滑坡碎屑流運動及堵江堰塞體堆積特性模型試驗

王 涓，宋 麗 婧，劉 軼，廖 海 梅

(貴州大學 土木工程學院，貴州 貴陽 550025)

0 引 言

由降雨、地震、冰雪融化、火山噴發等因素觸發山體崩塌、滑坡、泥石流阻塞河道而形成的天然堆積體稱為堰塞體。堰塞體的物質結構往往比較松散，顆粒間的膠結情況較差，當上游庫水位迅速上漲、靜水壓力陡增時，堰塞體極易遭受破壞。堰塞體的形成具有突發性、高危險性，而人類活動空間范圍的迅速擴展也加劇了堰塞體的致災風險，致使上下游區域的人民生命財產安全及生態環境穩定受到嚴重威脅。其中滑坡碎屑流是形成堰塞體的一種主要物質來源，通常具有規模大、運動機制復雜等特點，致使其造成的堰塞體特性至今尚未被完全掌握[1-5]。例如2018年西藏白格村金沙江右岸先后2次發生滑坡堵江，造成的堰塞湖與潰壩洪水給沿岸居民與生活基礎設施帶來巨大災害[6]。2008年汶川地震，發生大規模滑坡并堵塞通口河形成庫容近3億m3的唐家山堰塞湖，對下游百萬群眾構成巨大威脅[7]。

目前針對滑坡碎屑流形成的堰塞體研究方法主要包括現場勘察、物理模型試驗及數值模擬等。鄧建輝等[6]通過對白格滑坡現場勘察資料的分析，研究滑坡產生的地質環境、滑坡堆積區特性和產生誘因等條件，分析總結了白格滑坡形成機制與過程。周月等[2]通過開展物理模型試驗，模擬滑坡運動過程，對滑體運動特性進行分析，得出了滑坡運動過程中沖擊破碎是能量耗散的重要因素。吳建川等[8]和張龍等[9]利用PFC3D軟件模擬了滑坡運動過程和堵江堆積體形態，并分析了災害影響范圍。同時，滑源體物質組成、滑坡路徑地形條件對滑坡碎屑流運動過程具有重要影響。周公旦等[10]通過泥石流滑坡顆粒物質運動的離散元分析，提出了滑體顆粒分選作用能增強顆粒流動性從而影響顆粒運動的流態。王玉峰等[11]以謝家店子滑坡地形條件為基礎，開展相關物理模型試驗并量化分析了滑坡流態化過程及堆積特性，發現滑坡運動路徑中復雜地形的分布會引起碎屑流能量的耗散從而影響碎屑流的運動距離。此外，滑坡碎屑流在運動過程中常伴隨碰撞飛濺的現象，其在滑動發生的斜坡甚至對岸斜坡上都會發生，因此會出現最大壩高在對岸的情形[12-14]。例如1987年7月在意大利Adda River發生的大體積滑坡堵江事件，碎屑物在河谷對岸爬高約300 m[15]；2008年汶川地震形成的枷擔灣堰塞壩，其最大壩高也出現在對岸；2008年唐家山滑坡強烈碰撞對岸山體，使堰塞體呈現出邊緣破碎嚴重、中部較為完整的結構特征[11，16]。

天然滑坡運動速度快、運動過程短，目前技術尚難以捕捉其運動全過程，而物理模型試驗在數據監測方面具有較好的可實現性，因此模型試驗是分析滑坡運動和堰塞體幾何形態、物質組成特征的重要研究手段。國內外學者開展了大量滑坡運動與堆積體過程的幾何學、動力學模型試驗研究，其中大部分基于碎屑流的運動機制，研究顆粒尺寸、滑坡體積等不同因素對滑體運動特征和沉積特性的影響。Manzella[17]、Scheidegger[18]、Davies[19]等通過無側邊約束的斜面進行干顆粒流試驗，并與現實案例數據進行比較，提出了沉積物縱向標準化范圍；ManzellaI[20]、Denlinger[21]等通過分析影響因素與滑體運動過程、堰塞體堆積特征之間的關系，建立了與速度相關的能量耗散模型。郝明輝等[22]通過開展室內模型試驗，研究了碎屑粒徑、滑床粗糙度和挑坎對滑體運動特性的影響，但未量化其影響因素對堆積體幾何特性的影響。葛云峰等[23]通過PIV技術分析滑體運動過程，獲得了滑體的速度和位移等運動參數，闡述了滑體顆粒間存在碰撞及能量傳遞現象。

通過物理模型試驗研究滑體運動過程，揭示不同因素對堆積特性的影響，具有較強的可行性，但現階段研究滑坡堰塞體形成過程的模型試驗研究還較少。本文以碎屑物作為滑體，采用室內滑槽物理模型試驗模擬滑坡碎屑流堵江運動過程及其堰塞體特性，研究滑坡碎屑流堰塞體的形成過程，分析滑坡體體積、滑體物質及滑床坡度對堰塞體幾何形態與顆粒分布的影響，并進一步定量描述了顆粒粒徑、滑槽坡度和滑體體積對堰塞體堆積特性的影響。實驗過程中，采用1臺高速攝像機(千眼狼高速2F04，最大幀率可達到4 700)和4臺攝像機觀察滑坡-堵江運動全過程。最后利用卷尺和設置裝置的參考點獲取堰塞體的關鍵幾何參數，并通過透明玻璃截取堰塞體3個橫斷面，進而推測堰塞體內部顆粒的分布規律。

1 試驗方法及試驗過程

1.1 試驗裝置

試驗裝置包括模擬滑坡運動的斜槽和模擬河道的橫槽兩部分，如圖1所示。斜槽為矩形斷面，總長4.5 m，寬0.5 m，深0.5 m，與地面夾角范圍為30°～60°，在距離頂端0.5 m處設置了一個閘門。為方便觀察，滑槽兩側及底部均采用透明亞克力板材質，并在兩側的亞克力板底部標志了刻度，精度為1 mm。為近似模擬天然河道形狀，橫槽采用梯形斷面，總長2 m，下底寬0.36 m，兩側斜邊長0.6 m，坡角為50°。為記錄完整的試驗在斜槽側面布置了4臺錄像機，并采用高速攝像機獲得滑體在出口的運動參數。本次試驗沒有考慮水流對滑體入河堵江過程和堰塞體特性的影響。

圖1 滑坡物理模型裝置Fig.1 Physical modeling test apparatus for landslides

1.2 試驗材料及設計方案

基于滑坡物質組成的多樣性，本次試驗采用4種不同尺寸顆粒，分別為d=1～2 mm的細顆粒、d=3～5 mm的中細顆粒、d=6～9 mm的中顆粒、d=12～15 mm的粗顆粒以及細顆粒、中顆粒、粗顆粒的混合體，如圖2所示。同時，考慮到部分實際滑源體存在明顯分層現象，如石柱縣龍井滑坡[24]、三峽庫區多處出現的大型-特大型滑坡[25]，因此設置了水平分層的層狀滑源體，如圖3所示。其中，中顆粒(d=6～9 mm)在底部，細顆粒(d=1～2 mm)在中間，粗顆粒(d=12～15 mm)在上部，不同顆粒層間的接觸面較為平整。另外，為了分析滑床坡度對運動過程及堆積特性的影響，斜槽坡度設置了32°及36°兩種情況。本文共開展了24組試驗，單粒徑16組，分層的多粒徑8組，具體試驗方案見表1。

表1 試驗方案設計Tab.1 Design of experiment schemes

圖2 不同粒徑試驗材料Fig.2 Experimental material of different particle sizes

圖3 滑坡體放置圖Fig.3 Landslide placement diagram

試驗開始前，將配置好的顆粒鋪設在斜槽閘門后面，使滑體表面為水平面。接著，在滑槽同一側面安裝并調試4臺錄像機，相機1觀察區域為滑槽前段，相機2觀察區域為滑槽中段，相機3觀察區域為滑槽后段，相機4主觀察區域為水槽段，即滑體入河堵江階段。另外，利用高速攝像機捕獲距離斜槽出口30 cm區域內的滑體速度。為了獲得完整、連續的滑體運動過程形態與數據，相鄰錄像機之間確保存在有交叉的共同攝像區域，并在斜槽閘門開啟前已保持開啟狀態。最后，提起閘門，試驗開始，滑體在重力作用下發生運動，當所有顆粒進入橫槽后，一組試驗結束然后對堰塞體的幾何參數與顆粒分布進行量測。

2 試驗結果分析

2.1 滑體運動過程分析

滑坡堵江運動過程可分為斜槽滑動階段和入河堆積堵江階段。本文以第4組試驗為例介紹單粒徑滑體運動過程。如圖4(a)所示，當滑體位于斜槽前段，觀察到提起閘門后位于滑體底部的顆粒會率先移動并牽引滑體前緣移動，隨后滑體上部迅速掉落滑下。當滑體進入斜槽中段時，由于滑槽底部在兩塊亞克力板拼接處形成了起伏微小的滑面，滑坡體通過時出現了顆粒碰撞飛濺的現象。當滑體進入后段，速度明顯加快，飛濺現象也更加顯著。

其他各組單粒徑滑體試驗的運動過程現象與第4組相類似，但存在些許不同。如第1組滑體顆粒主要貼著滑槽底部運動，在滑槽中段起伏處以及出口處的飛濺程度較弱，而第2組滑體在這兩處的飛濺高度則更大。分層多粒徑滑體以第22組試驗為例說明。其滑體運動狀態與單粒徑滑體相似，顆粒經過起伏滑面時也出現了飛濺、碰撞現象，出口處的飛濺以大顆粒為主，細顆粒主要沿著滑槽底板運動。同時，滑體前緣多為粗顆粒，細顆粒主要分布在滑體后緣，如圖4(b)所示。

圖4 滑坡體運動過程Fig.4 Movement process of landslide

2.1.1運動時間分析

將閘門提起的瞬間定為初始時刻t=0，滑體完全滑出斜槽出口的時間視為滑坡結束時間，當出口處顆粒呈現不連續狀態作為滑坡運動結束的標志。各組滑體的滑坡運動時間如表2所列。

表2 非黏性物質滑坡運動時間統計Tab.2 Time statistics of non-cohesive material landslide movement s

如圖5(a)所示，對于單粒徑滑體，當滑床坡度一定時，滑體運動時間隨著粒徑增大而減小。這可能是由于顆粒在運動過程中，重力勢能轉換為動能，同時顆粒間相互碰撞飛濺產生沖擊使后緣顆粒將能量傳遞給前緣顆粒，而這兩種作用隨著粒徑增大而增強。細顆粒滑體運動時間最長，很可能是因為運動過程中細顆粒之間、細顆粒與滑槽底部之間的摩擦力最大，從而導致較大的動能損失。當坡度發生改變時，滑體運動時間隨坡度增加而減小。這可能是坡度較小時，顆粒間因摩擦作用消耗的動能增加，后部物質的能量不能有效傳遞到前緣，導致運動速度減小。分層多粒徑滑體的運動時間如圖5(b)所示，滑體運動時間隨著細顆粒比例增加而增大，隨著坡度增加而減小，原因與單粒徑滑體類似。

圖5 運動時間隨顆粒粒徑的變化情況Fig.5 Movement time variation with particle size

2.1.2運動速度分析

滑體在滑槽前、中、后3段的平均速度為各段運動距離與運動時間之比。單粒徑滑體的運動速度如圖6(a)所示，各3段的平均速度均隨粒徑增大而增大，并在位于滑槽后段出口處達到峰值。分層多粒徑滑體的運動速度如圖6(b)所示，滑槽各段的速度均隨著大粒徑顆粒比例增加而增大，因此細顆粒比例最大的滑體速度最小。同時，滑槽前后兩段滑體速度均隨著坡度增大而明顯增加；而在滑槽中段，滑體速度未隨著坡度增大而增大，這可能是因為滑體經過起伏面顆粒滾動前進時碰撞作用程度增強，耗能過多、速度減小所致。

圖6 平均速度隨顆粒粒徑、顆粒質量比及坡度變化情況Fig.6 Average velocity variation with particle size，proportion and slope

另外，采用混合水平正交方法對單粒徑滑體的運動速度進行敏感性分析(見表3)。運用不同因素水平的平均值極差(記為R)來判別影響因素的敏感度大小，極差值大的因素對速度的影響大，是影響指標的主要因素；反之，極差值小的因對速度的影響小，是影響指標的次要因素。

表3 正交分析因素及水平組合Tab.3 Factor and levels of orthogonal analysis

單粒徑滑體極差分析結果如表4～6所列。結果顯示，滑體在滑槽前段的速度受顆粒粒徑影響最大，是主要因素，其次是坡度，最小是體積。滑體在滑槽中段及后段速度均受顆粒粒徑影響最大，其次是體積、坡度。在滑槽前段，顆粒粒徑決定著顆粒間相互作用及摩擦作用導致的能量耗散，從而影響滑體速度。此時，滑體的勢能轉換機制占主導作用，坡度對滑體速度的影響作用大于體積。在滑槽中后段，顆粒粒徑對速度的影響與前段相似。此時，大體積下的滑體顆粒碰撞程度增強，滑體內部能量傳遞機制起主導作用，所以滑體體積對速度的影響作用大于坡度。

表4 影響因素各水平速度值Tab.4 The speed values of each level of influencing factors

表5 影響因素各水平速度平均值Tab.5 The average speeds of each level of influencing factors

表6 影響因素平均值極差分析Tab.6 Range analysis on average velocity of the influence factors

2.2 滑坡堰塞體特性分析

2.2.1單一粒徑滑體的堵江堆積特性

堰塞體長度L、寬度W及高度H是堰塞體的3個關鍵幾何參數(見圖7)，對壩體穩定和潰決洪水大小具有重要影響，本文對這3個參數進行重點分析。

圖7 堰塞體尺寸示意Fig.7 Schematic diagram of accumulation body size

試驗結果表明，不同單粒徑滑源體的堰塞體特性有所區別。從寬度向堆積形態看，細顆粒堰塞體擴散程度最小(見圖8(a))，其次是中細顆粒與中顆粒(見圖8(b)、(c))，擴散程度最大的是粗顆粒(見圖8(d))。從長度向堆積形態看，細顆粒、中細顆粒與中顆粒均有凸起，且以細顆粒最明顯；粗顆粒則出現較順滑的傾斜面。細顆粒堰塞體最大壩高出現在滑槽一側(見圖8(a))，其余的出現在對岸(見圖8(b)、(c)、(d))。可能原因是滑體顆粒之間存在能量傳遞[23]，而細顆粒的速度小、能量傳遞弱，撞擊水槽底部后迅速停止運動，直接在滑槽一側堆積；其他粒徑滑體的速度較大、能量傳遞較強，滑體前緣撞擊水槽底部后發生回彈并向對岸飛濺、堆積，其中以粗顆粒滑體最明顯。

圖8 單粒徑物質堰塞體Fig.8 Landslide dam of single particle

堰塞體幾何尺寸與粒徑、體積、坡度的變化關系如圖9所示。對于堰塞體長度L，其多隨著體積和坡度增大而增大。坡度為32°時，小體積下的堰塞體長度隨顆粒粒徑變化幅度不大，大體積下的堰塞體長度隨顆粒粒徑增大而增大；坡度為36°時，小體積下堰塞體長度呈現出隨顆粒粒徑增大先略微增大后減小的變化規律，大體積下的變化規律與之相反(見圖9(a))。這可能是因為中細顆粒相比細顆粒在出口處速度提高幅度不大，產生的沖擊力相差不大，致使堰塞體長度L變化幅度只有輕微減小，而當滑體顆粒粒徑增大，其回彈現象增強，導致堰塞體高度增加，從而堰塞體寬度也隨之增加。對于堰塞體寬度W，其會隨著坡度、體積、粒徑的增大而增大，除細顆粒及中細顆粒粒徑情況存在一定偏差(見圖9(b))。這可能是由于細顆粒及中細顆粒滑體速度小，獲得的動能少，沒有強烈的擴散現象。對于堰塞體高度H，堰塞體高度隨體積增加出現一定增幅。小體積下的堰塞體高度在同坡度下均隨著顆粒粒徑增大而增加，大體積下的堰塞體高度在同坡度下隨著顆粒粒徑增大先減小后增加，且在陡坡下的變化波動更明顯(見圖9(c))。

圖9 堰塞體幾何尺寸隨坡度、體積及粒徑的變化情況Fig.9 Variation of the geometric size of the accumulation with the slope，volume and particle size

為了進一步研究顆粒粒徑、滑體體積等影響因素與堰塞體幾何特性之間的量化關系，本文使用邏輯回歸方法進行量化分析，其中建立不同參數之間定量關系的邏輯回歸函數公式主要有加法公式和乘法公式。加法公式形式為

(1)

通過對本試驗單粒徑堰塞體幾何尺寸數據處理分析，其中以堰塞體幾何尺寸參數為因變量Yi，以試驗設計方案中影響因素為自變量Xi，然后再以最小二乘法建立堰塞體幾何參數和影響因素之間的模型。

所得模型的擬合程度可通過相關系數R2的大小來判斷，R2的表達式為

(2)

基于試驗數據選取相關參數，建立影響因素與單粒徑堰塞體高度擬合模型如下：

Y=0.049+0.001?+0.001V+0.005d

(3)

式中：Y為堰塞體高度預測值，?為滑槽坡度，V為滑體體積，d為滑體顆粒粒徑。

由相關系數可得，對堰塞體高度影響作用最大是顆粒粒徑，其次是滑床坡度和滑體體積。此外，通過計算得出該模型R2=0.718，由于試驗中粒徑選擇有一定范圍，代入粒徑數據時，會因為粒徑大小選擇結果影響預測結果，產生一定差值，但代入多組數據計算發現與實際測量相差均在0.005以內，說明該模型有較好的擬合程度。

2.2.2分層多粒徑滑體的堵江堆積特性

同比例的分層多粒徑滑體的堰塞體特性相似，以第17組試驗為例進行分析。堰塞體整體形狀呈扇形體，橫向擴散程度較低，靠近滑坡側的部位主要為細顆粒(見圖10(a))。從平面和3個不同位置的剖面圖(見圖10)可知，細顆粒在壩體底部，粗顆粒在表面，表現為反粒序現象。可能的原因是細顆粒與滑槽底板接觸面積大、流動性較差，同時顆粒間相互的碰撞產生了振蕩篩分作用，使細顆粒穿過粗顆粒之間的間隙運移到滑體中下部。

圖10 混合物堰塞體Fig.10 Landslide dam of mixed particle

分層多粒徑堰塞體的長度變化規律如圖11(a)所示。當改變坡度時，堰塞體長度與坡度無明顯變化規律。當坡度為32°時，堰塞體長度隨細顆粒、中顆粒比例增大而減小，隨粗顆粒比例增大而略微增大；當坡度為36°時，則呈現出完全相反的趨勢。這可能是由于細顆粒比例的增加，滑體動能少、沒有強烈的回彈現象導致。堰塞體的寬度變化規律如圖11(b)所示。隨著滑床坡度增大，不同粒徑比例下的寬度都有不同程度的增加。當坡度為32°時，寬度隨細顆粒及中顆粒比例增大而減少，隨粗顆粒比例增大而增大；當坡度為36°時，寬度隨細顆粒及粗顆粒比例增大而減小，隨中顆粒比例增大而增大。這可能是由于粗顆粒速度最大，其運動時間最短，顆粒間相互碰撞導致后緣顆粒可以有效傳遞動能給前緣，對水槽形成更大沖擊力，寬度向擴散程度更強烈所致。堰塞體的高度變化規律如圖11(c)所示。坡度為32°時，堰塞體高度隨各粒徑顆粒比例的增加而增大；坡度為36°時，堰塞體高度則隨細顆粒及粗顆粒的比例增大而減小，隨中顆粒比例增大而增大。堰塞體高度與坡度正相關。

圖11 堰塞體幾何尺寸隨坡度和粒徑的變化情況Fig.11 Variation of the geometric size of the accumulation with the slope and particle size

3 討 論

本文研究了顆粒粒徑、滑體體積、顆粒比例及坡度這幾種因素對于滑坡體堆積過程及堆積特性的影響。在單粒徑顆粒試驗中，隨著粒徑增大，滑體顆粒撞擊水槽底部產生的回彈現象增強，從而影響了堰塞體寬度方向的擴散。而分層多粒徑堰塞體則出現明顯的反粒序現象，其幾何尺寸變化規律與不同粒徑顆粒比例變化相關，具體表現為堰塞體寬度和高度都與細顆粒及粗顆粒相關聯，堰塞體長度則與各粒徑顆粒均相關，其中規律還需繼續探討。通過對高速攝像機在滑體運動過程拍攝的照片分析，發現后緣滑體會通過顆粒間碰撞的方式將能量傳遞給前緣滑體，從而增大前緣滑體的速度，這與葛云峰等[23]研究滑坡運動過程中的能量傳遞機制得出的結論相同。此外，本文多粒徑的反粒序現象與王玉峰等[26]研究汶川地震產生的眾多典型滑坡碎屑流案例得出的現象一致。

由于試驗場地限制未能準確模擬實際地質環境，如本文滑槽底部平滑、無明顯起伏、其坡度變化范圍小；滑源體類型考慮單一，僅考慮碎屑物作為滑體來源，未考慮塊體、黏性物質等其他材料，因此滑體滑動過程中的碰撞、破碎、篩分等現象未能在本試驗中得到較好呈現；本試驗沒有考慮試驗裝置的尺寸效應，后續可通過開展不同尺度的模型試驗進行探究。上述幾個方面均對滑體速度、運動形態、堆積體特性等具有重要影響，需進一步完善，此外，本文分層多粒徑試驗數據較少，未能揭示影響因素與堆積體參數間的量化關系，后續也應在這方面加強研究，為更好預測堰塞體幾何尺寸提供依據。

4 結 論

(1) 粒徑組成、滑體體積及滑床坡度是影響滑體運動時間及速度的重要因素。滑體運動時間隨著滑床坡度變陡、顆粒粒徑增大而變短，隨著滑體體積增加而變長。針對單粒徑滑體，滑槽前段的運動速度影響因素重要性排為粒徑、坡度、體積，中、后段為粒徑、體積、坡度；針對分層多粒徑滑體，前、后段滑槽的滑體運動速度主要受坡度影響，且隨著坡度增大而增大，而中段的速度與坡度無明顯規律。

(2) 單粒徑堰塞體寬度及堰塞體長度在不同坡度下分別隨滑體體積、顆粒粒徑的增大而增大，且均對陡坡更敏感；堰塞體高度與影響因素關系的量化分析結果表明，影響程度最大的是顆粒粒徑，然后是滑槽坡度和滑體體積。

(3)分層多粒徑堰塞體的寬度和高度均隨著坡度增大而增大，而長度與坡度無明顯線性關系。同時，分層多粒徑堰塞體存在明顯的反粒序現象。