冷曉玉，樊曉一

（西南科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，四川綿陽　621010）

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顆粒級(jí)配與場(chǎng)地條件對(duì)滑坡運(yùn)動(dòng)特征的影響模型試驗(yàn)研究

冷曉玉，樊曉一

（西南科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，四川綿陽621010）

摘要本文運(yùn)用滑坡模型試驗(yàn)研究了不同坡角和顆粒級(jí)配對(duì)滑坡運(yùn)動(dòng)的影響機(jī)制。試驗(yàn)結(jié)果表明：坡角對(duì)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(yùn)動(dòng)到坡腳后，呈現(xiàn)出持速運(yùn)動(dòng)特征，持速階段的運(yùn)動(dòng)距離隨坡角的增加而增加，但其平均運(yùn)動(dòng)速度則在坡角45°時(shí)達(dá)到最大值；滑坡運(yùn)動(dòng)過程分為明顯的加速運(yùn)動(dòng)、持速運(yùn)動(dòng)和耗散減速運(yùn)動(dòng)3個(gè)階段；在同一坡角條件下，中值粒徑越大的巖土體經(jīng)過坡腳作用后，阻止效應(yīng)越不敏感，能量損失越少，能量傳遞的有效性越大，持速運(yùn)動(dòng)的距離越大。

關(guān)鍵詞顆粒級(jí)配；場(chǎng)地條件；運(yùn)動(dòng)參數(shù)；滑坡

滑坡運(yùn)動(dòng)受多方面因素的影響。雖然已有的資料表明滑坡的運(yùn)動(dòng)受控于體積和高差所確定的總能量的大小。然而，對(duì)于總能量近似相等的個(gè)體滑坡而言，其運(yùn)動(dòng)結(jié)果可能有較大的差異。因此，國內(nèi)外學(xué)者通過理論分析、模型試驗(yàn)、數(shù)值模擬等方法對(duì)滑坡做了大量研究。樊曉一等［1］對(duì)滑坡的等價(jià)摩擦系數(shù)、最大水平運(yùn)動(dòng)距離、最大垂直運(yùn)動(dòng)距離與滑坡體積的關(guān)系進(jìn)行了分析，認(rèn)為滑坡的運(yùn)程不僅受體積的控制還與其誘發(fā)機(jī)制有關(guān)。潘歡迎等［2］通過物理模型試驗(yàn)測(cè)試了在不同滑體結(jié)構(gòu)、坡角和初始速度組合下滑坡的運(yùn)動(dòng)過程，并分析了其基本規(guī)律。杜鵑等［3］考慮滑坡-碎屑流運(yùn)動(dòng)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(jì)算模型。曾耀勛等［4］研究了坡腳及下墊面對(duì)滑體運(yùn)動(dòng)的減速機(jī)制。魯曉兵等［5］重點(diǎn)考察了床面摩擦系數(shù)、土體內(nèi)摩擦角、初始運(yùn)動(dòng)速度和坡角等因素對(duì)碎屑流運(yùn)動(dòng)形態(tài)的影響。郝明輝等［6］通過開展室內(nèi)模型試驗(yàn)，研究了碎屑粒徑、滑床糙率和挑坎對(duì)運(yùn)動(dòng)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(shù)和滑體粘結(jié)強(qiáng)度下的運(yùn)動(dòng)特征。Zhou等［8］運(yùn)用離散元程序，研究不同的力學(xué)參數(shù)、滑坡體體積、地形條件對(duì)滑坡運(yùn)動(dòng)過程的影響。

這些研究或注重于滑坡啟動(dòng)機(jī)理的研究，或關(guān)注滑體本身運(yùn)動(dòng)特征的研究，或針對(duì)滑坡運(yùn)動(dòng)的規(guī)模效應(yīng)研究，忽略或簡(jiǎn)化了場(chǎng)地條件對(duì)滑坡運(yùn)動(dòng)特征的影響，與實(shí)際的滑坡運(yùn)動(dòng)規(guī)律存在著較大的差異。然而滑坡失穩(wěn)后的運(yùn)動(dòng)特征不僅受滑坡誘發(fā)機(jī)制、總能量的控制，還與場(chǎng)地條件有關(guān)，而滑坡運(yùn)動(dòng)特征又是滑坡災(zāi)害評(píng)估及防治的決定性因素［9-10］。因此，研究顆粒級(jí)配、場(chǎng)地條件對(duì)滑坡運(yùn)動(dòng)特征的作用機(jī)制，能夠?yàn)榛碌囊?guī)劃防治工作提供重要的理論依據(jù)。

1　滑坡物理模型試驗(yàn)

1. 1試驗(yàn)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(shè)有擋板控制滑坡的啟動(dòng)，滑道是試驗(yàn)中滑體運(yùn)動(dòng)的主要場(chǎng)所。為便于滑坡運(yùn)動(dòng)速度的監(jiān)測(cè)和計(jì)算，在滑道每隔10 cm劃線標(biāo)記。采用數(shù)碼相機(jī)對(duì)試驗(yàn)中滑坡的運(yùn)動(dòng)停積過程進(jìn)行拍攝，如圖1。滑坡模型裝置示意如圖2。

圖1　數(shù)碼相機(jī)布置示意

圖2　滑坡模型裝置示意

1. 2試驗(yàn)材料及內(nèi)容

在對(duì)典型滑坡堆積物現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查的基礎(chǔ)上，選擇較為典型的高速滑坡體的顆粒粒組，同時(shí)考慮到試驗(yàn)儀器對(duì)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(shè)計(jì)出如表1所示的3種巖土樣，級(jí)配曲線如圖3。配制好的巖土樣如圖4所示。

表1　巖土樣級(jí)配組成

圖3　巖土樣級(jí)配曲線

圖4　配制好的巖土樣

坡腳型滑坡示意如圖5。針對(duì)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(jí)配（M1～M3）以及滑體在不同坡角α（α= 35°，45°和56°）下的運(yùn)動(dòng)性試驗(yàn)，研究滑坡規(guī)模、巖土體類型與場(chǎng)地條件的耦合作用對(duì)滑坡運(yùn)動(dòng)特征的影響。

圖5　坡腳型滑坡示意

2　滑坡運(yùn)動(dòng)特征分析

2. 1坡角對(duì)滑坡運(yùn)動(dòng)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\(yùn)動(dòng)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(dá)坡腳處時(shí)，滑體前緣速度達(dá)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(shí)滑坡前緣最大速度接近6 m/s，坡角45°時(shí)滑坡前緣最大速度接近5. 5 m/s，而坡角35°時(shí)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(dá)到的最大速度減小。這是因?yàn)殡S著坡角的減小，斜坡坡長(zhǎng)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(dá)坡腳處的最大速度減小。

滑體體積為0. 15 m3的巖質(zhì)滑坡在不同坡角下的速度分布曲線見圖7。從圖可見，經(jīng)過坡腳作用后坡角45°時(shí)速度波動(dòng)幅度和持續(xù)時(shí)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(dòng)后加速下滑至坡腳，經(jīng)過坡腳作用后速度突變，開始驟減，接著會(huì)出現(xiàn)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(fù)。隨著滑體繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，滑體中部經(jīng)過坡腳作用，中部滑體對(duì)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(xiàn)再次下降。后部滑體繼續(xù)運(yùn)動(dòng)傳遞能量給中部，依次傳遞，故而前緣滑體的速度又出現(xiàn)上升。整個(gè)過程中發(fā)現(xiàn)中部速度劇減的時(shí)刻點(diǎn)恰好也是前部速度增加的時(shí)刻點(diǎn)，同時(shí)后部速度劇減點(diǎn)也恰好是中部速度呈持速運(yùn)動(dòng)的起始點(diǎn)，很好地驗(yàn)證了本文在進(jìn)行滑坡試驗(yàn)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(yùn)動(dòng)的主要原因。

分析速度峰值至最后靜止這一段，發(fā)現(xiàn)坡角45°時(shí)水平運(yùn)動(dòng)距離達(dá)到極大值。這是因?yàn)槠陆怯?6°改變至45°時(shí)，滑坡體在遭遇坡腳后，內(nèi)部碰撞機(jī)會(huì)增多，撞擊導(dǎo)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(dòng)呈現(xiàn)出明顯的持速特征。在運(yùn)動(dòng)過程中滑坡體之間的能量傳遞越為持久，持速特征表現(xiàn)得越加明顯，滑坡所能達(dá)到的水平運(yùn)動(dòng)距離也就越大。當(dāng)坡角由45°減小至35°時(shí)，碰撞機(jī)會(huì)增多的同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致碰撞耗能增加，滑坡體在碰撞過程中因碰撞產(chǎn)生的能量損耗遠(yuǎn)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(shí)，坡角的變小造成由規(guī)模效應(yīng)引起的速度波動(dòng)并不顯著，即規(guī)模越大，坡腳后產(chǎn)生的速度差越小，持速階段越不明顯，水平運(yùn)動(dòng)距離越近。

2. 2滑體粒徑級(jí)配和規(guī)模對(duì)滑坡運(yùn)動(dòng)特征的影響

根據(jù)滑坡前緣沿水平運(yùn)動(dòng)距離的速度分布曲線（圖6），可以將整個(gè)滑坡運(yùn)動(dòng)過程分為啟動(dòng)加速、持速以及耗散減速3個(gè)階段。啟動(dòng)加速階段：滑坡體啟動(dòng)后，在斜坡坡面上加速下滑。持速階段：滑體前緣經(jīng)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(yùn)動(dòng)速度增加，并持續(xù)上下波動(dòng)震蕩。耗散減速階段：滑體動(dòng)能耗盡，停積在水平基底上。

坡角35°時(shí)不同巖土質(zhì)滑坡的速度分布曲線見圖8。可以觀察到：在持速運(yùn)動(dòng)階段的速度波動(dòng)區(qū)間，速度劇減后再次達(dá)到的速度往往為后續(xù)階段的最大值。這是因?yàn)榇藭r(shí)受坡腳場(chǎng)地條件的約束，滑坡體內(nèi)部的速度差達(dá)到最大，致使內(nèi)部碰撞越加劇，滑坡前緣獲得的能量也越多。同時(shí)可以得到在同等條件下，滑坡體碰撞導(dǎo)致的能量損耗從大到小為土質(zhì)滑坡＞碎石土滑坡＞巖質(zhì)滑坡，這也是在高速遠(yuǎn)程滑坡-碎屑流中巖質(zhì)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(zhì)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(shí)間運(yùn)動(dòng)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(dǎo)致滑體內(nèi)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(yùn)動(dòng)距離的遠(yuǎn)近取決于持速階段水平運(yùn)動(dòng)距離的大小。

2. 3滑坡運(yùn)動(dòng)距離與粒徑和規(guī)模的關(guān)系

不同巖土質(zhì)滑坡運(yùn)動(dòng)距離與規(guī)模的關(guān)系擬合曲線見圖9。可以看出不同巖土質(zhì)滑坡規(guī)模與運(yùn)動(dòng)距離均呈冪指數(shù)關(guān)系，表達(dá)式為L(zhǎng) = kVb（k為比例系數(shù)，b為指數(shù)因子），這符合滑坡運(yùn)動(dòng)的規(guī)模效應(yīng)，即滑坡的規(guī)模越大，滑坡的運(yùn)動(dòng)距離越遠(yuǎn)。同時(shí)發(fā)現(xiàn)：當(dāng)斜坡坡角a為35°時(shí)，b值的取值范圍為0. 044 7～0. 071 1；當(dāng)a 為45°時(shí)，b值的取值范圍為0. 071 8～0. 099 2；而當(dāng)a 為56°時(shí)，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(duì)運(yùn)動(dòng)距離的影響十分顯著。坡度越大，運(yùn)動(dòng)距離隨滑坡規(guī)模的增大增加得越明顯。

圖8　坡角35°時(shí)不同巖土質(zhì)滑坡的速度分布曲線

由圖9還可以看出：巖土質(zhì)滑坡運(yùn)動(dòng)距離與規(guī)模的關(guān)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(yīng)，但不同土體的相關(guān)系數(shù)有差異，說明滑坡體組成對(duì)運(yùn)動(dòng)特征也有一定的影響。相對(duì)而言，巖質(zhì)滑坡以滾動(dòng)為主，運(yùn)動(dòng)過程的摩擦系數(shù)較低；土質(zhì)滑坡則主要以滑動(dòng)為主，運(yùn)動(dòng)過程的摩擦系數(shù)較高；而碎石土滑坡則包含了在滑體上部的粗骨料滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)和滑體下部的細(xì)顆?；瑒?dòng)運(yùn)動(dòng)兩種運(yùn)動(dòng)方式，下部的細(xì)顆粒在滑道摩擦力的作用下運(yùn)動(dòng)較緩慢，這對(duì)上部的粗顆粒的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生一定的牽制。

圖9　不同巖土質(zhì)滑坡運(yùn)動(dòng)距離與規(guī)模的關(guān)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(zhì)滑坡時(shí)，b值的取值范圍為0. 044 7～0. 135 1；碎石土滑坡時(shí)，b值的取值范圍為0. 059 4～0. 125 7；巖質(zhì)滑坡時(shí)，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(duì)運(yùn)動(dòng)距離的影響隨坡度的改變更為敏感，這一結(jié)果也能從一定程度上解釋土質(zhì)滑坡的受災(zāi)范圍與規(guī)模和傾角的關(guān)系尤為密切。對(duì)于巖質(zhì)滑坡，滑坡規(guī)模對(duì)運(yùn)動(dòng)距離的影響隨坡度的改變雖不敏感，但運(yùn)動(dòng)距離較碎石土滑坡和土質(zhì)滑坡遠(yuǎn)。

3　結(jié)論

1）通過室內(nèi)滑坡模型試驗(yàn)驗(yàn)證了滑坡在運(yùn)動(dòng)過程中，坡體內(nèi)部之間相互碰撞產(chǎn)生能量傳遞現(xiàn)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(dǎo)致其運(yùn)動(dòng)的距離較遠(yuǎn)。

2）對(duì)于坡腳型滑坡，滑坡體經(jīng)過坡腳作用后持速階段的歷時(shí)長(zhǎng)短是滑坡前緣運(yùn)動(dòng)距離遠(yuǎn)近的關(guān)鍵。在總能量一定的情況下，滑坡體經(jīng)過45°的坡腳作用后，內(nèi)部碰撞機(jī)會(huì)較35°，56°多，在運(yùn)動(dòng)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(dǎo)致滑坡速度高峰后的運(yùn)動(dòng)距離最遠(yuǎn)。

3）隨著坡角的增加，滑體受坡腳約束耗損的能量增加，導(dǎo)致滑體運(yùn)程減小。但同時(shí)由于豎向速度增強(qiáng)，滑體撞擊坡腳時(shí)產(chǎn)生的反作用力增大致使滑體迅速解體，內(nèi)部碰撞加劇，引起能量傳遞集中，導(dǎo)致顆粒最大運(yùn)動(dòng)距離增加，這也是滑坡撞擊解體呈碎屑流運(yùn)動(dòng)往往導(dǎo)致超長(zhǎng)運(yùn)程的原因。

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（責(zé)任審編葛全紅）

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

LENG Xiaoyu，F(xiàn)AN 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(hào)P642

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

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

文章編號(hào)：1003-1995（2016）05-0139-05

收稿日期：2016-01-10；修回日期：2016-03-20

基金項(xiàng)目：西南科技大學(xué)研究生創(chuàng)新基金（15ycx103）

作者簡(jiǎn)介：冷曉玉（1989—），女，碩士研究生。