，125，216，512 cm3。

圖2 試驗用碎屑集合體Fig.2 Grains aggregation used in test

設置了7 種下落高度，分別為0.6，0.7，0.8，0.9，1.0，1.1，1.2 m。本文具體試驗方案見表1。

表1 試驗方案Table 1 Test plans

1.3 試驗數據處理方法

下面以任意一組試驗過程為例說明試驗結果的數據獲取和參數計算。

圖3 為高速攝影機正面拍攝的碎屑體在剛接觸底板以及隨后的一系列運動過程，利用PIVlab 對這些正面高速攝影照片進行碎屑流運動速度的計算，觀察碎屑流的運動變化過程[22?23]。因為高速攝影的幀速率為850 幀/s，故根據每一擴散范圍與剛接觸底板的幀數之差便可以得出擴散的時間，進而可以定量比較在相同擴散范圍內的運動速度大小。

圖3 碎屑集合體運動過程正視圖Fig.3 Plan views of the motion of grains aggregation

碎屑集合體運動停止之后，利用高清相機拍攝最終堆積的圖像，通過傾斜攝影測量軟件生成數字表面模型照片（以下簡稱為DSM）和正射影像照片，見圖4。獲取DSM 后結合MATLAB 程序獲得最大堆積厚度點處沿Y軸方向剖面，見圖5（a）。

圖4 傾斜攝影測量法獲取的照片Fig.4 Photograph obtained by oblique photogrammetry

圖5 數據處理獲取的圖像Fig.5 Photograph obtained by data processing

通過觀察碎屑集合體的運動堆積過程，發現碎屑集合體存在不同堆積形態，故本文將碎屑集合體的堆積分為主體堆積與離散堆積。主體堆積是指顆粒之間相互接觸在一起；離散堆積是指顆粒之間不存在相互接觸，單獨顆粒堆積或局部零星接觸。對于每一組試驗工況，利用圖像處理軟件將正射影像照片進行二值化處理[24]，再通過MATLAB 程序提取主體運動距離與主體覆蓋面積，提取結果圖像如圖5（b）所示。為減小試驗誤差，所有工況的二值化處理過程采用統一閾值，提取在4 個方向上白色像素值95%所能到達的距離，覆蓋面積即是方向上運動距離所包圍區域內白色像素值的大小；主體運動距離即是這方向上運動距離的平均值。

對于離散堆積，堆積不能連成一片，故在閾值處理中將離開碎屑流主體的顆粒過濾，因此本文所提的運動距離與覆蓋面積皆是碎屑流主體堆積面積和主體運動距離，即顆粒能夠堆疊、接觸在一起的，不包括單獨顆粒堆積，具體堆積現象如圖4所示，紅線表示主體堆積輪廓，紅線與黃線之間則表示顆粒離散堆積，未能連成一片堆積，閾值處理過程中則可能被過濾。

2 試驗結果

2.1 碎屑流運動與堆積過程基本特征

首先通過體積最大工況（G6 工況）的側面高速攝影圖像來具體描述本文中碎屑集合體撞擊底板、沿底板運動、堆積的全過程。碎屑集合體釋放后，首先開始進行自由落體運動，底部最先撞擊底板，見圖6（a）；由于較高處碎屑集合體還處于自由落體下落狀態，故較高處顆粒與較低處顆粒擠壓形成剪切面，較高處顆粒進行下沉運動，同時沿著剪切面運動，也會擠壓推動較低處顆粒向前運動，見圖6（b）。當碎屑集合體的下沉運動停止后，較高處顆粒在自由落體勢能所轉換的動能作用下繼續沿著剪切面運動并擠壓推動較低處顆粒向前運動，見圖6（c），黃色箭頭表示剪切面。當碎屑集合體在剪切面上的運動停止時，最前緣的顆粒仍會繼續向前運動一段時間，見圖6（d）；直至運動停止，最后的堆積狀態見圖6（e）。碎屑集合體運動過程中顆粒會出現滾動、跳躍、滑動等運動方式，具體如圖6（c）所示，紅色線表示顆粒的跳躍運動，黃色線表示顆粒的滾動與滑動。

圖6 碎屑集合體運動過程側視圖Fig.6 Lateral views of the motion of grains aggregation

圖7 為碎屑集合體運動過程中表面形態的變化過程。碎屑集合體自由下落后撞擊底板，隨后碎屑集合體一邊下沉一邊向四周進行較為均勻的擴散，具體形態見圖7（a），碎屑集合體在向四周擴散過程中會出現擠壓橫向脊這一流態運動特征，如圖7（b）中黃線所示，隨著擴散運動的進行，這些橫向脊會迅速變小，從而在碎屑集合體的表面出現X 型共軛脊，具體見圖7（c），這些X 型共軛脊會隨著擴散運動的進行逐漸變得不明顯。隨后碎屑集合體的擴散運動出現主體運動基本停止，只有前緣的顆粒繼續運動，見圖7（d）。圖7（d）中的紅線輪廓表示主體運動所到達的范圍，在此后的擴散運動中，碎屑集合體的主體運動基本停止，堆積范圍基本確定，在隨后的運動中，主要以前緣零星顆粒的運動為主，顆粒之間的接觸不再緊密，前緣發生零星堆積現象直至最終運動停止，碎屑集合體的最終堆積表現形態見圖7（e）。

圖7 碎屑集合體表面形態變化過程Fig.7 The changing process of the grains aggregation’s surface morphology

2.2 最大堆積厚度變化規律

圖8 為粒徑大小、體積、下落高度與最大堆積厚度之間的變化規律誤差棒圖，其中誤差棒的大小可以反映重復試驗數據之間的差異性。從圖8（a）中可知0.1～0.25 mm、0.25～0.5 mm、0.5～1 mm 這三個粒徑大小中，粒徑越小，最大堆積厚度越大；但0.5～1 mm、1～2 mm、2～5 mm 這3 個粒徑大小中，粒徑越大，其最大堆積厚度越大，且最大堆積厚度均小于0.25～0.5 mm 粒徑的最大堆積厚度。粒徑大小與最大堆積厚度之間并沒有存在完全的線性規律；由圖8（b）中可知隨著體積的增大，碎屑集合體的最大堆積厚度隨之增大，兩者之間存在明顯的線性關系；圖8（c）為下落高度與最大堆積厚度之間的關系圖，可以看出兩者呈負相關關系。

圖8 各試驗工況下最大堆積厚度Fig.8 The maximum deposit thickness of every test condition

2.3 主體運動距離變化規律

圖9 為粒徑大小、體積、下落高度與主體運動距離之間的變化規律。由圖9（a）中可知粒徑大小與主體運動距離之間存在明顯的負相關規律。從圖9（b）中可以發現，隨著體積的增大，碎屑集合體的主體運動距離隨之增大；在圖9（c）下落高度試驗工況中，可以看出在下落高度H=0.7 m 時，主體運動距離比H=0.6 m 遠，但是隨后碎屑集合體的主體運動距離又降低；在H=1.0 m 時主體運動距離又增加，隨后又降低；在H=1.2 m 時，主體運動距離最小，并沒有發現下落高度與主體運動距離之間存在明顯的線性變化規律。

圖9 各試驗工況下主體運動距離Fig.9 The main moving distance of every test condition

2.4 主體覆蓋面積變化規律

圖10 為各個試驗工況與主體覆蓋面積之間的關系圖。從圖10（a）中可以看出，隨著粒徑大小的增大，碎屑集合體的主體覆蓋面積逐漸減小，這與主體運動規律一致，粒徑大小與主體覆蓋面積之間存在負相關規律；由圖10（b）可知，碎屑集合體體積與主體覆蓋面積之間存在正相關線性規律。由圖10（c）可知，當下落高度H=0.6 m 和H=0.7 m 時，主體覆蓋面積呈增大趨勢，但隨后隨著下落高度的增加，主體覆蓋面積呈下降趨勢。碎屑集合體的下落高度與主體覆蓋面積之間總體上呈負相關關系。

圖10 各試驗工況下主體覆蓋面積Fig.10 The main covered area of every test condition.

2.5 擴散時間變化規律

通過分析各個工況的正面高速攝影照片，發現碎屑集合體撞擊底板之后向四周擴散，而且擴散的趨勢相同。為比較不同試驗工況下的擴散運動速度，本文記錄了碎屑集合體撞擊底板后在2 個方向上運動相同距離范圍，包括10 cm×10 cm、20 cm×20 cm、30 cm×30 cm 等范圍的照片幀數（觀察發現當超過30 cm×30 cm的范圍時，粒徑大小工況、下落高度工況以及體積工況中前三組體積較小的碎屑集合體顆粒之間的接觸開始變得松散，有更多的顆粒單獨堆積，無法統一確定界限，故只比較上述幾個范圍，這并不代表碎屑集合體最后的堆積范圍）。

從圖11 中可以看出，在粒徑大小變化試驗工況中，在相同的擴散范圍中，隨著粒徑的增大，碎屑集合體的擴散時間隨之增大，兩者之間存在正相關規律；在體積變化試驗工況中，隨著體積的增大，碎屑結合體的擴散時間隨之減小而且擴散范圍隨著體積的增大而增大。當體積大于等于64 cm3（即邊長為4 cm）時擴散時間明顯減少，如當碎屑集合體的體積為512 cm3（邊長為8 cm）時，主體擴散范圍可以達到60 cm×60 cm，而當碎屑集合體的體積小于64 cm3時，主體擴散范圍最大為30 cm×30 cm；同理，在下落高度變化試驗工況中，下落高度與擴散時間存在負相關變化規律。

圖11 各試驗工況下擴散時間Fig.11 The diffusion time of every test condition

3 討論

3.1 碎屑集合體運動規律分析

對碎屑集合體撞擊底板后的運動擴散正面高速攝影圖像進行PIVlab 分析后（圖12），可以發現在運動擴散過程中最前緣的顆粒速度最大，從前緣到重心位置速度呈減小趨勢，我們認為這主要是因為動量傳遞的作用。結合2.1 節中關于本試驗中碎屑流的運動過程的描述，我們發現顆粒沿剪切面運動過程中，產生擠壓推動作用導致顆粒之間發生相互碰撞，將部分動量傳遞給較前部顆粒致使運動前緣顆粒速度較快[25?26]，能夠運動更遠距離甚至在主體運動基本停止、主體覆蓋面積基本確定時，前緣顆粒繼續向前運動發生離散堆積。

圖12 G6 工況擴散速度云圖Fig.12 The velocity field diagrams of G6

3.2 碎屑集合體堆積特征與擴散運動規律分析

通過觀察不同試驗工況下碎屑集合體撞擊底板、運動擴散后的堆積現象，我們發現其具有一些普遍堆積特征。下面以圖7（G6 工況）為例來具體說明。

碎屑集合體的堆積包括主體堆積和離散堆積兩部分，如圖7（e）中的紅色和黃色輪廓。主體堆積中顆粒接觸緊密，大部分顆粒處在主體堆積區；離散堆積中顆粒接觸不緊密，相互不能連接在一起，只有少部分顆粒處于離散堆積區。碎屑集合體的堆積總體上呈中間厚、四周薄，從堆積重心到邊緣，厚度逐漸減小，厚度具體如圖13所示。碎屑集合體的堆積形態在撞擊底板后的擴散運動初期呈近圓形，見圖7（a）（b）；隨著擴散運動的進行其形態呈近菱形，見圖7（c）（d）（e）。這主要是由于顆粒之間的碰撞、摩擦以及與底板之間的摩擦等耗能過程導致。

圖13 G6 工況沿Y 軸剖面Fig.13 The profile along Y axis of G6

通過圖7 正面高速攝影照片，可以發現其表面有橫向脊，X 型共軛脊出現，見圖7（c）。王玉峰等[27]在研究高速遠程滑坡時發現過這種流態化堆積現象，并分析認為橫向脊是由于擠壓作用形成，X 型共軛脊是擠壓作用與徑向擴散共同作用的結果，并提出一種共軛剪切模型來解釋這種現象。通過高速攝影發現擠壓橫向脊以及X 型共軛脊出現在碎屑顆粒的運動擴散過程中。碎屑顆粒的運動擴散過程包括顆粒沿擠壓所形成的剪切面運動、顆粒間相互碰撞擠壓作用等，這些現象是碎屑集合體撞擊底板擴散運動過程中的力學過程所導致。

由圖8（b）可明顯看出：同一粒徑的碎屑集合體，從同一高度自由撞擊底板后的最大堆積厚度隨著體積的增大而增大。從3.1 節的分析已知碎屑集合體撞擊底板后的運動堆積主要是顆粒沿著剪切面運動并擠壓較低處顆粒向前運動的結果，堆積厚度便從中心開始逐漸降低，本試驗中碎屑集合體的體積越大，高度也就越大，所含的顆粒越多，在撞擊一瞬間有更多的顆粒堆積在底板，形成剪切面的高度也就越大，故最大堆積厚度也就越大，見圖14 中最小體積與最大體積的主體堆積側視高速照片。

圖14 最小體積與最大體積工況主體堆積側視圖Fig.14 Lateral views of the main deposit in minimum and maximum volume

從圖8（c）中可以發現：碎屑集合體的最大堆積厚度隨著下落高度的增大而減小。Utili 等[28]通過數值模擬柱狀崩塌試驗時發現勢能損失主要是由于運動過程中動能變化造成的。De Blasio 等[21]在研究巖崩能量轉化時認為巖崩的勢能約80%轉化為動能；因此我們認為下落高度越大，碎屑集合體的重力勢能越大，轉化的動能越大，碎屑集合體中的顆粒可以運動得更遠，有更多的顆粒發生離散堆積，碎屑顆粒所在的范圍越大，故最大堆積厚度變小。

圖11 中通過記錄擴散時間來定量比較在相同擴散范圍內的運動速度大小。在相同的擴散范圍內，擴散時間越長，表明碎屑集合體的運動速度越小。從圖11 可以發現，在10 cm×10 cm 范圍內各個工況的擴散時間很接近，觀察研究發現碎屑集合體撞擊底板時，碎屑集合體的覆蓋范圍接近10 cm×10 cm，導致顯示出來的擴散時間很短，各個試驗工況下在10 cm×10 cm范圍內各個粒徑大小的擴散時間很接近，差異不是特別明顯。

從圖9（a）、圖10（a）以及圖11（a）中可以看出隨著粒徑的增大，碎屑集合體的主體運動距離、主體覆蓋面積以及運動速度均減小。通過觀察F1 工況以及F5 工況的側視高速攝影可以發現，見圖15。顆粒粒徑越大，撞擊底板之后，拋灑的碎屑顆粒占總顆粒數的比值越大，顆粒運動更加紊亂，最后離散堆積、不能夠接觸在一起的顆粒堆積得越多，主體堆積的運移距離減小，覆蓋面積減小。不同粒徑大小的碎屑集合體，在相同體積和相同下落高度條件下撞擊底板后，拋灑的碎屑顆粒占總顆粒數的比值越大，則拋灑的碎屑顆粒的動能占總動能的比值越大，碎屑集合體中緊密接觸在一起的動能相應減小，運動速度減慢。

圖15 最小粒徑與最大粒徑工況側向高速攝影圖像Fig.15 Lateral high-speed photography of the minimum and maximum grain sizes

從圖9（b）、圖10（b）以及圖11（b）中可以看出，相同粒徑大小的試驗工況，隨著體積的增大，碎屑集合體的主體運動距離和覆蓋面積均增大，運動速度加快。碎屑集合體撞擊底板以及運動、堆積過程中能量主要包括勢能、撞擊底板的振動信號能量、底板消耗的能量、運動過程中的摩擦耗能、動能[29?31]，其中動能的占比是最大的，因此在相同粒徑大小、相同下落高度條件下，體積越大，勢能轉化的動能也就越大，碎屑集合體運動的越遠，堆積的覆蓋面積越大，運動速度越快。碎屑集合體的這一特征跟高速遠程滑坡中的體積效應具有相似性[32?33]，即在高速遠程滑坡中，體積越大，滑坡的運動速度越快，滑移距離越遠。

在圖9（c）、圖10（c）以及圖11（c）中可以看出，碎屑集合體的下落高度與主體運動距離之間并沒有呈現明顯的線性規律，大體上呈隨著下落高度增加主體覆蓋面積減小的趨勢，此外下落高度越大，運動速度越快。隨著下落高度增加，碎屑集合體的動能相應增加，故運動速度增快，同時顆粒運動更加紊亂，有更多的顆粒會離散堆積，接觸在一起的顆粒總數就會減小，主體堆積的面積會減小，故主體覆蓋面積減小，如圖16所示。主體運動距離是4 個方向取平均值，隨著下落高度增加，顆粒運動紊亂加劇，平均值的選取有可能出現較大偏差，故在此方法下主體運動距離與下落高度之間的規律不是特別明顯。

圖16 最小和最大下落高度堆積體正射影像圖Fig.16 The orthophotos of deposit in minimum and maximum drop height

3.3 控制條件對碎屑集合體堆積特征的影響分析

陳陸望等[34]、周輝等[35]在研究各控制條件對相似材料特性的影響程度時通過計算極差以及標準差來進行判斷。各控制條件下堆積特征的標準差與極差越大，表明該控制條件對堆積特征的影響程度越大。分別計算極差與標準差可以相互驗證結論，為使結論更加科學、準確，故在進行極差與標準差的分析中，粒徑大小，體積，下落高度的變化范圍均采用5 個變化范圍。

極差R以及標準差σ的具體數學表達式為：

式中：Xi—各物理參數；

μ—同一因素不同水平下各物理參數的均值。

各控制條件下堆積特征的標準差值和極差值如表2所示。

通過觀察表2 可知，標準差與極差具有一致性，如在各控制條件對最大堆積特征的影響程度上，標準差值最大的控制條件為體積，同時體積控制條件下的極差值也最大。體積對最大堆積厚度、主體運動距離以及主體覆蓋面積的標準差和極差都是最大的，其次是粒徑大小，而下落高度對以上特征的標準差與極差都是最小的。故體積控制條件對最大堆積厚度、主體運動距離以及主體覆蓋面積的影響是最大的，其次是粒徑大小控制條件，下落高度控制條件的影響程度最小。此外還可以發現，體積控制條件下的最大堆積厚度的標準差約是下落高度控制條件下最大堆積厚度的26 倍；在主體運動距離的對比中，體積控制條件的標準差約是下落高度的標準差的10 倍，由此可見，體積對碎屑集合體堆積特征的影響顯著大于下落高度對其的影響。

3.4 模型試驗與真實高位碎屑流的聯系

真實高位碎屑流一般都存在滑源區、流通區與堆積區[14?16]，本文中的碎屑集合體經自由落體下落，底部撞擊底板運動后，擠壓形成剪切面，較高處顆粒下沉運動同時伴隨著擠壓推動較低處顆粒向前運動，隨后碎屑集合體的下沉運動停止，這一階段類似于真實高位碎屑流的滑源區；當下沉運動停止之后，較高處顆粒在勢能所轉化的動能作用下繼續沿著剪切面運動并擠壓推動較低處顆粒向前運動直至在剪切面上的運動停止，這一階段類似于真實高位碎屑流的流通區；當顆粒在剪切面上的運動停止之后，最前緣顆粒仍會繼續向前運動，這一階段類似于真實高位碎屑流的堆積區。通過觀察真實高位碎屑流的縱向剖面可以發現其厚度自源區至堆積區總體上呈減小趨勢，這一現象與本文中得出的厚度剖面規律一致，即自堆積重心至邊緣厚度逐漸減小。

4 結論

（1）碎屑集合體撞擊底板后的運動擴散過程主要為：底部最先撞擊底板，較高處顆粒與較低處顆粒擠壓形成剪切面，隨后較高處顆粒一邊進行下沉運動，一邊沿著剪切面運動。在顆粒沿著剪切面運動過程中，顆粒擠壓推動較低處顆粒向前運動，從而導致碎屑集合體向四周進行擴散運動。

（2）在碎屑集合體撞擊底板后的運動過程中，由于前緣顆粒與后緣顆粒之間存在動量傳遞，導致前部顆粒速度更快，運動距離更遠從而產生離散堆積現象。

（3）自堆積重心至邊緣，堆積厚度逐漸減小；堆積形態在運動初期呈近圓形，隨著運動過程形態發生變化，最終形態呈近菱形。碎屑集合體運動擴散過程中的力學過程是產生橫向脊、X 型共軛脊的原因。

（4）碎屑集合體的粒徑越小，體積越大，其主體運動距離、主體覆蓋面積越大、其運動速度越快；體積與最大堆積高度之間存在正相關關系，即體積越大，最大堆積高度越大；下落高度越小，其最大堆積厚度越大，運動速度越慢，下落高度與主體覆蓋面積總體上呈負相關關系。

（5）在粒徑大小、體積、下落高度控制條件中，體積控制條件對碎屑集合體的堆積特征（最大堆積厚度、主體運動距離、主體覆蓋面積）影響最大，粒徑大小其次，下落高度影響最小。