顆粒級配與場地條件對滑坡運動特征的影響模型試驗研究

冷曉玉，樊曉一

（西南科技大學土木工程與建筑學院，四川綿陽　621010）

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顆粒級配與場地條件對滑坡運動特征的影響模型試驗研究

冷曉玉，樊曉一

（西南科技大學土木工程與建筑學院，四川綿陽621010）

摘要本文運用滑坡模型試驗研究了不同坡角和顆粒級配對滑坡運動的影響機制。試驗結果表明：坡角對滑坡前緣具有顯著的阻止作用，坡角越大，坡腳前后的速度差越大，能量損失越大；滑坡運動到坡腳后，呈現出持速運動特征，持速階段的運動距離隨坡角的增加而增加，但其平均運動速度則在坡角45°時達到最大值；滑坡運動過程分為明顯的加速運動、持速運動和耗散減速運動3個階段；在同一坡角條件下，中值粒徑越大的巖土體經過坡腳作用后，阻止效應越不敏感，能量損失越少，能量傳遞的有效性越大，持速運動的距離越大。

關鍵詞顆粒級配；場地條件；運動參數；滑坡

滑坡運動受多方面因素的影響。雖然已有的資料表明滑坡的運動受控于體積和高差所確定的總能量的大小。然而，對于總能量近似相等的個體滑坡而言，其運動結果可能有較大的差異。因此，國內外學者通過理論分析、模型試驗、數值模擬等方法對滑坡做了大量研究。樊曉一等［1］對滑坡的等價摩擦系數、最大水平運動距離、最大垂直運動距離與滑坡體積的關系進行了分析，認為滑坡的運程不僅受體積的控制還與其誘發(fā)機制有關。潘歡迎等［2］通過物理模型試驗測試了在不同滑體結構、坡角和初始速度組合下滑坡的運動過程，并分析了其基本規(guī)律。杜鵑等［3］考慮滑坡-碎屑流運動過程中滑體下表面的侵蝕作用和摩擦阻力變化，建立了基于有限積分法的計算模型。曾耀勛等［4］研究了坡腳及下墊面對滑體運動的減速機制。魯曉兵等［5］重點考察了床面摩擦系數、土體內摩擦角、初始運動速度和坡角等因素對碎屑流運動形態(tài)的影響。郝明輝等［6］通過開展室內模型試驗，研究了碎屑粒徑、滑床糙率和挑坎對運動特性的影響。張龍等［7］采用PFC3D模擬雞尾山滑坡在不同坡面摩擦系數和滑體粘結強度下的運動特征。Zhou等［8］運用離散元程序，研究不同的力學參數、滑坡體體積、地形條件對滑坡運動過程的影響。

這些研究或注重于滑坡啟動機理的研究，或關注滑體本身運動特征的研究，或針對滑坡運動的規(guī)模效應研究，忽略或簡化了場地條件對滑坡運動特征的影響，與實際的滑坡運動規(guī)律存在著較大的差異。然而滑坡失穩(wěn)后的運動特征不僅受滑坡誘發(fā)機制、總能量的控制，還與場地條件有關，而滑坡運動特征又是滑坡災害評估及防治的決定性因素［9-10］。因此，研究顆粒級配、場地條件對滑坡運動特征的作用機制，能夠為滑坡的規(guī)劃防治工作提供重要的理論依據。

1　滑坡物理模型試驗

1. 1試驗裝置

模型裝置主要由砂箱、滑道和支架3部分組成。砂箱是裝載滑體的容器，砂箱前端設有擋板控制滑坡的啟動，滑道是試驗中滑體運動的主要場所。為便于滑坡運動速度的監(jiān)測和計算，在滑道每隔10 cm劃線標記。采用數碼相機對試驗中滑坡的運動停積過程進行拍攝，如圖1?；履Ｐ脱b置示意如圖2。

圖1　數碼相機布置示意

圖2　滑坡模型裝置示意

1. 2試驗材料及內容

在對典型滑坡堆積物現場調查的基礎上，選擇較為典型的高速滑坡體的顆粒粒組，同時考慮到試驗儀器對于巖土體顆粒粒徑d的限制條件（d≤60 mm），選擇顆粒粒徑范圍為0. 25～50 mm，設計出如表1所示的3種巖土樣，級配曲線如圖3。配制好的巖土樣如圖4所示。

表1　巖土樣級配組成

圖3　巖土樣級配曲線

圖4　配制好的巖土樣

坡腳型滑坡示意如圖5。針對坡腳型滑坡不同滑體規(guī)模（0. 05，0. 10，0. 15，0. 20 m3）、不同顆粒級配（M1～M3）以及滑體在不同坡角α（α= 35°，45°和56°）下的運動性試驗，研究滑坡規(guī)模、巖土體類型與場地條件的耦合作用對滑坡運動特征的影響。

圖5　坡腳型滑坡示意

2　滑坡運動特征分析

2. 1坡角對滑坡運動特征的影響

碎石土滑坡在不同滑體體積下的速度分布曲線見圖6?？梢钥闯龌碌倪\動階段基本一致，即滑坡失穩(wěn)后，在斜坡面迅速加速下滑，到達坡腳處時，滑體前緣速度達到最大。同一坡角的最大速度受滑體體積的影響很小，峰值速度基本一致，坡角56°時滑坡前緣最大速度接近6 m/s，坡角45°時滑坡前緣最大速度接近5. 5 m/s，而坡角35°時滑坡前緣最大速度為5 m/s，可見隨著坡角的減小滑坡前緣能達到的最大速度減小。這是因為隨著坡角的減小，斜坡坡長增加，在斜坡上受摩擦所損耗的能量也隨之增加，致使滑體到達坡腳處的最大速度減小。

滑體體積為0. 15 m3的巖質滑坡在不同坡角下的速度分布曲線見圖7。從圖可見，經過坡腳作用后坡角45°時速度波動幅度和持續(xù)時間最大，由此引起的碰撞和能量傳遞最為劇烈。滑體前緣啟動后加速下滑至坡腳，經過坡腳作用后速度突變，開始驟減，接著會出現一定程度的速度回彈。其原因是后緣滑體給前緣滑體傳遞能量，使得速度得到部分恢復。隨著滑體繼續(xù)運動，滑體中部經過坡腳作用，中部滑體對前緣滑體的能量傳遞作用大大減弱，前緣滑體的速度則出現再次下降。后部滑體繼續(xù)運動傳遞能量給中部，依次傳遞，故而前緣滑體的速度又出現上升。整個過程中發(fā)現中部速度劇減的時刻點恰好也是前部速度增加的時刻點，同時后部速度劇減點也恰好是中部速度呈持速運動的起始點，很好地驗證了本文在進行滑坡試驗分析中提出的能量傳遞規(guī)律。而碰撞引起的能量傳遞，使得前緣滑體接受到的能量與受摩擦損耗的能量基本一致，這是造成明顯持速運動的主要原因。

分析速度峰值至最后靜止這一段，發(fā)現坡角45°時水平運動距離達到極大值。這是因為坡角由56°改變至45°時，滑坡體在遭遇坡腳后，內部碰撞機會增多，撞擊導致能量傳遞，后方滑體將能量不斷傳遞給前緣滑體，致使滑坡前緣速度上下波動呈現出明顯的持速特征。在運動過程中滑坡體之間的能量傳遞越為持久，持速特征表現得越加明顯，滑坡所能達到的水平運動距離也就越大。當坡角由45°減小至35°時，碰撞機會增多的同時也會導致碰撞耗能增加，滑坡體在碰撞過程中因碰撞產生的能量損耗遠大于其通過碰撞傳遞的能量，能量逐步耗散直至最終堆積于水平基底。同時，坡角的變小造成由規(guī)模效應引起的速度波動并不顯著，即規(guī)模越大，坡腳后產生的速度差越小，持速階段越不明顯，水平運動距離越近。

2. 2滑體粒徑級配和規(guī)模對滑坡運動特征的影響

根據滑坡前緣沿水平運動距離的速度分布曲線（圖6），可以將整個滑坡運動過程分為啟動加速、持速以及耗散減速3個階段。啟動加速階段：滑坡體啟動后，在斜坡坡面上加速下滑。持速階段：滑體前緣經過坡腳位置后受到坡腳的約束阻擋作用，速度急劇減小又受到后緣滑體的碰撞，將能量繼續(xù)傳遞，使前緣運動速度增加，并持續(xù)上下波動震蕩。耗散減速階段：滑體動能耗盡，停積在水平基底上。

坡角35°時不同巖土質滑坡的速度分布曲線見圖8?？梢杂^察到：在持速運動階段的速度波動區(qū)間，速度劇減后再次達到的速度往往為后續(xù)階段的最大值。這是因為此時受坡腳場地條件的約束，滑坡體內部的速度差達到最大，致使內部碰撞越加劇，滑坡前緣獲得的能量也越多。同時可以得到在同等條件下，滑坡體碰撞導致的能量損耗從大到小為土質滑坡＞碎石土滑坡＞巖質滑坡，這也是在高速遠程滑坡-碎屑流中巖質滑坡居多的原因之一［11］。

圖6　碎石土滑坡在不同滑體體積下的速度分布曲線

圖7　巖質滑坡在不同坡角下的速度分布曲線

另外，在同一坡角條件下滑坡規(guī)模的改變也造成滑坡前緣在持速平衡階段初始速度峰值有所不同?？偟膩碚f，規(guī)模越大，在同一時間運動到坡腳處的滑體量越多，滑坡前緣在持速階段的初始速度峰值也越大，導致滑體內部碰撞越為頻繁，前緣受到的碰撞傳遞能量也就越有效。由圖8還可以看出：在同一坡度條件下，滑坡水平運動距離的遠近取決于持速階段水平運動距離的大小。

2. 3滑坡運動距離與粒徑和規(guī)模的關系

不同巖土質滑坡運動距離與規(guī)模的關系擬合曲線見圖9?？梢钥闯霾煌瑤r土質滑坡規(guī)模與運動距離均呈冪指數關系，表達式為L = kVb（k為比例系數，b為指數因子），這符合滑坡運動的規(guī)模效應，即滑坡的規(guī)模越大，滑坡的運動距離越遠。同時發(fā)現：當斜坡坡角a為35°時，b值的取值范圍為0. 044 7～0. 071 1；當a 為45°時，b值的取值范圍為0. 071 8～0. 099 2；而當a 為56°時，b值的取值范圍為0. 084 5～0. 135 1。表明隨著坡角的增加，滑坡規(guī)模對運動距離的影響十分顯著。坡度越大，運動距離隨滑坡規(guī)模的增大增加得越明顯。

圖8　坡角35°時不同巖土質滑坡的速度分布曲線

由圖9還可以看出：巖土質滑坡運動距離與規(guī)模的關系擬合曲線反映出的規(guī)律變化極為符合滑坡的規(guī)模效應，但不同土體的相關系數有差異，說明滑坡體組成對運動特征也有一定的影響。相對而言，巖質滑坡以滾動為主，運動過程的摩擦系數較低；土質滑坡則主要以滑動為主，運動過程的摩擦系數較高；而碎石土滑坡則包含了在滑體上部的粗骨料滾動運動和滑體下部的細顆?；瑒舆\動兩種運動方式，下部的細顆粒在滑道摩擦力的作用下運動較緩慢，這對上部的粗顆粒的運動產生一定的牽制。

圖9　不同巖土質滑坡運動距離與規(guī)模的關系擬合曲線

不同顆粒組成的滑坡隨坡角變化，b值也在發(fā)生變化。土質滑坡時，b值的取值范圍為0. 044 7～0. 135 1；碎石土滑坡時，b值的取值范圍為0. 059 4～0. 125 7；巖質滑坡時，b值的取值范圍為0. 071 1～0. 084 5。表明隨著粒徑的減小，滑坡規(guī)模對運動距離的影響隨坡度的改變更為敏感，這一結果也能從一定程度上解釋土質滑坡的受災范圍與規(guī)模和傾角的關系尤為密切。對于巖質滑坡，滑坡規(guī)模對運動距離的影響隨坡度的改變雖不敏感，但運動距離較碎石土滑坡和土質滑坡遠。

3　結論

1）通過室內滑坡模型試驗驗證了滑坡在運動過程中，坡體內部之間相互碰撞產生能量傳遞現象，后部滑體通過撞擊把能量傳遞給前緣滑體，自身失去能量而堆積于坡腳附近，而滑坡前緣受后部滑體撞擊傳遞能量，導致其運動的距離較遠。

2）對于坡腳型滑坡，滑坡體經過坡腳作用后持速階段的歷時長短是滑坡前緣運動距離遠近的關鍵。在總能量一定的情況下，滑坡體經過45°的坡腳作用后，內部碰撞機會較35°，56°多，在運動過程中滑體之間的能量傳遞較持久，持速特征最明顯，由此導致滑坡速度高峰后的運動距離最遠。

3）隨著坡角的增加，滑體受坡腳約束耗損的能量增加，導致滑體運程減小。但同時由于豎向速度增強，滑體撞擊坡腳時產生的反作用力增大致使滑體迅速解體，內部碰撞加劇，引起能量傳遞集中，導致顆粒最大運動距離增加，這也是滑坡撞擊解體呈碎屑流運動往往導致超長運程的原因。

參考文獻

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（責任審編葛全紅）

Model Test Study on Influence of Gradation and Field Condition on Landslide Characteristics

LENG Xiaoyu，FAN Xiaoyi
（School of Civil Engineering and Architecture，Southwest University of Science and Technology，Mianyang Sichuan 621010，China）

AbstractIn this paper，the influences of slope and gradation on landslide movement were analyzed based on model test. T he test results show that the slope angle of landslide has an significant effect on the front edge of landslide. Larger slope angle leads to larger velocity difference before and behind the toe，and larger energy loss. T he velocity stays at a level while the landslide moves to the toe. T he distance at this stage increases with the slope angle，while the average velocity reaches its maximum at 45°slope angle. T he entire landslide includes three stages：accelerated movement，constant-speed movement and decelerated movement. Under the condition of the same angle，if the median diameter of grain is larger，the prevention from the toe and the loss of energy will be less，energy transfer will be more effective and the distance of constant-speed movement will be longer.

Key wordsGradation；Field condition；M ovement parameter；Landslide

中圖分類號P642

文獻標識碼A

DOI：10. 3969 /j. issn. 1003-1995. 2016. 05. 31

文章編號：1003-1995（2016）05-0139-05

收稿日期：2016-01-10；修回日期：2016-03-20

基金項目：西南科技大學研究生創(chuàng)新基金（15ycx103）

作者簡介：冷曉玉（1989—），女，碩士研究生。