碎屑流模型试验研究

雷先顺,沈银斌,朱大勇,刘 诚

(1.合肥工业大学 土木与水利工程学院,安徽 合肥 230009; 2.湖北省电力勘测设计院,湖北 武汉 430040; 3.土木工程结构与材料安徽省重点实验室，安徽 合肥 230009; 4.机械工业勘察设计研究院,陕西 西安 710048)



碎屑流模型试验研究

雷先顺1,2,3,沈银斌4,朱大勇1,3,刘 诚1,3

(1.合肥工业大学 土木与水利工程学院,安徽 合肥 230009; 2.湖北省电力勘测设计院,湖北 武汉 430040; 3.土木工程结构与材料安徽省重点实验室，安徽 合肥 230009; 4.机械工业勘察设计研究院,陕西 西安 710048)

碎屑流危害极大,且无法对其进行有效的预测和防范。文章通过室内模型试验,研究了不同组成的分层堆积体在不同初始启动角下,沿斜面的滑动和堆积运动,分析得到堆积体最终堆积范围的变化规律。试验结果表明:随着初始启动角的变大,堆积体由分级破坏逐渐变成整体破坏,堆积范围也会变大;堆积体上层颗粒比下层颗粒的冲程要大,对整个堆积体的冲程影响也要大;堆积体分层情况对其最终堆积范围影响较大,但随着初始启动角变大,这种影响逐渐变小。试验研究成果对研究碎屑流运动过程和堆积范围具有一定的理论参考价值。

模型试验;碎屑流;分层堆积体;初始启动角;堆积范围

0 引 言

碎屑流是一种破坏性十分大的地质灾害,具有速度快、规模大、距离远和预测困难等特点,现在已经成为工程地质灾害研究的热点问题,在进行滑坡分析预测时,最为棘手的问题是滑动距离、危害范围和危害程度的预测。

关于碎屑流运动过程的理论研究成果较多,但普遍存在假设过多问题,尚不能完全解释碎屑流运动过程中出现的一些现象。在理论研究方面,主要有基于块体滑动摩擦理论、流体理论和散粒体理论等,但是各有其局限性。块体理论[1-2]把堆积体简化成刚体,不能描述崩滑土体运动过程的破碎和大变形;流体理论[3]把滑体看做流动性的连续介质,但是边界条件复杂,且不能反映滑坡过程中的破碎、相互作用等现象;散体理论[4]将滑体简化成一个个颗粒组成的堆积体,可以分析滑体内部介质的力学行为,满足滑体变形的非连续性等优点,但是计算复杂。

用数值模拟来研究滑坡系统内部的动态变化过程,对滑坡的成灾范围进行有效预测具有重要意义。文献[5]提出了基于拉格朗日差分法的模拟方法(DAN);文献[6]基于岩体介质非连续性提出了分析块体系统运动和变形的一种崭新的岩土工程数值分析方法;文献[7]基于有限体积法,考虑了滑坡过程中滑体下表面的侵蚀和摩阻力的变化,建立了一种滑坡滑动过程三维计算的运动学模型。

物理模型试验主要集中于研究碎屑流物质在滑面上的滑动和堆积过程。文献[8]研究了滑体的体积对滑体的扩散范围、堆积区的长度等指标的影响;文献[9]研究了滑坡-碎屑流中的颗粒反序现象,并讨论了其形成机制;文献[10]通过砂土流动的模型试验,研究了砂土在不同初始状态下流态化运动的过程;文献[11]通过试验,探究了滑体在滑动过程中的能量转化情况。

分层堆积体在不同的堆积坡度下的破坏模式是不同的,导致其最终的运动和堆积结果也发生变化,而针对该问题的试验研究资料较少。本文通过模型试验的方式,探讨在不同堆积坡度下分层堆积体的滑动和堆积规律。

1 模型试验概况

1.1 试验装置

整个模型试验装置由装料模型箱、锁门装置、钢支架、滑面4个部分组成,如图1所示。装料模型箱用于制备堆积体,尺寸为60 cm×40 cm×50 cm(长×宽×高)。模型槽左、右两侧密封,后侧和上侧敞开,方便装料,前侧设置一个可向左、右两侧开合的挡板,挡板前的铁链由一个手动葫芦控制其松紧,从而控制挡板的开合,继而导致模型槽内堆积体破坏并在滑面上运动。模型槽放在一个可调节角度的钢架上,钢架的坡度可以在0°～50°之间任意调节,从而得到不同的初始启动角θ,如图2所示。模型槽内颗粒堆积情况如图3所示。

图1 实验装置实物图

图2 初始启动角

图3 滑体堆积图

根据碎屑流运动的过程,将滑面分成加速区、减速区2个部分。加速区斜坡高度为1.8 m,滑面宽度为1.7 m,位于钢支架上。钢支架是由工程中用的脚手架组成,保证了模型体系的稳定。减速区宽2.6 m,上面画上10 cm×10 cm的方格,便于观察堆积体最终的分布范围。在斜坡的上方和前方分别放置一台摄像机,以记录滑坡运动的整个过程。

1.2 试验材料及测量参数

试验采用2种不同粒径的砂子和1种石子,粒径范围分别为0～3、3～10、10～20 mm。砂子为普通河砂,经人工筛选后得到;石子为卵石,表面光滑。为方便叙述,将它们分别命名为A、C和B,如图4所示。

颗粒级配曲线如图5所示。

图4 颗粒实物图

图5 颗粒级配曲线

碎屑流冲程和覆盖面积关系到灾害风险预测及应对措施的制定,是该类自然灾害的研究重点和难点。本试验主要的测量参数是堆积体最终在堆积区上的平面堆积范围参数,包括冲程、减速区上的覆盖面积,如图6所示。

图6 滑体最终堆积参数图

1.3 试验方案

调节装料模型箱下面的钢架,可以使模型槽与加速区滑面处于不同的连接角度,从而得到不同的初始启动角θ,来研究初始启动角对滑体运动的影响。试验方案设计见表1所列,每次颗粒堆积体由2种等体积的不同的颗粒材料组成,且2种颗粒按照3种不同的堆积方式堆积,从而研究分层堆积体不同位置处的颗粒沿斜面的滑动过程,并探索其对整个堆积体最终在减速区上的堆积范围的影响。其中,第1种为A在堆积体下层;第2种为2种颗粒均匀混合;第3种为A在堆积体上层。

试验时,先称取一定质量的颗粒材料,按要求在模型箱中堆积好。然后缓慢转动手动葫芦,并用手抓紧铁链,当铁链由绷紧逐渐变成松弛状态后,再缓慢松开铁链。模型箱内堆积体在自身重力的作用下,发生变形并推开挡板,冲出模型箱,开始在滑面上滑动,并最终在水平面上堆积。最后,根据滑体在减速区网格上的覆盖范围,可以在Origin软件中得到平面堆积区域的简化图,从而得到滑体最终的冲程和平面覆盖面积值。

表1 试验方案

2 试验结果分析

2.1 堆积体颗粒分层影响

堆积体从开始失稳,到加速沿滑面运动,直至最终完成停积,是一个累积渐进的大变形过程。不同位置处颗粒的运动状态也是不同的,本文设置了不同堆积方式的分层堆积体,目的是研究不同位置的颗粒对整个堆积体滑动和堆积运动的影响。

以第1组为例说明。试验中,观察到当打开模型槽前的挡板后,滑体在自身重力的作用下,发生失稳破坏。处于临空面上(上方和前方)的颗粒受到周围颗粒的约束作用小,首先冲出模型槽,并继而在斜坡上开始加速下滑;位于堆积体下方和后方的颗粒受到周围颗粒的约束作用大,要迟于临空面上的颗粒发生滑动。在斜面上滑动时,后进入滑面的颗粒很难超越前面的颗粒。当堆积体上方是石子,下面是砂子时,可以明显看出石子和砂子的前、后距离比较大,且在运动过程中前、后距离越来越大,整个滑体有分离的趋势,整个运动堆积过程用时6.7 s,是几种情况下用时最长的。当砂子和石子均匀混合时,可以观察到前缘石子较多,但是远没有第1种出现得那么明显,整个滑动堆积过程用时3.5 s。而当上层是砂子、下层是石子时,虽然砂子还是明显位于滑体的前缘,但是前、后颗粒的距离差距并不明显。整个运动堆积过程用时3.3 s,用时最短。滑体在斜面的运动过程如图7所示。

另外,观察滑体最终的堆积形态,可以发现对于第1种堆积形式,砂子最终大部分位于加速区斜面上,而石子大部分位于堆积区上,且两侧砂子较多,石子较少。对于第2种堆积形式,2种颗粒材料分布比较均匀,并且砂子自身的运动距离比其他2种堆积形式下都要大。对于第3种堆积形式,石子则大部分位于加速区斜面上,并将砂子覆盖,堆积体两侧缘石子较多,砂子较少。滑体最终堆积形态如图8所示。

图7 3种情况下颗粒在斜面的运动过程

图8 堆积体最终堆积形态(θ=30°)

分析3种堆积形式下滑体最终的堆积参数值,可以发现,3种堆积形式的滑体最终冲程和堆积面积的大小关系依次为:第1种>第2种>第3种。分析其原因,位于上层的颗粒先进入斜面,而石子的运动能力比砂子强,当堆积体上层为石子时,其在斜面上运动受到的阻力小,使整个滑体的最终冲程和堆积面积明显增大。而当堆积体上层为砂子时,砂子也是先进入斜面开始滑动,但是其本身运动能力有限,还阻碍了后面石子的运动,导致最终的冲程和堆积面积显著减小。当砂子和石子均匀混合时,砂子对石子运动的阻碍作用比第3种堆积形式下要小,而且砂子受到石子的摩擦碰撞作用,使其最终的运动距离最大。

分析A和C 2种不同粒径砂子组成的分层堆积体最终的堆积情况,可以发现,其表现出来的规律与砂子和石子分层堆积体相同,但是由于2种颗粒的运动能力差距不是特别明显,所以3种不同堆积形式下的滑体最终的堆积参数差距没有砂子、石子堆积体表现得那么明显。另外,比较当堆积体上层均为中粗砂,而下层分别为粗砂和石子2种情况下最终的堆积范围,可以发现冲程和堆积面积的大小几乎相同。而在另外2种堆积形式下,2种不同颗粒组成的堆积体,其最终堆积范围差距比较明显。由此可以得到,滑体最终的运动距离受控于滑体前缘的颗粒。对于分层滑体,其上层颗粒对整个滑体最终的堆积范围影响较明显。

由于试验所用的是砂石散体颗粒材料,既不同于固体材料,也不同于液体材料,其形成的堆积体内没有明显的滑移面,在初始启动时直接发生流动和滚动。根据颗粒接触力理论[12],颗粒间的相互作用表现为力链的形式。试验中的堆积体颗粒较为松散,由于重力作用,强力链主要分布在颗粒堆积体的中底部,中部的强力链呈准直线形,底部强力链相互链接形成架拱。位于堆积体表面的颗粒受到重力作用,发生剪切变形,从而使得力链断裂,产生更大的变形,继而造成堆积体解体,并最终发生沿斜面流动的现象。同时,在碎屑流运动时,颗粒会发生相互碰撞,颗粒粒径越大,粒间离散力也越大,在堆积体运动过程中越容易形成碎屑流。因此,在试验中,可以发现石子的冲程大于砂子,且当其位于上层时,可以明显增加整个堆积体的冲程和平面覆盖面积。

2.2 初始启动角和分层堆积耦合作用的影响

堆积体的初始启动角不同,导致其发生失稳破坏启动形式不同,不同的失稳破坏启动方式对之后滑体的运动有影响;同时颗粒会获得不同的初始速度,滑体最终的堆积范围也会不同。初始启动角和分层堆积耦合作用的影响如图9所示。

通过试验结果可以发现,当初始启动角θ变大,最终堆积范围会明显变大。对于分层堆积滑体,当初始启动角较小时,堆积体发生的破坏方式类似于分级启动破坏。位于堆积体上层的颗粒启动加速时间早,若上、下2层的颗粒运动能力差别较大,则会导致3种堆积形式下,最终的冲程和堆积面积大小差别也比较大。

图9 初始启动角和分层堆积耦合作用的影响

当初始启动角逐渐变大时,堆积体的启动破坏形式也慢慢发生变化,由分级启动破坏形式逐渐向整体启动破坏形式转化。对于同等体积下的堆积体,整体启动破坏比分级启动破坏具有更大的初始启动速度,使其最终的堆积影响范围变大。

对于整体启动破坏形式的滑体,堆积体内部颗粒之间启动加速时间前、后差别越来越小。在滑面上运动时,堆积体内颗粒间的相互碰撞也越来越频繁。这样产生的结果是堆积体最终的冲程和堆积面积虽然也会逐渐变大,但是对于3种不同堆积形式的堆积体,其最终的堆积参数差别逐渐变小。

3 结 论

(1) 堆积体最终的堆积范围受控于堆积体在斜面上运动时其前端的颗粒,后方颗粒的运动明显受到前端颗粒的阻碍影响。

(2) 对于不同颗粒组成的分层堆积体,上层颗粒运动能力越强,则最终的堆积范围越大;而下层颗粒对整个堆积体最终堆积范围影响则相对较小。

(3) 初始启动角对堆积体的启动加速形式有影响,随着初始启动角度变大,启动形式由分级破坏模式变成整体破坏模式。

(4) 随着堆积体初始启动角变大,堆积体最终的堆积范围明显变大,但是对于3种不同堆积形式的堆积体,它们最终的堆积范围差距逐渐变小。

(5) 试验中用平板模拟斜坡,也没有考虑堆积体内部的结构、构造,对其他的内、外部条件也进行了较大的简化处理,模型试验和实际情况存在一定差别,但从研究碎屑流的运动规律角度出发,仍有一定的参考意义。

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(责任编辑 张淑艳)

Model Studies of debris flow

LEI Xianshun1,2,3,SHEN Yinbin4,ZHU Dayong1,3,LIU Cheng1,3

(1.School of Civil and Hydraulic Engineering， Hefei University of Technology， Hefei 230009， China; 2.Hubei Electric Engineering Corporation, Wuhan 430040， China; 3.Anhui Key Laboratory of Structure and Materials in Civil Engineering， Hefei 230009， China; 4.China JK Institute of Engineering Investigation and Design， Xi’an 710048, China)

The debris flow is a kind of geological disaster with extreme destructive power， and can not be effectively predicted and prevented. By performing laboratory model experiments， the slide and accumulation of layered particles deposit down an inclined board under different initial starting angle are studied. The results show that when the initial starting angle increases，the failure mode of sliding mass changes from delamination failure to integral failure, and the accumulation scope increases; the run-out of the upper particles is greater than that of the lower particles， and the upper particles exert a greater influence on the run-out of the whole sliding mass; the accumulation type has a great influence on the final accumulation scope, but when the initial starting angle increases， the influence gets weak. The experimental results can provide a theoretical reference for the study of the sliding mass movement process and accumulation scope.

model experiment; debris flow; layered particles deposit; initial starting angle; accumulation scope

2015-05-27；

2016-08-29

国家自然科学基金资助项目(51179043)

雷先顺(1990-),男,湖北广水人,合肥工业大学硕士生,湖北省电力勘测设计院助理工程师;

朱大勇(1965-),男,安徽枞阳人,博士,合肥工业大学教授,博士生导师.

10.3969/j.issn.1003-5060.2016.10.014

P642.22

A

1003-5060(2016)10-1367-06