碎屑流模型試驗研究

雷先順,沈銀斌,朱大勇,劉 誠

(1.合肥工業大學 土木與水利工程學院,安徽 合肥 230009; 2.湖北省電力勘測設計院,湖北 武漢 430040; 3.土木工程結構與材料安徽省重點實驗室，安徽 合肥 230009; 4.機械工業勘察設計研究院,陜西 西安 710048)

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碎屑流模型試驗研究

雷先順1,2,3,沈銀斌4,朱大勇1,3,劉 誠1,3

(1.合肥工業大學 土木與水利工程學院,安徽 合肥 230009; 2.湖北省電力勘測設計院,湖北 武漢 430040; 3.土木工程結構與材料安徽省重點實驗室，安徽 合肥 230009; 4.機械工業勘察設計研究院,陜西 西安 710048)

碎屑流危害極大,且無法對其進行有效的預測和防范。文章通過室內模型試驗,研究了不同組成的分層堆積體在不同初始啟動角下,沿斜面的滑動和堆積運動,分析得到堆積體最終堆積范圍的變化規律。試驗結果表明:隨著初始啟動角的變大,堆積體由分級破壞逐漸變成整體破壞,堆積范圍也會變大;堆積體上層顆粒比下層顆粒的沖程要大,對整個堆積體的沖程影響也要大;堆積體分層情況對其最終堆積范圍影響較大,但隨著初始啟動角變大,這種影響逐漸變小。試驗研究成果對研究碎屑流運動過程和堆積范圍具有一定的理論參考價值。

模型試驗;碎屑流;分層堆積體;初始啟動角;堆積范圍

0 引 言

碎屑流是一種破壞性十分大的地質災害,具有速度快、規模大、距離遠和預測困難等特點,現在已經成為工程地質災害研究的熱點問題,在進行滑坡分析預測時,最為棘手的問題是滑動距離、危害范圍和危害程度的預測。

關于碎屑流運動過程的理論研究成果較多,但普遍存在假設過多問題,尚不能完全解釋碎屑流運動過程中出現的一些現象。在理論研究方面,主要有基于塊體滑動摩擦理論、流體理論和散粒體理論等,但是各有其局限性。塊體理論[1-2]把堆積體簡化成剛體,不能描述崩滑土體運動過程的破碎和大變形;流體理論[3]把滑體看做流動性的連續介質,但是邊界條件復雜,且不能反映滑坡過程中的破碎、相互作用等現象;散體理論[4]將滑體簡化成一個個顆粒組成的堆積體,可以分析滑體內部介質的力學行為,滿足滑體變形的非連續性等優點,但是計算復雜。

用數值模擬來研究滑坡系統內部的動態變化過程,對滑坡的成災范圍進行有效預測具有重要意義。文獻[5]提出了基于拉格朗日差分法的模擬方法(DAN);文獻[6]基于巖體介質非連續性提出了分析塊體系統運動和變形的一種嶄新的巖土工程數值分析方法;文獻[7]基于有限體積法,考慮了滑坡過程中滑體下表面的侵蝕和摩阻力的變化,建立了一種滑坡滑動過程三維計算的運動學模型。

物理模型試驗主要集中于研究碎屑流物質在滑面上的滑動和堆積過程。文獻[8]研究了滑體的體積對滑體的擴散范圍、堆積區的長度等指標的影響;文獻[9]研究了滑坡-碎屑流中的顆粒反序現象,并討論了其形成機制;文獻[10]通過砂土流動的模型試驗,研究了砂土在不同初始狀態下流態化運動的過程;文獻[11]通過試驗,探究了滑體在滑動過程中的能量轉化情況。

分層堆積體在不同的堆積坡度下的破壞模式是不同的,導致其最終的運動和堆積結果也發生變化,而針對該問題的試驗研究資料較少。本文通過模型試驗的方式,探討在不同堆積坡度下分層堆積體的滑動和堆積規律。

1 模型試驗概況

1.1 試驗裝置

整個模型試驗裝置由裝料模型箱、鎖門裝置、鋼支架、滑面4個部分組成,如圖1所示。裝料模型箱用于制備堆積體,尺寸為60 cm×40 cm×50 cm(長×寬×高)。模型槽左、右兩側密封,后側和上側敞開,方便裝料,前側設置一個可向左、右兩側開合的擋板,擋板前的鐵鏈由一個手動葫蘆控制其松緊,從而控制擋板的開合,繼而導致模型槽內堆積體破壞并在滑面上運動。模型槽放在一個可調節角度的鋼架上,鋼架的坡度可以在0°～50°之間任意調節,從而得到不同的初始啟動角θ,如圖2所示。模型槽內顆粒堆積情況如圖3所示。

圖1 實驗裝置實物圖

圖2 初始啟動角

圖3 滑體堆積圖

根據碎屑流運動的過程,將滑面分成加速區、減速區2個部分。加速區斜坡高度為1.8 m,滑面寬度為1.7 m,位于鋼支架上。鋼支架是由工程中用的腳手架組成,保證了模型體系的穩定。減速區寬2.6 m,上面畫上10 cm×10 cm的方格,便于觀察堆積體最終的分布范圍。在斜坡的上方和前方分別放置一臺攝像機,以記錄滑坡運動的整個過程。

1.2 試驗材料及測量參數

試驗采用2種不同粒徑的砂子和1種石子,粒徑范圍分別為0～3、3～10、10～20 mm。砂子為普通河砂,經人工篩選后得到;石子為卵石,表面光滑。為方便敘述,將它們分別命名為A、C和B,如圖4所示。

顆粒級配曲線如圖5所示。

圖4 顆粒實物圖

圖5 顆粒級配曲線

碎屑流沖程和覆蓋面積關系到災害風險預測及應對措施的制定,是該類自然災害的研究重點和難點。本試驗主要的測量參數是堆積體最終在堆積區上的平面堆積范圍參數,包括沖程、減速區上的覆蓋面積,如圖6所示。

圖6 滑體最終堆積參數圖

1.3 試驗方案

調節裝料模型箱下面的鋼架,可以使模型槽與加速區滑面處于不同的連接角度,從而得到不同的初始啟動角θ,來研究初始啟動角對滑體運動的影響。試驗方案設計見表1所列,每次顆粒堆積體由2種等體積的不同的顆粒材料組成,且2種顆粒按照3種不同的堆積方式堆積,從而研究分層堆積體不同位置處的顆粒沿斜面的滑動過程,并探索其對整個堆積體最終在減速區上的堆積范圍的影響。其中,第1種為A在堆積體下層;第2種為2種顆粒均勻混合;第3種為A在堆積體上層。

試驗時,先稱取一定質量的顆粒材料,按要求在模型箱中堆積好。然后緩慢轉動手動葫蘆,并用手抓緊鐵鏈,當鐵鏈由繃緊逐漸變成松弛狀態后,再緩慢松開鐵鏈。模型箱內堆積體在自身重力的作用下,發生變形并推開擋板,沖出模型箱,開始在滑面上滑動,并最終在水平面上堆積。最后,根據滑體在減速區網格上的覆蓋范圍,可以在Origin軟件中得到平面堆積區域的簡化圖,從而得到滑體最終的沖程和平面覆蓋面積值。

表1 試驗方案

2 試驗結果分析

2.1 堆積體顆粒分層影響

堆積體從開始失穩,到加速沿滑面運動,直至最終完成停積,是一個累積漸進的大變形過程。不同位置處顆粒的運動狀態也是不同的,本文設置了不同堆積方式的分層堆積體,目的是研究不同位置的顆粒對整個堆積體滑動和堆積運動的影響。

以第1組為例說明。試驗中,觀察到當打開模型槽前的擋板后,滑體在自身重力的作用下,發生失穩破壞。處于臨空面上(上方和前方)的顆粒受到周圍顆粒的約束作用小,首先沖出模型槽,并繼而在斜坡上開始加速下滑;位于堆積體下方和后方的顆粒受到周圍顆粒的約束作用大,要遲于臨空面上的顆粒發生滑動。在斜面上滑動時,后進入滑面的顆粒很難超越前面的顆粒。當堆積體上方是石子,下面是砂子時,可以明顯看出石子和砂子的前、后距離比較大,且在運動過程中前、后距離越來越大,整個滑體有分離的趨勢,整個運動堆積過程用時6.7 s,是幾種情況下用時最長的。當砂子和石子均勻混合時,可以觀察到前緣石子較多,但是遠沒有第1種出現得那么明顯,整個滑動堆積過程用時3.5 s。而當上層是砂子、下層是石子時,雖然砂子還是明顯位于滑體的前緣,但是前、后顆粒的距離差距并不明顯。整個運動堆積過程用時3.3 s,用時最短。滑體在斜面的運動過程如圖7所示。

另外,觀察滑體最終的堆積形態,可以發現對于第1種堆積形式,砂子最終大部分位于加速區斜面上,而石子大部分位于堆積區上,且兩側砂子較多,石子較少。對于第2種堆積形式,2種顆粒材料分布比較均勻,并且砂子自身的運動距離比其他2種堆積形式下都要大。對于第3種堆積形式,石子則大部分位于加速區斜面上,并將砂子覆蓋,堆積體兩側緣石子較多,砂子較少。滑體最終堆積形態如圖8所示。

圖7 3種情況下顆粒在斜面的運動過程

圖8 堆積體最終堆積形態(θ=30°)

分析3種堆積形式下滑體最終的堆積參數值,可以發現,3種堆積形式的滑體最終沖程和堆積面積的大小關系依次為:第1種>第2種>第3種。分析其原因,位于上層的顆粒先進入斜面,而石子的運動能力比砂子強,當堆積體上層為石子時,其在斜面上運動受到的阻力小,使整個滑體的最終沖程和堆積面積明顯增大。而當堆積體上層為砂子時,砂子也是先進入斜面開始滑動,但是其本身運動能力有限,還阻礙了后面石子的運動,導致最終的沖程和堆積面積顯著減小。當砂子和石子均勻混合時,砂子對石子運動的阻礙作用比第3種堆積形式下要小,而且砂子受到石子的摩擦碰撞作用,使其最終的運動距離最大。

分析A和C 2種不同粒徑砂子組成的分層堆積體最終的堆積情況,可以發現,其表現出來的規律與砂子和石子分層堆積體相同,但是由于2種顆粒的運動能力差距不是特別明顯,所以3種不同堆積形式下的滑體最終的堆積參數差距沒有砂子、石子堆積體表現得那么明顯。另外,比較當堆積體上層均為中粗砂,而下層分別為粗砂和石子2種情況下最終的堆積范圍,可以發現沖程和堆積面積的大小幾乎相同。而在另外2種堆積形式下,2種不同顆粒組成的堆積體,其最終堆積范圍差距比較明顯。由此可以得到,滑體最終的運動距離受控于滑體前緣的顆粒。對于分層滑體,其上層顆粒對整個滑體最終的堆積范圍影響較明顯。

由于試驗所用的是砂石散體顆粒材料,既不同于固體材料,也不同于液體材料,其形成的堆積體內沒有明顯的滑移面,在初始啟動時直接發生流動和滾動。根據顆粒接觸力理論[12],顆粒間的相互作用表現為力鏈的形式。試驗中的堆積體顆粒較為松散,由于重力作用,強力鏈主要分布在顆粒堆積體的中底部,中部的強力鏈呈準直線形,底部強力鏈相互鏈接形成架拱。位于堆積體表面的顆粒受到重力作用,發生剪切變形,從而使得力鏈斷裂,產生更大的變形,繼而造成堆積體解體,并最終發生沿斜面流動的現象。同時,在碎屑流運動時,顆粒會發生相互碰撞,顆粒粒徑越大,粒間離散力也越大,在堆積體運動過程中越容易形成碎屑流。因此,在試驗中,可以發現石子的沖程大于砂子,且當其位于上層時,可以明顯增加整個堆積體的沖程和平面覆蓋面積。

2.2 初始啟動角和分層堆積耦合作用的影響

堆積體的初始啟動角不同,導致其發生失穩破壞啟動形式不同,不同的失穩破壞啟動方式對之后滑體的運動有影響;同時顆粒會獲得不同的初始速度,滑體最終的堆積范圍也會不同。初始啟動角和分層堆積耦合作用的影響如圖9所示。

通過試驗結果可以發現,當初始啟動角θ變大,最終堆積范圍會明顯變大。對于分層堆積滑體,當初始啟動角較小時,堆積體發生的破壞方式類似于分級啟動破壞。位于堆積體上層的顆粒啟動加速時間早,若上、下2層的顆粒運動能力差別較大,則會導致3種堆積形式下,最終的沖程和堆積面積大小差別也比較大。

圖9 初始啟動角和分層堆積耦合作用的影響

當初始啟動角逐漸變大時,堆積體的啟動破壞形式也慢慢發生變化,由分級啟動破壞形式逐漸向整體啟動破壞形式轉化。對于同等體積下的堆積體,整體啟動破壞比分級啟動破壞具有更大的初始啟動速度,使其最終的堆積影響范圍變大。

對于整體啟動破壞形式的滑體,堆積體內部顆粒之間啟動加速時間前、后差別越來越小。在滑面上運動時,堆積體內顆粒間的相互碰撞也越來越頻繁。這樣產生的結果是堆積體最終的沖程和堆積面積雖然也會逐漸變大,但是對于3種不同堆積形式的堆積體,其最終的堆積參數差別逐漸變小。

3 結 論

(1) 堆積體最終的堆積范圍受控于堆積體在斜面上運動時其前端的顆粒,后方顆粒的運動明顯受到前端顆粒的阻礙影響。

(2) 對于不同顆粒組成的分層堆積體,上層顆粒運動能力越強,則最終的堆積范圍越大;而下層顆粒對整個堆積體最終堆積范圍影響則相對較小。

(3) 初始啟動角對堆積體的啟動加速形式有影響,隨著初始啟動角度變大,啟動形式由分級破壞模式變成整體破壞模式。

(4) 隨著堆積體初始啟動角變大,堆積體最終的堆積范圍明顯變大,但是對于3種不同堆積形式的堆積體,它們最終的堆積范圍差距逐漸變小。

(5) 試驗中用平板模擬斜坡,也沒有考慮堆積體內部的結構、構造,對其他的內、外部條件也進行了較大的簡化處理,模型試驗和實際情況存在一定差別,但從研究碎屑流的運動規律角度出發,仍有一定的參考意義。

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(責任編輯 張淑艷)

Model Studies of debris flow

LEI Xianshun1,2,3,SHEN Yinbin4,ZHU Dayong1,3,LIU Cheng1,3

(1.School of Civil and Hydraulic Engineering， Hefei University of Technology， Hefei 230009， China; 2.Hubei Electric Engineering Corporation, Wuhan 430040， China; 3.Anhui Key Laboratory of Structure and Materials in Civil Engineering， Hefei 230009， China; 4.China JK Institute of Engineering Investigation and Design， Xi’an 710048, China)

The debris flow is a kind of geological disaster with extreme destructive power， and can not be effectively predicted and prevented. By performing laboratory model experiments， the slide and accumulation of layered particles deposit down an inclined board under different initial starting angle are studied. The results show that when the initial starting angle increases，the failure mode of sliding mass changes from delamination failure to integral failure, and the accumulation scope increases; the run-out of the upper particles is greater than that of the lower particles， and the upper particles exert a greater influence on the run-out of the whole sliding mass; the accumulation type has a great influence on the final accumulation scope, but when the initial starting angle increases， the influence gets weak. The experimental results can provide a theoretical reference for the study of the sliding mass movement process and accumulation scope.

model experiment; debris flow; layered particles deposit; initial starting angle; accumulation scope

2015-05-27；

2016-08-29

國家自然科學基金資助項目(51179043)

雷先順(1990-),男,湖北廣水人,合肥工業大學碩士生,湖北省電力勘測設計院助理工程師;

朱大勇(1965-),男,安徽樅陽人,博士,合肥工業大學教授,博士生導師.

10.3969/j.issn.1003-5060.2016.10.014

P642.22

A

1003-5060(2016)10-1367-06