劉世濤，程謙恭,2，林棋文，姚志勇，孫先鋒，鄧凱豐，劉道勝，王進(jìn)華

（1.西南交通大學(xué)地質(zhì)工程系，四川 成都 611756；2.西南交通大學(xué)高速鐵路運(yùn)營安全空間信息技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 611756；3.中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，陜西 西安 710043）

川藏鐵路途徑地區(qū)地質(zhì)條件特殊，高山峽谷地貌縱橫遍布，這一地質(zhì)背景導(dǎo)致川藏鐵路沿線崩塌、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害極其發(fā)育[1?3]。崩滑災(zāi)害解體后加速運(yùn)動(dòng)引發(fā)具有高破碎度、高離散性和流動(dòng)特性的碎屑集合體，稱為碎屑流[4?7]。這種高位崩塌或者滑坡引發(fā)的碎屑流具有難以預(yù)測性、高隱蔽性、強(qiáng)烈的破壞性、運(yùn)移距離遠(yuǎn)、運(yùn)動(dòng)速度快等特征，危害性巨大[8?10]，如2000年發(fā)生的西藏易貢滑坡,其運(yùn)動(dòng)過程先是高陡山體處巨大體積的巖體崩滑隨后崩滑體激發(fā)流動(dòng)區(qū)內(nèi)大量堆積的塊石碎屑物，形成塊石碎屑流，碎屑流運(yùn)移8～10 km 并完全堵塞雅魯藏布江，從而引發(fā)了極具危害的一系列次生災(zāi)害[11?13]。

一些學(xué)者通過對(duì)高陡邊坡區(qū)的碎屑流實(shí)例調(diào)查來分析其運(yùn)動(dòng)與堆積特征。如許強(qiáng)等[14]針對(duì)四川漢源二蠻山高位碎屑流開展現(xiàn)場調(diào)查，根據(jù)其發(fā)生過程和動(dòng)力特性將其主滑區(qū)域分為滑源區(qū)、斜卷滑塌區(qū)、主堆積區(qū)。鄭光等[15]、彭雙麒等[16]在對(duì)貴州普灑村高位崩塌碎屑流的現(xiàn)場調(diào)查基礎(chǔ)之上，研究分析認(rèn)為普灑村崩塌碎屑流總體可分為崩塌源區(qū)和崩塌影響區(qū)，并對(duì)主崩落體的動(dòng)力特性進(jìn)行初步分析。實(shí)例調(diào)查研究將這種高陡斜坡崩滑碎屑流分成不同區(qū)域，表明這種碎屑流的運(yùn)動(dòng)過程存在明顯變化的階段，但是現(xiàn)場調(diào)查研究很難直接觀察到高位崩塌碎屑流的具體運(yùn)動(dòng)過程，對(duì)于探究不同初始條件對(duì)碎屑流的運(yùn)動(dòng)以及堆積特征的控制影響也存在著一定的局限性。

室內(nèi)物理模型試驗(yàn)可以彌補(bǔ)這一缺點(diǎn)，故在碎屑流的相關(guān)研究中受到大量國內(nèi)外學(xué)者的重視，如Manzella 等[17]設(shè)計(jì)斜板試驗(yàn)裝置，研究分析體積、下落高度、斜坡坡度、顆粒形狀等對(duì)碎屑流運(yùn)動(dòng)特征的影響。郝明輝等[18]通過開展室內(nèi)斜槽模型試驗(yàn)，研究了碎屑體的粒徑、滑床糙率等對(duì)碎屑流運(yùn)動(dòng)特性的影響。王忠福等[19]設(shè)計(jì)了一種斜板試驗(yàn)裝置來研究粒徑大小對(duì)巖石碎屑流的運(yùn)移距離以及堆積特性的影響。王玉峰等[20]通過滑坡-碎屑流的三維物理模型試驗(yàn)裝置來觀察和分析碎屑流的流態(tài)化運(yùn)動(dòng)與堆積特征。當(dāng)前對(duì)于碎屑流的室內(nèi)模型試驗(yàn)研究主要是將其視為顆粒流，通過斜槽試驗(yàn)來進(jìn)行其運(yùn)動(dòng)、堆積的全過程模擬研究。

川藏鐵路沿線的高陡邊坡常發(fā)育高能崩滑-碎屑流，這種崩滑碎屑流具有高角度、部分自由落體式運(yùn)動(dòng)、高能、崩滑體撞擊坡腳等顯著特征[21]，撞擊坡腳交通干線，易造成人員傷亡、交通中斷、線路設(shè)施損毀等。但是目前的室內(nèi)模型試驗(yàn)研究沒有突出撞擊的影響。因此本文設(shè)計(jì)了自由下落的碎屑集合體室內(nèi)模型試驗(yàn)裝置，考慮撞擊過程對(duì)碎屑流運(yùn)動(dòng)和堆積的影響，以期了解這種特殊碎屑流的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和堆積特征，從而為川藏鐵路沿線的工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及碎屑流的防治工作提供理論基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)

為了模擬再現(xiàn)高能/高陡邊坡碎屑流撞擊坡腳并停積全過程的特征，將其考慮為“碎屑集合材料自由落體加速運(yùn)動(dòng)-高速撞擊底板-擴(kuò)散堆積”這一簡化工程地質(zhì)模型，進(jìn)行試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)。模型試驗(yàn)裝置主要由物料盒、抽滑釋放裝置、剛性固定框架、堆積底板以及監(jiān)測系統(tǒng)組成，如圖1所示。剛性固定框架主要是由鋼管和卡扣組成，用來固定和支撐整個(gè)試驗(yàn)裝置。抽滑釋放裝置主要是由4 個(gè)亞克力板和1 個(gè)亞克力圓柱棒粘接而成，具體包括：頂板、2 個(gè)側(cè)板、抽滑板（可以通過阻尼導(dǎo)軌沿著側(cè)板滑動(dòng)）、圓柱棒（通過卡扣沿著固定裝置上下移動(dòng)從而可以改變碎屑集合體的下落高度）、前擋板。物料盒通過螺絲釘固定在前擋板上，方便拆卸。物料盒的尺寸有6 種，全部由亞克力板粘接，在物料盒的底部分別安裝有2 片扇葉，當(dāng)抽滑板滑過物料盒時(shí)，扇葉自動(dòng)展開，碎屑集合體從物料盒中開始自由下落。底板是由2 塊尺寸為2 m×1 m 的亞克力板組成。在底板下面設(shè)置鋼肋以用來減小亞克力板的受力變形，并確保鋼肋設(shè)置在碎屑集合體的落點(diǎn)重心處。監(jiān)測系統(tǒng)主要是1 臺(tái)850 幀率的高速攝影機(jī)和一臺(tái)高清相機(jī)，用來記錄碎屑體的運(yùn)動(dòng)過程和整體試驗(yàn)過程。此外在Y軸負(fù)方向一側(cè)懸掛1 塊亞克力板，走向平行于X軸方向，用來輔助觀察側(cè)向高速攝影所記錄的碎屑集合體的自由下落、撞擊、運(yùn)動(dòng)等過程。

圖1 試驗(yàn)裝置圖Fig.1 Diagram of the experimental setup

1.2 試驗(yàn)方案

本次試驗(yàn)主要考慮碎屑集合體的顆粒粒徑大小、體積、下落高度對(duì)碎屑集合體撞擊和停積過程運(yùn)動(dòng)學(xué)特征的影響。碎屑集合體為石英砂，本次試驗(yàn)共采用5 種粒徑大小的石英砂，分別是0.1～0.25 mm、0.25～0.5 mm、0.5～1 mm、1～2 mm、2～5 mm（圖2）。物料盒為立方體，具有6 種尺寸，用以控制不同體積的碎屑集合體，體積分別是8，27，64，125，216，512 cm3。

圖2 試驗(yàn)用碎屑集合體Fig.2 Grains aggregation used in test

設(shè)置了7 種下落高度，分別為0.6，0.7，0.8，0.9，1.0，1.1，1.2 m。本文具體試驗(yàn)方案見表1。

表1 試驗(yàn)方案Table 1 Test plans

1.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方法

下面以任意一組試驗(yàn)過程為例說明試驗(yàn)結(jié)果的數(shù)據(jù)獲取和參數(shù)計(jì)算。

圖3 為高速攝影機(jī)正面拍攝的碎屑體在剛接觸底板以及隨后的一系列運(yùn)動(dòng)過程，利用PIVlab 對(duì)這些正面高速攝影照片進(jìn)行碎屑流運(yùn)動(dòng)速度的計(jì)算，觀察碎屑流的運(yùn)動(dòng)變化過程[22?23]。因?yàn)楦咚贁z影的幀速率為850 幀/s，故根據(jù)每一擴(kuò)散范圍與剛接觸底板的幀數(shù)之差便可以得出擴(kuò)散的時(shí)間，進(jìn)而可以定量比較在相同擴(kuò)散范圍內(nèi)的運(yùn)動(dòng)速度大小。

圖3 碎屑集合體運(yùn)動(dòng)過程正視圖Fig.3 Plan views of the motion of grains aggregation

碎屑集合體運(yùn)動(dòng)停止之后，利用高清相機(jī)拍攝最終堆積的圖像，通過傾斜攝影測量軟件生成數(shù)字表面模型照片（以下簡稱為DSM）和正射影像照片，見圖4。獲取DSM 后結(jié)合MATLAB 程序獲得最大堆積厚度點(diǎn)處沿Y軸方向剖面，見圖5（a）。

圖4 傾斜攝影測量法獲取的照片F(xiàn)ig.4 Photograph obtained by oblique photogrammetry

圖5 數(shù)據(jù)處理獲取的圖像Fig.5 Photograph obtained by data processing

通過觀察碎屑集合體的運(yùn)動(dòng)堆積過程，發(fā)現(xiàn)碎屑集合體存在不同堆積形態(tài)，故本文將碎屑集合體的堆積分為主體堆積與離散堆積。主體堆積是指顆粒之間相互接觸在一起；離散堆積是指顆粒之間不存在相互接觸，單獨(dú)顆粒堆積或局部零星接觸。對(duì)于每一組試驗(yàn)工況，利用圖像處理軟件將正射影像照片進(jìn)行二值化處理[24]，再通過MATLAB 程序提取主體運(yùn)動(dòng)距離與主體覆蓋面積，提取結(jié)果圖像如圖5（b）所示。為減小試驗(yàn)誤差，所有工況的二值化處理過程采用統(tǒng)一閾值，提取在4 個(gè)方向上白色像素值95%所能到達(dá)的距離，覆蓋面積即是方向上運(yùn)動(dòng)距離所包圍區(qū)域內(nèi)白色像素值的大?。恢黧w運(yùn)動(dòng)距離即是這方向上運(yùn)動(dòng)距離的平均值。

對(duì)于離散堆積，堆積不能連成一片，故在閾值處理中將離開碎屑流主體的顆粒過濾，因此本文所提的運(yùn)動(dòng)距離與覆蓋面積皆是碎屑流主體堆積面積和主體運(yùn)動(dòng)距離，即顆粒能夠堆疊、接觸在一起的，不包括單獨(dú)顆粒堆積，具體堆積現(xiàn)象如圖4所示，紅線表示主體堆積輪廓，紅線與黃線之間則表示顆粒離散堆積，未能連成一片堆積，閾值處理過程中則可能被過濾。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 碎屑流運(yùn)動(dòng)與堆積過程基本特征

首先通過體積最大工況（G6 工況）的側(cè)面高速攝影圖像來具體描述本文中碎屑集合體撞擊底板、沿底板運(yùn)動(dòng)、堆積的全過程。碎屑集合體釋放后，首先開始進(jìn)行自由落體運(yùn)動(dòng)，底部最先撞擊底板，見圖6（a）；由于較高處碎屑集合體還處于自由落體下落狀態(tài)，故較高處顆粒與較低處顆粒擠壓形成剪切面，較高處顆粒進(jìn)行下沉運(yùn)動(dòng)，同時(shí)沿著剪切面運(yùn)動(dòng)，也會(huì)擠壓推動(dòng)較低處顆粒向前運(yùn)動(dòng)，見圖6（b）。當(dāng)碎屑集合體的下沉運(yùn)動(dòng)停止后，較高處顆粒在自由落體勢能所轉(zhuǎn)換的動(dòng)能作用下繼續(xù)沿著剪切面運(yùn)動(dòng)并擠壓推動(dòng)較低處顆粒向前運(yùn)動(dòng)，見圖6（c），黃色箭頭表示剪切面。當(dāng)碎屑集合體在剪切面上的運(yùn)動(dòng)停止時(shí)，最前緣的顆粒仍會(huì)繼續(xù)向前運(yùn)動(dòng)一段時(shí)間，見圖6（d）；直至運(yùn)動(dòng)停止，最后的堆積狀態(tài)見圖6（e）。碎屑集合體運(yùn)動(dòng)過程中顆粒會(huì)出現(xiàn)滾動(dòng)、跳躍、滑動(dòng)等運(yùn)動(dòng)方式，具體如圖6（c）所示，紅色線表示顆粒的跳躍運(yùn)動(dòng)，黃色線表示顆粒的滾動(dòng)與滑動(dòng)。

圖6 碎屑集合體運(yùn)動(dòng)過程側(cè)視圖Fig.6 Lateral views of the motion of grains aggregation

圖7 為碎屑集合體運(yùn)動(dòng)過程中表面形態(tài)的變化過程。碎屑集合體自由下落后撞擊底板，隨后碎屑集合體一邊下沉一邊向四周進(jìn)行較為均勻的擴(kuò)散，具體形態(tài)見圖7（a），碎屑集合體在向四周擴(kuò)散過程中會(huì)出現(xiàn)擠壓橫向脊這一流態(tài)運(yùn)動(dòng)特征，如圖7（b）中黃線所示，隨著擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的進(jìn)行，這些橫向脊會(huì)迅速變小，從而在碎屑集合體的表面出現(xiàn)X 型共軛脊，具體見圖7（c），這些X 型共軛脊會(huì)隨著擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的進(jìn)行逐漸變得不明顯。隨后碎屑集合體的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)出現(xiàn)主體運(yùn)動(dòng)基本停止，只有前緣的顆粒繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，見圖7（d）。圖7（d）中的紅線輪廓表示主體運(yùn)動(dòng)所到達(dá)的范圍，在此后的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)中，碎屑集合體的主體運(yùn)動(dòng)基本停止，堆積范圍基本確定，在隨后的運(yùn)動(dòng)中，主要以前緣零星顆粒的運(yùn)動(dòng)為主，顆粒之間的接觸不再緊密，前緣發(fā)生零星堆積現(xiàn)象直至最終運(yùn)動(dòng)停止，碎屑集合體的最終堆積表現(xiàn)形態(tài)見圖7（e）。

圖7 碎屑集合體表面形態(tài)變化過程Fig.7 The changing process of the grains aggregation’s surface morphology

2.2 最大堆積厚度變化規(guī)律

圖8 為粒徑大小、體積、下落高度與最大堆積厚度之間的變化規(guī)律誤差棒圖，其中誤差棒的大小可以反映重復(fù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)之間的差異性。從圖8（a）中可知0.1～0.25 mm、0.25～0.5 mm、0.5～1 mm 這三個(gè)粒徑大小中，粒徑越小，最大堆積厚度越大；但0.5～1 mm、1～2 mm、2～5 mm 這3 個(gè)粒徑大小中，粒徑越大，其最大堆積厚度越大，且最大堆積厚度均小于0.25～0.5 mm 粒徑的最大堆積厚度。粒徑大小與最大堆積厚度之間并沒有存在完全的線性規(guī)律；由圖8（b）中可知隨著體積的增大，碎屑集合體的最大堆積厚度隨之增大，兩者之間存在明顯的線性關(guān)系；圖8（c）為下落高度與最大堆積厚度之間的關(guān)系圖，可以看出兩者呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。

圖8 各試驗(yàn)工況下最大堆積厚度Fig.8 The maximum deposit thickness of every test condition

2.3 主體運(yùn)動(dòng)距離變化規(guī)律

圖9 為粒徑大小、體積、下落高度與主體運(yùn)動(dòng)距離之間的變化規(guī)律。由圖9（a）中可知粒徑大小與主體運(yùn)動(dòng)距離之間存在明顯的負(fù)相關(guān)規(guī)律。從圖9（b）中可以發(fā)現(xiàn)，隨著體積的增大，碎屑集合體的主體運(yùn)動(dòng)距離隨之增大；在圖9（c）下落高度試驗(yàn)工況中，可以看出在下落高度H=0.7 m 時(shí)，主體運(yùn)動(dòng)距離比H=0.6 m 遠(yuǎn)，但是隨后碎屑集合體的主體運(yùn)動(dòng)距離又降低；在H=1.0 m 時(shí)主體運(yùn)動(dòng)距離又增加，隨后又降低；在H=1.2 m 時(shí)，主體運(yùn)動(dòng)距離最小，并沒有發(fā)現(xiàn)下落高度與主體運(yùn)動(dòng)距離之間存在明顯的線性變化規(guī)律。

圖9 各試驗(yàn)工況下主體運(yùn)動(dòng)距離Fig.9 The main moving distance of every test condition

2.4 主體覆蓋面積變化規(guī)律

圖10 為各個(gè)試驗(yàn)工況與主體覆蓋面積之間的關(guān)系圖。從圖10（a）中可以看出，隨著粒徑大小的增大，碎屑集合體的主體覆蓋面積逐漸減小，這與主體運(yùn)動(dòng)規(guī)律一致，粒徑大小與主體覆蓋面積之間存在負(fù)相關(guān)規(guī)律；由圖10（b）可知，碎屑集合體體積與主體覆蓋面積之間存在正相關(guān)線性規(guī)律。由圖10（c）可知，當(dāng)下落高度H=0.6 m 和H=0.7 m 時(shí)，主體覆蓋面積呈增大趨勢，但隨后隨著下落高度的增加，主體覆蓋面積呈下降趨勢。碎屑集合體的下落高度與主體覆蓋面積之間總體上呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。

圖10 各試驗(yàn)工況下主體覆蓋面積Fig.10 The main covered area of every test condition.

2.5 擴(kuò)散時(shí)間變化規(guī)律

通過分析各個(gè)工況的正面高速攝影照片，發(fā)現(xiàn)碎屑集合體撞擊底板之后向四周擴(kuò)散，而且擴(kuò)散的趨勢相同。為比較不同試驗(yàn)工況下的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)速度，本文記錄了碎屑集合體撞擊底板后在2 個(gè)方向上運(yùn)動(dòng)相同距離范圍，包括10 cm×10 cm、20 cm×20 cm、30 cm×30 cm 等范圍的照片幀數(shù)（觀察發(fā)現(xiàn)當(dāng)超過30 cm×30 cm的范圍時(shí)，粒徑大小工況、下落高度工況以及體積工況中前三組體積較小的碎屑集合體顆粒之間的接觸開始變得松散，有更多的顆粒單獨(dú)堆積，無法統(tǒng)一確定界限，故只比較上述幾個(gè)范圍，這并不代表碎屑集合體最后的堆積范圍）。

從圖11 中可以看出，在粒徑大小變化試驗(yàn)工況中，在相同的擴(kuò)散范圍中，隨著粒徑的增大，碎屑集合體的擴(kuò)散時(shí)間隨之增大，兩者之間存在正相關(guān)規(guī)律；在體積變化試驗(yàn)工況中，隨著體積的增大，碎屑結(jié)合體的擴(kuò)散時(shí)間隨之減小而且擴(kuò)散范圍隨著體積的增大而增大。當(dāng)體積大于等于64 cm3（即邊長為4 cm）時(shí)擴(kuò)散時(shí)間明顯減少，如當(dāng)碎屑集合體的體積為512 cm3（邊長為8 cm）時(shí)，主體擴(kuò)散范圍可以達(dá)到60 cm×60 cm，而當(dāng)碎屑集合體的體積小于64 cm3時(shí)，主體擴(kuò)散范圍最大為30 cm×30 cm；同理，在下落高度變化試驗(yàn)工況中，下落高度與擴(kuò)散時(shí)間存在負(fù)相關(guān)變化規(guī)律。

圖11 各試驗(yàn)工況下擴(kuò)散時(shí)間Fig.11 The diffusion time of every test condition

3 討論

3.1 碎屑集合體運(yùn)動(dòng)規(guī)律分析

對(duì)碎屑集合體撞擊底板后的運(yùn)動(dòng)擴(kuò)散正面高速攝影圖像進(jìn)行PIVlab 分析后（圖12），可以發(fā)現(xiàn)在運(yùn)動(dòng)擴(kuò)散過程中最前緣的顆粒速度最大，從前緣到重心位置速度呈減小趨勢，我們認(rèn)為這主要是因?yàn)閯?dòng)量傳遞的作用。結(jié)合2.1 節(jié)中關(guān)于本試驗(yàn)中碎屑流的運(yùn)動(dòng)過程的描述，我們發(fā)現(xiàn)顆粒沿剪切面運(yùn)動(dòng)過程中，產(chǎn)生擠壓推動(dòng)作用導(dǎo)致顆粒之間發(fā)生相互碰撞，將部分動(dòng)量傳遞給較前部顆粒致使運(yùn)動(dòng)前緣顆粒速度較快[25?26]，能夠運(yùn)動(dòng)更遠(yuǎn)距離甚至在主體運(yùn)動(dòng)基本停止、主體覆蓋面積基本確定時(shí)，前緣顆粒繼續(xù)向前運(yùn)動(dòng)發(fā)生離散堆積。

圖12 G6 工況擴(kuò)散速度云圖Fig.12 The velocity field diagrams of G6

3.2 碎屑集合體堆積特征與擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)規(guī)律分析

通過觀察不同試驗(yàn)工況下碎屑集合體撞擊底板、運(yùn)動(dòng)擴(kuò)散后的堆積現(xiàn)象，我們發(fā)現(xiàn)其具有一些普遍堆積特征。下面以圖7（G6 工況）為例來具體說明。

碎屑集合體的堆積包括主體堆積和離散堆積兩部分，如圖7（e）中的紅色和黃色輪廓。主體堆積中顆粒接觸緊密，大部分顆粒處在主體堆積區(qū)；離散堆積中顆粒接觸不緊密，相互不能連接在一起，只有少部分顆粒處于離散堆積區(qū)。碎屑集合體的堆積總體上呈中間厚、四周薄，從堆積重心到邊緣，厚度逐漸減小，厚度具體如圖13所示。碎屑集合體的堆積形態(tài)在撞擊底板后的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)初期呈近圓形，見圖7（a）（b）；隨著擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的進(jìn)行其形態(tài)呈近菱形，見圖7（c）（d）（e）。這主要是由于顆粒之間的碰撞、摩擦以及與底板之間的摩擦等耗能過程導(dǎo)致。

圖13 G6 工況沿Y 軸剖面Fig.13 The profile along Y axis of G6

通過圖7 正面高速攝影照片，可以發(fā)現(xiàn)其表面有橫向脊，X 型共軛脊出現(xiàn)，見圖7（c）。王玉峰等[27]在研究高速遠(yuǎn)程滑坡時(shí)發(fā)現(xiàn)過這種流態(tài)化堆積現(xiàn)象，并分析認(rèn)為橫向脊是由于擠壓作用形成，X 型共軛脊是擠壓作用與徑向擴(kuò)散共同作用的結(jié)果，并提出一種共軛剪切模型來解釋這種現(xiàn)象。通過高速攝影發(fā)現(xiàn)擠壓橫向脊以及X 型共軛脊出現(xiàn)在碎屑顆粒的運(yùn)動(dòng)擴(kuò)散過程中。碎屑顆粒的運(yùn)動(dòng)擴(kuò)散過程包括顆粒沿?cái)D壓所形成的剪切面運(yùn)動(dòng)、顆粒間相互碰撞擠壓作用等，這些現(xiàn)象是碎屑集合體撞擊底板擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)過程中的力學(xué)過程所導(dǎo)致。

由圖8（b）可明顯看出：同一粒徑的碎屑集合體，從同一高度自由撞擊底板后的最大堆積厚度隨著體積的增大而增大。從3.1 節(jié)的分析已知碎屑集合體撞擊底板后的運(yùn)動(dòng)堆積主要是顆粒沿著剪切面運(yùn)動(dòng)并擠壓較低處顆粒向前運(yùn)動(dòng)的結(jié)果，堆積厚度便從中心開始逐漸降低，本試驗(yàn)中碎屑集合體的體積越大，高度也就越大，所含的顆粒越多，在撞擊一瞬間有更多的顆粒堆積在底板，形成剪切面的高度也就越大，故最大堆積厚度也就越大，見圖14 中最小體積與最大體積的主體堆積側(cè)視高速照片。

圖14 最小體積與最大體積工況主體堆積側(cè)視圖Fig.14 Lateral views of the main deposit in minimum and maximum volume

從圖8（c）中可以發(fā)現(xiàn)：碎屑集合體的最大堆積厚度隨著下落高度的增大而減小。Utili 等[28]通過數(shù)值模擬柱狀崩塌試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)勢能損失主要是由于運(yùn)動(dòng)過程中動(dòng)能變化造成的。De Blasio 等[21]在研究巖崩能量轉(zhuǎn)化時(shí)認(rèn)為巖崩的勢能約80%轉(zhuǎn)化為動(dòng)能；因此我們認(rèn)為下落高度越大，碎屑集合體的重力勢能越大，轉(zhuǎn)化的動(dòng)能越大，碎屑集合體中的顆?？梢赃\(yùn)動(dòng)得更遠(yuǎn)，有更多的顆粒發(fā)生離散堆積，碎屑顆粒所在的范圍越大，故最大堆積厚度變小。

圖11 中通過記錄擴(kuò)散時(shí)間來定量比較在相同擴(kuò)散范圍內(nèi)的運(yùn)動(dòng)速度大小。在相同的擴(kuò)散范圍內(nèi)，擴(kuò)散時(shí)間越長，表明碎屑集合體的運(yùn)動(dòng)速度越小。從圖11 可以發(fā)現(xiàn)，在10 cm×10 cm 范圍內(nèi)各個(gè)工況的擴(kuò)散時(shí)間很接近，觀察研究發(fā)現(xiàn)碎屑集合體撞擊底板時(shí)，碎屑集合體的覆蓋范圍接近10 cm×10 cm，導(dǎo)致顯示出來的擴(kuò)散時(shí)間很短，各個(gè)試驗(yàn)工況下在10 cm×10 cm范圍內(nèi)各個(gè)粒徑大小的擴(kuò)散時(shí)間很接近，差異不是特別明顯。

從圖9（a）、圖10（a）以及圖11（a）中可以看出隨著粒徑的增大，碎屑集合體的主體運(yùn)動(dòng)距離、主體覆蓋面積以及運(yùn)動(dòng)速度均減小。通過觀察F1 工況以及F5 工況的側(cè)視高速攝影可以發(fā)現(xiàn)，見圖15。顆粒粒徑越大，撞擊底板之后，拋灑的碎屑顆粒占總顆粒數(shù)的比值越大，顆粒運(yùn)動(dòng)更加紊亂，最后離散堆積、不能夠接觸在一起的顆粒堆積得越多，主體堆積的運(yùn)移距離減小，覆蓋面積減小。不同粒徑大小的碎屑集合體，在相同體積和相同下落高度條件下撞擊底板后，拋灑的碎屑顆粒占總顆粒數(shù)的比值越大，則拋灑的碎屑顆粒的動(dòng)能占總動(dòng)能的比值越大，碎屑集合體中緊密接觸在一起的動(dòng)能相應(yīng)減小，運(yùn)動(dòng)速度減慢。

圖15 最小粒徑與最大粒徑工況側(cè)向高速攝影圖像Fig.15 Lateral high-speed photography of the minimum and maximum grain sizes

從圖9（b）、圖10（b）以及圖11（b）中可以看出，相同粒徑大小的試驗(yàn)工況，隨著體積的增大，碎屑集合體的主體運(yùn)動(dòng)距離和覆蓋面積均增大，運(yùn)動(dòng)速度加快。碎屑集合體撞擊底板以及運(yùn)動(dòng)、堆積過程中能量主要包括勢能、撞擊底板的振動(dòng)信號(hào)能量、底板消耗的能量、運(yùn)動(dòng)過程中的摩擦耗能、動(dòng)能[29?31]，其中動(dòng)能的占比是最大的，因此在相同粒徑大小、相同下落高度條件下，體積越大，勢能轉(zhuǎn)化的動(dòng)能也就越大，碎屑集合體運(yùn)動(dòng)的越遠(yuǎn)，堆積的覆蓋面積越大，運(yùn)動(dòng)速度越快。碎屑集合體的這一特征跟高速遠(yuǎn)程滑坡中的體積效應(yīng)具有相似性[32?33]，即在高速遠(yuǎn)程滑坡中，體積越大，滑坡的運(yùn)動(dòng)速度越快，滑移距離越遠(yuǎn)。

在圖9（c）、圖10（c）以及圖11（c）中可以看出，碎屑集合體的下落高度與主體運(yùn)動(dòng)距離之間并沒有呈現(xiàn)明顯的線性規(guī)律，大體上呈隨著下落高度增加主體覆蓋面積減小的趨勢，此外下落高度越大，運(yùn)動(dòng)速度越快。隨著下落高度增加，碎屑集合體的動(dòng)能相應(yīng)增加，故運(yùn)動(dòng)速度增快，同時(shí)顆粒運(yùn)動(dòng)更加紊亂，有更多的顆粒會(huì)離散堆積，接觸在一起的顆?？倲?shù)就會(huì)減小，主體堆積的面積會(huì)減小，故主體覆蓋面積減小，如圖16所示。主體運(yùn)動(dòng)距離是4 個(gè)方向取平均值，隨著下落高度增加，顆粒運(yùn)動(dòng)紊亂加劇，平均值的選取有可能出現(xiàn)較大偏差，故在此方法下主體運(yùn)動(dòng)距離與下落高度之間的規(guī)律不是特別明顯。

圖16 最小和最大下落高度堆積體正射影像圖Fig.16 The orthophotos of deposit in minimum and maximum drop height

3.3 控制條件對(duì)碎屑集合體堆積特征的影響分析

陳陸望等[34]、周輝等[35]在研究各控制條件對(duì)相似材料特性的影響程度時(shí)通過計(jì)算極差以及標(biāo)準(zhǔn)差來進(jìn)行判斷。各控制條件下堆積特征的標(biāo)準(zhǔn)差與極差越大，表明該控制條件對(duì)堆積特征的影響程度越大。分別計(jì)算極差與標(biāo)準(zhǔn)差可以相互驗(yàn)證結(jié)論，為使結(jié)論更加科學(xué)、準(zhǔn)確，故在進(jìn)行極差與標(biāo)準(zhǔn)差的分析中，粒徑大小，體積，下落高度的變化范圍均采用5 個(gè)變化范圍。

極差R以及標(biāo)準(zhǔn)差σ的具體數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

式中：Xi—各物理參數(shù)；

μ—同一因素不同水平下各物理參數(shù)的均值。

各控制條件下堆積特征的標(biāo)準(zhǔn)差值和極差值如表2所示。

通過觀察表2 可知，標(biāo)準(zhǔn)差與極差具有一致性，如在各控制條件對(duì)最大堆積特征的影響程度上，標(biāo)準(zhǔn)差值最大的控制條件為體積，同時(shí)體積控制條件下的極差值也最大。體積對(duì)最大堆積厚度、主體運(yùn)動(dòng)距離以及主體覆蓋面積的標(biāo)準(zhǔn)差和極差都是最大的，其次是粒徑大小，而下落高度對(duì)以上特征的標(biāo)準(zhǔn)差與極差都是最小的。故體積控制條件對(duì)最大堆積厚度、主體運(yùn)動(dòng)距離以及主體覆蓋面積的影響是最大的，其次是粒徑大小控制條件，下落高度控制條件的影響程度最小。此外還可以發(fā)現(xiàn)，體積控制條件下的最大堆積厚度的標(biāo)準(zhǔn)差約是下落高度控制條件下最大堆積厚度的26 倍；在主體運(yùn)動(dòng)距離的對(duì)比中，體積控制條件的標(biāo)準(zhǔn)差約是下落高度的標(biāo)準(zhǔn)差的10 倍，由此可見，體積對(duì)碎屑集合體堆積特征的影響顯著大于下落高度對(duì)其的影響。

3.4 模型試驗(yàn)與真實(shí)高位碎屑流的聯(lián)系

真實(shí)高位碎屑流一般都存在滑源區(qū)、流通區(qū)與堆積區(qū)[14?16]，本文中的碎屑集合體經(jīng)自由落體下落，底部撞擊底板運(yùn)動(dòng)后，擠壓形成剪切面，較高處顆粒下沉運(yùn)動(dòng)同時(shí)伴隨著擠壓推動(dòng)較低處顆粒向前運(yùn)動(dòng)，隨后碎屑集合體的下沉運(yùn)動(dòng)停止，這一階段類似于真實(shí)高位碎屑流的滑源區(qū)；當(dāng)下沉運(yùn)動(dòng)停止之后，較高處顆粒在勢能所轉(zhuǎn)化的動(dòng)能作用下繼續(xù)沿著剪切面運(yùn)動(dòng)并擠壓推動(dòng)較低處顆粒向前運(yùn)動(dòng)直至在剪切面上的運(yùn)動(dòng)停止，這一階段類似于真實(shí)高位碎屑流的流通區(qū)；當(dāng)顆粒在剪切面上的運(yùn)動(dòng)停止之后，最前緣顆粒仍會(huì)繼續(xù)向前運(yùn)動(dòng)，這一階段類似于真實(shí)高位碎屑流的堆積區(qū)。通過觀察真實(shí)高位碎屑流的縱向剖面可以發(fā)現(xiàn)其厚度自源區(qū)至堆積區(qū)總體上呈減小趨勢，這一現(xiàn)象與本文中得出的厚度剖面規(guī)律一致，即自堆積重心至邊緣厚度逐漸減小。

4 結(jié)論

（1）碎屑集合體撞擊底板后的運(yùn)動(dòng)擴(kuò)散過程主要為：底部最先撞擊底板，較高處顆粒與較低處顆粒擠壓形成剪切面，隨后較高處顆粒一邊進(jìn)行下沉運(yùn)動(dòng)，一邊沿著剪切面運(yùn)動(dòng)。在顆粒沿著剪切面運(yùn)動(dòng)過程中，顆粒擠壓推動(dòng)較低處顆粒向前運(yùn)動(dòng)，從而導(dǎo)致碎屑集合體向四周進(jìn)行擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。

（2）在碎屑集合體撞擊底板后的運(yùn)動(dòng)過程中，由于前緣顆粒與后緣顆粒之間存在動(dòng)量傳遞，導(dǎo)致前部顆粒速度更快，運(yùn)動(dòng)距離更遠(yuǎn)從而產(chǎn)生離散堆積現(xiàn)象。

（3）自堆積重心至邊緣，堆積厚度逐漸減?。欢逊e形態(tài)在運(yùn)動(dòng)初期呈近圓形，隨著運(yùn)動(dòng)過程形態(tài)發(fā)生變化，最終形態(tài)呈近菱形。碎屑集合體運(yùn)動(dòng)擴(kuò)散過程中的力學(xué)過程是產(chǎn)生橫向脊、X 型共軛脊的原因。

（4）碎屑集合體的粒徑越小，體積越大，其主體運(yùn)動(dòng)距離、主體覆蓋面積越大、其運(yùn)動(dòng)速度越快；體積與最大堆積高度之間存在正相關(guān)關(guān)系，即體積越大，最大堆積高度越大；下落高度越小，其最大堆積厚度越大，運(yùn)動(dòng)速度越慢，下落高度與主體覆蓋面積總體上呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。

（5）在粒徑大小、體積、下落高度控制條件中，體積控制條件對(duì)碎屑集合體的堆積特征（最大堆積厚度、主體運(yùn)動(dòng)距離、主體覆蓋面積）影響最大，粒徑大小其次，下落高度影響最小。