泥漿對黏性碎屑流坡面運移過程的影響

季憲軍, 梁 瑛, 潘華利, 歐國強

(1.南陽理工學院, 河南 南陽 473004; 2.中國科學院 成都山地災害與環境研究所， 四川 成都 610041)

泥漿對黏性碎屑流坡面運移過程的影響

季憲軍1, 梁 瑛1, 潘華利2, 歐國強2

(1.南陽理工學院, 河南 南陽 473004; 2.中國科學院 成都山地災害與環境研究所， 四川 成都 610041)

[目的] 分析泥漿對黏性碎屑流坡面運動形態、橫向寬度、縱向運動距離及運動速度影響，為此類災害防治提供參考。[方法] 制作黏性碎屑流實驗模型，將不同含水率成都黏土泥漿與粗顆粒混合，制備黏性碎屑流試樣，開展系列黏性碎屑流物理模型試驗。[結果] 隨泥漿密度增大，粗顆粒間粘連作用增強，其運動形態由無黏碎屑流向黏性碎屑流再到整體塊狀運動形態轉變；坡面橫向寬度、縱向運移距離和速度隨泥漿密度增加而減小；不同密度泥漿組成黏性碎屑流運動過程具有分類現象：密度低于1.413 g/cm3時，速度隨時間增長快，變化梯度較穩定；密度大于1.413 g/cm3時，運動速度變化過程可分為2個階段：前期速度隨時間增長慢，變化梯度較小；后期速度隨時間增長快，且較前階段變化梯度有所增大，各高密度泥漿情況趨于一致。[結論] 泥漿影響黏性碎屑流運移形態和運動過程。

黏性碎屑流; 運動形態； 模型試驗; 泥漿

文獻參數： 季憲軍, 梁瑛, 潘華利, 等.泥漿對黏性碎屑流坡面運移過程的影響[J].水土保持通報，2017,37(1)：088-092.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.01.016； Ji Xianjun, Liang Ying, Pan Huali, et al. Influence of mud on migration process of viscous debris flow[J]. Bulletin of Soil and Water Conservation, 2017,37(1)：088-092.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.01.016

崩塌、滑坡是常見山地災害，降雨是誘發崩塌滑坡災害主要因素之一，邊坡土體失穩后的運移過程中，水與細顆粒土混合形成泥漿，泥漿與無粘粗顆粒混合，以黏性碎屑流形式沿坡面運移，給國家和人民財產造成嚴重破壞[1-3]。因其具有長距離高速運移和沖擊集中，沖擊力大及破壞嚴重等特征，受到社會及國內外從事地質災害研究者廣泛關注[4-7]。對其運動過程研究成為此類災害控制的關鍵環節，研究方法主要有數值模擬[8-10]和物理模型試驗。因物理模型試驗具有良好的直觀性而多為研究者所采用。如左自波等[11]探討含了石量對土坡破壞模式具有顯著的影響。周中等[12]分析了土石混合體邊坡在降雨入滲作用下的形成條件、變形位移特征及破壞滑移規律；劉波等[13]以三峽庫區某滑坡為例,通過物理模型試驗探討庫水位變化對該滑坡穩定性的影響。吳火珍等[14]運用非飽和土力學方法，分析了滑坡體在降雨條件下的動態穩定性特征；李煥強等[15]開展模型試驗，分析了降雨入滲作用下邊坡形狀的變化規律；尹洪江等[16]在室內構建泥石流源區松散堆積土體斜坡模型，分析了不同降雨強度下斜坡土體流失規律與斜坡的失穩方式。

以上多是對其失穩機制、變形和破壞模式進行研究，對其失穩后的運動過程研究較少，特別是泥漿對其運動過程影響未見相關文獻報道。泥漿作為黏性碎屑流的基本組成，泥漿與粗顆粒相互作用，泥漿對粗顆粒的粘連作用影響黏性碎屑流坡面橫向縱向范圍，探討泥漿對其運動過程的影響，對此類災害防治具有重要的工程意義。為深入分析泥漿對黏性碎屑流運動過程的影響，本文擬以不同密度泥漿與固定組成粗顆粒混合組成的黏性碎屑流，開展黏性碎屑流物理模型試驗，用攝像機記錄其運移過程，分析泥漿對

黏性碎屑流坡面運動形態、運移速度的影響，以期為此類災害的防治提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

崩滑土體組成復雜，一般具有多組分、寬粒徑等特點，且同類別土體的力學性質受含水量影響較大。根據本文的研究目的，旨在探索泥漿對黏性碎屑流運動過程的影響，選用成都市龍泉區黏土(又稱成都黏土)作為黏性碎屑流粗顆粒間的泥漿。成都黏土(Q3eol)，棕黃、褐黃、灰黃等色，自由膨脹率為40%～72%，液限為38%～50.6%，蒙脫石含量M=13.29%～39.55%，屬弱—中等膨脹土，厚5—15 m。野外取樣(黏土)，經晾干、磨細等過程，試驗測定其顆粒組成(表1)及液塑限。液限含水量wL為66.5%，塑限含水量wP為24.5%。塑性指數IP為：

IP=wL-wP=42， >17

(1)

泥漿樣品制備：取成都黏土土樣若干，加水浸泡，軟化土樣，測定其密度。取軟化后土樣若干放置量杯內，分別向杯內加水配制不同密度的泥漿，制備的泥漿試樣，各試樣編號、密度和含水率見表2。粗顆粒為粒徑1～2cm的卵石。用不同含水量的黏土(泥漿)與粗顆粒混合，形成由粗顆粒與黏土組成的黏性碎屑流。

表1 成都黏土顆粒組成

表2 泥漿密度與含水率

1.2 試驗模型和方法

物理試驗模型主要由積土槽、滑動面、堆積面組成。土樣寬度為0.2 m，積土槽出口位置到水平堆積面的y向距離為1.5 m，垂直高度1.0 m。滑動面坡度約為34°，堆積面水平。在堆積面的末端和滑動面側面各安放1臺攝像機，堆積面末端攝像機距堆積面的垂直距離為0.5 m。滑動面側面攝像機距堆積面的垂直距離為0.5 m。

傾斜滑動面和堆積面以10 cm的方格劃分，用以標定黏性碎屑流運動過程中的橫向寬度和縱向位置。在滑動面的一側，放置于滑動面垂直的豎向高度標尺，記錄黏性碎屑流運動過程中的豎向厚度。將制備泥漿與粗顆粒摻混，形成黏性碎屑流試樣，將摻混料裝入一定體積的積土槽內并放置在指定高度位置，準備試驗。

對于每種密度的泥漿和粗顆粒組成的黏性碎屑流，在進行試驗前，向滑動面和堆積面上撒稀性泥漿水，以盡可能保證在不同試驗時，滑動面和堆積面的摩擦系數相等。試驗過程中，在堆積面的前端和傾斜滑動面的側面放置攝像機，記錄黏性碎屑流運動過程形態，用于黏性碎屑流運動過程分析。

2 結果與分析

2.1 泥漿對黏性碎屑流運動過程的影響

攝像的起始時間為積土槽前擋板撤去后開始計算，終止時間為黏性碎屑流在堆積面運動停止時。根據分析需要，對錄制正面、側面視頻資料進行解譯。根據攝像記錄不同泥漿情況下黏性碎屑流沿坡面運動過程，截取不同工況下黏性碎屑流側面形態隨時間變化過程(以每5幀為間隔，側面圖像省略)進行對比(圖1)，分析泥漿對黏性碎屑流運動過程的影響。

圖1 泥漿對黏性碎屑流運動過程的影響正面形態對比

圖1表明，泥漿密度不同，黏性碎屑流運動形態存在較大差異，泥漿黏性碎屑流運動形態和運動速度影響明顯：密度小，粗顆粒間的粘連作用弱，對崩滑粗顆粒運動影響小，與無粘碎屑流運動類似；隨泥漿密度增大，粗顆粒間的粘連作用增強，對運動過程影響不容忽略，運動形態變為黏性碎屑流運動(顆粒碰撞和粘連)，最終演變為顆粒不分離的整體塊狀沿坡面的滑移運動。因此，隨泥漿密度增大，其運動形態由無粘碎屑流運動逐漸向黏性碎屑流運動到整體塊狀運動轉變。

2.2 泥漿密度對坡面形態演化過程影響

根據模型試驗攝像記錄結果，分析不同幀位黏性碎屑流坡面橫向寬度和縱向坡面位置，分析泥漿密度對黏性碎屑流坡面運動過程的影響(圖2)。

圖2 黏性碎屑流坡面運動形態隨時間變化過程

圖2表明，同一泥漿條件下，黏性碎屑流在重力作用下，其坡面橫向展寬和縱向長度隨時間的增長而增大，但增大幅度隨泥漿密度的增加逐漸減小；黏性碎屑流的坡面展寬和縱向長度隨泥漿密度的增大而減小，即密度大，黏性碎屑流運動坡面展寬和長度小，密度小，坡面展寬和長度大。密度越大，其切向剪切應力和法向的粘連力越大，從而對黏性碎屑流運動縱向和橫向發展抑制作用越強，對運動過程影響越顯著。

2.3 同一時刻黏性碎屑流運動坡面形態對比

根據物理模型試驗結果，對比分析不同泥漿情況下黏性碎屑流的坡面形態。為分析泥漿對運動形態的影響，選擇在撤除前擋板后第25幀，距前擋板70 cm位置的坡面形態進行對比(坡面橫向寬度、縱向長度及與沿滑動面垂直厚度值,見圖3—4)。

注：泥漿密度大于1.452 g/cm3后，以整體形式沿坡面運移，但還沒運移到相應位置，所以沒有厚度。圖3 第25幀不同泥漿密度黏性碎屑流坡面尺寸對比

圖3—4表明，當泥漿密度較小時，泥漿對顆粒運動約束和抑制作用較弱，當積土槽擋板撤除后，槽內粗顆粒迅速沿坡面下泄，在第25幀(1 s)，在坡面中部展開，其橫向寬度、縱向距離及豎向厚度較大。泥漿密度較大(大于1.413 g/cm3)時，對粗顆粒的抑制作用增強，限制黏性碎屑流坡面發展，在第25幀(1 s)，在未運移至坡面中部，其豎向厚度較小甚至為0。

2.4 泥漿密度對運動距離影響

不同密度泥漿條件下，黏性碎屑流坡面演進位置與時間關系見圖5。

圖4 第25幀不同泥漿密度黏性碎屑流坡面形態對比

圖5 泥漿運動位置與時間的關系

圖5表明，同一時刻，由低密度泥漿組成的黏性碎屑流運動距離較低密度泥漿組成的黏性碎屑流運動位置遠，并隨泥漿密度的增大，其在滑動坡面的運移距離逐漸減小。

2.5 泥漿密度對運動速度影響

圖1證實不同密度泥漿影響下的黏性碎屑流坡面形態存在很大的差異，運動形態由顆粒的碰撞運動(顆粒流)向整體塊狀滑移運動轉變；為進一步分析泥漿對黏性碎屑流運動速度的影響，通過試驗攝像記錄，分析不同泥漿情況下黏性碎屑流坡面縱向運動距離不同，計算其運動速度。并分析泥漿密度對運移速度的影響。采用如下辦法確定黏性碎屑流運動速度：

從撤去積土槽前擋板開始為計時幀位，記錄不同幀位時黏性碎屑流在坡面的最前端位置(根據滑動面以標記的10 cm×10 cm網格粗略估計)。相鄰兩次記錄位置差值(li-li-1)與相應幀位差值(ti-ti-1)的比值即為該時刻(幀位)黏性碎屑流運動速度。黏性碎屑流前端運動至坡腳位置停止計時。

速度計算公式為：

不同密度泥漿條件下，黏性碎屑流坡面演進速度與時間關系見圖6。

圖6 黏性碎屑流運動速度—時間關系

圖6表明，在同一時刻，密度越大，運動速度越小，最大速度隨密度的增大而減小。速度隨時間變化情況存在分類現象：密度低于1.413 g/cm3時，速度隨時間增加較迅速，且變化梯度較穩定；密度大于1.413 g/cm3時，運動速度變化梯度大致可分為2個階段：前期速度隨時間的變化梯度較小；之后速度隨時間變化梯度有所增大，但各高密度情況下趨于一致。

3 結論與討論

(1) 隨泥漿密度增大，粗顆粒間的粘連作用增強，對黏性碎屑流運動形態和運動速度影響明顯，其運動形態由無粘碎屑流運動逐漸向黏性碎屑流運動到整體塊狀運動轉變；

(2) 黏性碎屑流坡面橫向寬度、縱向運移距離和運動速率隨泥漿密度的增加而減小。

(3) 根據縱向位置和速度隨時間變化情況，其不同密度泥漿組成黏性碎屑流運動過程具有分類現象：密度低于1.413 g/cm3時，速度隨時間的變化梯度較穩定；密度大于1.413 g/cm3時，運動速度變化梯度大致可分為2個階段：前期速度隨時間的變化梯度較小；之后速度隨時間變化梯度有所增大，但各高密度情況下趨于一致。

另外，本模型試驗僅以不同密度成都黏土作為泥漿，分析其對黏性碎屑流運動過程的影響，而具體崩滑災害其物質組成極其復雜，需根據其物質組成做具體分析。再者本文根據黏性碎屑流運動位置和速度分析結果，在泥漿密度為1.413 g/cm3時，速度、位置變化過程存在分類現象，但此密度值絕非是不同運動類別閾值；其內在力學機制復雜，可能與坡度、崩滑體物質組成等有關，有待于做進一步研究。

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Influence of Mud on Migration Process of Viscous Debris Flow

JI Xianjun1, LIANG Ying1, PAN Huali2, OU Guoqiang2

(1.NanyanInstituteofTechnology,Nanyang，He’nan473004,China; 2.InstituteofMountainHazardsandEnvironment,ChineseAcademyofSciences,Chengdu,Sichuan610041,China)

[Objective] The aim of the study is to analyze the influence of mud on the moving ways, width and longitudinal distance and velocity of viscous debris flow on slope, and help to provide the references for disaster prevention. [Methods] The experimental model was built for viscous debris flow, and a series of model experiments were carried out through the device. The viscous debris flow composed of Chengdu clay mud and coarse particles. [Results] The adhesion force between the coarse particles increased, and the movement patterns changed from the inviscid debris flow to the viscous debris flow, and to the massive sliding with increasing mud density. The width and distance on slope decreased with increasing mud density. The migration process could be differentiated according to mud density. The velocity increases rapidly and the gradient is large when mud density was lower than 1.413 g/cm3. The migration process can be divided into two stages when mud density was higher than 1.413 g/cm3, the velocity increased slowly and the gradient changes little in the first stage but the velocity increased quickly, and the gradient changed quickly in the second stage. [Conclusion] The mud affects the movement pattern and the moving process of viscous debris flow.

viscous debris flow; movement pattern; model experiment; mud

2016-05-28

2016-06-17

國家自然科學基金面上項目“黏性碎屑流坡面運移動力過程研究”(41672357)； 國家自然科學資助項目(41372331)； 國家國際科技合作專項項目(2013DFA21720)； 河南省科技公關項目(162102310253); 河南省高等學校重點科研項目(15A410005)

季憲軍(1974—),男(漢族),河南省信陽人,博士,副教授,主要從事巖土工程的教學與理論研究。E-mail:jifeng988@163.com。

歐國強(1958—),男(漢族)，四川省成都市人,研究員,博士生導師,主要從事泥石流與泥沙研究。E-mail:ougq@imde.ac.cn。

A

1000-288X(2017)01-0088-05

TU411， P642.2