基于模型試驗的滑體不同節理組合巖塊破碎特征研究

楊 鵬,鄭 光,劉 建 強,黃 金 成,劉 震 東,陳 明 浩

(成都理工大學 地質災害防治與地質環境保護國家重點實驗室,四川 成都 610059)

0 引 言

在中國西部山區,常有一些大型巖質滑坡失穩后在運動過程中不斷解體破碎,在極強的碎屑化作用下形成高速、遠程的“崩→滑→流”復合災害體,帶來毀滅性破壞,這種災害體被稱為遠程滑坡-碎屑流[1-4]。與其他地質災害相比,高速遠程滑坡發生頻率更低,但是因其發生突然、規模大、高速和超強的流動性等特點,造成的破壞更加嚴重,因此引起地質學者們的廣泛關注。近年來,發生的典型碎屑流災害有重慶武隆雞尾山滑坡、貴州關嶺大寨滑坡、四川茂縣新磨村滑坡和貴州納雍普灑村崩塌碎屑流[5-8]。高速遠程滑坡運動過程中最顯著的特征在于滑體物質的轉變,即固態(巖崩或者巖滑)經破碎到流態(此處指碎屑流的各種似流體運動的形態和特征)[9]。

滑坡碎屑化過程中失穩巖塊的破碎,及其超遠的運動距離是滑坡-碎屑流的特征之一。對于碎屑流的運動距離,Heim在研究Elm滑坡時提出了碎屑流等效摩擦系數的概念(H/L的比值),以此量化碎屑流體的流動性[1]?；磪^巖體失穩下滑,在地形轉折處發生撞擊破碎,在摩擦作用下停積于水平處。將質心運動距離Lg定義為滑體發生破碎后地形轉折處至最終堆積體質心的水平距離,最遠運動距離Ls定義為地形轉折處至巖體最終堆積體的最末端顆粒的水平距離。

巖塊破碎過程可能受失穩塊體的幾何形狀、地形、環境條件和滑體材料強度的影響[10]。對于失穩巖塊的破碎,現有研究主要通過物理模型和數值模擬手段進行。Bowman等[11]通過離心機物理模型試驗,利用煤塊設置簡單疊加的組合體滑塊(正交組合),發現滑塊的破碎程度影響著最遠運動距離。Bowman等[12]利用白堊巖塊和煤塊的不同組合體進行模型實驗,發現滑塊的組合形式在破碎過程中起到一定作用,并影響著堆積物的破碎特征和運動距離。Haug等[13]通過滑槽試驗,研究單個完整滑塊失穩破碎對堆積物的質心運動距離影響,利用109次試驗數據結合定義的參數,較好擬合出了質心運動距離與破碎程度的關系。Blasio等[14]以數值模擬為基礎,從應力和能量角度分析滑塊在地形轉折處的爆炸性破碎現象和滑槽滑面角度的變化對滑塊破碎特征的影響,推測在破碎過程中臨界滑面角度的存在,使得滑塊破碎過程中的動量提升,繼而導致碎塊運動距離明顯增加。Zhao等[15]通過數值模擬手段設置不同方向節理組合,研究滑塊在失穩后的破碎分布特征和粒徑范圍,發現規則節理(正交組合型)與傾斜節理(相交組合型)產生的破碎特征明顯不同。

對于巖塊的破碎研究,目前學者們多考慮完整塊體或不同材料之間的組合體,而關于節理組合形式對滑塊失穩下滑后的破碎特征研究較少。因此本文開展撞擊破碎斜槽模型試驗,通過控制變量,研究不同節理方向(水平向、豎向、橫向及其組合型)是否會使滑塊失穩破碎產生不同的破碎特征和運動距離。

1 斜槽試驗

1.1 試驗裝置

本次試驗采用斜槽模型,其水平段無側向約束,主要針對常見的平面敞開型滑坡。模型主要由傾斜段和水平段兩部分構成,其中,傾斜段長300 cm,水平段長400 cm,如圖1所示。

圖1 試驗裝置示意(尺寸單位:cm)Fig.1 Sketches of experimental apparatus

1.2 試驗材料及其物理性質

基于前人成果[15-16],確定試驗材料的配比方案如下:將400目硫酸鋇、80目石英砂、抗裂石膏、羧甲基纖維素鈉、自來水,按照骨料比4∶6、骨膠比50∶1、羧甲基纖維素鈉含量1.0%(占骨料加膠凝材料總質量的1.0%)、拌合水量22.5%(占骨料加膠凝材料總質量的22.5%)的配比方案混合攪拌制成。其中骨料指硫酸鋇和石英砂,膠凝材料指石膏;骨料比為石英砂與硫酸鋇質量之比,骨膠比指骨料的總質量與石膏的質量之比。按照相同配比制成不同形狀的試塊分別進行模型試驗和物理力學試驗,部分試塊如圖2所示。通過力學試驗獲取的物理力學基本參數如下:單軸抗壓強度為0.27 MPa,彈性模量E為0.122 GPa,黏聚力C為0.103 MPa,φ為42°。

圖2 試驗材料Fig.2 Materials of experiments

1.3 試驗方案

為研究不同節理組合下巖塊失穩下滑是否會產生不同的破碎特征和運動距離。試驗中設置8種不同組合形式,分別在60°滑面失穩下滑,撞擊底板后破碎停積。塊體是通過控制相同拌合物的質量,從而得到統一體積的試樣,以此來研究滑塊在不同組合方式下引起的破碎和運動特征。完整試塊質量為2 kg,體積為15 cm×15 cm×4 cm,強度為0.27 MPa。其中T1為單個完整塊體,T8為8個完整塊體,作為其它工況的對照。T2～T7是考慮相同質量、體積下,不同節理方向及其組合型對滑塊失穩后破碎和運動特征的影響。T2～T8中試塊之間都不存在黏結,用來模擬貫通節理面。節理的組數主要考慮1組、2組,方向為:水平向(T2)、豎向(T3)、橫向(T4)、以及三者之間的組合型(T5～T7),如圖3所示。

圖3 試驗工況(尺寸單位:cm)Fig.3 Test conditions

1.4 試驗數據處理

為觀察滑塊破碎過程并獲取相應的運動參數,通過局部的監測方法對試塊的破碎過程進行記錄。利用高速攝影機(幀率500 fps)進行圖像采集,相機1安裝于傾斜段與水平段轉折處正上方,并在裝置側面設置一臺高速攝像機2(幀率500 fps),用來記錄滑塊運動的整個過程,如圖1所示。對于高速相機圖像數據,選用開源軟件GeoPIV進行處理分析,從而獲得滑塊在撞擊底板后的破碎過程和運動參數。

2 試驗結果及分析

2.1 不同節理條件下塊體的破碎過程分析

在實際滑坡失穩過程中,不同結構形式的巖體失穩下滑會產生不同的破碎特征。本次試驗設計能較好地與實際滑坡相聯系,并且在實際滑坡中均能找到相似的巖體結構形式。比如2009年重慶武隆雞尾山滑坡[5]被兩組近于正交的陡傾結構面切割,形成“積木塊”狀的灰巖山體,其沿緩傾軟弱夾層發生整體滑動,形成高速運動的碎屑流體,這與本試驗中設置的兩組正交組合型節理相似。2017年新磨村發生的高位遠程巖質順層滑坡[17],滑體在高速運動過程中不斷發生解體破碎,以碎屑流態高速運動,最終因前緣阻擋以及能量的不斷消耗逐漸停積下來,這種順層結構與本次試驗中設置的水平向節理類似。

為對8種組合的破碎過程進行分析,選取滑塊下滑至底板時這一典型過程進行分析,T2、T3、T4和T5、T6、T7分別為一組節理和兩組節理的不同組合形式,在同一位置失穩下滑產生的破碎特征明顯不同,破碎過程如圖4所示。因為節理面之間無黏結且為貫通節理面,在不考慮橫向組合長度時T1與T3、T2與T6、T4與T5及T7與T8有都有著相似的破碎過程,選取T1、T2、T4、T7的破碎過程進行分析,破碎過程示意如圖5所示。

圖4 破碎過程Fig.4 Fragmention process

圖5 部分破碎過程示意Fig.5 Schematic diagram of the fragmenting process

對于T1、T2、T3和T6,都是塊體前緣與底板接觸,前緣發生強烈破碎,裂縫從前延伸至后部,并在運動停積過程中逐漸解體。而T4、T5、T7和T8與底板接觸后前部塊體發生明顯的破碎,繼而又在后部塊體的二次碰撞下,前部塊體發生二次破碎,生成大量的細小顆粒,并為后部塊體起到緩沖阻擋作用,導致后部塊體停積于轉折處附近,并且堆積塊徑一般都較大,整體的破碎程度相比于無二次碰撞的組合方式小。這說明滑塊的破碎主要產生于第一次與底板撞擊的瞬間,而后部塊體的二次碰撞作用只是增加了前部塊體的破碎程度,并為后部塊體提供了“保護墊作用”,使后部塊體仍然保持較大的塊徑和形態。這也解釋了,為何在同體積不同組合下T3和T6的堆積體更破碎,變形更強烈,正是缺少了這種保護墊作用。

根據不同的接觸破碎方式將滑塊的破壞模式分為:撞擊破碎、二次碰撞破碎、滑動摩擦破碎。從滑塊的破碎程度來看,撞擊破碎>二次碰撞破碎>滑動摩擦破碎。

(1) 撞擊破碎指的是滑塊在下滑過程中只與底板發生接觸撞擊,從而導致其破碎。這種破碎方式主要發生于無后部塊體條件下的T1、T2、T3、T6,并且與底板的撞擊是導致塊體嚴重破碎的主要原因?；瑝K下滑至底板發生強烈的撞擊,前緣迅速產生多條裂縫并迅速向后部延展,隨后解體破碎產生大量細小顆粒。Haug[13]認為試驗中塊體破碎主要來自于塊體撞擊底板后被迫發生轉向導致塊體彈性彎曲,從而引起滑塊拉張斷裂。如圖5所示T1和T2的撞擊破碎過程,在滑塊前緣發生劇烈變形,生成較多細小顆粒,大塊徑堆積體主要來自后緣塊體和上部塊體。這與實際滑坡失穩崩滑過程中,滑體與地形轉折處或者堅硬巖層發生撞擊時巖體產生破碎解體的過程類似。并且這種堆積形態與滑坡碎屑流堆積物中常見的反逆序結構[18]相似。

(2) 二次碰撞破碎指的是在前部塊體與底板發生撞擊作用后,又因為后部塊體的存在發生二次碰撞,導致前部塊體發生兩次破碎生成大量小顆粒,并且為后部塊體提供緩沖平臺,使得后部塊體破壞較小,以較完整的形態堆積于平臺。二次碰撞破碎主要發生于T4、T5、T7、T8中,這與實際滑坡失穩崩滑過程中,滑體間的巖塊發生相互碰撞產生破碎解體的過程類似。鄭光等[18]在對四川茂縣新磨村滑坡-碎屑流進行塊徑分析時,發現6～10 m直徑的塊石主要分布在堆積體后部區域,前部堆積體中含量相對較少,而小于2 m的塊石整個堆積區域中幾乎都存在。這說明在實際滑坡失穩過程中同樣也存在保護墊效應,使得滑體破碎減小,堆積體從而能保持大的塊徑。在同體積不同組合下,T3和T6組合產生的破碎程度明顯大于其他兩種,正是因為缺少這種保護作用,使得整體破碎程度要大于其他兩種,如圖5中T4和T7破碎過程。

(3) 滑動摩擦破碎是由于滑塊與斜槽和底板接觸時因不可避免的摩擦作用,使其產生少量的破碎。與底板接觸時,因為摩擦力的作用,導致滑塊產生少量的顆粒,并且形成一定的滑痕,比如(圖4,T3,0.32 s)。這種摩擦破壞在整個過程中都存在,但并不是引起滑塊破碎變形的主要原因。該現象與現實滑坡中滑床與滑帶發生的剪切破碎相似,是部分細顆粒和滑痕產生的主要原因之一。

2.2 不同節理條件下塊體的破碎特征分析

由于試塊強度相對于一般的巖石強度較低,破碎產生的小塊體若采用振動篩分,會引起二次破碎影響試驗的準確性,故本次試驗采用人工測量粒徑并記錄質量,測量時最小的粒徑定為1 cm,小于1 cm的歸為一類。Hardin[19]根據顆粒試驗前后分布曲線的變化,從能量角度定義了破碎勢能Bp0和總破碎量Bt,進而提出了相對破碎率的概念,其表達式為Br=Bt/Bp0,并且認為粒徑小于0.074 mm的細顆粒對顆粒破碎的影響不大。為了更好地量化滑塊的破碎程度,本文采用相對破碎率Br來量化堆積體的破碎程度。

如圖6所示,根據人工測量堆積體粒徑和質量,發現滑塊的堆積距離在25～250 cm之間,并占據90%以上的累積質量,而最遠處往往為小碎片,累積質量不足1%。0～25 cm范圍內的累積質量曲線大多呈直線較陡峭,25 cm之后則呈現出圓弧狀逐漸變緩。這說明塊體大粒徑堆積體主要停積于轉折處附近,并且塊徑大小向堆積物前部逐漸減小,級配范圍和破碎程度逐漸增加。Zhao等[15]在其數值模擬中發現,滑塊在一定滑面角度時前緣與底板發生劇烈撞擊,使得前緣產生強烈變形生成大量破碎塊體起到阻擋后部塊體運動的作用,使得堆積體主要停積于轉折處附近。大量細小顆粒也在大塊體的屏障作用下堆積于轉折處,導致轉折處堆積體累積質量增加。

圖6 堆積體不同堆積距離處顆粒質量百分比曲線Fig.6 Mass percentage curves of particles at different distances of accumulation

每次試驗的堆積分布圖和粒徑級配曲線如圖7所示。因為所有組合都是由單個滑塊組成,所以只考慮每次試驗堆積體的最終級配。表1為所有試驗破碎特征參數的結果。

表1 破碎特征參數Tab.1 Parameters of fragmenting

圖7 顆粒堆積特征和顆粒質量百分比曲線Fig.7 Depositing characteristics and mass percentage curve of particles

(1) 對于單滑塊條件,如圖7(a)所示T1作為參照試驗,破碎主要發生在與底板撞擊的時刻,堆積體主要堆積在0～0.75 m之間,粒徑范圍主要集中在1～15 cm之間,大塊徑堆積體(粒徑10～15 cm)主要位于堆積距離的中部,而小顆粒(粒徑1 cm)則在所有的堆積區域中均能見到。這說明滑塊的破碎主要來自于轉折處的撞擊,小顆粒拋灑而出,而大塊徑堆積體受底板的摩擦作用,停積于轉折處附近。

(2) 對于兩滑塊條件,若設置不同方向的節理面,最終產生的破碎特征也不一樣。如圖7(b)所示,T2在堆積圖上也能見到較大塊徑的試塊,并且粒徑累積曲線明顯較其他兩種陡峭,相對破碎率也遠低于其他兩組工況。這是因為存在水平向節理使得破碎顆粒主要來自與底板發生接觸的滑塊,所以上部塊體僅發生沿邊緣的細微變形,而下部塊體則出現明顯破碎解體。

如圖7(c)、(d) 所示,T3和T4被節理面切割后產生的塊體大小一樣,區別在于節理面的設置方向不同。T3粒徑累積曲線相對于T4較平緩,相對破碎率大于T4。這是因為T3為豎向節理,是撞擊破碎模式;而T4為橫向節理,是二次碰撞破碎模式;對滑塊的破碎作用上,撞擊破碎大于二次碰撞破碎。通過設置不同節理方向,發現兩滑塊失穩下滑時產生的破碎效果和運動距離排序為:豎向(T3)>橫向(T4)>水平向(T2)。

(3) 對于4滑塊條件下,T5、T6與底板直接發生撞擊的塊體數量相同(2塊),但是破碎特征卻明顯不同,如圖7(e)、(f)所示。由于T5存在橫向節理,使得其存在后部塊體,從而發生二次碰撞破碎,整體破碎率和運動距離下降,并且遠小于T6。T6與T7都存在水平節理面,區別在于T6為水平和豎向的組合,T7為水平和橫向的組合。將兩者與T3、T4的破碎特征對比,具有一定的相似性。在兩組節理條件下,4滑塊失穩下滑時產生的破碎效果和運動距離排序為:水平向+豎向(T6)>豎向+橫向(T5)>水平向+橫向(T7)。結合兩滑塊結果,說明豎向節理的存在具有增加破碎和運動距離的作用。

(4) 對于8滑塊T8,設置3組節理(水平向、豎向和橫向),其與4滑塊T5的區別在于增加了水平向節理。因為橫向節理的存在,分割形成了后部塊體,兩者都為二次碰撞破碎模式,從堆積圖中發現在轉折處都堆積了較大塊徑的堆積體,如圖7(e)、(h)所示。在這種組合形式下,相比于T5,T8的破碎率和運動距離并沒有增加,這是因為節理面的切割程度增加,使得滑塊在失穩下滑過程中破碎率和運動距離減小,如圖7(h)中所示大塊體主要堆積體于轉折處,運動距離相比T5明顯減小,并且相對破碎率也處于一個較低值。

2.3 相對破碎率與運動距離、能量的關系

為了得到塊體的運動距離與相對破碎率間的關系,將LS進行無量綱處理。

(1)

式中:LS為最遠運動距離,cm;V為滑塊體積,cm3。

圖8為最遠運動距離LS與相對破碎率Br的線。觀察圖8中各點的分布,最遠運動距離與相對破碎率關系不是很明顯,但是整體上最遠運動距離隨相對破碎率增大而增大。Bowman等[11]使用天然煤塊,通過離心機模型實驗也同樣得出同樣的趨勢和規律。試驗中假設滑塊在斜槽上運動時以滑動為主,當不考慮滑塊破碎和體積擴張耗能[20],按照能量守恒具有:

圖8 的線Fig.8 Relation curve of

(2)

當滑塊撞擊底板停積后,v=0,有如下關系:

Ep=ρgVH=fL

(3)

式中:Ep為滑塊的勢能,J;m為滑體質量,kg;H為滑體下落高度,m;v為滑體運動速度,m/s;f為滑體與滑床之間的摩擦力,N;L為滑體運動距離,m;ρ為滑體密度,kg/m3。

因此決定滑塊破碎解體最遠運動距離的是其勢能?；瑝K在轉折處與底板發生碰撞從而產生碎屑化,滑塊碎屑化后大部分都相對較小,并且在碰撞瞬間的能量變化難以量化。為了更好地研究滑坡沖擊破碎過程中的能量耗能變化規律,使用碰撞后破碎動能Ek與勢能Ep之比來分析試驗中不同工況破碎能的變化情況,將計算結果列于表1。利用動能定理計算碰撞后破碎動能的公式為:

(4)

式中:m為滑塊質量,kg;v0為碰撞前滑塊輪廓的瞬間速度,m/s;v1為碰撞后滑塊輪廓的瞬間速度,m/s;Ek為碰撞破碎動能,J。

滑塊失穩下滑時破碎能占比隨著相對破碎率增加而增加,破碎耗能與相對破碎率之間存在著線性關系,如圖9所示。在一次完整的運動中破碎耗動能占總勢能的比例越大,其破碎程度越高,粒徑累積曲線趨于平緩,相對破碎率越大。這說明在實際滑坡中若因為地形因素引起的動能變化,相對應的也會形成較大的破碎能和相對破碎率。Blasio等[14]提到隨著滑面角度增加,存在一個臨界滑面角度使得動量提升明顯,在這個角度之上,使其增加運動距離的水平動量提升5%～10%,從而影響堆積物的破碎特征和最遠運動距離。當然這個臨界值目前還是難以確定的,并且目前的研究也大多是根據數值計算結果來分析推測的。

圖9 Ek/Ep～Br的線Fig.9 Relation curve of Ek/Ep～Br

3 討 論

本文研究對象主要是常見的前緣開闊平面撒開型滑坡。根據各類地貌的空間分布特征,可將滑坡區自后向前劃分為物源區、流通區和堆積區[21]。當物源區巖體發育有優勢結構面時,其沿不同方向切割,在滑坡失穩破碎過程中可能會引起不同的破碎特征和運動距離。破碎在滑坡的運動過程中是普遍存在的現象,之前的相關研究都表明了破碎會增加滑坡堆積體的最遠運動距離。本次斜槽物理模型試驗主要考慮了水平向、豎向、橫向節理以及組合型節理分割滑塊后,不同組合對滑塊失穩-堆積過程的影響。

圖10 本文試驗結果與Bowman試驗及實際滑坡對比的曲線Fig.10 curve in this paper compared with Bowman′s test and actual landslides

斜槽試驗中當滑塊具有類似的節理切割方式時,其最遠運動距離隨著相對破碎率的增大而增大,并且對于真實滑坡也具有類似規律。說明無論是在室內小尺寸的斜槽試驗中還是實際的大體積滑坡中,都具有最遠運動距離隨相對破碎率的增加而增加的趨勢。Bowman 試驗中得到的標準化最遠運動距離要比斜槽試驗中小得多,這是由于他的試驗是在土工離心機中進行的,傾斜段長度要小于斜槽試驗,同時傾斜段和堆積區域采用的是中等粗糙的砂紙,摩擦力較大,摩擦耗能增多,導致最終的運動距離要遠小于斜槽試驗。

4 結 論

通過開展斜槽試驗研究了不同節理組合的試塊在自重作用下失穩下滑的破碎特征和運動距離。利用布設的高速攝像機和人工測量的方法對不同組合滑塊的破碎過程和特征進行研究,得到以下主要結論:

(1) 通過圖像數據分析滑塊破碎的完整過程,發現與底板發生的劇烈撞擊在滑塊破碎解體中起主導作用,而滑塊間的碰撞則次之。根據滑塊的接觸破碎方式提出了三種破碎模式:撞擊破碎、二次碰撞破碎、滑動摩擦破碎。

(2) 滑塊破碎在高速遠程滑坡碎屑化運動中起關鍵作用,巖塊結構控制著滑體的變形、破壞特征和運動距離,對于不同節理條件下的巖塊更是如此。在兩滑塊條件中,發現滑塊失穩下滑時產生的破碎效果和運動距離排序為:豎向(T3)>橫向(T4)>水平向(T2);在4滑塊條件組合型節理則為:水平向+豎向(T6)>豎向+橫向(T5)>水平向+橫向(T7)。說明豎向節理的存在有助于滑塊的破碎和運動距離的增加,但隨著節理面的切割程度增加,滑塊在失穩下滑過程中破碎率和運動距離會相對減小。