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        基于物理模型實驗的高速遠(yuǎn)程滑坡碎屑流堆積特征分析

        2023-06-29 05:54:55任雨欣喻志鵬
        四川建筑 2023年2期
        關(guān)鍵詞:斜槽堆積體碎屑

        任雨欣 喻志鵬

        高速遠(yuǎn)程滑坡往往具有強(qiáng)烈的災(zāi)害性,對人類的生命財產(chǎn)安全產(chǎn)生極大的威脅,其成因機(jī)理和運(yùn)動機(jī)理研究一直是國內(nèi)外滑坡地質(zhì)災(zāi)害學(xué)者研究的熱點(diǎn)問題。介紹斜槽物理模型實驗,通過在運(yùn)動區(qū)及停積區(qū)底面鋪設(shè)不同覆蓋材料以實現(xiàn)不同的停積條件,對不同停積條件下顆粒流堆積特征進(jìn)行分析。實驗結(jié)果表明:顆粒流堆積體表面可見橫向脊、側(cè)緣堤展布,堆積體內(nèi)部有推擠褶皺出現(xiàn),停積條件對堆積體的表面特征和內(nèi)部特征均有影響,堆積體的形態(tài)特征與堆積體內(nèi)部顆粒的剪切作用有關(guān)。

        高速遠(yuǎn)程滑坡; 物理模型實驗; 顆粒流; 堆積特征; 停積條件

        P642.22 A

        [定稿日期]2022-02-04

        [作者簡介]任雨欣(1997—),女,碩士,研究方向為高速遠(yuǎn)程滑坡運(yùn)動機(jī)理;喻志鵬(1996—),男,碩士,研究方向為環(huán)境工程地質(zhì)、巖土施工技術(shù)。

        高速遠(yuǎn)程滑坡具有巨大的體積、極快的運(yùn)動速度、超長的運(yùn)動距離、多樣的運(yùn)動形式、強(qiáng)大的能量和異常高的流動性,是一種十分嚴(yán)重的地質(zhì)災(zāi)害,常造成巨大的社會危害[1-3]。高速遠(yuǎn)程滑坡的滑體在下滑過程中破碎分解為大小不同的碎屑顆粒,形成碎屑流并高速運(yùn)動,主要運(yùn)動形式為流態(tài)化運(yùn)動[4]。流態(tài)化運(yùn)動主要反映在堆積體表面和剖面上,表面上有堆積脊、堆積丘等特征;剖面上主要有推擠褶皺、斷層、層序保留、反粒序等特征[5-7]。

        高速遠(yuǎn)程滑坡動力學(xué)過程研究中,物理模型實驗發(fā)揮重要作用,通過簡化的工程地質(zhì)模型,實現(xiàn)可控的實驗條件,從而用于研究不同因素對滑坡運(yùn)動及堆積特征的影響規(guī)律。Manzella 等[8]設(shè)計斜板試驗裝置,研究分析不同條件下的碎屑流的運(yùn)動特征。王畯才等[9]利用室內(nèi)物理模型試驗,模擬了滑坡碎屑流的滑動和堆積過程,對滑坡碎屑流堆積物的分布規(guī)律進(jìn)行了分析。

        顆粒材料會在一定條件下呈現(xiàn)出類似于流體的流動行為。因此,已有研究中常用顆粒材料模擬碎屑流的運(yùn)動過程[4]。本文通過設(shè)計物理模型試驗,在運(yùn)動區(qū)及停積區(qū)底面設(shè)置不同覆蓋材料以實現(xiàn)不同的停積條件,對各工況下的顆粒流堆積體特征進(jìn)行研究,研究結(jié)果對揭示高速遠(yuǎn)程滑坡遠(yuǎn)程運(yùn)動機(jī)理和高速遠(yuǎn)程滑坡野外考察具有重要指導(dǎo)作用。

        1 實驗方法

        1.1 模型試驗裝置設(shè)計

        本研究選擇施加側(cè)向約束的斜槽實驗裝置,如圖1所示。其中,供料區(qū)模擬滑坡源區(qū),斜槽模擬運(yùn)動區(qū),水平堆積槽模擬停積區(qū)。

        模型槽尺寸如圖1所示。模型槽側(cè)板與底板均采用亞克力材料制作,斜槽與水平堆積槽通過活動鉸鏈連接,斜槽傾角設(shè)置為40°。供料區(qū)采用豎直擋板,通過旋轉(zhuǎn)式開關(guān)釋放物料。

        1.2 實驗材料及工況設(shè)計

        依據(jù)高速遠(yuǎn)程滑坡碎屑流的特征,碎屑流堆積體顆粒多為粒徑不一的棱角狀。在物理模型實驗中,相似材料往往采用不規(guī)則形態(tài)的巖石礦物顆粒,使實驗中的顆粒流的運(yùn)動特征、物理力學(xué)性質(zhì)更貼近原型滑坡。實驗采用0.5~1 mm粒徑的石英砂顆粒,其密度較為貼近自然界一般脆性巖石材料且物理化學(xué)性質(zhì)相對穩(wěn)定,并用丙烯顏料對石英砂進(jìn)行染色。實驗中將源區(qū)顆粒按體積平均分成上、中、下3層,每層使用顏色不同的石英砂顆粒,每次實驗顆??偭繛? L,每層體積為1.67 L。填料時分層填入,待一層顆粒抹至水平后再填入上層顆粒。

        本實驗針對不同停積條件對顆粒流堆積特征的影響進(jìn)行研究。設(shè)置豎直擋板并添加旋轉(zhuǎn)式開關(guān)以模擬滑坡-碎屑流失穩(wěn)條件,通過在運(yùn)動區(qū)及停積區(qū)底面鋪設(shè)不同覆蓋材料以實現(xiàn)不同的停積條件。共設(shè)計4個實驗工況,如表1所示。

        1.3 實驗數(shù)據(jù)監(jiān)測

        實驗數(shù)據(jù)監(jiān)測方法如表2所示。

        2 實驗結(jié)果分析

        2.1 堆積體表面特征分析

        根據(jù)圖2所示,4種工況下顆粒流堆積體均呈舌形,表面有下層顆粒出露。A1、A2和A3工況顆粒流堆積體表面特征較為相似,中下層顆粒呈朝向堆積體前緣的弧形出露,隨著停積區(qū)粗糙度增大,堆積體表面中層顆?;⌒纬雎对龆?,且顆粒流堆積體表面顆粒混合程度增大。A4工況表面顆?;旌隙容^大,上層顆粒在斜槽與水平堆積槽鏈接處出現(xiàn)脫節(jié)。A1工況堆積體兩側(cè)有下層顆粒出露。

        根據(jù)傾斜攝影測量法的計算結(jié)果,使用Matlab生成堆積體高程圖,堆積體的表面地貌形態(tài)特征如圖3所示。A1、A2和A3工況堆積體表面均發(fā)育較為明顯的橫向脊,主要展布在堆積體中后部,A4工況表面平滑無橫向脊發(fā)育。A1、A2和A3工況下隨著停積區(qū)粗糙度增大,堆積體高程增大,堆積體分布范圍減小,橫向脊展布增多且間距變小。在A1工況下堆積體前緣兩側(cè)有側(cè)緣堤展布,A3工況堆積體后緣有一條規(guī)模較大的溝谷發(fā)育。

        2.2 堆積體剖面特征分析

        使用Matlab生成堆積體縱剖面圖,可直觀地觀測到堆積體的長度、厚度、堆積范圍等堆積特征,如圖4所示。

        A1和A2工況剖面形狀較為相似,均為弓形,堆積體有一個厚度極值,A1工況堆積體長而薄,A2工況堆積體短而厚;A3工況堆積體為雙峰型,雙峰之間與圖3中溝谷對應(yīng);A4工況剖面形狀為楔形,大部分顆粒停積在斜槽上。A1工況下顆粒全部堆積在水平槽上,A2、A3、和A4工況在斜槽上均有顆粒堆積。停積區(qū)底面粗糙時,少量顆粒堆積于斜槽上;停積區(qū)底面為松散覆蓋層時,小部分顆粒堆積于斜槽上;運(yùn)動區(qū)底面粗糙時,大部分顆粒堆積于斜槽上。A1、A2和A3工況中,隨著停積區(qū)粗糙程度增大,堆積體在水平槽上的堆積體長度減小,水平槽上堆積體最大厚度值增大。

        對堆積體采用淋濾切割法并通過全景拍攝獲取顆粒堆積體的內(nèi)部剖面特征,如圖5所示。4種工況下,堆積體內(nèi)部出現(xiàn)顆?;旌系颈3衷磪^(qū)顆粒的層序關(guān)系。A1、A2和A3工況內(nèi)部結(jié)構(gòu)相似,有褶皺展布,A4工況無褶皺出現(xiàn),且顆?;旌隙容^高。A1、A2和A3工況隨著停積區(qū)粗糙度增大,堆積體內(nèi)部褶皺展布更集中,且波長減小,波幅增大。

        3 討論

        顆粒流在進(jìn)入停積區(qū)后,坡度變緩,顆粒流底部所受摩阻力增大,開始減速并在水平槽上堆積。堆積過程中,前端顆粒流先到達(dá)停積區(qū),下滑力降低和底部摩阻力增大,前端顆粒流運(yùn)動速度開始減慢,后部顆粒開始推擠前部顆粒,在內(nèi)部產(chǎn)生推擠作用并形成褶皺。如圖2、圖3所示,堆積體內(nèi)部褶皺軸線所在位置為堆積體表面中下層顆粒出露位置,也是橫向脊所在位置,表明因滑體內(nèi)部推擠而形成橫向脊。A3工況下,顆粒流前緣推擠底面松散覆蓋層運(yùn)動,產(chǎn)生“刮鏟效應(yīng)”,顆粒流前部顆粒速度急劇降低,前部顆粒停止運(yùn)動后形成堆積體,后部顆粒在前方堆積體后緣上繼續(xù)堆疊,形成雙峰。

        在A1工況中,顆粒流堆積體兩側(cè)有側(cè)緣堤出現(xiàn),且根據(jù)圖2中A1工況可知,側(cè)緣堤主要為中下層顆粒出露。在顆粒減速堆積時,后部顆粒推擠前部顆粒,后部顆粒速度逐漸減小,而前部顆粒獲得后部顆粒的能量后繼續(xù)向前運(yùn)動,運(yùn)動過程中下部顆粒受底部摩阻力減速,上部顆粒繼續(xù)運(yùn)動。在此過程中,底部顆粒被推擠到兩側(cè),并在有側(cè)向約束的水平槽兩側(cè)堆積。但側(cè)緣堤僅在A1工況,即運(yùn)動區(qū)底面光滑、停積區(qū)底面光滑的情況下發(fā)育,表明側(cè)緣堤多在滑體所受摩阻力較小的情況下出現(xiàn)。

        4種工況的堆積體剖面上均能觀察到層序保留現(xiàn)象,說明運(yùn)動過程中顆粒未出現(xiàn)大面積的混合。顆粒流堆積體的混合程度與堆積體內(nèi)部顆粒的剪切作用有關(guān),在運(yùn)動區(qū)粗糙時,顆粒流下滑過程中下部顆粒所受摩阻力較大,上、下層顆粒速度差逐漸增大,內(nèi)部剪切作用增大,導(dǎo)致顆粒流混合程度增大。

        4 結(jié)論

        (1)運(yùn)動區(qū)光滑條件下,因后部顆粒推擠前部顆粒,堆積體表面形成橫向脊,甚至在停積區(qū)底面為松散覆蓋層時堆積體形成雙峰結(jié)構(gòu)。堆積體內(nèi)部仍存在層序保留現(xiàn)象,但有推擠褶皺出現(xiàn)。

        (2)停積條件對堆積體的表面特征和內(nèi)部特征均有影響。在運(yùn)動區(qū)光滑時,隨著停積區(qū)粗糙度增大,堆積體表面橫向脊展布增加,且間距變小,顆粒流堆積體表面顆?;旌铣潭仍龃?;內(nèi)部褶皺展布更集中,且波長減小,波幅增大。運(yùn)動區(qū)粗糙時,堆積體內(nèi)部顆粒混合程度較高,且無明顯褶皺。

        (3)根據(jù)顆粒流堆積特征,可以得出堆積體的形態(tài)特征與堆積體內(nèi)部顆粒的剪切作用有關(guān),剪切作用主要影響內(nèi)部顆粒的運(yùn)動,從而改變堆積體的形態(tài)特征。

        參考文獻(xiàn)

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