杨 海 龙，樊 晓 一，赵 运 会，王 海 瓜，李 天 话
(西南科技大学 土木工程与建筑学院，四川 绵阳 621010)
摘要：为了研究碎屑流的运动物性，通过室内模型试验研究了不同偏转角度和颗粒级配对碎屑流运动参数的影响。研究结果表明：在偏转作用下，相同颗粒级配的碎屑流前缘速度的减小比例和能量的消耗随偏转角度的增大而增大;持速阶段的平均速度、运动距离及减速阶段的初始速度、运动距离均随偏转角度的增大呈抛物线变化特征；偏转角θ为20°时各运动参数指标最大；相同偏转角度下，岩土体的中值粒径越小，碎屑流的前缘物质受到的阻止效应越明显，持速阶段的平均速度、运动距离越小；减速阶段的运动距离与初始速度和底部摩擦效应有关。最后，提出了偏转作用下碎屑流的能量线模型。
关 键 词：偏转角度； 颗粒级配； 运动参数； 碎屑流； 能量线模型
碎屑流是指高速远程滑坡或崩塌在运动过程中转化而成的一种碎屑流体[1]。因其具有高速、远程的运动特点，在运动过程中往往会对沿途的基础设施和居民建筑造成毁灭性的破坏，引发严重的生命财产损失[2]。野外调查发现，碎屑流在运动过程中受沟谷地形的影响，运动路径常发生偏转，如：2010年四川都江堰三溪村滑坡[3]、四川汉源二蛮山滑坡[4]、贵州关岭大寨滑坡[5]、2013年云南镇雄赵家沟滑坡[6]、2015年陕西山阳滑坡[7]等。这类滑坡的运动方向均发生不同角度的偏转，从而导致偏离滑坡起始运动方向，造成人员伤亡和建筑损毁(图1)。
鉴于此类滑坡的致灾特点，已经引起一些研究人员的关注并开始对其进行初步研究。如樊晓一等对大量不同偏转角度下的滑坡数据进行统计分析，结果表明偏转角度对滑坡运动距离的影响较为显著[8]。赵运会等通过对不同偏转角度下的滑坡碎屑流堆积特征进行分析，表明随着偏转角的增大，滑坡运动距离减小，最大堆积厚度增加，同时偏转角对滑坡体有明显的颗粒筛分现象[9]。但是，对此类滑坡的研究大多还局限于对某一特定滑坡进行定性分析，尚没有系统地对碎屑流各运动阶段的运动参数变化特征进行研究。
图1 贵州关岭大寨滑坡[5]
已有的研究结果表明[10-13]，碎屑流运动是岩土体特征和场地条件耦合作用的结果。因此，本文将通过室内模型试验，模拟3种不同颗粒级配的岩土体(M1、M2、M3分别代表土质、岩质和碎石土)滑坡在不同偏转角度(20°,40°,60°)下的运动过程，并与无偏转作用下的碎屑流运动进行对比分析，揭示偏转角度(θ)、岩土体颗粒级配(M)对滑坡碎屑流运动参数的作用机制。
1 模型试验
1.1 试验装置
模型试验装置主要由2部分组成(图2)。试验装置上部斜坡固定(α=45°)，斜坡高度为3 m，为碎屑流的启动加速区。下部水平部分为运动堆积区，滑槽长度可依据试验要求相应增减。上、下部之间采用活动连接，可通过调整下部滑槽的水平位置使上下部形成偏转角度(θ)。其中砂箱容积为0.75 m3，砂箱前部设置两块挡板，并由插销控制挡板的启合，以此来模拟滑坡-碎屑流的启动。滑槽宽度为1 m，滑槽两侧安装强度较高且透明的有机玻璃，便于从侧面观察滑坡堆积体的形态特征。
图2 试验装置简化模型
1.2 试验材料
为了分析岩土体特性对碎屑流运动参数的影响，本次实验选取天然岩土体材料按照不同的配比进行混合，得到3种不同颗粒级配的试验材料(图3)。
图3 试验采用的土体
通过室内筛分绘制其颗粒级配曲线(图4)，由直剪试验测得岩土体材料的力学参数(表1)。
图4 岩土体的颗粒级配
表1 岩土体的物理力学参数
试样编号不均匀系数曲率系数d50/mm内摩擦角/(°)休止角/(°)凝聚力(咬合力)/kPa天然密度/(g·cm-3)含水率/%M110.600.4036.6040.600.811.766.74M2152.9081.7024.8532.7441.000.872.095.26M347.300.603.2127.4035.300.711.936.25
1.3 试验安排
为探讨偏转角度和岩土体颗粒级配对碎屑流运动参数的影响，共进行12组试验，其中试验1、5、9为对照实验组(表2)。
表2 试验工况
试验编号岩土样偏转角度θ/(°)岩土体体积V/m3含水率/%1M100.2202M1200.2203M1400.2204M1600.2205M200.2206M2200.2207M2400.2208M2600.2209M300.22010M3200.22011M3400.22012M3600.220
1.4 运动参数指标的选取
碎屑流偏转后的水平运动距离和前缘速度变化能较好地反映偏转角度和颗粒级配耦合作用下的碎屑流运动特性和能量演化，是滑坡碎屑流的致灾范围和致灾强度评估的关键指标。因此，本文选取偏转后的水平运动距离(L)和前缘速度(v)作为运动参数指标。
1.5 运动参数的获取
获取准确的碎屑流运动参数是本文分析的基础。试验中，在滑槽正前方放置一台帧速为500帧/s的高速摄像机，正上方放置一台帧速为30帧/s的数码摄像机，全程记录碎屑流的运动过程(图2)。试验前，在滑槽底面每隔10 cm画出标志线并标注数字，作为滑坡-碎屑流运动距离的标识。试验结束后对摄像机记录的图像进行分析，由于拍摄每一帧图像的时间是已知的，再通过相邻几帧图像上滑坡-碎屑流前缘的运动距离变化，便可以计算出相应的前缘速度。通过滑道上的距离标识可以统计出不同偏转角度下的水平运动距离。
2 碎屑流运动参数分析
根据获取的碎屑流运动参数(前缘运动速度、运动距离)绘制碎屑流前缘速度-运动距离关系曲线，分别探讨偏转角度、岩土体颗粒级配对碎屑流运动参数的影响。
2.1 偏转角度对运动参数的影响
岩土体在不同偏转角度下的前缘速度和运动距离存在显著差异(图5)。根据前缘速度变化曲线将碎屑流运动过程划分为加速(AB)、持速(BC)和减速(CD)运动3个阶段。以岩土体(M2)为例，对比分析受不同偏转角度(θ=20°,40°,60°)作用与无偏转作用(θ=0°)下的碎屑流运动参数，分析偏转角度对碎屑流运动参数的影响。
图5 前缘速度-运动距离关系曲线(M2)
不同偏转角度下，碎屑流前缘速度均表现出急剧减小的特征，减小的比例分别为55.78%,58.64%,60.70%，能量损失分别为80.45%,82.89%,84.55%。无偏转作用下的前缘速度减小比例为54.83%，能量损失79.60%(表3)。表明偏转角度越大，碎屑流前缘速度的减小比例和能量损失越大。
持速运动阶段，前缘平均速度、运动距离均随偏转角度的增大呈抛物线变化，当θ=20°时最大(表4)。其原因在于：当偏转角度较小时，碎屑流前缘在偏转处损失的能量与无偏转作用下能量的损失基本相同(表3)。碎屑流前缘颗粒运动受阻受偏转作用较无偏转作用明显，只有少部分的前缘颗粒获后部物质传递的能量后继续运动。因此，较小的偏转角度下(θ=20°)的前缘平均速度、运动距离均略高于无偏转条件下的平均速度和运动距离。当偏转角度较大时，碎屑流前缘在偏转处的能量损失逐渐变大，偏转阻止效应也更显著，在偏转处更容易停积。后部的碎屑流物质运动到坡脚后受摩擦作用和前部堆积体的阻止，不能将能量有效地传递给前缘物质，导致前缘平均速度、运动距离减小。由于能量传递的不连续性，使碎屑流前缘速度在持速阶段表现出明显的波动性，偏转角度越大波动性越显著(图6)。
表3 偏转后的运动速度和能量损失(M2)
偏转角度/(°)前缘速度/(m·s-1)偏转前偏转后速度减小比例%能量损失/%06.312.8554.8379.60206.312.7955.7880.45406.312.6158.6482.89606.312.4860.7084.55
表4 不同偏转角度下的运动参数(M2)
偏转角度/(°)加速阶段持速阶段减速阶段运动距离/m初始速度/(m·s-1)最大速度/(m·s-1)运动距离/m平均速度/(m·s-1)运动距离/m平均速度/(m·s-1)平均加速度/(m·s-2)03.506.311.302.800.512.745.41203.506.311.322.850.602.915.39403.506.311.202.540.542.475.30603.506.311.122.320.432.154.98
图6 M2在持速阶段的运动参数曲线
在减速运动阶段，随偏转角度增大，碎屑流前缘物质沿运动方向上在相同位置的体积和质量分布越小；在相同的摩擦系数下，减速作用越不显著，即平均加速度随偏转角度的增大而减小(表4)。受碎屑流的前缘初始速度和底部摩擦效应的作用，运动距离随偏转角度的增大而呈抛物线变化，当θ=20°时运动距离最大。
综上所述，碎屑流运动参数受控于偏转角度，较小的偏转角度更有利于碎屑流的运动。
2.2 颗粒级配对运动参数的影响
不同颗粒级配的岩土体在相同偏转角度下的前缘速度和运动距离也表现出显著差异(图7)。分别以岩土体M1、M2、M3在相同偏转角度(θ=40°)下的运动为例，分析不同岩土体的颗粒级配对碎屑流运动参数的影响。
图7 前缘速度-运动距离关系曲线(θ=40°)
加速阶段，碎屑流前缘峰值速度和平均加速度均表现为M2>M1>M3，并且三者之间的峰值速度存在较大差异(表5)。表明颗粒级配对前缘峰值速度有显著的影响。原因在于岩土体的颗粒级配不同，在运动过程中与滑槽接触面积不同，岩土体所受摩擦力不同，导致不同岩土体的前缘峰值速度和平均加速度存在较大差异。
表5 偏转作用下的运动速度和能量的损失
岩土体前缘速度/(cm·s-1)偏转前偏转后速度减小比例%能量损失/%M15.602.1761.2584.98M26.312.6158.6482.89M35.262.1159.8683.91
受偏转作用，岩土体M1、M2、M3的峰值速度均表现出突然减小的特征。M1、M2、M3前缘瞬时最小速度分别为2.17，2.61，2.11 m/s，峰值速度减小比例分别为61.25%，58.64%，59.86%，能量损失分别为84.98%，82.89%，83.91%(表5)。表明中值粒径越小，碎屑流受偏转的阻止作用越明显，能量损失越大。颗粒间的能量传递机制使碎屑流前缘物质获得后部物质传递的能量，补偿前缘物质在运动过程中的能量耗散。因此，碎屑流前缘能保持某一恒定速度运动一段距离，即进入持速运动阶段。由于不同颗粒级配的岩土体受偏转作用的阻止效应不同，以及能量传递的差异，使碎屑流的前缘速度在持速阶段表现出不同的波动性变化特征，即中值粒径越小，波动性越显著(图8)。因此在持速运动阶段，中值粒径越小，碎屑流前缘平均速度越小，运动距离的大小为M2>M3>M1。这一变化特征可以用颗粒流理论[14]和能量传递模型[15-16]进行解释。
在减速运动阶段，碎屑流后部物质的能量无法继续有效传递，碎屑流前缘物质在摩擦阻力的作用下，运动速度迅速减小并沿途堆积，平均加速度随岩土体中值粒径的增大而减小，运动距离的大小表现为M3>M2>M1，表明运动距离与减速阶段的初始运动速度以及岩土体和底板间的摩擦效应有关(表6)。
综上所述，碎屑流运动参数也受控于岩土体的颗粒级配。
表6 不同颗粒级配岩土体的运动参数(θ=40°)
加速阶段持速阶段减速阶段运动距离/m初始速度/(cm·s-1)最大速度/(cm·s-1)平均加速度/(cm·s-2)运动距离/m平均速度/(cm·s-1)运动距离/m平均速度/(cm·s-1)平均加速度(-)/(cm·s-2)3.505.605.781.052.050.451.935.563.506.316.041.202.540.542.475.303.505.265.331.152.070.702.034.98
图8 持速阶段碎屑流前缘速度曲线
3 碎屑流能量线模型
已有的研究表明[17-18]，能量线模型能准确地解释碎屑流在运动过程中的能量变化。本文通过模型试验研究，对已有能量线模型进行改进，提出了偏转作用下的碎屑流能量线模型，并以M2为例进行说明(图9)。
岩土体M2的能量线演化为：碎屑流启动后，在加速运动区碎屑流的势能转化为克服摩擦阻力的内能E1和维持运动的动能E2。偏转阻止效应消耗了碎屑流垂直方向上的能量分量EV，表现为前缘速度急剧减小；水平方向上的能量分量EH的消耗则受控于偏转角度。当偏转角度较小时，碎屑流受偏转阻止效应较小，但颗粒间的相互作用加剧，颗粒间的能量传递更加充分，使水平方向的能量分量EH略大于无偏转作用下的水平分量。偏转角度较大时，碎屑流受偏转阻止效应显著，水平方向的能量分量EH消耗高于无偏转作用。同时，颗粒间的能量传递是碎屑流受偏转作用后仍能持速运动一段距离的原因。最后，受到前部堆积体的阻止，后部物质的能量有效地传递给前缘物质，碎屑流受摩擦效应逐渐消耗水平方向的能量分量，并最终停止运动。
注：E为碎屑流具有的总能量；E1为偏转前能量的损失；E2为偏转前具有的动能；Ev为偏转前垂直方向的动能；EH为偏转前水平方向的动能；ΔEH1,ΔEH2偏转角度θ=40°、60°时，水平方向损失的动能；θ≤20°时，水平方向损失的动能几乎为零。
图9 偏转作用下的能量线模型(M2)
4 结 论
(1) 偏转作用下的碎屑流运动过程可划分为加速、持速和减速运动三个阶段。偏转作用对碎屑流前缘物质的阻止效应实现了加速阶段向持速阶段的瞬时过渡；颗粒间的能量传递机制是碎屑流的前缘物质能持速运动的关键；减速阶段的初始速度和底部摩擦效应决定了减速阶段的运动特征。
(2) 碎屑流前缘的速度变化和运动距离均受控于偏转角度和颗粒级配。较小的偏转角度更有利于碎屑流的运动；中值粒径的大小决定了颗粒间能量传递的效果，最终影响碎屑流的运动。
(3) 偏转作用下的碎屑流能量线模型的提出能够较好地揭示碎屑流的能量演化过程。
(4) 相对于理论分析和数值模拟而言，虽然模型试验在相似理论和相似判据等方面还存在一定的争论，但模型试验作为研究碎屑流运动的一种途径，其试验结果可为碎屑流运动机理的研究提供参考。
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(编辑：郑 毅)
Study on influence of deflection angle and grain gradation of debris flow on mass-front motion parameters
YANG Hailong, FAN Xiaoyi, ZHAO Yunhui, WANG Haigua, LI Tianhua
(School of Civil Engineering and Architecture, Southwest University of Science and Technology, Mianyang 621010, China)
Abstract: The influences of deflection angle and grain gradation of debris flow on motion parameters are analyzed based on model test. The results show that as for the same grain gradation, the reduction ratio of front velocity of the debris flow and energy dissipation increase with the increase of internal friction angle. The average velocity and movement distance in velocity maintenance stage as well as the initial velocity and movement distance in deceleration stage all vary in a parabolic curve with the deflection angle and the parameters reach to the maximum value when the deflection angle is 20°. As for the same deflection angle, the mass-front of debris flow is subject to an increasing resistant effect with the decrease of medium diameter and also the average velocity and movement distance in velocity maintenance stage are in decrease. In deceleration stage, the movement distance is related to the initial velocity and the friction effect. Finally, the energy flow model of debris flow influenced by deflection is proposed.
Key words: deflection angle; grain gradation; motion parameter; debris flow; energy flow model
收稿日期：2017-03-03
基金项目：国家自然科学基金项目(41272297)；绵阳市科技计划项目(16S-02-4)；西南科技大学研究生创新基金项目(17ycx102)
作者简介：杨海龙，男，硕士研究生，研究方向为地质灾害。E-mail：2402635703@qq.com
通讯作者：樊晓一，男，教授，博士，主要从事岩土工程及地质灾害方面的教学与研究工作。E-mail：xyfan1003@126.com
文章编号：1001-4179(2017)16-0049-05
中图法分类号： P
文献标志码：A
DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2017.16.011