楊海龍,樊曉一,裴向軍,裴 鉆
(1.成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川 成都 610059;2.西南科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院,四川 綿陽 621010;3.工程材料與結(jié)構(gòu)沖擊振動(dòng)四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川 綿陽 610041)
地形條件作為滑坡運(yùn)動(dòng)的載體,是影響滑坡運(yùn)動(dòng)堆積過程的決定性因素之一。因此,研究地形因子對(duì)滑坡運(yùn)動(dòng)參數(shù)的影響,是揭示地形條件對(duì)滑坡運(yùn)動(dòng)作用機(jī)制的一個(gè)重要切入點(diǎn)。基于滑坡大樣本數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析是研究滑坡地形因子對(duì)運(yùn)動(dòng)參數(shù)影響的有效方法之一。樊曉一等[1]選取水平運(yùn)動(dòng)距離、視摩擦因數(shù)作為運(yùn)動(dòng)參數(shù)評(píng)價(jià)指標(biāo),分析滑面長度、滑坡坡度、坡腳角度和滑坡堆積區(qū)坡度等地形參數(shù)對(duì)不同滑坡規(guī)模的坡腳型地震滑坡運(yùn)動(dòng)參數(shù)的作用機(jī)制,認(rèn)為研究坡腳型和偏轉(zhuǎn)型滑坡運(yùn)動(dòng)機(jī)制不應(yīng)忽略坡腳坡度差和偏轉(zhuǎn)角度的作用[2],探討了地形因子對(duì)于不同滑坡啟動(dòng)機(jī)理的滑坡運(yùn)動(dòng)參數(shù)的影響大小[3]。以黃土滑坡大樣本數(shù)據(jù)建立的滑動(dòng)距離BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型亦能較好地反映滑坡運(yùn)距參數(shù)同滑坡體積參數(shù)、地形參數(shù)之間的關(guān)系[4]。一系列的室內(nèi)模型試驗(yàn)研究表明,坡腳角度是碎屑流最大運(yùn)動(dòng)距離[5]、視摩擦系數(shù)[6]和前緣速度[7]的顯著性影響因子;坡腳對(duì)碎屑流前緣的阻止作用顯著,坡度越大滑坡的能量消耗也就越大[8]。對(duì)不同下墊面條件下的滑坡運(yùn)動(dòng)數(shù)值模擬表明,下墊面摩擦系數(shù)[9]、地形起伏度[10]、滑面粗糙度[11]等地形參數(shù)是影響滑坡運(yùn)動(dòng)參數(shù)的主要因素,表現(xiàn)為對(duì)滑坡運(yùn)動(dòng)距離、前緣速度的影響。因此,為了減小運(yùn)動(dòng)參數(shù)預(yù)測(cè)的離散性,在預(yù)測(cè)模型中應(yīng)充分考慮各地形因子對(duì)滑坡運(yùn)動(dòng)參數(shù)的影響,以提高預(yù)測(cè)模型的可靠性。
已有研究重點(diǎn)關(guān)注地形因子對(duì)運(yùn)動(dòng)參數(shù)的影響大小,缺乏運(yùn)動(dòng)參數(shù)與主控地形因子間關(guān)系模型的描述。因此,本文選取溝谷地形中常見的一類滑坡運(yùn)動(dòng)形式即偏轉(zhuǎn)型滑坡為研究對(duì)象,對(duì)偏轉(zhuǎn)型滑坡-碎屑流的場(chǎng)地條件進(jìn)行概化、分類并提取主要地形參數(shù),借助數(shù)值模擬手段進(jìn)行不同地形因子組合條件下的滑坡-碎屑流模擬,揭示主要地形因子對(duì)滑坡運(yùn)動(dòng)參數(shù)的影響規(guī)律,為溝谷偏轉(zhuǎn)型滑坡-碎屑流運(yùn)動(dòng)參數(shù)模型的建立提供參考。
偏轉(zhuǎn)型滑坡-碎屑流是溝谷地形中常見的一種滑坡運(yùn)動(dòng)形式。溝谷地形對(duì)滑坡運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生約束作用,從而導(dǎo)致滑坡運(yùn)動(dòng)方向發(fā)生偏轉(zhuǎn),并產(chǎn)生相對(duì)較遠(yuǎn)的運(yùn)動(dòng)距離。此類滑坡的顯著地形特征表現(xiàn)為存在的兩個(gè)典型的地形突變點(diǎn),選取典型溝谷偏轉(zhuǎn)型滑坡碎屑流實(shí)例進(jìn)行說明(圖1)。
圖1 典型偏轉(zhuǎn)型滑坡碎屑流場(chǎng)地特征Fig.1 Site condition of landslide-debris avalanchesof the typical turning-type
地形突變點(diǎn)1位于坡面,是滑源區(qū)與加速區(qū)的分界點(diǎn);地形突變點(diǎn)2位于溝谷坡腳處,是斜坡加速區(qū)與溝谷堆積區(qū)的分界點(diǎn)以及滑坡運(yùn)動(dòng)方向的分界點(diǎn)。因此,主要地形參數(shù)包括為滑源區(qū)坡度(α)、斜坡坡度(β)和溝谷坡度(γ)和偏轉(zhuǎn)角度(θ)。借鑒相關(guān)文獻(xiàn)[12-13]中有關(guān)地形條件概化分類的方法,根據(jù)坡面特征可進(jìn)一步將偏轉(zhuǎn)型滑坡地形劃分為凹面偏轉(zhuǎn)型、凸面偏轉(zhuǎn)型和坡腳偏轉(zhuǎn)型(表1)。
表1 偏轉(zhuǎn)型滑坡場(chǎng)地分類Table 1 Types of site condition of landslide of the turning-type
由于模擬對(duì)象不考慮運(yùn)動(dòng)過程中的解體破碎效應(yīng),根據(jù)碎屑流顆粒的結(jié)構(gòu)特征和力學(xué)行為,采用離散元素法模擬滑坡碎屑流在運(yùn)動(dòng)過程中的力學(xué)行為。碎屑流顆粒間的接觸力學(xué)模型是離散元素法求解顆粒運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和受力的關(guān)鍵[14]。模擬對(duì)象為無黏性的巖石碎屑流顆粒,顆粒表面黏附力小,具有散粒物料特性。因此,本文中采用Hertz-Mindlin(no-slip)接觸模型。
選用文[5]中的巖土體S5作為本文偏轉(zhuǎn)型滑坡碎屑流的模擬材料,顆粒級(jí)配如圖2所示。由于顆粒模型與真實(shí)顆粒在形狀、表面粗糙度等方面仍存在差異,若直接引入真實(shí)顆粒的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行模擬,則不能準(zhǔn)確反映碎屑流的真實(shí)運(yùn)動(dòng)狀態(tài),因此需要對(duì)模擬參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定[15]。
圖2 碎屑流顆粒級(jí)配Fig.2 Particle gradation of debris flow
利用DEM模擬碎屑流的運(yùn)動(dòng)過程需要的物理參數(shù)見表2,其中泊松比δ、密度ρ、剪切模量G、彈性恢復(fù)系數(shù)е均可通過土工實(shí)驗(yàn)獲得,顆粒與滑槽間的ξ2取值宜與顆粒間的ξ2相同,顆粒與滑槽間的ξ1也可由試驗(yàn)確定。因此,只需要對(duì)碎屑流顆粒間的ξ1、ξ2進(jìn)行標(biāo)定。
參考文[15]中對(duì)顆粒間ξ1、ξ2的標(biāo)定方法,采用堆積法和內(nèi)部坍塌法進(jìn)行休止角仿真試驗(yàn),利用MATLAB圖像處理技術(shù)獲取堆積角正切值τ,建立自變量為ξ1、ξ2,因變量為τ的回歸方程:
最后代入巖土體的真實(shí)休止角求解ξ1、ξ2即完成參數(shù)標(biāo)定(表2)。
根據(jù)偏轉(zhuǎn)型滑坡碎屑流地形特征構(gòu)建滑槽模型,滑槽模型由料箱、上部滑槽和下部滑槽三部分組成,建模過程在Rhino中完成(圖3)。
表2 模擬參數(shù)取值Table 2 Values of simulation parameters
圖3 滑槽模型示意圖Fig.3 Schematic diagram of the chute mode
上部滑槽用于模擬碎屑流在坡面上的加速運(yùn)動(dòng),高度固定為1.25 m;下部滑槽用于模擬碎屑流在溝谷中受偏轉(zhuǎn)作用后的運(yùn)動(dòng)堆積過程,滑槽模型寬度和兩側(cè)擋板高度均為0.5 m?;磪^(qū)坡度、斜坡坡度和溝谷坡度和偏轉(zhuǎn)角度可根據(jù)模擬方案進(jìn)行調(diào)整。
碎屑流顆粒模型根據(jù)顆粒級(jí)配曲線生成,顆粒形狀采用圓形顆粒組合成不規(guī)則的巖土體顆粒。在滑源區(qū)的堆積形態(tài)為三棱柱體,體積方量為0.025 m3,約60 000個(gè)碎屑流顆粒(圖4a)。為了加速碎屑流顆粒在指定區(qū)域生成,賦予顆粒一定的初始速度。由于顆粒具有初始速度,當(dāng)所有顆粒運(yùn)動(dòng)到指定區(qū)域堆積后在一段時(shí)間內(nèi)不會(huì)靜止,為了加速顆粒靜止可以適當(dāng)提高顆粒間的摩擦系數(shù),減小碰撞恢復(fù)系數(shù)。當(dāng)顆粒最大速度小于0.05 m/s時(shí),可以認(rèn)為顆粒已經(jīng)達(dá)到靜止?fàn)顟B(tài)(圖4b)。
圖4 碎屑流模型示意圖Fig.4 Schematic diagram of debris flow
滑源區(qū)坡度(α)、斜坡坡度(β)、溝谷坡度(γ)和偏轉(zhuǎn)角度(θ)共同決定了溝谷偏轉(zhuǎn)型滑坡的地形條件。由于滑源區(qū)坡度與斜坡坡度之間的關(guān)系決定了坡面地形特征,是進(jìn)一步劃分偏轉(zhuǎn)型滑坡類型的依據(jù)。因此設(shè)定滑源區(qū)坡度為定值,主要考慮斜坡坡度、溝谷坡度和偏轉(zhuǎn)角度的變化。3個(gè)地形參數(shù)分別取3種水平,共進(jìn)行27組仿真模擬。其中為了減小誤差,每組模擬重復(fù)3次,取3次模擬結(jié)果的平均值作為該組最后的模擬結(jié)果(表3)。
選取合理的運(yùn)動(dòng)參數(shù)作為評(píng)價(jià)指標(biāo)是地形因子對(duì)偏轉(zhuǎn)型滑坡運(yùn)動(dòng)特征影響分析的關(guān)鍵。視摩擦系數(shù)(f)
表示滑體在運(yùn)動(dòng)路徑上克服摩擦力所做的功,在一定程度上反映了滑坡運(yùn)動(dòng)路徑上地形條件對(duì)滑坡運(yùn)動(dòng)的阻止效應(yīng)。前緣速度恢復(fù)系數(shù)(k)即坡腳偏轉(zhuǎn)前后的滑坡前緣速度的比值,反映坡腳偏轉(zhuǎn)作用對(duì)碎屑流前緣的阻止效應(yīng)。此二者均為偏轉(zhuǎn)型滑坡重要的運(yùn)動(dòng)參數(shù),因此本文選取其作為滑坡運(yùn)動(dòng)參數(shù)的評(píng)價(jià)指標(biāo)。
表3 參數(shù)變量及取值Table 3 Parameter variables and values
偏轉(zhuǎn)型滑坡碎屑流在不同地形參數(shù)組合地形條件下的運(yùn)動(dòng)過程如圖5所示(以β=55°、γ=5°、θ=20°為例),滑坡運(yùn)動(dòng)參數(shù)(f、k)的模擬結(jié)果見表4。
圖5 偏轉(zhuǎn)型滑坡碎屑流的動(dòng)過程Fig.5 Movement process of landslide-debris flow of the turning-type
表4 運(yùn)動(dòng)參數(shù)的模擬結(jié)果Table 4 Simulation results of motion parameters
續(xù)表4
地形參數(shù)對(duì)視摩擦系數(shù)(f)、前緣速度恢復(fù)系數(shù)(k)的影響如圖6所示。視摩擦系數(shù)隨斜坡坡度和偏轉(zhuǎn)角度的增大而增大,隨溝谷坡度的增大而減?。磺熬壦俣然謴?fù)系數(shù)隨斜坡坡度的增大先減小后增大,隨偏轉(zhuǎn)角度的增大而減小,隨堆積區(qū)坡度的增大而增大。上述分析表明,偏轉(zhuǎn)型滑坡的運(yùn)動(dòng)受斜坡坡度、溝谷坡度、偏轉(zhuǎn)角度的影響。但是地形參數(shù)對(duì)偏轉(zhuǎn)型滑坡運(yùn)動(dòng)的影響大小以及地形因子對(duì)運(yùn)動(dòng)參數(shù)的作用機(jī)制尚不清楚。
3.1.1地形因子敏感度分析
采用正交分析法[5,16]分析地形因子(β、γ、θ)對(duì)摩擦系數(shù)的影響(表5),分析結(jié)果表明:在不同斜坡坡度條件下,偏轉(zhuǎn)角度對(duì)視摩擦系數(shù)的影響小于溝谷坡度;在不同溝谷坡度條件下,偏轉(zhuǎn)角度對(duì)視摩擦系數(shù)的影響也小于斜坡坡度;在不同偏轉(zhuǎn)角度條件下,斜坡坡度對(duì)視摩擦系數(shù)的影響大于溝谷坡度。
各地形因子在不同水平下,視摩擦系數(shù)極差平均值R2=0.008,運(yùn)動(dòng)參數(shù)f平均值f2=0.587,相對(duì)誤差為1.43%,試驗(yàn)誤差較小,試驗(yàn)結(jié)果可靠,可以進(jìn)行極差分析。視摩擦系數(shù)的極差分析結(jié)果見表6,Ii、IIi、IIIi表示在不同因素水平下視摩擦系數(shù)的平均值,Ri
為極差。當(dāng)斜坡坡度處于不同水平時(shí),視摩擦系數(shù)的波動(dòng)程度顯著大于溝谷坡度和偏轉(zhuǎn)角度(圖7),即斜坡坡度對(duì)視摩擦系數(shù)的影響最大,溝谷坡度、偏轉(zhuǎn)角度次之。
極差分析初步判定了各地形因子對(duì)偏轉(zhuǎn)型滑坡運(yùn)動(dòng)參數(shù)的重要程度,為了避免由于試驗(yàn)誤差引起的數(shù)據(jù)波動(dòng)所造成的誤判,采用方差分析法進(jìn)一步對(duì)視摩擦系數(shù)f影響因子的重要程度進(jìn)行分析(表7)。分析結(jié)果表明:斜坡坡度對(duì)視摩擦系數(shù)的影響非常顯著,是決定性因素;溝谷坡度、偏轉(zhuǎn)角度對(duì)視摩擦系數(shù)的影響不顯著,為非決定性因素。綜上,溝谷坡度、偏轉(zhuǎn)角度對(duì)視摩擦系數(shù)的影響均小于斜坡坡度。
圖6 不同因素水平下運(yùn)動(dòng)參數(shù)的變化趨勢(shì)Fig.6 Changes of motion parameterswith different factors
表5 視摩擦系數(shù)f正交分析結(jié)果Table 5 Orthogonal analysis of apparent coefficient of friction
表6 視摩擦系數(shù)極差分析結(jié)果Table 6 Range analysis of apparent coefficient of friction
圖7 視摩擦系數(shù)與各影響因素的關(guān)系Fig.7 Relationship between apparent coefficientof friction and factors
nf0.05f0.01SASEF顯著性β23.405.610.1260.01695.3??γ23.405.610.0040.1370.36-θ23.405.610.0040.1370.37-
注:** 表示非常顯著;-表示不顯著
3.1.2視摩擦系數(shù)與顯著性因子間關(guān)系分析
方差分析表明,影響溝谷偏轉(zhuǎn)型滑坡-碎屑流視摩擦系數(shù)(f)的顯著性地形因子是斜坡坡度(β)。采用回歸分析法,建立視摩擦系數(shù)與加速區(qū)坡度之間的函數(shù)關(guān)系,定量描述視摩擦系數(shù)與顯著性地形因子之間的關(guān)系。將偏轉(zhuǎn)型滑坡碎屑流運(yùn)動(dòng)參數(shù)與顯著性地形因子間的非線性模型描述為:
①不同年齡醫(yī)護(hù)工作者職業(yè)認(rèn)同水平具有差異性。其中年齡>50歲的醫(yī)護(hù)工作者職業(yè)認(rèn)同程度高于其他年齡醫(yī)護(hù)工作者,≤30歲的醫(yī)護(hù)工作者職業(yè)認(rèn)同程度最低,隨著年齡增加醫(yī)護(hù)工作者職業(yè)認(rèn)同程度提高。
f=η0+η1tanβ+η2tan2β
(1)
式中:η0——常數(shù);
η1——β的回歸系數(shù)。
為了保證回歸模型的合理性,對(duì)27組模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行殘差分析,發(fā)現(xiàn)異常點(diǎn)5處并剔除(圖8);最后對(duì)剩余22組數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析,可以得到非線性回歸方程:
f=0.27+0.38tanβ-0.06tan2β
(2)
對(duì)回歸結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn):相關(guān)系數(shù)R=0.95,即觀測(cè)值與回歸方程擬合程度高,臨界值F=196.12>>F0.99(1,20)=8.02>F0.95(1,20)=4.35,回歸效果非常顯著;表明偏轉(zhuǎn)型滑坡碎屑流的視摩擦系數(shù)與斜坡坡度之間具有較強(qiáng)的非線性關(guān)系,可以用二次函數(shù)進(jìn)行描述(圖9)。
圖8 視摩擦系數(shù)殘差分析Fig.8 Residual analysis of apparent coefficient of friction
圖9 視摩擦系數(shù)與主要影響因子間的關(guān)系Fig.9 Relationship between the apparent coefficient offriction and the main influence factor
3.2.1地形因子敏感度分析
地形因子(β、γ、θ)對(duì)前緣速度恢復(fù)系數(shù)k影響的正交分析結(jié)果見表8,結(jié)果表明:在不同斜坡坡度條件下,偏轉(zhuǎn)角度對(duì)前緣速度恢復(fù)系數(shù)的影響小于溝谷坡度;在不同溝谷坡度條件下,偏轉(zhuǎn)角度對(duì)前緣速度恢復(fù)系數(shù)的影響也小于斜坡坡度;在不同偏轉(zhuǎn)角度條件下,斜坡坡度對(duì)前緣速度恢復(fù)系數(shù)的影響小于溝谷坡度。
各地形因子在不同水平下,前緣速度恢復(fù)系數(shù)的極差平均值R2=0.007,平均值f2=0.467,相對(duì)誤差為1.59%,表明試驗(yàn)誤差較小,試驗(yàn)結(jié)果可靠,可以進(jìn)行極差分析。前緣速度恢復(fù)系數(shù)的極差分析結(jié)果見表9,Ii、IIi、IIIi表示在不同因素水平下前緣速度恢復(fù)系數(shù)的平均值,Ri為極差。
當(dāng)溝谷坡度處于不同水平時(shí),前緣速度恢復(fù)系數(shù)k的波動(dòng)程度略大于斜坡坡度,但均大于偏轉(zhuǎn)角度(圖10),即溝谷坡度對(duì)前緣速度恢復(fù)系數(shù)的影響最大,斜坡坡度次之,偏轉(zhuǎn)角度最小。
表8 前緣速度恢復(fù)系數(shù)正交分析結(jié)果Table 8 Orthogonal analysis of the restitution coefficient of mass-front velocity
表9 前緣速度恢復(fù)系數(shù)極差分析Table 9 Range analysis of the restitution coefficientof mass-front velocity
圖10 前緣速度恢復(fù)系數(shù)與各影響因素的關(guān)系Fig.10 Relationship between the restitution coefficientof mass-front velocity and influence factors
nf0.05f0.01SASEF顯著性β23.405.610.0220.0515.10?γ23.405.610.0310.0428.82??θ23.405.610.0110.0622.19-
注:** 表示非常顯著;*表示顯著;-表示不顯著
3.2.2前緣速度恢復(fù)系數(shù)與顯著性因子關(guān)系分析
方差分析表明,影響溝谷-偏轉(zhuǎn)型滑坡碎屑流前緣速度恢復(fù)系數(shù)(k)的顯著性地形因子是斜坡坡度(β)、溝谷坡度(γ)。采用回歸分析法,建立前緣速度恢復(fù)系數(shù)與斜坡坡度、溝谷坡度之間的函數(shù)關(guān)系,定量描述前緣速度恢復(fù)系數(shù)與顯著性地形因子之間的關(guān)系。因此,將前緣速度恢復(fù)系數(shù)與顯著性地形因子β、γ間的非線性模型描述為:
k=η0+η1tanβ+η2tanγ+η3tanβtanγ+
η4tan2β+η5tan2γ
(3)
式中:η0——常數(shù);
η1、η2、η3、η4、η5——tanβ、tanγ的回歸系數(shù)。
為了保證回歸模型的合理性,對(duì)27組模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行殘差分析,發(fā)現(xiàn)異常點(diǎn)2處并剔除(圖11);最后對(duì)剩余25組數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析,可以得到非線性回歸方程:
k=0.28tan2β-0.23tan2γ-0.68tanβ+0.31tanγ+0.14tanβtanγ+0.80
(4)
圖11 前緣速度恢復(fù)系數(shù)殘差分析Fig.11 Residual analysis of the restitution coefficientof front velocity
對(duì)回歸結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn):相關(guān)系數(shù)R2=0.80,即觀測(cè)值與回歸方程擬合程度高,臨界值F=15.30>F0.99(2,22)=5.72>F0.95(2,22)=3.44,回歸效果非常顯著;表明偏轉(zhuǎn)型滑坡-碎屑流的前緣速度恢復(fù)系數(shù)與斜坡坡度和溝谷坡度間存在較強(qiáng)的非線性關(guān)系,可以用二次型函數(shù)描述(圖12)。
圖12 前緣速度恢復(fù)系數(shù)與主要影響因子間的關(guān)系Fig.12 Relationship between the restitution coefficientof mass-front velocity and the main influence factors
(1)溝谷偏轉(zhuǎn)型滑坡-碎屑流的顯著地形特征表現(xiàn)為運(yùn)動(dòng)區(qū)域之間存在兩個(gè)重要的地形分界點(diǎn),主要地形參數(shù)為滑源區(qū)坡度、斜坡坡度、溝谷坡度和偏轉(zhuǎn)角度,根據(jù)坡面地形特征可將溝谷偏轉(zhuǎn)型滑坡進(jìn)一步分為坡腳偏轉(zhuǎn)型、凹面偏轉(zhuǎn)型和陡坡偏轉(zhuǎn)型。
(2)溝谷偏轉(zhuǎn)型滑坡的視摩擦系數(shù)、前緣速度恢復(fù)系數(shù)均主要受地形起伏的影響。斜坡坡度對(duì)視摩擦系數(shù)的影響最大,溝谷坡度次之,偏轉(zhuǎn)角度最??;斜坡坡度、溝谷坡度對(duì)前緣速度恢復(fù)系數(shù)的影響遠(yuǎn)大于偏轉(zhuǎn)角度的影響。因此,斜坡坡度是視摩擦系數(shù)的顯著性因素;斜坡坡度、溝谷坡度是前緣速度恢復(fù)系數(shù)的顯著性因素。
(3)溝谷偏轉(zhuǎn)型滑坡運(yùn)動(dòng)參數(shù)與主要影響因子之間的非線性關(guān)系非常顯著。視摩擦系數(shù)與斜坡坡度之間的非線性關(guān)系可用二次函數(shù)描述;前緣速度恢復(fù)系數(shù)與斜坡坡度、溝谷坡度間的非線性關(guān)系,可用二次型函數(shù)描述。