場地條件對滑坡-碎屑流運動沖擊特征的影響研究

張睿驍， 蘇 棟， 樊曉一， 姜元俊， 吳澤雄

(1.深圳大學(xué) 土木與交通工程學(xué)院，廣東 深圳 518060；2.西南石油大學(xué) 土木工程與測繪學(xué)院，成都 610500；3.中國科學(xué)院 成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所，成都 610041)

近年來，受地震、極端降雨等自然因素和人類活動的影響，極易發(fā)生滑坡、泥石流之類的地質(zhì)災(zāi)害，尤其是在我國山區(qū)。滑坡碎屑流受外界影響而沿斜坡快速向下運動，形成的具有高破碎度、高離散性和流動特性的集合[1-2]，往往造成大量的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。

為了應(yīng)對滑坡碎屑流的沖擊災(zāi)害，揭示滑坡碎屑流沖擊機(jī)理，國內(nèi)外學(xué)者開展了大量的滑坡碎屑流沖擊的研究。由于滑坡碎屑流發(fā)生的可預(yù)測性差[3]，同時自然環(huán)境和滑體材料的特殊性[4]，使現(xiàn)場監(jiān)測的數(shù)據(jù)不具有代表性[5]，為此模型試驗與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法成為了眾多學(xué)者的選擇。滑體顆粒和攔擋結(jié)構(gòu)的參數(shù)是大量學(xué)者研究考慮的變量因素，具體包括顆粒級配、粒徑和顆粒排布順序[6]的顆粒參數(shù)，以及不同攔擋結(jié)構(gòu)位置、高度[7]、類型[8]和排布的變化，兼顧滑坡碎屑流運動過程的顆粒分選機(jī)制[9]和鏟刮效應(yīng)[10]，獲取不同參數(shù)條件下滑坡碎屑流沖擊的影響以及易損性和動力響應(yīng)[11]。

沖擊力作為滑坡碎屑流致災(zāi)強(qiáng)度的直觀體現(xiàn)，成為研究中的熱點。Jiang等[12-14]以室內(nèi)模型試驗所監(jiān)測的結(jié)構(gòu)物上的沖擊力，結(jié)合碎屑流對結(jié)構(gòu)物的動態(tài)沖擊過程，可將沖擊力分解為碎屑流拖曳力、重力和摩擦力以及被動土壓力。同時，沖擊力也是防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計強(qiáng)度重要指標(biāo)，尤其是最大沖擊力[15]。為此根據(jù)上述理論基礎(chǔ)，眭靜等[16]建立滑坡碎屑流沖擊作用影響性的量化評估力學(xué)模型，通過將模型試驗結(jié)果與其他學(xué)者提出的力學(xué)模型進(jìn)行對比[17-18]，可判斷眭靜等的模型和Albaba等的模型結(jié)果與試驗結(jié)果無明顯差異，而Ashwood等模型的沖擊力計算結(jié)果與試驗結(jié)果相比明顯偏小。

根據(jù)滑坡現(xiàn)場的調(diào)查結(jié)果，發(fā)現(xiàn)相同規(guī)模的滑坡，其運動距離差異顯著，說明滑坡的運動參數(shù)顯著受運動場地條件的控制[19]。目前碎屑流的沖擊研究，以場地條件為邊界條件，考慮碎屑流后續(xù)沖擊效應(yīng)，缺少以場地條件為變量，對碎屑流沖擊效應(yīng)的研究，其研究成果應(yīng)用局限性大?；谝陨戏治?，本文利用三維離散元方法，考慮斜坡坡度、堆積區(qū)坡度和場地類型為變量因素，系統(tǒng)分析場地條件對碎屑流沖擊效應(yīng)的影響，為滑坡災(zāi)害防治提供參考依據(jù)。

1 三維離散元模型

目前常用的數(shù)值模擬方法包括有限元方法和離散元方法。有限元方法的具備對大規(guī)模問題建模的高計算效率的優(yōu)點。然而，該方法不能捕捉顆粒流對結(jié)構(gòu)的沖擊過程中觀察到的明顯的離散行為，對于碎屑流離散顆粒的模擬，離散元方法應(yīng)用更加廣泛。EDEM是英國 DEM-Solution公司開發(fā)的一種具有全球領(lǐng)先水平的離散元仿真商業(yè)軟件，具有高效的并行計算能力和前后處理能力。本文基于EDEM軟件，選用Hertz-Mindlin (No Slip)作為接觸模型進(jìn)行研究。

1.1 模型建立

本模型由斜坡、側(cè)板、底板、攔擋結(jié)構(gòu)和碎屑物源組成，如圖1所示。圖1中，碎屑物源距離底面垂直高度固定為1.25 m，滑槽寬度為0.5 m，滑槽高度為0.5 m，滑坡體縱向?qū)挾?.5 m，α為斜坡坡度，β為堆積區(qū)坡度，均可調(diào)整。

圖1 滑槽模型示意圖(mm)Fig.1 Schematic diagram of the chute model (mm)

根據(jù)滑坡災(zāi)害現(xiàn)場調(diào)研可知，實際滑體顆粒均為帶棱角的不規(guī)則形狀，為此本文通過將四個球形顆粒黏結(jié)作為基礎(chǔ)顆粒，反應(yīng)出實際顆粒含有棱角的特點，如圖2所示。該方法的使用，已被通過與單個球形顆粒進(jìn)行對比驗證，多顆粒黏結(jié)的基礎(chǔ)單元數(shù)值模型，模擬結(jié)果與試驗結(jié)果更相符[20-21]。

圖2 單個顆粒大樣Fig.2 Single particle sample

1.2 數(shù)值模型參數(shù)

離散元數(shù)值模擬中，需確定參數(shù)的主要可分為兩類：本征參數(shù)和接觸參數(shù)。泊松比、剪切模量和密度為材料的本征參數(shù)，表示各種材料的自身屬性，基于現(xiàn)場實測及計算結(jié)果，確定離散元模型所用材料參數(shù)如表1所示。

表1 材料參數(shù)Tab.1 Material parameters

圖3 顆粒級配曲線Fig.3 Particle gradation curve

圖4 碎屑流離散元顆粒模型Fig.4 Debris flow discrete element model

表2 接觸參數(shù)Tab.2 Contact parameters

1.3 模擬結(jié)果與試驗結(jié)果對比

將表1材料參數(shù)及表2中接觸參數(shù)設(shè)置到EDEM軟件中，以相同滑槽尺寸所開展的模型試驗為參照，開展數(shù)值模擬。當(dāng)斜坡坡度α=45°，攔擋結(jié)構(gòu)設(shè)置在坡腳處時，滑體顆粒運動過程圖，通過對比相同時刻下模型試驗和數(shù)值模擬滑體顆粒運動形態(tài)，發(fā)現(xiàn)兩者結(jié)果吻合較好，如圖5所示。

圖5 數(shù)值模擬與模型試驗對比圖Fig.5 Comparison of numerical simulation and model test

雖然上述數(shù)值模擬與模型試驗的堆積形態(tài)圖吻合度較好，在一定程度上能夠驗證參數(shù)的合理性，但是對于碎屑流顆粒的運動學(xué)參數(shù)情況不清楚，若是補充相關(guān)的運動學(xué)參數(shù)對比驗證，將使模型驗證過程更為完整、參數(shù)選取的可信度更高。為此，通過基于高速攝像機(jī)在模型試驗當(dāng)中所記錄的滑體顆粒運動圖分析，獲取前緣顆粒的運動速度，繪制出曲線，如圖6所示。對比數(shù)值模擬與模型試驗的前緣顆粒運動速度圖，兩者間曲線的走勢相同，速度大小相差較小，結(jié)果較為相近。

圖6 前緣顆粒速度試驗值與DEM計算值比較Fig.6 Comparison of the experimental value of the leading edge particle velocity with the calculated value of DEM

通過對數(shù)值模擬和模型試驗的堆積形態(tài)圖對比；以及從運動學(xué)方面，以運動速度對比，兩者結(jié)果吻合度均較好，進(jìn)而驗證了所取參數(shù)的合理性和準(zhǔn)確性，并且能夠以上述參數(shù)開展場地條件對滑坡碎屑流運動沖擊特征的影響研究。

2 斜坡坡度影響

通過對已發(fā)生的滑坡進(jìn)行統(tǒng)計，其斜坡坡度通常存在較大的差異，如茂縣國際飯店滑坡平均坡度約為40°～45°[23]，文獻(xiàn)[24]中所記錄的滑坡坡度分布在24°～55°，不同斜坡坡度將影響滑坡碎屑流的沖程和平面覆蓋面積[25]，同時影響其沖擊結(jié)構(gòu)物的效果。為此考慮斜坡坡度為變量，研究35°，45°和55°三個坡度對滑坡碎屑流沖擊效應(yīng)的影響。

2.1 運動過程分析

滑體顆粒初始啟動的過程圖，如圖7所示。當(dāng)滑槽閘門打開后，滑體前部顆粒(近似于水平面垂直方向的顆粒)未受到前方閘門的約束，忽略空氣阻力等影響，此時由于自身重力的作用，該部分顆粒率先開始運動。然而，該部分顆粒同時受到顆粒間的摩擦力Fkf，使運動顆粒逐漸往尾部顆粒發(fā)展。前部顆粒沿著滑槽不斷下滑，受到沿著滑槽方向的重力分量Fg，同時受到滑槽對顆粒的摩擦力Fdf，其中重力分量Fg>摩擦力Fdf，滑體顆粒沿著滑槽逐漸向下運動。雖然前部上層顆粒的運動速度逐漸增加，但由于顆粒間存在著摩擦力，使前緣顆粒下滑時對后緣未啟動顆粒有牽引力，滑體顆粒始終匯聚成一體運動。

圖7 滑體顆粒啟動過程圖Fig.7 Sliding body particle initiating process diagram

為明確滑體顆粒運動過程重力和顆粒摩擦在運動過程的作用階段，選取斜坡坡度為45°為研究對象，提取滑體顆粒平均速度以及在水平方向和垂直方向的分量，繪制成如圖8所示曲線。從圖8中可以看出，前期啟動階段(0～0.20 s)，顆粒的平均速度隨時間的增加不斷增大。雖然顆粒水平方向的平均速度也隨時間的增加不斷增加，但水平方向的增長速度和幅度小于垂直方向顆粒的平均速度。在該階段，滑體顆粒的重力成為了主要作用，即顆粒的運動以垂直方向上的速度為主導(dǎo)。與總的平均速度相比，顆粒垂直方向的平均速度與總的平均速度大小相近。前緣滑體顆粒在滑槽上逐漸鋪展開，滑體長度增加，表現(xiàn)出前緣速度大，后緣速度小，滑體顆粒的運動由重力和顆粒摩擦共同作用。垂直方向的平均速度增長速度減慢，而水平方向的平均速度增長速度增加，兩條曲線的差異逐漸減小。當(dāng)t為0.74 s時，水平方向的平均速度與垂直方向大小相等。在此之后，滑體顆粒與攔擋結(jié)構(gòu)發(fā)生相互作用，顆粒在結(jié)構(gòu)物后方開始堆積，平均速度的水平分量略大于垂直分量。

圖8 顆粒速度隨時間的分布Fig.8 Particle velocity distribution over time

2.2 運動速度

本文固定碎屑流顆粒的滑源區(qū)高度，碎屑流顆粒從不同斜坡坡度上運動，經(jīng)過斜坡加速，斜坡坡度越大，到達(dá)坡腳處時的平均速度也越大。由于攔擋結(jié)構(gòu)設(shè)置在坡腳處，碎屑流顆粒運動到坡腳處時，與攔擋結(jié)構(gòu)碰撞，速度減小，則前緣顆粒運動到坡腳處時，即為平均速度的最大值。如圖9所示，根據(jù)平均速度時程曲線可得，當(dāng)斜坡坡度為35°時，Vmax=2.06 m/s，斜坡坡度為45°時，Vmax=2.38 m/s，斜坡坡度為55°時，Vmax=3.13 m/s。

從圖9中可以看到，當(dāng)t為0～0.18 s時，此時靠近料箱擋板處的顆粒率先得到加速，底部的顆粒部分與滑槽接觸，導(dǎo)致滑槽的坡度對顆粒速度的影響不顯著，不同坡度下碎屑流的平均速度相近。

圖9 不同斜坡坡度下平均運動速度時程曲線Fig.9 Time history curve of average motion velocity under different slopes

2.3 沖擊力

當(dāng)斜坡坡度不同時，碎屑流顆粒在斜坡上的運動距離不同，斜坡坡度越大，斜坡越短，到達(dá)坡腳處的時間越短。如圖10所示，斜坡坡度為35°，45°和55°時，碎屑流顆粒到達(dá)坡腳的時間分別為0.78 s，0.67 s和0.58 s。

圖10 不同斜坡坡度下沖擊力時程曲線Fig.10 Impact time history curve under different slopes

當(dāng)斜坡坡度為55°時，碎屑流顆粒從斜坡上下滑，t=0.58 s時，前緣顆粒開始與攔擋結(jié)構(gòu)碰撞，沖擊力線性增大，其值達(dá)到1 000 N。隨著斜坡上的顆粒不斷下滑，堆積在攔擋結(jié)構(gòu)后的顆粒不斷增加，形成“死區(qū)”，攔擋結(jié)構(gòu)上所受到的沖擊力可以分為拖曳力、重力和摩擦力以及被動土壓力?！八绤^(qū)”的顆粒不斷增加、壅高，下滑的后緣顆粒，與“死區(qū)”顆粒碰撞摩擦，推移“死區(qū)”顆粒間接作用到攔擋結(jié)構(gòu)上，此時攔擋結(jié)構(gòu)上所受到的沖擊力可以分為“死區(qū)”顆粒的靜壓力和后緣顆粒對死區(qū)顆粒的推移作用力，沖擊力呈現(xiàn)振蕩增加，達(dá)到峰值，F(xiàn)max=1 387 N。在此之后，沖擊力不斷減小，直至1.05 s，碎屑流顆粒堆滿攔擋結(jié)構(gòu)后方，攔擋結(jié)構(gòu)上受到恒定的靜壓力，終值為467 N。

對比斜坡坡度為35°和45°時，由于坡度較緩，碎屑流顆粒運動到坡腳處時的平均速度較小，與攔擋結(jié)構(gòu)碰撞產(chǎn)生沖擊力較小，與坡度為55°最大沖擊力相比，分別減小了74.3%，57.2%，為356 N，593 N；沖擊力達(dá)到峰值之后，沖擊力不斷減小趨于平緩，直至顆粒靜止，維持恒定的靜壓力，分別為173 N，313 N。

2.4 斜坡坡度作用分析

設(shè)OA的長度為L，碎屑流運動速度為v，坡腳和滑源區(qū)坡度為α，堆積區(qū)坡度為β，滑槽上的坡度為γ(該角度的變化影響場地條件類型)，滑槽摩擦因數(shù)為μ，滑體質(zhì)量為m，如圖11所示。

圖11 滑槽相關(guān)參數(shù)示意圖Fig.11 Schematic diagram of chute related parameters

圖12 滑塊受力示意圖Fig.12 Slide force diagram

根據(jù)力的平衡條件，垂直滑槽方向的受力包括重力的分量Gv和支持力，始終平衡，則影響滑塊運動的只有平行于滑槽方向的受力。當(dāng)閘門移除后，滑塊的最大靜摩擦力不足以維持滑塊保持靜止，與滑槽方向平行重力分量Gh大于摩擦力Fdf，滑塊與滑槽接觸表面之間存在相對運動的趨勢，此時滑塊獲得與滑槽面平行的加速度

a=(Gh-Fdf)/m=g(sinα-μ·cosα)

(1)

當(dāng)只考慮斜坡坡度的影響，此時γ=α(取35°，45°和55°)，β=0°。由于斜坡的坡度可變化范圍為0～90°，在此范圍之間，對于式(7)，g和μ均為常數(shù)，而sinα值隨著坡度的增加不斷增大，cosα值隨著坡度的增加不斷減小，則加速度a值隨著坡度的增加不斷增大；同時，隨著坡度的增大，斜坡坡面長度減小(本文固定滑體顆粒下落高度)，則摩擦力所消耗的能量也隨之減小，滑體顆粒運動到坡腳處的運動速度隨著坡度的增加不斷增大。當(dāng)不考慮其他外界因素影響時，動能的大小與速度成正比，則滑體顆粒的動能隨著坡度的增加不斷增大，作用在攔擋結(jié)構(gòu)上的峰值沖擊力隨之增大。

3 堆積區(qū)坡度影響

滑坡-碎屑流運動路徑上地形坡度一般具有較大差異，例如汶川地震誘發(fā)的滑坡-碎屑流滑床坡降范圍為 0°～58°，而高速遠(yuǎn)程滑坡的滑床坡降主要在8°～20°[26]。坡度的變化影響著碎屑流顆粒之間以及與基底之間的相互作用，進(jìn)而影響對結(jié)構(gòu)的沖擊效應(yīng)。為了研究堆積區(qū)坡度對碎屑流顆粒沖擊效應(yīng)的影響，若是將攔擋結(jié)構(gòu)設(shè)置在坡腳處，則無法觀察到堆積區(qū)坡度的影響，而滑體顆粒的運動特征和結(jié)構(gòu)的相互作用顯著受防護(hù)結(jié)構(gòu)的位置影響?；诖耍瑸榱丝紤]堆積區(qū)坡度的影響，同時指導(dǎo)防護(hù)結(jié)構(gòu)選址提供參考依據(jù)，在本章，將攔擋結(jié)構(gòu)后移，如圖13所示，攔擋結(jié)構(gòu)與坡腳距離d取0.25 m，0.50 m和0.75 m(分別是無攔擋結(jié)構(gòu)時滑體運程的1/4，1/2和3/4處)[27]，斜坡坡度α固定為45°，堆積區(qū)坡度β取0°，5°，10°，15°和20°進(jìn)行分析。

圖13 攔擋結(jié)構(gòu)布置示意圖Fig.13 Schematic diagram of block structure arrangement

3.1 運動速度

滑體顆粒的平均速度隨時間的變化曲線，如圖14所示。圖14(a)展示的是攔擋結(jié)構(gòu)設(shè)置在0.25 m處時滑體顆粒平均速度時程曲線。碎屑流顆粒從滑槽上下滑，t=0.66 s時運動到坡腳處，由于攔擋結(jié)構(gòu)設(shè)置在距坡腳0.25 m處，前緣顆粒受坡腳的約束作用速度減小，但后緣速度從斜坡上不斷下滑得到加速，導(dǎo)致碎屑流顆粒的平均速度增大，直至0.80 s。此時部分顆粒運動到堆積區(qū)滑槽上，對后緣顆粒的下滑有攔阻作用，同時前緣顆粒運動到攔擋結(jié)構(gòu)處，與結(jié)構(gòu)碰撞速度減小，平均速度不斷減小。堆積區(qū)坡度越大，顆粒受滑槽的摩擦力越小，運動速度越快，當(dāng)t>0.92 s時，堆積區(qū)滑槽上的顆粒較多，堆積區(qū)坡度對顆粒的作用變大，堆積區(qū)坡度為0°的碎屑流顆粒平均速度減速階段比堆積區(qū)坡度為5°～20°的快，曲線開始分離。以上相同的情況，在圖14(b)和圖14(c)中可以同樣觀察到，此處不進(jìn)行過多贅述。對比圖14(a)～圖14(c)中五條曲線，堆積區(qū)坡度的變化，對碎屑流顆粒的平均速度影響不顯著。隨著防護(hù)結(jié)構(gòu)與坡腳的距離增加，堆積區(qū)坡度對滑體顆粒的平均速度影響增大。

圖14 不同堆積區(qū)坡度下平均運動速度時程曲線Fig.14 Time history curve of average moving speed under different stacking slopes

3.2 沖擊力

碎屑流顆粒經(jīng)斜坡加速，運動到堆積區(qū)滑槽，與攔擋結(jié)構(gòu)接觸產(chǎn)生沖擊力。如圖15所示，當(dāng)β<5°時，堆積區(qū)坡度對碎屑流顆粒沖擊力時程曲線差異不顯著；當(dāng)β>5°時，隨著堆積區(qū)坡度的增加，峰值沖擊力顯著增加。

碎屑流顆粒運動到堆積區(qū)滑槽上，運動0.25 m之后與攔擋結(jié)構(gòu)發(fā)生碰撞，在堆積區(qū)滑槽上運動的過程，碎屑流顆粒與顆粒、顆粒與滑槽的碰撞和摩擦，導(dǎo)致碎屑流顆粒的動能被消耗，不同堆積區(qū)坡度上攔擋結(jié)構(gòu)所監(jiān)測到的沖擊力峰值小于設(shè)置在坡腳處攔擋結(jié)構(gòu)上的沖擊力峰值(654 N)。

根據(jù)沖擊力時程曲線，可以分為波動增加、峰值振蕩和逐漸減小三個階段。波動增加階段隨著堆積區(qū)坡度的增加，越不穩(wěn)定，見圖15：堆積區(qū)坡度為20°時，攔擋結(jié)構(gòu)在0.82 s時監(jiān)測到瞬時的極大值(296 N)。當(dāng)增加堆積區(qū)坡度時，碎屑流顆粒以傾斜的角度與攔擋結(jié)構(gòu)碰撞。堆積區(qū)坡度越大，碎屑流在堆積區(qū)上所消耗的能量越少，前緣顆粒與攔擋結(jié)構(gòu)碰撞時，沖擊力作用顯著；后緣顆粒的下滑，更容易推移前緣顆粒向前運動。

圖15 沖擊力隨堆積區(qū)坡度變化曲線Fig.15 Curve of impact force with slope of accumulation area

攔擋結(jié)構(gòu)上所檢測到的沖擊力峰值和終值隨堆積區(qū)坡度的變化曲線，如圖16所示。從圖16中可以看出，沖擊力的峰值和終值都隨堆積區(qū)坡度的增加而不斷增加。

2.對在外經(jīng)商或務(wù)工不愿土地信托流轉(zhuǎn)的部分“農(nóng)民”，通過各種途徑進(jìn)行宣傳教育。這些人本身具有一定的素質(zhì)和能力，見多識廣，有些已經(jīng)是功成名就的企業(yè)家，也熱心在家鄉(xiāng)搞公益事業(yè)，可能和家鄉(xiāng)一些領(lǐng)導(dǎo)比較熟，在家鄉(xiāng)具有一定的影響力和號召力，他們思想通了，對農(nóng)村土地信托流轉(zhuǎn)具有極大的推動作用。在重要節(jié)假日他們回鄉(xiāng)的時候，鄉(xiāng)（鎮(zhèn)）村干部多走訪，召開座談會，向他們宣傳土地信托流轉(zhuǎn)的意義，平時電話多聯(lián)系，或到他們工作創(chuàng)業(yè)的地方多走訪，這些人明事理，思想也很開放，做好他們的思想工作相對比較容易。

如圖16(a)所示，對于不同位置處的攔擋結(jié)構(gòu)，與坡腳距離為0.25 m處的攔擋結(jié)構(gòu)上的沖擊力峰值始終大于0.50 m和0.75 m處。除β為20°時，距坡腳為0.25 m和0.50 m處攔擋結(jié)構(gòu)上所獲得最大沖擊力相近，為382 N。

圖16 沖擊力隨堆積區(qū)坡度變化曲線Fig.16 Curve of impact force with slope of accumulation area

沖擊力的終值為滑體顆粒作用在攔擋結(jié)構(gòu)上的靜壓力，與顆粒最終堆積形態(tài)相關(guān)。堆積區(qū)坡度的增加，滑體顆粒作用在攔擋結(jié)構(gòu)上的有效應(yīng)力增加，沖擊力終值隨之增加。當(dāng)堆積區(qū)坡度相同時，攔擋結(jié)構(gòu)與坡腳距離越小，滑體顆粒運動到結(jié)構(gòu)物前所具備的能量越大，對攔擋結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的沖擊力越大，所以距坡腳處0.25 m的攔擋結(jié)構(gòu)上的沖擊力終值始終為最大。但對于0.50 m和0.75 m處的攔擋結(jié)構(gòu)，由于兩者與坡腳的距離較大，堆積區(qū)坡度較小是，滑體顆粒能量損耗較大不同位置處攔擋結(jié)構(gòu)上沖擊力終值差異較大；但隨著堆積區(qū)坡度增加，兩者沖擊力終值差異隨之減小，當(dāng)β為20°，沖擊力終值大小相等。

3.3 堆積區(qū)坡度影響分析

當(dāng)只考慮堆積區(qū)坡度的影響，此時γ=α為固定值，β取0°，5°，10°，15°和20°。此時五種工況下滑體顆粒下滑坡度一致，滑體顆粒運動到坡腳處的運動能量是一致的。

當(dāng)滑體顆粒運動到坡腳處時，受坡腳約束作用，運動速度迅速減小；另一方面，隨著堆積區(qū)坡度的增加，滑體顆粒與滑槽碰撞角隨之減小，顆粒與堆積區(qū)滑槽段的碰撞摩擦所消耗的能量減小。圖17為運動到堆積區(qū)顆粒的動能變化曲線，從圖17中可以看出，隨著β的增加，堆積區(qū)顆粒動能隨之增加，β=0°堆積區(qū)顆粒的動能的峰值約為β=20°下顆粒峰值動能的75%。

圖17 堆積區(qū)顆粒動能變化曲線Fig.17 Curve of particle kinetic energy in accumulation zone

根據(jù)滑體顆粒在滑槽上的運動影像獲得，滑體顆粒在0.6 s左右附近進(jìn)入堆積區(qū)，0.7 s左右與攔擋結(jié)構(gòu)發(fā)生相互作用。為此，當(dāng)t位于0.6～0.7 s，此時只有部分前緣滑體顆粒進(jìn)入堆積區(qū)，該時段滑體顆粒受坡腳約束和堆積區(qū)坡度影響最為顯著；當(dāng)t>0.7 s時，將該過程視為滑體顆粒與結(jié)構(gòu)的作用時段。

基于此，選取0.6 s作為起始時刻，提取堆積區(qū)顆粒的平均速度，繪制成如圖18所示曲線圖。從圖18中可以看出，當(dāng)t位于0.6～0.7 s時，堆積區(qū)坡度越大，進(jìn)入堆積區(qū)區(qū)域內(nèi)的顆粒平均速度越大；當(dāng)t>0.7 s時，隨著堆積區(qū)坡度的增加，堆積區(qū)顆粒的平均速度隨之增加。當(dāng)t=0.7 s，β=20°時，堆積區(qū)顆粒的平均速度為3.16 m/s。堆積區(qū)對滑體顆粒平均速度的顯著差異持續(xù)到0.8 s，在此之后滑體顆粒平均速度基本一致。雖然在0.6～0.8 s，堆積區(qū)顆粒的平均速度存在較大差異，但該部分顆粒的占比較小，對所有顆粒的平均速度影響較小，所以在圖14中并沒有觀察到顯著的差異。

圖18 堆積區(qū)顆粒速度變化曲線Fig.18 Curve of particle velocity in accumulation zone

對于不同位置的攔擋結(jié)構(gòu)，隨著攔擋結(jié)構(gòu)與坡腳的距離增加，滑體顆粒在滑槽的運動距離隨之增加，顆粒的動能在運動過程的消耗隨之增加，對攔擋結(jié)構(gòu)的沖擊力減小。為此，對于d=0.25 m處的攔擋結(jié)構(gòu)上監(jiān)測到的沖擊力始終為最大。然而，堆積區(qū)坡度的增加，堆積區(qū)對顆粒的約束作用減小，堆積區(qū)顆粒的動能和運動速度增加，沖擊力的峰值和終值的差異隨之減小。

4 場地類型影響

已有的研究以場地類型為邊界條件，采用平直型斜坡開展后續(xù)工作。然而現(xiàn)實滑坡場地中，碎屑流的運動路徑并非都是平直型，碎屑流受到不同場地類型的作用，產(chǎn)生加速、持速、減速過程以及碰撞、阻止等作用方式，影響了碎屑流的運動特性[28]。以場地條件作為研究中的邊界條件而不是影響因素來研究碎屑流的沖擊效應(yīng)是不充分。由于不同坡面的坡度，直接影響顆粒的沖擊方向和沖擊力大小[29]，為此本文將滑槽分為上下兩段，控制下段的坡度保持不變，通過改變滑槽上段的傾角以此達(dá)到不同場地類型。由此以野外典型滑坡為基礎(chǔ)，將場地類型分為直線型斜坡、凸面型斜坡(由緩變陡)和凹面型斜坡(由陡變緩)，如圖19所示，研究三種不同場地類型對碎屑流沖擊效應(yīng)的影響。

圖19 三種不同場地類型示意圖(mm)Fig.19 Overview of three different site types(mm)

4.1 運動速度

碎屑流顆粒在斜坡上得到加速，斜坡的類型直接影響碎屑流顆粒的運動速度。如圖20(a)所示，經(jīng)直線型斜坡加速后，碎屑流顆粒的平均速度最大值vmax=2.38 m/s。與直線型斜坡相對比，碎屑流顆粒經(jīng)凸面型和凹面型斜坡加速后，其平均速度的最大值都減小了，vmax分別為2.22 m/s和2.29 m/s。圖20(b)為滑體顆粒的最大運動速度隨時間變化曲線，曲線初始時刻不為零，主要是存在個別小顆粒未靜止，但從圖20(a)中可以看出，顆粒的平均速度趨于零，表明個別顆粒的運動速度不影響整體結(jié)果。當(dāng)t>0.43 s時，滑體顆粒經(jīng)過場地條件轉(zhuǎn)折處，最大速度曲線開始分離，凸面型場地條件顆粒最大速度最大，直線型場地次之，凹面型場地最小。

三種不同斜坡類型下，顆粒的平均速度時程曲線都可以分為加速和減速兩個階段。經(jīng)凸面型斜坡加速后，碎屑流顆粒的運動路徑由緩變陡，經(jīng)過坡面變化處的顆粒會得到加速。然而得到加速部分的顆粒所占比例較小，同時該部分顆粒并沒有得到足夠的加速路徑，最先完成在坡面上的運動，于t=0.6 s運動到坡腳處，與攔擋結(jié)構(gòu)接觸，導(dǎo)致平均速度迅速減小，峰值平均速度最小。對于凹面型斜坡，碎屑流顆粒的運動路徑由陡變緩，在坡面變化處受到約束作用，加速度減小，其加速過程先快后慢，導(dǎo)致平均速度的峰值小于直線型。直線型斜坡和凹面型斜坡上的顆粒分別于t=0.67 s，t=0.74 s碎屑流顆粒運動到坡腳處。

對于碎屑流顆粒減速階段，結(jié)合圖20(b)，凸面型斜坡上的碎屑流顆粒運動到坡腳處的速度最大，受攔擋結(jié)構(gòu)的攔阻作用顯著，前緣顆粒堆積在攔擋結(jié)構(gòu)后方，堆積得更快，形成緩沖層，導(dǎo)致后緣顆粒速度迅速減小，平均速度近似于直線減小。當(dāng)t=1.25 s時，對于直線型斜坡絕大部分滑體顆粒完成堆積運動，平均速度趨于零。而凸面型斜坡條件下，存在小部分碎屑流顆粒越過攔擋結(jié)構(gòu)，落到堆積區(qū)滑槽上，平均速度經(jīng)過一段緩慢的減速階段，于1.6 s左右趨于靜止。碎屑流顆粒經(jīng)凹面型斜坡加速后，滑體長度變長，碎屑流顆粒的運動厚度變小，與攔擋結(jié)構(gòu)碰撞時顆粒最少，后緣的顆粒不斷與前緣堆積顆粒接觸，平均速度減小得較慢。

圖20 不同場地類型顆粒速度時程曲線Fig.20 Particle velocity time history curve under different site types

4.2 沖擊力

碎屑流顆粒經(jīng)不同類型場地加速后，沖擊力時程曲線差異顯著。如圖21所示，同時結(jié)合圖20，折線凸面型場地的碎屑流最先與攔擋結(jié)構(gòu)碰撞，碎屑流顆粒運動到坡腳時的動能最大，沖擊力急劇增加，并達(dá)到峰值，F(xiàn)max=721 N。在此之后，由于碎屑流顆粒堆積在攔擋結(jié)構(gòu)后方，后緣碎屑流的下滑與堆積的顆粒碰撞，顆粒的動能在碰撞的過程，一部分動能被消耗；另一部分轉(zhuǎn)化為堆積顆粒對攔擋結(jié)構(gòu)的作用力，但其作用力變小，導(dǎo)致沖擊力不斷減小。

圖21 不同場地類型下沖擊力時程曲線Fig.21 Impact time history curve under different site types

經(jīng)直線型和凹面型場地加速后，碎屑流顆粒與攔擋結(jié)構(gòu)碰撞，起初前緣顆粒與攔擋結(jié)構(gòu)碰撞，沖擊力有短暫線性增加，此時攔擋結(jié)構(gòu)后方顆粒逐漸堆積，堆積顆粒對后緣顆粒的反作用力不顯著。隨著堆積顆粒的不斷增加，后緣顆粒受到堆積顆粒的反作用力變大，同時動能消耗變大，沖擊力呈現(xiàn)振蕩緩慢增加，直線型場地振蕩增加持續(xù)了0.15 s，凹面型場地振蕩增加持續(xù)了0.22 s，沖擊力峰值分別為654 N，336 N。對比經(jīng)過三種場地后，攔擋結(jié)構(gòu)上所受到的最大沖擊力，折線凸面型場地對攔擋結(jié)構(gòu)的沖擊力最大，折線凹面型場地對攔擋結(jié)構(gòu)的沖擊力最小。沖擊力達(dá)到峰值后，沖擊力振蕩減小，最終維持恒定的終值。經(jīng)過三種不同場地類型后，攔擋結(jié)構(gòu)上受到靜壓力相同。

4.3 場地類型影響分析

當(dāng)只考慮場地類型的影響，通過改變γ值實現(xiàn)不同的場地類型，包括凹面型、直線型和凸面型。對于三種不同場地類型，滑體顆粒從料箱釋放，受滑槽坡度變化的影響，顆粒運動狀態(tài)發(fā)生變化，而滑槽下段是一致的，顆粒最終與攔擋結(jié)構(gòu)碰撞方向是保持一致。直線型場地條件下，運動場地并沒有發(fā)生特殊變化，即為滑體顆粒經(jīng)歷斜槽加速后，與攔擋結(jié)構(gòu)碰撞，速度逐漸減小的過程，不存在特殊的情況，在此不進(jìn)行過多贅述，為此主要分析凹面型和凸面型場地條件下，對滑體顆粒運動沖擊特征的影響。

對于凹面型場地，坡度由陡變緩，當(dāng)滑體顆粒運動經(jīng)過場地條件轉(zhuǎn)變處時，由于此時滑體顆粒的運動速度方向是沿著相對陡的滑槽，而坡度突然變緩，滑體顆粒沿著原來的運動方向運動到相對緩的滑槽段，滑體顆粒會與滑槽發(fā)生碰撞，增大與滑槽之間的摩擦，消耗滑體顆粒的動能，如圖22(a)所示?；w顆粒繼續(xù)運動一段距離后，滑體運動速度方向轉(zhuǎn)變成與相對緩滑槽段平行。

對于凸面型場地，坡度由緩變陡，滑體顆粒經(jīng)過前段滑槽加速后，經(jīng)過更陡的滑槽時，顆粒會經(jīng)過二次加速；同時前緣的部分顆粒會發(fā)生拋射圖22(b)，直接飛躍，導(dǎo)致運動到坡腳處時顆粒的最大速度更大。顆粒的運動速度越大，所攜帶的動能也越大，對攔擋結(jié)構(gòu)的沖擊力更大。這與圖20(b)和圖21中所觀察到的現(xiàn)象：最大運動速度與攔擋結(jié)構(gòu)所受沖擊力大小排序一致，即凸面型>直線型>凹面型。

圖22 顆粒運動示意圖Fig.22 Schematic diagram of particle movement

5 結(jié) 論

以場地條件為變量，考慮斜坡坡度、堆積區(qū)坡度和場地類型對碎屑流沖擊效應(yīng)的影響，可以得到以下結(jié)論：

(1)不同斜坡坡度下，顆粒的平均速度時程曲線都可以分為加速和減速兩個階段。斜坡坡度越大，滑體顆粒水平方向重力分量越大，加速度隨之增大，導(dǎo)致碎屑流顆粒的平均速度越大；同時，滑體顆粒下落高度固定，滑體顆粒沿斜坡坡面滑動所消耗的能量隨之減小，對攔擋結(jié)構(gòu)的沖擊力越大。

(2)堆積區(qū)坡度的增加，對碎屑流顆粒的平均速度影響不顯著；對于沖擊力而言，堆積區(qū)坡度增加，滑體顆粒與滑槽碰撞角隨之減小，顆粒與堆積區(qū)滑槽段的碰撞摩擦所消耗的能量減小，沖擊力峰值和終值隨堆積區(qū)坡度的增加。攔擋結(jié)構(gòu)與坡腳距離越遠(yuǎn)，滑體顆粒在滑槽的運動距離隨之增加，顆粒的動能在運動過程的消耗隨之增加，沖擊力越小。

(3)不同斜坡類型下，顆粒的平均速度時程曲線都可以分為加速和減速兩個階段。凸面型場地條件下，碎屑流顆粒的運動路徑由緩變陡，前緣顆粒會經(jīng)過二次加速、拋射。凹面型場地，坡度由陡變緩，顆粒與滑槽之間的碰撞摩擦增加。最大運動速度與攔擋結(jié)構(gòu)所受沖擊力大小排序一致，即凸面型>直線型>凹面型。