基于物理模型实验的高速远程滑坡碎屑流堆积特征分析

任雨欣 喻志鹏

高速远程滑坡往往具有强烈的灾害性，对人类的生命财产安全产生极大的威胁，其成因机理和运动机理研究一直是国内外滑坡地质灾害学者研究的热点问题。介绍斜槽物理模型实验，通过在运动区及停积区底面铺设不同覆盖材料以实现不同的停积条件，对不同停积条件下颗粒流堆积特征进行分析。实验结果表明：颗粒流堆积体表面可见横向脊、侧缘堤展布，堆积体内部有推挤褶皱出现，停积条件对堆积体的表面特征和内部特征均有影响，堆积体的形态特征与堆积体内部颗粒的剪切作用有关。

高速远程滑坡；

物理模型实验；

颗粒流；

堆积特征；

停积条件

P642.22 A

［定稿日期］2022-02-04

［作者简介］任雨欣（1997—），女，硕士，研究方向为高速远程滑坡运动机理；
喻志鹏（1996—），男，硕士，研究方向为环境工程地质、岩土施工技术。

高速远程滑坡具有巨大的体积、极快的运动速度、超长的运动距离、多样的运动形式、强大的能量和异常高的流动性，是一种十分严重的地质灾害，常造成巨大的社会危害［1-3］。高速远程滑坡的滑体在下滑过程中破碎分解为大小不同的碎屑颗粒，形成碎屑流并高速运动，主要运动形式为流态化运动［4］。流态化运动主要反映在堆积体表面和剖面上，表面上有堆积脊、堆积丘等特征；
剖面上主要有推挤褶皱、断层、层序保留、反粒序等特征［5-7］。

高速远程滑坡动力学过程研究中，物理模型实验发挥重要作用，通过简化的工程地质模型，实现可控的实验条件，从而用于研究不同因素对滑坡运动及堆积特征的影响规律。Manzella 等［8］设计斜板试验装置，研究分析不同条件下的碎屑流的运动特征。王畯才等［9］利用室内物理模型试验，模拟了滑坡碎屑流的滑动和堆积过程，对滑坡碎屑流堆积物的分布规律进行了分析。

颗粒材料会在一定条件下呈现出类似于流体的流动行为。因此，已有研究中常用颗粒材料模拟碎屑流的运动过程［4］。本文通过设计物理模型试验，在运动区及停积区底面设置不同覆盖材料以实现不同的停积条件，对各工况下的颗粒流堆积体特征进行研究，研究结果对揭示高速远程滑坡远程运动机理和高速远程滑坡野外考察具有重要指导作用。

1 实验方法

1.1 模型试验装置设计

本研究选择施加侧向约束的斜槽实验装置，如图1所示。其中，供料区模拟滑坡源区，斜槽模拟运动区，水平堆积槽模拟停积区。

模型槽尺寸如图1所示。模型槽侧板与底板均采用亚克力材料制作，斜槽与水平堆积槽通过活动铰链连接，斜槽倾角设置为40°。供料区采用竖直挡板，通过旋转式开关释放物料。

1.2 实验材料及工况设计

依据高速远程滑坡碎屑流的特征，碎屑流堆积体颗粒多为粒径不一的棱角状。在物理模型实验中，相似材料往往采用不规则形态的岩石矿物颗粒，使实验中的颗粒流的运动特征、物理力学性质更贴近原型滑坡。实验采用0.5～1 mm粒径的石英砂颗粒，其密度较为贴近自然界一般脆性岩石材料且物理化学性质相对稳定，并用丙烯颜料对石英砂进行染色。实验中将源区颗粒按体积平均分成上、中、下3层，每层使用颜色不同的石英砂颗粒，每次实验颗粒总量为5 L，每层体积为1.67 L。填料时分层填入，待一层颗粒抹至水平后再填入上层颗粒。

本实验针对不同停积条件对颗粒流堆积特征的影响进行研究。设置竖直挡板并添加旋转式开关以模拟滑坡-碎屑流失稳条件，通过在运动区及停积区底面铺设不同覆盖材料以实现不同的停积条件。共设计4个实验工况，如表1所示。

1.3 实验数据监测

实验数据监测方法如表2所示。

2 实验结果分析

2.1 堆积体表面特征分析

根据图2所示，4种工况下颗粒流堆积体均呈舌形，表面有下层颗粒出露。A1、A2和A3工况颗粒流堆积体表面特征较为相似，中下层颗粒呈朝向堆积体前缘的弧形出露，随着停积区粗糙度增大，堆积体表面中层颗粒弧形出露增多，且颗粒流堆积体表面颗粒混合程度增大。A4工况表面颗粒混合度较大，上层颗粒在斜槽与水平堆积槽链接处出现脱节。A1工况堆积体两侧有下层颗粒出露。

根据倾斜摄影测量法的计算结果，使用Matlab生成堆积体高程图，堆积体的表面地貌形态特征如图3所示。A1、A2和A3工况堆积体表面均发育较为明显的横向脊，主要展布在堆积体中后部，A4工况表面平滑无横向脊发育。A1、A2和A3工况下随着停积区粗糙度增大，堆积体高程增大，堆积体分布范围减小，横向脊展布增多且间距变小。在A1工况下堆积体前缘两侧有侧缘堤展布，A3工况堆积体后缘有一条规模较大的沟谷发育。

2.2 堆积体剖面特征分析

使用Matlab生成堆积体纵剖面图，可直观地观测到堆积体的长度、厚度、堆积范围等堆积特征，如图4所示。

A1和A2工况剖面形状较为相似，均为弓形，堆积体有一个厚度极值，A1工况堆积体长而薄，A2工况堆积体短而厚；
A3工况堆积体为双峰型，双峰之间与图3中沟谷对应；
A4工况剖面形状为楔形，大部分颗粒停积在斜槽上。A1工况下颗粒全部堆积在水平槽上，A2、A3、和A4工况在斜槽上均有颗粒堆积。停积区底面粗糙时，少量颗粒堆积于斜槽上；
停积区底面为松散覆盖层时，小部分颗粒堆积于斜槽上；
运动区底面粗糙时，大部分颗粒堆积于斜槽上。A1、A2和A3工况中，随着停积区粗糙程度增大，堆积体在水平槽上的堆积体长度减小，水平槽上堆积体最大厚度值增大。

对堆积体采用淋濾切割法并通过全景拍摄获取颗粒堆积体的内部剖面特征，如图5所示。4种工况下，堆积体内部出现颗粒混合但基本保持源区颗粒的层序关系。A1、A2和A3工况内部结构相似，有褶皱展布，A4工况无褶皱出现，且颗粒混合度较高。A1、A2和A3工况随着停积区粗糙度增大，堆积体内部褶皱展布更集中，且波长减小，波幅增大。

3 讨论

颗粒流在进入停积区后，坡度变缓，颗粒流底部所受摩阻力增大，开始减速并在水平槽上堆积。堆积过程中，前端颗粒流先到达停积区，下滑力降低和底部摩阻力增大，前端颗粒流运动速度开始减慢，后部颗粒开始推挤前部颗粒，在内部产生推挤作用并形成褶皱。如图2、图3所示，堆积体内部褶皱轴线所在位置为堆积体表面中下层颗粒出露位置，也是横向脊所在位置，表明因滑体内部推挤而形成横向脊。A3工况下，颗粒流前緣推挤底面松散覆盖层运动，产生“刮铲效应”，颗粒流前部颗粒速度急剧降低，前部颗粒停止运动后形成堆积体，后部颗粒在前方堆积体后缘上继续堆叠，形成双峰。

在A1工况中，颗粒流堆积体两侧有侧缘堤出现，且根据图2中A1工况可知，侧缘堤主要为中下层颗粒出露。在颗粒减速堆积时，后部颗粒推挤前部颗粒，后部颗粒速度逐渐减小，而前部颗粒获得后部颗粒的能量后继续向前运动，运动过程中下部颗粒受底部摩阻力减速，上部颗粒继续运动。在此过程中，底部颗粒被推挤到两侧，并在有侧向约束的水平槽两侧堆积。但侧缘堤仅在A1工况，即运动区底面光滑、停积区底面光滑的情况下发育，表明侧缘堤多在滑体所受摩阻力较小的情况下出现。

4种工况的堆积体剖面上均能观察到层序保留现象，说明运动过程中颗粒未出现大面积的混合。颗粒流堆积体的混合程度与堆积体内部颗粒的剪切作用有关，在运动区粗糙时，颗粒流下滑过程中下部颗粒所受摩阻力较大，上、下层颗粒速度差逐渐增大，内部剪切作用增大，导致颗粒流混合程度增大。

4 结论

（1）运动区光滑条件下，因后部颗粒推挤前部颗粒，堆积体表面形成横向脊，甚至在停积区底面为松散覆盖层时堆积体形成双峰结构。堆积体内部仍存在层序保留现象，但有推挤褶皱出现。

（2）停积条件对堆积体的表面特征和内部特征均有影响。在运动区光滑时，随着停积区粗糙度增大，堆积体表面横向脊展布增加，且间距变小，颗粒流堆积体表面颗粒混合程度增大；
内部褶皱展布更集中，且波长减小，波幅增大。运动区粗糙时，堆积体内部颗粒混合程度较高，且无明显褶皱。

（3）根据颗粒流堆积特征，可以得出堆积体的形态特征与堆积体内部颗粒的剪切作用有关，剪切作用主要影响内部颗粒的运动，从而改变堆积体的形态特征。

参考文献

［1］ 程谦恭， 张倬元， 黄润秋. 高速远程崩滑动力学的研究现状及发展趋势［J］. 山地学报， 2007（1）：72-84.

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［4］ 龙艳梅， 宋章， 王玉峰， 等. 基于物理模型试验的碎屑流流态化运动特征分析［J］. 水文地质工程地质， 2022， 49（1）：126-136.

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［8］ MANZELLA I， LABIOUSE V. Qultative analysis of rock avalanches propagation by means of physical modelling of non-constrained gravel flows［J］. Rock Mechanics and Rock Engineering， 2008， 41（1）：133-151.

［9］ 王畯才， 卢坤林， 朱大勇. 基于室内模型试验的滑坡碎屑流堆积分布规律研究［J］. 工程地质学报， 2017， 25（6）：1509-1517.

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