基于物理模型實驗的高速遠程滑坡碎屑流堆積特征分析

任雨欣 喻志鵬

高速遠程滑坡往往具有強烈的災害性，對人類的生命財產安全產生極大的威脅，其成因機理和運動機理研究一直是國內外滑坡地質災害學者研究的熱點問題。介紹斜槽物理模型實驗，通過在運動區及停積區底面鋪設不同覆蓋材料以實現不同的停積條件，對不同停積條件下顆粒流堆積特征進行分析。實驗結果表明：顆粒流堆積體表面可見橫向脊、側緣堤展布，堆積體內部有推擠褶皺出現，停積條件對堆積體的表面特征和內部特征均有影響，堆積體的形態特征與堆積體內部顆粒的剪切作用有關。

高速遠程滑坡； 物理模型實驗； 顆粒流； 堆積特征； 停積條件

P642.22 A

［定稿日期］2022-02-04

［作者簡介］任雨欣（1997—），女，碩士，研究方向為高速遠程滑坡運動機理；喻志鵬（1996—），男，碩士，研究方向為環境工程地質、巖土施工技術。

高速遠程滑坡具有巨大的體積、極快的運動速度、超長的運動距離、多樣的運動形式、強大的能量和異常高的流動性，是一種十分嚴重的地質災害，常造成巨大的社會危害［1-3］。高速遠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動，主要運動形式為流態化運動［4］。流態化運動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］。

高速遠程滑坡動力學過程研究中，物理模型實驗發揮重要作用，通過簡化的工程地質模型，實現可控的實驗條件，從而用于研究不同因素對滑坡運動及堆積特征的影響規律。Manzella 等［8］設計斜板試驗裝置，研究分析不同條件下的碎屑流的運動特征。王畯才等［9］利用室內物理模型試驗，模擬了滑坡碎屑流的滑動和堆積過程，對滑坡碎屑流堆積物的分布規律進行了分析。

顆粒材料會在一定條件下呈現出類似于流體的流動行為。因此，已有研究中常用顆粒材料模擬碎屑流的運動過程［4］。本文通過設計物理模型試驗，在運動區及停積區底面設置不同覆蓋材料以實現不同的停積條件，對各工況下的顆粒流堆積體特征進行研究，研究結果對揭示高速遠程滑坡遠程運動機理和高速遠程滑坡野外考察具有重要指導作用。

1 實驗方法

1.1 模型試驗裝置設計

本研究選擇施加側向約束的斜槽實驗裝置，如圖1所示。其中，供料區模擬滑坡源區，斜槽模擬運動區，水平堆積槽模擬停積區。

模型槽尺寸如圖1所示。模型槽側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鉸鏈連接，斜槽傾角設置為40°。供料區采用豎直擋板，通過旋轉式開關釋放物料。

1.2 實驗材料及工況設計

依據高速遠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。在物理模型實驗中，相似材料往往采用不規則形態的巖石礦物顆粒，使實驗中的顆粒流的運動特征、物理力學性質更貼近原型滑坡。實驗采用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性質相對穩定，并用丙烯顏料對石英砂進行染色。實驗中將源區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，每次實驗顆粒總量為5 L，每層體積為1.67 L。填料時分層填入，待一層顆粒抹至水平后再填入上層顆粒。

本實驗針對不同停積條件對顆粒流堆積特征的影響進行研究。設置豎直擋板并添加旋轉式開關以模擬滑坡-碎屑流失穩條件，通過在運動區及停積區底面鋪設不同覆蓋材料以實現不同的停積條件。共設計4個實驗工況，如表1所示。

1.3 實驗數據監測

實驗數據監測方法如表2所示。

2 實驗結果分析

2.1 堆積體表面特征分析

根據圖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，隨著停積區粗糙度增大，堆積體表面中層顆粒弧形出露增多，且顆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脫節。A1工況堆積體兩側有下層顆粒出露。

根據傾斜攝影測量法的計算結果，使用Matlab生成堆積體高程圖，堆積體的表面地貌形態特征如圖3所示。A1、A2和A3工況堆積體表面均發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育。A1、A2和A3工況下隨著停積區粗糙度增大，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有側緣堤展布，A3工況堆積體后緣有一條規模較大的溝谷發育。

2.2 堆積體剖面特征分析

使用Matlab生成堆積體縱剖面圖，可直觀地觀測到堆積體的長度、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，堆積體有一個厚度極值，A1工況堆積體長而薄，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中溝谷對應；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。停積區底面粗糙時，少量顆粒堆積于斜槽上；停積區底面為松散覆蓋層時，小部分顆粒堆積于斜槽上；運動區底面粗糙時，大部分顆粒堆積于斜槽上。A1、A2和A3工況中，隨著停積區粗糙程度增大，堆積體在水平槽上的堆積體長度減小，水平槽上堆積體最大厚度值增大。

對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部剖面特征，如圖5所示。4種工況下，堆積體內部出現顆粒混合但基本保持源區顆粒的層序關系。A1、A2和A3工況內部結構相似，有褶皺展布，A4工況無褶皺出現，且顆粒混合度較高。A1、A2和A3工況隨著停積區粗糙度增大，堆積體內部褶皺展布更集中，且波長減小，波幅增大。

3 討論

顆粒流在進入停積區后，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，前端顆粒流先到達停積區，下滑力降低和底部摩阻力增大，前端顆粒流運動速度開始減慢，后部顆粒開始推擠前部顆粒，在內部產生推擠作用并形成褶皺。如圖2、圖3所示，堆積體內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動，產生“刮鏟效應”，顆粒流前部顆粒速度急劇降低，前部顆粒停止運動后形成堆積體，后部顆粒在前方堆積體后緣上繼續堆疊，形成雙峰。

在A1工況中，顆粒流堆積體兩側有側緣堤出現，且根據圖2中A1工況可知，側緣堤主要為中下層顆粒出露。在顆粒減速堆積時，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向前運動，運動過程中下部顆粒受底部摩阻力減速，上部顆粒繼續運動。在此過程中，底部顆粒被推擠到兩側，并在有側向約束的水平槽兩側堆積。但側緣堤僅在A1工況，即運動區底面光滑、停積區底面光滑的情況下發育，表明側緣堤多在滑體所受摩阻力較小的情況下出現。

4種工況的堆積體剖面上均能觀察到層序保留現象，說明運動過程中顆粒未出現大面積的混合。顆粒流堆積體的混合程度與堆積體內部顆粒的剪切作用有關，在運動區粗糙時，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，內部剪切作用增大，導致顆粒流混合程度增大。

4 結論

（1）運動區光滑條件下，因后部顆粒推擠前部顆粒，堆積體表面形成橫向脊，甚至在停積區底面為松散覆蓋層時堆積體形成雙峰結構。堆積體內部仍存在層序保留現象，但有推擠褶皺出現。

（2）停積條件對堆積體的表面特征和內部特征均有影響。在運動區光滑時，隨著停積區粗糙度增大，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；內部褶皺展布更集中，且波長減小，波幅增大。運動區粗糙時，堆積體內部顆粒混合程度較高，且無明顯褶皺。

（3）根據顆粒流堆積特征，可以得出堆積體的形態特征與堆積體內部顆粒的剪切作用有關，剪切作用主要影響內部顆粒的運動，從而改變堆積體的形態特征。

參考文獻

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