河谷寬度對(duì)高速遠(yuǎn)程滑坡碎屑化運(yùn)動(dòng)影響機(jī)制研究

【摘 要】基于物理模型實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬對(duì)不同河谷寬度條件下滑坡的運(yùn)動(dòng)破碎特征、速度特征與堆積結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行研究。該成果為致災(zāi)范圍研究提供了一種新思路，有利于防災(zāi)減災(zāi)的開(kāi)展。

【關(guān)鍵詞】高速遠(yuǎn)程滑坡；碎屑化運(yùn)動(dòng)；河谷寬度

【中圖分類(lèi)號(hào)】P642.22【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A

0 引言

高速遠(yuǎn)程滑坡［1］是大規(guī)模基巖失穩(wěn)后快速或極快速的以碎屑流形式進(jìn)行似流體、遠(yuǎn)距離運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象，主要集中在高山峽谷地帶，滑體方量多達(dá)數(shù)百萬(wàn)方以上［2-6］，巨大的能量使得滑坡多堆積于河谷甚至爬升至對(duì)面山坡形成滑坡壩和堰塞湖，經(jīng)地震或大規(guī)模降雨極易失穩(wěn)造成壩體潰決、洪水泛濫，引發(fā)次生災(zāi)害。高速遠(yuǎn)程滑坡的方量、溝道條件和溝道流量的變化形成不同規(guī)模滑坡壩［7-8］，從而形成不同滑坡壩破壞模式與潰決模式［9-11］。Stefanelli等［12］在對(duì)300個(gè)滑坡分析基礎(chǔ)上提出兩個(gè)指數(shù)為滑坡壩形成提供可靠預(yù)測(cè)。年廷凱等［13］開(kāi)展室內(nèi)物理實(shí)驗(yàn)?zāi)M溝谷不同截面形狀來(lái)研究滑坡壩穩(wěn)定性。鄧明楓等［14］以茂縣宗渠堰塞壩為原型，通過(guò)漫頂潰決模型實(shí)驗(yàn)研究壩體組成結(jié)構(gòu)對(duì)潰決速率和潰口形式的影響機(jī)制，分析壩體密度和級(jí)配特征對(duì)潰決過(guò)程的動(dòng)力學(xué)作用。

雖然過(guò)往研究已經(jīng)取得豐碩成果，但在高山峽谷地區(qū)河谷寬度作為滑坡碎屑化運(yùn)動(dòng)過(guò)程的重要影響因素未得到系統(tǒng)研究與理論總結(jié)。本文以高速遠(yuǎn)程滑坡為研究對(duì)象，基于滑坡物理模型實(shí)驗(yàn)和離散元數(shù)值模擬開(kāi)展不同河谷寬度對(duì)滑坡碎屑化運(yùn)動(dòng)的影響機(jī)制研究，為防災(zāi)減災(zāi)提供參考。

1 研究方法

1.1 物理模型實(shí)驗(yàn)

1.1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

本文實(shí)驗(yàn)裝置由斜槽、水平槽以及前緣阻擋結(jié)構(gòu)組成，如圖1所示。斜槽和水平槽固定連接置于鋼架上，斜槽坡度45°，長(zhǎng)寬2.4 m×0.1 m，水平槽尺寸2.4 m×0.1 m。斜槽的最外端至0.4 m范圍為物源區(qū)，用于相似塊體的堆積釋放。前緣阻擋結(jié)構(gòu)由G型夾穩(wěn)固安裝在側(cè)板上，呈15°角狀結(jié)構(gòu)。監(jiān)測(cè)裝置由一臺(tái)高速相機(jī)、一臺(tái)高清攝像機(jī)和一組傳感器組件組成進(jìn)行監(jiān)測(cè)與數(shù)據(jù)采集。

1.1.2 實(shí)驗(yàn)材料

本文按一定比例（表1）配置相似材料，尺寸0.05 m×0.05 m×0.02 m。相似材料的力學(xué)參數(shù)由單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)測(cè)得，得到單軸抗壓強(qiáng)度0.281 MPa，彈性模量0.035 7 GPa，泊松比0.11。

1.1.3 實(shí)驗(yàn)方案

本文物理模型實(shí)驗(yàn)部分主要考慮不同河谷寬度（即前緣阻擋結(jié)構(gòu)距轉(zhuǎn)折端的距離）對(duì)滑體運(yùn)動(dòng)堆積特征的影響，因此設(shè)置5個(gè)工況，具體參數(shù)設(shè)置見(jiàn)表2。

1.2 離散元數(shù)值模擬

本文離散元數(shù)值模型還原物理模型尺寸，設(shè)置斜槽和水平槽兩部分，長(zhǎng)度均為2.4 m，槽寬0.1 m，槽深0.23 m，斜槽坡度45°，采用落雨法生成模型物料顆粒。設(shè)置節(jié)理層間顆粒膠結(jié)強(qiáng)度值為零來(lái)實(shí)現(xiàn)物理模型實(shí)驗(yàn)中節(jié)理結(jié)構(gòu)巖體的堆疊形式，設(shè)置節(jié)理面之間顆粒數(shù)量是構(gòu)成節(jié)理顆粒數(shù)的5倍及以上來(lái)降低尺寸效應(yīng)。前緣阻擋結(jié)構(gòu)采用分段式建墻的方法以剛性體在指定位置生成位移邊界條件來(lái)實(shí)現(xiàn)。

2 結(jié)果

2.1 滑坡運(yùn)動(dòng)破碎特征分析

為充分了解塊體破碎演變以及速度變化，通過(guò)高速攝影圖像對(duì)滑坡在水平段運(yùn)動(dòng)停積過(guò)程逐幀分析以獲取運(yùn)動(dòng)學(xué)特征。

圖2為工況1的系列高速攝影圖像，以塊體到達(dá)轉(zhuǎn)折端前一幀為初始時(shí)刻t=0.0 s。滑塊在轉(zhuǎn)折端處（t=0.0 s）呈現(xiàn)不同堆疊形式且存在分離，撞擊水平槽時(shí)發(fā)生破碎：完整塊體在t=0.142 35 s時(shí)從塊體中部破碎并向四周碎裂開(kāi)來(lái)，上部塊體被迫向上彈起，塊體之間空隙增大，整體密實(shí)度減小。塊體撞擊破碎在前端產(chǎn)生的明顯飛霧是一種明顯的氣浪現(xiàn)象。當(dāng)大部分塊體沖擊水平槽時(shí)（t=0.302 35 s）產(chǎn)生第二次氣浪現(xiàn)象。

在塊體撞擊水平槽以及前后部塊體由于速度差異產(chǎn)生的撞擊、塊體與槽面摩擦后，滑體已經(jīng)有了較大程度的破碎。在t=0.34 s時(shí)，可以觀察到碎屑顆粒沖擊至水平槽側(cè)壁，且在此后的0.30 s內(nèi)未掉落，說(shuō)明塊體破碎賦予了碎屑顆粒極大的能量，使得破碎后的碎屑顆粒能向四周遠(yuǎn)距離飛躍。對(duì)比模型實(shí)驗(yàn)工況1，數(shù)值模擬也呈現(xiàn)出類(lèi)似的運(yùn)動(dòng)破碎現(xiàn)象，如圖3所示。

圖4為工況1物理模型實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬的運(yùn)動(dòng)破碎過(guò)程對(duì)比圖。運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的解體、氣浪、架空現(xiàn)象在物理模型實(shí)驗(yàn)高速影像和數(shù)值模擬過(guò)程圖中都可以觀察到，反映了數(shù)值模型在描述塊體運(yùn)動(dòng)及破碎過(guò)程中具有很好的準(zhǔn)確性。

2.2 滑坡速度特征分析

除了對(duì)高速相機(jī)影像直接進(jìn)行分析外，還對(duì)系列影像進(jìn)行處理，得到不同工況下運(yùn)動(dòng)速度的變化趨勢(shì)，如圖5所示。從圖中可以看出速度整體分布趨勢(shì)是上層塊體速度略大于底層塊體，斜槽段塊體速度略大于水平槽段塊體速度。從云圖和矢量圖中也可以明顯看出，塊體間存在速度差異時(shí)產(chǎn)生的霧狀飛濺顆粒也有不小的速度，約3.5 m/s左右，且存在一定的覆蓋范圍。隨著河谷寬度不斷增大，可以看出塊體爬上阻擋結(jié)構(gòu)的速度也在降低，并且產(chǎn)生的霧狀飛濺顆粒的速度也在降低。

圖6為工況1在不同時(shí)刻下數(shù)值模擬的滑塊運(yùn)動(dòng)速度圖。t=0.985 s時(shí)塊體前后部產(chǎn)生較為顯著的速度差異；塊體前部撞擊底板后迅速產(chǎn)生較大程度的破碎，前部塊體整體速度驟降，但角塊顆粒速度有所增加。t=0.106 s時(shí)前部塊體底部已經(jīng)因碰撞損失大量動(dòng)能，速度驟降至1 m/s以下。t=1.1 s時(shí)后部塊體高速跟進(jìn)與前部塊體發(fā)生劇烈碰撞，產(chǎn)生顯著的能量傳遞使前部塊體速度驟增至1.25 m/s，而后部塊體在短時(shí)間內(nèi)迅速停積，在t=1.19 s時(shí)幾乎就停止了運(yùn)動(dòng)，中后部分依次停積。從放大圖中可以明顯看出，運(yùn)動(dòng)過(guò)程中不同位置的塊體有較為明顯的速度差異，整體呈現(xiàn)前部、上部速度較快，后部、下部速度較慢的規(guī)律。

2.3 滑坡堆積結(jié)構(gòu)特征分析

滑坡堆積結(jié)構(gòu)特征是滑坡碎屑化運(yùn)動(dòng)的結(jié)果，也從側(cè)面反映了滑坡的運(yùn)動(dòng)特征。圖7為模型實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬的堆積體對(duì)比圖，三角形標(biāo)注的為質(zhì)心運(yùn)動(dòng)距離，五角星標(biāo)注為標(biāo)準(zhǔn)化最遠(yuǎn)運(yùn)動(dòng)距離。從圖中可以看出，不同工況下物理模型實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬結(jié)果在質(zhì)心運(yùn)動(dòng)距離的變化趨勢(shì)方面保持高度一致性，標(biāo)準(zhǔn)化運(yùn)動(dòng)距離雖保持增加趨勢(shì)但存在一定誤差，這可能是因?yàn)閴K體在物理模型實(shí)驗(yàn)中運(yùn)動(dòng)至最遠(yuǎn)運(yùn)動(dòng)距離后由于破碎程度增加而與槽底的摩擦作用減小后在重力作用下發(fā)生持續(xù)滑動(dòng)從而產(chǎn)生差異。

圖8為滑坡壩堆積體側(cè)視對(duì)比圖。從圖中可以看出，各工況均排列規(guī)律，隨著河谷寬度增加滑坡堆積厚度逐漸降低，架空現(xiàn)象逐漸明顯，堆積體密實(shí)度也逐漸降低。從爬高的角度來(lái)看，模型實(shí)驗(yàn)中河谷越寬，塊體的爬高能力越差，且在前緣阻擋結(jié)構(gòu)上的堆積范圍越小，這是因?yàn)閴K體在爬上前緣阻擋結(jié)構(gòu)之前經(jīng)過(guò)的水平段距離越長(zhǎng)，動(dòng)能消耗越大，爬坡能力就越差，因此爬坡高度就越低。而在數(shù)值模擬中，滑坡運(yùn)動(dòng)距離較遠(yuǎn)且呈離散形態(tài)堆積，這是因?yàn)閴K體破碎程度較高時(shí)不會(huì)呈現(xiàn)出模型實(shí)驗(yàn)中的粉末或粉塵，而是解體破碎成較小顆粒以滾動(dòng)形式為主要運(yùn)動(dòng)方式，區(qū)別于模型實(shí)驗(yàn)中以滑動(dòng)為主的運(yùn)動(dòng)方式。

3 討論

本節(jié)分別對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，得到各工況運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)和相對(duì)破碎率的對(duì)比圖，如圖9所示。整體而言，各參數(shù)之間保持高度一致的規(guī)律性，并且標(biāo)準(zhǔn)化參數(shù)值之間差值較小。

對(duì)比分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)：河谷寬度越大，標(biāo)準(zhǔn)化最遠(yuǎn)爬高距離越短、標(biāo)準(zhǔn)化質(zhì)心高度越低、標(biāo)準(zhǔn)化最遠(yuǎn)運(yùn)動(dòng)距離越遠(yuǎn)、標(biāo)準(zhǔn)化最遠(yuǎn)爬高距離越短、標(biāo)準(zhǔn)化爬高展布面積越小、破碎率越小。原因在于：滑塊在河谷寬度較大的工況中，有更充分的時(shí)間在水平槽段運(yùn)動(dòng)，在這期間不斷發(fā)生摩擦耗能，因此會(huì)攜帶更少能量爬上前緣阻擋結(jié)構(gòu)，經(jīng)過(guò)短暫運(yùn)動(dòng)就完成停積，導(dǎo)致其標(biāo)準(zhǔn)化最遠(yuǎn)爬高距離較小，塊體也就有更小的標(biāo)準(zhǔn)化爬高展布面積，即河谷寬度與標(biāo)準(zhǔn)化質(zhì)心運(yùn)動(dòng)距離、標(biāo)準(zhǔn)化最遠(yuǎn)運(yùn)動(dòng)距離呈正相關(guān)，與其他運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)和破碎率呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。

就相對(duì)破碎率而言，物理模型實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬表現(xiàn)出相同的規(guī)律，但是從數(shù)值來(lái)看，數(shù)值模擬中的相對(duì)破碎率值明顯高于實(shí)驗(yàn)值，主要有兩方面原因：其一是由于顆粒數(shù)量的限制導(dǎo)致發(fā)生破碎后數(shù)值模擬對(duì)于破碎的表現(xiàn)相較于實(shí)驗(yàn)略顯粗糙，破碎后的顆粒無(wú)法進(jìn)一步破碎，大大提升了堆積體的相對(duì)破碎率；另一方面，離散元程序采用的是剛性顆粒集合體來(lái)進(jìn)行建模和運(yùn)算，以彈性行為為主，對(duì)于實(shí)驗(yàn)中因劇烈碰撞而發(fā)生塑性變形的現(xiàn)象無(wú)法較好還原，也就導(dǎo)致塊體在碰撞過(guò)程中受到相對(duì)較大的沖擊力，黏結(jié)鍵處產(chǎn)生較大局部應(yīng)力，黏結(jié)鍵斷裂較多，堆積體相對(duì)破碎率增大。

綜上所述，離散元數(shù)值模擬在模擬物理模型實(shí)驗(yàn)中具有較好的表現(xiàn)，但是受限于顆粒數(shù)目和顆粒單元的剛性特征，模型對(duì)于塊體受強(qiáng)沖擊力下的塑性應(yīng)變和相對(duì)破碎率這方面的再現(xiàn)存在一定局限性。

4 結(jié)論

（1）通過(guò)對(duì)物理模型實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬結(jié)果的分析討論，揭示了河谷寬度越大，滑坡的標(biāo)準(zhǔn)化質(zhì)心運(yùn)動(dòng)距離、標(biāo)準(zhǔn)化最遠(yuǎn)運(yùn)動(dòng)距離呈上升趨勢(shì)，堆積體的標(biāo)準(zhǔn)化質(zhì)心高度、標(biāo)準(zhǔn)化爬高距離和標(biāo)準(zhǔn)化爬高展布面積呈下降趨勢(shì)的規(guī)律。

（2）對(duì)比數(shù)值模擬結(jié)果與物理模型實(shí)驗(yàn)中的運(yùn)動(dòng)破碎特征、速度特征和堆積特征結(jié)果，發(fā)現(xiàn)數(shù)值模擬可以很好地再現(xiàn)物理模型實(shí)驗(yàn)，并且對(duì)于氣浪現(xiàn)象、抑阻隆起現(xiàn)象、后部塊體反方向坐落停積和堆積體中的架空現(xiàn)象等都可以很好地還原。在運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)方面，數(shù)值模擬能夠很好地反映出實(shí)驗(yàn)結(jié)果的變化趨勢(shì)，且差值較小，精度較高。

（3）分析了離散元數(shù)值模擬在研究高速遠(yuǎn)程滑坡碎屑化運(yùn)動(dòng)中具備的適用性和存在的局限性。

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［基金項(xiàng)目］川藏鐵路重大基礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)題專(zhuān)項(xiàng)（項(xiàng)目編號(hào)：41941017）

［作者簡(jiǎn)介］蘇婕（1998—），女，碩士，主要從事高速遠(yuǎn)程滑坡研究工作。