滑坡-碎屑流物理模型试验及运动机制探讨

郝明辉，许 强，杨 磊，杨兴国，周家文,

（1.四川大学 水力学与山区河流开发保护国家重点实验室，成都 610065；2.成都理工大学 地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，成都 610059）

1 引 言

高速远程滑坡-碎屑流是一种突发性地质灾害，其体积大、速度快和运动距离远往往会引发灾难性事故[1]，例如，1903年加拿大Frank 碎屑流，4×107m3的碎屑在30 s 内运动了2.5 km，造成超过10 000人遇难[2–3]。我国西南山区也是滑坡-碎屑流多发地区，华蓥溪口、头寨沟、鸡尾山以及汶川地震触发的牛圈沟、文家沟、东河口、大光包等滑坡-碎屑流均造成重大的人员、财产损失[2,4–6]。国内外学者进行了大量的现场调查、室内试验，却对其运动机制知之甚少，准确预测其致灾范围还非常困难[2]。

滑坡-碎屑流的概念是1882年由Heim 命名碎屑状、高速、远程、流态化的Elm 滑坡类型时首次提出，之后100 余年学者们提出了很多种经验性的假设来解释碎屑流的高速远程机制[1–2]。具有代表性的观点主要有3 类：（1）滑坡碎屑流内碎屑的孔隙被空气、粉尘、水等流体介质充填，降低了碎屑流与滑床的作用；（2）碎屑流内部碎屑通过碰撞进行能量传递，使得前端碎屑的运动距离更远；（3）碎屑流在消散压力的作用下体积膨胀，碎屑间距离增大，粒间作用减弱。理论需要事实支撑，现场调查和室内试验无疑是最有力的证据，但由于现场监测数据极难获得，模型试验成为碎屑流运动机制的研究中重要手段[1–2,7]。很多学者对滑动运动的动力过程开展了试验研究，如Manzell 等研究了材料体积、初始高度、滑床的坡度、坡脚连接等因素对运动特征的影响[1]；Okura[8]通过大型试验研究了体积对碎屑运动状态的影响；Anjia 等[9]研究了碎屑流与底部滑床的相互作用；Ugai 等[10]研究了碎屑在动静力条件下的运动状态；Yang 等[11]利用大型滑槽研究了碎屑前端速度的影响因素；Zhou 等[12]利用离散元对碎屑流的运动过程进行模拟；Valentino 等[13]利用离散元和滑槽试验相结合的方式研究了碎屑流对防护措施的作用力等。

滑坡碎屑流中颗粒物质特性、滑床特征以及阻挡形式对运动规律的影响较为复杂，Yang 等[11]在室内试验针对性的进行研究，利用滑槽试验研究碎屑流的运动机制。本次试验采用取自四川绵竹文家沟碎屑流现场的滑坡碎屑，重点研究了粒径、滑床糙率以及挑坎对其运动特性的影响，并基于试验结果结合碎屑颗粒材料力学特性，探讨了碎屑流出现流态化的原因和高速远程机制，以期加深对碎屑流运动机制的了解。

2 滑坡物理模型试验

2.1 试验装置

滑坡-碎屑流一般在运动过程中经历了启动、加速、减速和堆积3个阶段，本次试验装置设计了陡坡、缓坡和平坡三部分模拟碎屑流在不同阶段的运动情况，还考虑了滑床糙率、挑坎对滑坡碎屑流运动状态的影响，滑槽试验系统如图1 所示。

图1 试验滑槽结构尺寸示意图（单位：m）Fig.1 Sketch of structural size of the experimental flume for landslide-debris avalanche(unit:m)

如图1 所示：滑槽总长9.2 m，总高3.5 m，分为平坡段、缓坡段以及陡坡段三部分，平坡段长2.0 m，与地面平行；缓坡段长3.1 m 与水平面夹角为15º；陡坡段长4.1 m 与水平面夹角为41º。滑槽采用钢结构框架制作，槽宽0.4 m 深0.5 m。滑槽右侧边壁采用透明有机玻璃，左侧为不透明塑料板，以便观察滑坡碎屑在滑槽内的运动状态。顶部料斗（长×宽×高）为70 cm×40 cm×70 cm，底坡与水平面呈24º夹角，最大容量为154 L。放料时将仓门向上翻起，碎屑物质可顺利进入滑槽。

为方便观察滑坡碎屑的运动和堆积形态在有机玻璃边壁上沿滑槽方向绘制了10 cm×5 cm（长×宽）的刻度。试验中布置了4 台监控探头，2 台数码摄像机从不同角度观察碎屑在滑槽内的运动过程，试验系统总体布局见图1 中的三维效果图。

2.2 试验材料

文家沟滑坡-碎屑流位于四川省绵竹市清平乡绵远河左岸，距龙门山中央断裂带约4 km，该滑坡是由于汶川地震而触发的，遥感影像见图2(a)。文家沟碎屑流水平运动距离3.6 km，高差1 360 m，造成约80 人遇难，大量农家乐房屋被埋[2]。试验取样时间为2012年10 月，滑坡碎屑粒径级配较宽从数毫米至数米均有存在（见图2(b)），限于试验条件选样时剔除了粒径大于10 cm 的碎屑。碎屑为灰色石灰岩，属硬质岩，密度为2.62～2.68 g/cm3。由于5 mm 以下碎屑在试验时产生灰尘较大影响观察效果，本次仅进行了5～2、20～40 mm 和40～60 mm 三个组别的试验，见图2(c)～2(e)。

图2 文家沟滑坡堆积物及碎屑取样情况Fig.2 Landslide deposits of Wenjiagou gully and rock fragments used in experiments

2.3 试验设计

试验中，利用滑坡碎屑在滑槽中的运动来模拟滑坡-碎屑流在破碎后的运动状态，限于试验条件和监测手段，本次主要研究了碎屑粒径、滑床糙率（见图3(a)、3(b)）以及挑坎（见图3(c)）对运动特性的影响。具体试验方案设计见表1。

试验工况的设计主要为了分析不同条件下滑坡碎屑流运动特性的差别，其中S01～S03 采用滑坡碎屑的粒径分别为5～20、20～40、40～60 mm，研究碎屑粒径对运动特性的影响。S04、S06 在滑槽①②段内铺设垫面R1，S05、S07 铺设垫面R2，将试验结果与S01、S02 的结果进行对比研究滑床糙率对滑坡碎屑运动特性的影响，S08、S09 试验时在陡坡和缓坡连接处加设挑坎，研究挑坎对碎屑运动的影响。

图3 滑槽中铺设的垫层和挑坎Fig.3 Rough materials and scrap used in experimental flume

表1 滑坡试验设计Table 1 Experimental design for landslide

3 试验结果

3.1 粒径的影响

滑坡碎屑作为碎屑流的主要流通物，其粒径大小取决于岩体在运动过程中的破碎程度。岩体破碎取决于岩性、岩体构造以及受到的外力环境[4]，滑坡现场碎屑粒径范围较宽，从数厘米至数十厘米甚至长达数米的巨石均有存在。不同区域的碎屑流存在粒径差异，即使同一碎屑流中颗粒粒径也并不均匀，如牛圈沟碎屑流颗粒粒径主要分布为数厘米至十余厘米，而谢家店子碎屑流堆积物的粒径数厘米至数十厘米均有分布，表层甚至存在十余米的巨石[6]。粒径大小关系着碎屑的体积、能量以及运动形态，因此有必要研究粒径大小对滑坡碎屑运动状态的影响，图4(a)～4(c)分别为5～20、20～40、40～60 mm 的碎屑堆积物形态。

图4 不同粒径下滑坡碎屑堆积形态Fig.4 Shape of the landslide deposits under different particle diameters

从试验结果可以看出，粒径为5～20 mm 的碎屑从顶部滑落后的堆积物主要集中在-1.4～-2.7 m范围内，见图4(a)；粒径为20～40 mm 的碎屑堆积物主要集中在0～-1.4 m 范围内，见图4(b)；40～60 mm 组的碎屑均冲出滑槽，受到墙壁的阻挡后停积在墙边，见图4(c)。总体来看，试验结果显示滑坡碎屑流的运动距离随粒径增大而增加的趋势，与碎屑流的现场情况吻合，堆积物前端和边缘大粒径的碎屑比例相对较高，Claix 滑坡中甚至出现粒径1 m的巨石比主堆积体运动距离多100 余米[14]。通过现场观察与录像回放发现，碎屑的运动距离受前端碎屑运动距离的控制，当前端停积后，后续的碎屑仅少数能越过堆积物向前运动，多数依序向后堆积。

滑坡体颗粒物质组成对于其运动特性影响很大，这里只给出了单一粒径范围的滑坡试验结果。实际滑坡过程中颗粒的粒径分布范围很广，同时运动过程由于碰撞、破裂、坠落等作用，块体的粒径在不断演化，从而使滑坡运动过程的研究变得异常复杂。

3.2 滑床糙率的影响

图5 不同滑床糙率下滑坡碎屑堆积形态Fig.5 Shape of the landslide deposits under different bed roughnesses

高速远程滑坡碎屑流现场的地形起伏、岩性、坡积物以及植被等条件均有差异，甚至发生在特殊地区如冰川地区、外星球等[2]，因此滑床的糙率有很大差别。碎屑在坡面上的运动时，其运动状态必定受到滑床糙率的影响。本次试验中通过铺设R1、R2 两种不同粗糙度的人工材料来模拟滑床糙率的变化。图5 粒径为5～20 mm 和20～40 mm 两组碎屑在R1、R2 两种滑床上的堆积形态。

由试验结果可以看出，滑床糙率增后碎屑的运动距离明显减小。在R1 滑面上5～20 mm 碎屑主要堆积在-3.0～-4.3 m 范围内，与光滑底板（见图5(a)）相比整体运动距离减小了1.6 m 左右。铺设更为粗糙的R2时，滑坡碎屑的运动距离仅略微减小，约0.3 m。粒径20～40 mm 碎屑也表现出大致相同的规律，即在R1 上运动距离较光滑底板减少了约2.0 m，更换为R2 后减少约0.5 m。滑床糙率增加后，对5～20 mm 碎屑堆积物体型改变明显，由扁平状变为前缓后陡的流线型，对20～40 mm 的碎屑堆积形态改变不明显。

滑床糙率是影响滑坡运动状态的一关键因素，但已有的研究对此并没有非常重视，通常根据滑坡运动距离和高差的关系对其进行简单估算，这种估算结果和实际情况存在一定的差异。滑床糙率不仅受到地形地貌、岩土体地质特性的影响，同时对水的存在（包含水的含量）极其敏感，在运动过程中滑床摩擦系数动态的演化过程使得这一问题的研究变的更为困难。

3.3 挑坎的影响

本试验通过设置挑坎的方式来模拟剪出口。在陡坡与缓坡段连接处安装挑坎后，5～20 mm 与20～40 mm 组碎屑的堆积形态如图6 所示。

图6 设置挑坎后滑坡碎屑堆积形态Fig.6 Shape of the landslide deposits after scrap was added

从图6 可以看出，5～20 mm 组碎屑主要堆积在-2.0～-4.2 m 范围内；20～40 mm 组碎屑主要堆积在-0.9～-2.0 m 范围内，与未设置挑坎工况（S01、S02）结果相比两者的运动距离分别减少了1.0 m和0.6 m左右。分析录像发现，设置挑坎后滑坡碎屑运动距离减小主要有2个原因：一个是碎屑物质与挑坎的碰撞存在能量损失，另一个是加设挑坎后使碎屑物质运动方向与底板的交角更大，且落点区域重叠加剧了碎屑的碰撞。

4 碎屑流运动特性探讨

4.1 碎屑流动特性

滑坡-碎屑流的流动性是指滑坡碎屑在运动中表现出绕避障碍物、溅越、爬坡、波纹以及休止角减小等与流体类似的性质，这个特点由Heim 在1882年调查Elm 滑坡（瑞士）时首次发现，之后100 余年内一直是碎屑流领域研究的重点问题之一。碎屑在运动中的流动性也被认为是造成其高速远程的重要原因，学者们提出多种假设来解释这个奇特的现象。主要有两种主要的观点，一种是碎屑在运动过程中，碎屑内部被其他流体介质充填从而减弱碎屑颗粒间的相互作用，充填在碎屑内部的流体先后有空气、粉尘和水等；另种认为，碎屑在运动中受到来自于地面的剪切力，加剧了下部碎屑的碰撞作用，增加了碎屑间的实际距离，从而导致颗粒间相互作用的减弱。目前为止学术界尚未有统一认可的结论。

固体之所以表现出固定的体型是由于分子间距离小，黏聚力很大，而液体由于黏聚力很小，几乎不能承受拉应力，在微小外力的作用下则很容易发生变形或流动[15]。对颗粒状的碎屑而言，其黏聚力主要来源于颗粒间的相互作用，即力链[16]，要想探究碎屑流表现出流体性质的原因，不但应研究碎屑的黏聚力减小的原因，还需要研究保持碎屑“固态”需要的黏聚力。根据牛顿第二定律，单个碎屑要想改变其运动状态则周围碎屑需提供的合力F=ma（F为力的大小；m为质量；a为加速度），而高速运动的碎屑受到不平整滑床的激励，其运动状态极为紊乱，碎屑改变运动状态所需的合力，碎屑间的相互作用很难“及时”“正确”的提供，因此碎屑在高速运动中也就难以保持其“固态”特性了。例如，碎屑流在受到来自于障碍物的阻力时，形状就会发生改变，这也减弱了障碍物对碎屑整体的阻挡作用。处于边缘部位的碎屑，颗粒间的相互作用较中下部相对弱，因此也就不难理解碎屑流中会出现碎屑抛洒、溅越山脊等现象了。

4.2 高速远程机制

关于碎屑流高速远程的机制，研究学者们已提出空气润滑模型、颗粒流模型、能量传递模型、底部超孔隙水压模型、声波液化模型等[2]，本文仅讨论碎屑的材料特性对运动的影响。

高速远程滑坡碎屑流整个过程根据流通材料性质可分为滑坡和碎屑流2个阶段，滑坡阶段流通物主要为相对完整的岩体，碎屑流阶段流通物为岩体经过破碎后的碎屑。岩体经过破碎过程后，完整的岩体变为破碎的碎屑物质，流通物内部的传力机制也发生改变。滑坡阶段，当流通物受到外界的阻力时通过岩体的强度传递至整个岩体内部，因此能保持完整的形状。碎屑流阶段，流通物受到外部阻力时其通过碎屑颗粒间的相互作用传递。碎屑之间的力主要通过咬合、摩擦等方式来传递，远小于岩体的强度。虽然碎屑越紧密则咬合程度越好相应的内聚力就越大，但对于实际碎屑来说，咬合程度不可能无限增长，也就限制了黏聚力的增长。

基于颗粒材料与固体材料不同的传力机制，本文讨论碎屑流遇到外界阻力时的情况。大量现场调查结果显示，碎屑流的速度很快通常可达30～60 m/s，高速运动的碎屑体在受到坡面、沟谷等不平整的激励下，内部碎屑的碰撞必然导致体积的增加，滑坡碎屑也就很难达到紧密的状态，且碎屑流的体积通常较大，要改变碎屑流的运动状态需要很大的摩阻力，如此大的摩阻力是否会超过碎屑间的咬合极限是需要研究的问题。另外，假如坡面亦为松散堆积物，坡面土体能否在极短的时间内“咬合紧密”，提供如此之大的反力也是值得商榷的问题。碎屑流的运动机制极为复杂，而碎屑的这种传力机制可能为造成其高速远程的一个原因。

5 结 论

（1）在室内滑槽试验中，滑坡碎屑流整体的运动距离随着粒径的增大而增加且受前端颗粒运动距离控制，当前端碎屑停积后，后续碎屑仅少部分可以越过堆积物继续向前运动。

（2）滑床糙率增加后，滑坡的运动距离明显减小，但进一步增加滑床糙率，对滑坡运动影响减弱。设置挑坎后，滑坡的运动距离也出现减小的趋势。

（3）岩体破碎后变为碎屑后传力机制发生变化，颗粒材料的传力机制可能为碎屑流出现流态化及高速远程的原因之一。由于高速远程滑坡碎屑流发生区域多变、运动过程复杂，模型试验限于试验条件以及尺寸效应的存在不能完全模拟实际情况。只有现场调查、模型试验、数值模拟等手段多管齐下把其运动机制了解清楚才能达到防灾减灾目的。

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